Патент на изобретение №2235214

(54) СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

(57) 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.

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.

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