Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре однотактного двигателя с внешней камерой сгорания

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре однотактного двигателя с внешней камерой сгорания

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области энергомашиностроения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ближайший аналог заявленного изобретения - патент 2398118 «Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания». Реферат изобретения:

«Изобретение относится к области энергомашиностроения. Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания, содержащий внешнюю камеру сгорания с форсункой и свечой зажигания, газораспределительный клапан, перепускной клапан и клапан впуска воздуха, силовой поршень и поршень компрессора с шатунно-кривошипными механизмами, соединительный вал, маховик и вал отбора мощности, при этом процесс преобразования химической энергии топлива в механическую энергию разделен на процесс сгорания топлива во внешней камере сгорания и на процесс расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневой расширительной машины, согласно изобретению двигатель снабжен пневмоаккумулятором, воздух в который поступает из надпоршневой полости компрессора и который пополняет воздухом внешнюю камеру сгорания в процессе горения. Изобретение обеспечивает увеличение удельной мощности и многотопливность двигателя. »

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель заявленного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить реверсирование вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность заявленного изобретения поясняется на примере однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и кривошипно-шатунным механизмом (далее - однотактный двигатель) в одноцилиндровом исполнении. Действует он следующим образом. При пуске двигателя система управления подает во внешнюю камеру сгорания 1 форсункой 2 дозу топлива и воспламеняет его свечой зажигания 3 (см. фиг.). Топливо горит и, если поршни 4 и 5 находится в положении как показано на фигуре, то продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 6 через открытый впускной клапан 7 поступают в нижнюю (по рисунку) рабочую полость поршня 4. Под воздействием поступающих в нижнюю рабочую полость поршня 4 продуктов сгорания поршень 4, штоки 8, 9 и поршень 5 начинают движение вверх. Поскольку нижняя площадь поверхности поршня 4 больше его верхней площади поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 8 и 9, то давление сжимаемого в верхней компрессорной полости поршня 4 воздуха больше давления продуктов сгорания в его нижней полости. Поэтому воздух из верхней компрессорной полости поршня 4 через обратный клапан 10 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, поддерживая в ней процесс горения периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В нижнюю компрессорную полость поршня 5 через обратный клапан 11 засасывается воздух из атмосферы, а из верхней рабочей полости поршня 5 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) через выпускной клапан 12 выбрасывается в атмосферу. Таким образом, энергия продуктов сгорания через шток 9 и шатун 13 передается коленвалу 14. По прибытию поршней 4 и 5 в окрестности верхней мертвой точки система управления переводит впускной клапан 7 и выпускной клапан 12 в закрытое, а впускной клапан 15 и выпускной клапан 16 в открытое положение. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 17 через впускной клапан 15 поступают в верхнюю рабочую полость поршня 5. Поршни 4 и 5 начинает движение вниз и коленвал двигателя 14 продолжает вращение в прежнем направлении. Сжимаемый в нижней компрессорной полости поршня 5 воздух через обратный клапан 18 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, обеспечивая горение периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В верхнюю компрессорную полость поршня 4 через обратный клапан 19 засасывается воздух из атмосферы, а из его нижней рабочей полости отработавшие продукты сгорания через выпускной клапан 16 выбрасываются в атмосферу.

Управление рециркуляцией выхлопных газов на всех режимах работы положительно влияет на экономические и экологические характеристики двигателя. Для обеспечения рециркуляции выхлопных газов в цилиндр двигателя с целью оптимизации процесса сгорания топлива во всем диапазоне нагрузок на двигатель система управления для каждого такта определяет соответствующие задаваемой мощности моменты времени закрытия и открытия газораспределительных клапанов массу выхлопных газов для ввода их в компрессорные полости поршней 4 и 5. При движении поршней 4 и 5 из нижней крайней точки в верхнюю крайнюю точку отработавшие продукты сгорания из верхней рабочей полости поршня 5 через выпускной клапана 12 выбрасываются в атмосферу. В заранее определенный системой управления момент времени система управления закрывает выпускной клапана 12 и открывает перепускной клапан 21. Оставшаяся в верхней рабочей полости поршня 5 часть выхлопных газов через перепускной клапан 21 перетекает в нижнюю компрессорную полость поршня 5 и смешивается там с всасываемым через обратный клапан 11 атмосферным воздухом. При последующем движении поршней 4 и 5 из верхней крайней точки в нижнюю смесь выхлопных газов с воздухом через обратный клапан 18 поступает во внешнюю камеру сгорания 1. Одновременно в заранее определенный системой управления момент времени система управления закрывает выпускной клапана 16 и открывает перепускной клапан 22. Оставшаяся в нижней рабочей полости поршня 4 часть выхлопных газов через перепускной клапан 22 перетекают в верхнюю компрессорную полость поршня 5, и там смешивается с всасываемым через обратный клапан 19 воздухом, после чего смесь выхлопных газов с воздухом через обратный клапан 10 поступает во внешнюю камеру сгорания 1.

Реверсирование вращения коленвала однотактного двигателя осуществляется следующим образом. Если перед пуском однотактного двигателя в одноцилиндровом исполнении поршни 4 и 5 находятся в верхней или нижней мертвой точках, то коленвал 14 и шатун 13 окажутся в положении неустойчивого равновесия. Следовательно, и направление вращения коленвала при пуске окажется стохастичным, непредсказуемым. Задание направления вращения коленвала 14 в этом случае осуществляется следующим образом. Система управления механизмом сцепления соединяет стартер с коленвалом двигателя, проворачивает его и разъединяет их валы. Цель предпусковой операции - вывести коленвал 14 и шатун 13 из положения неустойчивого равновесия. В дальнейшем система управления форсункой 2 подает топливо в камеру сгорания 1 и воспламеняет его свечой зажигания 3. Одновременно система управления определяет мгновенное положение поршней 4 и 5 и коленвала 14. Затем открывает впускной клапан 7 или 15 в зависимости от того, в каком направлении задается вращение коленвала 14. Если угол поворота коленвала относительно штока 9 менее прямого угла и обеспечивает вращение коленвала в задаваемом направлении при движении поршней 4 и 5 из нижней крайней точки в верхнюю точку, система управления открывает впускной клапана 7. В противном случае система управления открывает впускной клапан 15. В обоих случаях поступающие в рабочие полости поршней продукты сгорания через поршни 4, 5, штоки 8, 9 и шатун 13 вращают коленвал 14 в заданном направлении. Однотактный двигатель с двумя и более цилиндрами не нуждается в стартере. В многоцилиндровом исполнении двигателя, как минимум, в одном из цилиндров всегда окажется такой, в котором поршни находятся в положении, при поступлении продуктов сгорания, в рабочие полости которых обеспечивается вращение коленвала двигателя в любом задаваемом направлении.

Как видно из пояснения принципа действия двигателя, расширение продуктов сгорания в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце движения поршней, не производя никакой полезной работы. Увеличение эффективности расширения продуктов сгорания в цилиндре во всем диапазоне нагрузок на двигатель осуществляется следующим образом. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр однотактного двигателя можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, - виртуальный рабочий объем. Например, для начала движения поршней 4 и 5 из нижнего положения в верхнее, система управления открывает впускной клапан 7 и продукты сгорания поступают из камеры сгорания 1 в виртуальную камеру сгорания цилиндра (часть нижней рабочей полости поршня 4 от его начала движения). Температура и давление поступающих в виртуальную камеру сгорания цилиндра при этом практически равна таковым в камере сгорания 1. Поршни начинают движение снизу вверх и, когда пройдут соответствующий виртуальной камере сгорания путь, система управления закрывает впускной клапан 7. Доступ продуктов сгорания в цилиндр прекращается и начинается процесс их расширения во всей нижней рабочей полости поршня 4 - в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Одновременно система управления отслеживает текущие значения скорости поршней 4 и 5, давление продуктов сгорания в камере сгорания 1, в нижней рабочей полости поршня 4 и давления сжимаемого в его верхней компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления определяет момента времени открытия перепускного клапана 20, обеспечивающего максимальное расширение продуктов сгорания в нижней рабочей полости поршня 4 к моменту прибытия поршней 4 и 5 в верхнюю мертвую точку, и переводит в этот момент времени перепускной клапан 20 в открытое положение. В результате сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух через перепускной клапан 20 перетекает в нижнюю компрессорную полость поршня 5. Противодействие воздуха в нижней рабочей полости поршня 4 движению поршней резко уменьшается. К этому моменту в нижнюю компрессорную полость поршня 5 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы. Поступающий туда же через перепускной клапан 20 до определенной степени сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух дополнительно заряжает нижнюю компрессорную полость поршня 5, и засасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан 11 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же. При этом поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршням 4 и 5. Энергия на преодоление динамического сопротивления в клапане 11 переносятся на клапан 19. То есть моменты времени открытия и закрытия впускного клапана 7 и перепускного клапана 20 система управления определяет таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения продуктов сгорания.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре однотактного двигателя с внешней камерой сгорания во всем диапазоне нагрузок на двигатель, включающего систему управления, цилиндр двигателя с впускными клапанами, перепускным клапаном и двумя поршнями, каждый из которых имеет рабочую и компрессорную полости, и внешнюю камеру сгорания, отличающийся тем, что для обеспечения оптимальной степени расширения продуктов сгорания в рабочих полостях поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания система управления открывает впускной клапан цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, и продукты сгорания из внешней камеры сгорания поступают в рабочую полость одного из поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, одновременно система управления отслеживает текущие значения скорости поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, давления продуктов сгорания во внешней камере сгорания однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, давления продуктов сгорания в рабочей полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и давления сжимаемого в его компрессорной полости воздуха, и после начала движения поршней в определенный системой управления момент времени начала расширения продуктов сгорания система управления закрывает впускной клапан цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, поле чего начинается процесс расширения продуктов сгорания в рабочей полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, затем в момент времени, соответствующий максимальному расширению продуктов сгорания в рабочей полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания к моменту прибытия обеих поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания в противоположную крайнюю точку движения, система управления открывает перепускной клапана цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, в результате чего сжатый в компрессорной полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания воздух через перепускной клапан перетекает в компрессорную полость другого поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, при этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же, сообщая дополнительный импульс энергии обоим поршням цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Затраты на НИОКР заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработки классических ДВС.

При современном состоянии развития электроники создание автоматической системы управления вполне ординарная задача.

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Фигура. Принципиальная схема однотактного двигателя с внешней камерой сгорания.

1 - внешняя камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 5 - поршень двигателя; 6, 17 - трубопровод; 7, 15 - впускной клапан; 8, 9 - шток; 10, 11, 18, 19 - обратный клапан; 12, 16 - выпускной клапан; 13 - шатун; 14 - коленвал двигателя; 20, 21, 22 - перепускной клапан.

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре однотактного двигателя с внешней камерой сгорания во всем диапазоне нагрузок на двигатель, включающего систему управления, цилиндр двигателя с впускными клапанами, перепускным клапаном и двумя поршнями, каждый из которых имеет рабочую и компрессорную полости, и внешнюю камеру сгорания, отличающийся тем, что для обеспечения оптимальной степени расширения продуктов сгорания в рабочих полостях поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания система управления открывает впускной клапан цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, и продукты сгорания из внешней камеры сгорания поступают в рабочую полость одного из поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, одновременно система управления отслеживает текущие значения скорости поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, давления продуктов сгорания во внешней камере сгорания однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, давления продуктов сгорания в рабочей полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и давления сжимаемого в его компрессорной полости воздуха, и после начала движения поршней в определенный системой управления момент времени начала расширения продуктов сгорания система управления закрывает впускной клапан цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, поле чего начинается процесс расширения продуктов сгорания в рабочей полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, затем в момент времени, соответствующий максимальному расширению продуктов сгорания в рабочей полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания к моменту прибытия обеих поршней цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания в противоположную крайнюю точку движения, система управления открывает перепускной клапана цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, в результате чего сжатый в компрессорной полости поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания воздух через перепускной клапан перетекает в компрессорную полость другого поршня цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, при этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же, сообщая дополнительный импульс энергии обоим поршням цилиндра однотактного двигателя с внешней камерой сгорания.