многотопливный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Многотопливный двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя одну или несколько пар соединенных в плоскости камеры сгорания перепускными каналами цилиндров, первый из которых цилиндр низкого сжатия соединен с источником питания топливно-воздушной смесью, имеет дроссельную заслонку для регулирования ее подачи при работе двигателя с неполной нагрузкой, а второй - цилиндр высокого сжатия не имеет объема камеры сжатия, соединен с каналом подачи чистого воздуха, имеет дроссельную заслонку для регулирования его поступления при работе двигателя с неполной нагрузкой, которая связана с первой заслонкой, его поршень перемещается с запаздыванием движения относительно поршня первого цилиндра на 22 27^o по углу поворота коленчатого вала так, что при положении его поршня в верхней мертвой точке высоко сжатый воздух полностью вытесняется в камеру сгорания первого цилиндра и обеспечивает дожигание всего топливного заряда, отличающийся тем, что дроссельная заслонка питания топливной смесью и дроссельная заслонка канала чистого воздуха имеют кинематическую связь, обеспечивающую возможность изменения их взаимного положения, в частности запаздывание открывания дроссельной заслонки второго цилиндра по отношению к дроссельной заслонке первого цилиндра на угол 15 20^o в начале хода и выравнивание угла их поворота при переходе двигателя к режиму полной нагрузки.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дроссельная заслонка источника питания топливно-воздушной смесью и дроссельная заслонка канала чистого воздуха имеют механическую кинематическую связь, включающую в себя установленные на заслонках поворотные рычаги, связанные между собой тягой с кулисным окном, обеспечивающим холостой ход тяги в начале открывания, зубчатую рейку и зубчатый сектор, обеспечивающие выравнивание угла поворота второй заслонки относительно первой при полном их открывании.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания различной мощности, работающим как на легком, так и тяжелом топливе, в частности к экологически чистым двигателям со спаренными совместно работающими цилиндрами высокого и низкого сжатия.

Как показывают исследования, для обеспечения наиболее высоких значений КПД и литровой мощности двигатель внутреннего сгорания должен иметь степень сжатия 11-12 и количественно-качественное регулирование с возможностью повышения избытка воздуха на режимах частичных нагрузок до a 2,5 3 [1]

При осуществлении рабочего процесса по принципу Отто невозможно применять ни высокую степень, ни качественное регулирование заряда. Пределом повышения степени сжатия в двигателях легкого топлива является детонационное сгорание, которое приводит к падению мощности, уменьшению экономичности и вызывает жесткую работу двигателя. Поэтому допустимое значение степени сжатия в двигателях легкого топлива при работе на товарных сортах бензина составляет e 6,2-6,5, а в случае применения топлива с высоким октановым числом e 6,5-7,5 [2]

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на тяжелом топливе с раздельным вводом топлива и воздуха и самовоспламенением заряда (Дизеля) имеет высокую степень сжатия, но для удовлетворительной управляемости процесса сгорания степень сжатия современных быстроходных дизелей должна быть в пределах e 17-19, что намного выше ее оптимального значения для ДВС. Кроме того, осуществление процесса с самовоспламенением заряда приводит к запаздыванию воспламенения до более половины времени подачи топлива. Следствием вредного влияния задержки воспламенения являются жесткость работы двигателя и низкое значение литровой мощности и большой удельный вес [3]

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что в цилиндр низкого сжатия после воспламенения в нем топливовоздушной смеси вводят дополнительный заряд воздуха, сжатого в цилиндрах высокого давления, и впрыскивают добавочное топливо, воспламеняемое горящими газами.

Известен также двигатель, реализующий известный способ, блок цилиндров которого имеет цилиндры высокого сжатия и цилиндры низкого сжатия. Число цилиндров высокого сжатия вдвое больше числа цилиндров низкого сжатия. Цилиндры расположены таким образом, чтобы между парой цилиндров высокого сжатия имелся цилиндр низкого сжатия. Цилиндры низкого сжатия, кроме обычных всасывающих и выпускных клапанов, служащих для осуществления внешнего газораспределения, снабжены дополнительными клапанами, предназначенными для осуществления внутреннего газораспределения. Цилиндры низкого сжатия сообщаются с цилиндрами высокого сжатия при помощи каналов, имеющих тангенциальное направление. Воспламенение рабочей смеси в цилиндрах низкого сжатия производится от построенного источника зажигания [4]

Использование для осуществления рабочего процесса сообщающихся между собой цилиндров и низкого сжатия позволяет объединить преимущества двигателя с искусственным воспламенением заряда и двигателя с самовоспламенением, в частности

производить рабочий процесс при повышенной степени сжатия, которая в условиях сообщающихся цилиндров составляет около e 11;

исключить свойственную дизельным двигателям задержку воспламенения.

Кроме того, подача сжатого чистого воздуха в камеру сгорания цилиндра низкого давления к моменту окончания первой фазы сгорания обеспечивает полное дожигание всего топлива.

Недостатком известного двигателя является сложная система клапанного регулирования для перетекания сжатого воздуха, а также необходимость дополнительной системы впрыскивания топлива, создающего проблемы его практической реализации.

Другим недостатком известного двигателя является отсутствие регулирования рабочего процесса, в частности подачи воздуха и топлива при неполной нагрузке, что снижает его экономичность.

Известен наиболее близкий к заявленному решению, выбранный в качестве ближайшего аналога, защищенный в качестве изобретения [5] и прошедший испытание в виде опытного образца [6] многотопливный двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя одну или несколько пар соединенных перепускными каналами цилиндров, первый из которых цилиндр низкого сжатия соединен с источником питания топливовоздушной смесью, имеющей дроссельную заслонку для регулирования подачи рабочей смеси при работе двигателя с неполной нагрузкой, а второй цилиндр высокого сжатия соединен с каналом чистого воздуха, также имеющим дроссельную заслонку для регулирования подачи воздуха при работе с неполной нагрузкой, связанную с первой заслонкой, не имеет объема камеры сжатия и его шатун, установленный на кривошипе с запаздыванием движения поршня относительно поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке на 22-27^o по углу поворота коленчатого вала таким образом, что сжатый воздух полностью вытесняется в камеру сгорания первого цилиндра для дожигания топлива в первом цилиндре [5] При этом запаздывание движение поршня второго цилиндра от поршня первого цилиндра на 22-27^o определяется продолжительностью процесса сгорания с момента воспламенения и устанавливается в зависимости от принятого значения конструктивной степени сжатия в первом цилиндре.

Как показали расчеты и испытания опытного образца, обеспечивается надежная и эффективная работа двигателя с приведенным оптимальным значением степени сжатия двигателя e 11 и коэффициентом избытка воздуха на частичных нагрузках a 3. При этом в отсутствии с приведенными расчетами при работе двигателя с полной нагрузкой с полным использованием кислорода воздуха обоих рабочих тел КПД двигателя в сравнении с двигателем, работающем по циклу Отто, увеличивается на 28,5% [7]

Обеспечивается простое и надежное осуществление рабочего процесса с последовательным участием в сгорании низко сжатого и высоко сжатого воздушных зарядов.

Недостатком рассматриваемого в качестве ближайшего аналога двигателя является отсутствие регулирования в подаче воздуха в цилиндры высокого сжатия при работе двигателя в режиме частичных нагрузок, вызывающее чрезмерное обеднение рабочей смеси, снижающее надежность ее воспламенения.

В известном двигателе степень сжатия воздуха, объем камеры сгорания и диаметр канала для перетекания сжатого воздуха в камеру сгорания рассчитаны для работы в оптимальном режиме при полной нагрузке с полностью открытыми дроссельными заслонками. На режимах частичных нагрузок при одинаковом положении дроссельных заслонок, из-за большего сопротивления протеканию воздуха через карбюратор по сравнению с каналом чистого воздуха происходит подача избыточного воздуха от цилиндра высокого сжатия через перепускной канал и обеднение рабочей смеси в камере сгорания. При условии, что двигатель в основном работает на режимах частичных нагрузок и на холостом ходу, это является причиной снижения экономичности и надежности его работы.

Задачей изобретения является обеспечение коррекции взаимного положения дроссельных заслонок, открывающих доступ в совместно работающие цилиндры топливовоздушной смеси и чистого воздуха при работе двигателя на режимах частичных нагрузок.

Поставленная задача решается за счет того, что при использовании основных конструктивных признаков известного двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя одну или несколько пар соединенных перепускными каналами цилиндров, первый из которых цилиндр низкого сжатия соединен с источником питания топливовоздушной смесью, имеет дроссельную заслонку для регулирования ее подачи при работе двигателя с неполной нагрузкой, а второй цилиндр высокого сжатия не имеет объема камеры сжатия, соединен с каналом чистого воздуха, имеет дроссельную заслонку для регулирования его поступления при работе двигателя с неполной нагрузкой, которая связана с первой заслонкой, его поршень перемещается с запаздыванием движения относительно поршня первого цилиндра на 22-27^o по углу поворота коленчатого вала таким образом, что при положении его поршня в верхней мертвой точке высоко сжатый воздух полностью вытесняется в камеру сгорания первого цилиндра и обеспечивает дожигание всего топливного заряда, в соответствии с изобретением дроссельная заслонка питания топливовоздушной смесью и дроссельная заслонка канала чистого воздуха имеют кинематическую связь, обеспечивающую возможность изменения из взаимного положения, в частности запаздывание дроссельной заслонки второго цилиндра по отношению к дроссельной заслонке первого цилиндра на угол 15-20^o в начале хода и выравнивание угла их поворота при переходе двигателя к режиму полной нагрузки.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения предполагает механическую кинематическую связь между дроссельной заслонкой источника питания топливовоздушной смесью и дроссельной заслонкой канала чистого воздуха, включающую в себя установленные на заслонках поворотные рычаги, связанные между собой тягой с кулисным окном, обеспечивающим холостой ход тяги в начале открывания, зубчатую рейку и зубчатый вектор, обеспечивающими выравнивание угла поворота второй заслонки относительно первой при полном их открывании.

За счет указанных отличительных признаков обеспечивается надежная и экономичная работа двигателя на всех режимах, в частности полное открывание обеих заслонок в режиме работы с полной нагрузкой, запаздывание поворота второй заслонки относительно первой на режимах частичных нагрузок с обеспечением общего коэффициента избытка воздуха a > 2,5-3 и выравнивание угла поворота второй заслонки относительно первой при меньших значениях коэффициента избытка воздуха.

Предложенный вариант выполнения технического решения с механической связью обеспечивает наиболее простое и надежное конструктивное решение задачи оптимального взаимного смещения в открытии дроссельных заслонок цилиндров низкого и высокого сжатия.

На фиг. 1 представлен многотопливный двигатель внутреннего сгорания, поперечный разрез; на фиг. 2 схема кинематической связи между дроссельными заслонками.

Блок цилиндров многотопливного двигателя на фиг. 1 включает в себя параллельно расположенные цилиндр низкого сжатия 1 и цилиндр высокого сжатия 2, которые в плоскости камеры сгорания соединены перепускным каналом 3. Цилиндр низкого сжатия 1 соединен с источником питания топливовоздушной смесью от карбюратора (не представлен), имеющим дроссельную заслонку 4 для регулирования подачи рабочей смеси при работе двигателя с неполной нагрузкой. Цилиндр высокого сжатия 2 соединен с каналом чистого воздуха, имеющим дроссельную заслонку 5 для регулирования подачи воздуха при работе с неполной нагрузкой. Шатун 6 цилиндра высокого сжатия 2 установлен на кривошипе с запаздыванием движения поршня цилиндра 2 относительно поршня цилиндра 1 в верхней мертвой точке на 24^o по углу поворота коленчатого вала. Цилиндр 2 не имеет объема камеры сжатия и его сжатый воздух по перепускному каналу 3 полностью вытесняется в камеру сгорания цилиндра 1.

Для большей компактности конструкция и полной уравновешенности сил инерции конструктивно двигатель может быть выполнен с двухвальным бесшатунным механизмом привода поршней совместно работающих цилиндров высокого и низкого сжатия.

Представленная на фиг. 2 кинематическая связь между заслонками 4 и 5 включает в себя установленные на заслонках поворотные рычаги 7 и 8, связанные между собой тягой 9 с кулисным окном 10, обеспечивающим холостой ход тяги на установленное запаздывание поворота заслонки 5 относительно заслонки 4, зубчатую рейку 11 и зубчатый сектор 12, установленный на поворотном рычаге 8. Радиус зубчатого сектора выбран таким, чтобы его поворот при движении зубчатой рейки выровнял поворот заслонки 5 относительно заслонки 4 при полном их открывании. Дроссельные заслонки находятся под воздействием закрывающих пружин (не показаны).

Конкретная величина взаимного смещения поворота заслонок для конкретного типа двигателя в пределах угла от 15 до 20^o устанавливается экспериментально и корректируется регулировкой степени смещения кулисного окна.

Рабочий процесс в двигателе предусматривает:

подачу топливовоздушной смеси в цилиндр низкого сжатия 1 (с значением коэффициента избытка воздуха на полной нагрузке a 0,5);

подачу чистого воздуха в цилиндр высокого сжатия 2;

сжатие рабочей смеси в цилиндре 1 и чистого воздуха в цилиндре 2;

первую фазу сгорания с воспламенением рабочей смеси от искры в цилиндре 1 и сгорание топлива с участком воздушного заряда цилиндра 1 при относительно спокойном состоянии заряда;

вторую фазу сгорания с поступлением в камеру сгорания высоко сжатого воздуха из цилиндра 2 с созданием интенсивного направленного движения газов в камере сгорания и полным дожиганием продуктов первичного окисления топлива. Процесс сгорания заканчивается к моменту прихода поршня цилиндра 2 в верхнюю мертвую точку.

При работе двигателя с полной нагрузкой обе дроссельные заслонки полностью открыты. При частичной нагрузке двигателя дроссельные заслонки под воздействием закрывающих пружин прикрываются. Открывание дроссельных заслонок при увеличении нагрузок происходит с начальным запаздыванием поворота заслонки 5 относительно заслонки 4. При этом связывающая заслонки тяга 9 первоначально перемещается в кулисном окне 10 и не воздействует на зубчатую рейку. Холостой ход тяги соответствует углу поворота заслонки 4 на 15-20^o. При дополнительном движении тяга упирается в стенку кулисного окна и начинает перемещать зубчатую рейку 11, которая поворачивает зубчатый сектор 12 и обеспечивает поворот заслонки 5. При этом достигается начальное запаздывание открывания заслонки 5 относительно заслонки 4 на указанный угол, что предотвращает подачу избыточного воздуха в камеру сгорания из цилиндра 2. При дальнейшем движении зубчатой рейки 11, за счет выбора радиуса зубчатого сектора, к моменту полного открывания заслонки 4 заслонка 5 приобретает то же положение, что и заслонка 4.

Заявляемое техническое решение полностью решает задачу, стоящую перед изобретением.

Заявляемое техническое решение с характеризующими его отличительными признаками на настоящее время в Российской Федерации и за границей не известно и отвечает требованиям критерия "новизна".

Заявляемое техническое решение является оригинальным, позволяет решить проблему предотвращения избытка воздуха при работе двигателя на частичных нагрузках, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники и отвечает требованиям критерия "изобретательский уровень".

Заявляемое техническое решение может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий, материалов и комплектующих и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".

Источники информации

1. Кушуль В.М. Новый тип двигателя внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1965, с. 6.

2. Там же, с. 8.

3. Там же, с. 7.

4. Авт. св. СССР N 80445, F 02 B 11/00, 1961.

5. Авт. св. СССР N 128231, F 02 B 11/00, 1960.

6. Кушуль В.М. Новый тип двигателя внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1965, с. 210.

7. Там же, с. 54-55, 197-207.