2235214 - Способ работы двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Способ работы двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Реферат

Изобретение относится к моторостроению, а именно к способу работы двигателя внутреннего сгорания, и может быть применено в моторостроении автомобильной промышленности и других отраслях народного хозяйства, где используются двигатели внутреннего сгорания для привода мобильных средств и стационарных установок. Технический результат заключается в возможности создания двигателя, работающего на многих сортах жидкого и газообразного топлива, в том числе и на низкосортном, и при этом обеспечивается полное сгорание топлива и высокая экологическая чистота выхлопных газов. Согласно изобретению, способ работы двигателя внутреннего сгорания осуществляется в двигателе, имеющем компрессорную камеру, камеру сгорания и рабочую камеру. В компрессорной камере двигателя впускают, сжимают и нагнетают заряд сжатого воздуха или горючей смеси через открытый впускной клапан в камеру сгорания. В камере сгорания принимают или создают горючую смесь, воспламеняют ее и через открытый выпускной клапан камеры сгорания выпускают горящие газы в рабочую камеру. Горящие газы в процессе горения приводят в действие механизм вращения вала двигателя. Затем выхлопные газы из рабочей камеры выпускают в атмосферу. Двигатель может включать в себя одну или несколько камер сгорания. При этом в двигателе с несколькими камерами сгорания из компрессорной камеры заряд сжатого воздуха или горючей смеси нагнетается поочередно в несколько камер сгорания, где принятую в камеру сгорания или созданную в камере сгорания горючую смесь воспламеняют при закрытых впускном и выпускном клапанах и осуществляют фазу горения при постоянном объеме. Затем горящие газы выпускают поочередно из каждой камеры сгорания в рабочую камеру. В рабочей камере в процессе рабочего хода протекает фаза горения горючей смеси при увеличении совокупного объема камеры сгорания и рабочей камеры при снижении давления и температуры горящих газов. В двигателе, включающем одну камеру сгорания, ее продувают и заряжают сжатым зарядом. Принятую или созданную в камере сгорания горючую смесь воспламеняют при закрытом впускном и выпускном клапанах и осуществляют фазу горения при постоянном объеме. Затем выпускают газы из камеры сгорания в рабочую камеру, в которой в процессе рабочего хода протекает фаза горения смеси при увеличении совокупного объема камеры сгорания и рабочей камеры, при снижении давления и температуры горящих газов. 2 н.п. ф-лы, 10 ил., 5 табл.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, описанный в патенте США №2315011 от 30 марта 1943 года. Он предложен для двигателя, работающего по схеме параллельного возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, изображенной на схеме фиг.1. Рабочий процесс этого двигателя представлен в циклограмме №1, табл.1.

Условные обозначения для схем и циклограмм двигателей внутреннего сгорания:

1, 2, 10, 11, 12, 20, 21, 22 - клапаны;

31, 32 - компрессорно-расширительные камеры;

40 - компрессорная камера;

50 - рабочая камера;

60, 61, 62 - камеры воспламенения;

70, 71, 72 - камеры сгорания.

Рабочий процесс совершается поэтапно в трех специализированных камерах: компрессорной камере 40, камере воспламенения 60 и рабочей или расширительной камере 50. Компрессорная камера впускает через клапан 1 и нагнетает заряд сжатого воздуха или горючей смеси через клапан 11 в камеру воспламенения. В камере воспламенения принимается или создается горючая смесь, воспламеняется и превращается в горящие газы. Горящие газы без задержки выпускаются через клапан 21 в рабочую камеру, где приводят в действие механизм вращения вала двигателя, после чего в качестве выхлопных газов через клапан 2 выбрасываются в атмосферу.

К основным недостаткам данного способа работы двигателя относится короткий период экстенсивного горения топлива в совокупном объеме камеры воспламенения и рабочей камеры при увеличивающемся объеме горящих газов, при снижающихся давлении и температуре, что ведет к неполному сгоранию топлива и потере мощности. Выпуск выхлопных газов в атмосферу при таком цикле горения осуществляется с большим содержанием остатков несгоревшего топлива и продуктов его полураспада. Такой характер экстенсивного горения топлива имеет место у всех современных поршневых двигателей внутреннего сгорания со всеми вышеуказанными недостатками.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, изложенный в патенте ФРГ №925323 от 17 марта 1955 года. Схема такого двигателя показана на фиг.2, а общий рабочий процесс, отражающий способ работы этого двигателя, описан в циклограмме №2, табл.2. Он разработан для роторного двигателя, работающего по схеме, две камеры которого 31 и 32 попеременно являются то компрессорной, то рабочей или расширительной камерой, и двух камер воспламенения 61 и 62, их соединяющих.

Ротор первой рабочей или компрессорно-расширительной камеры 31 вращается под воздействием горячих рабочих газов, а другой стороной нагнетает горючую смесь через клапан 11 в первую камеру воспламенения 61, где при закрытых впускном клапане 11 и выпускном клапане 21 происходит воспламенение горючей смеси и без задержки выпуск через выпускной клапан 21 горящих газов во вторую рабочую камеру 32. Ротор второй рабочей камеры 32 под воздействием горящих газов вращается и нагнетает другой стороной горючую смесь во вторую камеру воспламенения 62. Из нее горящие газы поступают в первую рабочую камеру. Эти циклы вновь непрерывно повторяются. Система газовых потоков регулируется клапанами в автоматическом режиме. Впуск заряда горючей смеси происходит через клапаны 1 и 2, а выброс выхлопных газов происходит через клапаны 10 и 20.

Основным недостатком данного способа работы двигателя - малый период экстенсивного горения топлива в камере воспламенения и рабочей камере при увеличивающемся объеме и снижении давления и температуры, а следовательно, неполное сгорание топлива, снижение мощности двигателя и коэффициента полезного действия, выброс в атмосферу экологически нечистых выхлопных газов. В этом отношении он не отличается от способа работы современных поршневых и роторных двигателей. Применение данного способа к работе двигателя с возвратно-поступательным движением поршней в цилиндрах невозможно.

Основной задачей настоящего изобретения является разработка способа работы двигателя внутреннего сгорания различных конструкций и типов, который позволит создать двигатель, работающий на многих сортах жидкого и газообразного топлива, в том числе низкосортного дешевого, и при этом обеспечить полное сгорание топлива и высокую экологическую чистоту выхлопных газов.

Данная задача решается с помощью увеличения времени горения горючей смеси и за счет внедрения фазы длительного интенсивного горения в замкнутом постоянном объеме камеры сгорания при постоянно высоких возрастающих параметрах давления и температуры.

Решение данной задачи возможно при применении способа работы много камерного двигателя внутреннего сгорания с совмещенными циклами. Предлагается разделение функций между компрессорной камерой, рабочей камерой и камерой или камерами сгорания. Каждая камера, узлы и системы двигателя выполняют конкретный вид работы или процесс и имеют свой цикл. Последовательное сочетание в определенном порядке указанных процессов и циклов создает общий совокупный процесс работы двигателя с совмещенными циклами.

Разделение функций между отдельными элементами любой технической системы, их глубокая специализация и кооперация, являются естественным и эффективным способом совершенствования этой системы.

Согласно изобретению, способ работы двигателя внутреннего сгорания осуществляется в двигателе, имеющем компрессорную камеру, камеру сгорания и рабочую камеру. В его компрессорной камере впускают, сжимают и нагнетают заряд сжатого воздуха или горючей смеси через открытый впускной клапан в камеру сгорания. В камере сгорания принимают или создают горючую смесь, воспламеняют ее и через открытый выпускной клапан камеры сгорания выпускают горящие газы в рабочую камеру. Горящие газы в процессе горения приводят в действие механизм вращения вала двигателя. Затем выхлопные газы из рабочей камеры выпускают в атмосферу. Двигатель может включать в себя одну или несколько камер сгорания. При этом в двигателе с несколькими камерами сгорания из компрессорной камеры заряд сжатого воздуха или горючей смеси нагнетается поочередно в несколько камер сгорания, где принятую в камеру сгорания или созданную в камере сгорания горючую смесь воспламеняют при закрытых впускном и выпускном клапанах и осуществляют фазу горения при постоянном объеме. Затем горящие газы выпускают поочередно из каждой камеры сгорания в рабочую камеру. В рабочей камере в процессе рабочего хода протекает фаза горения горючей смеси при увеличении совокупного объема камеры сгорания и рабочей камеры, при снижении давления и температуры горящих газов. В двигателе, включающем одну камеру сгорания, ее продувают и заряжают сжатым зарядом. Принятую или созданную в камере сгорания горючую смесь воспламеняют при закрытом впускном и выпускном клапанах и осуществляют фазу горения при постоянном объеме. Затем выпускают газы из камеры сгорания в рабочую камеру, в которой в процессе рабочего хода протекает фаза горения смеси при увеличении совокупного объема камеры сгорания и рабочей камеры, при снижении давления и температуры горящих газов.

Предлагается способ работы двигателя внутреннего сгорания, достаточно универсальный и пригодный для двигателей с возвратно-поступательным движением поршней и роторных двигателей. Мы предлагаем для примера несколько различных конструктивных схем двигателя, изображенных на фиг.3, 4 и 5, имеющих различные рабочие процессы, отраженные в представленных циклограммах №№3, 4 и 5 в табл.3-5 соответственно. Описание предлагаемого способа работы и рабочих процессов, протекающих в двигателях, мы будем проводить по вышеуказанным схемам и циклограммам.

По предлагаемому способу работы двигателя рабочий процесс протекает поочередно в трех видах специализированных камер: компрессорной камере 40, в одной (фиг.3) или нескольких (фиг.4 и 5) камерах сгорания 70 или 71, 72 и рабочей камере 50. Компрессорная камера выполняет функции впуска через клапан 1 (фиг.3 и 4), сжатия и нагнетания через клапан 11 в одну (фиг.3) или поочередно в несколько камер сгорания через клапаны 11 и 12 (фиг.4 и 5) заряда воздуха для двигателя дизельного типа или горючей смеси для двигателя с принудительным зажиганием. Камеры сгорания оборудованы впускным клапаном 11 (фиг.3), 11 и 12 (фиг.4 и 5) и выпускным клапаном 21 (фиг.3), 21 и 22 (фиг.4 и 5). Они могут быть оборудованы по выбору форсункой, инжектором, форкамерой, свечой зажигания и другими средствами. В камере сгорания поступившая горючая смесь или сжатый воздух после впрыска топлива, превратившийся в горючую смесь, воспламеняется и происходит длительный процесс интенсивного начального основного горения смеси при закрытом впускном клапане 11 (фиг.3), 11 или 12 (фиг.4, 5) и выпускном клапане 21 (фиг.3), 21 или 22 (фиг.4, 5) при высоком возрастающем давлении и высокой возрастающей температуре. Продолжительность этой фазы горения горючей смеси зависит от количества камер сгорания, находящихся в мини-блоке с компрессорной и рабочей камерами. Чем больше камер сгорания, тем продолжительнее эта фаза интенсивного горения и больше возможности полного сгорания даже низкосортного топлива. Фаза интенсивного горения смеси прекращается с открытием выпускного клапана камеры сгорания 21 (фиг.3), 21 или 22 (фиг.4, 5) и выпуска горящей смеси в рабочую камеру, в результате чего начинается фаза экстенсивного горения смеси. Фаза экстенсивного горения горючей смеси протекает при возрастающем совокупном объеме камеры сгорания и рабочей камеры при снижающемся давлении и снижающейся температуре. Из камеры сгорания (фиг.3) или из каждой камеры сгорания (фиг.4, 5) горящие газы поочередно выпускаются в общую рабочую камеру и приводят в действие механизм вращения вала двигателя. В рабочей камере остатки несгоревшего топлива в экстенсивно горящих газах продолжают окисляться до выброса в атмосферу через клапан 2 (фиг.3 и 4) в качестве выхлопных газов с высокой степенью их экологической чистоты.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания лучше и нагляднее всего характеризует развернутая индикаторная диаграмма.

Индикаторная диаграмма способов работы двигателей-прототипов (по параметрам давление - обороты вала) представлена на фиг.6. Она практически не отличается от индикаторных диаграмм современных поршневых двигателей, несмотря на то, что общий рабочий процесс протекает не в одной рабочей камере, а поочередно в трех специализированных камерах: компрессорной 40, воспламенения 60, рабочей 50.

Процесс впуска заряда протекает в компрессорной камере от точки 0 до точки 1. Сжатие и нагнетание заряда протекает в компрессорной камере и камере воспламенения от точки 1 до точки 2. Воспламенение заряда и начальное горение - от точки 2 до точки 3, основное его горение - от точки 3 до точки 4, и догорание заряда - от точки 4 до точки 5, происходит в камере воспламенения и рабочей камере во время рабочего хода. Выпуск выхлопных газов из рабочей камеры происходит от точки 5 до точки 6.

Индикаторные диаграммы двигателей разных схем (фиг.3, 4, 5) с различными циклограммами №№3, 4, 5, с одной и двумя камерами сгорания в одном мини-блоке с компрессорной и рабочей камерами, работающих по предлагаемому способу, представлены соответственно на фиг.7, 8, 9. На фиг.10 представлена индикаторная диаграмма для двигателя с тремя камерами сгорания в мини-блоке. Они имеют определенное сходство с индикаторными диаграммами двигателей, работающих по способам-прототипам.

Несущественная отличительная особенность индикаторной диаграммы двигателя с одной камерой сгорания (фиг.7) - наличие форсированного процесса продувки и зарядки камеры сгорания сжатым зарядом от точки 1’ до точки 2 с одновременным сбросом давления в камере сгорания и рабочей камере от точки 4’ до точки 5.

Основная существенная отличительная особенность индикаторных диаграмм (фиг.7, 8, 9, 10) двигателей, работающих по предлагаемому способу - это наличие процесса или фазы длительного интенсивного начального и основного горения заряда в замкнутой камере сгорания при постоянно высоких параметрах давления и температуры от точки 2 до точки 4.

На процесс сгорания топлива в равной степени и пропорционально влияют объем грящей горючей смеси - О, высокие параметры давления - Д и температуры газов - Т и продолжительность процесса горения - В. Простой расчет показывает, что условия - У, а следовательно, и результаты сгорания топлива при одной, двух и трех камерах сгорания в моноблоке двигателя, работающего по предложенному способу, улучшаются во многие десятки раз по сравнению с существующими двигателями и двигателями, работающими по способам-прототипам:

Сжигание горючей смеси в замкнутых камерах сгорания делает двигатель нечувствительным к детонации топлива. Нагрузка на шатунно-поршневую группу или ротор и вал двигателя становится плавной, а их ресурс эксплуатации увеличивается. Становится возможным применение форкамерно-факельного зажигания обедненной смеси, высокочастотного генератора при обогащенных смесях, впрыска воды в конце фазы интенсивного горения для повышения давления рабочих газов и снижения температурного нагрева двигателя, а также другие мероприятия, повышающие эффективность двигателя, его мощность, коэффициент полезного действия, экологическую чистоту выхлопных газов.

Предложенный способ сохраняет полностью без изменения экстенсивное сжигание топлива в рабочей камере, как это имеет место у всех современных эксплуатируемых двигателей и в способах-прототипах. Но в отличие от них он имеет дополнительно еще одну более эффективную фазу интенсивного сжигания топлива в камере сгорания.

Фаза интенсивного сжигания топлива не только снижает его расход, но и многократно снижает выброс окиси углерода и азота, бензаперена и альдегидов, несгоревших углеводородов - сажи и дыма. Она позволяет отказаться от использования сложных и дорогих дожигателей, фильтров, уловителей и нейтрализаторов выхлопных газов.

Появляется возможность значительного повышения степени сжатия и дальнейшего увеличения числа оборотов, повышающих удельную мощность двигателя.

Современные двигатели внутреннего сгорания с четным числом поршней легко поддаются модернизации для работы по предложенному способу. Для этого требуется замена головки блока цилиндров на иную с камерами сгорания и изменения системы клапанов. Но еще больший эффект дает применение данного способа работы к роторно-поршневым двигателям, имеющим вдвое более длинные циклы рабочего процесса при одинаковом числе оборотов вала двигателя и другие преимущества.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, в компрессорной камере которого впускают, сжимают и нагнетают заряд сжатого воздуха или горючей смеси через открытый впускной клапан в камеру сгорания, где принимают или создают горючую смесь, воспламеняют ее, через открытый выпускной клапан камеры сгорания выпускают горящие газы в рабочую камеру, в которой они в процессе горения приводят в действие механизм вращения вала двигателя, а затем выхлопные газы из рабочей камеры выпускают в атмосферу, отличающийся тем, что из компрессорной камеры заряд сжатого воздуха или горючей смеси нагнетается поочередно в несколько камер сгорания, где принятую в камеру сгорания или созданную в камере сгорания горючую смесь воспламеняют при закрытых впускном и выпускном клапанах и осуществляют фазу горения при постоянном объеме, а затем горящие газы выпускают поочередно из каждой камеры сгорания в рабочую камеру, в которой в процессе рабочего хода протекает фаза горения горючей смеси при увеличении совокупного объема камеры сгорания и рабочей камеры, при снижении давления и температуры горящих газов.

2. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, имеющего компрессорную камеру, камеру сгорания и рабочую камеру, в компрессорной камере которого впускают, сжимают и нагнетают заряд сжатого воздуха или горючей смеси через открытый впускной клапан в камеру сгорания, где принимают или создают горючую смесь, воспламеняют ее, через открытый выпускной клапан камеры сгорания выпускают горящие газы в рабочую камеру, в которой они в процессе горения приводят в действие механизм вращения вала двигателя, а затем выхлопные газы из рабочей камеры выпускают в атмосферу, отличающийся тем, что камеру сгорания продувают и заряжают сжатым зарядом, принятую или созданную в камере сгорания горючую смесь воспламеняют при закрытом впускном и выпускном клапанах и осуществляют фазу горения при постоянном объеме, а затем выпускают газы из камеры сгорания в рабочую камеру, в которой в процессе рабочего хода протекает фаза горения смеси при увеличении совокупного объема камеры сгорания и рабочей камеры, при снижении давления и температуры горящих газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10

Способ работы двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Патент 2235214