RU2132954C1 - Поршневой двигатель внутреннего сгорания найда - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению. Предложенный поршневой двигатель снабжен по меньшей мере одним на каждый рабочий цилиндр дополнительным клапаном, сообщающим рабочую полость цилиндра с полостью рубашки охлаждения и по меньшей мере одним клапаном, размещенным в этом канале, с возможностью впуска в первом такте рабочего цикла из рубашки охлаждения в цилиндр с наддувом непрерывно обмениваемого в ней охлаждающего тела и подачи в нее посредством насосного действия этого рабочего цилиндра во втором дополнительном такте под давлением порции воздуха, предварительно отобранной из атмосферы в первом дополнительном такте, без подачи топлива или с одновременной подачей его либо его части, при этом привод вращения распределительного устройства от коленчатого вала выполнен с передаточным отношением 2:(Т+2), где Т- исходная тактность двигателя, а рубашка охлаждения представляет собой одну или несколько замкнутых герметичных при повышенном давлении камер и предварительно заполнена в качестве охлаждающего тела воздухом или топливовоздушной смесью преимущественно под давлением. Каждый рабочий цилиндр снабжен инжектором. Рубашка охлаждения выполнена в виде одной или нескольких улиткообразных камер. Для безынерционного повышения давления наддува двигатель снабжен ресивером с возможностью аккумулирования в нем сжатого воздуха и перепуска его в рубашку охлаждения. Изобретение позволяет упростить конструкцию двигателя, повысить полный эффективный КПД, значительно уменьшить затраты на изготовление, обслуживание и эксплуатацию. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в силовых агрегатах автомобилей, тракторов и других транспортных средств, а также в стационарных силовых установках. Известны конструкции поршневых двухтактных и четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с термодинамическим циклом Р.Дизеля (дизельные), например, двухтактный ЯАЗ 204 , четырехтактные: рядный Д 260Т , V-образный ЯМЗ 240Б [л. 1, с.322], а также с термодинамическим циклом Н.Отто (бензиновые: карбюраторные и с непосредственным впрыском топлива), например, Mersedes-Benz С 230 [л.9, с.9-12], с наддувом атмосферного воздуха в цилиндры и с жидкостным охлаждением двигателя, содержащие корпус, один или несколько рабочих цилиндров с поршнями, размещенных в корпусе или в блоке цилиндров, коленчатый вал, размещенный в корпусе и шарнирно связанный с поршнями при помощи шатунов с возможностью возвратно-поступательного насосного действия поршней в цилиндрах при вращении коленчатого вала, одну или несколько головок цилиндров с впускными каналами и впускными клапанами, размещенными в них, для подвода воздуха (в дизельном) или топливовоздушной смеси (в карбюраторном двигателе) в каждый цилиндр, а также с выпускными каналами и выпускными клапанами, размещенными в них, для отвода отработавших газов из цилиндров в атмосферу, одно или несколько распределительных устройств с управляющими элементами и с механизмами привода клапанов, например, кулачковых распределительных валов с профильными кулачками и с толкателями, штангами, коромыслами в совокупности с пружинами клапанов, размещенных в корпусе или в головках цилиндров, привод вращения распределительных устройств от коленчатого вала, выполненный в виде шестеренной или цепной передачи [л. 1, с. 126] , радиатор, размещенный преимущественно отдельно от корпуса, и рубашку охлаждения двигателя, выполненную в корпусе или в блоке и головках цилиндров с охватом цилиндров, образующие своими полостями общую замкнутую герметичную при повышенном давлении полость, заполненную охлаждающим телом, насос, размещенный в корпусе или в блоке цилиндров двигателя, с приводом вращения от коленчатого вала для обеспечения принудительной циркуляции охлаждающего тела в полости рубашки охлаждения и радиатора, вентилятор, установленный вблизи радиатора, преимущественно на корпусе, и приводимый во вращение от коленчатого вала для интенсивного отбора тепла от охлаждающего тела в радиаторе с рассеиванием его в атмосферу при помощи создаваемого воздушного потока, компрессор, размещенный, например, на корпусе, сообщенный при помощи воздушного тракта с впускными каналами для наддува воздуха в цилиндры и приводимый во вращение за счет отбора мощности от коленчатого вала двигателя или за счет использования остаточной энергии выхлопных газов в газовой турбине турбокомпрессора, а также теплообменное устройство для охлаждения наддуваемого в цилиндры воздуха, размещенное вблизи вентилятора либо снабженное дополнительным охлаждающим устройством [л.5, с. 165-170].

Рабочий цикл двухтактного двигателя включает в себя первый такт впуска в цилиндр с наддувом и сжатия в нем заряда воздуха или топливовоздушной смеси и второй такт с совмещенными с ходом поршня: горением, расширением рабочего тела и рабочим ходом, выпуском отработавших газов и продувкой цилиндра.

У четырехтактных двигателей рабочий цикл осуществляется таким образом: 1 такт впуска с наддувом в цилиндр атмосферного воздуха или топливовоздушной смеси; 2 - сжатие воздуха с подачей топлива и его самовоспламенением или сжатие топливовоздушной смеси и принудительное ее воспламенение; 3 - горение, расширение рабочего тела и рабочий ход; 4 - выпуск отработавших газов в атмосферу (с использованием их остаточной энергии для привода вращения турбокомпрессора наддува или с другим ее использованием, или без использования вообще) с продувкой цилиндра, заканчивающейся в первом такте.

Полный рабочий цикл при работе двухтактных двигателей реализуется за один, а четырехтактных - за два оборота коленчатого вала путем согласованного по углу его поворота открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов при помощи распределительных устройств с управляющими элементами, выполненными для этой цели с определенными формами профилей и с определенным взаимным расположением, а также при помощи механизмов привода клапанов, приводимых в совокупности в действие от коленчатого вала посредством привода вращения распределительных устройств, выполненного с передаточным отношением: 2 : Т, где Т - тактность двигателя.

Охлаждение двигателей осуществляется путем отбора циркулирующим в полости рубашки охлаждения охлаждающим телом тепла от стенок и головок цилиндров и последующей передачи и рассеивания тепла через радиатор в атмосферу. При этом регулирование режима охлаждения двигателя (для предупреждения его переохлаждения при запуске и на режимах частичной нагрузки) производится путем автоматического выключения вентилятора, а также путем переключения циркуляционного круга на малый при помощи термостата [л. 1, с. 151-165].

Наддув в карбюраторных двигателях осуществляется с подводом сжатого воздуха либо до -, либо после карбюратора [л. 1, с. 287; л.2, с.169,рис.85]. Регулирование давления наддува на различных режимах нагрузки и дизельных, и карбюраторных двигателей осуществляется при помощи устройств автоматического управления, например, путем направления потока выхлопных газов в обход соплового аппарата турбины турбокомпрессора [л. 1, с.289], а охлаждение наддуваемого воздуха (с целью повышения плотности заряда) производится путем пропускания его перед подачей в цилиндры через теплообменное устройство с рассеиванием тепловой энергии в атмосферу [л.5, с. 165- 170].

В качестве прототипа выбрана конструкция поршневого четырехтактного четырехцилиндрового рядного дизельного двигателя с турбонаддувом и с замкнутой системой жидкостного охлаждения СМД-17 КН / 18 КН [л.3 с.46, 47], устройство и работа которого наиболее полно соответствуют описанным выше аналогам.

К недостаткам данной конструкции относится недостаточно высокий показатель топливной экономичности, а также повышенное содержание вредных токсичных веществ в отработавших выхлопных газах из-за несовершенства рабочего цикла (неполного сгорания топлива, высокой степени остаточных газов в цилиндрах и невысокого термического КПД двигателя), вызванного, в общем случае, недостатком предоставляемых условий и времени в рабочем цикле для тонкого испарения топлива и более тщательного перемешивания компонентов топливовоздушной смеси в совокупности с недостатком предоставляемого времени и хода поршня в рабочем цикле для более полного использования работы расширяющегося рабочего тела и для более полной очистки цилиндров от отработавших газов, а также из-за существенной потери тепла через охлаждающее тело в окружающую среду и с выхлопными газами - также в окружающую среду, составляющие в сумме 53% от произведенного при сгорании топлива [л.2, с. 147, таб.9].

Использование в конструкции двигателя турбокомпрессора с автоматическим регулированием давления наддува воздуха в цилиндры на различных режимах его работы существенно улучшает показатели двигателя по топливной экономичности и по уровню вредных выбросов в атмосферу в сравнении с безнаддувными двигателями, но только за счет усложнения его конструкции и без существенного повышения термического и индикаторного КПД из-за остающихся неизменными потерь тепла в систему охлаждения (23%) [л.2, с. 147, таб.9] и приобретаемых насосных потерь в турбокомпрессоре. При этом сама необходимость в использовании энергии отработавших газов возникает из-за недостаточно полного использования энергии расширяющегося рабочего тела при каждом рабочем ходе поршней в цилиндрах двигателя.

Существенным недостатком такого двигателя является также и повышенная сложность конструкции, вызванная нерациональным использованием насосных возможностей собственных рабочих цилиндров и наличием из-за этого таких дополнительных насосных агрегатов, как насос и вентилятор системы охлаждения, как турбина и компрессор наддува, с их насосными потерями и механическими потерями в их приводах, снижающими полный эффективный КПД на 5-10% [л.2, с. 183] . Наличие перечисленных дополнительных насосных агрегатов с их приводами, а также наличие радиатора системы охлаждения, теплообменника, а в некоторых случаях и компрессорной установки для приготовления и аккумулирования запаса сжатого воздуха, питающего бортовые пневмосистемы транспортных средств (например, для привода тормозов, в пневмогидроусилителях различных исполнительных механизмов или в салонных кондиционерах автомобилей), существенно удорожает конструкцию двигателя, увеличивает его вес, габариты и эксплуатационные расходы, снижает его надежность.

Для вывода двигателя после его пуска на режим рабочих температур в холодное время года требуются существенные затраты топливной энергии и длительное (порядка десяти минут) время его работы вхолостую из-за необходимости прогревания кроме деталей двигателя и его смазочных материалов также и охлаждающего тела. Нестабильный температурный режим двигателя приводит к снижению его долговечности из-за ускоренного износа деталей при длительной работе в условиях отличных от расчетных по величинам зазоров в парах трения и по обеспечению смазкой трущихся поверхностей.

Цель настоящего изобретения - повышение эффективных показателей поршневого двигателя внутреннего сгорания: повышение топливной экономичности, снижение уровня вредных выбросов в атмосферу, а также упрощение его конструкции и снижение на этой основе его габаритов, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию, повышение надежности и долговечности в работе, облегчение обслуживания двигателя, в том числе облегчение пуска в холодное время, путем совершенствования его рабочего и термодинамического циклов (более тщательного приготовления смеси, улучшения продувки и наполнения цилиндров, более полного использования энергии расширяющегося рабочего тела при каждом рабочем ходе и уменьшения потерь тепла с охлаждающим телом), а также путем использования насосных возможностей рабочих цилиндров для выполнения ими вспомогательных работ по наддуву, прогреву и охлаждению двигателя, по приготовлению и аккумулированию сжатого воздуха в двух дополнительных тактах.

Цель достигается посредством снабжения двигателя по меньшей мере одним дополнительным на каждый рабочий цилиндр каналом, выполненным, например, в головке цилиндра и сообщающим полость этого цилиндра с полостью рубашки охлаждения и по меньшей мере одним дополнительным клапаном, размещенным, например, в головке цилиндра с возможностью перекрытия этого канала и связанным с распределительным устройством, с возможностью впуска в первом такте рабочего цикла из рубашки охлаждения с наддувом в цилиндр непрерывно обмениваемого в ней в процессе работы двигателя охлаждающего тела и нагнетания в нее во втором дополнительном такте из цилиндра под давлением взятой из атмосферы в первом дополнительном такте порции воздуха без подачи топлива или с одновременной подачей его либо его части (в зависимости от способа приготовления смеси и способа воспламенения), для чего распределительное устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным управляющим элементом и одним дополнительным механизмом привода клапана, при этом механизм привода вращения распределительных устройств от коленчатого вала выполнен с передаточным отношением: 2: (Т+2), где Т - исходная тактность двигателя, а рубашка охлаждения двигателя представляет собой одну или несколько замкнутых кольцевых герметичных при повышенном давлении камер, выполненных в корпусе или в блоке цилиндров с охватом цилиндров, и предварительно заполнена в качестве охлаждающего тела воздухом или топливовоздушной смесью преимущественно под повышенным давлением.

Для повышения эффективности наддува двигатель оснащен по меньшей мере одним на каждый цилиндр инжектором, включающим в себя входное устройство, тракт активного газа с соплами, камеру смешения и выходной диффузор, подключенным последовательно впускному каналу и сообщенным своим трактом активного газа через дополнительный канал с рубашкой охлаждения с возможностью инжектирования атмосферного воздуха, поступающего по впускному каналу, в рабочую полость цилиндра с повышением его температуры, скорости и давления за счет энергии потока сжатого и подогретого охлаждающего тела, движущегося из рубашки охлаждения и истекающего через сопла в камеру смешения в первом такте рабочего цикла при открытых впускном и дополнительном клапанах.

Для организации упорядоченного движения потока взятого в качестве охлаждающего тела и непрерывно обмениваемого в рубашке охлаждения сжатого воздуха или сжатой топливовоздушной смеси, внутренние поверхности рубашки охлаждения и дополнительных каналов, соединяющих полости цилиндров с полостью рубашки охлаждения, выполнены с совместной улиткообразной конфигурацией, обеспечивающей направленное движение охлаждающего тела при поступлении его в рубашку охлаждения тангенциально наружным поверхностям цилиндров с принудительным обдувом термически наиболее нагруженных участков поверхностей, смежных с их рабочими полостями и выпускными каналами.

При этом объем полости рубашки охлаждения соотносится по величине с полным рабочим объемом цилиндров двигателя условием достижения необходимого давления наддува в режиме номинальной нагрузки двигателя и номинальных его оборотов.

Для обеспечения дополнительной массой воздуха, необходимой для сжигания дополнительного количества топлива в случаях резкого увеличения нагрузки на двигатель и предупреждения при этом неполного сгорания топлива с дымлением и выбросом в атмосферу вредных окислов, а также для облегчения пуска и для обеспечения возможности дополнительного регулирования режима охлаждения двигателя последний оснащен ресивером, подключенным параллельно рубашке охлаждения и включающим в себя герметичную при повышенном давлении емкость, напорный тракт с размещенным в нем напорным, например пневмоуправляемым автоматическим перепускным клапаном, сообщающий рабочие полости цилиндров с полостью ресивера, а также расходный тракт с размещенным в нем расходным, например, пневмо-управляемым автоматическим перепускным клапаном, сообщающий полость ресивера с полостью рубашки охлаждения, с возможностью подачи сжатого воздуха из рабочих цилиндров в ресивер после предварительного наполнения рубашки охлаждения, аккумулирования его запаса в нем и перепуска его из ресивера в рубашку охлаждения с увеличением давления наддува по командам, подаваемым на соответствующие клапаны, и при наличии определенных перепадов давлений в соответствующих полостях.

На фиг. 1 и фиг. 2 приведена соответственно в разрезе и в плане примерная конструктивная схема предлагаемого поршневого четырехцилиндрового рядного шеститактного (4+2) двигателя внутреннего сгорания. На фиг. 3 приведена примерная конструктивная схема инжектора наддува. На фиг. 4 приведена примерная пневматическая схема с направлениями движения рабочего и охлаждающего тел. На фиг. 3 показано взаимное расположение шатунных шеек коленчатого вала для примерного порядка работы цилиндров: 1-4-3-2.

Двигатель состоит из корпуса 1 с гильзовыми цилиндрами 2, поршней 3, коленчатого вала 4, шатунов 5, головки цилиндров 6 с впускными 7 и выпускными 8 каналами, впускных 9 и выпускных 10 клапанов, двух кулачковых распределительных валов 11 и 12, механизмов привода клапанов с толкателями 13, штангами 14, коромыслами 15 и клапанными пружинами 16, зубчатых колес привода вращения распределительных валов 17, связанных с шестерней 18 коленчатого вала с передаточным отношением: 2: (4+2), общей для всех цилиндров замкнутой герметичной при повышенном давлении рубашки охлаждения 19, охватывающей гильзы цилиндров, наполненной, в зависимости от способов смесеобразования и воспламенения, воздухом или топливовоздушной смесью преимущественно под повышенным давлением и сообщенной с рабочими полостями 20 цилиндров 2 посредством дополнительных каналов охлаждения 21 и дополнительных каналов наддува 22 с размещенными в них, соответственно, дополнительными клапанами 23 и 24, связанными при помощи механизмов привода клапанов с распределительным валом 11, инжекторов наддува 25 с трактами активного газа 26, камерами смешения 27 и диффузорами 28, подключенных своими входными устройствами 29 последовательно впускным каналам 7 и сообщенных своими трактами активного газа с рубашкой охлаждения, а также ресивера 30 с напорным 31 и расходным 32 трактами и с размещенными в них управляемыми автоматическими перепускными клапанами: напорным 33 и расходным 34, подключенного параллельно рубашке охлаждения.

Двигатель работает следующим образом.

В первом такте рабочего цикла, при ходе поршня 3 от ВМТ вниз и при открытых впускном 9 и дополнительном 24 клапанах, производится наполнение цилиндра зарядом воздуха из атмосферы по впускному каналу 7 и зарядом охлаждающего тела (воздуха или топливовоздушной смеси) из рубашки охлаждения по каналу наддува 22, сообщающимся в камере смешения 27 инжектора 25. При этом сжатое и подогретое охлаждающее тело, совершая в инжекторе работу расширения, отдает часть своей энергии атмосферному воздуху, повышая его давление и скорость его потока, а также обмениваясь с ним теплом, чем способствует поддержанию стабильной температуры и плотности суммарного заряда и, соответственно, полноценному наполнению цилиндра. В диффузоре 28 инжектора происходит торможение потока суммарного заряда также с некоторым повышением его давления.

Во втором такте, при закрытых клапанах, движением поршня от НМТ вверх производится сжатие воздуха или топливовоздушной смеси в рабочей полости цилиндра с подачей в конце хода распыленного топлива в цилиндр и его самовоспламенением (в дизельном) или подачей основной порции топлива и принудительным воспламенением смеси (в карбюраторном двигателе), как и у аналогов.

В третьем такте, при закрытых клапанах, происходит горение топлива с расширением рабочего тела и совершением поршнем рабочего хода вниз. При этом, путем увеличения хода поршня в отношении к его диаметру (S/D)c более глубоким расширением рабочего тела, а также более поздним, по сравнению с аналогами, открытием выпускного клапана, достигается более полное использование энергии расширяющегося рабочего тела, более существенное снижение его температуры и давления на выходе из цилиндра и соответствующее уменьшение потерь энергии с выхлопными газами в атмосферу.

В начале четвертого такта, при прохождении поршнем НМТ, производится открытие выпускного клапана 10 и отработавшие газы ходом поршня вверх вытесняются из цилиндра в выпускной канал 8, при этом для преодоления сопротивления выпуску, как и у аналогов, используется импульс их остаточного давления.

В первом дополнительном такте, при ходе поршня от ВМТ вниз, производится вначале продувка цилиндра с некоторым перекрытием срабатывания выпускного и впускного клапанов в начале такта, а затем всасывание в цилиндр атмосферного воздуха через впускной канал 7 при открытом только впускном клапане 9, как и у аналогов в первом такте, или же всасывание без продувки, либо с менее продолжительной продувкой для выполнения в последующих тактах рециркуляции продуктов неполного сгорания. Впуск новой порции охлаждающего тела из атмосферы сопровождается первичным охлаждением цилиндра с обдувом его внутренней поверхности атмосферным воздухом. В этом такте может также производиться, например, предварительное приготовление топливовоздушной смеси.

Во втором дополнительном такте, при открытом дополнительном клапане 23, ходом поршня вверх производится нагнетание воздуха через дополнительный канал 21 в рубашку охлаждения с некоторым повышением его давления или, например, нагнетание воздуха с повышением его давления и с одновременной подачей некоторой порции топлива для заблаговременного образования более гомогенизированной топливовоздушной смеси, либо с продолжением гомогенизации смеси, образованной в предыдущем такте. При этом, с одной стороны, предоставляется возможность более тщательной подготовки смеси и более рациональной продувки цилиндра с направлением непрореагировавших остатков топлива и газов с неполным окислением углерода и азота в рубашку охлаждения для последующего их более полного использования при повторном сжигании и, соответственно, меньшим количеством экологически вредных выбросов в атмосферу, с другой стороны, производится дальнейшее охлаждение стенок цилиндра и его головки с направлением потока охлаждающего тела по касательной к его наружной поверхности и с принудительным обдувом свежей порцией охлаждающего тела участков поверхностей наиболее термически нагруженных деталей двигателя.

Полный рабочий цикл в цилиндре двигателя осуществляется за три оборота коленчатого вала (1080^o). При этом примерная последовательность работы цилиндров четырехцилиндрового двигателя со взаимным расположением шатунных шеек коленчатого вала согласно приведенной на фиг. 5 конструктивной схеме производится по формуле: 1-4-3-2. Чередование рабочих ходов в двигателе происходит равномерно, через каждые 270^o угла поворота коленчатого вала, чем облегчается его уравновешивание [л. 8, с.266].

При исполнении двигателя с одним на каждый цилиндр дополнительным каналом и одним дополнительным клапаном, перекрывающим его, наддув и охлаждение производятся разнонаправленным движением потока воздуха или топливовоздушной смеси в этом канале: в одном направлении - на охлаждение двигателя, с открытием дополнительного клапана в шестом такте и в противоположном направлении - на наполнение цилиндра новым зарядом, с закрытием этого клапана в конце первого такта, одновременно с закрытием впускного клапана или несколько раньше его закрытия, для предупреждения этим обратного движения воздуха во впускном канале. Таким образом охлаждение и наддув в каждом цикле осуществляются при одном открытии дополнительного клапана, а преодолению застоя охлаждающего тела от силы инерции его массы при быстром его возврате из рубашки охлаждения способствует вихреобразная организация движения его потока и его сила упругости, позволяющие возвратить затраченную на сжатие энергию с минимальными потерями на повышение температуры, частично возвращаемыми в последующем, в виде работы расширения в инжекторе.

При выполнении двигателя с двумя дополнительными каналами: каналом охлаждения и каналом наддува без инжектора, в первом такте рабочего цикла воздух из атмосферы в цилиндр поступает по впускному каналу 7, а охлаждающее тело из рубашки охлаждения по каналу наддува 22. При этом, для предотвращения обратного движения атмосферного воздуха во впускном канале, открытие дополнительного клапана 24 по отношению к впускному клапану 9 производится с некоторым запаздыванием, а закрытие - с некоторым опережением.

При пуске двигателя с отсутствием повышенного давления в рубашке охлаждения вначале, по команде на расходный клапан 34, производится ее наполнение сжатым воздухом из параллельно подключенного ресивера 30, а при отсутствии повышенного давления также и в ресивере пуск и начало работы двигателя осуществляются в безнаддувном режиме. При этом за счет избытка подаваемого в рубашку охлаждения воздуха или топливовоздушной смеси во втором дополнительном такте над расходом из нее на наполнение цилиндра в первом такте (например, при малой нагрузке двигателя, а также ввиду одновременного наполнения цилиндра также и воздухом из атмосферы) в ней происходит наращивание давления. Наполнение же ресивера сжатым воздухом (без образования топливовоздушной смеси) осуществляется через напорный тракт 31 после достижения необходимого для данного режима нагрузки давления охлаждающего тела в рубашке охлаждения, по команде на напорный клапан 33.

Аккумулирование сжатого воздуха в ресивере позволяет, с одной стороны, предупредить застой охлаждающего тела в рубашке охлаждения и, соответственно, опасность перегрева двигателя в режиме частичной нагрузки, с другой стороны, - создать запас сжатого воздуха для использования его при пуске двигателя и в случаях резкого увеличения нагрузки на двигатель путем его перепуска из ресивера через расходный тракт 32 в рубашку охлаждения по команде на расходный клапан 34 с повышением при этом давления наддува и достижением безынерционного снабжения сжигаемой дополнительной массы топлива дополнительной массой воздуха, с быстрым набором мощности и с предупреждением неполного сгорания топлива, а также, например, для поддержания необходимого давления в бортовой пневматической сети.

Ввиду того, что рабочий ход в цилиндре повторяется через 1080^o поворота коленчатого вала, а охлаждение производится на протяжении трех из шести тактов, температурный режим двигателя менее напряжен, чем у аналогов. Таким образом облегчается возможность стабилизации температуры двигателя на разных режимах его работы, становится возможным осуществление его охлаждения без отвода избыточной теплоты в атмосферу. А с учетом того, что охлаждающее тело находится в рубашке охлаждения в состоянии повышенного давления (повышенной плотности и теплоемкости) и непрерывно обновляется подобно тому, как это производится в двигателях с проточными системами охлаждения, становится возможным использование менее теплоемкого охлаждающего тела, устраняется необходимость его охлаждения до первоначальной температуры, как при круговой циркуляции у аналогов.

При том, что охлаждение двигателя производится подогретым от сжатия воздухом, а на наддув поступает подогретое также и в рубашке охлаждения тело, облегчается пуск холодного двигателя и быстрый вывод его на режим рабочих температур, улучшаются условия горения топлива. Некоторое же снижение плотности заряда от нагрева и связанное с ним возможное ухудшение наполнения цилиндров компенсирует повышенное давление наддува, легко реализуемое при работе цилиндров двигателя в сравнении с достигаемым в лопастных компрессорах, а также снижение температуры заряда, достигаемое в результате эндотермических процессов парообразования при заблаговременном испарении топлива (или, например, топлива с водой) и начала возгорания топлива, например, по форкамерному типу, реализуемых в рубашке охлаждения. Кроме того, применение в конструкции двигателя для наддува атмосферного воздуха в цилиндры струйного насоса, работающего по способу инжекции за счет энергии предварительно сжатого и подогретого охлаждающего тела, позволяет обратить избыточную тепловую энергию последнего в кинетическую энергию потока атмосферного воздуха во впускном канале и на повышение его давления, а также на теплообмен с ним и этим поддерживать приемлемую и стабильную температуру и плотность заряда на различных режимах его нагрузки и на различных оборотах без снижения эффективности наполнения цилиндров двигателя в сравнении с аналогами.

Автоматическое увеличение интенсивности охлаждения с ростом оборотов двигателя за счет пропускания через цилиндры и рубашку охлаждения в единицу времени большей массы охлаждающего тела, в том числе и за счет повышения давления наддува, ограничивает нагрев двигателя в верхнем диапазоне его рабочих температур при увеличении нагрузки и соответствующем сжигании большего количества топлива (обогащении смеси), что также способствует поддержанию стабильной рабочей температуры двигателя.

За счет выполнения конструкции двигателя с использованием двух дополнительных тактов для полной вентиляции цилиндров, для охлаждения и наддува двигателя, а также за счет использования при этом в качестве охлаждающего тела постоянно обмениваемого и подогреваемого при сжатии и пропускании через рубашку охлаждения предназначенного для горения в цилиндрах заряда воздуха или топливовоздушной смеси, устраняются потери тепла через охлаждающее тело в атмосферу, улучшаются условия приготовления топливовоздушной смеси (в том числе и вне рабочей полости цилиндров) улучшаются условия сгорания топлива и рециркуляции отработавших газов, уменьшается выброс вредных веществ в атмосферу, повышается термический КПД двигателя и уменьшается расход топлива по сравнению с аналогами.

Таким образом, за счет того, что тепло, отведенное в охлаждающее тело, используется в дальнейшем на повышение энергии рабочего тела, а не отводится в атмосферу, как у аналогов, рабочий цикл предлагаемой конструкции двигателя по условиям теплообмена приближен к идеальному рабочему циклу адиабатного двигателя [л.2, с. 150], у которого в процессе расширения рабочего тела полностью отсутствует теплообмен с внешней средой.

Возможность использования сжатого воздуха, производимого в результате насосного действия рабочих цилиндров в двух дополнительных тактах, для наддува, вентиляции и охлаждения двигателя, а также для его резервирования в ресивере, позволяет отказаться от применения дублирующих насосных агрегатов с их приводами, повысить за счет этого механический КПД двигателя, освободить носок коленчатого вала для отбора (при необходимости) мощности, существенно снизить затраты на изготовление, обслуживание и эксплуатацию силовой установки.

Относительную, по сравнению с аналогами, потерю литровой мощности из-за выполнения двигателя с увеличенным на два такта рабочим циклом частично компенсирует сокращение нерациональных потерь и соответствующее повышение полного эффективного КПД двигателя, а в остальной части ее может компенсировать некоторое увеличение давления наддува воздуха или топливовоздушной смеси, легко осуществимое в предлагаемой конструкции двигателя и существенно повышающее его мощность [л. 1, с. 287].

Литература
1. Райков И. Я. Конструкции автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1986.

2. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль (перевод с чешского). М.: Машиностроение, 1987.

3. Тракторные дизели. Справочник . Под ред. Б.А.Взорова. М.: Машиностроение, 1981.

4. Коваль, Шеховцов и др. Двигатели внутреннего сгорания. Вып. N 50. Харьков: Высшая школа, 1989, с.10.

5. Ханин Э.В. Автомобильные двигатели с турбонаддувом М.: Машиностроение, 1991.

6. Повышение эффективности автотракторных двигателей. Сборник научных трудов МАДИ, 1988, с.127.

7. Ененков В.Г. и др. Авиационные эжекторные усилители тяги. М.: Машиностроение, 1980.

8. Богданов. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1987.

9. Журнал Автомобильная промышленность США, 1996, N 2, с.9-12.

10. Журнал Автомобильная промышленность, 1997, N 10, с.10-11.

11. А. с. СССР N 756058, F 02 В 29/04 (продувка парами воды), опубл. в 1980.

12. А.с. СССР N 889878, F 02 В 29/00 (две с ресивером), опубл. в 1981.

13. А. с. СССР N 510584, F 02 В 1/06 (эжектор газов и воздуха), опубл. 15.06.76.

14. А. с. СССР N 691587, F 02 В 17/00 (рециркуляция газов), опубл. 25.10.79.

15. А. с. СССР N 705133, F 02 В 21/00 (подвод сжатого воздуха от постороннего источника), опубл. 17.12.82.

16. А.с. СССР N 866250, F 02 В 33/02 (инжектирование в ресивер), опубл. 28.09.81.

17. А. с. SU N 1023121, F 02 В 33/22 (охлаждение перепускамой смеси), опубл. 11.08.83.

18. Заявка ФРГ N OS 3017095, F 02 В 75/02 (шеститактный две), опубл. 5.11.81, N 45.

Claims (5)

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, один или несколько рабочих цилиндров с поршнями, размещенных в корпусе или в блоке цилиндров, связанном с корпусом, коленчатый вал, размещенный в корпусе и шарнирно связанный с поршнями посредством шатунов с возможностью возвратно-поступательного насосного действия поршней в цилиндрах при его вращении, одну или несколько головок цилиндров с впускными каналами для подвода атмосферного воздуха или топливовоздушной смеси в каждый цилиндр и выпускными каналами для выпуска отработавших газов из цилиндров, впускные и выпускные клапаны, размещенные, например, в головках цилиндров с перекрытием соответствующих каналов, одно или несколько распределительных устройств, например распределительных валов с управляющими элементами в виде профильных кулачков и с механизмами привода клапанов, например, в виде толкателей со штангами, коромыслами и клапанными пружинами, размещенных, например, в корпусе или в головках цилиндров и связанных с коленчатым валом при помощи привода вращения, представляющего собой, например, шестеренную или цепную передачу, с возможностью открытия и закрытия клапанов в соответствии с углом поворота коленчатого вала и обеспечения этим впуска в первом такте рабочего цикла атмосферного воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндры, герметизация рабочих полостей цилиндров при сжатии и рабочем ходе и выпуска из цилиндров отработавших газов после окончания горения и выполнения газами работы расширения, а также замкнутую герметичную при повышенном по сравнению с атмосферным давлении рубашку охлаждения двигателя, выполненную в корпусе или в блоке и в головках цилиндров с охватом цилиндров и заполненную охлаждающим телом, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним на каждый рабочий цилиндр дополнительным каналом, выполненным, например, в головке этого цилиндра и сообщающим рабочую полость цилиндра с полостью рубашки охлаждения, и по меньшей мере одним дополнительным клапаном, размещенным, например, в головке цилиндра, перекрывающим этот канал и связанным с распределительным устройством, с возможностью впуска в первом такте рабочего цикла из рубашки охлаждения в цилиндр с наддувом непрерывно обмениваемого в ней в процессе работы двигателя охлаждающего тела и подачи в нее под давлением посредством насосного действия этого рабочего цилиндра во втором дополнительном такте, предварительно отобранной из атмосферы в первом дополнительном такте порции воздуха, без подачи топлива или с одновременной подачей его либо его части, для чего последнее снабжено по меньшей мере одним дополнительным управляющим элементом и одним дополнительным механизмом привода этого клапана, при этом привод вращения распределительных устройств от коленчатого вала выполнен с передаточным отношением 2 : (Т + 2), где Т - исходная тактность двигателя, а рубашка охлаждения представляет собой одну или несколько замкнутых кольцевых герметичных при повышенном давлении камер, выполненных в корпусе или в блоке цилиндров с охватом цилиндров, и предварительно заполнена в качестве охлаждающего тела воздухом или топливовоздушной смесью преимущественно под повышенным давлением.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним на каждый рабочий цилиндр инжектором, включающим в себя входное устройство, тракт активного газа с соплами, камеру смешения и выходной диффузор, подключенным последовательно впускному каналу и сообщенным своим трактом активного газа через дополнительный канал с рубашкой охлаждения, с возможностью наддува атмосферного воздуха, поступающего по впускному каналу в этот цилиндр, с повышением его давления, скорости его потока и с его подогревом за счет энергии сжатого и подогретого охлаждающего тела, движущегося из рубашки охлаждения по дополнительному каналу и истекающего через сопла в камеру смешения в первом такте рабочего цикла при открытых впускном и дополнительном клапанах.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что его рубашка охлаждения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей тангенциальное относительно наружной поверхности рабочих цилиндров направление движения поступающего при нагнетании в нее охлаждающего тела с принудительным обдувом термически наиболее нагруженных участков поверхностей цилиндров и их головок, смежных с поверхностями рабочих полостей цилиндров и выпускных каналов, и представляет совместно с конфигурацией дополнительных каналов одну или несколько замкнутых герметичных при повышенном давлении улиткообразных полостей.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что величина объема полости его рубашки охлаждения определяется по отношению к величине его полного рабочего объема из условия достижения необходимого давления наддува в режиме номинальной нагрузки на двигатель и номинальных его оборотов.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен ресивером для сжатого воздуха, подключенным параллельно рубашке охлаждения и включающим в себя герметичную при повышенном давлении емкость, напорный тракт, сообщающий рабочие полости цилиндров с полостью ресивера, и расходный тракт, сообщающий полость ресивера с полостью рубашки охлаждения, с размещенными в них соответственно напорным и расходным, например, пневмоуправляемыми автоматическими перепускными, клапанами, с возможностью подачи сжатого воздуха из рабочих цилиндров в ресивер после предварительного заполнения рубашки охлаждения и аккумулирования его запаса в нем по управляющей команде на напорный управляемый автоматический перепускной клапан, а также с возможностью дополнительного регулирования давления охлаждения тела в рубашке охлаждения и соответственно давления наддува путем перепуска в нее сжатого воздуха из ресивера при пуске двигателя и при резком увеличении на него нагрузки по управляющим командам, подаваемым на расходный управляемый автоматический перепускной клапан, и при условии наличия определенных перепадов давлений в соответствующих полостях.

Images