Двигатель (варианты)

Двигатель (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию двигателей внутреннего сгорания. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию двигателя с расщепленным циклом, имеющего два поршня, причем один поршень используют для такта впуска и такта сжатия, а другой поршень используют для такта расширения (или рабочего такта) и такта выпуска, причем все четыре такта происходят за один оборот коленчатого вала. Механическая связь, которая оперативно (в рабочем состоянии) соединяет поршень расширения с коленчатым валом, обеспечивает период намного более медленного движения вниз поршня во время части периода сгорания, по сравнением с движением вниз того же самого поршня, имеющего шатун, шарнирно соединенный с коленчатым валом через постоянное соединение при помощи пальца.

Предпосылки к созданию изобретения

Двигатели внутреннего сгорания относятся к группе устройств, в которых реагенты сгорания, например, окислитель и топливо, а также продукты сгорания служат в качестве рабочих жидкостей (рабочих тел) для двигателя. Основные компоненты двигателя внутреннего сгорания хорошо известны сами по себе и включают в себя блок цилиндров двигателя, головку блока цилиндров, цилиндры, поршни, клапаны, коленчатый вал и распредвал (распределительный вал). Головка блока цилиндров, цилиндры и верхние части поршней типично образуют камеры сгорания, в которые вводят топливо и окислитель (например, воздух) и в которых происходит сгорание. Такой двигатель получает свою энергию за счет теплоты, которая выделяется в ходе сгорания не химически активных рабочих жидкостей, например смеси топлива с окислителем. Этот процесс протекает внутри двигателя и является частью термодинамического цикла устройства. Во всех двигателях внутреннего сгорания полезную работу получают от горячих, газообразных продуктов сгорания, воздействующих непосредственно на движущиеся поверхности двигателя, такие как верхняя часть или головка поршня. Обычно, возвратно-поступательное движение поршней преобразуется при помощи шатунов во вращательное движение коленчатого вала.

Двигатели внутреннего сгорания (IC) могут быть подразделены на двигатели с искровым зажиганием (SI) и с компрессионным воспламенением (CI). SI двигатели, то есть типичные бензиновые двигатели, используют искровой разряд для воспламенения топливовоздушной смеси, в то время как теплота сжатия воспламеняет топливовоздушную смесь в CI двигателях, то есть в типичных дизельных двигателях.

Чаще всего применяемым двигателем внутреннего сгорания является четырехтактный двигатель, базовая концепция которого остается неизменной вот уже в течение более 100 лет. Это объясняется его простотой и выдающимися характеристиками в качестве первичного источника энергии на наземном транспорте и в различных отраслях промышленности. В четырехтактном двигателе мощность получают за счет процесса сгорания в четырех отдельных движениях (тактах) единственного поршня. Таким образом, четырехтактный двигатель определен здесь как двигатель, для которого требуются четыре полных такта одного из нескольких поршней для получения одного такта расширения (или рабочего такта), то есть для получения каждого такта, в котором мощность передается на коленчатый вал.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1-4, на которых показан примерный вариант известного ранее традиционного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, обозначенного в общем виде позицией 10. Двигатель 10 содержит блок 12 цилиндров двигателя, имеющий цилиндр 14, проходящий насквозь через него. Цилиндр 14 имеет такой размер, который позволяет ввести в него совершающий возвратно-поступательное движение поршень 16. К верхней части цилиндра 14 прикреплена головка 18 блока цилиндров, которая содержит впускной клапан 20 и выпускной клапан 22. Дно головки 18 блока цилиндров, цилиндр 14 и верхняя часть (или головка 24) поршня 16 образуют камеру 26 сгорания. Во время такта впуска (фиг.1) топливовоздушная смесь поступает через впускной канал 28 и впускной клапан 20 в камеру 26 сгорания, в которой смесь воспламеняется при помощи свечи 30 зажигания. Продукты сгорания позднее выпускаются через выпускной клапан 22 и выпускной канал 32 в такте выпуска (фиг.4). Шатун 34 шарнирно прикреплен на его верхнем конце 36 к поршню 16. Коленчатый вал 38 содержит механически смещенный участок, называемый кривошипом (коленом) 40 коленчатого вала, который шарнирно прикреплен к нижнему концу 42 шатуна 34. Механическая связь шатуна 34 с поршнем 16 и с коленом 40 коленчатого вала служит для преобразования возвратно-поступательного движения (что показано стрелкой 44) поршня 16 во вращательное движение (что показано стрелкой 46) коленчатого вала 38. Коленчатый вал 38 механически связан (не показано) с впускным распредвалом 48 и с выпускным распредвалом 50, которые точно управляют открыванием и закрыванием впускного клапана 20 и выпускного клапана 22 соответственно. Цилиндр 14 имеет осевую линию (ось поршень-цилиндр) 52, которая является также осевой линией возвратно-поступательного движения поршня 16. Коленчатый вал 38 имеет центр вращения (ось коленчатого вала) 54.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показано, что когда впускной клапан 20 открыт, поршень 16 сначала опускается (как это показано стрелкой 44) в такте впуска. Заданная масса воспламеняющейся смеси топлива (например, бензиновых паров) и воздуха всасывается в камеру 26 сгорания за счет созданного частичного вакуума. Поршень продолжает опускаться, пока он не дойдет до своей нижней мертвой точки (НМТ), то есть до той точки, в которой поршень наиболее удален от головки 18 блока цилиндров.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой показано, что когда оба впускной 20 и выпускной 22 клапаны закрыты, смесь сжимается, по мере того, как поршень 16 поднимается (что показано стрелкой 44) в такте сжатия. В конце этого такта при приближении к верхней мертвой точке (ВМТ), то есть к той точке, в которой поршень 16 наиболее близок к головке 18 блока цилиндров, объем смеси сжимается в этом варианте до одной восьмой его первоначального объема (за счет степени сжатия 8:1). Когда поршень приближается к ВМТ, создается искровой разряд в зазоре свечи зажигания (30), который инициирует сгорание.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, на которой показан следующий рабочий такт, когда оба клапана 20 и 22 все еще закрыты. Поршень 16 толкается в направлении вниз (что показано стрелкой 44), в направлении нижней мертвой точки (НМТ), за счет расширения газообразных продуктов сгорания, которые оказывают давление на головку 24 поршня 16. Начало сгорания в традиционном двигателе 10 обычно происходит несколько раньше того момента, когда поршень 16 доходит до ВМТ, для того, чтобы повысить кпд. Когда поршень 16 доходит до ВМТ, имеется существенный объем 60 зазора между дном головки 18 блока цилиндров и головкой 24 поршня 16.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4, на которой показано, что во время такта выпуска поднимающийся поршень 16 принудительно выпускает отработанные продукты сгорания через открытый выпускной (или выхлопной) клапан 22. После этого описанный цикл повторяется. Для этого известного четырехтактного двигателя 10 четыре такта каждого поршня 16, то есть впускной такт, такт сжатия, такт расширения и выпускной такт, а также два оборота коленчатого вала 38 требуются для того, чтобы завершить цикл, то есть создать один рабочий такт.

Полный термодинамический кпд типичного четырехтактного двигателя 10 является проблемой, так как он составляет всего только около одной третьей (1/3). Таким образом, приблизительно 1/3 энергии топлива подводится к коленчатому валу в виде полезной работы, 1/3 теряется как отходящая теплота, и 1/3 теряется при выпуске.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.5, на которой показана альтернатива описанного выше традиционного четырехтактного двигателя, в виде четырехтактного двигателя с расщепленным циклом. Двигатель с расщепленным циклом раскрыт в целом в патенте США 6543225, который целиком включен в данное описание в качестве ссылки.

Примерный вариант двигателя с расщепленным циклом обозначен в общем виде позицией 70. Двигатель 70 с расщепленным циклом заменяет два смежных цилиндра традиционного четырехтактного двигателя комбинацией одного цилиндра 72 сжатия и одного цилиндра 74 расширения. Эти два цилиндра 72, 74 будут выполнять свои соответствующие функции в течение одного оборота коленчатого вала 76. Впускной заряд всасывается в цилиндр 72 сжатия через типичные клапаны 78 тарельчатого типа. Поршень 73 цилиндра сжатия будет сжимать заряд и направлять заряд через переходной канал 80, который действует как впускной канал для цилиндра 74 расширения. Стопорный клапан 82 на впуске используют для исключения обратного потока из переходного канала 80. Клапан (клапаны) 84 - на выпуске переходного канала 80 управляют поступлением потока сжатого впускного заряда в цилиндр 74 расширения. Свеча 86 зажигания будет срабатывать вскоре после поступления впускного заряда в цилиндр 74 расширения, причем результирующее сгорание будет перемещать вниз поршень 75 цилиндра расширения. Выхлопные газы будут выпускаться из цилиндра расширения через тарельчатые клапаны 88.

В концепции двигателя с расщепленным циклом геометрические параметры двигателя (то есть диаметр цилиндра, ход поршня, длина шатуна, степень сжатия и т.п.) для цилиндров сжатия и расширения главным образом не зависят друг от друга. Например, кривошипы 90, 92 для каждого цилиндра могут иметь различные радиусы и могут быть смещенными по фазе друг от друга, причем верхняя мертвая точка (ВМТ) поршня 75 цилиндра расширения может достигаться раньше ВМТ поршня 73 цилиндра сжатия. Эта независимость позволяет двигателю с расщепленным циклом потенциально обеспечивать более высокие уровни кпд, чем ранее описанные здесь типичные четырехтактные двигатели.

Однако в двигателе с расщепленным циклом имеется множество геометрических параметров и комбинаций параметров. Поэтому необходима оптимизация этих параметров, чтобы максимально повысить кпд двигателя.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с настоящим изобретением обеспечиваются преимущества по сравнению с известным уровнем техники за счет создания двигателя с расщепленным циклом, с механической связью, оперативно соединяющей поршень расширения с коленчатым валом, чтобы создать период намного более медленного движения вниз поршня, или задержку, по сравнению с движением вниз этого же самого поршня, имеющего шатун, шарнирно соединенный с коленчатым валом через постоянное соединение при помощи пальца. Это замедление движения приводит к более высокому пиковому давлению в цилиндре расширения во время сгорания, без повышения степени расширения в цилиндре расширения или пикового давления в цилиндре сжатия. Таким образом, можно ожидать, что такой двигатель с расщепленным циклом обеспечит повышенный термический кпд.

Эти и другие преимущества достигнуты в настоящем изобретении за счет создания двигателя следующей конструкции. Он имеет коленчатый вал, имеющий кривошип, причем коленчатый вал вращается относительно оси коленчатого вала. Поршень сжатия введен со скольжением в цилиндр сжатия и оперативно (в рабочем состоянии) соединен с коленчатым валом, так что поршень сжатия совершает возвратно-поступательное движение в ходе такта впуска и такта сжатия четырехтактного цикла, во время одного оборота коленчатого вала. Поршень расширения введен со скольжением в цилиндр расширения. Шатун шарнирно соединен с поршнем расширения. Механическая связь соединяет кривошип с шатуном с возможностью вращения относительно оси шатун/кривошип, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в ходе рабочего такта и такта выпуска четырехтактного цикла, во время того же самого оборота коленчатого вала. За счет механической связи образуется траектория, по которой движется ось шатун/кривошип вокруг оси коленчатого вала. Расстояние между осью шатун/кривошип и осью коленчатого вала в любой точке траектории определяет эффективный радиус кривошипа. Траектория имеет первую переходную область от первого эффективного радиуса кривошипа ко второму эффективному радиусу кривошипа, через которую ось шатун/кривошип проходит в течение по меньшей мере части акта сгорания в цилиндре расширения.

В соответствии с альтернативным примерным вариантом осуществления настоящего изобретения указанная траектория начинается на заданные градусы СА (градусы угла поворота коленчатого вала) после верхней мертвой точки, причем первый эффективный радиус кривошипа меньше, чем второй эффективный радиус кривошипа.

В соответствии с другим альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается двигатель, который содержит коленчатый вал, имеющий кривошип, причем кривошип имеет выполненный в нем паз, при этом коленчатый вал вращается относительно оси коленчатого вала. Поршень сжатия введен со скольжением в цилиндр сжатия и оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень сжатия совершает возвратно-поступательное движение в ходе такта впуска и такта сжатия четырехтактного цикла, во время одного оборота коленчатого вала. Поршень расширения введен со скольжением в цилиндр расширения. Шатун шарнирно соединен с поршнем расширения. Палец кривошипа соединяет кривошип с шатуном с возможностью вращения относительно оси шатун/кривошип, чтобы позволить поршню расширения совершать возвратно-поступательное движение в ходе рабочего такта и такта выпуска четырехтактного цикла, во время того же самого оборота коленчатого вала. Палец кривошипа введен со скольжением в паз кривошипа, что позволяет иметь радиальное движение пальца кривошипа относительно коленчатого вала. Копир прикреплен к стационарной части двигателя. Копир содержит дорожку для пальца кривошипа, в которую заходит палец кривошипа. Дорожка для пальца кривошипа захватывает палец кривошипа с возможностью его перемещения, так что ось шатун/кривошип направляется по траектории относительно оси коленчатого вала.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показан известный традиционный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания во время такта впуска.

На фиг.2 схематично показан известный двигатель фиг.1 во время такта сжатия.

На фиг.3 схематично показан известный двигатель фиг.1 во время рабочего такта.

На фиг.4 схематично показан известный двигатель фиг.1 во время такта выпуска.

На фиг.5 схематично показан известный ранее четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с расщепленным циклом.

На фиг.6А схематично показан примерный вариант базовой модели четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением, во время такта впуска.

На фиг.6В схематично показан примерный вариант модели с задержкой четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением, во время такта впуска.

На фиг.7А показан вид спереди, с увеличением, связи шатун/кривошип поршня расширения с коленчатым валом в модели двигателя с задержкой фиг.6В.

На фиг.7В показан вид сбоку, с увеличением, связи шатуна/кривошип поршня расширения с коленчатым валом в модели двигателя с задержкой фиг.6В.

На фиг.8 схематично показана модель с задержкой двигателя с расщепленным циклом фиг.6В во время частичного сжатия такта сжатия.

На фиг.9 схематично показана модель с задержкой двигателя с расщепленным циклом фиг.6В во время полного сжатия такта сжатия.

На фиг.10 схематично показана модель с задержкой двигателя с расщепленным циклом фиг.6В во время начала акта сгорания.

На фиг.11 схематично показана модель с задержкой двигателя с расщепленным циклом фиг.6В во время рабочего такта.

На фиг.12 схематично показана модель с задержкой двигателя с расщепленным циклом фиг.6В во время такта выпуска.

На фиг.13 схематично показана диаграмма движения пальца кривошипа для модели двигателя с задержкой фиг.6В.

На фиг.14 показан график движения пальца кривошипа для базовой модели двигателя фиг.6А и для модели двигателя с задержкой фиг.6В.

На фиг.15 показан график движения поршня расширения для базовой модели двигателя фиг.6А и для модели двигателя с задержкой фиг.6В.

На фиг.16 показан график скорости поршня расширения для базовой модели двигателя фиг.6А и для модели двигателя с задержкой фиг.6В.

На фиг.17А показан график зависимости давления от объема для базовой модели двигателя фиг.6А.

На фиг.17В показан график зависимости давления от объема для модели двигателя с задержкой фиг.6В.

На фиг.18 показан график давления в цилиндре расширения в зависимости от угла поворота коленчатого вала для базовой модели двигателя фиг.6А и для модели двигателя с задержкой фиг.6В.

Подробное описание изобретения

I. Краткий обзор

Фирма Scuderi Group, LLC выполнила следующий компьютеризированный анализ. Первый компьютеризированный анализ предусматривает конструирование компьютерной модели, которая отображает различные варианты двигателя с расщепленным циклом, для сравнения с компьютерной моделью традиционного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, имеющего такую же захваченную массу в цикле. Завершающий отчет по этому первому анализу (SwRI® Project 0305932, dated June 24, 2003, titled "Evaluation Of Split-Cycle Four-Stroke Engine Concept") (Оценка концепции четырехтактного двигателя с расщепленным циклом) полностью включен в данное описание в качестве ссылки. Первый анализ позволил выявить специфические параметры (например, степень сжатия, степень расширения, время открытого состояния переходного клапана, фазовый угол и перекрытие между временем открытого состояния переходного клапана и актом сгорания), которые, если их применить в надлежащей конфигурации, оказывают существенное влияние на кпд двигателя с расщепленным циклом.

Второй компьютеризированный анализ представляет собой сравнение модели двигателя с расщепленным циклом, с параметрами, оптимизированными в первом анализе, то есть базовой модели, с двигателем с расщепленным циклом, имеющим эти же самые оптимизированные параметры, плюс уникальное движение поршня, то есть с моделью двигателя с задержкой. Эта модель с задержкой предназначена для отображения упрощенного движения, которое может быть достигнуто при помощи механических устройств, аналогичных тем, которые описаны в указанном выше патенте. Модель с задержкой обеспечивает возрастание номинального термического кпд на 4.4 процента по сравнению с базовой моделью (Эффекты трения в этом анализе не рассматриваются). Завершающий отчет по этому второму анализу (SwRI® Project 0305932, dated July 11, 2003, titled "Evaluation Of Dwell Piston Motion For Split-Cycle Four-Stroke Engine Concept, Phase 801") (Оценка концепции четырехтактного двигателя с расщепленным циклом, с замедлением движения поршня).

(В этом отчете, выигрыши в эффективности (повышение, увеличение эффективности), выраженные в "процентах" (%), указывают процентное изменение (дельта) значения или изменение эффективности, поделенное на исходную эффективность. Выигрыши в эффективности, выраженные в "процентных точках" (или "пунктах") отображают действительные изменения термического кпд на это количество, или просто отображают изменения термического кпд от одной конфигурации к другой. Для базового термического кпд, составляющего 30%, рост на 33% термического кпд соответствует 3 пунктам или возрастанию на 10%).

Основное термодинамическое различие между базовой моделью и моделью с задержкой заключается в движении поршня, которое больше не ограничено движением кривошипно-ползунного механизма. Это движение предназначено для отображения того, что может быть достигнуто при помощи связей между шатуном и кривошипом поршня расширения. В базовой модели движение отображает движение кривошипа, который шарнирно соединен с шатуном (то есть имеется связь шатун/кривошип) при помощи стандартного фиксированного пальца кривошипа, причем радиус кривошипа (то есть расстояние между осью шатун/кривошип и осью коленчатого вала) является главным образом постоянным. Модель движения с задержкой требует другого (отличного) соединения между шатуном и кривошипом, чтобы получить уникальный профиль движения. Другими словами, палец кривошипа следует заменить механической связью, которая позволяет эффективному радиусу кривошипа совершать переход от первого меньшего радиуса ко второму большему радиусу, после того, как кривошип совершит поворот на заданные градусы угла поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки (ВМТ). Движение поршня в модели с задержкой имеет период намного более медленного движения вниз поршня расширения, во время части периода сгорания (то есть акта сгорания), относительно движения вниз поршня расширения в базовой модели.

За счет замедления движения вниз поршня силовой цилиндр будет иметь больше времени для накопления во время акта сгорания. Это позволяет создать более высокое пиковое давление в силовом цилиндре без повышения степени расширения в силовом цилиндре или пикового давления в цилиндре сжатия. За счет этого, полный термический кпд модели с задержкой двигателя с расщепленным циклом существенно возрастает, например, на величину около 4%.

II. Глоссарий

Для сведения предлагается следующий глоссарий акронимов и определений терминов, которые использованы в описании настоящего изобретения.

Отношение воздух/топливо: пропорция воздуха к топливу во впускном заряде.

Нижняя мертвая точка (НМТ): самое дальнее положение поршня от головки блока цилиндров, при котором получают самый большой объем камеры сгорания в цикле.

Угол поворота коленчатого вала (СА): угол поворота колена коленчатого вала, типично связанный с его положением при совмещении с проточкой цилиндра.

Палец кривошипа (или шатунная шейка): часть (деталь) коленчатого вала, которая вращается относительно осевой линии коленчатого вала, на которой прикреплена нижняя часть шатуна. В модели с задержкой, это в действительности может быть часть (деталь) шатуна вместо части коленчатого вала.

Шейка коленчатого вала: часть вращающегося коленчатого вала, которая вращается в подшипнике.

Кривошип базовой модели: щеки и палец кривошипа коленчатого вала, причем палец кривошипа поддерживает нижний конец шатуна.

Кривошип (или щеки кривошипа) модели с задержкой: в модели с задержкой, так как щеки кривошипа и палец кривошипа представляют собой отдельные детали, то приведенные в описании ссылки на кривошип коленчатого вала означают щеки кривошипа.

Длительность сгорания: в описании настоящего изобретения определена как интервал углов поворота коленчатого вала между точками 10% и 90% сгорания, от начала акта сгорания.

Акт сгорания: процесс сгорания топлива, типично в камере расширения двигателя.

Степень сжатия: отношение объема цилиндра сжатия в НМТ к объему цилиндра сжатия в ВМТ.

Закрывание переходного клапана (XVC).

Открывание переходного клапана (XVO).

Смещение цилиндра: линейное расстояние между осью проточки цилиндра и осью коленчатого вала.

Рабочий объем цилиндра (перемещаемый объем): определен как объем, который поршень перемещает (вытесняет) при своем движении от НМТ до ВМТ. Математически, если ход поршня определить как расстояние от НМТ до ВМТ, то рабочий объем цилиндра равен π/4 * диаметр проточки цилиндра² * величина хода.

Эффективный радиус кривошипа: мгновенное расстояние между осью вращения кривошипа (осью шатун/кривошип) и осью вала кривошипа. В базовой модели двигателя 100, эффективный радиус кривошипа для поршня расширения является главным образом постоянным, в то время как в модели с задержкой двигателя, эффективный радиус кривошипа является переменным для поршня расширения.

Закрывание выпускного клапана (EVC).

Открывание выпускного клапана (EVO).

Степень расширения: термин, эквивалентный степени сжатия, но для цилиндра расширения. Отношение объема цилиндра расширения в НМТ к объему цилиндра расширения в ВМТ.

Номинальная мощность: выходная мощность, отдаваемая (выделяемая) в верхней части поршня, ранее учета потерь на трение.

Номинальное среднее эффективное давление (IMEP): получают за счет интегрирования площади внутри P-dV кривой; также равно номинальному вращающему моменту двигателя, поделенному на рабочий объем цилиндров. На самом деле, все номинальные значения вращающего момента и мощности являются производными от этого параметра. Этот параметр отображает также постоянный уровень давления в ходе рабочего такта, который позволяет получить такую же выходную мощность двигателя, что и действительная кривая давления. Этот параметр может быть выражен как номинальное нетто давление (NIMEP) или номинальное брутто давление (GIMEP); однако, если специально не оговорено иное, подразумевают NIMEP.

Номинальный термический кпд (ITE): отношение номинальной выходной мощности к скорости ввода энергии топлива.

Закрывание впускного клапана (IVC).

Открывание впускного клапана (IVO).

Пиковое давление в цилиндре (РСР): максимальное давление, достигнутое внутри камеры сгорания во время цикла двигателя.

С искровым зажиганием (SI): относится к двигателю, в котором акт сгорания инициируется за счет электрической искры внутри камеры сгорания.

Верхняя мертвая точка (ВМТ): самое близкое положение к головке блока цилиндров, до которого поршень доходит в цикле; в этом положении обеспечивается самый малый объем камеры сгорания.

Фазировка ВМТ (которая также может быть выражена как фазовый угол между цилиндрами сжатия и расширения (см. позицию 172 на фиг.6)): смещение при вращении, в градусах, между кривошипами (коленами коленчатого вала) для двух цилиндров. Смещение ноль градусов означает, что кривошипы параллельны, в то время как смещение 180° означает, что они находятся на противоположных сторонах коленчатого вала (то есть один находится вверху, в то время как другой находится внизу).

Время открытого состояния клапана: интервал углов поворота коленчатого вала между моментом открывания клапана и моментом закрывания клапана.

Срабатывание клапана: процесс открывания и закрывания клапана для выполнения задачи.

III. Варианты двигателя с расщепленным циклом, полученные из второго компьютеризированного анализа

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.6А и 6В, на которых показаны примерные варианты базовой модели и модели с задержкой двигателей с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением, обозначенных соответственно позициями 100 и 101. Тот и другой двигатели 100 и 101 содержат блок 102 цилиндров двигателя, имеющий цилиндр 104 расширения (или силовой цилиндр) и цилиндр сжатия 106, проходящие насквозь через него. Коленчатый вал 108 установлен с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала 110 (идущей перпендикулярно к плоскости чертежа).

Блок 102 цилиндров двигателя представляет собой основной конструктивный элемент двигателей 100 и 101 и идет вверх от коленчатого вала 108 до соединения с головкой 112 блока цилиндров. Блок 102 цилиндров двигателя служит в качестве рамной конструкции двигателей 100 и 101, и обычно имеет опорную монтажную подушку, при помощи которой двигатель опирается на шасси (не показано). Блок 102 цилиндров двигателя обычно представляет собой отливку с соответствующими обработанными на станке поверхностями и резьбовыми отверстиями для крепления головки 112 блока цилиндров и других узлов двигателей 100 и 101.

Цилиндры 104 и 106 имеют отверстия главным образом круглого поперечного сечения и идут насквозь через верхнюю часть блока 102 цилиндров двигателя. Диаметр цилиндров 104 и 106 известен как диаметр проточки цилиндра. Внутренние стенки цилиндров 104 и 106 расточены и хонингованы, так что они образуют гладкие точные опорные поверхности, позволяющие соответственно вводить (со скольжением) первый поршень 114 расширения (или силовой поршень) и второй поршень 116 сжатия.

Поршень 114 расширения совершает возвратно-поступательное движение вдоль первой оси 113 поршень - цилиндр расширения, а поршень сжатия 116 совершает возвратно-поступательное движение вдоль второй оси 115 поршень - цилиндр сжатия. В этих вариантах цилиндры 104 и 106 расширения и сжатия смещены относительно оси 110 коленчатого вала. То есть первая и вторая оси 113 и 115 поршень-цилиндр проходят с противоположных сторон оси 110 коленчатого вала, без пересечения оси 110 коленчатого вала. Однако специалисты легко поймут, что двигатели с расщепленным циклом без смещения оси поршень-цилиндр не выходят за рамки настоящего изобретения.

Поршни 114 и 116 обычно представляют собой цилиндрические отливки или поковки из стали или сплава алюминия. Верхние закрытые концы, то есть верхние части поршней 114 и 116 расширения и сжатия образуют соответственно первую и вторую головки 118 и 120. Внешние поверхности поршней 114, 116 обычно обработаны на станке таким образом, чтобы плотно входить в соответствующую проточку цилиндра и обычно имеют канавки для введения поршневых колец (не показаны), которые уплотняют зазор между поршнями и стенками цилиндра.

Головка 112 блока цилиндров содержит газовый переходной канал 122, соединяющий первый и второй цилиндры 104 и 106. Переходной канал содержит впускной стопорный клапан 124, расположенный на концевом участке переходного канала 122 вблизи от цилиндра 106 сжатия. Предусмотрен также тарельчатый выпускной переходной клапан 126, который расположен на противоположном концевом участке переходного канала 122 вблизи от верхней части цилиндра расширения 104. Стопорный клапан 124 и переходной клапан 126 образуют между собой напорную камеру 128. Стопорный клапан 124 позволяет протекать только в одном направлении сжатому газу из цилиндра 106 сжатия в напорную камеру 128. Переходной клапан 126 позволяет протекать сжатому газу из напорной камеры 128 в цилиндр 104 расширения. Несмотря на то, что показаны стопорный клапан и клапан тарельчатого типа соответственно как впускной стопорный клапан и выпускной переходной клапаны 124 и 126, вместо них может быть использован клапан любой конструкции, подходящий для данного применения, например, впускным клапаном 124 также может быть клапан тарельчатого типа.

Головка 112 блока цилиндров также содержит впускной клапан 130 тарельчатого типа, установленный выше верхней части цилиндра 106 сжатия, и выпускной клапан 132 тарельчатого типа, установленный выше верхней части цилиндра 104 расширения. Клапаны 126, 130 и 132 тарельчатого типа обычно имеют металлическую ось (или шток) 134 с диском 136 на одном конце, позволяющим перекрывать отверстие клапана. Другие концы штоков 134 тарельчатых клапанов 126, 130 и 132 механически соединены с соответствующими распредвалами 138, 140 и 142. Распредвалы 138, 140 и 142 обычно представляют собой круглый стержень с выступами главным образом овальной формы, расположенный внутри блока 102 цилиндров двигателя или в головке 112 блока цилиндров.

Распредвалы 138, 140 и 142 механически соединены с коленчатым валом 108 обычно при помощи шестерни, ремня или цепи (не показано). Когда коленчатый вал 108 побуждает распредвалы 138, 140 и 142 вращаться, то выступы на распредвалах 138, 140 и 142 побуждают клапаны 126, 130 и 132 открываться и закрываться в точные моменты времени в цикле двигателя.

Головка 120 поршня 116 сжатия, стенки цилиндра 106 сжатия и головка 112 блока цилиндров образуют камеру 144 сжатия для цилиндра 106 сжатия. Головка 118 поршня 114 расширения, стенки цилиндра 104 расширения и головка 112 блока цилиндров образуют отдельную камеру сгорания 146 для цилиндра 104 расширения. Свеча 148 зажигания расположена в головке 112 блока цилиндров над цилиндром 104 расширения и управляется при помощи устройства управления (не показано), которое точно задает момент времени воспламенения сжатой топливовоздушной смеси в камере сгорания 146.

Построение базовой модели двигателя 100 и модели с задержкой двигателя 101 отличается термодинамически в том, что касается движения поршня расширения. Это движение предназначено для отображения того, что может быть достигнуто при помощи связей между шатуном и кривошипом поршня расширения, как уже было упомянуто здесь выше. Поэтому связи шатун/кривошип для каждого двигателя 100 и 101 будут обсуждены отдельно.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.6А, на которой показана базовая модель двигателя с расщепленным циклом 100, которая содержит соответственно первый (шатун расширения) и второй (шатун сжатия) шатуны 150 и 152, которые шарнирно соединены на своих соответствующих верхних концах через поршневые пальцы 154 и 156 с поршнями 114 и 116 расширения и сжатия. Коленчатый вал 108 содержит пару механически смещенных участков, называемых соответственно первым (кривошип расширения) и вторым (кривошип сжатия) кривошипами 158 и 160, которые шарнирно соединены соответственно с нижними противоположными концами первого и второго шатунов 150, 152 через соответствующие пальцы 162 и 164 кривошипа. Механические связи шатунов 150 и 152 с поршнями 114, 116 и с кривошипами 158, 160 коленчатого вала служат для преобразования возвратно-поступательного движения поршней (показанного стрелкой 166 для поршня 114 расширения и стрелкой 168 для поршня 116 сжатия) во вращательное движение (показанное стрелкой 170) коленчатого вала 108.

Важно отметить, что, в отличие от модели с задержкой двигателя 101, радиус кривошипа для обоих поршней сжатия 116 и 114 расширения в базовой модели двигателя 100, то есть расстояние от центра до центра между пальцами 162, 164 кривошипа и осью 110 коленчатого вала, остается главным образом постоянным. Таким образом, траектория, по которой пальцы 162 и 164 кривошипов движутся вокруг оси 110 коленчатого вала в базовом двигателе 100, является главным образом круговой.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.6В, на которой показана связь шатун/кривошип поршня 116 сжатия с коленчатым валом 108 в модели с задержкой двигателя с расщепленным циклом 101, идентичная указанной связи для базового двигателя 100. Поэтому использованы одинаковые позиционные обозначения для аналогичных элементов в двух двигателях 100 и 101. Таким образом, двигатель 101 с задержкой содержит шатун 152 сжатия, который шарнирно прикреплен на его верхнем конце, через палец 156 поршня сжатия к поршню 116 сжатия. Коленчатый вал 108 имеет кривошип 160 сжатия, который шарнирно прикреплен к нижнему противоположному концу шатуна 152 сжатия, через палец кривошипа 164 сжатия. Таким образом, траектория, по которой движется палец 164 кривошипа вокруг оси 110 коленчатого вала, в двигателе 101 с задержкой является главным образом круговой.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.7А и 7В, на которых показаны соответственно вид спереди и вид сбоку связи 200 шатун/кривошип поршня 114 расширения с коленчатым валом 108, в модели двигателя 101 с задержкой. Связь 200 содержит противоположную пару основных шеек 202 коленчатого вала, которые входят в секцию коленчатого вала 108, причем обе основные шейки коленчатого вала совмещены с осью (или с осевой линией) 110 коленчатого вала. К внутренним концам каждой из основных шеек 202 прикреплены кривошипы (или секции щек кривошипов) 206, которые обычно представляют собой удлиненные пластины, выступающие радиально из основных шеек 202. Шатунная шейка (или палец кривошипа) 210 захвачена с возможностью скольжения между парой радиальных пазов 212, расположенных в щеках кривошипа (или в кривошипах) 206, так что палец 210 кривошипа ориентирован параллельно основным шейкам 202, 204, но радиально смещен от оси 110 коленчатого вала. Пазы 212 имеют такой размер, который позволяет осуществлять радиальное движение пальца 210 кривошипа относительно оси коленчатого вала 110.

Шатун 214 расширения шарнирно соединен на своем верхнем конце через палец 216 поршня расширения с поршнем 114 расширения. Нижний противоположный конец (или нижняя головка) шатуна 214 расширения шарнирно соединен с пальцем 210 кривошипа. Альтернативно, палец 210 кривошипа и шатун 214 расширения могут быть выполнены в виде единой детали.

В разительном контрасте с базовым двигателем 100, когда коленчатый вал 108 вращается, в модели двигателя 101 с задержкой, палец 210 кривошипа свободен для движения вдоль радиального паза 212 в кривошипах 206 и за счет этого может изменять эффективный радиус кривошипа (как это показано стрелкой 218) пальца 210 кривошипа от оси коленчатого вала 110. Эффективный радиус 218 кривошипа в этом варианте представляет собой мгновенное расстояние