RU2230206C2

RU2230206C2 - Двухтактный двигатель

Info

Publication number: RU2230206C2
Application number: RU2001114191/06A
Authority: RU
Inventors: Роберт Мэттью РАТЕРФОРД (AU); Роберт Мэттью РАТЕРФОРД; Пол Франсис ДАНН (AU); Пол Франсис ДАНН
Original assignee: Ротек Дизайн Лтд.
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2004-06-10
Also published as: EP1165950A4; EP1165950B1; CN1332827A; CA2358444C; AUPP700398A0; ES2223188T3; ATE268864T1; BR9916602A; KR100614770B1; CA2358444A1; EP1165950A1; KR20010100996A; DE69917945T2; CN1123679C; DE69917945D1; WO2000028199A1; US6571755B1

Abstract

Изобретение относится к двигателям и, в частности, к способам и устройствам для переоборудования стандартных четырехтактных двигателей в эффективные двухтактные двигатели и, кроме того, может быть применено непосредственно на стадии производства эффективных двухтактных двигателей. Способ состоит в том, что переоборудуемый четырехтактный двигатель снабжают нагнетательным поршневым насосом по меньшей мере с одной насосной камерой. При этом на группу по меньшей мере из двух цилиндров двигателя предусматривают по одной насосной камере, рабочий объем которой, вытесняемый ее насосным поршнем за один ход, превышает рабочий объем каждого цилиндра двигателя. Насос крепят к монтажной арматуре двигателя рядом с цилиндрами. Пальцы кривошипов для каждой группы цилиндров располагают с угловым шагом, равным частному 360° и числа цилиндров в группе. Также способ переоборудования предусматривает установку повышающей передачи для привода насоса от двигателя со степенью повышения, равной отношению числа цилиндров двигателя в каждой группе цилиндров к одной насосной камере. Синхронизацию работы двигателя и насоса задают таким образом, чтобы обеспечить движение насосного поршня с опережением по фазе поршней питаемых от него цилиндров двигателя при движении последних попеременно к верхней мертвой точке (в.м.т.), а также чтобы обеспечить открытие впускного клапана каждого цилиндра двигателя до нижней мертвой точки (н.м.т.) и закрытие его до в.м.т. и открытие выпускного клапана цилиндра двигателя до н.м.т. и закрытие до в.м.т. 3 с. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Данное изобретение относится к двигателям и, в частности, к способам и устройствам для переоборудования стандартных четырехтактных двигателей в эффективные двухтактные двигатели. Однако изобретение не сводится только к переоборудованию двигателей и может быть применено непосредственно на стадии производства эффективных двухтактных двигателей.

В ранее опубликованных источниках раскрыты двухтактные двигатели, в которых для повышения эффективности заряд подается в цилиндры двигателя из насосной камеры. Однако такие предложения неизбежно связаны с дорогостоящей модификацией конструкции и оборудования при переходе на совершенно новую модель двигателя. Кроме того, считается, что многие из этих ранее предложенных решений могут не удовлетворять тем строгим требованиям по токсичности выхлопных газов, которые в настоящее время предъявляются к большинству двигателей внутреннего сгорания. Например, очень желательным является снижение в выхлопных газах содержания окислов азота (NO_x) и частиц, в том числе сажи. Экологическая эффективность, выражающаяся в подобном снижении выбросов, может иметь большее значение, чем топливная экономичность или достижение повышенной мощности двигателя.

Современное двигателестроение - это большая, зрелая, устойчивая и консервативная отрасль. Препятствия, стоящие на пути внесения в конструкцию двигателей даже небольших изменений, труднопреодолимы. Покупатели двигателей привержены имеющимся двигателям и двигательным конструкциям. Они приобретают дорогостоящие установки и оборудование для обычных двигателей и скорее примут постепенное технологическое совершенствование, чем какие-либо радикальные изменения.

В одном своем аспекте данное изобретение нацелено на создание способов и устройств для переоборудования стандартных четырехтактных двигателей в двухтактные двигатели, которые могут эффективно работать в смысле снижения уровня выбрасываемых в атмосферу отдельных или всех загрязняющих компонентов выхлопных газов, топливной экономичности и развиваемой двигателем мощности. Целью изобретения также является создание двигателей, имеющих перспективную область применения и привлекательных с коммерческой точки зрения как для производителей, так и для пользователей.

С учетом вышесказанного, объектом данного изобретения является, в широком смысле, способ переоборудования поршневого четырехтактного двигателя в двухтактный двигатель, включающий в себя:

снабжение переоборудуемого двигателя нагнетательным поршневым насосом по меньшей мере с одной насосной камерой, при этом на группу по меньшей мере из двух цилиндров двигателя приходится по одной насосной камере, а рабочий объем каждой насосной камеры, вытесняемый ее насосным поршнем за один ход, превышает рабочий объем каждого цилиндра двигателя,

крепление насоса к монтажной арматуре двигателя рядом с цилиндрами, с расположением выходного отверстия насоса вблизи входных отверстий двигателя,

расположение пальцев кривошипов для каждой группы цилиндров с угловым шагом, равным частному 360° и числа цилиндров в группе,

установку средства повышающей передачи для привода насоса от двигателя со степенью повышения, равной отношению числа цилиндров двигателя в каждой группе цилиндров к одной насосной камере,

образования относительно коротких каналов посредством системы подводящих трубопроводов, соединяющих выходное отверстие каждой насосной камеры с входными отверстиями питаемой от нее группы цилиндров, и

синхронизацию связи между двигателем и насосом и работы впускных и выпускных клапанов двигателя таким образом, чтобы насосный поршень опережал по фазе поршни питаемых от него цилиндров двигателя при движении последних попеременно к верхней мертвой точке (в.м.т.), впускной клапан каждого цилиндра двигателя открывался до нижней мертвой точки (н.м.т.) и закрывался до в.м.т., а выпускной клапан цилиндра двигателя открывался до н.м.т. и закрывался до в.м.т.

При этом в предпочтительных случаях насосный поршень опережает поршни питаемых от него цилиндров двигателя при движении последних попеременно к верхней мертвой точке (в.м.т.) на 80-160° по углу поворота коленчатого вала, впускной клапан цилиндра двигателя открывается в интервале 50-0° до н.м.т. и закрывается в интервале 70-160° до в.м.т. по углу поворота коленчатого вала, а выпускной клапан цилиндра двигателя открывается в интервале 110-40° до н.м.т. и закрывается в интервале 100-180° до в.м.т. по углу поворота коленчатого вала.

Для вышеприведенных интервалов фаз открытия и закрытия клапанов значения, лежащие ближе к н.м.т., больше подходят для двигателей, имеющих относительно низкие рабочие обороты, и особенно для больших двигателей. Для высокооборотных двигателей предпочтительны значения, находящиеся на другом краю указанных интервалов.

В случае типового автомобильного дизельного двухлитрового двигателя, переоборудованного или изначально приспособленного для работы по такому циклу и оптимизированного для работы с синхронной частотой вращения 1500 об/мин для привода генератора переменного тока напряжением 240 В, характерные фазовые параметры были бы следующими:

насосный поршень опережает поршень цилиндра двигателя при движении последнего к верхней мертвой точке на 120°,

впускной клапан цилиндра двигателя открывается за 40° до нижней мертвой точки и закрывается за 110° до верхней мертвой точки,

выпускной клапан цилиндра двигателя открывается за 70 до нижней мертвой точки и закрывается за 140° до верхней мертвой точки.

В случае типового автомобильного дизельного двухлитрового двигателя, переоборудованного или изначально приспособленного для работы по такому циклу и оптимизированного для работы на высоких оборотах, характерные фазовые параметры были бы следующими:

насосный поршень опережает поршень цилиндра двигателя при движении последнего к верхней мертвой точке на 135°,

впускной клапан цилиндра двигателя открывается за 45° до нижней мертвой точки и закрывается за 115° до верхней мертвой точки,

выпускной клапан цилиндра двигателя открывается за 85° до нижней мертвой точки и закрывается за 155° до верхней мертвой точки.

Для высокооборотных двигателей предпочтительна степень повышения оборотов ведущего вала насоса по отношению к числу оборотов коленчатого вала, равная 2:1, что позволяет достичь эффективной подачи воздуха от насоса в цилиндр двигателя. Степень коэффициентов повышения свыше 2:1 преимущественно используется для низко- и среднеоборотных двигателей.

Целесообразно, чтобы рабочий объем насосной камеры превышал рабочий объем каждого соответствующего этой камере цилиндра менее чем в 1,6 раза. Например, в случаях, где требуется умеренный прирост развиваемой двигателем мощности, рабочий объем насосной камеры может превышать рабочий объем каждого соответствующего ей цилиндра на величину до 30%. В вариантах, направленных на достижение высокого прироста развиваемой мощности, рабочий объем насосной камеры может превышать рабочий объем каждого соответствующего ей цилиндра на величину до 60%.

Для снижения уровня загрязняющих веществ в выхлопных газах рабочий объем насосной камеры может превышать рабочий объем каждого соответствующего ей цилиндра на 60%.

Кроме того, узлы и детали насоса должны работать при давлениях и температурах, гораздо более низких по сравнению с условиями работы узлов и деталей двигателя, и данное изобретение позволяет оптимизировать конструкцию за счет того, что относительно прочные и выносливые детали переоборудованного двигателя выполняют полезную работу за каждый оборот коленчатого вала, а для нагнетания используются менее прочные детали, что дает преимущества, связанные со снижением потребляемой мощности и связанного с ним уменьшения сил трения.

В предпочтительном варианте система подводящих трубопроводов или головка насоса снабжены нагнетательным клапаном, который может быть управляемым, но преимущественно представляет собой пластинчатый клапан или клапан аналогичного типа, чувствительный к давлению, который предотвращает обратное перетекание газов из системы подводящих трубопроводов в цилиндр насоса (насосную камеру) во время фазы впуска и продувки цилиндра двигателя. Более предпочтительным является расположение нагнетательного клапана вблизи выходного отверстия насосной камеры, что сводит к минимуму объем обратного расширения и таким образом улучшает коэффициент подачи насосной камеры.

Наличие нагнетательного клапана позволяет запирать за ним свежий заряд сжатого газа, благодаря чему с началом открытия впускного клапана и до закрытия выпускного клапана из системы подводящих трубопроводов в цилиндр поступает поток свежего газа под давлением, улучшающий удаление из цилиндра отработавших газов. Наличие нагнетательного клапана также может использоваться для блокирования перетекания отработавших газов из цилиндра двигателя через отверстие подвода и систему подводящих трубопроводов в цилиндр насоса.

Система подводящих трубопроводов, связывающая насос с группой цилиндров, может включать в себя общий входной канал, который соединен с насосом и сообщается с цилиндрами группы через несколько выходных каналов. В таком варианте может использоваться один нагнетательный клапан, например пластинчатый клапан, установленный в общем входном канале для соединения насоса одновременно со всеми выходными каналами.

Но все же предпочтителен вариант с нагнетательным клапаном управляемого типа, посредством которого можно последовательно соединять насос с отдельными выходными каналами системы подводящих трубопроводов. Это уменьшает до минимума эффективный объем канала, связывающего насос с соответствующим цилиндром, повышая эффективность подачи газа. В предпочтительном случае нагнетательным клапаном является вращающийся барабанный клапан, согласованный по фазе с насосом, который располагается как можно ближе к днищу поршня насоса в зоне его верхней мертвой точки и обеспечивает последовательное соединение насоса с отдельными выходными каналами.

Для продувки цилиндра по петлевой схеме во впускном тракте может быть установлено дефлекторное средство, а клапан может быть снабжен экраном или подобным ему средством.

Также предпочтителен вариант, в котором во впускном тракте насосной камеры расположен пластинчатый клапан или другое клапанное средство, способствующий повышению коэффициента подачи насосной камеры.

Чтобы обеспечить синхронизацию вращения коленчатого вала и приводного вала насоса и установить требуемые характеристики опережения, в группе цилиндров, питаемой от одного насосного цилиндра, пальцы кривошипов должны располагаться с угловым шагом, полученным делением 360° на число цилиндров в группе. Соответственно, для достижения этой конфигурации в переоборудованном двигателе могут потребоваться видоизменения коленчатого вала. Распределительный вал должен быть приведен в соответствие с новыми фазами газораспределения. Изменение профиля хода кулачков для соответствия укороченным фазам впуска и выпуска благоприятно скажется на распределительных валах, могут также понадобиться другие изменения в механизме привода клапанов, например изменение жесткости пружин. Кроме того, ввиду расширения маслосистемы за счет дополнительного насоса и в связи с необходимостью поддерживать заданное давление на меньших оборотах холостого хода может быть изменен масляный насос.

В предпочтительном варианте в переоборудованных двигателях с несколькими парами цилиндров соответствующие пары кривошипов из соображений уравновешивания должны быть установлены с одинаковым угловым смещением относительно друг друга. Таким образом, в обычном четырехцилиндровом двигателе, у которого кривошипы находятся в общей плоскости, передняя и задняя пары кривошипов смещены на угол 90° относительно друг друга, при этом в переоборудованном двигателе зажигание будет происходить через каждые 90° одного оборота коленчатого вала.

Другим объектом данного изобретения является, в широком смысле, поршневой двухтактный двигатель с верхним расположением впускных и выпускных клапанов и внешний насос для подачи заряда в цилиндры, где:

внешний насос является нагнетательным поршневым насосом по меньшей мере с одной насосной камерой, при этом на группу по меньшей мере из двух цилиндров двигателя приходится по одной насосной камере, а рабочий объем каждой насосной камеры, вытесняемый ее насосным поршнем за один ход, превышает рабочий объем каждого цилиндра двигателя,

насос закреплен на монтажной арматуре двигателя рядом с цилиндрами, с расположением выходного отверстия насоса вблизи входных отверстий двигателя,

пальцы кривошипов для каждой группы цилиндров расположены с угловым шагом, равным частному 360° и числа цилиндров в группе,

установлено средство повышающей передачи для привода насоса от двигателя со степенью повышения, равной отношению числа цилиндров двигателя в каждой группе цилиндров к одной насосной камере,

посредством систем подводящих трубопроводов выполнены относительно короткие каналы, соединяющие выходное отверстие каждой насосной камеры с входными отверстиями питаемой от нее группы цилиндров,

при этом связь между двигателем и насосом и действие впускных и выпускных клапанов двигателя синхронизированы таким образом, чтобы насосный поршень опережал по фазе поршни питаемых от него цилиндров двигателя при движении последних попеременно к верхней мертвой точке (в.м.т.), впускной клапан каждого цилиндра двигателя открывался до нижней мертвой точки (н.м.т.) и закрывался до в.м.т., а выпускной клапан цилиндра двигателя открывался до н.м.т. и закрывался до в.м.т.

В двигателе с четырьмя или более цилиндрами во избежание взаимного влияния между импульсом или фазой выпуска в одном цилиндре и фазой продувки в другом цилиндре предусмотрены раздельные выпускные коллекторы или выпускной коллектор такого типа, который предотвращает взаимное влияние между фазой выпуска и фазой продувки. В случае двигателя с турбонаддувом предусмотрены отдельные входные каналы турбокомпрессора или во входном канале турбокомпрессора установлена разделительная улитка. В другом случае могут использоваться отдельные турбокомпрессоры.

Для лучшего понимания и практической реализации данного изобретения ниже приводится описание его типового варианта, сопровождаемое следующими чертежами:

на фиг.1 представлен схематический вид сбоку обычного многоцилиндрового четырехтактного двигателя, приспособленного для работы в качестве двухтактного двигателя с использованием предложенного устройства,

фиг.2 иллюстрирует фазы рабочего цикла,

фиг.3 и 4 иллюстрируют типичные варианты установки дефлектора у выхода входного канала и экрана на клапане,

на фиг.5 представлено изменение давления по времени в системе подводящих трубопроводов.

Как показано на фиг.1, типовой многоцилиндровый четырехтактный двигатель 10 имеет поршни 11, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндров 12 к узлу головки цилиндров 13 и от него. В головке цилиндров установлены тарельчатые клапаны 18, управляющие движением газов и жидкостей в соответствующие цилиндры 12 и из них.

Поршни 11 приводятся в движении коленчатым валом 14 и соединены с ним шатунами 15. Верхние распределительные валы 16 и 17 приводятся от коленчатого вала и связаны с ним в определенном соотношении фаз вращения, в результате чего тарельчатые клапаны 18 управляют четырехтактным циклом работы двигателя.

Согласно данному изобретению такие многоцилиндровые четырехтактные двигатели легко переоборудуются для работы в качестве двухтактного двигателя путем установки на двигатель с одной стороны блока цилиндров 21 монтажной арматуры, например в виде переходной опорной плиты 20, в которой выполнены резьбовые отверстия для крепления к ней внешнего дополнительного поршневого насоса 22.

Насос 22 имеет коленчатый вал 23, приводимый от коленчатого вала 14 двигателя с двукратным повышением частоты вращения по сравнению с последним, в результате чего поршень 25 дополнительно установленного насоса совершает цикл возвратно-поступательного движения в два раза быстрее поршней 11 двигателя 10. В дополнительно установленном насосе 22 предусмотрено по одному поршню 25 и насосной камере 26 на каждые два из цилиндров 12 двигателя 10, в которых возвратно-поступательно движутся поршни 11.

Дополнительно установленный насос 22 смонтирован на двигателе так, что его головка цилиндров 30 размещена настолько близко к входным отверстиям двигателя, насколько это позволяет конструкция. Головка цилиндров насоса обычно соединена с входными отверстиями двигателя посредством системы подводящих трубопроводов (впускного коллектора) таким образом, что между выходным патрубком 33 соответствующей насосной камеры и парой входных каналов двигателя 10, один из которых обозначен номером 34, образуются относительно короткие подводящие каналы 32.

Дополнительно установленный насос 22 имеет входной канал 35. В этом канале и подводящем канале 32 установлены обратные клапаны, предпочтительно пластинчатые клапаны 36 и 37. Потоком, проходящим через подводящий канал, также управляет тарельчатый впускной клапан 18i, и на чертеже показано, что тарельчатые впускные клапаны 18i и пластинчатые клапаны 37 расположены около концов подводящего канала 32. Как и в обычном двигателе, в каждом выходном канале 38 соответствующего цилиндра 12 установлен еще один клапан 18е, однако для работы по двухтактному циклу фазы открытия и закрытия клапанов 18 изменяются.

Для направления поступающего воздуха в цилиндр так, чтобы обеспечить более эффективную продувку и организовать движение продувочного воздуха по петлевой схеме, может оказаться необходимым использование впускного клапана 18i или канала 34 с экраном (дефлектором), как это показано на фиг.3 и 4, а система охлаждения может потребовать доработки для повышения параметров отвода теплоты, в том числе установки водяного насоса более высокой производительности и радиатора большего размера. При необходимости канал, который в переоборудуемом четырехтактном двигателе был входным, можно сделать выходным, и наоборот.

Диаметр насосной камеры дополнительно установленного насоса и ход поршня определяют для каждой насосной камеры рабочий объем, который превышает рабочий объем каждого цилиндра 12 двигателя, и в случаях двигателей высокой мощности рабочий объем каждой насосной камеры может превышать рабочий объем каждого цилиндра 12 двигателя в 1,6 раза.

Работа насосной камеры синхронизирована с работой цилиндра двигателя таким образом, что поршень 25 насосной камеры достигает своей верхней мертвой точки раньше поршня 11 того цилиндра 12 двигателя, в который подается заряд. В варианте изобретения, представленном на чертежах, поршень 25 насосной камеры достигает своей верхней мертвой точки в момент, когда поршень 11 двигателя находится в положении около 120° до своей верхней мертвой точки в соответствующем цилиндре 12. Представленный на чертежах двигатель является дизельным двигателем, имеющим форсунки (на чертеже не показаны), которые впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания.

При использовании на двигателе дополнительно установленный насос 22 снабжен пластинчатым обратным клапаном 36, установленным в его входном канале 35 таким образом, чтобы во время хода поршня 25 вниз воздух поступал в полость соответствующей насосной камеры 26 над поршнем 25 до тех пор, пока поршень не пройдет свою нижнюю мертвую точку, а затем выходил из этой полости через обратный клапан, выполненный в виде пластинчатого клапана 37, расположенного у входа в подводящий канал 32. При желании вместо пластинчатого клапана можно использовать поворотный или тарельчатый клапан.

Впускной клапан 18i соответствующего насосной камере цилиндра 12 двигателя открывается примерно за 40° до нижней мертвой точки насоса 22 и закрывается во время хода поршня 11 вверх. Таким образом, сжатие происходит во время движения поршня к верхней мертвой точке, когда впрыскивается топливо, а во время движения поршня 11 в цилиндре 12 вниз, к нижней мертвой точке, происходит горение, в результате которого поршень совершает полезную работу.

Затем открывается выпускной клапан 18е и отработавшие газы выходят из цилиндра, в то время как поршень проходит нижнюю мертвую точку и начинает двигаться вверх на следующем ходе сжатия. Перед закрытием выпускного клапана 18е впускной клапан 18i находится в открытом положении. Воздух, запертый между впускным клапаном 18i и пластинчатым клапаном 37 в подводящем канале 32 и находящийся под давлением, которое в момент открытия впускного клапана превышает давление остающихся в цилиндре отработавших газов, устремляется в цилиндр 12, способствуя очистке цилиндра от отработавших газов.

Этот эффект иллюстрируется графиком на фиг.5, из которого видно, что по окончании роста давления нагнетаемого воздуха в насосе 22 пластинчатый клапан 37 закрывается и запирает сжатый воздух в системе 32 подводящих трубопроводов, участие этой порции воздуха в процессе продувки цилиндра показано на графике в виде области с косой штриховкой.

Впускной клапан 18i остается открытым, в результате чего новый заряд, формируемый насосом 22, поступает под давлением в камеру сгорания для сжатия и повторения вышеописанного процесса.

В варианте изобретения, представленном на фиг.1, работа двигателя и насоса синхронизирована таким образом (как показано на фиг.2), что насосный поршень 25 достигает своей верхней мертвой точки, когда поршень 11 соответствующего цилиндра 12 двигателя находится за 120° до верхней мертвой точки. Впускной клапан 18i открывается за 40° до нижней мертвой точки поршня 11, а закрывается за 110° до верхней мертвой точки. Выпускной клапан 18е открывается за 70° до нижней мертвой точки поршня 11, а закрывается за 140° до верхней мертвой точки поршня 11. Впрыск дизельного топлива происходит при угле поворота коленчатого вала 16°.

Кроме того, дополнительно установленный насос имеет рабочий объем, который превышает рабочий объем каждого из цилиндров 12 двигателя 10 в 1,4 раза.

По расчетам этот двигатель может эффективно работать как двухтактный двигатель, развивая мощность, превышающую мощность исходного (до переоборудования) четырехтактного двигателя на величину до 70%.

В случае четырехцилиндрового двигателя дополнительно установленный насос предпочтительно является двухцилиндровым насосом, поршни которого имеют разность хода по фазе 180°, а коленчатый вал 14 исходного двигателя модифицирован путем расположения кривошипов каждой группы двух соседних цилиндров под углом 180° относительно друг друга и расположения самих двух групп кривошипов с угловым смещением 90° относительно друг друга с получением порядка работы цилиндров 1-3-2-4.

Переоборудование обычного четырехтактного двигателя в двухтактный двигатель согласно данному изобретению должно привести к значительному увеличению крутящего момента и мощности на единицу рабочего объема двигателя. Считается, что для переоборудованного четырехтактного двигателя может быть достигнуто повышение крутящего момента и мощности до 100%.

Кроме того, также достигается прирост удельной и литровой мощности с увеличением веса на 5-10% по сравнению с базовым двигателем, относящимся в основном на счет дополнительного веса насоса, который работает только как нагнетатель, не подвержен воздействию нагрузок, возникающих при горении, и поэтому может иметь относительно легкую конструкцию.

Таким образом, ожидается, что в переоборудованном четырехтактном двигателе можно достичь 70%-ного прироста мощности, причем вес переоборудованного двигателя будет меньше на 30%, а занимаемый им объем - на 25%, чем у сопоставимого по характеристикам четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Поскольку в каждом цилиндре переоборудованного двигателя воспламенение происходит в два раза чаще, чем у исходного двигателя, можно снизить расход топлива на одно сгорание или обеднить топливовоздушную смесь. Это должно приводить к снижению максимальной температуры цикла и уменьшению времени воздействия высоких температур на детали двигателя. В результате снижается содержание NO_x, а наличие дополнительного кислорода уменьшает выброс частиц и копоти.

Кроме того, перед началом горения и во время горения в цилиндре имеют место высокие уровни малой и микроскопической турбулентности, что способствует эффективному сгоранию топлива. Это происходит как следствие высокого массового расхода воздуха через впускной клапан при продувке, потому что подавляющая часть воздуха в поступающем заряде проходит менее чем за 90° поворота коленчатого вала и вследствие позднего впуска, так как основная часть воздуха поступает в цилиндр после прохождение цилиндром двигателя нижней мертвой точки. В этом отношении, в четырехтактном двигателе малая и микроскопическая турбулентность, создаваемая во время всасывания, к моменту зажигания в основном успевает затухнуть. В двигателе, переоборудованном согласно данному изобретению, турбулентность будет более интенсивной, чем обычно, и она будет создаваться на более позднем этапе рабочего цикла двигателя, чем обычно, в результате чего на момент зажигания будет существовать значительный уровень турбулентности.

Этот эффект должен проявляться в значительном уменьшении необходимых углов опережения зажигания и опережения впрыска дизельного топлива.

По расчетам значения углов опережения (до верхней мертвой точки), необходимых для достижения наибольшего крутящего момента, могут быть снижены в двигателях, работающих как на бензине, так и на дизельном топливе, примерно с 30 до 12° (опережение впрыска) и примерно с 30 до 16° соответственно. В дизельных двигателях это также может позволить значительно сократить фазу горения предварительно перемешанной смеси и, следовательно, снизить скорость нарастания давления и тем самым содержание NO_x и уровень шума.

Также считается, что поскольку продувочный воздух подается в цилиндр в виде короткого импульса, так как насосный поршень работает с циклической частотой, вдвое большей, чем у поршней двигателя, то увеличение средней скорости продувочного воздуха повысит эффективность продувки. Поскольку продувочный воздух вводится в цикл относительно поздно, это будет сводить к минимуму перемещение свежего заряда по кратчайшему пути от впускного клапана к выпускному. Таким образом должна происходить эффективная продувка.

Двигатель, переоборудованный согласно данному изобретению, будет работать в основном при пониженных давлениях в цилиндре, но с удвоенной частотой процессов сгорания, при этом пики давления будут ниже, а скачки крутящего момента на шатунах и коленчатом валу будут меньшими по амплитуде и более частыми, уменьшая неравномерность крутящего момента. Поэтому такие узлы и детали, как коленчатые валы и подшипники, шатуны, прокладки головки цилиндров и группы поршневых колец, рассчитанные на нормальные нагрузки четырехтактного цикла, должны иметь аналогичный или увеличенный ожидаемый ресурс.

Как наглядно показано в описании, данное изобретение позволяет создать систему модифицирования двигателей путем на них установки дополнительных агрегатов, которая в перспективе дает существенные технические преимущества, одновременно сводя к минимуму необходимость изменений в технологиях и технической оснастке производства, переподготовки персонала и объем НИОКР для запуска производства. В оптимальном варианте такое переоборудование двигателей предпринимается производителями существующих двигателей или, по крайней мере, осуществляется частично во время производства. Однако его несомненно могут осуществлять и другие лица.

При таком переоборудовании используются относительно недорогие, хорошо зарекомендовавшие себя узлы и детали поршневых агрегатов. Переоборудование можно проводить установкой на серийные четырехтактные двигатели дополнительных компонентов при минимальных изменениях конструкции двигателя, производственных установок и оборудования.

Таким образом, если производитель желает выйти на новый рынок более мощных двигателей или способствовать соблюдению норм содержания загрязняющих веществ в выхлопных газах, он может выпустить на этот новый рынок вариант ранее производившегося им двигателя, переоборудованный согласно данному изобретению.

Производитель может использовать знания персонала своих научно-исследовательских и опытно-конструкторских подразделений и должен будет сделать лишь небольшие изменения в своем производственном оборудовании. В большинстве случае производственное оборудование имеет достаточные резервы и гибкость, чтобы одновременно выпускать существующие двигатели и двигатели, переоборудованные согласно настоящему изобретению, поэтому уровень безубыточности производства по объему выпускаемой продукции, будет значительно снижен для обоих двигателей. Также сводится к минимуму переподготовка персонала, наряду с проблемами поиска новых поставщиков.

Помимо установки насоса и системы подводящих трубопроводов, производитель должен смонтировать монтажную арматуру и привод для насоса. Привод может осуществляться от коленчатого вала с передней или задней стороны двигателя, или с любой точки по длине коленчатого вала двигателя. Может применяться любой тип средства привода, с тем лишь требованием, чтобы была обеспечена заданная синхронизация работы двигателя и насоса. При желании можно использовать тип привод ведущего вала насоса от коленчатого вала двигателя с возможностью регулирования фазировки насоса для оптимизации функционирования двигателя в конкретных условиях и режимах работы. Например, при высокой нагрузке и высоких оборотах двигателя фазировка ведущего вала насоса может быть смещена относительно коленчатого вала в сторону увеличенного опережения с тем, чтобы оптимизировать эффективность продувки.

Выпускной коллектор двигателя может быть модифицирован установкой разделительных элементов или улиток, чтобы изолировать пульсирующие выхлопы отдельных цилиндров друг от друга, однако цилиндры, циклы которых не перекрываются по фазе, могут иметь общий объем выпускного коллектора.

Выходные каналы может потребоваться охлаждать дополнительно, и если отвод теплоты от них недостаточен, они могут быть защищены внутренними керамическими покрытиями.

Участок двигателя, на который предусматривается устанавливать насос, может быть снабжен средствами крепления к нему насоса, такими как шпильки или резьбовые отверстия и т.п, в предпочтительном случае этот участок представляет собой специально наплавленную или механически обработанную монтажную площадку, и также предусмотрены герметизируемые отверстия для элементов внутреннего привода насоса. Монтажная площадка может также содержать средства подвода и отвода масла и охлаждающей воды.

Использование одного цилиндра насоса, питающего два цилиндра двигателя, имеет то преимущество, что поршень насоса работает с удвоенной циклической частотой по сравнению с поршнями двигателя. Это увеличивает среднюю скорость вводимого в цилиндр двигателя свежего заряда, который поступает на позднем этапе фазы выпуска, что сводит к минимуму потери свежего заряда вследствие его перетекания по кратчайшему пути прямо в открытый выпускной клапан.

Увеличенная скорость потока также может положительно сказаться на усилении турбулентности в заряде во время его поступления в цилиндр и в момент зажигания. Также считается, что это позволит значительно снизить обороты холостого хода при сохранении устойчивости работы двигателя, тем самым сделав двигатель еще более экономичным.

Вышеприведенное описание дано только с целью показать характерный пример осуществления данного изобретения, а все рассмотренные выше или иные изменения в выполнении изобретения, которые были бы очевидны для специалиста, считаются подпадающими под широко заявленные притязания на данное изобретение в том виде, в котором они выражены в прилагаемой формуле изобретения.

Claims

1. Способ переоборудования поршневого четырехтактного двигателя в двухтактный двигатель, состоящий в том, что переоборудуемый двигатель снабжают нагнетательным поршневым насосом по меньшей мере с одной насосной камерой, предусматривая по одной насосной камере на группу по меньшей мере из двух цилиндров двигателя, при этом рабочий объем каждой насосной камеры, вытесняемый ее насосным поршнем за один ход, превышает рабочий объем каждого цилиндра двигателя, насос крепят к монтажной арматуре двигателя рядом с цилиндрами, с расположением выходного отверстия насоса вблизи входных отверстий двигателя, пальцы кривошипов для каждой группы цилиндров располагают с угловым шагом, равным частному 360° и числа цилиндров в группе, устанавливают средство повышающей передачи для привода насоса от двигателя со степенью повышения, равной отношению числа цилиндров двигателя в каждой группе цилиндров к одной насосной камере, посредством систем подводящих трубопроводов образуют относительно короткие каналы, соединяющие выходное отверстие каждой насосной камеры с входными отверстиями питаемой от нее группы цилиндров, и синхронизируют связь между двигателем и насосом и работу впускных и выпускных клапанов двигателя с обеспечением движения насосного поршня с опережением по фазе поршней питаемых от него цилиндров двигателя при движении последних попеременно к верхней мертвой точке (в.м.т.), открытия впускного клапана каждого цилиндра двигателя до нижней мертвой точки (н.м.т.) и закрытия до в.м.т. и открытия выпускного клапана цилиндра двигателя до н.м.т. и закрытия до в.м.т.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опережение насосным поршнем поршней питаемых от него цилиндров двигателя при движении последних попеременно к верхней мертвой точке (в.м.т.) задают равным от 80 до 160° по углу поворота коленчатого вала, фазу открытия впускного клапана каждого цилиндра двигателя задают в интервале от 50 до 0° до н.м.т., фазу закрытия впускного клапана каждого цилиндра двигателя задают в интервале от 70 до 160° до в.м.т., фазу открытия выпускного клапана каждого цилиндра двигателя задают в интервале от 110 до 40° до н.м.т., а фазу закрытия выпускного клапана каждого цилиндра двигателя задают в интервале от 100 до 180° до в.м.т.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для двигателя с относительно низкими рабочими оборотами фазы открытия и закрытия клапанов цилиндров двигателя задают в той части указанных интервалов, которая находится ближе к н.м.т.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что для двигателя с относительно высокими рабочими оборотами фазы открытия и закрытия клапанов цилиндров двигателя задают в той части указанных интервалов, которая находится дальше от н.м.т.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что степень повышения равна 2:1.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что рабочий объем насосной камеры превышает рабочий объем каждого цилиндра двигателя менее чем в 1,6 раза.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для снижения содержания загрязняющих веществ в выхлопных газах рабочий объем насосной камеры задают превышающим рабочий объем каждого цилиндра двигателя на величину до 60%.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что систему подводящих трубопроводов или головку насоса снабжают нагнетательным клапаном, предотвращающим обратное перетекание газов из системы подводящих трубопроводов в насосную камеру во время фазы впуска и продувки цилиндра двигателя.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что нагнетательный клапан устанавливают вблизи выходного отверстия насосной камеры.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что система подводящих трубопроводов включает в себя один общий входной канал, соединенный с соответствующей насосной камерой, и несколько выходных каналов, сообщающихся с цилиндрами в группе.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что нагнетательный клапан устанавливают в общем входном канале.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что нагнетательным клапаном управляют для последовательного соединения насоса с отдельными выходными каналами системы подводящих трубопроводов.

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что для продувки цилиндра с удалением отработавших газов по петлевой схеме во впускном тракте устанавливают дефлекторное средство.

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что для продувки цилиндра с удалением отработавших газов по петлевой схеме во впускном тракте каждого цилиндра устанавливают клапан, снабженный экраном.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что во впускном тракте насосной камеры располагают клапанное средство.

16. Способ переоборудования обычного четырехцилиндрового двигателя, у которого кривошипы находятся в общей плоскости, включающий в себя смещение передней и задней пар кривошипов на угол 90° относительно друг друга.

17. Поршневой двухтактный двигатель с верхним расположением впускных и выпускных клапанов и внешним насосом для подачи заряда в цилиндры, в котором: внешний насос выполнен в виде нагнетательного поршневого насоса по меньшей мере с одной насосной камерой и содержит по одной насосной камере на группу по меньшей мере из двух цилиндров двигателя, при этом рабочий объем каждой насосной камеры, вытесняемый ее насосным поршнем за один ход, превышает рабочий объем каждого цилиндра двигателя, насос закреплен на монтажной арматуре двигателя рядом с цилиндрами, с расположением выходного отверстия насоса вблизи входных отверстий двигателя, пальцы кривошипов коленчатого вала двигателя для каждой группы цилиндров расположены с угловым шагом, равным частному 360° и числа цилиндров в группе, установлено средство повышающей передачи для привода насоса от двигателя, со степенью повышения, равной отношению числа цилиндров двигателя в каждой группе цилиндров к одной насосной камере, посредством систем подводящих трубопроводов выполнены относительно короткие каналы, соединяющие выходное отверстие каждой насосной камеры с входными отверстиями питаемой от нее группы цилиндров, при этом связь между двигателем и насосом и действие впускных и выпускных клапанов двигателя синхронизированы с обеспечением движения насосного поршня с опережением по фазе поршней питаемых от него цилиндров двигателя при движении последних попеременно к верхней мертвой точке (в.м.т.), открытия впускного клапана каждого цилиндра двигателя до нижней мертвой точки (н.м.т.) и закрытия до в.м.т. и открытия выпускного клапана цилиндра двигателя до н.м.т. и закрытия до в.м.т.