RU2146007C1 - Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к созданию ДВС и может быть использовано для разработки и при эксплуатации двух- и четырехтактных ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием. Для этого предусмотрена возможность значительного (в несколько раз) увеличения времени на подготовку топлива к сгоранию. Благодаря этому внутрицилиндровый процесс сгорания переводится на молекулярный уровень. В результате появляется возможность обеспечить полное сгорание топлива различного состава. Способ работы ДВС заключается в том, что, с одной стороны, разделяются камеры нагнетания и сгорания, а с другой, процесс организовывают так, что давление в камере нагнетания в завершающей стадии сжатия должно превышать давление в камере сгорания. Причем камеры разделены во всех процессах цикла, кроме процесса II (досжатие и подача окислителя в камеру сгорания). Данную особенность удалось осуществить благодаря конструкции поршня, обеспечивающей расширение функций этого устройства. Наличие подвижной перфорированной шайбы и пружины, а также соответствующее расположение каналов относительно концентрической полки поршня позволяют разобщать, а в нужный момент сообщать камеры нагнетания и сгорания при сохранении основных функций поршня. Предложенное устройство позволяет сместить зону с максимальными термическими и механическими градиентами в сторону за ВМТ, что благоприятно сказывается на механических и термодинамических характеристиках рабочего цикла двигателей. Изобретение направлено на повышение экономичности, надежности и улучшение экологических показателей двигателей (как транспортных, так и стационарных). 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области разработки, создания и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, в первую очередь, с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, но может быть использовано и в двигателях с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием.

В настоящее время известны способы работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), включающие сжатие среды с окислителем (например, воздуха) путем уменьшения рабочего объема двигателя, подачу и испарение топлива, перемешивание топлива с окислителем, сгорание топлива и расширение продуктов сгорания с преобразованием тепловой энергии в механическую энергию поршня, связанного с валом двигателя, удаление отработавших газов и наполнение цилиндра двигателя свежей порцией среды с окислителем. Такие способы работы изложены, например, в книге "Двигатели внутреннего сгорания. Теория и методы расчета", Москва, Энергоиздат, 1987 г. , и представлены, например, в патентах США 5143037, ФРГ 4111153; Франции 2660971; а также СССР 1712639.

Известны также способы работы ДВС, в которых имеются два цилиндра или две камеры: нагнетания (сжатия) и сгорания (горючей смеси), которые последовательно разобщаются и сообщаются, при нахождении поршня, связанного с валом двигателя, в районе верхней мертвой точки (ВМТ), изложенные, например, в патентах США 3934560, 4332229, 4455976, 4630447; Великобритании 1574879, 2079365; ФРГ 4134404; РФ 1751372, 18004569, 1822465, 2008462, 2022136, 2032818, 2033541.

Известны так же устройства ДВС, состоящие хотя бы из единого цилиндра с органами топливоподачи и клапанами выпуска, установленными в крышке цилиндра, впускными окнами, размещенными в корпусе цилиндра, двух поршней, совершающих возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, причем один из них разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, при этом поршни кинематически связаны с валом двигателя, см., например, патенты США 1635742, 3863613, ФРГ 4134044, Великобритании 1552741, РФ 1760139, 2017992, 2023186.

За прототип приняты способ по патенту РФ 2032818 и устройство по авторскому свидетельству СССР 1760139, как соответствующие предлагаемым по наибольшему числу совпадающих признаков.

Основным недостатком прототипов как способа, так и устройства, является общая для всех поршневых двигателей особенность, когда процессы нагрева, испарения топлива, перемешивания топлива с окислителем и основного сгорания топлива происходят всего за 30 ... 80^o поворота коленчатого вала, т.е. на осуществление этих процессов отводится от десятых до нескольких миллисекунд. За такой короткий отрезок времени невозможно обеспечить качественную подготовку топлива к окислению, т.е. невозможно создать условия для протекания процессов окисления на молекулярном уровне. Именно динамика перехода топлива в газообразное состояние определяет полноту и качество сгорания топлива, т. е. экономичность двигателя и степень вредного воздействия на окружающую среду.

Некоторое повышение эффективности внутрицилиндровых процессов ожидается получить путем ступенчатого впрыска топлива в камеру сгорания за счет разобщения камер нагнетания и сгорания в конечной стадии сжатия. При этом в камеру сгорания в начале процесса окисления поступает высокообогащенная смесь, затем камеры сообщаются и в камеру сгорания добавляется остальная часть окислителя.

Однако осуществление такого технического решения, в частности по принятому прототипу, практически не устраняет основного недостатка: время, отводимое на подготовку топлива, остается ограниченным очень малым углом поворота коленчатого вала до ВМТ- интервал времени для перевода топлива в газообразное состояние остается на прежнем уровне. Предложенная в прототипе конструктивная реализация способа, которая является неотъемлемой и практически единственно возможной для данного способа, отличается громоздкостью и сложностью, с низкой эксплуатационной надежностью, особенно в узлах сопряжения поверхностей шибера, горловины и поршня. При этом не исключаются существенные недостатки поршневых двигателей - перетекание отработавших газов в картер двигателя и заброс масла в камеру сгорания.

К недостаткам прототипа устройства следует отнести жесткую зависимость объема камеры сгорания от положения коленчатого вала двигателя. Эта зависимость обусловлена кинематической связью обоих поршней с коленчатым валом двигателя, что вызывает рассогласование кинетики химических и термодинамических процессов. Любое рассогласование указанных процессов негативно влияет прежде всего на их качество и эффективность преобразования энергий внутри цилиндра.

Кроме того, в устройстве-прототипе не исключается " жесткая" работа двигателя, перетекание газов в картер и заброс масла в камеру сгорания, а также отсутствует возможность подрегулировок, которая необходима для многотопливных двигателей.

Целью изобретения является увеличение времени на подготовку топлива к сгоранию, достаточное для перевода его в газообразное состояние до момента контакта с окислителем, и на этой основе повышение эффективности протекания процесса окисления; расширение состава используемых топлив и снижение вредных выбросов в атмосферу; улучшение способа преобразования тепловой энергии в механическую работу, исключение "жесткости" работы и перетекания газов в картер и масла в камеру сгорания, а также повышение надежности двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в способе работы ДВС, включающем процессы сжатия окислителя (воздуха) путем уменьшения рабочего объема двигателя, разобщения и последующего сообщения камер нагнетания и сгорания, подачи и испаренния топлива, перемешивания топлива с окислителем, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания с преобразованием тепловой энергии в механическую энергию поршня, связанного с валом двигателя, удаления отработавших газов и наполнения рабочего объема двигателя свежей порцией окислителя, вводятся новые признаки, а именно сжатие среды с окислителем производят отдельно от сжатия горячих газов камеры сгорания, обеспечивая превышение давления среды с окислителем и при достижении заданного превышения, окислитель направляют для контакта с парами топлива, которые получают за счет опережения подачи топлива в горячие газы камеры сгорания, причем энергию, образующуюся в процессе сгорания топлива и расширения продуктов сгорания, передают на поршень, связанный с валом двигателя, через сжимаемую среду, не участвующую в процессе сгорания, а удаление отработавших газов производят с регенерацией их теплоты для получения горячих газов камеры сгорания, при этом наполнение двигателя свежей порцией среды с окислителем проводят так, что окислитель не перемешивают с горячими газами камеры сгорания. Цель так же достигается тем, что моменты подачи топлива и окислителя в камеру сгорания выбирают исходя из теплофизических свойств данного вида топлива так, чтобы к моменту их контакта обеспечить максимальную газификацию топлива при минимальной негативной полимеризации и коагуляции его молекул.

Цель изобретения достигается в устройстве тем, что в ДВС, состоящем хотя бы из одного цилиндра с органами топливоподачи и клапанами выпуска, установленными в крышке цилиндра, впускными окнами, размещенными в корпусе цилиндра, двух поршней, совершающих возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, причем один из них разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, вводятся новые признаки. Так поршень, разделяющий рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, выполнен не связанным кинематически с коленчатым валом двигателя и совершает возвратно-поступательное движение под действием разности давлений в камерах, но не дальше упоров, установленных внутри цилиндра со стороны его крышки, и в его конструкцию введены новые элементы: каналы, имеющие возможность сообщать и разобщать камеры нагнетания и сгорания и элементы управления сообщением и разобщением этих камер. Предложено одно из возможных конструктивных исполнений такого поршня, а именно: поршень выполнен в виде полого цилиндра, внутренняя полость которого ограничена по торцам концентрическими полками, между которыми размещаются перфорированная шайба, имеющая возможность перемещаться внутри этой полости вдоль оси поршня, и цилиндрическая пружина, управляющая сообщением и разобщением камер, и упирающаяся с одной стороны в концентрическую полку со стороны камеры сгорания, а с другой - в шайбу, прижимая последнюю к торцевой полке со стороны камеры нагнетания. Шайбу перфорируют каналы, которые выполнены в виде специальным образом спрофилированных с тангенциальной ориентацией отверстий, расположенных по периферии шайбы так, что радиус окружности R_П, образованной центрами близлежащих к оси поршня отверстий, перфорирующих шайбу определяется по зависимости
R_П = R_o+r+m,
где R_o - радиус внутренней расточки концентрической полки со стороны камеры нагнетания; r - радиус самих отверстий; m - необходимый запас на перекрытие.

Упоры, установленные внутри цилиндра, ограничивающие перемещение этого поршня в сторону крышки цилиндра, в данном устройстве выполнены в форме осесимметричного перехода внутренней стенки цилиндра на меньший диаметр.

На фиг. 1 представлены схема предлагаемого устройства и сопряженная с ней диаграмма перемещения поршней. На фиг.2 и 3 представлена конструкция поршня, разделяющего рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания в положении на упорах. Причем на фиг.2 положение элементов, входящих в состав поршня, соответствует состоянию, когда перепад давлений между нагнетательной камерой и камерой сгорания меньше заданного, а на фиг.3 положение тех же элементов соответствует состоянию, когда перепад давлений между нагнетательной камерой и камерой сгорания больше заданного.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - шток, связывающий поршень с коленчатым валом двигателя (последний не показан); 2 - поршень, кинематически связанный с коленчатым валом двигателя; 3 - цилиндр двигателя; 4 - поршень (на фиг. 2, 3 - корпус поршня), разделяющий камеры; 5 - выпускной клапан; 6 - впускные окна; 7 - перфорированная шайба; 8 - прижимная пружина; 9 - упор для ограничения перемещения поршня 4; 10 - каналы перфорирующие шайбу 7; цифрами 11, 12 - обозначены концентрические торцевые полки, являющиеся частью корпуса поршня 4, которые ограничивают его внутреннюю полость, причем полка 11 ограничивает эту полость со стороны камеры сгорания, а 12 со стороны камеры нагнетания.

На диаграмме (фиг.1) сплошной линией изображается перемещение поршня 4, а пунктирной - поршня 2, по оси ординат откладываются координаты перемещения поршней по высоте цилиндра, причем H - относится к положениям поршня 2, a h - поршня 4. По оси абсцисс - градусы поворота коленчатого вала (^oПКВ). Римскими цифрами обозначены основные процессы, на которые условно разбит цикл предлагаемого способа. Здесь: I - сжатие; II - досжатие и подача окислителя в камеру сгорания; III - сгорание топлива; IV - расширение продуктов сгорания, рабочий ход; V - вытеснение и выпуск отработанных газов: VI - создание разряжения в цилиндре; VII - наполнение нагнетательной камеры.

Кроме того, приняты следующие обозначения: H_o и O - координаты поршня 2 при его положениях в ВМТ и НМТ соответственно; h₀ - координата упора 9, а значит максимального по высоте положения поршня 4; OH₁ - высота впускных окон 6; H - полная высота рабочего цилиндра. На этой же фигуре на схеме устройства сплошными линиями изображены положения поршней 2 и 4, соответствующие моменту начала процесса сжатия, а пунктирными - моменту, соответствующему положению поршня 2 в ВМТ.

Все конструктивные элементы, за исключением поршня 4 и упоров 9, выполняют обычные для ДВС конструктивные функции и поэтому не требуют подробного описания. По этой причине некоторые из них, например коленчатый вал и топливные форсунки, не показаны на рисунках.

Поршень 4 (см. фиг. 2 и 3) представляет собой цилиндрическую втулку с внутренней соосной расточкой, образующей внутреннюю полость, ограниченную по торцам концентрическими полками 11 и 12. В этой полости расположены перфорированная шайба 7 и прижимная пружина 8. Пружина одним концом упирается в торцевую концентрическую полку 11, а другим - в шайбу 7, прижимая эту шайбу к другой торцевой концентрической полке 12. Шайба 7 представляет собой диск с наружным диаметром, позволяющим ей свободно перемещаться во внутренней полости поршня 4 вдоль его оси. Шайба перфорирована каналами 10. Эти каналы представляют собой сквозные отверстия и служат для сообщения между собой нагнетательной камеры и камеры сгорания. Сами каналы располагаются таким образом, чтобы при плотном прилегании шайбы 7 к торцевой полке 12, последняя полностью перекрывала вход в эти каналы со стороны нагнетательной камеры и т.о. разобщала камеры. Выполнению этого требования соответствует условие:
R_П = R_o+r+m,
где R_П - радиус, описываемый центрами близлежащих к оси поршня 4 каналов 10; R_o - внутренний радиус концентрической торцевой полки 12; r - радиус самих каналов 10; m - величина перекрытия, которая выбирается по условиям обеспечения разделения камер при прижатии шайбы к этой полке.

Указанная конструкция поршня 4 обеспечивает разделение рабочего объема цилиндра 3 на нагнетательную камеру и камеру сгорания, перемещение поршня и сжатие среды в камере с меньшим давлением, разобщение и сообщение камер при определенных соотношениях давлений в них.

Объем между крышкой цилиндра и поршнем 4 представляет объем камеры сгорания, а объем между поршнем 4 и поршнем 2 - объем нагнетательной камеры.

Перемещение поршня 4 происходит под воздействием разности давления между камерами в сторону камеры с меньшим давлением. Такой процесс продолжается до момента выравнивания давлений в камерах. При этом среда в камере с меньшим давлением сжимается, давление в ней возрастает.

Сообщение и разобщение камер происходит при определенном перепаде давлений между камерами.

В тех случаях, когда усилие на перфорированную шайбу 7 со стороны камеры сгорания (давление газов камеры сгорания и усилие пружины 8) будет больше усилия со стороны нагнетательной камеры (давление газа в нагнетательной камере на площадь перфорированной шайбы 7, ограниченную радиусом R₀ концентрической полки 12, то шайба 7 будет плотно прижата к торцовой полке 12 и каналы 10 будут перекрыты этой полкой - камеры разобщены. Такому состоянию соответствует положение элементов в поршне 4, изображенное на фиг. 2.

В случае, когда давление газов в камере сгорания и усилие пружины 8 на перфорированную шайбу 7 окажется меньше давления со стороны нагнетательной камеры, шайба 7 отойдет от полки 12 и газы (в том числе окислитель) из камеры нагнетания через каналы 10 начнут поступать в камеру сгорания - камеры сообщены. Такому состоянию соответствует положение элементов в поршне 4, изображенное на фиг.3.

Как следует из вышеизложенного, момент сообщения камер, т.е. величина перепада, при котором шайба 7 покидает полку 12, зависит от жесткости пружины и площади внутренней концентрической расточки торцевой полки 12, ограниченной радиусом R₀.

Для того, чтобы обеспечить превышения давления газов находящихся, в камере нагнетания над давлением газов в камере сгорания, достаточно остановить перемещение свободного поршня 4 до момента достижения поршнем 2 его ВМТ, что и используется в данной конструкции.

Реализация предложенного способа заключается в следующем.

Перед началом процесса сжатия в камере сгорания, которая занимает объем цилиндра между координатами H и h₁ (см. фиг.1), находятся горячие газы в необходимом для заданного режима работы и заданного вида топлива количестве. Объем цилиндра между координатами h₁ и H₁, который представляет собой начальный объем нагнетательной камеры, заполнен свежей порцией среды с окислителем (воздухом). Поршень 2, связанный с валом двигателя, находится в положении с координатой H₁, а поршень 4, разделяющий камеры, в положении с координатой h₁. Клапан выпуска 5 закрыт. Окна впуска 6 перекрыты поршнем 2 и таким образом нагнетательная камера отключена от магистрали подачи окислителя в камеру. Давление в камерах выравнено.

Предлагаемый способ включает следующие основные процессы.

Процесс сжатия. На диаграмме фиг.1 отмечен римской цифрой I. Осуществляется при перемещении поршня 2 в сторону ВМТ. При этом среда с окислителем, заполняющая нагнетательную камеру, сжимается, давление в камере повышается. Это давление воспринимает поршень 4. Поскольку в этот период прижимное усилие со стороны пружины 8 обеспечивает плотное прижатие перфорированной шайбы 7 к торцевой концентрической полке 12, исключается перетекание газа из камеры нагнетания в камеру сгорания. Сам поршень 4 перемещается под действием разности давлений в камерах в том же направлении, что и поршень 2, сжимая горячие газы камеры сгорания. Таким образом обеспечивается раздельное сжатие среды с окислителем, находящейся в нагнетательной камере, и горячих газов, находящихся в камере сгорания. Давление в обеих камерах растет пропорционально перемещению поршня 2. Такой процесс продолжается до момента, когда поршень 4 переместится до координаты h₀, на которой установлен упор 9, ограничивающий перемещение поршня 4 по высоте цилиндра 3. В это время поршень 2 достигнет всего лишь координаты H₂, не дойдя до ВМТ на расстояние равное (H₀ - H₂). Таким образом сохраняется возможность уменьшения объема нагнетательной камеры при сохранении объема камеры сгорания постоянным, т.е. сжатия и повышения давления только среды с окислителем.

Досжатие и подача окислителя в камеру сгорания. На фиг.1 - процесс II. Осуществляется при продолжающемся движении поршня 2 от координаты H₂ к H₀, т. е. в сторону ВМТ. При этом объем камеры сгорания не изменяется, т.к. поршень 4 находится на упоре 9 и не может перемещаться, отслеживая перемещение поршня 2. Сжатие газа в нагнетательной камере при неизменном объеме камеры сгорания обеспечивает превышение давления среды с окислителем над давлением горячих газов камеры сгорания. В начале процесса II положение элементов поршня 4 соответствует положению, изображенному на фиг.2. Хотя давление в нагнетательной камере начинает превышать давление в камере сгорания, перепад давлений между этими камерами меньше заданного, и за счет усилия пружины 8, которая настраивается именно на этот перепад, шайба 7 остается прижатой к полке 12 и элементы поршня 4 продолжают разобщать камеры, исключая перетекание среды с окислителем из нагнетательной камеры в камеру сгорания.

Как только перепад давлений между камерами достигнет и превысит давление со стороны пружины 8, т.е. достигнет заданного перепада срабатывания, перфорированная шайба 7 поднимется над концентрической полкой 12 и обеспечит доступ среды с окислителем через каналы 10 в камеру сгорания. Таким образом осуществляется подача окислителя в камеру сгорания. На фиг. 3 показано положение элементов поршня 4 в период сообщения камер, т.е. подачи окислителя в камеру сгорания после того, как давление со стороны нагнетательной камеры превысило давление со стороны пружины 8.

При перемещении поршня 2 в сторону ВМТ (координата H₀) в нагнетательной камере будет сохраняться повышенное давление, так как объем ее будет уменьшаться, и будет продолжаться поступление окислителя в камеру сгорания. Протекая по профилированным каналам, среда с окислителем будет разгоняться до требуемой скорости и направляться так, чтобы обеспечивались необходимые условия завихренности и перемешивания этой среды с топливом.

Сгорание топлива. На диаграмме фиг.1 - участок III. Процесс сопровождается резким повышением давления газов в камере сгорания, которое значительно превысит давление в нагнетательной камере. При этом перфорированная шайба 7 плотно прижимается к концентрической торцевой полке 12, с которой она сошла в момент сообщения камер и, таким образом каналы 10 закрываются и исключается доступ газов, участвующих в процессе сгорания, в нагнетательную камеру. Камеры вновь разобщены. После этого давление в камере сгорания воспринимается поршнем 4, элементы которого вновь принимают положение по фиг.2, а сам поршень 4 перемещается под воздействием этого давления из положения с координатой h₁= h₀ в положение с координатой h₄. Этому положению соответствует положение поршня 2 на координате H₄, в которое он переводится коленчатым валом в силу кинематической связи с ним. При этом в нагнетательной камере сжимаются оставшиеся там газы. Сжатие происходит до тех пор, пока давление в нагнетательной камере не сравняется с давлением в камере сгорания за счет уменьшения объема нагнетательной камеры и соответствующего увеличения объема камеры сгорания при перемещении поршня 4 с координаты h₀ в координату h₄ при относительно неизменном положении поршня 2.

Расширение продуктов сгорания, рабочий ход. На диаграмме фиг. 1 представлен участком IV. Условно этот процесс начинается с координаты h₄, когда давление после основного сгорания в камерах выровнялось. За счет усилия со стороны пружины 8 шайба 7 будет оставаться прижатой к полке 12 и, таким образом поршень 4 будет обеспечивать разобщение камер. Поскольку продукты сгорания более активно расширяются, давление в камере сгорания будет несколько превышать давление в нагнетательной камере и поршень 4 будет перемещаться пропорционально перемещению поршня 2. При этом работа совершается как за счет расширения продуктов сгорания, так и за счет расширения газа нагнетательной камеры.

В процессе расширения поршень 2 совершает перемещение практически от ВМТ (координата H₄) к НМТ (координата 0), а поршень 4 перемещается в положение с координатой h₅. Впускные окна 6 в этом процессе не должны сообщаться с трубопроводом подачи окислителя (атмосферой).

Выпуск отработавших газов. На диаграмме фиг.1 процесс V. Этот процесс осуществляется при движении поршня 2 в сторону ВМТ и открытом выпускном клапане 5, после того как давление в цилиндре двигателя уменьшится до минимального рабочего давления. Так как выпускной клапан 5 открыт, то давление в камере сгорания будет меньше, чем в нагнетательной камере. В силу того, что усилие со стороны газов нагнетательной камеры меньше усилия со стороны пружины 8, камеры будут разобщены, и под действием разности давлений в камерах поршень 4 начнет перемещаться в сторону крышки цилиндра и вытеснять оставшиеся в камере сгорания отработавшие газы через клапан 5.

При подходе поршня 2 в район ВМТ поршень 4 "сядет" на упор 9 и за время движения поршня 2 в районе ВМТ будет продолжаться выпуск отработавших газов из камеры сгорания. Клапан 5 закрывается после того, как давление в камере сгорания понизится до минимального значения. Подбирая момент закрытия клапана 5 для принятого минимального объема камеры сгорания (H - h₀), можно обеспечить необходимое использование тепла отработавших газов, т.е. обеспечить наличие в камере сгорания необходимого для данного вида топлива количества горячих газов.

Создание разряжения. На фиг.1 процесс VI. Разряжение осуществляется при движении поршня 2 в направлении к НМТ, объем нагнетательной камеры будет увеличиваться, давление уменьшаться и, за счет разности давлений между камерой сгорания и нагнетательной камерой, поршень 4 начнет перемещаться, следуя за перемещением поршня 2. Таким образом, в обеих камерах будет создаваться разряжение. На диаграмме фиг.1 завершение этого процесса отмечено положением поршней на координатах H₁ и h₆.

Наполнение нагнетательной камеры. На фиг.1 процесс VII. В этом процессе впускные окна 6 подключаются к трубопроводу подачи окислителя (для воздуха к атмосфере). Момент начала пополнения происходит как только поршень 2 при своем движении к НМТ открывает эти окна. Процесс идет до тех пор, пока поршень 2 при движении уже от НМТ к ВМТ не перекроет впускные окна 5, или последние не будут принудительно отключены от трубопровода подачи окислителя. При этом полностью исключается необходимость продувки цилиндра. К этому моменту поршень 2 будет находиться в положении H₁, а поршень 4 вновь окажется в положении с координатой h₁ и дальше весь цикл повторяется вновь.

Следует отметить некоторые наиболее характерные преимущества, представленных способа и устройства.

В связи с тем, что в процессе движения поршня 2 к ВМТ или НМТ, остаточные продукты сгорания не перемешиваются со свежей порцией окислителя, топливо можно подавать в камеру сгорания практически в любой момент после выпуска отработавших газов, т.е. с начала процесса VI. Это значительно увеличивает время на подготовку топлива к сгоранию.

То обстоятельство, что в камере сгорания находятся горячие газы, также существенно улучшает условия подготовки топлива к сгоранию.

Благодаря отмеченным выше особенностям в предлагаемом способе можно обеспечить режим, при котором окислитель поступает в объем, в котором находятся только пары топлива, т.е. организовать процесс сгорания на молекулярном уровне. Если при этом каналы 10 спрофилировать по току окислителя и сориентировать относительно оси поршня соответствующим образом (организовать тангенциальный выход потока), то можно обеспечить наиболее оптимальные условия перемешивания окислителя с парами топлива.

Наличие поршня 4, кинематически не связанного с коленчатым валом, представляет возможность использовать демпфирующие свойства такого поршня в различных условиях. Так например, благодаря демпфирующему перемещению поршня 4, во-первых, не происходит резкое нарастание давления в момент основного сгорания, что исключает "жесткость" в работе двигателя, во-вторых, представляется возможность дальнейшего смещения момента восприятия максимального усилия коленчатым валом по углу поворота дальше за ВМТ, т.е. в более выгодное положение коленчатого вала, и, в-третьих, в процессе выпуска отработавших газов начальный этап будет так же проходить "мягче" из-за демпфирующих свойств поршня 4, что приведет к значительному снижению шума двигателя.

При разделении камер появляется возможность значительно понизить давление впрыскиваемого топлива, что приведет к упрощению топливной системы и, в конечном итоге к повышению ресурса двигателя.

Отключение камеры сгорания от нагнетательной камеры, а тем более от картера двигателя, исключает проскоки отработанных газов в картер и заброс масла в зону горения, что существенно улучшает экологические и экономические характеристики двигателя.

Кроме чисто механических, можно ожидать и термодинамические преимущества предлагаемого способа работы. Так, например, для дизелей, работающих на воздухе, первичное сжатие воздуха нагнетательной камеры осуществляется при движении поршня 2 от НМТ к ВМТ. Затем этот же воздух сжимается вторично на более высоком потенциальном уровне при сгорании топлива за счет перемещения поршня 4 в процессе IV и, в дальнейшем, этим воздухом совершается работа расширения совместно с работой расширения продуктов сгорания, что дает возможность повысить удельную работу цикла.

Кроме того, данное устройство позволяет "отслеживать" рост давления в процессе сгорания за счет перемещения поршня 4, и таким образом приблизится к наиболее эффективному термодинамическому процессу получения работы.

Хотя представленное выше описание способа относится к четырехтактным циклам, однако этот способ можно полностью использовать и для двухтактных, путем соответствующих сокращений периодов отдельных процессов.

Claims (5)

1. Способ работы ДВС, включающий процессы сжатия окислителя (воздуха) путем уменьшения рабочего объема двигателя, разобщения и последующего сообщения камер нагнетания и сгорания, подачи и испарения топлива, перемешивания топлива с окислителем, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания с преобразованием тепловой энергии в механическую энергию поршня, связанного с валом двигателя, удаления отработавших газов и наполнения рабочего объема двигателя свежей порцией окислителя, отличающийся тем, что сжатие среды с окислителем производят отдельно от сжатия горячих газов камеры сгорания, обеспечивая превышение давления среды с окислителем и по достижении заданного превышения окислитель направляют для контакта с парами топлива, которые получают за счет опережения подачи топлива в горячие газы камеры сгорания, причем энергию, образующуюся в процессе сгорания топлива и расширения продуктов сгорания, передают на поршень, связанный с валом двигателя через сжимаемую среду, не участвующую в процессе сгорания, а удаление отработавших газов производят с регенерацией их теплоты для получения горячих газов камеры сгорания, при этом наполнение двигателя свежей порцией среды с окислителем проводят так, что окислитель не перемешивают с горячими газами камеры сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что моменты подачи топлива и окислителя в камеру сгорания выбирают, исходя из теплофизических свойств данного вида топлива так, чтобы к моменту их контакта обеспечить максимальную газификацию топлива при минимальной негативной полимеризации и коагуляции его молекул.

3. ДВС, состоящий хотя бы из одного цилиндра с органами топливоподачи и клапанами выпуска, установленными в крышке цилиндра, впускными окнами, размещенными в корпусе цилиндра, двух поршней, совершающих возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, причем один из них разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, отличающийся тем, что поршень, разделяющий рабочий объем на камеры нагнетания и сгорания, выполнен не связанным кинематически с коленчатым валом двигателя и совершает возвратно-поступательное движение под действием разности давлений в камерах, но не дальше упоров, установленных внутри цилиндра со стороны его крышки, снабжен каналами, имеющими возможность сообщать и разобщать камеры нагнетания и сгорания, и элементами управления сообщением и разобщением этих камер.

4. ДВС по п.2, отличающийся тем, что поршень, разделяющий камеры, выполнен в виде полого цилиндра, внутренняя полость которого ограничена по торцам концентрическими полками, между которыми размещаются перфорированная шайба, имеющая возможность перемещаться внутри этой полости вдоль оси поршня, и цилиндрическая пружина, управляющая сообщением и разобщением камер и упирающаяся с одной стороны в концентрическую полку со стороны камеры сгорания, а с другой - в шайбу, прижимая последнюю к полке со стороны камеры нагнетания, причем каналы, перфорирующие шайбу, выполнены в виде специальным образом спрофилированных с тангенциальной ориентацией отверстий, расположенных по периферии шайбы, что радиус окружности R_п, образованной центрами близлежащих к оси цилиндра отверстий, перфорирующих шайбу, определяется из условия
R_п = R₀ + r + m,
где R₀ - радиус внутренней расточки концентрической полки со стороны камеры нагнетания;
r - радиус каналов, перфорирующих шайбу;
m - необходимый запас на перекрытие.

5. ДВС по п.3, отличающийся тем, что упоры, установленные внутри цилиндра и ограничивающие перемещения поршня, разделяющего камеры, выполнены в форме осесимметричного перехода внутренней расточки цилиндра на меньший диаметр.

Images