Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к четырехтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания.

В тексте и на иллюстрациях приняты следующие сокращения:

- ДВС - двигатель внутреннего сгорания,

- ВМТ - верхняя мертвая точка поршня,

- НМТ - нижняя мертвая точка поршня,

- КС - камера сгорания,

- ОГ - остаточные газы,

- ВпК - впускной клапан,

- ВыК - выпускной клапан,

- БЦ - блок цилиндров,

- ГБЦ - головка блока цилиндров,

- Р_mах - максимальная мощность ДВС, л.с.,

- Р_а - атмосферное давление, атм,

- р_к - давление в коллекторе, атм,

- Р_ц - давление в цилиндре, атм,

- V_к - объем коллектора.

на круговых диаграммах фаз газораспределения:

- угол открытия или закрытия клапанов отсчитывается по часовой стрелке, начиная от ВМТ начала такта впуска в градусах поворота коленчатого вала,

- 0° - начало отсчета - ВМТ начала такта впуска,

- 180° - НМТ такта впуска,

- 360° - ВМТ такта сжатия,

- 540° - НМТ такта рабочего хода,

- 720° - ВМТ такта выпуска,

- φ - углы между моментами открытия или закрытия клапанов,

- α - углы между ВМТ или НМТ и моментами открытия клапанов,

- β - углы между ВМТ или НМТ и моментами закрытия клапанов,

- толстые линии соответствуют закрытому состоянию клапанов,

- тонкие - открытому. На иллюстрациях:

Фиг.1 - классический поршневой четырехтактный ДВС;

Фиг.2 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.1;

Фиг.3 показана схема продувки в классическом двигателе с двумя клапанами на цилиндр;

Фиг.4 - схема продувки в классическом двигателе с четырьмя клапанами на цилиндр;

Фиг 5 - схема продувки в заявленном двигателе;

Фиг.6 - заявленный двигатель с тремя клапанами на цилиндр;

Фиг.7 - схема продувки двигателя на фиг.6;

Фиг.8 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС, показанного на фиг.6;

Фиг.9 - то же, круговая диаграмма фаз газораспределения с перекрытием выпускных клапанов;

Фиг.10 - эскиз четырехцилиндрового ДВС с вакуумным насосом;

Фиг 11 - вид А на фиг.10.

Особенности работы различных типов ДВС рассматриваются на примере одноцилиндрового бензинового инжекторного ДВС. Системы питания и зажигания на фигурах условно не показаны.

Классический ДВС (фиг.1) в общем случае содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8.

Диаграмма фаз газораспределения - см. фиг.2.

ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень чуть не доходит до точки 720°.

Классический ДВС с двумя клапанами на цилиндр имеет высокий уровень СО, СН на низких оборотах и не добирает мощность на высоких. Это обусловлено тем, что камеру сгорания (КС) не удается хорошо очистить (продуть) от остаточных газов (ОГ) воздухом из впускного коллектора в конце такта выпуска - начале такта впуска (точка 720°). Продувка происходит во время перекрытия клапанов (угол φ₃₄). При этом (см. фиг.3) поток продувочного воздуха слаб сам по себе и, в основном, проходит по кратчайшему пути от ВпК 3 к ВыК 4. На периферии КС ОГ не движутся, и даже повышение давления воздуха на впуске наддувом или внешним компрессором ([1], [2]) существенно не улучшает продувку. В этих условиях растет скорость продувочного воздуха по кратчайшему пути от ВпК 3 к ВыК 4 или от источника высокого давления к Вык 4, но на периферии КС ОГ все равно остаются.

Удвоение количества впускных и выпускных клапанов позволяет снизить массу ОГ в КС вблизи точки 720° (см. фиг.4). При этом уменьшается уровень СО, СН на холостых оборотах и вырастает Р_max. Например, для двухлитрового безнаддувного ДВС «АУДИ 80» с двумя клапанами на цилиндр P_max=115, а для такого же ДВС с четырьмя клапанами на цилиндр - P_max=138. Все шире применяются ДВС и с пятью клапанами на цилиндр.

Заметим, что при общем числе клапанов на цилиндр более трех приходится использовать два распредвала - конструкция ДВС сильно усложняется.

Цель изобретения - улучшить качество продувки КС существенно не усложняя ДВС.

Для этого в КС ДВС (фиг.5) между ВпК 3 и ВыК 4 устанавливается поперечная перегородка 9 (фиг.1 - пунктир). Эта перегородка имеет неравномерную перфорацию, площадь которой увеличивается от центра к периферии, что позволяет внести небольшое гидравлическое сопротивление продувочному воздуху на кратчайшем пути от ВпК 3 к ВыК 4 и заставить его идти и по периферии.

Выхлоп всех цилиндров многоцилиндрового ДВС от всех выпускных клапанов поступает, как правило, в общий коллектора, затем - в систему нейтрализации и глушения. Из-за существенного гидравлического сопротивления, вносимого, в основном, глушителем, давление в выпускном коллекторе больше атмосферного практически на всем протяжении такта выпуска. Это ухудшает наполняемость цилиндра свежим зарядом и снижает Р_макс ДВС. Известно, что Р_макс ДВС с глушителем в среднем на 10% меньше, чем у ДВС без глушителя.

Вблизи точки 720°, когда продувается один цилиндр (углы α₃, β₄ φ₃₄), в каком-то другом цилиндре открывается ВыК 4 (угол α₄), кратковременно давление Р_к в общем выпускном коллекторе резко вырастает, это нарушает продувку и снижает Р_макс. Многоцилиндровый ДВС имеет один или несколько узких отрезков в диапазоне оборотов, где он плохо принимает.

Для нивелирования указанных недостатков в исходный ДВС (фиг.1) вводится дополнительный выпускной клапан, который работает в отдельный выпускной коллектор. На выходе этого коллектора создается разрежение.

Улучшение параметров ДВС с помощью принудительной откачки выхлопа из цилиндра известно, например, из ДВС [3]. В нем выхлоп из рабочего цилиндра откачивается вспомогательным цилиндром, который установлен рядом на общем коленчатом валу, и таким образом создает разрежение в выпускном коллекторе рабочего цилиндра. Этот ДВС 131 принят за прототип.

Предлагаемый ДВС (см. фиг.6) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. В КС установлена поперечная перфорированная перегородка 9. ДВС включает дополнительный ВыК 10, который приводится своим кулачком от общего распредвала. ВыК 4 работает в выпускной коллектор 11 (высокого давления) и глушитель 12. Дополнительный ВыК 10 работает в коллектор 13 (низкого давления). Разрежение в нем создается вакуумным насосом 14. Он приводится через приводной шкив 15 от шкива коленчатого вала 16 через шкив 17 общим ремнем 18 с редукцией повышения.

Диаграммы фаз газораспределения - фиг.8 и 9. Фиг.6 - эскиз четырехцилиндрового ДВС.

ДВС работает следующим образом.

В такте впуска цилиндр набирает заряд, в следующем такте - сжимает его, затем заряд поджигается искрой, далее следует такт расширения рабочего тела (такт рабочего хода), в конце которого, не доходя до НМТ 540° на угол α₄, открывается ВыК 4, через него в коллектор 11 и глушитель 12 истекает основная часть отработавших газов на протяжении угла α₄+α₁₀. Затем ВыК 4 закрывается и открывается ВыК 10. В этом состоянии при открытых ВпК 3 и ВыК 10 на протяжении угла перекрытия клапанов φ₃, ₁₀ происходит продувка КС воздухом из впускного коллектора. ОГ выходят в коллектор 13 под воздействием собственной инерции и разрежения от вакуумного насоса 14.

После точки 720°, по истечении небольшого угла β₁₀ (около 10°) ВыК 10 закрывается и при открытом ВпК 3 цилиндр набирает новый заряд на движении поршня вниз. В общем случае ВыК 10 может закрываться и до точки 720°. Основная масса выхлопа проходит через ВыК 4 и коллектор 11, они работают в наиболее напряженном тепловом режиме. Дополнительный ВыК 10 открывается позднее. К этому моменту температура газов в цилиндре в разы меньше, чем в начале такта выпуска, а давление немногим больше атмосферного. Таким образом, коллектор 13 может быть выполнен легкой гофрой, а к вакуумному насосу 14 не предъявляются жесткие требования по температурной устойчивости, как, например, к выхлопной турбине наддува ДВС.

Самый мощный акустический фронт (хлопок) происходит в момент открытия ВыК 4, к моменту открытия ВыК 10 этот шум уже минует глушитель. Истечение ОГ через коллектор 13 не сопровождается сильным рокотом и практически не требует глушителя.

Р_макс ДВС увеличивается за счет увеличения заряда на впуске (при уменьшении ОГ). Применение вакуумного насоса позволяет уменьшить время на очистку КС, поэтому можно уменьшить угол α₄, увеличив при этом угол рабочего хода 180° - α₄ и коэффициент полезного действия (кпд) ДВС. Заметим, что у двухклапанных ДВС α₄=40…70°.

В общем случае уменьшение α₄ сопровождается рядом позитивных последствий:

- снижается звуковое давление работающего ДВС,

- снижается температура и давление отработавших газов в начале такта выпуска, что позволяет увеличить диаметры выпускных клапанов,

- растет Р_макс и кпд ДВС.

Заметим, что энергия, потраченная на создание разрежения в коллекторе 13, возвращается - оно втягивает поршень в цилиндр после открытия ВыК 10. Из диаграммы фиг.8 ясно, что с этой точки зрения следует по возможности снижать угол α₁₀, чтобы увеличить время полезного воздействия разрежения на днище поршня. На практике этот угол может быть снижен вплоть до 20° (см. фиг.8 - пунктир).

В конце такта рабочего хода температура газов в цилиндре Т_ц≈1000°С, а Р_ц=3…5. После открытия ВыК 4 и к моменту α₁₀=20°, Р_ц≈1.2, Т_ц≈150°С. При таких параметрах выхлопа уже можно открыть ВыК 10 и закрыть ВыК 4, разрежение в коллекторе 13 начнет втягивать поршень в цилиндр. ВыК 4 и ВыК 10 могут иметь перекрытие φ_10,4 (см. Фиг.9), часть выхлопа может проходить через ВыК 10 перед ОГ. Ясно, что φ_10,4 не может быть большим, иначе выхлоп из коллектора 11 будет интенсивно закачиваться в коллектор 13.

В области НМТ и отрезке углов 540°…540°+20° поршень практически не движется вверх, поэтому момент переключения клапанов ВыК 4 и ВыК 10, когда оба клапана практически закрыты, не приводит к повышению давления ОГ в цилиндре и возникновению противомомента.

Вакуумный насос 14 можно привести и выхлопной турбиной, установив ее приводную крыльчатку в коллекторе 11. В этом случае можно дополнительно увеличить кпд ДВС.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.С. СССР №889878, кл. F02B 29/00.

2. А.С. СССР №979669, кл. F02B 21/00.

3. Патент RU №2169276,кл. F02B 42/06.

1. Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий один и более цилиндров, каждый из которых включает впускной и два (первый и второй) выпускных клапана, камеру сгорания, а также вакуумный насос, откачивающий продукты сгорания из цилиндра, который приводится от коленчатого вала, отличающийся тем, что, с целью снижения токсичности выбросов и повышения удельной мощности, выпускные клапаны работают в разные коллекторы, сначала открывается первый выпускной клапан, второй выпускной клапан открывается позднее при закрытом или открытом первом клапане, вакуумный насос подключен к выходу выпускного коллектора второго клапана.

2. ДВС по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания имеет одну или несколько перегородок, расположенных между впускными и выпускными клапанами параллельно или под углом к оси цилиндра, перегородки могут иметь неравномерную перфорацию, площадь которой увеличивается от центра к периферии.

3. ДВС по п.1, отличающийся тем, что приводное колесо вакуумного насоса кинематически связано ремнем распредвала или ремнем генератора с коленчатым валом с редукцией повышения, ось насоса параллельна оси коленчатого вала.

4. ДВС по п.1, отличающийся тем, что в качестве вакуумного насоса применяется турбонасос, крыльчатка которого смонтирована на валу выхлопной турбины, подключенной к выходу коллектора первых клапанов.