способ организации рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ организации рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания с внутренним воздушным охлаждением цилиндров, заключающийся в нагнетании воздуха или горючей смеси в цилиндр и в воздушную рубашку цилиндра и в впуске воздуха (горючей смеси) из рубашки в цилиндр в процессе расширения по достижению давления, равного давлению воздуха (горючей смеси), отличающийся тем, что основной объем воздуха (горючей смеси) нагнетают в процессе сжатия в воздушную рубашку и при непревышении степени сжатия _min отключают его, а оставшуюся часть воздуха (горючей смеси) дожимают до достижения степени сжатия _max в цилиндре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сжатии воздуха осуществляют преимущественно управляемый двухступенчатый впрыск топлива - при сжатии воздуха до степени сжатия _max и при расширении, когда давление газов в цилиндре падает до давления воздуха в рубашке, осуществляя при этом, при необходимости, опережение впрыска.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть основного объема воздуха (горючей смеси) перепускают из рубашки цилиндра в охлаждаемую полость головки цилиндра.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть основного объема воздуха (горючей смеси) нагнетают во внутреннюю полость поршня.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам организации рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно многотопливных.

Известны способы организации рабочего процесса в ДВС, позволяющие успешно осуществлять пуск двигателей из холодного состояния на различных видах топлива.

Наиболее радикальный - повышение степени сжатия () до 20 и более. С увеличением увеличивается термический коэффициент полезного действия (КПД), но значительно увеличиваются механические потери, ухудшается процесс смесеобразования. Термодинамический анализ циклов комбинированных двигателей показывает, что наиболее рациональным путем снижения максимального давления сгорания является уменьшения . Увеличение наддува снижает и одновременно увеличивает литровую мощность двигателя. Двигатели с системой высокого наддува "Гипербар" работают с = 7-8, однако при таких значениях пускать двигатель можно только с помощью специальных средств. С изменением скорости вращения вала или нагрузки оптимальная степень сжатия изменяется, что требует ее регулировки путем изменения объема камеры сгорания.

Широко известны конструкции двигателей с разделенной вихревой камерой автоматически регулируемого объема (ВКАРО) фирмы Испано-Сюиза; снабженных поршнями, автоматически регулирующими степень сжатия (ПАРСС) Британского НИИ двигателей и другие.

Увеличить или уменьшить степень сжатия можно также путем подключения одной или нескольких вспомогательных камер, размещенных в головке блока камер постоянного или переменного объема.

Все эти конструкции ДВС объединяет одно - весь объем сжимаемого воздуха в цилиндре участвует в процессе сжатия до заданной величины степени сжатия . В предложенной конструкции такая организация процесса в ДВС, когда в процессе сжатия воздуха выше минимальной степени сжатия _min, участвует лишь часть объема - которая далее дожимается до максимальной степени сжатия _max, обеспечивающей надежное воспламенение топлива (или часть его) и поджигание (или дожигание) в процесс расширения воспламенившейся при _max частью основной части смеси, находящейся под давлением _min.

Известен способ организации рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания с воздушным охлаждением цилиндров, заключающийся в нагнетании воздуха или горючей смеси в цилиндр и в воздушную рубашку цилиндра и в впуске воздуха (горючей смеси) из рубашки в цилиндр в процессе расширения по достижению давления, равного давлению воздуха (горючей смеси), см. опубликованные сведения по заявке РФ N 93032660, МПК F 02 B 21/00, 1995).

Недостаток известного способа заключается в недостаточной эффективности проведения рабочего процесса.

Задачей изобретения является повышение эффективности рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная задача решается тем, что способ организации рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания с внутренним воздушным охлаждением заключается в нагнетании воздуха или горючей смеси в цилиндр и в воздушную рубашку цилиндра и в впуске воздуха (горючей смеси), из рубашки в цилиндр в процессе расширения, по достижении давления, равного давлению воздуха (горючей смеси), причем основной объем воздуха (горючей смеси) нагнетают в процессе сжатия в воздушную рубашку и при непревышении степени сжатия _min отключают его, а оставшуюся часть воздуха (горючей смеси) дожимают до достижения степени сжатия _max в цилиндре.

При сжатии воздуха может быть осуществлен преимущественно управляемый двухступенчатый впрыск топлива - при сжатии воздуха до степени сжатия _max, и при расширении, когда давление газов в цилиндре падает до давления воздуха в рубашке, при этом осуществляют при необходимости опережение впрыска. Часть основного объема воздуха (горючей смеси) могут перепускать из рубашки цилиндра в охлаждаемую полость головки цилиндра. Часть основного объема воздуха (горючей смеси) нагнетают во внутреннюю полость поршня.

На чертежах иллюстрируется конструктивная возможность реализации предлагаемого способа.

На фиг. 1 изображен продольный разрез цилиндра;

на фиг. 2 - узел перепуска воздуха из рубашки в головку цилиндра;

на фиг. 3 - конструкция поршня.

Конструкция состоит из корпуса цилиндра 1, выполненного с воздушной рубашкой 2, в верхней части которой предусматриваются перепускные отверстия 3 в головку цилиндра 4. В средней части внутренней стенки корпуса предусматриваются отверстия 5, через которые сообщаются объемы цилиндра и рубашки. Поршень 6 дополнен пружиной 7 и подвижной крышкой 8.

Работа конструкции по реализации предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

При движении поршня 6 вниз через воздушный клапан нагнетается воздух в цилиндр 1. После открытия поршнем отверстий 5 воздух начинает поступать в рубашку 2 и далее через отверстия 3 в полость головки цилиндра 4. При движении поршня вверх воздух сжимается в цилиндре и соответственно в рубашке. Через кольцевой зазор в крышке 8 воздух заходит и в воздушную полость поршня. При правильно выбранной жесткости пружины 7, последняя удерживает крышку 8 в верхнем положении до давления, характерного при максимальной степени сжатия _max. При непревышении расчетного значения минимальной степени сжатия _min поршень перекрывает отверстия 5, тем самым отключая основной объем воздуха от дальнейшего сжатия и, продолжая движение вверх, дожимает оставшийся объем воздуха в цилиндре до максимальной степени сжатия _max. Часть топлива при управляемом впрыске поступает в объем воздуха при _max. (при необходимости, с опережением) распылается, поджигается. Избыточным давлением газа поршень начинает движение вниз, крышка 8 поршня, сжимая пружину 7, вытесняет воздух, находящийся в верхней полости поршня. Поступающий воздух улучшает дожигание топлива. Мягкая передача усилия давления расширяющихся газов в начальный момент на поршень снижает нагрузки на кривошипно-шатунный механизм. Поршень, двигаясь вниз, открывает отверстия 5, освобождая выход основной части воздуха в рабочую полость цилиндра, где воздух перемешивается с горячими газами, что способствует более энергичному и полному сжиганию второй впрыскиваемой порции топлива. Суммарный объем газов расширяется до заданного значения и поступает далее на турбокомпрессор. Рассмотренный выше вариант работы ДВС - оптимальный. Возможны варианты в рамках предлагаемой формулы. Так, топливо можно впрыскивать все сразу по достижении максимальной степени сжатия _max или чуть ранее с опережением, однако, учитывая на первой стадии горения недостаток кислорода, возможно образование сажи. Можно впрыскивать все топливо в общий объем воздуха при непревышении минимальной степени сжатия _min и далее сжимать топливно-воздушную смесь. Если обеспечить условия, исключающие проскок пламени внутрь (скорость истечения должна быть выше скорости распространения фронта пламени, минимальные диаметры отверстий, утолщения стенок в зоне отверстий и т.п.), то данный вариант приемлем и для карбюраторных двигателей. Количественно основной объем воздуха, поступающий в рубашку, может быть оценен в пределах 0,75 - 0,9 от всего объема. Чем больше количество цилиндров и больше их диаметр, тем меньший относительный объем воздуха можно сжимать до максимальной степени сжатия _max. Система охлаждения основным потоком воздуха должна быть секционирована по цилиндрам, то есть каждый цилиндр должен быть автономен.

Все элементы двигателя, ограждающие камеру сгорания (стенки цилиндра, головка и поршень) охлаждаются воздухом; отводимое тепло, ныне теряемое с охлаждающей водой или с воздухом при внешнем обдуве, возвращается в цикл.

Исключается (а следовательно и упрощается конструкция) регулирование степени сжатия как процесс, ибо горение ведется в диапазоне от _min до _max на всех видах топлива.

Двухстадийное горение создает благоприятные условия для уменьшения выхода NO_x и CO; снижает максимальные тепловые и механические нагрузки.

Предлагаемый способ может быть вписан в ныне существующую схему двигателя без радикальной технологической ломки (те же цилиндры, головки, поршни, системы впрыска топлива, наддува и другое).

Указанный способ может быть применен как к четырехтактным, так и двухтактным двигателям, работающим в режиме как дизеля, так и карбюратором; наилучший вариант - многотопливный дизель с турбонаддувом.