Способ работы двухтактного многотопливного двигателя внутреннего сгорания и двухтактный многотопливный двигатель внутреннего сгорания

Способ работы двухтактного многотопливного двигателя внутреннего сгорания и двухтактный многотопливный двигатель внутреннего сгорания

Реферат

 

Изобретение относится к двухтактным многотопливным двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-камерной продувкой и способам их работы. По сигналу датчика кислорода в выпускной системе блок управления формирует сигналы для изменения характеристик движения поршня вне зависимости от вращения коленчатого вала, что позволяет в заданный момент цикла осуществить перекрытие поршнем перепускного и выпускного окон, обеспечивая тем самым снижение потерь свежего заряда в выпускную систему. Сигналы от блока управления поступают приводам, перемещающим оси качания рычагов по прямым линиям, пересекающим оси цилиндров. Рычаги связаны с шарнирами сочлененных шатунов, соединяющих поршни с коленчатым валом. При перемещении оси качания рычагов под действием приводов происходит смещение шарниров сочлененных шатунов к осям цилиндров, что приводит к ускоренному перекрытию поршнем перепускного и выпускного окон во время продувки. Технический результат заключается в повышении топливной экономичности и снижении токсичности отработавших газов. 2 c. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным многотопливным двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-камерной продувкой, и способам их работы.

Известен способ работы двухтактного многотопливного двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск свежего заряда в кривошипную камеру двигателя через открываемое поршнем впускное окно и одновременное сжатие свежего заряда в надпоршневой полости цилиндра при движении поршня к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание сжатого заряда в надпоршневой полости, расширение продуктов сгорания, выпуск отработавших газов из надпоршневой полости через открываемое поршнем выпускное окно и сжатие свежего заряда в кривошипной камере тыльной стороной поршня при его движении к нижней мертвой точке, перепуск сжатого свежего заряда из кривошипной камеры в надпоршневую полость цилиндра через перепускной канал и открываемое поршнем перепускное окно, продувку надпоршневой полости свежим зарядом и удаление отработавших газов через выпускное окно в выпускную систему двигателя (см. патент США N 5134984, кл. F 02 В 33/04, 1992).

Из приведенного выше источника информации известен и двухтактный многотопливный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с картером и цилиндрами, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием надпоршневых полостей и кривошипных камер, сообщенных между собой через перепускные каналы и перепускные окна, коленчатый вал, связанный при помощи шатунов с поршнями, выпускные окна, выполненные в цилиндрах и соединенные с выпускной системой двигателя, впускные окна с обратными клапанами, связывающие кривошипные камеры с впускной системой двигателя, топливодозирующее устройство и блок управления, входы которого связаны с органом управления двигателем и датчиком числа оборотов его вала, а выход - с топливодозирующим устройством, причем поршни размещены с возможностью перекрытия перепускных и выпускных окон.

Однако известные способ и двигатель характеризуются повышенными потерями свежего заряда во время продувки надпоршневой полости и недостаточно полной ее очисткой от отработавших газов, что приводит к снижению топливной экономичности двигателя и повышению токсичности его отработавших газов.

Задачей изобретения является повышение топливной экономичности двигателя и снижение токсичности его отработавших газов.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе работы двухтактного многотопливного двигателя внутреннего сгорания, включающем впуск свежего заряда в кривошипную камеру двигателя через открываемое поршнем впускное окно и одновременное сжатие свежего заряда в надпоршневой полости цилиндра при движении поршня к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание сжатого заряда в надпоршневой полости, расширение продуктов сгорания, выпуск отработавших газов из надпоршневой полости через открываемое поршнем выпускное окно и сжатие свежего заряда в кривошипной камере тыльной стороной поршня при его движении к нижней мертвой точке, перепуск сжатого свежего заряда из кривошипной камеры в надпоршневую полость цилиндра через перепускной канал и открываемое поршнем перепускное окно, продувку надпоршневой полости свежим зарядом и удаление отработавших газов через выпускное окно в выпускную систему двигателя, согласно изобретению по сигналу датчика кислорода, размещенного в выпускной системе, блок управления формирует сигнал приводу, перемещающему по прямой линии, пересекающей ось цилиндра, ось качания рычага, смещающего шарнир сочлененного шатуна к оси цилиндра для перекрытия перепускного и выпускного окон поршнем, причем для регулирования количества свежего заряда в надпоршневой полости блок управления формирует сигнал приводу, перемещающему ось качания рычага с заданной скоростью для перекрытия поршнем перепускного и выпускного окон через заданный интервал времени.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что по сигналу датчика оксидов азота, расположенного в выпускной системе, блок управления формирует сигнал приводу, по которому увеличивают скорость перемещения оси качания рычага и скорость движения поршня при перекрытии перепускного и выпускного окон, увеличивая в надпоршневой полости количество отработавших газов, смешанных со свежим зарядом.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что по сигналу дополнительного датчика кислорода, установленного в перепускном канале, блок управления формирует сигнал, по которому прекращают увеличение цикловой подачи топлива в цилиндр через топливодозирующее устройство.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что после пуска и прогрева двигателя на режиме холостого хода блок управления формирует сигнал, по которому осуществляют впуск свежего заряда в один из цилиндров двигателя, и формирует сигналы приводам осей качания рычагов, по которым останавливают поршни в остальных цилиндрах.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что по сигналу блока управления для остановки поршня на заданное время приводом перемещают ось качания рычага, обеспечивая смещение шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при повороте кривошипа коленчатого вала на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврат шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при повороте кривошипа на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что по мере роста нагрузки блок управления формирует сигналы, задающие рабочий объем надпоршневой полости цилиндров, цикловую подачу топлива в цилиндры и число работающих цилиндров.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что изменение рабочего объема надпоршневой полости цилиндра и степени сжатия осуществляют изменением положения мертвых точек и хода поршня путем перемещения оси качания рычага и смещения шарнира сочлененного шатуна.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что блок управления формирует сигналы, по которым включают в работу датчики кислорода и оксида азота на режимах холостого хода и частичных нагрузок.

Поставленная задача в части двигателя решается тем, что двухтактный многотопливный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с картером и цилиндрами, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием надпоршневых полостей и кривошипных камер, сообщенных между собой через перепускные каналы и перепускные окна, коленчатый вал, связанный при помощи шатунов с поршнями, выпускные окна, выполненные в цилиндрах и соединенные с выпускной системой двигателя, впускные окна с обратными клапанами, связывающие кривошипные камеры с впускной системой двигателя, топливодозирующее устройство и блок управления, входы которого связаны с органом управления двигателем и датчиком числа оборотов его вала, а выход - с топливодозирующим устройством, причем поршни размещены с возможностью перекрытия перепускных и выпускных окон, согласно изобретению снабжен рычагами, связанными с шарнирами сочлененных шатунов, выполненных в виде двух частей, соединенных шарнирами, приводами осей качания рычагов, выполненными с возможностью перемещения последних по прямым линиям, пересекающим оси цилиндров, датчиками детонации, температуры, оксидов азота, кислорода, положения поршней и положения осей качания рычагов, подключенными к дополнительным входам блока управления, дополнительный выход которого связан с приводами осей качания рычагов, а датчики оксидов азота и кислорода размещены в выпускной системе.

Поставленная задача в части двигателя решается также тем, что он снабжен дополнительными датчиками кислорода, установленными в перепускных каналах и связанными с входами блока управления.

Поставленная задача в части двигателя решается также тем, что орган управления двигателем выполнен в виде педали акселератора и соединен с блоком управления через контроллер.

Поставленная задача в части двигателя решается также тем, что он выполнен из отдельных одноцилиндровых, автономно работающих модулей, расположенных в общем корпусе.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез предлагаемого двигателя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема двигателя с традиционным кривошипно-шатунным механизмом на такте рабочего хода; на фиг. 4 - схема двигателя с традиционным кривошипно-шатунным механизмом на также выпуска; на фиг. 5 - схема двигателя с традиционным кривошипно-шатунным механизмом на такте продувки; на фиг. 6 - схема двигателя с традиционным кривошипно-шатунным механизмом на такте сжатия; на фиг. 7 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма предлагаемого двигателя при изменении степени сжатия; на фиг. 8 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма предлагаемого двигателя на такте рабочего хода; на фиг. 9 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма предлагаемого двигателя на также выпуска; на фиг. 10 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма предлагаемого двигателя на такте продувки; на фиг. 11 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма предлагаемого двигателя при перекрытии поршнем перепускного и выпускного окон; на фиг. 12 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма предлагаемого двигателя во время остановки поршня; на фиг. 13 - положение поршня предлагаемого двигателя при перекрытии перепускного и выпускного окон во время сжатия заряда в надпоршневой полости цилиндра; на фиг. 14 - положение поршня предлагаемого двигателя во время впуска свежего заряда в кривошипную камеру; на фиг. 15 - положение поршня предлагаемого двигателя при перекрытии перепускного и выпускного окон во время рабочего хода; на фиг. 16 - положение поршня предлагаемого двигателя во время продувки.

Описываемый двухтактный многотопливный экологичный, экономичный двигатель внутреннего сгорания для реализации предлагаемого способа содержит корпус 1 с картером и цилиндрами 2, закрытыми головками 3, поршни 4, размещенные в цилиндрах 2 с образованием надпоршневых полостей 5 и кривошипных камер 6, сообщенных между собой через перепускные каналы 7 и перепускные окна 8. Коленчатый вал 9 двигателя связан при помощи сочлененных шатунов 10 с поршнями 4. Выпускные окна 11 выполнены в цилиндрах 2 и соединены с выпускной системой двигателя. Впускные окна 12 с обратными клапанами 13 связывают кривошипные камеры 6 с впускной системой двигателя. Двигатель имеет также рычаги 14, связанные с шарнирами 15 сочлененных шатунов 10, выполненных в виде двух соединенных шарнирами 15 частей. Приводы 16 выполнены с возможностью перемещения осей 17 качания рычагов 14 по прямым линиям Х-Х', пересекающим оси Y-Y' цилиндров 2, что в описываемом двигателе обеспечивает удлинение хода поршней 4, например, до двух раз по сравнению с традиционными схемами двигателей. Кроме того, двигатель снабжен блоком 18 управления, вход которого связан с органом 19 управления двигателем, например педалью акселератора, через контроллер 20, а выход - с топливодозирующим устройством 21, например насос-форсунками или карбюратором, и приводами 16 осей 17 качания рычагов 14. Двигатель также снабжен датчиками 22 детонации, датчиками 23 температуры двигателя и/или воздуха, датчиками 24 оксидов азота, датчиками 25 кислорода, датчиками 26 положения поршней 4 и числа оборотов вала двигателя, датчиками 27 положения осей 17 качания рычагов 14 и дополнительными датчиками 28 кислорода, связанными с входами блока 18 управления. Датчики 24, 25 оксидов азота и кислорода размещены в выпускной системе двигателя, а дополнительные датчики 28 кислорода установлены в перепускных каналах 7. На коленчатый вал 9 посажен маховик 29. В случае выполнения двигателя с электроискровым зажиганием к блоку 18 управления подключаются свечи зажигания 30, установленные в головках 3. Двигатель может быть выполнен из отдельных одноцилиндровых, автономно работающих модулей, расположенных в общем корпусе 1.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

При запуске двигателя блок 18 управления по сигналам датчиков 23 температуры воздуха и двигателя формирует сигнал топливодозирующему устройству 21 для задания требуемой цикловой подачи топлива в цилиндры 2. При этом осуществляют впуск заряда в кривошипную камеру 6 каждого цилиндра 2 двигателя через открываемое поршнем 4 впускное окно 12 и одновременное сжатие свежего заряда в надпоршневой полости 5 цилиндра 2 при движении поршня 4 к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание сжатого заряда в надпоршневой полости 5, расширение продуктов сгорания, выпуск отработавших газов из надпоршневой полости 5 через открываемое поршнем 4 выпускное окно 11 и сжатие свежего заряда в кривошипной камере 6 тыльной стороной поршня 4 при его движении к нижней мертвой точке, перепуск сжатого свежего заряда из кривошипной камеры 6 в надпоршневую полость 5 цилиндра 2 через перепускной канал 7 и открываемое поршнем 4 перепускное окно 8, продувку надпоршневой полости 5 свежим зарядом и удаление отработавших газов через выпускное окно 11 в выпускную систему двигателя. После запуска двигателя по сигналу датчика 22 детонации блок 18 управления формирует сигнал приводам 16 осей 17 качания рычагов 14. Приводы 16 перемещают оси 17 качания рычагов 14 по прямым линиям Х-Х' из точки а в точку f (фиг. 7). При этом рычаги 14 смещают шарниры 15 сочлененных шатунов 10 от оси Y-Y' цилиндров 2, тем самым увеличивая объем камеры сгорания V_к.с (объем надпоршневой полости цилиндров 2 при положении поршней 4 в верхней мертвой точке). Если измененный объем камеры сгорания V_к.с будет соответствовать степени сжатия используемого топлива и детонация прекратится, блок 18 управления перейдет к обеспечению работы двигателя на холостом ходу, формируя сигнал, по которому осуществляют впуск свежего заряда в один из цилиндров 2 (модулей) двигателя и прекращают подачу топлива в остальные цилиндры 2 (модули), а также формируя сигналы приводам 16 осей 17 качания рычагов 14, по которым поршни 4 в остальных цилиндрах 2 (модулях) останавливают. Для остановки поршней 4 на заданное время в неработающих цилиндрах 2 (модулях) при вращающемся коленчатом вале 9 блок 18 управления формирует сигналы приводам 16, перемещающим по прямым линиям Х-Х' оси 17 качания рычагов 14, которые в свою очередь смещают шарниры 15 сочлененных шатунов 10 от осей Y-Y' цилиндров 2 при повороте кривошипов коленчатого вала 9 на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возвращают шарниры 15 сочлененных шатунов 10 к осям Y-Y' цилиндров 2 при повороте кривошипов на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. При длительной работе на холостом ходу для поддержания стабильного теплового состояния двигателя возможно чередование работы цилиндров 2 (модулей), а именно, прекращают подачу топлива в работающий цилиндр 2 (модуль) и начинают подачу топлива в один из неработающих цилиндров 2 (модулей). При этом как только свежий заряд достигает датчика 25 кислорода в выпускной системе, по его сигналу блок 18 управления формирует сигнал приводу 16, перемещающему по прямой линии Х-Х', пересекающей ось Y-Y' цилиндра 2, ось 17 качания рычага 14. Рычаг 14 смещает шарнир 15 сочлененного шатуна 10 к оси Y-Y' цилиндра 2 для ускоренного перекрытия перепускного и выпускного окон 8, 11 поршнем 4. Благодаря этому прекращаются потери свежего заряда (топлива) в выпускную систему двигателя, что способствует повышению его топливной экономичности. С целью регулирования количества свежего заряда в надпоршневой полости 5 цилиндра 2 блок 18 управления формирует сигнал приводу 16, перемещающему ось 17 качания рычага 14 с заданной скоростью для ускоренного или замедленного перекрытия поршнем 4 перепускного и выпускного окон 8, 11 через заданный интервал времени, что обеспечивает повышенную точность дозирования свежего заряда в надпоршневой полости 5 (фиг. 11, 13). Изменяя время перекрытия поршнем 4 перепускного и выпускного окон 8, 11, управляют наполнением надпоршневой полости 5 цилиндра 2 свежим зарядом, которое возможно от 0,5 до 1,8 от объема надпоршневой полости 5. При работе двигателя на частичных нагрузках и появлении в выпускной системе повышенной концентрации оксидов азота по сигналу датчика 24 оксидов азота блок 18 управления формирует сигнал приводу 16, по которому увеличивают скорость перемещения оси 17 качания рычага 14 и скорость движения поршня 4 при перекрытии перепускного и выпускного окон 8, 11, увеличивая тем самым в надпоршневой полости 5 количество отработавших газов, смешанных со свежим зарядом, что снижает максимальную температуру цикла и токсичность отработавших газов. По сигналу дополнительного датчика 28 кислорода в перепускном канале 7 блок 18 управления формирует сигнал, по которому прекращают увеличение цикловой подачи топлива в цилиндр 2 через топливодозирующее устройство 21. По мере роста нагрузки блок 18 управления формирует сигналы, задающие рабочий объем надпоршневой полости 5 цилиндров 2, цикловую подачу топлива в цилиндры 2 и число работающих цилиндров 2. С целью изменения рабочего объема надпоршневой полости 5 цилиндра 2 и степени сжатия осуществляют изменение положения мертвых точек и хода поршня 4 путем перемещения оси 17 качания рычага 14 и смещения шарнира 15 сочлененного шатуна 10 под действием привода 16 (фиг. 7-12). На режимах, близких к номинальному, блок 18 управления формирует сигналы, по которым отключают датчики 24, 25 оксидов азота и кислорода, прекращают увеличение подачи свежего заряда в надпоршневые полости 5 цилиндров 2 и перемешивание отработавших газов со свежим зарядом за счет применения более длительной продувки.

Формула изобретения

1. Способ работы двухтактного многотопливного двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск свежего заряда в кривошипную камеру двигателя через открываемое поршнем впускное окно и одновременное сжатие свежего заряда в надпоршневой полости цилиндра при движении поршня к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание сжатого заряда и надпоршневой полости, расширение продуктов сгорания, выпуск отработавших газов из надпоршневой полости через открываемое поршнем выпускное окно и сжатие свежего заряда в кривошипной камере тыльной стороной поршня при его движении к нижней мертвой точке, перепуск сжатого свежего заряда из кривошипной камеры в надпоршневую полость цилиндра через перепускной канал и открываемое поршнем перепускное окно, продувку надпоршневой полости свежим зарядом и удаление отработавших газов через выпускное окно в выпускную систему двигателя, отличающийся тем, что по сигналу датчика кислорода, размещенного в выпускной системе, блок управления формирует сигнал приводу, перемещающему по прямой линии, пересекающей ось цилиндра, ось качания рычага, смещающего шарнир сочлененного шатуна к оси цилиндра для перекрытия перепускного и выпускного окон поршнем, причем для регулирования количества свежего заряда в надпоршневой полости блок управления формирует сигнал приводу, перемещающему ось качания рычага с заданной скоростью для перекрытия поршнем перепускного и выпускного окон через заданный интервал времени.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по сигналу датчика оксидов азота, расположенного в выпускной системе, блок управления формирует сигнал приводу, по которому увеличивают скорость перемещения оси качания рычага и скорость движения поршня при перекрытии перепускного и выпускного окон, увеличивая в надпоршневой полости количество отработавших газов, смешанных со свежим зарядом.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по сигналу дополнительного датчика кислорода, установленного в перепускном канале, блок управления формирует сигнал, по которому прекращают увеличение цикловой подачи топлива в цилиндр через топливо-дозирующее устройство.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что после пуска и прогрева двигателя, на режиме холостого хода, блок управления формирует сигнал, по которому осуществляют впуск свежего заряда в один из цилиндров двигателя, и формирует сигналы приводам осей качания рычагов, по которым останавливают поршни в остальных цилиндрах.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что по сигналу блока управления для остановки поршня на заданное время приводом перемещают ось качания рычага, обеспечения смещение шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при повороте кривошипа коленчатого вала на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврат шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при повороте кривошипа на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что по мере роста нагрузки блок управления формирует сигналы, задающие рабочий объем надпоршневой полости цилиндров, цикловую подачу топлива в цилиндры и число работающих цилиндров.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что изменение рабочего объема надпоршневой полости цилиндра и степени сжатия осуществляют изменением положения мертвых точек и хода поршня путем перемещения оси качания рычага и смещения шарнира сочлененного шатуна.

8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что блок управления формирует сигналы, по которым включают в работу датчики кислорода и оксида азота на режимах холостого хода и частичных нагрузок.

9. Двухтактный многотопливный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с картером и цилиндрами, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием надпоршневых полостей и кривошипных камер, сообщенных между собой через перепускные каналы и перепускные окна, коленчатый вал, связанный при помощи шатунов с поршнями, выпускные окна, выполненные в цилиндрах и соединенные с выпускной системой двигателя, впускные окна с обратными клапанами, связывающие кривошипные камеры с впускной системой двигателя, топливодозирующее устройство и блок управления, входы которых связаны с органом управления двигателем и датчиком числа оборотов его вала, а выход - с топливодозирующим устройством, причем поршни размещены с возможностью перекрытия перепускных и выпускных окон, отличающийся тем, что он снабжен рычагами, связанными с шарнирами сочлененных шатунов, выполненных в виде двух частей, соединенных шарнирами, приводами осей качания рычагов, выполненными с возможностью перемещения последних по прямым линиям, пересекающим оси цилиндров, датчиками детонации, температуры, оксидов азота, кислорода, положения поршней и положения осей качания рычагов, подключенными к дополнительным входам блока управления, дополнительный выход которого связан с приводами осей качания рычагов, а датчики оксидов азота и кислорода размещены в выпускной системе.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными датчиками кислорода, установленными в перепускных каналах и связанными с входами блока управления.

11. Двигатель по п. 9 или 10, отличающийся тем, что орган управления двигателем выполнен в виде педали акселератора и соединен с блоком управления через контроллер.

12. Двигатель по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что он выполнен из отдельных одноцилиндровых, автономно работающих модулей, расположенных в общем корпусе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16