двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, органы газообмена, выпускной коллектор, вихревой эжектор и дополнительные органы газораспределения в виде выпускных клапанов, соединенных трубопроводом с пассивным соплом вихревого эжектора, активное сопло которого связано с выпускным коллектором, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, дополнительные органы газораспеределения связаны с приосевой зоной камеры смешения вихревого эжектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в двигателестроении.

Известен четырехтактный двигатель, содержащий цилиндропоршневую группу, впускные и выпускные клапаны, впускной и выпускной коллекторы.

Однако в этом двигателе только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта являются подготовительными и требуют затрат энергии. Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл. Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан открывается в конце цикла сгорания и расширения, а закрывается не в конце такта выпуска, а несколько позднее, т.е. в начале такта впуска, тогда давление в цилиндре несколько больше атмосферного. По этой причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением, т.е. в конце такта выпуска, а закрывается в начале такта сжатия. Таким образом, в конце четвертого и в начале первого тактов в течение некоторого периода открыты оба клапана (это называется перекрытием клапанов). Вследствие этого:

имеет место потеря работы расширения из-за опережения открытия выпускных клапанов;

имеет место работа двигателя на выталкивание газа из цилиндра при определенном противодавлении при давлении отработавших газов в выпускном трубопроводе, при этом в такте выпуска давление газа в цилиндре всегда больше атмосферного, что не обеспечивает полной очистки цилиндра от продуктов сгорания;

имеет место избыточное давление газов в цилиндре в начале такта впуска, что не обеспечивает поступления в цилиндр большого свежего заряда;

у ДВС без наддува в принципе невозможно добиться полного удаления отработавших газов из цилиндра;

у ДВС с наддувом часть воздуха транзитом проходит через цилиндр и, попадая в выпускной коллектор, не принимает участия в дальнейшем рабочем процессе поршневой части двигателя, т.е. часть энергии воздуха в процессе продувки пропадает безвозвратно;

очистка цилиндра от отработавших газов осуществляется в процессе продувки, на долевых нагрузках дизеля продувки цилиндра не происходит, отработавшее газы удаляются не полностью, при этом возможен значительный заброс отработавших газов во впускной трубопровод двигателя;

при наполнении цилиндра воздухом он смешивается с отработавшими газами, уменьшая количество воздуха, поступающего в цилиндр двигателя.

Известен двухтактный дизельный двигатель, содержащий корпус с цилиндропоршневой группой, органы газообмена, выпускной и впускной коллекторы.

Однако этот двигатель имеет следующие недостатки.

Закрытие впускных окон происходит к моменту, когда поршень перемещается примерно на 20% своего хода, поэтому эффективный объем цилиндра Vte существенно меньше номинального объема цилиндра.

Открытие выпускного клапана в такте расширения происходит тогда, когда поршень пройдет около 75% своего хода. Отработавшие газы вытекают из цилиндра под действием перепада давления между цилиндром и выпускным трубопроводом. При этом давление в выпускном трубопроводе всегда выше атмосферного. В связи с этим для полного удаления отработавших газов необходимо совершить работу по преодолению указанного давления в выпускном трубопроводе. Эта работа совершается воздухом, предварительно сжатым в компрессоре (или продувочном насосе, если дизель без наддува).

Процесс газообмена происходит при достаточно большом уровне давления в выпускном коллекторе, что ограничивает скорость истечения газа из цилиндра и наполнения цилиндра воздухом, обуславливая существенную высоту впускных окон и значительную длительность открытия выпускного клапана.

Значительная часть процессов выпуска и наполнения протекает одновременно, что обуславливает перемешивание отработавших газов с воздухом и, следовательно, увеличение количества остаточных газов.

Эффективность двухтактных двигателей снижается по причине того, что:

часть рабочего объема цилиндра теряется на организацию процесса газообмена;

менее совершенна очистка цилиндра от продуктов сгорания, повышенное содержание которых ухудшает процессы сгорания и снижает индикаторный КПД;

работает при больших значениях коэффициента избытка воздуха для снижения температуры деталей цилиндропоршневой группы.

Мощность двухтактного дизеля всего в 1,65-1,75 раза больше мощности соответствующего четырехтактного дизеля, а не в 2 раза, как можно было бы предположить. Это объясняется главным образом тем, что значительна длительность процессов, совершающихся при открытых органах газообмена (впускных окнах и выпускном клапане), и сумма работ которых равна нулю.

Все это ограничивает мощность, экономичность и КПД двигателя.

Цель изобретения устранение указанных недостатков, т.е. повышение технико-экономических показателей.

Цель достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндропоршневой группой, органы газообмена и выпускной коллектор, согласно изобретению снабжен вихревым эжектором и дополнительными органами газообмена в виде выпускных клапанов, соединенных трубопроводом с пассивным соплом вихревого эжектора, активное сопло которого соединено с выпускным коллектором.

В результате этого цилиндры двигателя через выпускные клапаны подключены к источнику разрежения в виде вихревого эжектора. Вследствие этого увеличивается перепад давления между цилиндром и окружающей средой, обеспечивая высокую, в основном надкритическую, скорость удаления отработавших газов из цилиндра, удаление отработавших газов до подачи воздуха в цилиндр, отсутствие перекрытия впускных и выпускных клапанов и исключая необходимость продувки цилиндров и вытеснения отработавших газов подаваемым через впускные органы воздухом. По этой причине выпускные органы могут открываться при меньшем уровне давления в цилиндре, обеспечивая большую величину работы расширения. Уменьшается длительность открытия впускных и выпускных органов газообмена и работа по удалению из цилиндров отработавших газов, а часть работы совершается за счет разрежения, создаваемого неиспользуемой энергией отработавших газов. Увеличивается эффективный объем цилиндра и полнота удаления отработавших газов. Вследствие этого повышается мощность, экономичность и КПД двигателя.

Кроме того, дополнительные выпускные клапаны соединены трубопроводом с приосевой зоной камеры смешения вихревого эжектора.

В результате этого цилиндр соединяется с зоной максимальной величины разрежения, а вихревой эжектор засасывает окружающую среду, что обеспечивает дожигание несгоревших остатков топлива, оксида углерода и восстановление оксидов азота, что улучшает экологическую характеристику двигателя. Такое соединение обуславливает высокую скорость отсоса отработавших газов из цилиндров, а также шумоподавление в вихревом эжекторе.

Размещение вихревого эжектора между радиатором системы охлаждения двигателя и двигателем обеспечивает засасывание окружающей среды эжектором через радиатор и охлаждение теплоносителя в этой системе. По этой причине отпадает необходимость в вентиляторе системы охлаждения двигателя и в использовании мощности двигателя для охлаждения его.

В технике известно применение вихревых эжекторов, выпускных клапанов. Однако новая совокупность известных признаков проявляет новые свойства удаление отработавших газов из цилиндра до подачи воздуха в него, исключение продувки цилиндра воздухом, отсутствие перекрытия впускного и выпускного клапанов, увеличение скорости удаления отработавших газов и впуска воздуха в цилиндр, уменьшение работы по удалению отработавших газов из цилиндра, увеличение работы расширения, полноты удаления отработавших газов и эффективного объема цилиндра, улучшение экологической характеристики двигателя, шумоподавление и использование вихревого эжектора для охлаждения радиатора системы охлаждения двигателя. Новые свойства предлагаемого технического решения обуславливают достижение положительного результата увеличение мощности, экономичности и КПД двигателя.

На фиг. 1 представлен предлагаемый двухтактный дизельный двигатель, продольный разрез; на фиг. 2 свернутая индикаторная диаграмма двухтактного двигателя; на фиг. 3 четырехтактный дизель, продольный разрез; на фиг. 4 свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя; на фиг. 5 вихревой эжектор без подсоса окружающей среды; на фиг. 6 то же с подсосом окружающей среды; на фиг. 7 схема размещения вихревого эжектора за радиатором системы охлаждения двигателя.

Двухтактный дизельный двигатель содержит корпус 1, в котором размещены цилиндры 2, поршни 3, щелевые впускные окна 4, выпускные клапаны 5, дополнительные выпускные клапаны 6, трубопровод 7 выпускного коллектора (не показан), трубопровод 8 коллектора отсоса (не показан), а также вихревой эжектор 9. Выпускные клапаны 5 и 6 расположены в верхней части цилиндров 2. Вихревой эжектор 9 имеет активное сопло 10, пассивное сопло 11, плоскую кольцеобразную цилиндрическую камеру 12, камеру 13 смешения, диффузор 14 (щелевой или осесимметричный). Активное сопло 10 выполнено в виде сужающегося профилированного канала, тангенциального к камере 12. Камера 12 сообщена с камерой 13 смешения и выполнена соосно пассивному соплу 11, камере 13. При этом пассивное сопло 11 расположено в камере 12 и частично в камере 13 смешения. Сопло 11 соединено трубопроводом 15 с коллектором отсоса, а сопло 10 соединено трубопроводом 16 с выпускным коллектором. Выпускной клапан 5 открывается при расположении поршня 3 вблизи нижней мертвой точки (НМТ) в точке b" и закрывается в точке d", когда открывается дополнительный выпускной клапан 6. Выпускной клапан 6 закрывается в точке r" в тот момент, когда поршень 3 открывает впускные окна 4 (точка r") или несколько позднее этого момента. Совместная работа впускных окон 4 и выпускного клапана 6 обуславливает надкритический режим впуска воздуха в цилиндр 2 через окна 4.

Двухтактный дизельный двигатель может быть с наддувом или без наддува.

Конструкция карбюраторного ДВС аналогична.

Двигатель работает следующим образом.

В конце такта сжатия, незадолго до прихода поршня 3 в верхнюю мертвую точку (ВМТ), впрыскивается топливо, чтобы пары топлива воспламенялись в окрестности ВМТ (точка с"). Вследствие этого, когда поршень 3 находится в районе ВМТ, давление в цилиндре 2 повышается до значения p_max (точка y"). Расширяясь в цилиндре 2, газы совершают полезную механическую работу расширения, перемещая поршень 3. В конце такта расширения (точка b") открывается клапан 5 и отработавшие газы вытекают из цилиндра 2 в трубопровод 7 выпускного коллектора с надкритической скоростью. Затем при подкритической скорости истечения газов из цилиндра 2 открывается клапан 6 и закрывается клапан 5, что обуславливает резкий рост скорости истечения газов из цилиндра 2 и более полное удаление остаточных газов из цилиндра 2, так как цилиндр 2 соединяется с источником разрежения с вихревым эжектором 9. При открытии поршнем 3 впускных окон 4 разрежение, создаваемое эжектором 9, обуславливает высокоскоростной поток воздуха, заполняющий цилиндр 2. После этого клапан 6 закрывается (точка r"), но степень заполнения цилиндра 2 увеличивается, так как поток воздуха, заполняющий цилиндр 2, обладает высокой кинетической энергией и инерцией движения. При этом выпускные отработавшие газы из выпускного коллектора по трубопроводу 16 поступают в эжектор 9, ускоряются в активном сопле 10, истекают в камеру 12, образуя свободный вихрь и ускоряясь в камере 12 по мере движения от периферии к центру к стоку в камеру 13 смешения. Центробежная сила свободного вихря создает разрежение в камере 13, максимальная величина которого достигается в приосевой зоне камеры 13. Создаваемое разрежение засасывает отработавшие газы из цилиндра 2 через сопло 11 и трубопровод 15 при открытом клапане 6. При этом пульсирующее давление отработавших газов обеспечивает измельчение сажи в плоской кольцеобразной камере 12, а также частичное дожигание сажи, оксида углерода и углеводородов, так как засасываемый через окна 4 и клапан 6 воздух поступает через пассивное сопло 11 в камеру 13 смешения. Одновременно происходит частичное восстановление азота из оксида азота в камере 12.

Далее цикл работы повторяется.

Четырехтактный дизельный двигатель содержит корпус 1, в котором размещены цилиндры 2, поршни 3, впускные клапаны 17 подачи воздуха в цилиндры 2, выпускные клапаны 5 удаления отработавших газов из цилиндров 2, дополнительные выпускные клапаны 6 отсоса отработавших газов из цилиндров 2, трубопровод 7 выпускного коллектора (не показан), трубопровод 8 коллектора отсоса отработавших газов (не показан), а также вихревой эжектор 9. Выпускные клапаны 5 открываются в самом конце такта "сгорание и расширение" (точка b"), а закрываются в такте "выпуск" (точка d") после того, как основная масса отработавших газов истечет из цилиндра 2 в трубопровод 7 и с небольшим опережением откроются выпускные клапаны 6 (точка r"), соединяющие цилиндр 2 с источником разрежения с эжектором 9. Эжектор 9 уменьшает давление в цилиндрах 2 и работу по удалению отработавших газов из цилиндров 2, обеспечивая более полное удаление отработавших газов. Клапаны 6 закрываются в начале такта "впуск" (точка r") после того, как открываются впускные клапаны 17 подачи воздуха (точка вблизи ВМТ). Эжектор 9 и открытые клапаны 6 обеспечивают надкритический режим удаления отработавших газов и впуска воздуха в цилиндр 2 с самого начального момента открытия впускных клапанов 17. Высокая кинетическая энергия впускаемого воздуха при подсасывающем эффекте движущегося поршня 3 и значительная величина инерции движения воздуха увеличивают степень наполнения цилиндров 2 свежим зарядом воздуха.

Четырехтактный дизельный двигатель может быть как с наддувом, так и без наддува воздуха. При наддуве отработавшие газы в вихревой эжектор 9 поступают путем перепуска газа мимо турбокомпрессора с помощью регулирующего клапана.

Конструкция карбюраторного ДВС аналогична.

Четырехтактный двигатель работает следующим образом.

В конце такта "сжатие" впрыскивается топливо, чтобы оно воспламенилось вблизи ВМТ (точка с"). Вследствие этого давление в цилиндре 2 повышается до значения p_max (точка y"). В конце такта "расширение" (точка b") открывается клапан 5, обеспечивая удаление отработавших газов из цилиндра 2 в трубопровод 7 в такт "выпуск". В конце такта "выпуск" закрывается клапан 5 и открывается клапан 6 (точка d"), соединяющий цилиндр 2 с источником разрежения с эжектором 9. Тем самым обеспечивается полное удаление отработавших газов из цилиндра 2. В начале такта "впуск" открывается впускной клапан 17 (точка r"), что обуславливает надкритический режим впуска воздуха в цилиндр 2 в силу работы эжектора 9. Затем выпускной клапан 6 (точка r") закрывается, но высокая кинетическая энергия впускаемого воздуха и его значительная инерция движения увеличивают наполнение цилиндра 2 воздухом в такте "впуск". В самом начале такта "сжатие" впускной клапан 6 (точка t") закрывается. Далее цикл работы повторяется.

Возможно исполнение, когда дополнительные выпускные клапаны 6 посредством трубопровода 8 коллектора отсоса и трубопровода 18 соединены с приосевой зоной камеры 13 смешения. В этом случае пассивное сопло 19 состоит из двух сопел кольцеобразного сопла 20, засасывающего окружающую среду, и сопла 21, отсасывающего отработавшие газы из цилиндра 2. Сопла 19-21 соосны друг другу, при этом трубопровод 18 подсоединен к соплу 21. Сопло 21 размещено в сопле 19 и частично в камере 13 смешения. Работает такой двигатель аналогично описанному за исключением того, что кислород засасываемой окружающей среды окисляет мельчайшие частицы сажи, несгоревшие углеводород и оксид углерода. Содержание токсичных веществ в отработавших газах существенно уменьшается, а сами выхлопные газы охлаждаются. При этом неиспользуемая энергия отработавших газов в указанном исполнении применяется для создания разрежения, необходимого для удаления газов из цилиндров, и всасывания окружающей среды, обеспечивающей уменьшение содержания токсичных веществ в выхлопных газах. Указанная полезная работа вихревого эжектора обуславливает уменьшение энергии выхлопных газов, т.е. шумоподавление (глушение шума).

Возможно исполнение, когда вихревой эжектор 9 с трубопроводом 18 и кольцеобразным соплом 20 расположен между радиатором 22 системы охлаждения двигателя и самим двигателем. При этом кольцеобразное сопло 20 обращено к радиатору. Работа происходит аналогично описанному за исключением того, что засасываемая окружающая среда, проходя через радиатор 22, охлаждает теплоноситель системы охлаждения двигателя, поддерживая температуру двигателя на требуемом уровне. Вследствие этого отпадает необходимость в вентиляторе охлаждения и в использовании мощности двигателя для охлаждения его.

Предлагаемое техническое решение, обладая новыми свойствами удаление отработавших газов из цилиндра до подачи воздуха в него, отсутствие перекрытия клапанов впускных и выпускных, отсутствие продувки цилиндра воздухом, увеличение скорости удаления отработавших газов и впуска воздуха в цилиндр, уменьшение работы по удалению отработавших газов из цилиндра, увеличение работы расширения, полноты удаления отработавших газов и эффективного объема цилиндра, улучшение экологической характеристики двигателя, шумоподавление и использование вихревого эжектора для охлаждения радиатора системы охлаждения двигателя, обеспечивает существенное увеличение мощности двигателя, повышение экономичности и коэффициента полезного действия, а также уменьшение выбросов токсичных веществ в окружающую среду.