Усовершенствованный двигатель


Усовершенствованный двигатель внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Поршневое устройство (100) предназначено для двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня. Двигатель внутреннего сгорания содержит один или более двухэлементных поршней, каждый из которых включает в себя первую часть поршня и вторую часть поршня, работающие в разных циклах. Поршневое устройство содержит элемент (110) рычага поршня, механически соединенный со второй частью поршня, и множество узлов кулачковых следящих устройств для управления работой второй части поршня. Кулачковые следящие устройства включают в себя множество кулачковых выступов (121a) и (121b) для поршня, множество пальцев (122a) и (122b) рокера, установленных с возможностью поворота, для кулачкового взаимодействия с кулачковыми выступами (121a) и (121b), и селективно отводимые и выдвигаемые оси (123a) и (123b) пальца рокера. Узлы кулачковых следящих устройств выполнены с возможностью селективного соединения с элементом (110) рычага поршня для управления работой второй части поршня. Раскрыты способ управления работой второй части поршня двигателя внутреннего сгорания и устройство поршневого механизма для двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в упрощении конструкции и снижении веса. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к двигателям внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня.

Изобретение создано преимущественно для использования в качестве устройства поршня для двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня и будет описано ниже со ссылкой на данную заявку. Однако следует понимать, что изобретение не ограничено этой конкретной областью применения.

Уровень техники

Любое обсуждение известного уровня техники в данном описании никоим образом не должно рассматриваться как признание того, что такой известный уровень техники является широко известным или образует часть общеизвестного знания в данной области.

Обычные двигатели внутреннего сгорания содержат по меньшей мере один цилиндр, поршень в цилиндре и коленчатый вал, приводимый в движение посредством поршня. Большинство таких двигателей работают в четырехтактном цикле поршня за два оборота коленчатого вала. Во время данного цикла поршень осуществляет первый ход вверх для впуска, первый ход вниз для сжатия, второй ход вверх (после воспламенения) для сжигания топлива и выдачи мощности и второй ход вниз для выпуска. Во время такта выпуска газообразный продукт сгорания выталкивается, а во время такта впуска всасывается заряд свежей рабочей смеси. Данные два такта требуют малого усилия, и поршень подвергается воздействию низких давлений или вообще не подвергается воздействию давления. Данные два такта требуют также одного полного оборота коленчатого вала для достижения данных целей.

От четырехтактного двигателя с определенным рабочим объемом можно было бы получить большую выходную мощность, если бы он мог осуществлять свой цикл только за один оборот коленчатого вала. Существуют обычные двухтактные двигатели, в которых четыре функции сжигания, выпуска, впуска и сжатия осуществляются за два хода поршня в течение одного оборота коленчатого вала. Такие двухтактные двигатели обычно весят меньше, чем четырехтактные двигатели, однако они имеют больший расход топлива по сравнению с четырехтактными двигателями и поэтому обычно используются только в некоторых специальных областях, например небольшие двигатели для механизации садово-огородных работ.

Один из способов объединения преимуществ четырех ходов поршня с преимуществом одного оборота коленчатого вала в одном цикле заключается в том, чтобы разделить поршень на внутреннюю часть, которая закрывает один конец камеры сгорания, и отделяемую внешнюю часть, которую соединяют с коленчатым валом, и обеспечить средство для перемещения внутренней части поршня независимо от внешней части поршня во время выпуска и впуска. Это позволяет внутренней части поршня работать в четырехтактном цикле в течение одного оборота коленчатого вала.

В патенте США № 857410 сообщается о том, что для приведения в движение упомянутых частей поршня в их разных циклах может быть использована четверть оборота находящейся в зацеплении шестерни. Данное техническое решение имеет множество проблем, таких как скрежет зубьев, когда две шестерни входят в зацепление при каждом обороте ведущего вала, и усложненная зубчатая передача с фиксированным передаточным отношением четыре к одному, которая разделяет четыре такта на равные длины и периоды.

В патенте США № 1413541 описан разделенный поршень, содержащий четырехтактную внутреннюю часть поршня и двухтактную внешнюю часть поршня (в одном цикле или обороте двигателя). Внутренняя часть поршня осуществляет цикл с периодом каждого хода, который равен точно 90°, и соответствует половине периода хода внешнего поршня, который соответствует 180°. Другим недостатком данного устройства является одинаковая длина хода или перемещения поршня для четырех тактов внутренней части поршня.

Каждый из патентов США № 857410 и 1413541 раскрывает соединения для передачи движения для части поршня, которая закрывает камеру сгорания, так, что она должна перемещаться в четырех равных тактах, причем каждый осуществляется в течение четверти оборота (90°).

В патенте США № 1582890 описываются два поршня в цилиндре, которые закрывают две камеры. Данное устройство работает не в четырехтактном цикле и использует кулачковое приводное средство для перемещения внутреннего поршня между двумя камерами и два комплекта отверстий, преимущественно расположенные в противоположных концах его хода вдоль стенки цилиндра. Это позволяет внутреннему поршню повышать давление во внешней камере при его ходе вниз, который требует много мощности и силы, вынуждая его приводное устройство быть чрезмерно тяжелым и громоздким по конструкции. К тому же внешние отверстия на стенке цилиндра ограничивают внутренний поршень одинаковыми длинами хода и симметричными периодами. В данном патенте описаны цилиндрические отверстия, которые должен закрывать внутренний поршень во время сжигания и конечного сжатия объединенных зарядов из обеих цилиндрических камер так, что данные два хода ограничены одинаковыми длинами оборотов вала.

В патенте США № 5243938, включенном в данный документ посредством ссылки, раскрывается устройство поршня с дифференциальным ходом для поршневых двигателей внутреннего сгорания, содержащих устройство поршня, расположенное в цилиндре, включающее в себя внутреннюю часть поршня, которая закрывает и уплотняет цилиндрическую камеру, и внешнюю часть поршня, которая служит в качестве опоры для внутренней части поршня и соединена с валом двигателя, предпочтительно коленчатым валом. Внутренняя часть поршня выполнена с возможностью работы в цикле, отличающемся от цикла внешнего поршня, например четыре такта для внутренней части поршня и два такта для внешней части поршня за один оборот двигателя.

С данной области техники существует потребность в усовершенствованном устройстве поршня с дифференциальным ходом.

Задача изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение или уменьшение по меньшей мере одного из недостатков известного уровня техники или создание полезной альтернативы.

Задачей изобретения в его предпочтительном виде является создание усовершенствованного устройства поршня с дифференциальным ходом.

Краткое описание изобретения

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения создано устройство поршня для двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, причем двигатель внутреннего сгорания содержит один или более двухэлементных поршней, причем каждый двухэлементный поршень содержит первую часть поршня и вторую часть поршня, причем устройство содержит:

элемент рычага поршня, механически соединенный со второй частью поршня; и

множество узлов кулачковых следящих устройств, выполненных с возможностью селективного соединения с элементом рычага поршня для управления работой второй части поршня;

при этом селективное введение в контакт и отсоединение одного или более узлов кулачковых следящих устройств определяет режим работы второй части поршня.

Предпочтительно рычаг поршня образует шарнирный четырехзвенник, содержащий элемент звена рокера поршня, одно или более силовых звеньев и одно или более шарнирных звеньев.

Упомянутое устройство предпочтительно содержит вал поршневого механизма, который поддерживает с возможностью поворота упомянутый узел относительно блока двигателя. Более предпочтительно вал поршневого механизма соединен с элементом звена рокера и упомянутым одним или более шарнирными звеньями. Наиболее предпочтительно вал поршневого механизма определяет точку поворота шарнирного четырехзвенника относительно блока двигателя.

Узлы кулачковых следящих устройств предпочтительно содержат распределительный вал поршня. Предпочтительно распределительный вал поршня поддерживается с возможностью поворота на блоке двигателя. Более предпочтительно распределительный вал содержит множество кулачковых выступов. Наиболее предпочтительно узлы кулачковых следящих устройств дополнительно содержат соответствующее множество пальцев рокера поршня для кулачкового зацепления с кулачковыми выступами, причем каждый палец рокера поршня выполнен с возможностью селективного соединения с элементом рычага поршня. Селективное соединение пальцев рокера поршня с рычагом поршня предпочтительно достигается посредством выполненной с возможностью селективного отвода оси пальца рокера поршня, которая в выдвинутом положении входит в зацепление со звеном рокера поршня.

Предпочтительно элемент рычага поршня смещен к второй части поршня, находящейся в верхней деактивированной конфигурации, удаленной от перемещения первой части поршня. Более предпочтительно упомянутое смещение обеспечивается посредством узла пружины сжатия.

Предпочтительно первая часть поршня и вторая часть поршня перемещаются соосно. Более предпочтительно перемещение штока поршня по существу ограничено перемещением в продольном направлении вдоль оси цилиндра. Наиболее предпочтительно первая часть поршня представляет собой внешнюю часть поршня, а вторая часть поршня представляет собой внутреннюю часть поршня.

Предпочтительно упомянутое устройство предусматривает множество режимов работы, определяемых посредством селективного введения в контакт или отсоединения одного или более узлов кулачковых следящих устройств. Более предпочтительно упомянутое устройство содержит два узла кулачковых следящих устройств для определения четырех режимов работы. Наиболее предпочтительно один режим работы эффективно деактивирует вторую часть поршня.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения создано устройство поршня, которое описано в данном документе.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, создан способ управления работой второй части поршня двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, причем способ включает этапы:

обеспечения двигателя с дифференциальным ходом поршня;

введения в контакт и отсоединения одного или более кулачковых следящих устройств для селективного обеспечения одного из множества режимов работы; и

управления, на основе выбранного режима работы, перемещением второй части поршня в цикле кривошипа двигателя.

Предпочтительно двигатель с дифференциальным ходом поршня выполнен так, как описано в данном документе. Более предпочтительно одно или более кулачковых следящих устройств выполнено так, как описано в данном документе. Наиболее предпочтительно селективное введение в контакт или отсоединение одного или более кулачковых следящих устройств определяет один из множества режимов работы.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения создан способ управления работой второй части поршня двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, который описан в данном документе.

Краткое описание чертежей

Ниже будет описан предпочтительный вариант осуществления изобретения только в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид сверху варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением;

Фиг.2 - вид устройства, показанного на фиг.1, в разрезе, выполненном по линии 2-2;

Фиг.3 - вид сбоку устройства, показанного на фиг.1;

Фиг.4 - схематическое изображение четырех разных режимов работы двигателя устройства, показанного на фиг.1; и

Фиг.5 - блок-схема последовательности операций для варианта осуществления способа в соответствии с изобретением.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

В двигателе с дифференциальным ходом поршня используется двухэлементный поршень для осуществления четырехтактного термодинамического цикла в течение каждого оборота двигателя. Двухэлементный поршень содержит внешнюю часть поршня и внутреннюю часть поршня. Предпочтительно внешняя часть поршня и внутренняя часть поршня перемещаются соосно.

Необходимо понимать, что в обычных поршневых двигателях (двухтактных или четырехтактных) поршень используется для выполнения двух функций. Данными функциями являются уплотнение камеры и передача усилий между камерой и коленчатым валом. Альтернативным решением является разделение данных функций с использованием двухэлементного поршня, который состоит из внутренней части поршня и внешней части поршня, которые используются в двигателе с дифференциальным ходом поршня или с дифференциальным циклом.

Внутренняя часть поршня уплотняет камеру и функционирует как воздушный насос для облегчения впуска и выпуска газов из камеры во время такта выпуска и такта впуска четырехтактного цикла, при этом перемещаясь отдельно от внешней части поршня. Во время ходов с малой нагрузкой внутренняя часть поршня приводится в движение посредством поршневого механизма наподобие клапанного механизма и перемещается отдельно от внешней части поршня. Во время ходов с большой нагрузкой, ходов сжигания или сжатия, внутренняя часть поршня обычно размещается на и поддерживается посредством упомянутой внешней части. Таким образом, внутренняя часть поршня только передает нагрузку во время сжатия между внешней частью поршня и камерой.

Перемещение внутренней части поршня или ходы дифференциального цикла могут быть укороченными по сравнению с полными ходами плеча кривошипа.

Необходимо понимать, что в случае рабочего хода нижний участок хода кривошипа является неэффективным при генерировании мощности. Давление в камере сгорания быстро снижается, когда ход поршня опускается примерно на семь градусов после верхней мертвой точки, и моментный рычаг кривошипа укорачивается после девяноста градусов за ВМТ. Нижняя третья часть рабочего хода создает менее чем примерно 1/9 суммарной выходной мощности, при этом внося примерно 1/3 трения поршневого кольца (основной участок потерь поршня). При функционировании с частичной нагрузкой осуществление ходов в нижнем объеме цилиндра может растрачивать больше мощности, чем он получает.

Кроме того, двигатель с дифференциальным циклом способен осуществлять в 2 раза больше рабочих ходов за один оборот. Эффективность двигателя может быть повышена за счет неиспользования нижнего участка цилиндров для рабочих ходов без существенной потери способности генерирования мощности конструкции двигателя, за исключением максимальной нагрузки.

Необходимо понимать, что в случае такта впуска двигатель создает частичную нагрузку в почти всех режимах работы (условиях вождения). Укорачивание впуска уменьшает длительность перекрытия впуска и потери на трение, повышая эффективность большую часть времени. Когда время от времени требуется работа при максимальной нагрузке, наддув с более плотными газами способен «восстановить потерянный объем цилиндра».

Кроме того, комплект поршень-цилиндр относительно неэффективен во время сжатия при низком давлении, но относительно эффективен во время сжатия при высоком давлении. Повысить эффективность может нагнетание посредством внешнего компрессора низкого давления. Перед входом в цилиндр заряд воздуха может подвергаться промежуточному охлаждению, дополнительно обеспечивая управление динамическим состоянием газа для предотвращения появления детонационного сгорания и компрессионного воспламенения однородной смеси.

За счет использования дополнительных элементов или устройств поршневого механизма двигатель с дифференциальным циклом может также иметь больше режимов работы двигателя для различных выходных потребностей. Данные режимы работы двигателя могут включать работу с более высокой мощностью, работу с более высокой эффективностью и работу с деактивацией цилиндра.

В соответствии с одним вариантом осуществления, посредством использования двух комплектов кулачков и пальцеобразных толкателей данные четыре разных режима работы двигателя могут подвергаться изменению. Каждый из упомянутых комплектов может быть активирован или деактивирован для приведения в движение поршневого механизма соответственно для обеспечения четырех разных режимов работы двигателя.

Цикл с дифференциальным ходом поршня может быть предусмотрен для изменения длительности хода и/или длины хода цикла внутренней части поршня. Устройство дифференциального четырехтактного поршня может включать в себя внутреннюю часть поршня и внешнюю часть поршня, которая на протяжении всего цикла соединена с коленчатым валом посредством соединительного штока. Во время тактов рабочего хода и сжатия цикла, когда усилия сжатия находятся на их самых высоких уровнях, упомянутые две части поршня объединяются для перемещения на упомянутом соединительном штоке. Во время тактов выпуска и впуска цикла, когда усилия сжатия несущественные или значительно меньшие, внутренняя часть поршня осуществляет перемещения вниз и вверх, то есть выпуск и впуск соответственно, независимо от внешней части поршня, которая продолжает перемещаться в соединении с упомянутым соединительным стержнем.

На фиг.1-3 показан один вариант осуществления устройства 100 поршня. Данное устройство поршня предназначено для двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, причем упомянутый двигатель внутреннего сгорания включает в себя один или более двухэлементных поршней, причем каждый двухэлементный поршень содержит внутреннюю часть поршня и внешнюю часть поршня. Упомянутое устройство содержит:

элемент рычага поршня, механически соединенный с внутренней частью поршня; и

множество узлов кулачковых следящих устройств, выполненных с возможностью селективного соединения с элементом рычага поршня для управления работой внутренней части поршня;

при этом селективное введение в контакт и отсоединение одного или более узлов кулачковых следящих устройств определяет режим работы внутреннего элемента поршня.

В данном варианте осуществления, упомянутое устройство содержит элемент 110 рычага поршня. Элемент 110 рычага поршня образует шарнирный четырехзвенник, содержащий звено 112 рокера поршня, пару силовых звеньев 113а и 113b и пару шарнирных звеньев 114а и 114b (которые лучше всего показаны на фиг.2). Элемент 110 рычага поршня в одном конце (являющемся концом оси цилиндра) соединен с возможностью поворота со штоком 115 поршня посредством оси 116 штока поршня.

Необходимо понимать, что шток 115 поршня в конце, противоположном оси штока (внутреннем конце штока), соединен с внутренней частью (не показана) поршня, и рабочее перемещение штока ограничено так, что оно является по существу продольным вдоль оси цилиндра.

В одном варианте осуществления, устройство поршневого механизма поддерживается с возможностью поворота на валу 118 поршневого механизма и во время сжатия смещено вверх (или нагружено) посредством системы 117 пружины поршня. Вал 118 поршневого механизма поддерживается посредством блока двигателя (не показан). Система пружины поршня обычно включает в себя пружину сжатия.

В одном варианте осуществления, множество узлов кулачковых следящих устройств содержат распределительный вал 120 поршня для управления работой внутреннего поршня посредством элемента 110 рычага поршня и штока 115 поршня. Распределительный вал 120 поршня поддерживается на блоке двигателя (не показан).

В данном варианте осуществления, распределительный вал 120 поршня содержит множество кулачковых выступов 121а и 121b поршня. Соответствующее множество пальцев 122а и 122b рокера поршня поддерживается с возможностью поворота на валу 118 поршневого механизма. Пальцы 122а и 122b рокера смещены, обычно посредством пружины (не показана), в рабочий контакт с соответствующими кулачковыми выступами 121а и 121b поршня. Каждый палец 122а или 122b рокера поршня дополнительно содержит соответствующую ось 123а или 123b пальца рокера поршня, выполненную с возможностью селективного отвода.

При использовании, когда ось 123а пальца рокера поршня находится в выдвинутом положении (которое лучше всего показано на фиг.1 и 3), вращение кулачкового выступа 121а поршня прикладывает опорное давление к пальцу 122а рокера, которое вынуждает ось 123а пальца рокера поршня прикладывать опорное давление к звену 112 рокера поршня, тем самым управляя и приводя в движении узел механизма поршня. Когда ось рокера поршня находится в отведенном положении (которое лучше всего показано ссылочной позицией 123b на фиг.1 и 3), кулачок поршня оперативно отсоединяется от поршневого механизма и не осуществляет управление перемещением внутреннего поршня.

На фиг.4 показано схематическое изображение четырех разных режимов работы двигателя в соответствии с одним вариантом осуществления. Кривые изображают перемещение внутренней части поршня в соответствии с циклом кривошипа двигателя от 0 градусов (верхней мертвой точки), проходя через 180 градусов (нижнюю мертвую точку) и возвращаясь на 360 градусов (ВМТ).

Кривая 410 (нижняя кривая) изображает перемещение внешней части поршня в цикле кривошипа двигателя, показанном начиная от ВМТ 412 при 0 градусов, проходя через НМТ 414 при 180 градусах и возвращаясь в ВМТ 416 при 360 градусах. Необходимо понимать, что управление данным перемещением осуществляется коленчатым валом посредством соединительного штока, как обычно.

Посредством выбора комбинаций введения в контакт или отсоединения (выдвижения или отвода) двух осей 123а и 123b пальца рокера поршня может быть осуществлено селективное управление внутренней частью поршня в соответствии с четырьмя разными кривыми (или режимами), тем самым определяя перемещение внутренней части поршня на протяжении цикла кривошипа двигателя.

Только в качестве примера, траектории, изображающие перемещение внутренней части поршня в цикле кривошипа двигателя, могут быть определены как:

Траектория А: может включать точки 412, 420, 421, 422, 427, 423, 424 и возвращается в точку 416;

Траектория В: может включать точки 412, 425, 426, 427, 428, 429, 430 и возвращается в точку 416;

Траектория С: может включать точки 412, 425, 426, 427, 423, 424 и возвращается в точку 416; и

Траектория D: при цилиндре, деактивированном от осуществления циклов, включает точки от 412 прямо до 416.

Только в качестве примера, кулачковый выступ 121а поршня может быть приспособлен для приведения в действие внутреннего поршня так, чтобы следовать по траектории А (включающей точки 412, 420, 421, 422, 427, 423, 424 и 416). Это позволяет внутреннему поршню иметь длительности и соответствующие смещения ходов выпуска и впуска в цикле кривошипа, которые показаны временными периодами 451 и 452 соответственно. ВМТ хода выпуска траектории А на линии 455 угла кривошипа, которая разделяет ход выпуска и ход впуска цикла с дифференциальным ходом поршня, перемещается вперед перед НМТ. Данное смещение в точке 422 на линии 455 угла кривошипа может определять уровень внутренней рециркуляции отработавших газов (EGR), чтобы способствовать и усиливать EGR для контроля NOx в данном режиме. Необходимо понимать, что данный рабочий цикл активируется посредством выдвижения оси 123а пальца рокера, функционально связанной с пальцем 122а рокера, как было описано выше.

Только в качестве примера, кулачковый выступ 121b поршня может быть приспособлен для приведения в движение поршня так, чтобы следовать по траектории В (включающей точки 412, 425, 426, 427, 428, 429, 430 и 416). Это позволяет внутреннему поршню иметь длительности и соответствующие смещения ходов выпуска и впуска в цикле кривошипа, которые показаны временными периодами 461 и 462 соответственно. ВМТ хода выпуска траектории В на линии 475 угла кривошипа, которая разделяет ход выпуска и ход впуска цикла с дифференциальным ходом поршня, перемещается назад за НМТ. Данный рабочий цикл может быть активирован посредством выдвижения оси 123b пальца рокера, функционально связанной с пальцем 122b рокера. Отмечается, что на фиг.1-3 показана ось 123b пальца рокера, которая должна быть деактивирована. Смещение в точке 428 по линии 475 угла коленчатого вала определяет уровень внутренней рециркуляции отработавших газов (EGR), чтобы способствовать и усиливать EGR для контроля NOx в данном режиме.

Только в качестве примера, кулачковый выступ 121а и 121b поршня может быть приспособлен для приведения в движение внутреннего поршня так, чтобы следовать по траектории С (включающей точки 412, 425, 426, 427, 423, 424 и 416). Для образования данной траектории, обе оси 123а и 123b пальца рокера поршня находятся в выдвинутых положениях, вследствие чего внутренний поршень будет следовать по траектории, определяемой совместно обоими кулачками. Это вынуждает внутреннюю часть поршня, управляемую и приводимую в движение посредством кулачка 121b поршня, следовать по траектории от ВМТ 412 к точкам 425, 426, 427. В точке 427 кулачок 121а поршня будет захватывать и вынуждать внутренний поршень следовать через точки 427, 423, 424 и возвращаться в ВМТ 416. Это позволит внутренней части поршня иметь длительности и соответствующие смещения хода выпуска и впуска в цикле коленчатого вала, которые показаны временными интервалами 461 и 462 соответственно. ВМТ хода выпуска траектории С на линии 465 угла кривошипа, которая разделяет ход выпуска и ход впуска цикла с дифференциальным ходом поршня, перемещается вперед перед НМТ. Смещение в точке 427 на линии 465 угла коленчатого вала определяет уровень внутренней рециркуляции отработавших газов (EGR), чтобы способствовать и усиливать EGR для контроля NOx в данном режиме.

Необходимо понимать, что если обе оси 123а и 123b пальца рокера поршня находятся в отведенном положении, то система пружины поршня будет смещать внутреннюю часть поршня к ВМТ, тем самым деактивируя цилиндр из осуществления ходов. Преимущество данной системы управления цилиндром, по сравнению с обычными четырехтактными двигателями, заключается в том, что внутренняя часть поршня не осуществляет полное смещение, тем самым уменьшая потери, вызываемые трением и нагнетанием.

Необходимо понимать, что соответствующие перемещения (не показанные) клапанов необходимы для обеспечения описанных ходов поршня для обеспечения тактов выпуска и впуска, чтобы обеспечить оптимальную продувку и заполнение цилиндра. Это может быть достигнуто посредством технологии регулируемых клапанных механизмов или другого пригодного средства.

На фиг.5 показана блок-схема способа 500 управления работой внутренней части поршня двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня. Данный способ включает этапы:

этап 510: обеспечение двигателя с дифференциальным ходом поршня;

этап 520: селективная активация одного из множества режимов работы; и

этап 530: управление, на основе выбранного режима работы, перемещением внутренней части поршня на протяжении цикла кривошипа двигателя.

Только в качестве примера, селективная активация одного из множества режимов работы может включать введение в контакт одного или более кулачковых следящих устройств и/или отсоединение одного или более других кулачковых следящих устройств.

В данном варианте осуществления, способ управления двигателем с дифференциальным ходом поршня может быть таким, как описано в данном документе, причем упомянутое одно или более кулачковых следящих устройств поршня может быть таким, как описано в данном документе, причем упомянутое одно или более следящих устройств поршня может определять один из множества доступных режимов работы.

Необходимо понимать, что раскрытые варианты осуществления обеспечивают усовершенствованное устройство и способ управления поршнем с дифференциальным ходом.

Необходимо понимать, что обычный двигатель обеспечивает максимальную эффективность в конкретной рабочей точке, которая определяется конструкцией двигателя, которая обычно близка к созданию максимального крутящего момента и значительно ниже номинальных оборотов. Поскольку существует очевидная потребность обеспечить достаточный запас максимальной мощности, большинство автомобильных двигателей являются слишком мощными и работают значительно ниже оптимальной эффективности, обычно используя менее 20% энергии на входе.

Хотя большинство водителей часто считают большой запас максимальной мощности очень желательным как резерв «на всякий пожарный случай», исследования, проведенные в Массачусетском технологическом институте, показали, что можно сэкономить примерно 50% топлива (т.е. получить 100% выгоды в милях на галлон), если обычные автомобильные двигатели всегда приводить в действие с оптимальной эффективностью.

Одним из способов повышения эффективности является приспосабливание режима работы двигателя к требованиям вождения, при этом обеспечивая запас максимальной мощности. В двигателе с дифференциальным ходом поршня это обычно осуществляется посредством укорачивания (или уменьшения размеров) двигателя в соответствии с требованиями вождения. Такое усовершенствование двигателя с дифференциальным ходом поршня осуществляется посредством системы с одним кулачком. Режим работы приспособлен так, чтобы обеспечить «усредненную» эксплуатацию двигателя или «усредненные» требования вождения.

Однако требования вождения (или эксплуатация двигателя) включают широкий диапазон оборотов и выходной мощности. Например, при езде по городу двигатель часто запускается из нерабочего состояния и ускоряется до скорости вождения по городу. Это требует высокого крутящего момента двигателя при низких оборотах. Во время движения по автомобильной магистрали двигатель должен работать с оптимальной эффективностью на более высоких оборотах. Кроме того, во время движения по автомобильной магистрали существуют периоды времени, когда двигатель должен выдавать высокую мощность при высоких оборотах, чтобы обеспечить движение в транспортном потоке. Еще более высокая выходная мощность может требоваться, если транспортное средство является тяжело нагруженным. При очень малой нагрузке, например при холостом ходе и при дополнительном генерировании мощности в тяжелых грузовиках, некоторые из цилиндров могут быть деактивированы, чтобы сэкономить еще больше топлива. Будет выгодно, если двигатель будет способен приспосабливать режим работы, изменяя размеры, к данным изменяющимся требованиям.

Необходимо понимать, что раскрытые варианты осуществления могут предусматривать четыре режима работы двигателя. Режим работы двигателя может быть оптимизирован для соответствующих выходных характеристик, тем самым дополнительно увеличивая преимущества двигателя с дифференциальным ходом. Необходимо отметить, что при других исполнениях поршневого механизма могут быть обеспечены еще и дополнительные режимы работы.

Раскрытый усовершенствованный двигатель с дифференциальным ходом поршня представляет собой относительно простую и недорогую конструкцию поршневого механизма для осуществления различных функций двигателя. Дополнительная стоимость реализации комплектов кулачков и следящих устройств поршня относительно мала. Следующее поколение двигателей с дифференциальным ходом поршня сможет обеспечить многорежимную работу.

Пояснение

Используемая в данном описании ссылка на «один вариант осуществления» означает, что конкретный признак, устройство или характеристика, описанная со ссылкой на данный вариант осуществления, включена в по меньшей мере один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, выражения «в одном варианте осуществления» в разных местах в данном описании необязательно все относятся, но могут относиться к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, конкретные признаки, устройства или характеристики могут быть объединены любым способом, как очевидно из данного описания для специалиста в данной области техники, в одном или нескольких вариантах осуществления.

В приведенной ниже формуле и описании настоящего изобретения, любое из выражений «содержащий», «состоящий из» или «который содержит» является неограниченным выражением, которое означает включающий в себя по меньшей мере элементы/признаки, которые следуют за ним, но не исключающий других. Таким образом, выражение «содержащий», используемое в формуле изобретения, не должно толковаться как ограничивающее по отношению к средствам или элементам или этапам, перечисленным после него. Например, смысл выражения «устройство, содержащее А и В» не должен ограничиваться устройствами, состоящими только из элементов А и В. Любое из выражений «включающий» или «который включает в себя» или «который включает», используемое в данном документе, также является неограничивающим выражением, которое также означает включающий по меньшей мере элементы/признаки, которые следуют за данным выражением, но не исключающий других. Таким образом, выражение «включающий в себя» является синонимом выражения «содержащий».

Аналогичным образом необходимо отметить, что выражение «соединенный», используемое в формуле изобретения, не должно интерпретироваться как ограниченное только непосредственными соединениями. Могут быть использованы выражения «связанный» и «соединенный», а также их производные. Необходимо понимать, что данные выражения не следует понимать как синонимичные друг другу. Таким образом, смысл выражения «устройство А, связанное с устройством В» не должен быть ограничен устройствами или системами, в которых выход устройства А непосредственно соединен с входом устройства В. Это означает, что существует некий канал между выходом А и входом В, который может представлять собой канал, включающий в себя другие устройства и средства. «Связанный» может означать, что два или несколько элементов либо находятся в непосредственном физическом контакте, либо не находятся в непосредственном контакте друг с другом, но, тем не менее, взаимодействуют друг с другом.

Если не указано иное, то простые прилагательные «первый», «второй», «третий» и т.д., используемые в данном документе для описания обычного предмета, указывают только то, что упоминаются разные примеры одинаковых предметов, и не означают, что данные предметы должны находиться в заданной последовательности, либо по времени, в пространстве, по иерархии, либо любым другим способом.

Если не указано иное, то термины «горизонтальный», «вертикальный», «левый», «правый», «верхний» и «нижний», а также их производные в форме причастий и наречий (например, «горизонтально», «направо», «вверх» и др.), относятся только к ориентации показанного устройства, когда конкретный чертеж обращен к читателю, или со ссылкой на ориентацию данного устройства при указанном использовании, соответствующим образом. Аналогично, термины «внутри» и «снаружи» относятся преимущественно к ориентации поверхности относительно ее оси удлинения или оси вращения, соответствующим образом.

Необходимо также понимать, что в приведенном выше описании примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, различные признаки изобретения иногда объединены вместе в одном варианте осуществления, чертеже или его описании с целью упрощения раскрытия и облегчения понимания одного или более разных аспектов настоящего изобретения. Однако данный способ раскрытия не следует понимать в том смысле, что заявленное изобретение требует большего количества признаков, чем явно указано в каждом пункте формулы. Скорее, как следует из приведенной ниже формулы, аспекты настоящего изобретения заключены в менее чем всех признаках одного вышеприведенного раскрытого варианта осуществления. Таким образом, формула изобретения, приведенная после подробного описания, явно включена в данное подробное описание, причем каждый пункт формулы является независимым как отдельный вариант осуществления настоящего изобретения.

Кроме того, хотя некоторые варианты осуществления, описанные в данном документе, включают в себя одни, а не другие признаки, заключенные в других вариантах осуществления, сочетания признаков разных вариантов осуществления находятся в пределах объема настоящего изобретения и образуют другие варианты осуществления, как будет понятно для специалистов в данной области техники. Например, в приведенной ниже формуле изобретения любой из заявленных вариантов осуществления может быть использован в любом сочетании.

Кроме того, некоторые варианты осуществления описаны в данном документе как способ или сочетание элементов способа, которые могут быть реализованы посредством процессора вычислительной системы или другого средства выполнения данной функции. Таким образом, процессор, содержащий необходимые инструкции для осуществления такого способа или элемента способа, образует средство для осуществления данного способа или элемента способа. Кроме того, описанный в данном документе элемент в соответствии с вариантом осуществления устройства является примером средства для осуществления функции, выполняемой данным элементом с целью осуществления настоящего изобретения.

В описании, предусмотренном в данном документе, приведено множество конкретных деталей. Однако необходимо понимать, что варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы без данных конкретных деталей. В других случаях общеизвестные способы, устройства и технологии подробно не описаны, чтобы не затруднять понимание данного описания.

Таким образом, хотя описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что другие и дополнительные модификации могут быть выполнены в них без отхода от сущности изобретения, и необходимо понимать, что все такие изменения и модификации находятся в пределах объема настоящего изобретения. Например, любые формулировки, приведенные выше, являются только описывающими процедуры, которые могут быть использованы. Функциональные блоки могут быть добавлены или удалены из блок-схем, и операции могут быть переставлены между функциональными блоками. Этапы могут быть добавлены или удалены в способах, описанных в пределах объема настоящего изобретения.

1. Поршневое устройство для двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, причем двигатель внутреннего сгорания содержит один или более двухэлементных поршней, каждый из которых включает в себя первую часть поршня и вторую часть поршня, работающие в разных циклах, при этом поршневое устройство содержит:элемент рычага поршня, механически соединенный со второй частью поршня; имножество узлов кулачковых следящих устройств для управления работой второй части поршня, включающих в себя:- множество кулачковых выступов для поршня,- множество пальцев рокера, установленных с возможностью поворота, для кулачкового взаимодействия с кулачковыми выступами, и- селективно отводимые и выдвигаемые оси пальца рокера;при этом узлы кулачковых следящих устройств выполнены с возможностью селективного соединения с элементом рычага поршня для управления работой второй части поршня.

2. Устройство по п. 1, в котором элемент рычага поршня образует шарнирный четырехзвенник, содержащий элемент звена рокера поршня, одно или более силовых звеньев и одно или более шарнирных звеньев.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее вал поршневого механизма, который поддерживает с возможностью поворота устройство относительно блока двигателя.

4. Устройство по п. 3, в котором вал поршневого механизма связан с элементом звена рокера и одним или более шарнирными звеньями.

5. Устройство по п. 3, в котором вал поршневого механизма определяет точку поворота шарнирного четырехзвенника.

6. Устройство по п. 1, в котором один или более из множества узлов кулачковых следящих устройств содержит распределительный вал поршня.

7. Устройство по п. 6, в котором распределительный вал поршня содержит множество кулачковых выступов.

8. Устройство по п. 1, в котором элемент рычага поршня смещен посредством узла пружины сжатия ко второй части поршня, находящейся во внутренней конфигурации, противодействуя кулачковым выступам узлов кулачковых следящих устройств.

9. Устройство по п. 1, в котором первая часть поршня представляет собой внешнюю часть поршня, а вторая часть поршня представляет собой внутреннюю часть поршня.

10. Устройство по п. 1, в котором первая часть поршня и вторая часть поршня перемещаются соосно.

11. Устройство по п. 10, в котором элемент рычага поршня в одном конце соединен с возможностью поворота со штоком поршня и перемещение штока поршня ограничено по существу перемещением в продольном направлении вдоль оси цилиндра поршня.

12. Устройство по п. 1, имеющее множество режимов работы, определяемых посредством селективного введения в контакт или отсоединения одного или более узлов кулачковых следящих устройств.

13. Устройство по п. 1, содержащее два узла кулачковых следящих устройств для определения четырех режимов работы.

14. Устройство по п. 13, в котором один из четырех режимов эффективно деактивирует работу второй части поршня.

15. Способ управления работой второй части поршня двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, включающий этапы:обеспечения двигателя с дифференциальным ходом поршня, содержащего:элемент рычага поршня, механически соединенный со второй частью поршня; имножество узлов кулачковых следящих устройств, выполненных с возможностью селективного соединения с элементом рычага поршня и включающих в себя:- множество кулачковых выступов,- множество пальцев рокера, установленных с возможностью поворота, для кулачкового взаимодействия с кулачковыми выступами, и- селективно отводимые и выдвигаемые оси пальца рокера;введения в контакт или отсоединения одного или более из множества кулачковых следящих устройств для селективной активации одного из множества режимов работы; иуправления, на основе выбранного режима работы, перемещением и синхронизацией второй части поршня на протяжении цикла кривошипа двигателя.

16. Способ по п. 15, при котором селективное введение в контакт или отсоединение одного или более из множества кулачковых следящих устройств определяет соответствующий один из множества режимов работы.

17. Устройство поршневого механизма для двигателя с дифференциальным ходом поршня, причем двигатель содержит один или более двухэлементных поршней, каждый из которых включает в себя первую часть поршня и вторую часть поршня, имеющую шток поршня, проходящий через первую часть поршня, при этом устройство содержит:элемент рычага поршня, с возможность поворота соединяемый с одним концом штока поршня второй части поршня и образующий четырехзвенник, шарнирно поддерживаемый на валу поршневого механизма;распределительный вал поршня, имеющий один или более кулачковых выступов для поршня;множество пальцев рокера, установленных с возможностью поворота на валу поршневого механизма; иселективно отводимые оси пальца рокера для поршня в каждом из множества пальцев рокера,при этом оси пальца рокера в выдвинутом положении прилагают опорное давление к четырехзвеннику, таким образом управляя и приводя в действие вторую часть поршня.

18. Устройство по п. 17, в котором оси пальца рокера в отведенном положении функционально отсоединяют устройство поршневого механизма от второй части поршня.

19. Устройство по п. 17, в котором элемент рычага поршня образует четырехзвенник, содержащий звено рокера поршня, пару силовых звеньев и пару шарнирных звеньев.

20. Устройство по п. 17, в котором множество пальцев рокера смещается в опорный контакт с соответствующими кулачковыми выступами для поршня.

www.findpatent.ru

усовершенствованный двухтактный двигатель внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней - патент РФ 2375594

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В двухтактном двигателе внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней противоположно расположенные поршни, размещенные в цилиндре, соединены с парой установленных по бокам коленчатых валов посредством соединительных стержней, которые подвергаются по существу растягивающим усилиям, действующим между поршнями и коленчатыми валами. Эта геометрия уменьшает или устраняет боковые усилия между поршнями и расточенными стенками цилиндра. Цилиндр и поршни охлаждаются независимо для уменьшения цилиндрической деформации, вызванной тепловым расширением во время работы двигателя. Изобретение обеспечивает повышение мощности двигателя с противоположным расположением поршней. 7 н. и 37 з.п. ф-лы, 17 ил.

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Эта заявка является частичным продолжением находящейся в стадии рассмотрения заявки на патент США № 10/865707, поданной 10 июня 2004, под названием «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней», объект изобретения которой полностью включен в эту заявку посредством ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение имеет отношение к двигателям внутреннего сгорания. Точнее говоря, изобретение относится к двухтактным двигателям с противоположным расположением поршней.

Двигатели с противоположным расположением поршней были изобретены Хьюго Джанкерсом (Hugo Junkers) в конце девятнадцатого столетия. Основная конструкция Джанкерса, изображенная на фиг.1, использует два поршня Р1 и Р2, расположенные головка-к-головке в общем цилиндре С, имеющем впускное и выпускное отверстия I и Е вблизи верхней мертвой точки каждого поршня, служащего клапаном для каждого отверстия. Перемычки В поддерживают прохождение поршневых колец после отверстий I и Е. Двигатель имеет два коленчатых вала С1 и С2, расположенных по одному на каждом конце цилиндра. Коленчатые валы, которые вращаются в одном и том же направлении, соединены с соответствующими поршнями шатунами R1 и R2. Поршневые пальцы W1 и W2 соединяют шатуны с поршнями. Коленчатые валы соединены друг с другом зубчатой передачей для управления фазировкой открытия и закрытия отверстий и для обеспечения выхода мощности двигателя. Обычно турбокомпрессор наддува приводится в действие от выпускного отверстия, а связанный с ним компрессор используют для продувки цилиндров и подачи свежего воздуха при каждом обороте двигателя. Преимущества двигателя Джанкерса с противоположным расположением поршней по сравнению с традиционными двухтактными и четырехтактными двигателями включают в себя превосходную продувку, уменьшенное количество деталей и повышенную надежность, высокий тепловой коэффициент полезного действия и высокую мощность на единицу объема. В 1936 году авиационные двигатели Джумо-Джанкерса, наиболее удачные дизельные двигатели того времени, оказались способными развивать такую удельную мощность, с которой не могли сравняться с тех пор никакие дизельные двигатели. По мнению С.Ф.Тэйлора (C.F.Taylor, The Internal-Combustion Engine in Theory and Practice: Volume 2, revised edition; MIT Press, Cambridge, Mass., 1985): "Ныне вышедшие из употребления авиационные дизельные двигатели Джанкерса до сих пор удерживают рекорд по удельной мощности дизельных двигателей, используемых в настоящее время (т.1, фиг.13-11)."

Тем не менее, базовая конструкция Джанкерса имеет ряд недостатков. Двигатель высокий, его длина складывается из длины четырех поршней и по меньшей мере диаметров двух коленчатых валов, по одному на каждом конце цилиндров. Длинная зубчатая передача, состоящая обычно из пяти зубчатых колес, требуется для объединения выходов двух коленчатых валов в выходной привод. Каждый поршень соединен с коленчатым валом шатуном, который выходит из внутренней части поршня. Вследствие этого шатуны массивны для того, чтобы они могли выдерживать большие сжимающие усилия между поршнями и коленчатыми валами. Эти усилия сжатия, объединенные с колебательным движением поршневых пальцев, и нагрев поршня вызывают преждевременную поломку поршневого пальца, соединяющего поршень с шатуном. Усилие сжатия, прикладываемое к каждому поршню связанным с ним шатуном под углом к оси поршня, создает радиально направленное усилие (боковую силу) между поршнем и стенкой цилиндра. Эта боковая сила увеличивает трение между поршнем и цилиндром, что увеличивает температуру поршня, ограничивая, таким образом, среднее эффективное давление (СЭД), которое является индикатором мощности двигателя. Один коленчатый вал соединен только с поршнями на выпускной стороне, а другой - только с поршнями на стороне впуска. В двигателе Джумо поршни выпускной стороны создают до 70% крутящего момента, а коленчатый вал выпускной стороны несет большую нагрузку крутящего момента. Комбинация дисбаланса крутящего момента, широкого разноса коленчатых валов и длины цепочки зубчатых колес, соединяющих коленчатые валы, создает эффекты крутильных резонансов (вибрации) в цепочке зубчатых колес. Тяжелый корпус двигателя требуется для того, чтобы сдерживать большие силы отталкивания, прикладываемые поршнями к коленчатым валам, которые во время горения буквально пытаются разнести двигатель.

Одно предложенное усовершенствование базового двигателя с противоположным расположением поршней описано в патенте Великобритании № 558115 Берда (Bird), которое состоит в том, что коленчатые валы располагают около цилиндров так, что их оси вращения лежат в плоскости, которая пересекает цилиндры и перпендикулярна оси расточенной части цилиндра. Такие установленные сбоку коленчатые валы оказываются ближе друг к другу, чем в двигателях Джумо, и соединены более короткой зубчатой передачей. Поршни и коленчатые валы соединяются стержнями, которые проходят к каждому коленчатому валу из каждого поршня вдоль стенок цилиндров под острыми углами к стенкам цилиндров. В таком устройстве стержни в основном подвергаются усилиям растяжения, которые устраняют силы отталкивания на коленчатых валах и дают существенное уменьшение веса, т.к. для стержней, нагруженных в основном усилиями растяжения, требуется менее массивная конструкция, чем для стержней, находящихся в основном под сжимающей нагрузкой той же величины. Поршневые пальцы, соединяющие стержни с поршнями, расположены снаружи поршней, на седлах, прикрепленных к наружным частям юбок поршней. Предложенный Бердом двигатель обладает крутильным балансом, полученным благодаря присоединению каждого поршня к обоим коленчатым валам. Этот баланс, сближение коленчатых валов и сокращение длины зубчатой передачи создают хорошую устойчивость к крутильным колебаниям. Для уравновешивания динамических сил в двигателе каждый поршень соединен с одним коленчатым валом одной группой стержней, а другой группой стержней - с другим коленчатым валом. Эта балансировка нагрузки по существу устраняет боковые силы, которые в противном случае действовали бы между поршнями и внутренней расточенной частью цилиндров. Габариты двигателя также уменьшились благодаря перестановке коленчатых валов к бокам цилиндров и укорочению цепочки зубчатых колес, требующей меньшего количества зубчатых колес (четыре), чем в двигателе Джумо. Однако даже с этими усовершенствованиями ряд проблем помешал двигателю, предложенному Бердом, достичь его полного потенциала в простоте и удельной мощности (УМ, которая измеряется в л.с./фунт) (Ватт/кг).

Лучшая УМ двигателей с противоположным расположением поршней по сравнению с двух- и четырехтактными двигателями достигается главным образом благодаря простоте конструкции этих двигателей, в которой устранены головки цилиндров, привод клапанов и другие детали. Однако одно уменьшение веса имеет только ограниченные возможности повышения УМ, поскольку при любом данном весе любое увеличение СЭД для увеличения мощности ограничивается возможностями охлаждения цилиндров и поршней двигателя.

По существу тепло камеры сгорания поглощается поршнями и цилиндрами. На деле головка поршня является одним из наиболее горячих мест двухтактного двигателя с противоположным расположением поршней и воспламенением от сжатия. Чрезмерное нагревание вызывает расширение головки, которое может привести к заклиниванию поршня. Поршень должен быть охлажден для уменьшения этой угрозы. Во всех двигателях с высокими характеристиками поршни охлаждают главным образом с помощью колец, установленных на наружных поверхностях поршней, около их головок. Кольца поршня соприкасаются со стенкой цилиндра и проводят тепло от поршня к цилиндру и таким образом к охлаждающей жидкости, протекающей через охлаждающую рубашку, или с помощью охлаждающих ребер на блоке цилиндров двигателя. Для эффективного охлаждения поршня требуется тесный контакт между кольцами и стенкой цилиндра. Но в двухтактных двигателях с отверстиями кольца поршней должны быть слабо нагружены для того, чтобы выдержать прохождение над перемычками отверстий цилиндров, где возникают очень сложные усилия. Поэтому кольца ограничены в их возможности охлаждать поршни, что накладывает ограничение на максимальную температуру камеры сгорания, достижимую до того, как произойдет поломка двигателя. Известно применение жидкой смазки на внутренней поверхности поршня для охлаждения поршня, но присутствие во внутренней части поршня конструкции для приема одного или нескольких поршневых пальцев в значительной мере ограничивает поверхность, доступную для охлаждения, и средства, с помощью которых может быть применена жидкая смазка.

Известные двигатели с противоположным расположением поршней содержат блок двигателя, в котором отлиты цилиндры и подшипники двигателя в большом неподвижном узле, который служит основным конструктивным и архитектурным элементом двигателя. Хотя двигатель Берда исправил дисбаланс крутящего момента, устранил большую часть сжимающих усилий, действующих на стержни, и устранил боковые силы на стенке цилиндра, он все-таки использует блок двигателя как основной конструктивный элемент. То есть блок двигателя обеспечивает опору для цилиндров и подшипников двигателя, трубопроводов для отверстий в цилиндрах и охлаждающих рубашек цилиндров. Тепловые и механические усилия, передаваемые через блок двигателя, вызывают неоднородные радиальные искажения цилиндров, приводящие к необходимости помощи в поддержании уплотнения между цилиндром и поршнем со стороны колец поршня.

Ясно, что увеличение мощности двигателя в двухтактных двигателях с противоположным расположением поршней может быть достигнуто при устранении или по меньшей мере при существенном уменьшении тепловых и механических усилий, которые вызывают неоднородные радиальные искажения формы цилиндра, и при устранении или по меньшей мере существенном уменьшении тепловой деформации головок поршней.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Увеличенное СЭД получено в двухтактном двигателе с противоположным расположением поршней с установленными сбоку коленчатыми валами путем охлаждения, которое одновременно эффективно и адаптировано, и путем удаления из цилиндров механических напряжений.

Эффективное охлаждение ограничивает максимальную температуру цилиндра и поршней, отводя так много тепла, сколько это возможно, от этих элементов во время работы двигателя. Специально приспособленное охлаждение устраняет или по меньшей мере существенно снижает неоднородную деформацию цилиндра и расширение головки поршня, которые в противном случае были бы вызваны нагревом этих элементов при работе двигателя. Цилиндр может быть охлажден с помощью охлаждающих каналов, каждый из которых установлен на раме двигателя или на соответствующем поршне. Цилиндр может быть также охлажден направленным протеканием охлаждающей жидкости через группы канавок на наружной поверхности цилиндра или с помощью одной или нескольких струй охлаждающей жидкости, направленных на заднюю поверхность головки поршня.

Радиальные неоднородные механические напряжения в цилиндре устранены или по меньшей мере существенно уменьшены путем освобождения цилиндра от пассивного архитектурного или конструктивного элемента двигателя, такого как блок двигателя. В одном аспекте цилиндр в двигателе может, в принципе, поддерживаться конструкциями, связанными с поршнем и трубопроводами подачи топлива и охлаждающей жидкости.

В целом эти усовершенствования создают малый однородный зазор между поршнем и цилиндром, который делает возможным непроницаемое уплотнение между цилиндром и поршнями, устраняя в то же время контакт между поршнями и внутренней поверхностью цилиндра.

Дополнительные усовершенствования в работе двигателя могут быть реализованы допущением определенной податливости между цилиндром и поршнями во время работы двигателя. Поршни в двигателе могут быть установлены с некоторой степенью свободы, что дает возможность поршням поддерживать центровку с цилиндром во время работы двигателя.

Эти усовершенствования, а также другие усовершенствования и преимущества, отраженные в следующем ниже описании, представляют очень простой двухтактный двигатель с противоположным расположением поршней, способный существенно увеличить СЭД, с уменьшенным весом, вследствие чего у двигателя есть потенциал достичь более высокого УМ, чем в известных реализациях двигателя тех же размеров и скорости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Описанные ниже чертежи демонстрируют лишь принципы построения и примеры, обсуждаемые в следующем ниже подробном описании. Они не обязательно изображены в масштабе.

Фиг.1 изображает неполную схематическую иллюстрацию части дизельного двигателя с противоположным расположением поршней предшествующего уровня техники.

Фиг.2А и 2В изображают разрез цилиндра с противоположным расположением поршней, соединенных с двумя коленчатыми валами с помощью стержней, нагруженных сжимающими усилиями, в первом варианте выполнения двигателя внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней. Фиг.2А изображает поршни во внутренней, или верхней, мертвой точке. Фиг.2В изображает поршни в наружной, или нижней, мертвой точке.

Фиг.3А-3F изображают упрощенные виды разрезов цилиндра и поршней, показанных на фиг.2А и 2В, иллюстрируя полный цикл движения поршней.

Фиг.4 изображает график, показывающий относительное фазирование двух противоположно расположенных поршней, показанных на фиг.3А-3F.

Фиг.5А изображает разрез цилиндра с противоположным расположением поршней, показанных на фиг.2А и 2В и повернутых на 90° вокруг своих осей. Фиг.5В изображает тот же вид цилиндра, показанного фиг.5А, показывая дополнительный вариант выполнения для охлаждения цилиндра.

Фиг.6А и 6В иллюстрируют в аксонометрии виды этапов сборки механизма одного цилиндра для первого варианта выполнения двигателя с противоположным расположением поршней.

Фиг.7А-7С являются соответственно видами модуля одноцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней для первого варианта выполнения двигателя с противоположным расположением поршней, изображающими сборку деталей на этапах сборки. Фиг.7D является окончательным видом модуля одноцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней, изображающим открытую коробку зубчатой передачи с одним частично разрезанным зубчатым колесом.

Фиг.8А-8С являются аксонометрическими видами выполнения модуля первого варианта многоцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней, изображающими сборку деталей на этапах сборки.

Фиг.9А упрощенно изображает схему системы питания для двигателя с противоположным расположением поршней, которая обеспечивает двигатель жидким хладагентом. Фиг.9В является упрощенной схемой комбинированной системы подачи топлива и жидкого хладагента в двигателе с противоположным расположением поршней. Фиг.9С является упрощенной схемой другой системы питания двигателя с противоположным расположением поршней, которая обеспечивает двигатель жидким хладагентом.

Фиг.10 является упрощенной схемой потока газов в двигателе с противоположным расположением поршней.

Фиг.11А-11D изображают конструкцию цилиндра, используемого во втором варианте выполнения двигателя внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней.

Фиг.12 изображает график, моделирующий усредненный по времени поток тепла в цилиндре в направлении оси во время работы двигателя с противоположным расположением поршней.

Фиг.13А-13Е изображают конструкцию поршня, используемую во втором варианте выполнения двигателя.

Фиг.14А изображает вид сбоку второго варианта выполнения двигателя, показывая цилиндр с противоположным расположением поршней, в котором поршни соединены с двумя коленчатыми валами соединительными стержнями, предварительно подвергнутыми растягивающей нагрузке, причем вид снабжен частичным разрезом для изображения конструкции охлаждения поршня, соответствующей фиг.13А-13Е.

Фиг.14В является видом сбоку с частичным разрезом второго варианта выполнения двигателя, изображая цилиндр с противоположным расположением поршней, в котором поршни соединены с двумя коленчатыми валами соединительными стержнями, предварительно подвергнутыми растягивающей нагрузке, с частичным разрезом для изображения варианта конструкции охлаждения поршня.

Фиг.15А-15Е являются аксонометрическими видами многоцилиндрового осуществления второго варианта выполнения двигателя, изображающими сборку деталей на различных этапах сборки.

Фиг.16А изображает упрощенную схему питания, используемую для регулировки подачи жидкого хладагента к цилиндру и противоположно расположенным поршням второго варианта выполнения двигателя.

Фиг.16В является упрощенной схемой видоизмененной системы питания, используемой для регулировки подачи жидкого хладагента к цилиндру и противоположно расположенным поршням второго варианта выполнения двигателя.

Фиг.17А-17F изображают применение двигателя с противоположным расположением поршней.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Первый вариант выполнения двигателя

Элементы первого варианта выполнения двигателя с противоположным расположением поршней изображены на фиг.2А и 2В. На этих чертежах изображен цилиндр 10 с размещенными в нем противоположно расположенными поршнями 12 и 14. Поршни 12 и 14 перемещаются коаксиально в цилиндре 10 в противоположных направлениях друг к другу и удаляясь друг от друга. Фиг.2А изображает поршни 12 и 14 в верхней (или внутренней) мертвой точке, в которой они находятся в верхней точке их такта сжатия, вблизи момента зажигания. Фиг.2В изображает поршни вблизи нижней (или наружной) мертвой точки, в которой они находятся в конце их тактов расширения или рабочих ходов. Ниже эти и промежуточные положения описаны более подробно.

В последующем объяснении описывается двигатель с воспламенением от сжатия только ради иллюстрации и примера. Специалисты в этой области техники поймут, что описанные элементы, модули и сборки могут также быть приспособлены для двигателя с искровым зажиганием.

Как изображено на фиг.2А и 2В, цилиндр 10 представляет собой трубу с размещенными в ней противоположно расположенными поршнями 12 и 14 с возможностью совершения ими возвратно-поступательного движения в противоположных направлениях друг к другу и с удалением друг от друга от центра цилиндра 10. Поршни 12 и 14 соединены с первым и вторым расположенными по бокам и вращающимися в противоположные стороны коленчатыми валами 30 и 32, которые, в свою очередь, соединены с общим выходом (не показанным на этих чертежах).

Поршни 12 и 14 представляют собой пустотелые цилиндрические детали с закрытыми аксиальными концами 12а и 14а, которые оканчиваются головками 12d и 14d, с открытыми аксиальными концами 12о и 14о и с юбками 12s и 14s, которые проходят от открытых аксиальных концов 12о и 14о к головкам 12d и 14d. Седла 16 и 18 в форме открытых кольцевых конструкций установлены на открытых аксиальных концах 12о и 14о соответственно поршней 12 и 14. Каждое седло 16, 18 соединяет концы соединительных стержней с соответствующим поршнем, на котором оно установлено. На аксонометрическом виде этих чертежей изображены только два соединительных стержня для каждого поршня и должно быть понятно, что один или несколько соединительных стержней не видны. Соединительные стержни 20а и 20b соединены с седлом 16 вблизи открытого конца поршня 12, тогда как соединительные стержни 22а и 22b соединены с седлом 18 вблизи открытого конца поршня 14. В связи с тем, что седла 16 и 18 обеспечивают связь между поршнями 12 и 14 и их соответствующими стержнями, поршни не имеют внутренних поршневых пальцев. Полученная вследствие этого открытая конструкция седел и поршней позволяет распылителям 24 и 26 жидкого хладагента проходить вдоль оси в поршни 12 и 14 от открытых концов 12о и 14о нацеленными на головки и внутренние поверхности юбок соответственно поршней 12 и 14.

Два установленные по бокам коленчатых вала 30 и 32 расположены так, что их оси параллельны друг другу и лежат в общей плоскости, которая пересекает цилиндр 10 в середине его продольной оси или вблизи нее и перпендикулярна оси цилиндра. Коленчатые валы вращаются в противоположных направлениях. Соединительные стержни 20а, 20b и 22а, 22b присоединены к коленам кривошипа коленчатых валов 30 и 32. Каждый соединительный стержень расположен так, что образует острый угол с осью (и боковыми поверхностями) цилиндра 10 и поршней 12 и 14. Соединительные стержни присоединены к седлам 16 и 18 с помощью игольчатых подшипников 36 и к коленам кривошипа с помощью роликовых подшипников 38. Когда каждый поршень перемещается за время рабочего цикла двигателя, концы соединительных стержней, присоединенные к седлу поршня, совершают колебательные движения в ограниченных пределах изменения угла и не происходит полного оборота между их концами и элементами седла, к которым они прикреплены. Игольчатые подшипники с достаточно малым диаметром игл за время каждого колебания совершают по меньшей мере полный оборот игл, снижая таким образом асимметрию износа и продлевая срок службы подшипников.

Геометрические соотношения между соединительными стержнями, седлами и коленчатыми валами на фиг.2А и 2В поддерживают соединительные стержни главным образом под усилием растяжения во время движения поршней 12 и 14 в цилиндре 10, с ограниченным уровнем усилий сжатия, вызываемых силами инерции поршней при высоких скоростях двигателя. Эта геометрия снижает или по существу устраняет боковые силы между поршнями и стенкой цилиндра.

На фиг.2А и 2В изображены дополнительные детали и особенности цилиндра 10 и поршней 12 и 14. Цилиндр 10 содержит впускное отверстие 46, через которое воздух под давлением подается в цилиндр 10. Цилиндр также имеет выпускное отверстие 48, через которое продукты горения выходят из цилиндра 10. В связи с их расположением относительно этих отверстий поршни 12 и 14 могут быть соответственно обозначены как "выпускной" и "впускной" поршни и так же могут быть названы концы цилиндра 10. Ниже будет описана предпочтительная, но не единственно возможная, конфигурация отверстий 46 и 48. Работа выпускного и впускного отверстий регулируется движением поршней во время работы двигателя. По меньшей мере одно положение впрыска (не показано на этом чертеже), управляемое одной или несколькими топливными форсунками (описанными ниже), впускает топливо в цилиндр 10.

Как будет подчеркнуто следующими ниже чертежами и описанием, соотношение между длиной поршня, длиной цилиндра и длиной, добавленной к внутренней поверхности цилиндра трубопроводами цилиндра, вместе с разностью фаз между поршнями в то время, как они пересекают положения их нижних мертвых точек, регулирует работу отверстий и устанавливает очередность их работы в соответствии с действиями поршня. С учетом этого впускное и выпускное отверстия 46 и 48 расположены по направлению оси от продольного центра цилиндра вблизи его концов. Поршни могут быть одинаковой длины. Каждый поршень 12 и 14 во время своего приближения к положению верхней мертвой точки сохраняет связанное с ним отверстие 46 или 48 цилиндра 10 закрытым. Сдвиг фаз между положениями верхних мертвых точек создает последовательность, в которой выпускное отверстие открывается тогда, когда выпускной поршень перемещается вблизи положения его нижней мертвой точки, затем открывается впускное отверстие, когда впускной поршень перемещается вблизи положения его нижней мертвой точки, после чего выпускное отверстие закрывается, когда выпускной поршень удаляется от положения его нижней мертвой точки, а затем впускное отверстие закрывается после того, как впускной поршень удаляется от положения его нижней мертвой точки.

Фиг.3А-3F являются упрощенными изображениями цилиндра 10 и поршней 12 и 14, показанных на фиг.2А и 2В, представляя образец цикла работы ("рабочего цикла"). В этом примере с поршнями в верхней мертвой точке противолежащие стержни на каждой стороне цилиндра образуют угол примерно 120°, как изображено на фиг.3А. Такая геометрия показана единственно с целью объяснения рабочего цикла; это не означает исключения других возможных геометрий с другими рабочими циклами. Для удобства рабочий цикл может быть измерен углом поворота, начиная с угла поворота коленвала, равного 0°, когда поршни находятся в верхней мертвой точке, как показано на фиг.3А, и заканчивая при 360°. Что касается фиг.3А, термин "верхняя мертвая точка" используется для обозначения точки, в которой закрытые концы 12а и 14а поршней 12 и 14 наиболее близки друг другу и к коленчатым валам, а воздух наиболее сильно сжат в объеме 42 цилиндра между концами. Это высшая точка такта сжатия обоих поршней. Используя удобное измерение, верхняя мертвая точка соответствует 0° рабочего цикла. Далее, что касается фиг.3С и 3Е, термин "нижняя мертвая точка" обозначает точки, в которых закрытые концы 12а и 14а поршней 12 и 14 наиболее удалены от коленчатых валов 30 и 32. Нижняя мертвая точка для поршня 12 соответствует непосредственно положению перед 180° рабочего цикла. Нижняя мертвая точка для поршня 14 соответствует непосредственно положению после 180° рабочего цикла.

Двухтактный рабочий цикл с воспламенением от сжатия теперь будет объяснен со ссылкой на фиг.3А-3F. Имеется в виду, что это объяснение будет иллюстративным и использует 360° для измерения полного цикла. События, происходящие в цикле, и работа цикла относятся к характерным точкам в цикле, содержащем 360°, но надо понимать, что хотя для различных геометрий последовательность событий и работы будет одна и та же, точки, в которых они происходят эти события, будут отличаться от описанных в этом объяснении.

Обращаясь теперь к фиг.3А, видно, что до точки отсчета 0° в рабочем цикле там, где поршни 12 и 14 будут находиться в верхней мертвой точке, топливо первоначально впрыскивается в цилиндр через по меньшей мере одно место для впрыска. Впрыск топлива может быть продолжен после начала горения. Топливо смешивается со сжатым воздухом, и смесь воспламеняется между закрытыми концами 12а и 14а, отталкивая поршни друг от друга в такте рабочего хода, принуждая коленчатые валы 30 и 32 вращаться в противоположных направлениях. Поршни 12 и 14 сохраняют впускное и выпускное отверстия 46 и 48 закрытыми в течение рабочего хода, препятствуя входу воздуха во впускное отверстие и выходу отработанных газов через выпускное отверстие. На фиг.3В, при 90° в рабочем цикле, поршни 12 и 14 находятся вблизи середины пути их рабочих ходов, продолжая перемещаться в направлении из цилиндра 10. Впускное и выпускное отверстия 46 и 48 все еще закрыты. На фиг.3С, при 167° в рабочем цикле, закрытый конец 12а поршня 12 отодвинулся достаточно далеко в направлении из цилиндра 10 для того, чтобы открыть выпускное отверстие 48, тогда как впускное отверстие 46 все еще закрыто. Теперь продукты горения начинают выходить из выпускного отверстия 48. Эта часть цикла называется продувкой. На фиг.3D, при 180° рабочего цикла, впускное и выпускное отверстия 46 и 48 открыты и сжатый воздух поступает в цилиндр 10 через впускное отверстие 46, в то время как отработанные газы, образовавшиеся при горении, выходят из выпускного отверстия 48. Теперь продувка осуществляется как удаление остаточных газовых продуктов горения сжатым воздухом. На фиг.3Е, при 193°, выпускное отверстие 48 закрыто поршнем 12, в то время как впускное отверстие 46 все еще открыто благодаря фазовому сдвигу, описанному выше и более подробно объясненному ниже. Продолжается нагнетание воздуха в цилиндр 10 через впускное отверстие 46 до тех пор, пока это отверстие не закроется, после чего начинается такт сжатия. При 270° рабочего цикла, изображенном на фиг.3F, поршни 12 и 14 находятся примерно на половине пути в их такте сжатия и оба отверстия - впускное 46 и выпускное 48 - закрыты. Поршни 12 и 14 затем продолжают двигаться по направлению к положению их верхней мертвой точки, и цикл непрерывно повторяется, пока двигатель работает.

На фиг.4 изображен график, показывающий фазы поршней 12 и 14 в течение типичного только что описанного рабочего цикла. Фаза поршня может быть измерена по любому коленчатому валу относительно верхней мертвой точки каждого поршня. На фиг.4 ось АА показывает расстояние головки поршня от положения его верхней мертвой точки, а ось ВВ показывает фазу. Положение поршня 12 показывает кривая 50, в то время как положение поршня 14 показывает кривая 52. В верхней мертвой точке 60 оба поршня находятся в фазе и закрытые концы 12а и 14а равноудалены от продольного центра цилиндра 10. В продолжение рабочего цикла поршень 12 с нарастанием опережает по фазе до тех пор, пока он не достигнет своей нижней мертвой точки 61, непосредственно перед 180° в рабочем цикле, обозначенными номером 62. После точки 180° поршень 14 проходит через свою нижнюю мертвую точку 63 и начинает подниматься с поршнем 12 до тех пор, пока два поршня одновременно опять не окажутся в фазе при 360° в цикле.

Колебание фазового сдвига между поршнями 12 и 14, показанное на фиг.4, делает возможным требуемое согласование впускного и выпускного отверстий 46 и 48. Что касается линии СС на фиг.4, то она представляет собой положение головки поршня, в котором открывается отверстие, управляемое поршнем. Таким образом, когда закрытый конец 12а поршня 12 достигает точки, обозначенной номером 64 на линии СС, выпускное отверстие только начинает открываться. Когда закрытый конец 14а поршня 14 перемещается, пройдя точку, обозначенную номером 65 на линии СС, оба отверстия открыты и происходит продувка. В точке 67 на линии СС выпускное отверстие закрывается, и наполнение цилиндра воздухом происходит до тех пор, пока конец 14а поршня не достигнет точки 68 на линии СС, когда оба отверстия закрыты и начинается сжатие. Этот желаемый результат возникает потому, что соединительные стержни соответствующих поршней проходят различными путями при вращении коленчатого вала: в то время как один стержень проходит над верхней частью одного коленчатого вала, другой проходит под нижней частью того же коленчатого вала.

В связи с фиг.4 следует отметить, что соответствующие положения открытия выпускного и впускного отверстий могут не обязательно лежать на одной кривой и фазы их открытия и закрытия относительно друг друга могут отличаться от тех, что показаны.

Как видно из фиг.2А, 2В и 5А, цилиндр 10 включает в себя цилиндрическую трубу 70 с противоположно расположенными аксиальными концами и кольцевые выпускной и впускной трубопроводы 72 и 74, каждый из которых соединен резьбой, приварен или иным способом прикреплен к соответствующему аксиальному концу трубы 70 цилиндра. Трубопроводы 72 и 74 могут быть названы соответственно как "выпускной трубопровод цилиндра" и "впускной трубопровод цилиндра". Трубопроводы 72 и 74 имеют соответствующие внутренние кольцевой формы туннели 76 и 78, которые составляют соответственно выпускной и впускной каналы. Каждый из туннелей 76 и 78 предпочтительно имеет форму спирали для того, чтобы создавать вихревое движение проходящих в них газов, подавляя в то же время турбулентное перемешивание. Вихревое движение сжатого воздуха облегчает продувку и повышает эффективность горения. Трубопровод 72 цилиндра также содержит кольцеобразный канал 77, окружающий кольцеобразный туннель 76. Кольцеобразный канал 77 может быть соединен для приема потока воздуха или может содержать неподвижный воздух для охлаждения внешней поверхности трубопровода 72. Когда трубопроводы 72 и 74 цилиндра соединены с трубой 70 цилиндра, их наружные части проходят до внутренней поверхности трубы. Внутренняя поверхность трубы может быть точно обработана на станке для подгонки диаметра поршней 12 и 14, а поршни и цилиндр могут быть изготовлены из материалов с совместимыми характеристиками теплового расширения. При использовании бескольцевых поршней (поршней без колец) нет необходимости в перемычках, перекрывающих отверстия, и может быть получен очень малый допуск между наружными диаметрами поршней и внутренним диаметром общей расточенной частью цилиндра. Например, при работе без колец зазор между каждым поршнем и зеркалом цилиндра может иметь порядок от 0,002" до 0,003" (от 2 милей или 50 микрон до 3 милей или 75 микрон) (1 миль = 0,001 дюйма). Отсутствие перемычек также способствует формированию впускного трубопровода 74 в такой форме, которая возбуждает вихрь, например в форме спирали. С другой стороны, если поршни снабжены кольцами, необходимо формировать выпускное и впускное отверстия как кольцевые каналы с кольцевыми последовательностями отверстий в трубе 70, вследствие этого обеспечивая перемычки для поддержки прохода колец после отверстий. Трубы 82 и 84, выполненные на трубопроводах 72 и 74, открыты внутрь кольцевых туннелей 76 и 78, обеспечивая связь между выпускным и впускным отверстиями и соответственно между выпускным и впускным трубопроводами.

Фиг.5А является увеличенным видом сбоку разреза цилиндра 10 с противоположным расположением поршней 12 и 14 в их соответствующих положениях, когда рабочий цикл близок к точке 180°. Как показано на этих чертежах, применяются поршни 12 и 14 без поршневых колец, хотя они могут быть установлены с кольцами, если этого требуют конструкция и эксплуатация. Поршневые кольца являются опционными элементами в этом двигателе по двум причинам. Первая заключается в том, что поршневые кольца компенсируют радиальную деформацию поршней и цилиндров для того, чтобы помочь в контроле уплотнения в паре цилиндр/поршень в течение работы двигателя. Однако цилиндры, показанные и описанные в этом описании, не отлиты в составе блока двигателя, и поэтому в них нет неоднородных деформаций из-за каких-либо тепловых напряжений или каких-либо механических напряжений, создаваемых другими компонентами двигателя или несимметричными охлаждающими элементами. Вследствие этого цилиндры и поршни могут быть механически обработаны с очень малыми допусками для очень плотной посадки, определяя, таким образом, объем, в котором происходит горение и ограничивая прорыв продуктов горения в промежутке между каждым поршнем и цилиндром. Вторая причина заключается в том, что поршневые кольца работают для охлаждения поршня во время работы двигателя. Однако в то время, пока двигатель работает, каждый поршень может быть охлажден подачей жидкого хладагента, т.к. каждый поршень периодически по существу полностью выдвигается (или выступает) из цилиндра при движении его через положение своей нижней мертвой точки, так что жидкий хладагент может быть применен для охлаждения его наружной поверхности (см. фиг.2В, 3С и 5А). Когда поршень перемещается наружу из цилиндра и назад в цилиндр, наружная поверхность его юбки орошается (посредством распылителей, которые будут описаны) жидким хладагентом. В дополнение к этому жидкий хладагент направляется (распылителями 24 и 26) на его внутреннюю поверхность вдоль его юбки вверх до его головки включительно.

Например, на фиг.5А и 6А каждый поршень 12 и 14 по существу выдвинут из цилиндра 10 в положении вблизи его нижней мертвой точки. Взяв поршень 12 в качестве типичного примера, это значит, что, когда закрытый конец 12а поршня 12 находится вблизи наружного края кольцеобразного туннеля 76, юбка 12s поршня 12 по существу полностью выдвинута из цилиндра 10, в то время как только часть головки 12а поршня между наружным краем 76о туннеля 76 и наружным концом 72о выпускного трубопровода 72 остается в выпускном трубопроводе 72 вставленной в конец цилиндра 10, как это описано ниже. Следует отметить, что каждый поршень 12 и 14 впоследствии перемещается назад в цилиндр 10 на такое расстояние, что когда достигает положения верхней мертвой точки, то по существу покрывается цилиндром 10.

Таким образом, в положении нижней мертвой точки юбка каждого поршня 12 и 14 по существу полностью выступает из цилиндра 10 и подвергается охлаждению. Подробное описание того, как это происходит в этом иллюстративном примере, ни в коем случае не ограничивает область применения этого признака; все, что требуется, - это чтобы достаточная часть наружной поверхности юбки каждого из поршней 12 и 14 периодически оказывалась снаружи цилиндра 10 во время работы двигателя для того, чтобы быть существенно охлажденной подачей жидкого хладагента на наружные поверхности юбок, находящиеся снаружи цилиндра. Выраженная в процентах выставленная часть юбки поршня в конкретном применении может изменяться под влиянием многих факторов, включающих, например, требования к системе охлаждения, геометрию двигателя и предпочтения конструктора.

Так как поршень перемещается внутрь и наружу цилиндра, то он охлаждается нанесением жидкого хладагента (посредством распылителей, которые будут описаны) на наружную поверхность его юбки. Дополнительно жидкий хладагент наносится (посредством распылителей 24 или 26) на его внутреннюю поверхность вдоль его юбки вверх и включая его головку. Такой же жидкий хладагент предпочтительно используется для охлаждения поршней как изнутри, так и снаружи. Со ссылкой на фиг.5А и 6А распылители хладагента, предпочтительно изготовленные из стальных трубок, распыляют жидкий хладагент на поршни 12 и 14 и на цилиндр 10 во время работы двигателя. Вытянутый трубопровод 86 распылителя проходит по меньшей мере в общем случае по направлению оси рядом с трубой цилиндра и с выпускным и с впускным трубопроводами 72 и 74. Четыре расположенных вдоль оси распылителя 86а, 86b, 86с и 86d в форме полуколец проходят от трубки трубопровода на полпути вокруг цилиндра 10. Распылитель 86а расположен ближе к краю от центра выпускного трубопровода 72 вблизи наружного края 72о; два распылителя 86b и 86с расположены сверху цилиндра 10 между трубопроводами 72 и 74, предпочтительно вблизи середины оси цилиндра 10 для нанесения пропорционально большего количества жидкого хладагента на наиболее горячую область цилиндра, чем на остальные, более холодные области, ближайшие к трубопроводам 72 и 74; а распылитель 86d расположен в стороне от центра впускного трубопровода 74 вблизи наружного края 74о. Труба 88 второго трубопровода распылителя по меньшей мере в общем случае проходит вдоль направления оси рядом с трубой цилиндра и с выпускным и с впускным трубопроводами 72 и 74. Четыре отстоящих друг от друга вдоль оси распылителя 88а, 88b, 88с и 88d, выполненных в форме полуколец, проходят от трубы 88 трубопровода на полпути вокруг цилиндра 10. Распылитель 88а расположен в стороне от центра выпускного трубопровода 72 вблизи наружного края 72о; два распылителя 88b и 88с расположены сверху цилиндра между трубопроводами 72 и 74, предпочтительно вблизи середины оси цилиндра 10 для нанесения пропорционально большего количества жидкого хладагента на наиболее горячую область цилиндра, чем на остальные, более холодные области, ближайшие к трубопроводам 72 и 74; а распылитель 88d расположен в стороне от центра впускного трубопровода вблизи наружного края 74о. Расположенные напротив друг друга распылители для конструктивной целостности соединены вместе в точке 89. В качестве альтернативного решения распылители могут иметь форму полных колец и соединяться с одной трубой трубопровода. Кроме того, может быть обеспечено большее или меньшее количество распылителей, и их расположение может отличаться от того, которое изображено. Добавим еще, что распыляющие ветви могут быть заменены большим количеством расположенных на периферии сопел или разбрызгивателей, питаемых жидким хладагентом из общего источника.

Распылители имеют выполненные в них отверстия значительного размера, из которых жидкий хладагент под давлением наносится на открытые наружу поверхности юбок поршней 12 и 14 и на наружную поверхность трубы 70 цилиндра. Распылители предпочтительно расположены вблизи соответствующих наружных краев трубопроводов для обеспечения нанесения жидкого хладагента по существу на всю наружную поверхность юбки по всей длине вдоль оси каждого поршня. В зависимости от таких факторов, как требования к системе охлаждения, геометрия двигателя и предпочтения конструктора, распылители, сопла или другие подходящие элементы для нанесения хладагента могут быть переставлены для распыления или нанесения меньшего в процентном отношении количества жидкого хладагента на наружные радиальные периферические площади поверхности юбок.

Например, жидкий хладагент может быть нанесен на наружную, или внешнюю, поверхность юбки вдоль по меньшей мере 25%, 50% или 75% длины поршня вдоль оси.

На фиг.5А и 6А распылители жидкого хладагента, которые наносят жидкий хладагент на наружные поверхности поршней и цилиндр, изображены как отдельные детали, однако один или несколько распылителей также могут быть объединены с трубопроводами 72 и 74 цилиндра в дополнение или вместо отдельных элементов, изображенных на чертежах.

В дополнительном варианте выполнения, изображенном на фиг.5В, вместо охлаждения трубы 70 цилиндра с помощью распылителей труба цилиндра может быть расположена в рубашке 87 для создания охлаждающего канала 90 вокруг цилиндра, через который может циркулировать хладагент. В этом случае распылители все также могут быть использованы для охлаждения поршней.

Открытая конструкция седел 16 и 18 и отсутствие поршневых пальцев в поршнях допускает улучшенное прямое нанесение жидкого хладагента на внутренние поверхности поршней. С учетом этого, как показано на фиг.2А, 2В и 5А, поршни 12 и 14 непрерывно охлаждаются во время работы двигателя путем нанесения жидкого хладагента через распылители 24 и 26 на их внутренние поверхности, включая их головки, вдоль их юбок к их открытым аксиальным концам. Каждый из распылителей 24, 26 хладагента может быть составлен из одного или нескольких отдельных сопел, в котором каждое сопло предназначено для выпуска струи хладагента, направленной в головку поршня.

На фиг.5А поток жидкого хладагента на поршни и цилиндр обозначен номером позиции 91.

Продолжим описание фиг.5А: кольцеобразные высокотемпературные полимерные кольца 92, расположенные в кольцевых канавках около концов трубопроводов 72 и 74, слегка касаются поршней 12 и 14 и удаляют избыточную смазку с поршней в то время, как те проходят в цилиндр 10. Наконец, для цилиндра предусмотрен один или несколько топливных струйных насосов. Например, топливный струйный насос 94 присоединен по меньшей мере к одной форсунке 95.

Следующим описано устройство двухтактного двигателя с противоположным расположением поршней, в котором рабочие элементы (цилиндры, поршни, рычажный механизм, коленчатые валы и т.д.) помещены на узел конструкции в виде рамы из пассивных элементов конструкции, соединенных между собой для того, чтобы служить опорой рабочим элементам. Рама предназначена для принятия нагрузок и усилий, возникающих при работе двигателя, таких как силы сжатия между коленчатыми валами. В отличие от многих прежних разработок двухтактных двигателей с противоположным расположением поршней, цилиндры не отлиты за одно в блоке и не изготовлены неразрывно связанными с другими пассивными конструктивными элементами. В результате цилиндры не являются пассивными конструктивными элементами двигателя. Каждый цилиндр поддерживается на раме двигателя по существу парой поршней, расположенных в нем. Таким образом, за исключением сил, возникающих в камере сгорания, цилиндры отделены от механических усилий, создаваемых функциональными элементами и от механических и тепловых напряжений блока двигателя. Таким образом, цилиндры представляют собой в основном только сосуды под давлением. Такая конструкция двигателя устраняет неоднородную радиальную деформацию поршней и цилиндров, позволяет получить очень плотно подогнанную границу цилиндр-поршень, делает возможным близкое согласование температурных характеристик материалов, из которых изготовлены цилиндры и поршни. Преимуществом является то, что с улучшенным охлаждением поршня эти характеристики допускают выбор конструкции двигателя, который обходится без поршневых колец.

Фиг.6А и 6В представляют в аксонометрии виды сбоку, изображающие этапы сборки устройства 100 одноцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней с установкой коленчатых валов по бокам, основанной на размещении цилиндр/поршень, показанном на предыдущих чертежах. Устройство 100 двигателя может быть применено к двигателям любого размера и к двигателям, имеющим от одного до большого числа цилиндров. На фиг.6А устройство 100 содержит единственный цилиндр 10, имеющий конструкцию, изображенную на фиг.5А, с размещенными в нем противоположно расположенными поршнями 12 и 14. Седла 16 и 18 противоположно расположенных поршней видны на чертеже. Соединительные стержни 20а и 20 с соединяют седло 16 с коленчатым валом 30, а пара соединительных стержней 20b соединяет седло 16 с коленчатым валом 32. Пара соединительных стержней 22а соединяет седло 18 с коленчатым валом 30, а соединительные стержни 22b и 22с соединяют седло 18 с коленчатым валом 32. Труба 88 трубопровода распылителя и распылитель 24 соединены с трубопроводом 96 хладагента. Труба 86 трубопровода и распылитель 26 соединены с другим трубопроводом 98 хладагента. Два выступающих в противоположные стороны по радиусу центрирующих стержня (один из которых обозначен номером позиции 99) установлены на цилиндре 10 для стабилизации цилиндра во время работы двигателя. Две перекладины 110 и 112 изображены на фиг.6А для справки. Перекладина 110 имеет отверстие 113, через которое труба 84 трубопровода может быть соединена со входом воздушного трубопровода (не показан), и отверстие 115 для трубы, связывающей топливный струйный насос 94 с топливным трубопроводом (не показан). Перекладина 112 имеет отверстие 117, через которое труба 82 трубопровода может быть соединена с выпускным трубопроводом (не показан), и отверстие 119, через которое труба может соединить другой топливный струйный насос (не виден) с топливным трубопроводом (не показан).

На фиг.6В рама для механизма двигателя 100 содержит две опорных перемычки 120, расположенные по соответствующим сторонам цилиндра 10 в добавление к перекладинам 110 и 112. Перемычки 120 принимают и поддерживают коленчатые валы 30 и 32. Каждая перемычка 120 содержит двутавровую часть 122 и поперечную часть 124. Двутавровая часть обеспечивает основную опору для коленчатых валов во время работы двигателя. Перекладины 110 и 112 присоединены к концам поперечной части 124. Для обеспечения вращения коленчатых валов в двутавровой части 122 они опираются на расположенные в этой части подшипники 128. Каждая перемычка содержит центральное отверстие с коротким эластомерным цилиндром 132, который принимает центрующие стержни 99 соседних цилиндров. Отверстия 134 с резьбой в каждой опорной перемычке предусмотрены для прикрепления дополнительных деталей, например коробки передач.

Сборка модуля одноцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней с механизмом 100 двигателя, показанным на фиг.6А и 6В, изображена на фиг.7А-7D. В модуле одноцилиндрового двигателя легкие концевые алюминиевые пластины 160 и 162 прикреплены к соответствующим перемычкам 120 и к каждой из перекладин 110 и 112. Концевая пластина 160 имеет отверстия 163 и 164 для приема трубопроводов 96 и 98 жидкого хладагента для питания линий (не показаны). Фиг.7А-7D изображают коробку 170 передач, установленную на перемычке (не видной на этих фигурах) через наружную поверхность концевой пластины 160. Коробка 170 передач вмещает выход ряда зубчатых колес, с помощью которых противоположно направленные вращательные движения коленчатых валов объединяются на выходном ведущем валу. Концы коленчатых валов 30 и 32 проходят в коробку 170. Зубчатое колесо 172 с зубчатым наружным ободом закреплено на конце коленчатого вала 30, а зубчатое колесо 173 с зубчатым наружным ободом закреплено на конце коленчатого вала 32. Выходное зубчатое колесо 175 имеет кольцеобразную часть 176 с зубчатой внутренней периферией 177 и зубчатой наружной периферией 178. Как видно из этих чертежей, наружный зубчатый обод колеса 172 находится в зацеплении с внутренней периферией 177 выходного колеса 175 в одном месте, а наружный зубчатый обод колеса 173 находится в зацеплении с наружной периферией 178 выходного зубчатого колеса 175 в другом месте, диаметрально противоположном первому месту зацепления. Соотношение числа зубцов между внутренним зубчатым колесом 172 и внутренней периферией 177 может быть 33/65 с зубцом с МОД 4 на внутреннем зубчатом колесе и внутренней периферии, в то время как соотношение числа зубцов зубчатых колес между наружным колесом 173 и наружной периферией 178 может быть 33/65 с зубцом с МОД 5 на наружном зубчатом колесе и наружной периферии. Такое соотношение зубчатых колес позволяет перевести противоположное вращение коленчатых валов 30 и 32 в непрерывное вращение выходного зубчатого колеса 175 с использованием нечетного числа зубчатых колес (в данном случае равного трем) с нецелочисленным соотношением числа зубцов зубчатых колес и без каких-либо промежуточных ремней, цепей или других элементов, преобразующих крутящий момент. Результатом является простая, короткая выходная зубчатая передача.

Сборка модуля одноцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней дополнена, как изображено на фиг.7А-7D, прикреплением к раме, образованной из соединенных перемычек и перекладин, легких алюминиевых облицовочных панелей 180. Крышка 182 привинчена к коробке 170 передач. Крышка 182 содержит выходной подшипник 185, который принимает ось 186 выходного зубчатого колеса 175, создавая таким образом возможность раме поддерживать выходное зубчатое колесо 175 при вращении. Окончательно собранный модуль одноцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней на фиг.7С обозначен номером позиции 190. Ось 186 образует выходной ведущий вал модуля 190 двигателя. Он может быть соединен с промежуточной трансмиссией или непосредственно с ведомыми деталями одним или несколькими зубчатыми колесами, ремнями, цепями, кулачками или другими подходящими преобразующими крутящий момент элементами или системами (не показаны).

На фиг.8А-8С изображена сборка модуля многоцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней с тремя механизмами 100 двигателя, расположенными в ряд. Заметим, что передняя и задняя перемычки для наглядности удалены с фиг.8А. Механизмы 100 имеют конструкцию, уже изображенную на фиг.6А и 6В, и обсуждены, принимая во внимание предыдущие чертежи. В раме модуля этого двигателя предусмотрены четыре перемычки 120, каждая из которых поддерживает коленчатые валы в соответствующих подшипниках. Рама также содержит удлиненные перекладины 110 и 112, прикрепленные к поперечным частям перемычек 120. Концевые пластины 160 и 162 закрывают концы модуля двигателя. Ведущая зубчатая передача из трех зубчатых колес поддерживается для вращения в коробке 170 передач. Трубопроводы 96 и 98 жидкого хладагента удлинены для того, чтобы охватить три механизма 100 двигателя. Сборка модуля многоцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней завершается прикреплением к раме легких алюминиевых облицовочных панелей 180. Крышка 182 прикрепляется к коробке 170 передач. Крышка 182 содержит выходной подшипник 185, который принимает ось 186 выходного зубчатого колеса 175, создавая, таким образом, раме возможность поддерживать выходное зубчатое колесо 175 при вращении. На фиг.8С окончательно собранный модуль многоцилиндрового двигателя с противоположным расположением поршней обозначен номером позиции 290. Ось 186 образует выходной ведущий вал модуля 290 двигателя.

Для каждого поршня предусмотрены предпочтительно четыре идентичных соединительных стержня. Этот способ реализации лучше всего виден на фиг.6А. Как показано на фиг.6А, на той стороне цилиндра 10, на которой расположено выпускное отверстие, два соединительных стержня 20а и 20с, отнесенные друг от друга, на одном конце присоединены каждый к одному и тому же концу седла 16, а на противоположном конце - к коленчатому валу 30. Пара 20b соединительных стержней содержит два соединенных впритык стержня, каждый из которых идентичен по форме и конструкции стержням 20а и 20с. Пара 20b соединительных стержней присоединена на одном конце к седлу 16, а на другом конце - к коленчатому валу 32. На той стороне цилиндра 10, на которой расположено впускное отверстие, два соединительных стержня 22b и 22с отнесены друг от друга, и каждый на одном конце присоединен к одному концу седла 18, а на противоположном конце - к коленчатому валу 32 по обе стороны спаренного соединительного стержня 20b. Пара 22а соединительных стержней содержит два соединенных впритык стержня, каждый из которых идентичен по виду и конструкции стержням 22b и 22с. Пара 22а соединительных стержней на одном конце присоединена к седлу 18, а на другом конце - к коленчатому валу 30, между соединительными стержнями 20а и 20с. Таким образом, на каждом из коленчатых валов соединительные стержни пар поршней на одном конце цилиндров чередуются с двумя соединительными стержнями поршней, находящихся на другом конце цилиндров, как изображено на фиг.6А. Это обеспечивает оптимальный баланс сил на поршнях, а также снижает количество типов частей для двигателя. Идентичность стержней также способствует поддержанию однородного теплового расширения стержней во время работы двигателя.

Соединительные стержни изготовлены из кованой стали или из титана, цилиндры и поршни - из алюминий-кремниевого сплава с покрытием хромом зеркала цилиндров, элементы, подводящие жидкий хладагент, - из стальных труб и коленчатые валы - из стали, прошедшей горячую штамповку и обработку на станках. Части рамы двигателя могут быть изготовлены из легких сплавов, таких как алюминий.

На фиг.9А изображена питающая система 300 для подачи жидкого хладагента, который предназначен для распыления на наружные и внутренние поверхности поршней и на цилиндры в двигателе с противоположным расположением поршней с одним или большим количеством цилиндров. Жидким хладагентом может быть любая жидкость, пригодная для нанесения на поршни и для существенного охлаждения их для требуемого применения. Смазывающее масло и дизельное топливо являют собой две возможности использования их в этой роли. На этом чертеже источник 310 жидкого хладагента присоединен к высокопроизводительному насосу 312 с низким выходным давлением. Насос 312 может содержать, например, центробежный насос, обеспечивающий жидкий хладагент в пределах от 3 до 10 галлонов/мин для двигателя мощностью 100 л.с. и прокачивающий жидкий хладагент через распределительную линию 313 к трубопроводам 96 и 98. Эти трубопроводы подают большой объем жидкого хладагента под низким давлением к распылителям 24 и 26 и к распыляющим трубопроводам 86 и 88 одного или нескольких модулей 100. Жидкий хладагент в двигателе с противоположным расположением поршней собирается картером 315. Насос 317, соединенный с картером, перекачивает собранный хладагент через фильтр 318 и радиатор 319 обратно в источник 310. Как видно из фиг.9А, параллельно радиатору 319 может быть предусмотрена линия 320. В этом случае клапан 321 будет управлять потоком жидкого хладагента через радиатор 319, а клапан 320 будет управлять потоком жидкого хладагента через линию 320. Для нормальной работы должен быть открыт только клапан 321, позволяющий жидкому хладагенту протекать через радиатор, рассеивая при этом тепло поршней и цилиндров в радиаторе 319. Для кратковременной работы в форсированном режиме клапаны 321 и 322 должны быть оба открыты, обеспечивая при этом рассеивание тепла поршней и цилиндров в радиаторе 319 и поглощение некоторого количества тепла в резервуаре жидкого хладагента в источнике 310. Наконец, во время работы в аварийном режиме, в случае неисправности радиатора, клапан 321 должен быть закрыт, а клапан 322 должен быть открыт, временно отводя при этом тепло от поршней и цилиндров в резервуар жидкого хладагента.

Если двигатель с противоположным расположением поршней работает в режиме воспламенения от сжатия, то впрыск топлива является способом доставки дизельного топлива в цилиндры для горения. В этом случае дизельное топливо также предпочтительно использовать как жидкий хладагент и как смазку для поршней. В связи с этим возможно объединить топливный источник с источником хладагента, устраняя необходимость в нескольких источниках. Что касается фиг.9В, то на ней изображена система 400 для подачи дизельного топлива, которое должно быть распылено на наружные и внутренние поверхности поршней и на цилиндры и подведено к устройствам впрыска топлива в двигателе с противоположным расположением поршней с одним или несколькими цилиндрами. На этом чертеже источник дизельного топлива 410 соединен с высокопроизводительным насосом низкого давления 412 (например, центробежным насосом), который нагнетает жидкий хладагент через распределительную линию 413 к трубопроводам 96 и 98. Эти трубопроводы подают большой объем жидкого хладагента под низким давлением к распылителям 24 и 26 и к распыляющим трубопроводам 86 и 88 одного или нескольких механизмов 100 двигателя. Дизельное топливо в двигателе с противоположным расположением поршней собирается картером 415. Насос 417, соединенный с картером, прокачивает дизельное топливо через фильтр 418 и радиатор 419 обратно в источник 410. Возвратная линия 420 предусмотрена параллельно радиатору 419. Клапаны 421 и 422 управляют использованием радиатора 419 и возвратной линии 420 так, как это было объяснено выше в связи с клапанами 321 и 322, показанными на фиг.9А. Предварительный насос 423, соединенный с источником 410, прокачивает топливо через фильтр 424 к насосу высокого давления 426, который повышает давление топлива, доставляемого к форсункам. Например, насос 426 может подавать дизельное топливо под давлением 30000 ф/кв.дюйм (~2140 атм). Топливо от насоса 426 подается через входную топливную линию 427, присоединенную к аккумуляторной топливной системе 429 высокого давления и к входным отверстиям одного или нескольких топливных насосов 94. Возвратные отверстия одного или нескольких топливных насосов присоединены к источнику 410 через линию 430. Блок электронного управления БЭУ (ECU) 431 контролирует работу одного или нескольких топливных насосов 94.

Другое преимущество двигателя, построенного в соответствии с этим описанием, состоит в том, что все подшипники, используемые для опоры коленчатых валов и соединительных стержней, могут быть роликовыми подшипниками. Эти подшипники могут быть смазаны путем распыления на них дизельного топлива, чье смазочное свойство и вязкость при рабочих температурах двигателя с противоположным расположением поршней полностью соответствует их смазке.

Таким образом, с помощью насоса 412 система 400 может доставлять дизельное топливо в качестве смазки для всех подшипников двигателя, сохраняя его в коробке 170 передач. В этом отношении, поскольку дизельное топливо подается от распылителей, оно перемешивается с образованием тумана внутри двигателя, который распространяется по всему двигателю и работает как смазка между движущимися частями двигателя и в роликовых подшипниках, размещенных внутри двигателя. Таким образом, для подачи такого хладагента и смазки для двигателя может быть использован единственный источник.

Альтернативная питающая система 350 для подачи жидкого хладагента, предназначенного для распыления на наружные и внутренние поверхности поршней и на цилиндры в двигателе с противоположным расположением поршней с одним или несколькими цилиндрами, изображена на фиг.9С. Эта система может быть использована для распыления только одного жидкого хладагента, как система 300, показанная на фиг.9А, или может быть объединена с другими элементами в системе распыления дизельного топлива для охлаждения, смазки и как топлива двигателя, как изображено на фиг.9В. Жидким хладагентом может быть любая жидкость, которая может быть нанесена на поршни и существенно охладить их для требуемого применения. Двумя возможными жидкостями для этого являются смазочное масло и дизельное топливо. На этом чертеже кожух 352 двигателя ограждает один или несколько механизмов 100 двигателя, содержащих отделение картера 357, где собирается жидкий хладагент, выпущенный описанными выше распылителями. Жидкий хладагент, собранный в отделении картера 357, имеет нормальный рабочий уровень текучей среды 358. Клапан 359 источника установлен в кожухе двигателя. Датчик 360 уровня, находящийся в соприкосновении с жидким хладагентом, собранным в отделении картера 357, управляет рычажным механизмом 361, который выбирает состояние клапана 359 источника. Клапан 359 источника имеет выход, присоединенный к высокопроизводительному насосу 362 низкого давления. Насос 362 может содержать, например, центробежный насос. Клапан 359 источника имеет два входа, первый присоединен к питающей линии 363 от отделения картера 358, и второй, присоединенный к питающей линии 364 от питающего бака 366, содержащего жидкий хладагент. Насос 362 прокачивает жидкий хладагент через питающую линию 367 к фильтру 368 и через него к радиатору 369. Из радиатора 369 жидкий хладагент течет через питающую линию 370 к трубопроводам 96 и 98. Эти трубопроводы подают большой объем жидкого хладагента под низким давлением к распылителям 24 и 26 и к распыляющим трубопроводам 86 и 88 одного или нескольких модулей 100. Например, жидкий хладагент может подаваться в диапазоне от 3 до 10 гал/мин (от 11,34 до 37,8 л/мин) для двигателя мощностью 100 л.с. Как видно из фиг.9С, тепловой клапан 372 присоединен параллельно радиатору 359 между выходом фильтра 368 и питающей линией 370. Состояние теплового клапана 372 управляется температурой жидкого хладагента или аварийным контуром 373. Аварийный контур 373 также присоединен к клапану 359 источника. Клапан 375 уровня имеет вход, обычно соединенный с выходом фильтра 368, с входом радиатора 369 и с входом теплового клапана 372. Выход клапана 375 уровня через питающую линию 377 соединен с питающим баком 366. Управляющий рычажный механизм 361 также присоединен для управления состоянием клапана 375 уровня.

Дополнительно обращаясь к фиг.9С, отметим, что при нормальной работе датчик 360 уровня определяет уровень жидкого хладагента в области картера 357 и выбирает в качестве источника для насоса 362 или область картера 357, или питающий бак 366. Когда рабочий уровень окажется достигнутым, датчик уровня устанавливает управляющий рычажный механизм 361 в такое положение, чтобы клапан источника пришел в состояние, при котором отсасывает жидкий хладагент только из области картера 357. Нагретый жидкий хладагент прокачивается насосом 362 через фильтр 368 к радиатору 369 и тепловому клапану 372. Когда расчетная рабочая температура жидкого хладагента оказывается достигнутой, тепловой клапан частично или полностью закрывается для уменьшения потока жидкого хладагента через радиатор 369, регулируя, таким образом, температуру двигателя. Поток жидкого хладагента продолжается через питающую линию 370 к распылителям, где жидкий хладагент наносится на детали двигателя для отбора от них тепла. Если уровень жидкого хладагента в области картера становится слишком высоким, датчик 360 уровня заставляет управляющий рычажный механизм 361 частично открыть клапан 375 уровня для возвращения части жидкого хладагента в питающий бак 366 после фильтрации в 368. В аварийной ситуации, когда необходимо временно обойти радиатор 369, аварийный контур 373 полностью открывает тепловой клапан 372, шунтируя, таким образом, радиатор 369, и принуждает клапан 359 источника к первоначальному отсасыванию жидкого хладагента из питающего бака 366. Избыток жидкого хладагента, который накапливается в области картера 357, перемещается клапаном уровня под влиянием датчика 360 уровня. Для временной максимальной производительности тепловой клапан 372 закрыт, используя, таким образом, полную емкость радиатора 369, в то время как положение клапана 359 установлено так, чтобы отсасывать текучую среду только из питающего бака 366.

На фиг.10 изображена система для наддува воздуха и отвода отработанных газов из двигателя с противоположным расположением поршней. Система может быть выполнена для обслуживания одного или нескольких цилиндров 10. В системе 500 вход линии 534 трубопровода подачи воздуха и линии 532 выходного трубопровода отработанных газов соединены соответственно с входным отверстием труб 84 и выпускным отверстием труб 82 одного или нескольких модулей. Эти линии трубопроводов предпочтительно установлены снаружи кожуха двигателя. Двигатель, упрощенно изображенный на фиг.10, представляет собой двигатель с турбокомпрессором или двигатель с наддувом. Поэтому линии трубопровода присоединены к турбокомпрессору 536. Точнее, отработанные газы, двигаясь через линию выпускного трубопровода 532, приводят в движение турбину 540 по пути к выпускной линии 538 для механического приведения в действие компрессора 542. Компрессор 542 засасывает воздух во вход линии 537 воздуха и нагнетает всосанный воздух перед направлением воздуха в линию 534 входного трубопровода путем пропускания его через промежуточный холодильник 539. Обычно компрессор наддува или эквивалентное устройство может быть установлено между промежуточным холодильником 539 и линией 534 трубопровода для обеспечения продувки воздуха для запуска двигателя.

Другие детали двигателя, не включенные в иллюстрацию этого первого варианта выполнения, предусмотрены в соответствии с особыми условиями конкретного применения двигателя с противоположным расположением поршней. В этом отношении, коробка 170 передач может быть герметизирована и иметь собственную систему смазки маслом или может быть смазанной отдельно от двигателя без каких-либо изменений в нем. Она также может быть оставлена открытой и быть смазанной хладагентом/смазкой, используемой для охлаждения и смазки поршней, если только для этого используется подходящая смазка.

В предыдущих двигателях при увеличении СЭД возрастает трение между поршневым кольцом и внутренней поверхностью цилиндра и возрастает температура внутренней поверхности. Возрастание температуры внутренней поверхности неизбежно приводит к тому, что тепло течет назад в поршень от внутренней поверхности вместо того, чтобы течь от поршня к внутренней поверхности. Как следствие, кольца больше не охлаждают поршень. При условии что максимальный поток хладагента направлен на внутренние поверхности юбки поршня и головку, из нуждающихся в охлаждении поверхностей поршня остаются только наружные поверхности юбки и головка. Наружная поверхность головки представляет собой часть камеры сгорания, и она только незначительно охлаждается при горении расширением газа и продувкой потоком воздуха, другими словами, эта поверхность недоступна наружному охлаждению. В двигателях предшествующего уровня техники наружная поверхность юбки поршня также недоступна средствам охлаждения поршня, так как поршень окружен цилиндром. Однако при периодическом выходе наружной поверхности юбки поршня при по существу вынимании поршня из внутренней части цилиндра эта поверхность становится доступной для охлаждения. В итоге достигается общий отток тепла, превышающий примерно в два раза тот, что имеется при охлаждении только внутренних поверхностей юбки поршня и головки.

Второй вариант выполнения двигателя

В двигателе внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней цилиндр подвержен неоднородным тепловым нагрузкам вследствие горения топлива во время работы двигателя. Рассмотрение первого варианта выполнения, описанного выше, привело к пониманию того, что такие напряжения не могут быть адекватно контролируемы во всех случаях прямого орошения наружной поверхности цилиндра большим потоком жидкого хладагента с малой скоростью, который стремится стекать с наружной поверхности цилиндра по направлению к его нижней части. С другой стороны, также было замечено, что поршень может быть в достаточной мере охлажден в условиях высокого СЭД просто применением струй жидкого хладагента, направленных на заднюю поверхность головки поршня.

Понимание этих обстоятельств привело к конструкции второго варианта выполнения двигателя внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней, в котором температурные неоднородности, существующие в цилиндре, устранены или по меньшей мере существенно уменьшены наложением струй жидкого хладагента поверх всей периферии наружной поверхности цилиндра, которые отличаются по направлению и поверхностной плотности с тем, чтобы отвести изменяющиеся количества тепла для того, чтобы приспособить охлаждение к несимметричному распределению тепла в цилиндре. Кроме того, уменьшилась или оказалась устранена деформация поршня, вызванная температурой, за счет уменьшения толщины стенки головки поршня и применения струй жидкого хладагента, направленных на заднюю поверхность головки.

Отсутствие температурных неоднородностей в цилиндре и температурной деформации головки поршня при высоких СЭД приводит к точно контролируемым зазорам между зеркалом цилиндра и поршнем, с минимальным течением газов между цилиндром и поршнями ("прорывом газов") во время сжатия и горения. Имея геометрические соотношения между соединительными стержнями, седлами и коленчатыми валами, такие же, как и в первом варианте выполнения, но с улучшенным управлением температурой деформацией, второй вариант выполнения двигателя работает с пониженными боковыми силами на поршнях и может работать с поршнями без колец.

Второй вариант выполнения двигателя внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней включает в себя компоненты, которые соответствуют по форме и/или назначению элементам первого варианта, описанного выше. Тем не менее, для ясности и легкости понимания компоненты второго варианта пронумерованы независимо от нумерации соответствующих компонентов первого варианта.

На фиг.11А-11D изображен цилиндр 1100, используемый во втором варианте двигателя внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней. Цилиндр 1100 имеет четыре части: цилиндрическая гильза 1102 выполнена как открытая цилиндрическая труба с цилиндрической расточенной частью 1103, выпускным трубопроводом 1104, впускным трубопроводом 1106 и цилиндрической втулкой 1140. Цилиндр 1100 предпочтительно изготовлен из алюминия, такого как высокотемпературный сплав алюминия, и он может быть отлит как одно изделие или собран путем прикрепления трубопроводов 1104 и 1106 к цилиндрической втулке 1140 и затем прикрепления этой конструкции к наружной поверхности цилиндрической гильзы 1102. Продольная ось цилиндрической гильзы 1102 является также продольной осью цилиндра 1100.

Как лучше всего видно на фиг.11А, гильза цилиндра 1102 имеет выпускное отверстие 1105, составленное из ряда расположенных по периферии отверстий 1108 вблизи выпускного конца 1109 гильзы 1102 цилиндра. Гильза 1102 цилиндра также имеет впускное отверстие 1107, составленное из ряда расположенных по периферии отверстий 1110 вблизи впускного конца 1112. Каждое отверстие 1108 выпускного отверстия 1105 имеет наклонный в сторону по ходу потока конец 1108r. Образовавшиеся при горении газы, двигающиеся по спирали по направлению к выпускному концу 1109 гильзы 1102 цилиндра, отводятся по меньшей мере в основном наружу из гильзы 1102 цилиндра в выпускной трубопровод 1104. Аналогичным образом каждое отверстие 1110 впускного отверстия 1107 имеет наклонный в направлении вверх относительно хода потока конец 1110r, на котором сжатый воздух, поступающий во впускное отверстие 1107 через впускной трубопровод 1106, отклоняется во внутренней части цилиндра 1103 в направлении спирали, идущей в направлении выпускного конца 1109. В средней части 1114 гильзы 1102 цилиндра предусмотрено несколько снабженных резьбой отверстий 1116, расположенных в ряд по периферии. По меньшей мере одно из отверстий 1116 принимает топливный насос и по меньшей мере одно из других отверстий 1116 принимает датчик для определения состояния условий работы двигателя, таких как давление или температура. В изображенной гильзе 1102 цилиндра могут находиться, например, два отверстия 1116 для приема топливных насосов, одно отверстие 1116 для приема датчика давления и одно отверстие 1116 для приема датчика температуры.

Кривая 1200 на фиг.12 представляет собой средний поток тепла в продольном направлении на внутренней стенке гильзы 1102 цилиндра во время работы двигателя. Как показывает кривая 1200, гильза 1102 цилиндра вдоль ее продольной оси нагрета неравномерно. Гильза 1102 цилиндра испытывает наибольшую тепловую нагрузку в ее центральной части 1114, где происходит горение. Также видно, что оконечная часть гильзы цилиндра с выпускным отверстием 1105 испытывает более значительную тепловую нагрузку, чем оконечная часть с впускным отверстием 1107. Таким образом, для минимизации неоднородности в температуре цилиндра 1100 и, как следствие, неравномерности цилиндричности внутренней поверхности 1103 цилиндра цилиндр 1100 должен быть охлажден специальным способом в соответствии с неоднородным нагреванием его частей во время работы двигателя. То есть система охлаждения цилиндра 1100 должна обеспечить охлаждение с большей производительностью для той части цилиндра, которая начинается вблизи середины продольной оси до выпускного конца, чем той части, которая начинается вблизи от середины продольной оси до впускного конца и должна обеспечить наибольшую производительность охлаждения на центральной части цилиндра.

В дополнение к минимизации неоднородностей в температуре стенки цилиндра вдоль продольной оси цилиндра 1100, вызванной изменением потока тепла вдоль этой оси, существует возможность изменения температуры по периферии стенки цилиндра даже при одинаковом потоке тепла, если доступное охлаждение неоднородно по периферии, как это имеет место в случае центральной части 1114 благодаря наличию ряда отверстий 1116. Для поддержания однородности температуры на периферии и, таким образом, цилиндрической однородности в центральной части 1114 охлаждение, приближенное к этим отверстиям 1116, должно относится к охлаждению, используемому, когда нет отверстий.

Для обеспечения специальной производительности охлаждения, которая достигает этой цели, на наружной поверхности 1120 гильзы 1102 цилиндра предусмотрено несколько канавок или каналов. Что касается фиг.11А, 11В и 11D, то первая группа 1122 переплетающихся канавок 1123 проходит по спирали вокруг наружной поверхности 1120 от центральной части 1114 по направлению к выпускному отверстию 1105, а вторая группа 1126 переплетающихся канавок 1127 идет по спирали вокруг наружной поверхности 1120 от центральной части 1114 по направлению к впускному отверстию 1107. Каждая канавка из этих двух групп начинается в центральной части 1114 или вблизи от нее, следуя по спиральному пути вокруг наружной поверхности 1120 и заканчивается вблизи соответствующего отверстия 1105, 1107 в радиальной секции с просверленными отверстиями. Радиальная секция с просверленными отверстиями каждой канавки соединяется с просверленным в направлении вдоль оси каналом, проходящим продольно внутри гильзы 1102 цилиндра до ее конца. Один такой аксиальный канал, обозначенный номером позиции 1129, через просверленную в радиальном направлении секцию 1130 соединен с концом 1127е канавки 1127 и проходит сквозь край 1131 через отверстие 1133. Это позволяет потоку жидкого хладагента протекать от начала канавки в центральной части 1144 или вблизи от нее, вдоль спирали канавки по направлению к соответствующему концу гильзы 1192 цилиндра, через канал в гильзе цилиндра и наружу из отверстия в крае гильзы 1102 цилиндра. Каждая группа 1122, 1126 канавок проводит совокупный поток жидкого хладагента от центральной части 1114 к концевой части гильзы 1102 цилиндра, дающий возможность охлаждения соответствующей части гильзы цилиндра и поэтому и самого цилиндра. Существует шаг спирали или пространственное распределение (которое может быть постоянным или переменным) между канавками каждой группы и шаг спирали для канавок группы 1122, проходящей от центральной части 1114 по направлению к выпускному концу 1109, меньше, чем шаг спирали для группы 1126 канавок, проходящих от центральной части 1114 по направлению к впускному концу 1112. В результате большее количество жидкого хладагента соприкасается с частью гильзы цилиндра на большей площади поверхности, включающей выпускное отверстие 1105, чем в части гильзы цилиндра, включающей впускное отверстие 1107, обеспечивая, таким образом, большую производительность охлаждения для части гильзы цилиндра, которая включает в себя выпускное отверстие 1105. Хладагент также является наиболее холодным и поэтому имеет наибольшую способность теплообмена, когда он входит в канавки вблизи центральной части 1114 гильзы 1102 цилиндра, где потребность в охлаждении наибольшая. Кроме этого канавки на своей длине могут иметь различную площадь поперечного сечения, что влияет на локальную скорость потока хладагента в канавке и вследствие этого на скорость отбора тепла. Таким образом, производительность охлаждения спиральными канавками поддается регулировке в широких пределах путем изменения какой-нибудь одной или всех перемежающихся канавок, длины канавок, шага канавок, площади поперечного сечения по длине канавок и скорости течения хладагента в каналах.

Со ссылкой на фиг.11А, 11В и 11D показана третья группа канавок 1135, проходящая вокруг наружной поверхности 1120 в центральной части гильзы 1102 цилиндра, в которой каждая канавка 1135 проходит между двумя отверстиями 1116. Каждая канавка 1135 имеет протяженную часть 1137, которая проходит по дуге периферии гильзы 1102 цилиндра, и пересекающие части 1138 на противоположных концах протяженной части 1137. Каждая пересекающая часть 1138 расположена в поперечном направлении по отношению к протяженной части 1137, так что каждая из канавок 1135 имеет форму английской буквы I. Как лучше всего видно на фиг.11А, каждая пересекающая часть 1138 расположена в непосредственной близости от отверстия 1116. При работе жидкий хладагент поступает в каждую канавку 1135 в центре ее протяженной части 1137, протекает через протяженную часть 1137 по направлению к пересечению с каждой частью 1138 и затем вытекает из отверстий 1147 во втулку 1140 цилиндра из любого конца каждой пересекающейся части 1138. Таким образом, жидкий хладагент, протекающий в каждой канавке 1135, имеет более длинный путь течения до каждого конца канавки 1138 вблизи отверстия 1116. В результате каждая канавка 1135 обеспечивает большую производительность охлаждения в самых горячих местах центральной части 1114 вблизи отверстия 1116. Производительность охлаждения, обеспеченная для центральной части, изменяется с увеличением расстояния по периферии к ближайшему отверстию 1116 в центральной части. Охлаждение в канавках 1135 является очень эффективным, локализованным способом отвода тепла от площади отверстий 1116, которая недоступна для охлаждения группой спиральных канавок 1122, 1126. Эффективность отвода тепла в центральной части 1114 обеспечивается благодаря области замедления потока хладагента, существующей в зоне, где хладагент притекает и соприкасается с центром каждого конца 1138, прежде чем пройти к вершинам конца.

Подробности сборки цилиндра 1100 видны на фиг.11А-11D. Втулка 1140 цилиндра трубчатой формы, расположенная на поверхности 1120, центрирована на средней части 1114 и проходит в обе стороны и стыкуется с выпускным и впускным трубопроводами 1104 и 1106. Трубопроводы 1104 и 1106 могут быть приварены к втулке 1140 цилиндра по швам 1141 между втулкой цилиндра и выпускным и впускным трубопроводами 1104 и 1106. Такие сварные швы 1141w лучше всего видны на фиг.11D. В другом варианте выполнения трубопроводы 1104 и 1106 могут быть по отдельности отлиты с соответствующими частями втулки 1140 цилиндра и прикреплены сваркой один к другому и к гильзе 1102 цилиндра. Выпускной и впускной трубопроводы 1104 и 1106 и втулка 1140 вместе покрывают канавки 1123, 1127 и 1135, ограничивая поток жидкого хладагента в канавках. Как лучше всего видно на фиг.11В, втулка 1140 цилиндра содержит отверстия 1142, 1144 и 1145. Каждое отверстие 1142 расположено над началом соответствующей канавки 1123 вблизи центральной части 1114; каждое отверстие 1144 расположено над началом соответствующей канавки 1127 вблизи центральной части 1114 и каждое отверстие 1145 расположено над серединой продолговатой части 1137 соответствующей канавки 1135. Жидкий хладагент втекает в канавки 1123 и 1127 через отверстия 1142 и 1144 в самой средней части 1114 гильзы 1102 цилиндра или вблизи нее и проходит потоком через канавки и просверленные каналы 1129 и наружу из отверстий 1133 в краях на конце гильзы 1102 цилиндра. Жидкий хладагент втекает в канавки 1135 через отверстия 1145 и проходит потоком через продолговатые части 1137 к концам 1138. Отверстия 1147, предусмотренные во втулке 1140 цилиндра, расположены в вершинах концов 1138 для того, чтобы дать возможность жидкому хладагенту вытечь из канавок 1135. Как лучше всего видно на фиг.11C, отверстия 1142, 1144 и 1145 принимают соединения 1148, установленные на линиях 1149 подачи жидкого хладагента, которые присоединены к системе подачи жидкого хладагента, как объяснено ниже в связи с фиг.16А и 16В. В системе подачи жидкого хладагента для подачи жидкого хладагента для трех групп канавок могут быть предусмотрены три контура подачи жидкого хладагента. Каждый контур присоединен к соответствующей группе канавок с помощью отверстий, которые соединены с канавками для ввода жидкого хладагента под необходимым для группы канавок давлением и скоростью потока. На этих чертежах нет линий, показывающих поток жидкого хладагента, вытекающего из канавок на наружной поверхности 1120 гильзы 1102 цилиндра. Согласно приведенному выше описанию фиг.9А жидкий хладагент может быть собран картером в двигателе. В этом случае некоторая часть жидкого хладагента, вытекшая через отверстия 1133 на каждом конце цилиндрического корпуса 1302, падает на наружные поверхности юбок противоположно расположенных поршней (не показаны на фиг.11А-11Е) при их возвратно-поступательном движении в расточенном цилиндре 1303, при этом охлаждая и смазывая эти поверхности во время работы двигателя. Вытекающий из концов канавок на цилиндре 1100 жидкий хладагент может быть также направлен в возвращающие линии жидкого хладагента, присоединенные соответствующими переходными устройствами к отверстиям 1133 и 1147 для сбора и рециркуляции жидкого хладагента, как объяснено ниже в связи с фиг.16В.

Как видно из фиг.11С и 11D, выпускной и впускной трубопроводы 1104 и 1106 имеют соответствующие внутренние кольцевые спирали 1150 и 1152, которые сообщаются соответственно с выпускным и впускным отверстиями 1105 и 1107. Каждая из спиралей 1150 и 1152 предпочтительно имеет форму завитка для создания вихревого движения газов, протекающих через них во время управляемого турбулентного перемешивания. Вихревое движение сжатого воздуха способствует продувке и повышает эффективность горения. Трубопроводы 1153 и 1154 связывают выпускной и впускной трубопроводы 1104 и 1106 с системой для вывода отработанных газов из двигателя и обеспечивают воздух наддува двигателю с противоположным расположением поршней, как система, показанная на фиг.10.

Как видно из фиг.11В-11D, втулка 1140 цилиндра содержит одно или несколько отверстий 1156, каждое из которых установлено на одной линии с соответствующим снабженным резьбой отверстием 1116 в гильзе 1102 цилиндра. Одна или несколько топливных форсунок 1158, каждая с резьбой на своем сопловом конце, установлены на цилиндре 1100 ввинченными в отверстия 1116. Каждая топливная форсунка 1158 присоединена в точке 1159 к топливной линии 1160 высокого давления и может быть обеспечена топливом системой, такой какая изображена на фиг.9В. Цилиндр 1100 снабжен крепежными ушками 1164, которые при установке цилиндра 1100 в двигатель с противоположным расположением поршней, входят в раму (не показана на этих чертежах).

На фиг.13А-13Е изображен поршень 1300, использованный во втором варианте выполнения двигателя внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней. Поршень 1300 предпочтительно не имеет кольца. Поршень 1300 имеет цилиндрический корпус 1302 с закрытым концом, который образует головку 1308 поршня. Цилиндрический корпус 1302 имеет открытый конец 1309, противоположный головке 1308. Часть цилиндрического корпуса 1302, выступающая из головки 1308 в сторону открытого конца 1309, образует юбку 1310 поршня. Продольная ось Ар цилиндрического корпуса 1302 является также продольной осью поршня 1300.

Для того чтобы действовать эффективно без колец, поршень 1300 должен по меньшей мере сохранять по существу цилиндрическую симметрию при всех условиях работы двигателя. Деформация поршня происходит от теплового расширения, давления при сжатии, давления при горении топлива, сил инерции и давления, связанного с прорывом газов. Наибольшая опасность тепловой деформации существует на головке, в особенности вблизи угла 1312 и на самом этом углу, где головка 1308 переходит в юбку 1310. Без охлаждения эта часть поршня 1300 может выпучиваться во время работы двигателя, придавая поршню 1300 форму в виде гриба или тюльпана. Эта вызванная нагревом деформация по существу однородна, но, тем не менее, возрастает опасность соприкосновения между поршнем и зеркалом цилиндра, если отсутствует контроль. Деформация может быть устранена или по меньшей мере существенно уменьшена путем выполнения настолько тонкого поперечного сечения х-х в головке 1308, насколько это возможно, для минимизации теплового сопротивления в головке 1308, где существует максимальный нагрев, при охлаждении головки путем прямого столкновения одной или нескольких струй жидкого хладагента с задней поверхностью головки. Так как деформация по существу однородна, то охлаждение может быть настраиваемо по существу на симметричное распределение тепла в головке и вблизи от нее.

Но тонкая головка потенциально ослабляет поршень точно там, где во время горения должно быть приложено наибольшее давление. В поршне 1300 конструктивная прочность головки 1308 обеспечивается несущими нагрузку элементами или деталями, которые проходят между головкой 1308 и юбкой 1310 для того, чтобы нагрузку, приходящуюся во время горения на головку, перенести на юбку и другие элементы поршня. При эффективном охлаждении головки 1308 передача тепла через юбку поршня 1310 становится менее важной. В результате юбка 1310 может быть сделана более тонкой, чем в противном случае было бы необходимо при снижении массы поршня и улучшении УМ двигателя.

Дополнительные преимущества могут быть достигнуты, если допустить некоторым образом упругую деформацию опорной конструкции поршня во время работы двигателя с целью восстановления и/или поддержания аксиальной центровки между поршнем и цилиндром при возвратно-поступательном движении поршня в расточенной части цилиндра.

Головка 1308 имеет вдавленный чашеобразный контур 1318, который может соответствовать идентичному контуру противоположно расположенного поршня в установлении границ камеры сгорания, когда поршни находятся в верхней мертвой точке или вблизи нее в цилиндре 1100. Толщина головки 1308 по линии х-х может быть 2 мм или меньше, если поршень 1300 изготовлен из высокотемпературного сплава алюминия или из стали. Например, если предположить, что головка 1308 выполнена из алюминия 5454 и имеет диаметр 80 мм, то толщина головки 1308 по линии х-х может быть в интервале от 1,5 до 2,0 мм.

Поршень 1300 содержит ребра 1322, выполненные внутри цилиндрического корпуса 1302, которые служат принимающими нагрузку элементами, как описано выше. Ребра 1322 предпочтительно равномерно распределены по окружности относительно продольной оси Ар и радиально выступают из цилиндрического выступа 1326 к внутренней поверхности 1324 поршня. Ребра 1322 подпирают заднюю поверхность 1316 головки 1308 и также проходят продольно внутри поршня 1300 от задней поверхности 1316 по меньшей мере часть расстояния вдоль внутренней поверхности 1324 юбки по направлению к открытому концу 1309. В других вариантах выполнения ребра 1322 могут приближаться или даже достигать открытого конца 1309. Ребра 1322 также имеют протяженность вдоль оси и сходятся на цилиндрическом выступе 1326. Цилиндрический выступ 1326 имеет снабженную резьбой нижнюю кольцеобразную часть 1327 и расположен на продольной оси Ар позади головки 1308. Ребра 1322 передают аксиальные нагрузки, приходящиеся на головку 1308 во время работы двигателя, на юбку 1310 и цилиндрический выступ 1326. Точная форма, протяженность и число ребер 1322 могут варьироваться в соответствии с конструкцией двигателя и рабочими характеристиками. Головка 1308, верхняя часть юбки 1310, ребра 1322 и цилиндрический выступ 1326 выполнены как единый блок головки с нижней частью юбки 1310, выполненной как единый цилиндрический блок и присоединенный к блоку головки в области 1325. Блок головки и цилиндрический блок могут быть изготовлены литьем и/или путем механической обработки из сплавов высокотемпературного алюминия или стали и соединены пайкой твердым припоем, сваркой или с помощью резьбы.

Обращаясь опять к фиг.13А-13Е, отметим, что цилиндрический выступ 1326 имеет внутреннее пространство 1328 для сбора текучей среды. В стенке цилиндрического выступа 1326 выполнено несколько сквозных отверстий. Отверстия включают расположенные по окружности первые отверстия 1329. Каждое первое отверстие 1329 расположено между соответствующей парой ребер 1322 и наклонено по отношению к оси таким образом, чтобы проходить через цилиндрический выступ 1326 наискось по направлению к задней поверхности 1316. Отверстия также содержат большое количество размещенных по окружности направленных по радиусу вторых отверстий 1330, которые размещены в продольном направлении от первых отверстий 1329 по направлению к задней поверхности 1316 головки 1308 и размещены там, где цилиндрический выступ 1326 соединяется с задней поверхностью 1316. (Доступ для сверления вторых отверстий 1330 обеспечивается через радиальные отверстия 1330а в патрубке головки.) Каждое второе отверстие 1330 расположено по периферии между соответствующей парой ребер 1322 и открыто в радиальном направлении через цилиндрический выступ 1326 вблизи задней поверхности 1316 головки 1308. Трубка в виде трубчатого соединяющего стержня 1331, которая наилучшим образом видна на фиг.13С и 13D, имеет центральный расточенный канал 1332 и концевые секции 1333 и 1334, снабженные резьбой. Стержень 1331 ввинчивается и удерживается в цилиндрическом выступе 1326 резьбовым соединением между концевой секцией 1333 и кольцеобразной снабженной резьбой деталью 1327. Стержень 1331 удерживается в поршне 1300 гайкой 1335 с резьбой.

Как наилучшим образом видно на фиг.13С и 13D, седло 1345 в форме открытой крестообразной конструкции присоединено с помощью снабженной резьбой центральной части 1347 к снабженной резьбой концевой секции 1334 стержня 1331. Контргайки 1348 и 1349, навинченные на концевую секцию 1334, удерживают седло 1345 на поршне 1300. Зажимное приспособление 1350 канала навинчено на конец концевой секции 1334.

Как может быть понятно из рассмотрения фиг.13С и 13Е, стержень 1331 образует канал для доставки по меньшей мере одной направленной струи жидкого хладагента на заднюю поверхность 1316 головки 1308. Расточенный канал 1332 стержня 1331 сообщается с собирающим пространством 1328, при этом жидкий хладагент, введенный через зажимное приспособление 1350, течет через расточенный канал 1332 в собирающее пространство 1328 и вытекает наружу из первых и вторых отверстий 1329 и 1330 на заднюю поверхность 1316.

Со ссылкой на фиг.13А и 13Е можно понять процесс нанесения хладагента на заднюю поверхность 1316 головки 1308. Ребра 1322 определяют радиально симметричное кольцо камер 1351 на задней стороне 1316 головки 1308. По мере того как хладагент С протекает в направлении оси через расточенный канал 1332 стержня 1331, он выводится из цилиндрического выступа 1326 и через каждое первое отверстие 1329 в виде наклоненной по отношению к оси струи J1, ориентированной по направлению к части задней поверхности 1316 в одной из камер 1351. Когда хладагент С входит во внутреннее собирающее пространство 1328 цилиндрического выступа 1326, он ударяется в осевом направлении о центральную часть задней поверхности 1316 и охлаждает ее. Хладагент С выводится в радиальном направлении через центральную часть и вытекает через каждое первое отверстие 1329 в виде струи J2, ориентированной по существу радиально по отношению к продольной оси Ар . Каждая камера 1351 принимает турбулентную наклоненную по отношению к оси струю J1 жидкого хладагента, выпускаемую через соответствующее первое отверстие 1329 и ориентированную по направлению к части задней поверхности 1316 в пределах камеры 1351. Каждая камера 1351 также принимает турбулентную радиально ориентированную струю J2 жидкого хладагента, выпускаемую через второе отверстие 1330. Турбулентные струи J1 и J2 жидкого хладагента ударяются в часть задней поверхности 1316 в пределах камеры 1351. Выпущенный жидкий хладагент проходит вдоль части внутренней поверхности 1324 и по лицевым поверхностям ребер 1322, ограничивающим камеру 1351, а затем вытекает из камеры 1351 вдоль внутренней поверхности 1324 юбки 1310. Таким образом, во время работы двигателя поршень 1300 охлаждается одной или несколькими направленными струями жидкого хладагента, которые ударяются в заднюю поверхность 1316 между ребрами 1322. Вязкость и давление хладагента С и диаметр первого и второго отверстий 1329 и 1330 могут быть изменены для обеспечения турбулентности струй в локальных потоках хладагента в пределах камер 1351 и направленных на заднюю поверхность 1316. Как известно, турбулентность увеличивает производительность хладагента в отводе тепла от задней поверхности 1316 и сторон камер 1351. Скорость потока хладагента С увеличивают до уровня, гарантирующего высокую скорость отвода тепла от головки 1308. Струи J1 и J2 направлены так, что они ударяются в заднюю поверхность 1316. Таким образом, производительность охлаждения первого и второго отверстий 1329 и 1330 выполнена с возможностью установки в широких пределах путем изменения одного или всех отверстий, диаметра отверстий, ориентации отверстий относительно оси, вязкости, давления и скорости течения хладагента С в поршень 1300. Хладагент С предпочтительно течет из открытого конца 1309 поршня 1300 для того, чтобы быть собранным картером вместе с жидким хладагентом, вытекающим из цилиндра 1100.

При подаче спиральных потоков жидкого хладагента, подаче по меньшей мере одной направленной струи жидкого хладагента и подаче потоков жидкого хладагента на наружную поверхность в центральной части можно подавать топливо.

Таким образом, тонкое поперечное сечение и цилиндрическая симметричность расстановки струй жидкого хладагента, направленных на заднюю поверхность 1316 головки 1308, обеспечивают однородность охлаждения головки во время работы двигателя и устраняют или по меньшей мере существенно уменьшают разбухание головки и части юбки, непосредственно примыкающей к головке. Цилиндрическая симметрия поршня 1300 при этом поддерживается при высоких значениях СЭД, которые способствуют конструкции и работе поршней без колец. В соответствии с иллюстративной конструкцией поршня, использующей такие струи для контроля тепловых деформаций, разность расширения головки по отношению к нижней цилиндрической части поршня диаметром 3,8" (96 мм) может быть удержана на уровне, меньшем чем 0,001" (0,025 мм).

Конструкция поршня 1300 также смягчает последствие жесткой внутренней связи поршней и коленчатых валов с другими частями двигателя, которая наблюдается в двигателях с противоположным расположением поршней типа Берда. В двигателе Берда каждый поршень присоединен к двум расположенным по бокам коленчатым валам одним хомутом и несколькими соединительными стержнями. Хомут составляет одно целое с наружной юбкой поршня или прикреплен к ней, при этом каждый конец хомута присоединен с помощью одного или нескольких жестких стержней к одному из коленчатых валов. Цилиндр неподвижно закреплен в блоке двигателя. В результате возникающее смещение осей между осями поршня и цилиндра, содержащего поршень, не может быть компенсировано податливостью опорных конструкций ни цилиндра, ни поршня. В этом отношении «податливость» относится к величине растяжения или смещения нагруженной конструкции на единицу нагрузки. В сравнении с Бердом конструкция, изображенная на фиг.13А-13Е, допускает значительно большую податливость в опорной конструкции поршня, поскольку допускает изгиб трубчатого стержня 1331 в ответ на вызванное перемещением смещение осей между продольной осью поршня 1300 и продольной осью цилиндра 1100.

Ниже описан двухтактный двигатель внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней, в упрощенном виде изображенный на фиг.14А. Для целей иллюстрации и только для примера это описание предполагает двигатель с воспламенением от сжатия. Вместо него может быть двигатель с искровым зажиганием. Описанный двигатель состоит по меньшей мере из одного цилиндра, в котором тепловые неоднородности устранены или существенно уменьшены благодаря применению потоков жидкого хладагента способом, описанным в связи с цилиндром 1100, изображенным на фиг.11А-11D. Цилиндр этого двигателя имеет пару противоположно расположенных поршней без колец, причем в каждом поршне тепловые деформации устранены или существенно уменьшены благодаря применению одной или нескольких струй жидкого хладагента способом, описанным для поршня 1300 в связи с фиг.13А-13Е.

Как изображено на фиг.14А, двигатель 1400 содержит по меньшей мере один цилиндр 1100 с противоположным расположением поршней 1300А и 1300В, размещенных в нем для возвратно-поступательного встречного движения по направлению друг к другу и в разные стороны друг от друга и от середины цилиндра 1100. Продольная ось А с цилиндра коллинеарна продольным осями Ар поршней 1300А и 1300В. Поршни 1300А и 1300В присоединены к первому и второму укрепленным сбоку и вращающимся в разные стороны коленчатым валам 1430 и 1432, которые, в свою очередь, присоединены к общему выходу (не показанному на этом чертеже). Седла 1345 установлены на поршнях 1300. Каждое из седел 1345 соединяет концы соединительных стержней 1447 с соответствующими концами поршней. Аксонометрическая картина этой фигуры изображает только два соединительных стержня 1447 для каждого поршня, при этом понятно, что один или несколько дополнительных соединительных стержней не видны. Соединительные стержни 1447 присоединены к седлу 1345 вблизи открытого конца 1309 каждого поршня 1300А и 1300В.

Два установленных по бокам коленчатых вала 1430 и 1432 размещены со своими осями, параллельными одна другой и лежащими в общей плоскости, которая пересекает цилиндр 1100 в его продольном центре или вблизи от него и которая перпендикулярна продольной оси Ас цилиндра. Коленчатые валы вращаются в противоположных направлениях. Соединительные стержни 1447 присоединены к коленчатым рычагам коленчатых валов 1430 и 1432. Каждый соединительный стержень 1447 расположен таким образом, что он образует острый угол с осями (и боковыми сторонами) цилиндра 1100 и поршней 1300А и 1300В. Соединительные стержни 1447 присоединены к седлам 1345 посредством игольчатых подшипников 1436, а к коленчатым рычагам посредством роликовых подшипников 1438.

Геометрические соотношения между соединительными стержнями 1447, седлами 1345 и коленчатыми валами 1430, 1432 на фиг.14А поддерживают соединительные стержни в основном под растягивающей нагрузкой, когда поршни 1300А и 1300В перемещаются в цилиндре 1100 с ограниченным уровнем сжимающей нагрузки, вызванной силами инерции поршней при высоких скоростях двигателя. Эта геометрия устраняет или по меньшей мере существенно снижает боковые силы между поршнями 1300А и 1300В и расточенной частью цилиндра 1100.

На фиг.14А изображены дополнительные детали и особенности цилиндра 1100 и поршней 1300А и 1300В. Цилиндр 1100 имеет выпускное отверстие 1105, закрытое выпускным трубопроводом 1104, через который продукты горения выходят из цилиндра 1100. Во время работы двигателя 1400 на большой мощности, например при СЭД=150 фунтов на квадратный дюйм (10,7 атм), средняя температура выпускных газов на выходе выпускного трубопровода 1104 и трубопровода 1153 может достигать или превышать 375°С, достаточно высокой для коксования дизельного топлива. Средняя температура трубопровода 1104 и трубопровода 1153 значительно ниже высокой начальной температуры выпускного газа благодаря большому потоку продувающего воздуха. Соответственно, наружные поверхности выпускного трубопровода 1104 и трубопровода 1153 могут быть защищены изолирующими покрытиями, такими как высокотемпературная краска. Для этой цели используют составы на основе силикона. Один такой состав представляет собой окись металла в качестве наполнителя краски с теплопроводностью (К) меньше чем 1 Вт/(м·К), который продается под торговой маркой Corr-Paint СР 4040 фирмы Аремко (Aremco). Другой подходящий состав представляет собой покрытие, образованное путем смешивания силиконовых ячеек в форме микрошариков, который продается компанией Eager Plastics, Inc, или микросферы из стекла, которые продаются фирмой Potter Europe с основанной на силиконе системой вяжущего вещества, продаваемые под торговой маркой Aremco 8080 фирмы Aremco; этот состав обеспечивает покрытие, имеющее теплопроводность (К) меньше чем 0,36 Вт/(м·К).

Как показано на фиг.14А, цилиндр 1100 также имеет скрытое под впускным трубопроводом 1106 впускное отверстие, через которое сжатый воздух поступает в цилиндр 1100. В связи со своим расположением по отношению к этим отверстиям поршни 1300А и 1300В могут быть обозначены соответственно как «выпускной» и «впускной» поршни, и таким же образом могут быть названы концы цилиндра 1100. По меньшей мере одна топливная форсунка 1158 впрыскивает топливо в цилиндр 1100. Отверстия 1142, 1144 и 1145 проводят жидкий хладагент в соответствующие группы канавок на наружной поверхности цилиндра 1100.

Как было описано в связи с первым вариантом выполнения, соотношение между длиной поршня и длиной цилиндра, связанное с разностью фаз между поршнями 1300А и 1300В при прохождении ими положения их нижней мертвой точки, регулирует работу отверстий и правильно согласует ее с ходом поршней. Таким образом, фазовое рассогласование между положениями нижней мертвой точки создает последовательность, в которой выпускное отверстие 1105 открывается в тот момент, когда выпускной поршень 1300А перемещается вблизи положения своей нижней мертвой точки, затем впускное отверстие 1107 открывается в тот момент, когда впускной поршень 1300В двигается вблизи положения своей нижней мертвой точки, следуя за которым выпускное отверстие закрывается после того, как выпускной поршень уходит из положения своей нижней мертвой точки, а затем закрывается и впускное отверстие 1107 после того, как впускной поршень 1300В уходит из положения своей нижней мертвой точки.

Со ссылкой на фиг.13С и 14А видно, что ближе к открытым концам поршней 1300А и 1300В предусмотрены два резервуара 1460А и 1460В. Каждый резервуар имеет сопло 1461, через которое жидкий хладагент для охлаждения присоединенного поршня 1300А или 1300В подводится к зажиму 1350, установленному на снабженном резьбой конце 1334 стержня 1331 поршня. Зажим 1350 расположен на одной линии с соплом 1461 на резервуаре 1460А или 1460В. Жидкий хладагент, введенный в резервуар 1460А или 1460В, принудительно выдавливается из сопла 1461 в виде выбрасываемой струи, которая через зажим 1350 входит в канал 1332 соответствующего стержня 1331. Сила выброшенной струи и движение поршня 1300А или 1300В принуждают жидкий хладагент вытекать из стержня 1331 через первое и второе отверстия 1329 и 1330 в один или несколько жиклеров, направленных на заднюю поверхность головки 1308.

На фиг.14В изображен вид модификации второго варианта выполнения двигателя в частичном разрезе, который идентичен двигателю 1400 во всех отношениях за исключением того, что имеет другие опору поршня и конструкции охлаждения. На фиг.14В цилиндр 1100 имеет расположенные в нем два противоположно размещенных поршня 1480А и 1480В, причем в этом цилиндре каждый поршень 1480А или 1480В прикреплен вокруг его юбки к соответствующему седлу 1482 способом, описанным выше для первого варианта выполнения двигателя. В этом отношении смотрите соединение юбок 12s и 14s с седлами 16 и 18, показанное на фиг.2А, 2В, 6А и 6В. Кроме того, головки 1480 с поршней 1480А и 1480В являются тонкими и поддерживаются на своих задних поверхностях 1486 ребрами (не показаны) таким же образом, как и в поршне 1300. Однако поршни 1480А и 1480В не имеют цилиндрического выступа 1326 и трубчатого стержня поршня 1300. Для каждого поршня 1480А и 1480В имеется охлаждающая конструкция 1490, прикрепленная к резервуару 1460 и имеющая расположенный кольцом ряд трубок 1492, обращенных к задней поверхности 1486 поршней 1480А и 1480В. Выходное отверстие каждой трубки 1492 направляет турбулентную струю хладагента между соответствующей парой ребер 1488. В центре каждого расположенного кольцом ряда имеется единственная трубка 1493, выходное отверстие которой обращено к центральной части задней поверхности 1486 головки 1480с поршня. Жидкий хладагент подводится из каждого резервуара 1460А и 1460В через связанный с ним расположенный кольцом ряд из трубок 1492, 1493 в виде множества струй, направленных на заднюю поверхность 1486 головки 1480с поршня, когда поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1100 во время работы двигателя.

Как описано выше в связи с первым вариантом выполнения, двухтактный двигатель с противоположным расположением поршней, соответствующий второму варианту выполнения, имеет рабочие элементы (цилиндры, поршни, соединительные элементы, коленчатые валы и так далее), расположенные на конструкционном блоке в виде рамы из пассивных конструктивных элементов, подогнанных друг к другу для поддержки рабочих элементов. Рама принимает нагрузки и усилия, связанные с работой двигателя, такие как усилия сжатия между коленчатыми валами, при этом цилиндры не отлиты в одном блоке и не изготовлены вместе с другими пассивными конструктивными элементами. Каждый цилиндр поддерживается в раме двигателя и отделен от механических и температурных напряжений блока двигателя. Следовательно, по сравнению с первым вариантом выполнения цилиндры во втором варианте выполнения в основном являются по существу сосудами под давлением. Эта конструкция двигателя вместе с охлаждением цилиндра 1100 и поршней 1300А и 1300В описанным выше способом устраняет неоднородную радиальную деформацию цилиндра и выпучивание головок поршня, а также допускает очень плотную посадку на границе цилиндр-поршень. Использование специально приспосабливаемого охлаждения является преимуществом, поскольку дает основание для выбора конструкции двигателя, обходящегося без колец поршней.

На фиг.15А-15Е изображены в аксонометрии поэтапные виды сборки двигателя 1400 с противоположным расположением поршней с расположенными по бокам коленчатыми валами, основанного на конструкциях цилиндра и поршня, представленных на фиг.11А-11D и 13А-13Е. Двигатель 1400 имеет два цилиндра, хотя такое количество показано только для иллюстрации. В действительности это может быть распространено на двигатели любого размера и двигатели, имеющие один, два или три или большее количество цилиндров. На фиг.15А двигатель 1400 содержит два цилиндра 1100, имеющих конструкцию, показанную на фиг.11А-11D, с размещенными в нем противоположно расположенными поршнями 1300А и 1300В. Седла 1354 противоположно расположенных поршней видны на фиг.15А. Соединительные стержни 1447 присоединяют седла 1354 к коленчатым валам 1430 и 1432. Выпускные трубопроводы 1153 проходят через соответствующие отверстия в раме 1510 двигателя, а впускные трубопроводы проходят в соответствующие отверстия пластины 1520 двигателя.

На фиг.15В и 15С изображен двигатель 1400 без цилиндров 1100 и резервуаров 1460. Двигатель 1400 имеет раму, состоящую из концевых пластин 1522 и 1524 и средней пластины 1526, размещенной между концевыми пластинами 1522 и 1524. Щели 1528 расположены на противоположных сторонах пластин 1522, 1524 и 1526. Пластины 1522, 1524 и 1526 имеют подшипники для опоры во время вращения коленчатого вала 1430 и подшипники 1532 для опоры во время вращения коленчатого вала 1432. Концевые и средняя пластины 1522, 1524 и 1526 поддерживаются вместе на одной стороне несколькими пластинами двигателя, включающими пластину 1510 двигателя и дополняющую пластину 1511 двигателя, а на второй стороне посредством пластины 1520 двигателя и дополняющей пластины 1521 двигателя. Один резервуар 1460 установлен на одной стороне рамы между пластинами 1520 и 1511 двигателя, а другой - на другой стороне рамы между пластинами 1510 и 1521 двигателя.

Коробка передач 1570 вмещает выходную зубчатую передачу, через которую противоположно направленные вращательные движения коленчатых валов 1530 и 1532 соединены с выходным приводным валом. Концы коленчатых валов 1430 и 1432 проходят в коробку передач 1570. Первое зубчатое колесо 1572 с наружным зубчатым венцом закреплено на конце коленчатого вала 1430, а второе зубчатое колесо 1573 с наружным зубчатым венцом закреплено на конце коленчатого вала 1432. Третье, выходное, зубчатое колесо 1575 имеет кольцеобразную часть 1576 с внутренней зубчатой периферией 1577 и наружной зубчатой периферией 1578. Как видно из чертежей, наружный венец зубчатого колеса 1572 входит в зацепление с внутренней периферией 1577 зубчатого колеса 1575 в одном месте, а наружный венец зубчатого колеса 1573 входит в зацепление с наружной периферией 1578 зубчатого колеса 1575 в другом месте, диаметрально противоположном первому месту. Коэффициент передачи между внутренним зубчатым колесом 1572 и внутренней периферией 1577 может быть 33/65 с зубом с МОД 4 на внутреннем зубчатом колесе и внутренней периферии, тогда как коэффициент передачи между наружным зубчатым колесом 1573 и наружной периферией 1578 может быть 33/65 с зубом с МОД 5 на наружном зубчатом колесе и на наружной периферии. Такое расположение зубчатых колес позволяет вращение коленчатых валов 1430 и 1432, осуществляемое в противоположных направлениях, трансформировать в непрерывное вращение выходного зубчатого колеса 1575 с помощью нечетного числа зубчатых колес (в этом случае три) с коэффициентом передачи, выраженным не целым числом, и без каких-либо промежуточных ремней, цепей или других элементов, преобразующих крутящий момент. Результатом является простая, короткая выходная зубчатая передача.

Осевая пластина 1581 прикреплена к кольцу 1576 винтами с резьбой, а крышка 1582 прикреплена винтами с резьбой к концевой пластине 1522 поверх коробки передач 1570. Осевая пластина 1581 имеет центральную ось 1586. Крышка 1582 содержит выходной подшипник 1585, который принимает ось 1586, создавая раме, таким образом, возможность поддерживать выходное зубчатое колесо 1575 для вращения. Ось 1586 составляет выходной привод двигателя 1400. Она может быть присоединена к промежуточной трансмиссии или непосредственно к ведомому компоненту с помощью одного или нескольких валов, зубчатых колес, ремней, цепей, кулачков или других подходящих преобразующих крутящий момент элементов или систем (не показаны).

На фиг.15D изображен двигатель 1400 с двумя цилиндрами 1100, прикрепленными к концевой и средней пластинам 1522, 1524 и 1526 путем зацепления ушек 1164 в щелях 1528. Щели 1528 предусмотрены для легкого извлечения цилиндров из двигателя 1400 для осмотра, ремонта или замены цилиндров или поршней. Собранный двигатель 1400 изображен на фиг.15Е с резервуаром 1460, прикрепленным винтами с резьбой между концевыми пластинами 1522 и 1524. Пластины 1520, 1521, 1510 и 1511, резервуары 1460 и закрывающие пластины 1580 прикреплены винтами с резьбой и/или болтами к концевой и средней пластинам 1522, 1524 и 1526 рамы.

Детали рамы для двигателя 1400 предпочтительно изготовлены литьем или с помощью механической обработки из высокотемпературного сплава алюминия (такого, как алюминий 5454) так, как это необходимо для сборки и работы двигателя. Топливные системы и системы продувки могут быть такими, как это раскрыто выше в отношении первого варианта выполнения. Предпочтительно, чтобы жидким хладагентом и топливом, используемым для двигателя 1400, было дизельное топливо, которое также может служить смазкой для поршней и других элементов двигателя. Предпочтительно, чтобы работа двигателя управлялась с помощью блока управления двигателем БУД (ECU) со связанными с ней датчиками и приводами, какие потребуются.

Установка вспомогательного устройства на двигатель 1400 может быть понята со ссылкой на фиг.15А-15Е. Например, турбокомпрессор 1590 установлен на пластине 1510 двигателя для облегчения соединения с одним или несколькими выпускными трубопроводами 1153, а компрессор наддува 1591 присоединен к пластине 1520 двигателя для облегчения присоединения к впускным трубопроводам 1154. Топливный насос 1593 приводится в движение с помощью ремня, обеспечивающего синхронность работы, от конца одного из коленчатых валов 1430, 1432. Насосы хладагента, смазки и продувки (не показаны) установлены на задней стороне двигателя 1400 и приводятся в движение от конца одного из коленчатых валов 1430, 1432. Насос хладагента подает жидкий хладагент в отверстия во втулке 1140 цилиндра и в резервуары 1460А и 1460В. Насос 1594 картера установлен на нижней пластине 1580. Хотя это и не показано на указанных чертежах, выходящие из задней пластины 1524 концы коленчатых валов 1430 и 1432 могут также использоваться для приведения в движение гасителей вибрации и вспомогательных устройств двигателя.

Регулировка подачи жидкого хладагента посредством системы питания жидким хладагентом 1600, используемая во втором варианте выполнения, изображена на упрощенной диаграмме на фиг.16А. Система питания содержит программируемый блок управления двигателем (БУД (ECU)) 1601. БУД 1601 измеряет температуру цилиндра 1100 с помощью датчика 1610, ввинченного в одно из отверстий 1116 в гильзе 1102 цилиндра. БУД 1601 также измеряет температуры головок поршней 1300А и 1300В с помощью датчиков 1611А и 1611В, установленных в поршнях 1300А и 1300В. Другие датчики (не все показаны) могут обеспечить ввод информации, сообщающей БУД 1601 о различных условиях работы двигателя. В системе 1600 питания насос 1594 продувки извлекает хладагент, выпущенный из цилиндра 1100 и поршней 1300А и 1300В, и прокачивает хладагент через отделитель воздуха 1630 и фильтр 1631 в (сухой) картер 1632.

Насос 1634А контура хладагента цилиндра прокачивает хладагент, собранный в картере 1632, через теплообменник 1635А и перепускной клапан 1636А в трубопровод 1638А. Жидкий хладагент для снабжения канавок в цилиндре 1100 содержится под выбранным давлением в трубопроводе 1638 под управлением перепускного клапана 1636А посредством БУД 1601 и датчика давления 1639А в трубопроводе 1638А. Из трубопровода 1638А жидкий хладагент проходит через пропорциональные клапаны 1642, 1644 и 1645 в канавки на наружной поверхности цилиндра 1100 соответственно через отверстия 1142, 1144 и 1145. Все клапаны 1636А, 1642, 1644 и 1645 управляются посредством БУД 1601.

Насос 1634В контура хладагента поршня прокачивает хладагент, собранный в картере 1632, через теплообменник 1635В и перепускной клапан 1636В в трубопровод 1638В. Для подачи по трубкам 1331 в поршни 1300А и 1300В жидкий хладагент содержится под выбранным давлением в трубопроводе 1638В путем контроля перепускного клапана 1636В управляемым БУД 1601 и датчиком давления 1639В. Из трубопровода 1638В жидкий хладагент проходит через пропорциональные клапаны 1660А и 1660В в резервуары 1460А и 1460В и из резервуаров через каналы 1332 трубок 1331 на задние поверхности головок поршней 1300А и 1300В. Все клапаны 1636В, 1660А и 1660В управляются посредством БУД 1601.

БУД 1601 представляет собой программируемый путем отображения предварительно откалиброванных значений температур цилиндра и поршней и других данных, отображающих условия работы двигателя, для расчета давления хладагента и скорости потоков для различных рабочих нагрузок двигателя. БУД 1601 считывает условия работы двигателя и температуры цилиндра и поршней, определяет текущую нагрузку двигателя, делает выборку и рассчитывает требуемые давления и скорости потоков для трех контуров цилиндра 1100 и поршней 1300А и 1300В. Затем БУД 1601 управляет клапанами 1636А, 1642, 1644 и 1645 для обеспечения хладагентом контуров охлаждения цилиндра 1100 для поддержания цилиндрической симметрии в каждый момент работы двигателя. Управление может быть как с обратной связью, так и без нее. Например, при полной мощности двигателя, использующего дизельное топливо в качестве хладагента, давление у отверстий 1142 и 1144 может быть менее чем 1 бар при скорости потока 1 галлон в минуту (3,78 л в мин), а давление у отверстий 1145 может быть меньше чем 1 бар при скорости потока 4 галлона в минуту (15,1 л в мин). В то же время БУД 1601 также контролирует клапаны 1636В, 1660А и 1660В для подачи хладагента в контуры охлаждения поршней 1300А и 1300В, как это требуется для управления тепловыми деформациями головок 1308 в каждый момент работы двигателя. Например, при полной мощности двигателя, использующего дизельное топливо как хладагент, давление у входа в резервуары 1460А и 1460В может быть меньше, чем 3 бар при скорости потока 15 галлонов в минуту (56,7 л в мин) на поршень.

Управление подачей жидкого хладагента альтернативной системой 1650 подачи жидкого хладагента, использованной во втором варианте выполнения, упрощенно изображено в виде диаграммы на фиг.16В. Система 1650 поставляет первый хладагент (например, воду) к цилиндру 1100 и второй, отличающийся хладагент (например, смазку или дизельное топливо), к поршням 1300А и 1300В. Система 1650 питания содержит программируемый блок управления работой двигателя БУД 1601 и датчики 1610, 1611А и 1611В в цилиндре 1100 и поршнях 1300А и 1300В. Система 1651 питания использует линии 1661, возвращающие хладагент, присоединенные соответственно к отверстиям 1147 во втулке 1140 цилиндра и к отверстиям 1133 на концах цилиндра 1100. Линии 1661, возвращающие хладагент, сходятся в возвращающий трубопровод 1662, который возвращает первый жидкий хладагент из цилиндра 1100 в резервуар 1663.

Насос 1664 контура охлаждения цилиндра прокачивает первый жидкий хладагент, собранный в резервуаре 1663, через теплообменник 1665 и перепускной клапан 1666 в трубопровод 1667. Первый жидкий хладагент для подачи в канавки в цилиндре 1100 содержится под выбранным давлением в трубопроводе 1667 перепускным клапаном 1666 под управляемым блоком БУД 1601 и датчика давления 1669, установленного в трубопроводе 1667. От трубопровода 1667 первый жидкий хладагент проходит через пропорциональные клапаны 1672, 1674 и 1675 в канавки на наружной поверхности цилиндра 1100 соответственно через отверстия 1142, 1144 и 1145. Все клапаны 1666, 1672 и 1675 управляются блоком БУД 1601.

Система 1650 питания также содержит контуры хладагента поршней системы 1600 питания, которые составлены из соединенных последовательно элементов от насоса 1594 продувки, через резервуары 1460А и 1460В для подачи второго жидкого хладагента для охлаждения поршней 1300А и 1300В, как описано выше в связи с фиг.16А. Что касается системы 1600, то второй жидкий хладагент подается струей в поршни 1300А и 1300В и возвращается для дальнейшего использования с помощью насоса 1594.

Блок БУД 1601 является программируемым и управляет системой 1650 питания наподобие системы 1600 посредством отображения заранее откалиброванных значений температур цилиндра и поршней и других данных от датчиков, указывающих на условия работы двигателя для расчета давления первого и второго хладагента и скоростей их течения для различных рабочих нагрузок двигателя и для управления подачи первого и второго хладагента при этих давлениях и скоростях течения для цилиндра 1100 и соответственно поршней 1300А и 1300В.

Должно быть очевидно, что системы питания, изображенные на фиг.16А и 16В могут регулировать охлаждение цилиндра 1100 независимо от поршней 1300А и 1300В, реагируя на условия работы двигателя. Соответственно, цилиндр 1100 и поршни 1300А и 1300В могут поддерживаться при различных температурах. Одно из преимуществ такого устройства состоит в том, что можно поддерживать цилиндр 1100 при более высокой температуре, чем поршни 1300А и 1300В для того, чтобы поддерживать заранее заданный зазор между зеркалом 1103 цилиндра и наружным диаметром поршней при изменении условий работы двигателя.

Мощность двигателя

Достигнуты улучшенные характеристики двигателя, в результате чего двигатели с противоположным расположением поршней, сконструированные в соответствии с этим описанием, способны достичь повышенного значения СЭД, удельной мощности и отношения мощности к весу (ОМВ) по сравнению с предыдущими разработками двигателей с противоположным расположением поршней. Например, двигатель с противоположным расположением поршней, сконструированный в соответствии с этим описанием, допускает СЭД по меньшей мере в 200 фунтов на квадратный дюйм (14,3 атм), по меньшей мере в 250 фунтов на квадратный дюйм (17,9 атм) или по меньшей мере в 300 фунтов на квадратный дюйм (21,4 атм) благодаря улучшенному охлаждению. Такие двигатели с противоположным расположением поршней способны обеспечить удельную плотность мощности (УПМ), отнесенную к площади поршня, по меньшей мере 11,0 л.с./кв. дюйм (12,9 МВатт/кв.м), по меньшей мере 12,0 л.с./кв. дюйм (14,1 МВатт/кв.м) или по меньшей мере 13,0 л.с./кв. дюйм (15,3 МВатт/кв.м). Эти улучшения дают возможность двигателям с противоположным расположением поршней достичь ОМВ по меньшей мере 0,5 л.с./фунт (0,87 кВатт/кг), по меньшей мере 0,667 л.с./фунт (1,1 кВатт/кг) или по меньшей мере 1,0 л.с./фунт (1,65 кВатт/кг).

Использование и применение двигателя с противоположным расположением поршней, объясненного в этом описании, охватывают широкую область. Они могут быть изменены в размерах для любых приложений, использующих двухтактные двигатели, включая двухтактные дизельные двигатели. Двигатель может быть установлен внутри или снаружи на различных снабженных силовыми установками транспортных средствах, инструментах, устройствах или других аппаратах, требующих подачи энергии вращательного движения. В качестве примеров в этом отношении см. фиг.17А-17D. На фиг.17А такой двухтактный двигатель 1100, 1400 с противоположным расположением поршней установлен на платформе транспортного средства, которое может быть колесным или гусеничным транспортным средством, таким как автомобили, мотоциклы, мотороллеры, трактора-тягачи, танки, несущие оружие военные транспортные средства, снегоходы и все эквивалентные и подобные отдельные случаи. На фиг.17В такой двигатель установлен на плавающем по воде транспортном средстве, таком как лодка, транспортное средство на воздушной подушке, подводная лодка, личное плавающее по воде транспортное средство и все эквивалентные и подобные транспортные средства. На фиг.17С такой двигатель установлен на воздушном транспортном средстве с неподвижными крыльями или в винтокрылой конструкции. На фиг.17D такой двигатель установлен в снабженном силовой установкой орудии, таком как газонокосилка, точило, деревообрабатывающий станок, воздуходувка для уборки опавших листьев или снега, цепная пила и все эквивалентные и подобные устройства. На фиг.17Е такой двигатель установлен в устройстве, представляющем собой соединение мотора с электрогенератором. На фиг.17F двигатель установлен в насосе.

Несмотря на то что изобретение было описано со ссылкой на конкретные иллюстрации и примеры, должно быть понятно, что могут быть сделаны различные видоизменения без отхода от сущности и принципов нашего двигателя. Соответственно, изобретение ограничивается только следующими ниже пунктами формулы изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Двигатель (1400) внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней, содержащий цилиндр (1100), имеющий гильзу (1102) с наружной поверхностью (1120), центральной (1114) и концевыми (1109, 1112) частями и расточенной частью (1103), первый и второй противоположно расположенные поршни (1300А, 1300В), которые выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в расточенной части, и каждый из которых имеет головку (1308, 1408) с задней поверхностью (1316, 1486), отличающийся тем, что он содержит систему (1600, 1650) питания, предназначенную для подачи на указанную наружную поверхность (1120) потоков жидкого хладагента, проходящего от указанной центральной части к указанным концевым частям, и/или систему питания, предназначенную для подачи жидкого хладагента во внутреннюю часть каждого поршня на заднюю поверхность (1316, 1486) головки.

2. Двигатель по п.1, в котором каждый поршень (1300А, 1300В) содержит цилиндрический корпус, открытый конец и закрытый конец, определяющие границы головки, и который дополнительно содержит по меньшей мере два охлаждающих канала, каждый из которых присоединен к системе (1600) питания и расположен с обеспечением направления по меньшей мере одной струи жидкого хладагента на заднюю поверхность (1316) головки (1308) поршня.

3. Двигатель по п.2, дополнительно содержащий раму (1510-1526), причем каждый охлаждающий канал установлен на раме.

4. Двигатель по п.2, в котором каждый охлаждающий канал установлен на соответствующем поршне (1300А, 1300В).

5. Двигатель по п.1, в котором гильза (1102) цилиндра включает группы (1122, 1126) канавок (1123, 1127), которые проходят по наружной поверхности (1120) от центральной части (1114) по направлению к концевым частям, и группу канавок (1135), которые проходят по существу в окружном направлении в центральной части, и который дополнительно включает втулку (1140) цилиндра, закрывающую канавки, и одно или несколько отверстий (1142, 1144, 1145) во втулке цилиндра, каждое из которых сообщается с соответствующей канавкой, причем система (1600) питания соединена с указанным одним или несколькими отверстиями.

6. Двигатель по п.5, в котором каждый поршень (1300А, 1300В) содержит продольную ось и ребра (1322), примыкающие к задней поверхности головки (1308) и проходящие в радиальном направлении по отношению к продольной оси.

7. Двигатель по п.1, дополнительно содержащий раму (1510-1526), причем цилиндр содержит выпускной и впускной концы, выпускной трубопровод (1104) на выпускном конце, впускной трубопровод (1106) на впускном конце и по меньшей мере одно ушко (1164) на каждом из выпускных и впускных трубопроводов, которое выполнено с возможностью вставления в раму.

8. Двигатель по п.7, дополнительно содержащий изолирующее покрытие на выпускном трубопроводе (1104).

9. Двигатель по п.1, в котором каждый поршень (1480А, 1480В) включает цилиндрический корпус, имеющий радиус, открытый конец, закрытый конец, определяющий границы головки (1308), и трубку (1331), которая коаксиальна с цилиндрическим корпусом и имеет первый конец, прикрепленный к поршню вблизи задней поверхности (1316) головки, и второй конец, проходящий через открытый конец и выполненный с обеспечением соединения с возвратно-поступательным механизмом в двигателе.

10. Двигатель по п.9, в котором трубка (1331) образует охлаждающий канал (1332), и который дополнительно включает средства (1350) соединения охлаждающего канала с системой (1460) питания.

11. Двигатель по п.10, в котором трубка (1331) выполнена гибкой.

12. Двигатель по п.1, в котором жидкий хладагент, подаваемый в цилиндр (1100) и поршни (1300А, 1300В), содержит один и тот же жидкий хладагент.

13. Двигатель по п.1, в котором жидкий хладагент, подаваемый в цилиндр (1100) и поршни (1300А, 1300В), содержит различные жидкие хладагенты.

14. Двигатель по п.13, в котором система (1650) питания содержит первое средство (1664) подачи первого жидкого хладагента в цилиндр (1100) и второе средство (1634В), предназначенное для подачи к первому и второму поршням (1300А, 1300В) второго жидкого хладагента, отличающегося от первого жидкого хладагента.

15. Двигатель по п.14, в котором система (1600) питания содержит охлаждающие каналы, направленные на головки (1308) поршней.

16. Двигатель по п.1, в котором каждый поршень (1300А, 1300В, 1480А, 1480В) представляет собой пустотелый поршень, не имеющий поршневого пальца.

17. Двигатель по п.1, в котором система (1600) питания содержит средство (1601, 1610, 1611) поддержания цилиндра (1100) и поршней при соответствующих температурах.

18. Двигатель по любому из пп.1-17, дополнительно содержащий первый и второй установленные по бокам коленчатые валы (1430, 1432) и стержни (1447), которые соединяют поршни (1300А, 1300В) с коленчатыми валами.

19. Двигатель по п.18, в котором стержни (1447) во время работы двигателя подвергаются преимущественно усилиям растяжения.

20. Двигатель по п.18, в котором цилиндр (1100) имеет выпускное и впускное отверстия (1105, 1107), а коленчатые валы (1430, 1432), стержни (1447), выпускное и впускное отверстия расположены так, что поршни (1300А, 1300В) находятся в фазе в своих верхних мертвых точках и сдвинуты по фазе в своих нижних мертвых точках.

21. Двигатель по п.18, дополнительно содержащий раму (1510-1526), выполненную с обеспечением поддержки коленчатых валов (1430, 1432) при вращении.

22. Двигатель по п.21, в котором рама (1510-1526) выдерживает усилия сжатия между коленчатыми валами (1430, 1432) двигателя.

23. Двигатель по п.1, который представляет собой двухтактный двигатель с воспламенением от сжатия.

24. Двигатель по п.23, в котором цилиндр дополнительно содержит трубопроводы (1104, 1106), в которые соответственно выходят выпускное и впускное отверстия (1105), и каждый из которых имеет форму, создающую вихрь.

25. Применение двигателя по любому из пп.1-24 в качестве двигателя для приведения в движение устройства, транспортного средства, водного транспортного средства, наземного транспортного средства, воздушного транспортного средства с неподвижными крыльями, винтокрылого транспортного средства, механизированного инструмента или генератора мощности.

26. Двигатель по п.1, дополнительно содержащий первый и второй вращающиеся в противоположные стороны коленчатые валы (1430, 1432), при этом двигатель дополнительно содержит раму (1522, 1526), выполненную с обеспечением поддержки коленчатых валов при вращении первое зубчатое колесо (1572) на первом коленчатом валу (1430), второе зубчатое колесо (1573) на втором коленчатом валу (1432) и третье зубчатое колесо (1575), опирающееся на раму и имеющее кольцеобразную часть (1576) с наружной периферией (1578), находящейся в зацеплении с первым зубчатом колесом в первом месте, и с внутренней периферией (1577), находящейся в зацеплении со вторым зубчатым колесом во втором месте.

27. Двигатель по п.26, в котором указанное второе место противоположно по отношению к указанному первому месту.

28. Двигатель по п.5, содержащий цилиндр (1100), имеющий гильзу (1102) с расточенной частью (1103), наружной поверхностью (1120), центральной частью (1114), выпускным концом (1109) и выпускным концом (1112), первую группу (1122) канавок, расположенных на наружной поверхности и предназначенных для пропускания жидкого хладагента от центральной части по направлению к выпускному концу, вторую группу (1126) канавок, расположенных на наружной поверхности и предназначенных для пропускания жидкого хладагента от центральной части по направлению к впускному концу, третью группу (1135) канавок, расположенных на наружной поверхности и предназначенных для пропускания жидкого хладагента в окружном направлении в центральной части, первый и второй противоположно расположенные поршни (1300А, 1300В), которые выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в расточенной части цилиндра, и каждый из которых содержит головку (1308), по меньшей мере один охлаждающий канал для подачи направленной струи жидкого хладагента во внутреннюю часть первого поршня (1300А) на задней поверхности (1316) головки и по меньшей мере один охлаждающий канал для подачи направленной струи жидкого хладагента во внутреннюю часть второго поршня (1300В) на задней поверхности головки.

29. Двигатель по п.28, дополнительно содержащий средство (1131) для податливой регулировки первого или второго поршня по отношению к цилиндру.

30. Двигатель по п.28, в котором поршни (1300А, 1300В) не имеют колец.

31. Узел двигателя (1400) внутреннего сгорания с противоположным расположением поршней, содержащий цилиндр (1100), имеющий гильзу (1102) с расточенной частью (1103), наружной поверхностью (1120), центральной частью (1114), выпускным концом (1109) и впускным концом (1112), первую группу (1122) канавок, расположенных на наружной поверхности и предназначенных для пропускания жидкого хладагента от центральной части по направлению к выпускному концу, вторую группу (1126) канавок, расположенных на наружной поверхности и предназначенных для пропускания жидкого хладагента от центральной части по направлению к впускному концу, третью группу (1135) канавок, расположенных на наружной поверхности и предназначенных для пропускания жидкого хладагента в окружном направлении в центральной части, первый и второй противоположно расположенные поршни (1300А, 1300В), которые выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в расточенной части цилиндра, и каждый из которых содержит головку (1308), по меньшей мере один охлаждающий канал для подачи направленной струи жидкого хладагента во внутреннюю часть первого поршня (1300А) на задней поверхности (1316) головки поршня и по меньшей мере один охлаждающий канал для подачи направленной струи жидкого хладагента во внутреннюю часть второго поршня (1300В) на задней поверхности головки поршня.

32. Узел по п.31, дополнительно содержащий средство (1131) для податливой регулировки первого или второго поршня по отношению к цилиндру.

33. Узел по п.31, в котором поршни (1300А, 1300В) не имеют колец.

34. Способ работы двигателя (1400) внутреннего сгорания по п.1, включающий подачу на наружную поверхность (1120) спиральных потоков жидкого хладагента, протекающих от центральной части (1114) по направлению к концевым частям (1109, 1112), иподачу по меньшей мере одной направленной струи жидкого хладагента во внутреннюю часть каждого поршня на задней поверхности (1316) головки.

35. Способ по п.34, в котором при подаче спиральных потоков жидкого хладагента, подаче по меньшей мере одной направленной струи жидкого хладагента и подаче потоков жидкого хладагента на наружную поверхность в центральной части подают топливо.

36. Способ охлаждения двигателя с противоположным расположением поршней по п.1, включающий охлаждение наружной поверхности (1120) гильзы (1102) цилиндра с использованием жидкого хладагента с обеспечением получения по меньшей мере в целом однородной температуры по длине и по периферии наружной поверхности и охлаждение задней поверхности (1316) головки каждого поршня путем непосредственного столкновения с жидким хладагентом.

37. Способ по п.36, в котором жидкий хладагент, используемый для охлаждения наружной поверхности (1120) гильзы цилиндра, и жидкий хладагент, используемый для охлаждения задней поверхности (1316) головки каждого поршня, представляют собой один и тот же хладагент.

38. Способ по п.36, в котором жидкий хладагент, используемый для охлаждения наружной поверхности (1120) гильзы цилиндра, и жидкий хладагент, используемый для охлаждения задней поверхности (1316) головки каждого поршня, представляют собой разные хладагенты.

39. Способ охлаждения двигателя (1400) с противоположным расположением поршней по п.1, включающий неравномерное охлаждение наружной поверхности (1120) гильзы цилиндра с использованием жидкого хладагента с обеспечением получения по меньшей мере в целом однородной температуры по длине и периферии наружной поверхности.

40. Способ охлаждения двигателя (1400) с противоположным расположением поршней по п.1, включающий направление турбулентных струй жидкого хладагента на задние поверхности (1316) головок поршней.

www.freepatent.ru

Усовершенствованный двигатель внутреннего сгорания и его рабочий цикл

 

Изобретение относится к способу получения механической работы при сгорании газа в двигателях внутреннего сгорания, а также к поршневым двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом для осуществления этого способа. В предпочтительных вариантах выполнения способ включает создание заряда воздуха, регулирование температуры, плотности и давления заряда воздуха, передачу заряда воздуха в силовой цилиндр двигателя, так что в цилиндр двигателя вводится заряд воздуха, вес и плотность которого выбраны в диапазоне от величин веса и плотности атмосферы до величин, превышающих эти величины, сжатие заряда воздуха, так что эффективная степень сжатия меньше нормы, образование горючей смеси из заданного количества зарядного воздуха и топлива, создание условий для воспламенения этой смеси в силовом цилиндре; и обеспечение возможности расширения газообразных продуктов сгорания с воздействием на поршень, действующий в силовом цилиндре, причем степень расширения этого силового цилиндра значительно превышает эффективную степень сжатия силовых цилиндров двигателя. Изобретение обеспечивает превышение степени расширения над степенью сжатия, а также экономию топлива и повышение мощности. 5 с. и 9 з.п. ф-лы, 39 ил.

Изобретение относится к способу получения механической работы при сгорании газа в двигателе внутреннего сгорания посредством нового термодинамического рабочего цикла, а также к поршневым двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом для осуществления указанного способа.

Предпосылки изобретения Как известно, при повышении степени расширения двигателя внутреннего сгорания увеличивается количество энергии, получаемое при сгорании газов и преобразуемое в кинетическую энергию, и возрастает термодинамическая эффективность двигателя. Известно также, что повышение плотности заряда воздуха вызывает дополнительное улучшение термодинамики, что увеличивает вырабатываемую энергию при экономии топлива. Таким образом, для получения эффективного двигателя необходимо достижение следующих целей: обеспечение значительной плотности заряда, инициирование сгорания при максимальной плотности заряда и осуществление расширения давящих на поршень газов на максимально протяженном участке.

В известных двигателях степень сжатия равна степени расширения, причем в двигателях с зажиганием от искры степень сжатия ограничена октановым числом применяемого топлива. Однако ввиду того, что в таких двигателях расширение выхлопного газа может происходить только до величины, равной степени сжатия данного двигателя, выхлопной газ, сбрасываемый в атмосферу при открытии выпускного клапана в цилиндре сгорания, как правило еще обладает значительной температурой и давлением, что приводит к потерям энергии и чрезмерно большим загрязняющим выбросам.

Известны решения, направленные на понижение степени сжатия и удлинение процесса расширения в двигателях внутреннего сгорания для повышения их термодинамической эффективности. Наиболее заметным из них является двигатель, работающий по циклу Миллера, разработанный в 1947 году.

В отличие от известного четырехтактного двигателя, в котором в каждом конкретном цикле сгорания степень сжатия равна степени расширения, в двигателе, работающем по циклу Миллера, это равенство преднамеренно нарушено. В цикле Миллера для подачи заряда воздуха применяют дополнительный компрессор, поступление заряда происходит при ходе впуска поршня, а последующее закрытие впускного клапана происходит прежде чем поршень достигает конца хода впуска. От этой точки происходит расширение газов в цилиндре до максимального объема цилиндра, после чего осуществляется их сжатие от той же точки, что и в нормальном цикле. В этом случае степень сжатия задана объемом цилиндра в точке, в которой происходит закрытие впускного клапана, поделенным на объем камеры сгорания. При ходе сжатия фактическое сжатие не происходит до тех пор, пока поршень не достигнет точки, в которой во время хода впуска закрывается впускной клапан, благодаря чему степень сжатия оказывается ниже нормы. Степень расширения рассчитывают путем деления рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания. В результате получают более полное расширение, так как в таком двигателе степень расширения превышает степень сжатия.

Снижение степени сжатия в двухтактном двигателе, работающем по циклу Миллера, осуществляется благодаря удержанию выпускного клапана открытым приблизительно на протяжении первых 20% хода сжатия. Возможно, в этом случае степень расширения все же ниже, чем степень сжатия, ввиду того, что в известных двухтактных двигателях степень расширения никогда не достигает величины степени сжатия.

Преимуществом этого цикла является возможность достижения более высокого кпд, чем в том случае, когда степень расширения равна степени сжатия. Недостатком цикла Миллера является более низкое среднее эффективное давление по сравнению с известными устройствами, имеющими такое же максимальное давление, при отсутствии существенного улучшения параметров выбросов.

Применение цикла Миллера целесообразно в двигателях, редко работающих при пониженной нагрузке, так как в этом случае среднее давление в цилиндре во время хода расширения стремится к достижению величины среднего давления трения или даже еще меньшей величины. При таких условиях участок более полного расширения цикла может в конечном счете вызвать потери, а не повышение кпд.

Такой тип двигателя может с успехом применяться в тех случаях, когда максимальное давление цилиндра ограничено детонацией или прочностными соображениями и когда считается допустимым получение максимально возможной топливной экономичности ценой снижения удельной мощности. Такой цикл пригоден только для двигателей, работающих большую часть времени в условиях высокой механической эффективности или иными словами при сравнительно малых скоростях поршня и практически при полной нагрузке.

В патенте США 4730457, кл. F 02 В 37/04, 15.03.1988 г., описан двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, впускное окно, осуществляющее связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск воздуха из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; два компрессора, установленные между источником воздуха и впускным окном и сообщающиеся с ними; по меньшей мере один охладитель воздуха; сеть подвода воздуха, содержащую трубопровод, взаимосвязывающий источник воздуха, компрессор, второй компрессор, охладитель воздуха и впускное окно.

В авторском свидетельстве СССР 248375, кл. F 01 В 23/08, F 02 B 37/00, F 02 D 33/02, 10.07.1969 г., описан двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна силового цилиндра, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск выхлопных газов из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; компрессор, установленный между источником воздуха и по меньшей мере одним впускным окном силового цилиндра и сообщающийся с ними посредством трубопровода; по меньшей мере один охладитель воздуха, установленный между компрессором и впускным окном и находящийся во взаимосвязи с ними; средства выборочного регулирования работы впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре.

Недостаток указанного двигателя заключается в том, что температура заряда воздуха при ходе сжатия поршня достигает больших величин, что при высоких нагрузках может привести к перегреву двигателя и, как следствие, к уменьшению срока его службы.

В указанном авторском свидетельстве описан также способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий создание заряда воздуха, регулирование температуры, плотности и давления заряда воздуха, передачу заряда воздуха в силовой цилиндр двигателя, сжатие заряда воздуха, образование горючей смеси из заданного количества зарядного воздуха и топлива, создание условий для воспламенения этой смеси в силовом цилиндре и обеспечение возможности расширения газообразных продуктов сгорания с воздействием на поршень, действующий в силовом цилиндре.

Недостаток указанного способа заключается в том, что температура заряда воздуха при его сжатии в цилиндре двигателя достигает больших величин, что при высоких нагрузках может привести к перегреву двигателя и, как следствие, к уменьшению срока его службы.

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, температура рабочего цикла которого позволяет предотвращать перегрев двигателя при высоких нагрузках и, как следствие, увеличить срок его службы. Задачей настоящего изобретения является также создание способа работы двигателя внутреннего сгорания, при котором температура рабочего цикла позволяет предотвращать перегрев двигателя при высоких нагрузках и, как следствие, увеличить срок его службы.

Краткое описание изобретения Решение поставленной задачи обеспечено путем создания двигателя внутреннего сгорания, содержащего блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна силового цилиндра, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск выхлопных газов из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; по меньшей мере один компрессор, установленный между источником воздуха и по меньшей мере одним впускным окном силового цилиндра и сообщающийся с ними посредством трубопровода; по меньшей мере один охладитель воздуха, установленный между компрессором и впускным окном и находящийся во взаимосвязи с ними; средства выборочного регулирования работы компрессора и впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре, так что по меньшей мере часть поступающего воздуха перед поступлением в цилиндр может быть выборочно сжата компрессором; и магистраль низкого давления, подводящую воздух низкого давления к впускному клапану, который перекрывает одно впускное окно и который открывается во время хода впуска поршня, и магистраль высокого давления, подводящую сжатый компрессором воздух к впускному клапану, который перекрывает второе впускное окно и который открывается после прохождения поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия.

Благодаря наличию указанных магистралей в цилиндр двигателя во время хода впуска поршня вводится воздух низкого давления, а во время хода сжатия - воздух высокого давления, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, при этом теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.

В предлагаемом двигателе средства выборочного регулирования могут содержать обычное количество клапанов, стратегически расположенных в указанном трубопроводе, и известный механизм управления двигателя, управляющий работой этих клапанов, а сам двигатель может содержать второй компрессор, установленный между указанным компрессором и впускным окном, с которым сообщается указанный компрессор, и сообщающийся с ними, так что по меньшей мере часть поступающего воздуха перед впуском в цилиндр выборочно сжимается второй раз; причем средства выборочного регулирования могут содержать средства выборочного регулирования работы второго компрессора.

Компрессор может быть выполнен в виде поршневого компрессора, который может содержать поршень, соединенный с коленчатым валом двигателя.

Компрессор может быть также выполнен в виде ротационного компрессора.

Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания двигателя внутреннего сгорания, содержащего блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск воздуха из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; два компрессора, установленные между источником воздуха и одним из впускных окон и сообщающиеся с ними; по меньшей мере один охладитель воздуха; сеть подвода воздуха, содержащая трубопровод, взаимосвязывающий источник воздуха, компрессор, второй компрессор, охладитель воздуха, впускное окно и второе впускное окно; и средства выборочного регулирования работы компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия; средства выборочного регулирования работы второго компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия; и средства выборочного направления в первое впускное окно сжатого воздуха, а во второе впускное окно - воздуха, не подвергнутого нагнетанию.

Благодаря наличию средств выборочного направления в первое впускное окно сжатого воздуха, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, а во второе впускное окно - воздуха, не подвергнутого нагнетанию, при определенных режимах подачи воздуха в цилиндр двигателя теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.

Кроме того, возможность выборочного регулирования работы двух компрессоров как в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, так и в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия, позволяет снизить работу, затрачиваемую двигателем на привод компрессоров в режиме низких нагрузок.

Предлагаемый двигатель может иметь средства дальнейшего увеличения турбулентности заряда, поступающего в цилиндр, и сведения к минимуму обратного тока заряда при медленном закрытии впускных клапанов, при этом средства усиления турбулентности могут быть выполнены в виде обратного клапана, расположенного между впускным клапаном и цилиндром.

Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания двигателя внутреннего сгорания, имеющего коленчатый вал, приводимый в движение по меньшей мере одним поршнем, совершающим по меньшей мере ход сжатия и ход расширения при содействии сгорания, происходящего в цилиндре, причем ход сжатия приводит к сжатию воздуха в цилиндре, и содержащего ступень внешнего сжатия, в которой дополнительный заряд воздуха подвергается сжатию вне цилиндра; подводящий трубопровод, связывающий ступень сжатия с цилиндром, с промежуточным охладителем, через который выборочно направляется заряд воздуха из ступени сжатия; два впускных окна силового цилиндра, каждое из которых выполнено с впускным клапаном, средства выборочного регулирования ступени внешнего сжатия и впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре, и магистраль низкого давления, подводящую воздух низкого давления к впускному клапану одного впускного окна во время хода впуска поршня, и магистраль высокого давления, подводящую сжатый компрессором воздух к впускному клапану второго впускного окна после прохождения поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия.

Благодаря наличию указанных магистралей в цилиндр двигателя во время хода впуска поршня вводится воздух низкого давления, а во время хода сжатия - воздух высокого давления, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, при этом теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.

Предлагаемый двигатель может дополнительно содержать второй внешний компрессор, в котором заряд воздуха подвергается сжатию вне цилиндра и направляется к окну низкого давления силового цилиндра во время хода впуска. При этом в двигателе ход сжатия приводит к сжатию воздуха в цилиндре, а средства управления плотностью, температурой, давлением и турбулентностью заряда воздуха используются для того, чтобы степень сжатия была меньше степени расширения двигателя благодаря использованию указанных средств управления, которое включает сжатие дополнительного заряда воздуха перед сжатием в цилиндре с созданием таким образом предварительно сжатого заряда воздуха, который выборочно пропускается через охлаждающее устройство перед его подачей в цилиндр и подается в него после того, как во время хода впуска в цилиндр поступил заряд воздуха низкого давления, в цилиндре сохранился заряд, уступающий нормальному по величине, и начался ход сжатия поршня, и повышение турбулентности и плотности заряда в цилиндре.

Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания способа работы двигателя внутреннего сгорания, включающего создание заряда воздуха; регулирование температуры, плотности и давления заряда воздуха; передачу заряда воздуха в силовой цилиндр двигателя; при этом возможно регулирование и изменение веса и плотности заряда воздуха с получением такого заряда воздуха, вес и плотность которого выбраны в диапазоне от величин, уступающих нормальным величинам веса и плотности, до величин, превышающих эти величины; подачу в цилиндр и сохранение в нем заряда воздуха низкого давления, уступающего нормальному по величине и полученного во время впускного хода поршня; подачу в цилиндр заряда воздуха высокого давления после прохождения поршнем нижней мертвой точки; сжатие заряда воздуха, так что эффективная степень сжатия меньше нормальной; образование горючей смеси из заданного количества зарядного воздуха и топлива; создание условий для воспламенения этой смеси в силовом цилиндре; и обеспечение возможности расширения газообразных продуктов сгорания с воздействием на поршень, действующий в силовом цилиндре, причем степень расширения этих силовых цилиндров значительно превышает эффективную степень сжатия силовых цилиндров двигателя.

Благодаря подаче во время хода впуска поршня в цилиндр двигателя воздуха низкого давления, а после прохождения поршнем нижней мертвой точки - воздуха высокого давления, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.

Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере один дополнительный компрессор для сжатия заряда воздуха, имеющий выходное отверстие; промежуточный охладитель, через который выборочно направляется для охлаждения сжатый воздух; силовые цилиндры, в которых сжатый воздух в присутствии топлива воспламеняется и расширяется; поршень, действующий в каждом силовом цилиндре и присоединенный посредством соединительного звена к коленчатому валу для вращения коленчатого вала под действием возвратно-поступательного перемещения каждого поршня; передающий коллектор, который соединяет впускное отверстие для воздуха низкого давления с силовыми цилиндрами и через который воздух низкого давления передается в силовые цилиндры; передающий трубопровод, сообщающий выпускное отверстие компрессора с управляющим клапаном и промежуточным охладителем; передающий коллектор, который сообщает промежуточный охладитель с силовыми цилиндрами и через который передается сжатый воздух, предназначенный для поступления в силовые цилиндры; впускной клапан, управляющий поступлением сжатого воздуха из передающего коллектора в силовые цилиндры; выпускной клапан, управляющий выпуском выхлопных газов из силовых цилиндров; и средства выборочного регулирования работы компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается сжатый заряд воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре после поступления в цилиндры заряда низкого давления.

Благодаря наличию указанных передающих коллекторов при определенных режимах подачи воздуха в цилиндр двигателя теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.

В общих чертах, настоящее изобретение предлагает систему двигателя внутреннего сгорания (включая способы и устройства) для управления плотностью, температурой, давлением и турбулентностью заряда топливной смеси для обеспечения эффективного контролирования процессов, протекающих в силовом цилиндре, для повышения экономии топлива, увеличения мощности и крутящего момента при минимизации загрязняющих выбросов.

В дополнение к другим преимуществам предложенный способ может обеспечить изменение средних эффективных давлений в цилиндре в диапазоне в пределах от уступающих нормальному до превышающих нормальное давление. В предпочтительных вариантах выполнения при работе двигателя среднее эффективное давление цилиндра может выборочно изменяться (и изменяется) во всем указанном диапазоне. В другом варианте выполнения, относящемся к работе двигателя с постоянной скоростью при постоянной нагрузке, среднее эффективное давление в цилиндре выбирается из указанного диапазона, а двигатель согласно изобретению выполняют таким образом, что диапазон изменения среднего эффективного давления в цилиндре ограничен и варьируется только в пределах величин, необходимых для выработки именно такой мощности, крутящего момента и скорости рабочего цикла, для получения которых разработан двигатель.

Впускной клапан, через который подается дополнительный заряд воздуха высокого давления с отрегулированной температурой и который может быть быстро открыт и закрыт после достижения поршнем точки, в которой происходит закрытие первого впускного клапана, предназначен для ввода заряда в такой момент времени, что степень сжатия двигателя будет меньше степени расширения, а воспламенение может начинаться при плотности заряда, близкой к максимальной. Предложенный двухтактный двигатель отличается тем, что работа впускных клапанов силовых цилиндров синхронизирована так, что заряд воздуха удерживается в переходном коллекторе и подается в силовой цилиндр на протяжении хода продувки-сжатия (второй такт) в момент времени после продувки силового цилиндра воздухом низкого давления, когда выпускной клапан закрыт. Таким образом, обеспечено превышение степени расширения силового цилиндра над степенью сжатия двигателя. Имеются средства смешивания топлива с зарядом воздуха и получения топливной смеси, а размеры камеры сгорания силовых цилиндров по отношению к рабочему объему силового цилиндра выбраны так, что воспламененная топливно-воздушная смесь может расширяться до объема, существенно превышающего заданный степенью сжатия силового цилиндра двигателя.

Основные преимущества настоящего изобретения перед известными двигателями внутреннего сгорания заключаются в том, что в нем обеспечивается превышение степени расширения над степенью сжатия, в нем также выборочно обеспечивается более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре.

Приведенные выше отличия обеспечивают экономию топлива, а также повышенные мощность и крутящий момент во всем диапазоне скоростей вращения двигателя при низком уровне загрязняющих выбросов. Вследствие управления плотностью, температурой и давлением заряда возможна длительная работа двигателя при низких нагрузках без снижения топливной экономичности. Новый рабочий цикл пригоден как для двухтактных, так и четырехтактных двигателей как с зажиганием от электрической искры, так и с воспламенением от высокого давления. В двигателях с искровым зажиганием вес заряда может быть существенно увеличен, при этом отсутствуют обычные проблемы высоких максимальных температур и давлений, как правило сопровождаемые проблемами детонации при сгорании и преждевременного воспламенения. В двигателях с воспламенением от давления благодаря более тяжелому, менее нагретому заряду, обладающему повышенной турбулентностью, обеспечивается низкое максимальное давление в цилиндре при заданной степени расширения и обеспечивается возможность получения обогащенной топливной смеси с более высоким отношением количества топлива к количеству воздуха, характеризующейся пониженным дымообразованием, в результате чего повышается мощность, снижаются выбросы окислов азота и частиц сажи. Работа, затрачиваемая на сжатие, сокращается вследствие снижения передачи тепла в процессе сжатия. Срок службы двигателя увеличивается благодаря более низкой температуре рабочего цикла в целом и более низкой по сравнению с нормальной температуре выхлопа. Изобретение обеспечивает также средства регенеративного торможения для сохранения энергии для последующих рабочих циклов без совершения работы сжатия и для получения кратковременной или "взрывной" мощности, что дополнительно повышает общий кпд двигателя.

В этом кратком описании не могут быть изложены все цели, особенности и преимущества настоящего изобретения, которые, однако, следуют из приведенного ниже описания с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей Ниже на примерах описаны варианты выполнения предлагаемых двигателей внутреннего сгорания со ссылками на приложенные чертежи, на которых: фиг. 1 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет первый вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан первый способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как видно из чертежа, имеет один дополнительный компрессор, систему охлаждения и клапаны для регулирования давления, плотности и температуры заряда, фиг. 2 изображает схематичный вид четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, аналогичного двигателю, изображенному на фиг. 1, который представляет второй вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан второй способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как видно из чертежа, имеет два компрессора, три промежуточных охладителя, четыре регулирующих клапана, парные воздухопроводы для основного и дополнительного компрессоров, парные коллекторы и средства регулирования давления, плотности и температуры зарядного воздуха, фиг. 3 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет третий вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан третий способ работы, фиг. 4 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет четвертый вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан четвертый способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как видно из чертежа, имеет дополнительный компрессор с двумя впускными каналами для зарядного воздуха и парными впускными воздушными магистралями, одна из которых является магистралью низкого давления, а вторая - магистралью высокого давления, и обе ведут к одному силовому цилиндру, систему охлаждения, клапаны для регулирования давления, плотности и температуры зарядного воздуха и дополнительную систему впуска атмосферного воздуха, фиг. 4В изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) двигателя, аналогичного двигателю, изображенному на фиг.4, за исключением того, что в нем имеется только один впуск для атмосферного воздуха, подводящий к силовым цилиндрам зарядный воздух с двумя различными уровнями давления, фиг. 4С схематично изображает систему выпуска и систему впуска воздуха двигателя со средствами повторного сжигания выхлопных газов для уменьшения загрязняющих выбросов,фиг. 5 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет пятый вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан пятый способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет один впуск для атмосферного воздуха, дополнительный компрессор с двумя магистралями для зарядного воздуха, одна из которых является магистралью низкого давления и имеет две дополнительных магистрали, а вторая является магистралью высокого давления, причем обе магистрали ведут к одному силовому цилиндру, клапанные средства управления и охладители воздуха для изменения плотности, давления и температуры заряда в камере сгорания двигателя,фиг. 6 изображает частичный разрез одного силового цилиндра четырехтактного двигателя, изображенного на фиг.4, 4В, 5, 7 или 33, вблизи впускных клапанов, показывающий другой способ (применимый и для других вариантов выполнения настоящего изобретения) предотвращения обратного тока зарядного воздуха и автоматического регулирования степени сжатия заряда в цилиндре во время впуска заряда воздуха,фиг.7 схематично изображает вид четырехтактного шестицилиндрового двигателя, который представляет еще один вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы, причем на чертеже показаны три различных системы (две из них показаны штрих-пунктирными линиями) впуска основного заряда воздуха низкого давления; среди других своих составляющих этот вариант выполнения имеет три охладителя воздуха, парные коллекторы и средства регулирования температуры, плотности и давления заряда посредством блока управления двигателя и путем изменения положения клапанов,фиг. 8 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки двухтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет первый вариант выполнения двухтактного предлагаемого двигателя и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения имеет основной и дополнительный компрессоры, систему охлаждения, трубопроводы и клапаны для регулирования плотности, температуры и давления заряда, предложенные изобретением,фиг. 9 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки двухтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет второй вариант выполнения двухтактного предлагаемого двигателя и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет один впуск для атмосферного воздуха, основной и дополнительный компрессоры с двумя впускными магистралями для зарядного воздуха, одна из которых, имеющая дополнительные магистрали, является магистралью низкого давления, а другая - магистралью высокого давления, и обе они ведут к одному силовому цилиндру, управляющие клапанные средства и охладители воздуха для изменения плотности, температуры и давления заряда в камере сгорания двигателя,фиг.9В схематично изображает вид двухтактного шестицилиндрового двигателя, который представляет еще один вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы, причем на чертеже показаны две различных системы (одна из них показана штрих-пунктирными линиями) впуска основного заряда воздуха низкого давления; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет три охладителя воздуха, парные коллекторы и средства регулирования температуры, плотности и давления заряда посредством блока управления двигателя и путем изменения положения клапанов,фиг. 10 изображает местный разрез одного силового цилиндра двухтактного двигателя, изображенного на фиг.9, вблизи впускных клапанов, показывающий другой способ (применимый и для других вариантов выполнения настоящего изобретения) предотвращения обратного тока зарядного воздуха во время впуска воздуха высокого давления в цилиндр, а также уравновешенный клапан, имеющий принудительную масляную/воздушную охлаждающую систему,фиг. 11 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки двухтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет третий вариант выполнения двухтактного предлагаемого двигателя и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет основной и дополнительный компрессоры, охлаждающую систему, трубопроводы и клапаны для регулирования плотности, температуры и давления заряда и имеет по одному питателю для впуска воздуха для каждого силового цилиндра по меньшей мере с двумя впускными клапанами, расположенными таким образом, что каждый из них может работать с независимыми временными режимами,фиг. 12 изображает диаграмму зависимости объема от давления, на которой представлено сравнение цикла предлагаемого двигателя с циклом высокоскоростного дизеля,фиг. 13 изображает таблицу, показывающую улучшения, возможные в предлагаемом двигателе и относящиеся к эффективной степени сжатия, максимальным температурам и давлениям, плотности заряда и степеням расширения в сравнении с широко известным двухтактным дизелем для работы в тяжелых условиях,фиг. 14 изображает таблицу, показывающую улучшения, возможные в предлагаемом двигателе и относящиеся к эффективной степени сжатия, максимальным температурам и давлениям, плотностям заряда и степеням расширения в сравнении с широко известным четырехтактным дизелем для работы в тяжелых условиях,фиг.15 схематично изображает предлагаемые эксплуатационные параметры для работы двигателей, как двухтактных, так и четырехтактных, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, при этом на чертеже показаны парные промежуточные охладители для основного компрессора, один промежуточный охладитель для вспомогательного компрессора, система регулирования и клапаны для выбора различных воздуховодов для зарядного воздуха при низкой нагрузке двигателя и две альтернативные системы подачи основного заряда воздуха низкого давления (одна из них показана штрих-пунктирными линиями),фиг. 16 изображает предлагаемые положения клапанов для снабжения коллекторов 13 и 14 зарядом воздуха, оптимальным для работы двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, со средней нагрузкой; для работы со средней нагрузкой клапан-заслонка 5 компрессора 2 должен быть закрыт, а перепускной воздушный клапан 6 должен быть открыт для прохождения неохлажденного заряда воздуха без его сжатия к впускному отверстию компрессора 1, где закрытый клапан-заслонка 3 и закрытый перепускной воздушный клапан 4 направляют заряд сжатого компрессором 1 воздуха, минуя промежуточные охладители, в коллекторы 13 и 14 вместе с воздухом, сжатым и нагретым компрессором 1 для работы со средней нагрузкой,фиг.17 изображает предлагаемый сценарий для обеспечения двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, зарядом воздуха большой плотности для работы в тяжелых условиях в режиме выработки большой выходной мощности; на фиг.17 все клапаны-заслонки 5 и 3 и все перепускные воздушные клапаны 6 и 4 показаны в полностью закрытом положении, так что работают основная и вторая ступени сжатия, а весь заряд воздуха, за исключением некоторого количества, проходящего через трубопровод 32 к впускному клапану 16-В, пропускается через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для создания заряда воздуха очень большой плотности и передачи его к коллекторам 13 и 14 и силовым цилиндрам двигателей для их работы при большой нагрузке,фиг. 18 схематично изображает вид любого из двигателей, изображенных на фиг. 3-11, на котором показан другой тип вспомогательного компрессора 2' и системы обеспечения средств отключения или отсоединения вспомогательного компрессора при отсутствии потребности в большом давлении заряда и его большой плотности; для вывода компрессора 2' из работы клапан-заслонку 5 закрывают, а перепускной воздушный клапан открывают, так что воздух, нагнетаемый через компрессор 2', может рециркулировать по нему без совершения работы сжатия,фиг. 19 схематично изображает двигатели, показанные на фиг.5-7 и 9-10 и имеющие два компрессора, один промежуточный охладитель для одной ступени сжатия, парные охладители для второй ступени сжатия, парные коллекторы, четыре клапана и блок управления двигателем (БУД), а также изображает средства регулирования плотности, давления и температуры зарядного воздуха путем изменения направления и количества потока воздуха посредством различных клапанов, электронных или действующих от разряжения, и их трубопроводов,фиг. 20 схематично изображает дополнительный привод от электродвигателя для воздушных компрессоров двигателей, изображенных на фиг.1-11,фиг. 21 изображает схематичный поперечный разрез предкамеры, камеры сгорания, связанных с ними впускных каналов для топлива и установку клапанов, предложенных для работы на газообразном или жидком топливе, для предлагаемых двигателей или любого другого двигателя внутреннего сгорания,фиг.22 изображает частичный разрез одного цилиндра двигателя, на котором показана другая конструкция, где на каждый оборот вала приходится два рабочих хода для двухтактного двигателя и один рабочий ход на каждый оборот вала для четырехтактного двигателя, при этом имеется коромысло, поворачивающееся на своем нижнем конце, шатун, присоединенный к середине коромысла и к коленчатому валу двигателя, причем имеются средства произвольного изменения степени сжатия двигателя,фиг.23 изображает частичный разрез одного цилиндра двигателя и показывает другую конструкцию, в которой на каждый оборот вала приходится два рабочих хода для двухтактного двигателя и один рабочий ход на каждый оборот вала для четырехтактного двигателя, при этом коромысло, соединяющее шатун и поршень, поворачивается в точке, расположенной между поршнем и шатуном поршня, а шатун присоединен к коленчатому валу двигателя, а также переменные предпочтительные средства отбора мощности от поршня посредством обычного устройства, содержащего шток поршня, ползун и шатун,фиг.24 изображает частичный разрез одного цилиндра двигателя, на котором показаны средства обеспечения дополнительного времени горения топлива при каждом рабочем ходе как в двухтактном, так и в четырехтактном двигателе,фиг.25 изображает вид в аксонометрии блока цилиндров и головки двухтактного двигателя внутреннего сгорания, который представляет еще один вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет продувочные окна в нижней части гильзы цилиндра, основной и дополнительный компрессоры, охлаждающую систему, клапаны и трубопроводы для регулирования давления, плотности и температуры зарядного воздуха, а также клапаны и трубопроводы для подвода продувочного воздуха в цилиндры,фиг. 26 схематично изображает вид двигателя, аналогичного двигателю, изображенному на фиг. 25, на котором показан один промежуточный охладитель для одной дополнительной ступени сжатия, парные промежуточные охладители для основной ступени сжатия, система управления (содержащая блок управления двигателем (БУД) и клапаны) для регулирования плотности, веса, температуры и давления зарядного воздуха путем регулирования направления и количества воздушного потока, проходящего через различные клапаны, трубопроводы и дополнительный дроссель, а также два дополнительных пути подвода продувочного воздуха к продувочным окнам в нижней части цилиндров и другие пути выхода выхлопных газов из двигателя,фиг. 27-30 схематично изображают виды двигателя, показанного на фиг.25 и 26, на которых представлены четыре различных способа эффективной продувки двигателей, причем на фиг.27 и 28 также схематично показан блок управления двигателем (БУД) и клапаны для регулирования давления, плотности и температуры зарядного и продувочного воздуха с заданием для каждого из них требуемых параметров,фиг. 31 схематично изображает предлагаемый дополнительный привод от электродвигателя для воздушных компрессоров двигателя,фиг. 32 схематично изображает вид двухтактного двигателя, показанного на фиг.25 и 26 и имеющего только один компрессор для подвода как зарядного, так и продувочного воздуха, на котором показана система управления и средства регулирования давления, плотности и температуры зарядного и продувочного воздуха с заданием для каждого из них требуемых параметров, а также применяемые для этого же средства направления воздуха по различным путям,фиг. 33 схематично изображает поперечный разрез шестицилиндрового двигателя, имеющего два компрессорных цилиндра, четыре силовых цилиндра, один нагнетатель, пять регулирующих клапанов, на котором также показан блок управления двигателем (БУД) для регулирования температуры, плотности и веса заряда, причем двигатель выполнен с возможностью хранения сжатого воздуха, получаемого путем регенеративного торможения, либо отбираемого воздуха, получаемого при некоторых производственных процессах, в любом предлагаемом двигателе,фиг. 34 схематично изображает вид любого из предлагаемых двигателей, на котором показан другой вариант выполнения, содержащий отдельный воздушный компрессор с электроприводом или, в другом случае, входной трубопровод, ведущий от источника сбрасываемого или "отбираемого" сжатого воздуха, для подачи зарядного воздуха к двигателю (или к нескольким двигателям), так что отпадает необходимость в компрессорах, приводимых в действие самим двигателем,фиг. 35 схематично изображает вид любого из предлагаемых двигателей, на котором показан дополнительный вариант выполнения, созданный для работы с постоянной нагрузкой и постоянной скоростью вращения. Такой вариант выполнения предлагаемого двигателя содержит как основной, так и дополнительный компрессоры с дополнительными промежуточными охладителями для обеспечения двух ступеней предварительного сжатия зарядного воздуха, который на промежуточном этапе дополнительно охлаждают либо подвергают адиабатическому сжатию, ифиг. 36 схематично изображает вид любого из предлагаемых двигателей, на котором показан двигатель, работающий с постоянной нагрузкой и с постоянной скоростью вращения в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором имеется один компрессор, с дополнительными промежуточными охладителями для создания одной ступени предварительного сжатия зарядного воздуха, который на промежуточном этапе дополнительно охлаждают либо подвергают адиабатическому сжатию.

Подробное описание чертежейНиже с более подробными ссылками на чертежи приведено описание предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого усовершенствованного двигателя 100 внутреннего сгорания. Аналогичные составляющие части двигателей на нескольких чертежах обозначены одинаковыми номерами позиций, хотя в некоторых случаях, когда (вследствие большого количества вариантов выполнения) это сочтено необходимым, аналогичные, но отличающиеся составляющие части обозначены номером с верхним индексом (например 1001). При наличии нескольких одинаковых составляющих частей в большинстве случаев они обозначены полностью (например шесть цилиндров 7a-7f), даже если на чертеже изображены не все эти составляющие. Кроме того, составляющие части, являющиеся общими для нескольких цилиндров, иногда для простоты написания обозначены просто общим номером, например поршень 22a-22f= > поршень 22. Для облегчения понимания многочисленных вариантов выполнения (но не для ограничения описания) некоторые, но не все части настоящего описания имеют подзаголовки для указания на определенную систему или подсистему, подробно описанную в данном разделе.

Предлагаемая в изобретении система вероятно была бы представлена наилучшим образом со ссылками на способ/способы регулирования плотности, температуры и турбулентности заряда, подаваемого в зону горения; в приведенном ниже описании сделана попытка описать предлагаемые предпочтительные способы в связи и в сочетании с устройствами, выполненными для осуществления предпочтительных способов и функционирующими в соответствии с ними.

Некоторые составляющие части системы, но не обязательно все, являющиеся общими для двух или более описанных ниже вариантов выполнения, содержат коленчатый вал 20, к которому прикреплены шатуны 19a-19f, к каждому из которых прикреплен поршень 22a-22f, причем каждый поршень перемещается внутри силового цилиндра 7a-7f, воздух поступает в цилиндры через впускные окна, регулируемые впускными клапанами 16, а выпуск воздуха из цилиндров происходит через выпускные окна, регулируемые выпускными клапанами 17. Ниже приведено описание взаимодействия, изменения и функционирования этих и других аналогичных составляющих частей, насколько это было признано необходимым для понимания различных вариантов выполнения настоящего изобретения.

Двигатель 1001, изображенный на фиг.1На фиг. 1 показан шестицилиндровый поршневой двигатель 1001 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (в разрезе показан только один из них) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по четырехтактному циклу, а все цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Дополнительный компрессор 2 (на чертеже он изображен в виде ротационного компрессора Lysholm'a) выборочно подает сжатый воздух или обеспечивает возможность подачи через компрессор воздуха под атмосферным давлением к коллекторам 13 и 14 и к работающим по четырехтактному циклу цилиндрам 7a-7f. В предпочтительных вариантах выполнения для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха используются клапаны 3, 5 и 6 и промежуточные охладители 10, 11 и 12. Работа впускных клапанов 16a-16f, 16'a-16'f синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1001. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.

Двигатели 1001-1005 и 1007, изображенные соответственно на фиг.1-5 и 7, имеют распределительные валы 21 с расположенными на них кулачками, установленные с возможностью привода со скоростью вращения, составляющей половину скорости вращения коленчатого вала, для обеспечения одного рабочего хода на каждые два оборота коленчатого вала для любого силового поршня. Ротационные компрессоры 2, изображенные на фиг.1-4, 4В, 5, 7 и 33, выполнены с возможностью привода от оребренного клиновидного ремня, а между желобчатым шкивом и приводным валом компрессора может быть расположена повышающая ступенчатая передача. Ротационные компрессоры могут быть также оснащены повышающей ступенчатой передачей, имеющей переменную скорость, как это имеет место в некоторых авиационных двигателях. Поршневой компрессор 1, изображенный на фиг. 3, имеет цилиндры двойного действия, присоединенные к коленчатому валу 20 посредством шатуна 19g, причем вал 20, к которому посредством шатуна 19g присоединен компрессор, обеспечивает выполнение двух рабочих ходов на каждый оборот вала 20. В одном варианте выполнения компрессор 1 приводится в действие посредством шатуна 19g, присоединенного к дополнительному короткому коленчатому валу (не показан), расположенному выше основного коленчатого вала 20 и присоединенному к этому валу посредством повышающей ступенчатой передачи для совершения более двух рабочих ходов на один оборот основного коленчатого вала 20. В другом варианте выполнения компрессорная система может иметь несколько ступеней сжатия для ротационных или поршневых компрессоров. Хотя в различных вариантах выполнения изобретения дополнительный компрессор 1 и второй дополнительный компрессор 2 везде изображены в виде поршневого или ротационного компрессора, однако следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено типом компрессора, применяемого в качестве основного или дополнительного компрессора, а изображенные компрессоры могут быть заменены один на другой, либо иметь одинаковую конструкцию, либо иметь другие конструкции, выполняющие указанные в описании функции.

Двигатель 1001, изображенный на фиг.1, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных схемах обычных двигателей, но иметь более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок управления двигателем (БУД) (не показан на фиг. 1) и различные клапаны 3, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертежах, образуют систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива, выработки большего крутящего момента и большей мощности при низких скоростях вращения двигателя в сочетании с небольшими загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения может применяться система синхронизации регулируемых клапанов, которая совместно с системой регулирования, такой как БУД, может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16 и 16' для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания цилиндров 7a-7f двигателя 1001 для получения при необходимости более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.

Краткое описание работы двигателя 1001, изображенного на фиг.1Предлагаемый двигатель 1001, изображенный на фиг.1, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и большим крутящим моментом, низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть всасываемого воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен посредством охладителей 10, 11, 12 воздуха, охлаждающих поступающий воздух, а также путем более короткого хода сжатия.

Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1001, работающего по новому циклу, включает следующее:1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) или поступающий под атмосферным давлением воздух, или поступающий воздух, сжатый по меньшей мере одним дополнительным компрессором 2 и имеющий температуру и давление, величину которых регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в силовой цилиндр 7 путем хода впуска поршня 22.

2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16 (такой клапан может быть один или их может быть несколько, 16, 16') оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускной коллектор 13, 14. Впускной клапан 16, 16' затем закрывают в некоторой точке перемещения поршня и тем самым герметизируют цилиндр 7, устанавливая таким образом величину степени сжатия двигателя.

(b) В другом случае впускной клапан 16, 16' закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигнет нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем расширяют до полного объема цилиндра 7, а сжатие заряда начинается, когда поршень 22 возвращается в точку хода сжатия, в которой клапан 16, 16' закрыт.

3. (а) Во время хода сжатия поршня 22 в точке, в которой клапан 16 закрыт, на этапах либо по п.2(а), либо по п.2(b), начинается сжатие, создавая при этом низкую степень сжатия, что дает возможность ограничения подъема температуры во время хода сжатия.

(b) Во время работы в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапан-заслонка 5 закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 (ВПК) на компрессоре предпочтительно открыт, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускной трубопровод 8 компрессора 2. Клапан-заслонка 3 затем может направлять заряд воздуха через промежуточные охладители 11 и 12 или в обход их. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух через компрессор 2. Это уменьшает работу привода компрессора и повышает экономию топлива.

(c) При возникновении потребности в выработке повышенной мощности плотность и давление заряда могут быть увеличены путем перекрытия клапана 6, что приводит к повышению давления воздуха компрессором 2, а в другом случае тот же эффект может быть достигнут путем подключения второй ступени сжатия посредством компрессора 1, как показано на фиг.2, либо путем повышения скорости вращения компрессора 2. В то же время регулирующие клапаны 5 и 3 предпочтительно направляют заряд воздуха целиком или частично по меньшей мере через один промежуточный охладитель 10, 11 и 12 для повышения плотности зарядного воздуха.

4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов работы 3(а), (b) или (с). Эта энергия, создающая высокое среднее эффективное давление в цилиндре, преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).

Подробное описание работы двигателя 1001, изображенного на фиг.1Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух, который (в зависимости от требований к развиваемой мощности) находится либо под атмосферном давлением, либо был сжат посредством компрессора 2 до несколько повышенного давления, протекает через трубопроводы 15 от воздушного коллектора 13 или 14 через впускной клапан 16 в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 закрытие впускного клапана 16 происходит рано (при нахождении поршня в точке x). Начиная от этой точки, происходит расширение содержимого цилиндра 7 до максимального объема этого цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой во время хода впуска впускной клапан 16 был закрыт. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В другом случае во время хода впуска (первого такта) поршня 22 впускной клапан 16 удерживают в открытом положении на всем продолжении хода впуска, а также после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки и на значительной части хода сжатия (второго такта), составляющей от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть зарядного воздуха назад в коллектор 13 или 14, а затем впускной клапан 16 закрывают для установления невысокой степени сжатия в цилиндрах двигателя. В момент закрытия впускного клапана 16 плотность, температура и давление содержимого цилиндра приблизительно равны соответствующим параметрам содержимого коллектора 13 или 14.

При работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны-заслонки 5 и 3 закрыты, а клапан 6 на компрессоре предпочтительно открыт, так что происходит возврат всасываемого воздуха без его сжатия во впускной трубопровод 8 компрессора 2. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух через компрессор 2. Это уменьшает работу привода компрессора и повышает экономию топлива.

При потребности в средних величинах крутящего момента и мощности, например при движении с большой скоростью или при выработке электроэнергии в режиме средней нагрузки, клапан 5 предпочтительно закрыт в направлении к компрессору 2, закрыт и клапан 6. Это приводит к прекращению рециркуляции поступающего под атмосферным давлением воздуха в компрессоре 2, который в свою очередь начинает сжимать зарядный воздух до давления, превышающего атмосферное, в то время как закрытые клапаны 5 и 3 направляют зарядный воздух через трубопроводы 104, 110, 111 и 121/122 в обход охладителей 10, 11 и 12 непосредственно к коллекторам 13 и 14 и цилиндрам 7a-7f, где более плотный, но горячий заряд повышает среднее эффективное давление в цилиндре двигателя с созданием повышенного крутящего момента.

При потребности в повышенной мощности, например при резком разгоне или при выработке электроэнергии в режиме большой нагрузки, клапан 6 предпочтительно закрыт, а клапаны 3 и 5 оба открыты. Это приводит к сжатию всего заряда воздуха компрессором 2. Затем клапан 3 или 5 или оба клапана 3, 5 подают (в зависимости от их соответствующего открытого или закрытого положения) сжатый заряд воздуха через трубопроводы 105 или 104 к трубопроводу 110 и затем по трубопроводам 111 или 112 к коллекторам 13, 14 и к цилиндрам 7a-7f через один, два или все три охладителя 10, 11 и 12. Затем очень плотный охлажденный заряд воздуха при его смешении с топливом, воспламенении и расширении со степенью расширения, превышающей степень сжатия двигателя, создает большой крутящий момент и большую мощность.

При потребности в еще более повышенной мощности плотность и вес зарядного воздуха могут быть увеличены путем увеличения скорости вращения компрессора 2 или путем подключения второго компрессора, как показано на фиг.2, с созданием второй ступени предварительного сжатия. Последнее может быть выполнено посредством блока 27 управления двигателем, выдающего сигнал клапану 6 (фиг.2) на его закрытие для предотвращения рециркуляции части всасываемого воздуха по трубопроводу 103, которая выборочно сводит на нет любую вторую ступень сжатия при работе в режиме малой нагрузки. Во время повышения плотности и давления воздуха клапаны 3 и 5 могут направлять часть всего заряда воздуха через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для сгущения заряда и снижения роста его температуры и давления, что достигается путем охлаждения заряда. Это повышает среднее эффективное давление в цилиндре во время сгорания для получения больших значений крутящего момента и мощности.

Чем больше вес заряда воздуха и его плотность, тем раньше может быть закрыт во время хода впуска впускной клапан (или позже во время хода сжатия) для установления низкой степени сжатия и для сохранения энергии, и тем меньше тепла выделяется и меньше растет давление при сжатии в цилиндре. В рассматриваемом четырехтактном двигателе поступающий заряд может быть сжат до давления четыре - пять атмосфер (0,4-0,5 МПа), а если степень сжатия достаточно мала, например от 4:1 до 8:1 (более высокие значения относятся к дизельному топливу), то даже при зажигании от искры отсутствует проблема детонации. Степень расширения должна оставаться большой, предпочтительно 14:1 при применении зажигания от искры и возможно 19:1 при работе с воспламенением от сжатия.

Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра 7, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x (впускной клапан 16 закрыт), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения во всех случаях превышает степень сжатия. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.

Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, изображенную на фиг.21, или через впускной клапан 16, или непосредственно в камеру сгорания. При подаче топлива впрыскиванием последнее должно происходить в момент достижения поршнем 22 точки x, когда впускной клапан закрыт, или после этого момента. Топливо может быть также впрыснуто позже, аналогично работе с применением воспламенения от сжатия, и может впрыскиваться в месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу. Некоторое количество топлива может быть впрыснуто после прохождения поршнем верхней мертвой точки, причем даже непрерывно во время первой части хода расширения для поддержания в целом постоянного давления процесса сгорания.

Воспламенение может происходить от сжатия (которому может содействовать запальная свеча) или от электрической искры. Зажигание от искры может происходить до достижения поршнем верхней мертвой точки, как это происходит обычно, при достижении им верхней мертвой точки или после ее прохождения.

В надлежащее время происходит воспламенение топливно-воздушной смеси и расширение газов с воздействием на поршень - это является рабочим ходом (третьим тактом). При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в надлежащее время открывается (открываются) выпускной клапан 17 (выпускные клапаны 17), а при продувочном ходе (четвертый такт) поршень 22 поднимается, вызывая эффективную продувку цилиндра путем своего принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).

Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.

Двигатель 1002, изображенный на фиг.2На фиг. 2 показан шестицилиндровый поршневой двигатель 1002 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (только два 7а и 7f из которых показаны на чертеже) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по четырехтактному циклу, причем все цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 соответственно посредством шатунов 19a-19f. Дополнительный компрессор 2 (на чертеже он изображен в виде ротационного компрессора) подает сжатый воздух или обеспечивает возможность подачи через компрессор воздуха под атмосферным давлением к коллекторам 13 и 14 и к работающим по четырехтактному циклу цилиндрам 7a-7f. Второй дополнительный компрессор 1 выборочно используется для повышения давления воздуха, подаваемого к компрессору 2. В предпочтительных вариантах выполнения клапаны 3, 4, 5 и 6 и охладители 10, 11 и 12 применяются для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов 16a-16f синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1002. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.

Во впускном трубопроводе 8 расположен пропорциональный клапан 201, служащий для пропорционального ограничения по количеству воздушного потока, проходящего по трубопроводу 8, что вызывает всасывание выхлопных газов через окно 204 в стенке трубопровода 8. Эти газы поступают из выпускного трубопровода 18 через выпускное окно 206 и трубопровод 202. Назначением этой особенности является поступление выхлопных газов в свежий воздух, поступающий по впускному трубопроводу 8, и смешивание с ним для сокращения загрязняющих выбросов. Введенные выхлопные газы охлаждаются охлаждающими ребрами 202b, расположенными на трубопроводе 202.

Двигатель 1002, изображенный на фиг.2, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД) и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, создают систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенного крутящего момента и большей мощности при низких скоростях вращения двигателя в сочетании с малыми загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения может применяться система синхронизации регулируемых клапанов, которая совместно с системой регулирования, такой как блок 27 управления двигателем (БУД), может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16 для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания цилиндров 7a-7f двигателя 1002 для получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.

Краткое описание работы двигателя 1002, изображенного на фиг.2Предлагаемый двигатель 1002, изображенный на фиг.2, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и большим крутящим моментом, низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть всасываемого воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором 1, 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен посредством охладителей 10, 11, 12, охлаждающих поступающий воздух, а также путем более короткого хода сжатия.

Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1002, работающего по новому циклу, включает следующее:1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) или поступающий под атмосферным давлением воздух, или поступающий воздух, сжатый по меньшей мере одним дополнительным компрессором и имеющий температуру и давление, величину которых регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в силовой цилиндр 7 путем хода впуска поршня 22.

2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16 (такой клапан может быть один или их может быть несколько) оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускной коллектор 13, 14. Впускной клапан 16 затем закрывают при нахождении поршня в некоторой точке и тем самым герметизируют цилиндр 7, устанавливая таким образом величину степени сжатия двигателя.

(b) В другом случае впускной клапан 16 закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигнет нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем подвергают расширению до полного объема цилиндра 7, а сжатие заряда начинается, когда поршень 22 дойдет до точки хода сжатия, в которой клапан 16 закрыт.

3. (а) Во время хода сжатия поршня 22 в точке, в которой клапан 16 закрыт, на этапах либо по п.2(а), либо по п.2(b) начинается сжатие, создавая при этом низкую степень сжатия, что дает возможность уменьшения подъема температуры во время хода сжатия.

(b) Во время работы с низкой нагрузкой, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии с низкой нагрузкой, клапаны 3, 5 закрыты, а воздушные перепускные клапаны (ВПК) 4 и 6 на обоих компрессорах 1 и 2 предпочтительно открыты, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 103 компрессоров 2 и 1. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и повышает экономию топлива.

(с) При возникновении потребности в выработке повышенной мощности плотность и давление заряда могут быть увеличены путем перекрытия клапана (ВПК) 4, что приводит к повышению давления воздуха компрессором 2, и, кроме того, или путем подключения второй ступени сжатия посредством компрессора 1, что приводит к тому же, что происходит при закрытии клапана 6, либо путем повышения скорости вращения компрессора 2 или обоих компрессоров. В то же время клапаны 5 и 3 должны быть открыты для направления заряда воздуха целиком или частично через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для повышения плотности зарядного воздуха.

4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов работы 3(а), (b) или (с). Эта энергия, создающая высокое среднее эффективное давление в цилиндре, преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).

Подробное описание работы двигателя 1002, изображенного на фиг.2Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух, который (в зависимости от требований к развиваемой мощности) находится либо под атмосферным давлением, либо был сжат компрессором 2 и/или компрессором 1 до несколько повышенного давления, протекает через трубопроводы 15 от воздушного коллектора 13 или 14 через впускной клапан 16 в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 впускной клапан 16 закрывается при прохождении поршнем точки x, герметизируя цилиндр 7. Начиная от этой точки, происходит расширение заряда воздуха до максимального объема цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой во время хода впуска впускной клапан 16 был закрыт. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В другом случае во время хода впуска (первого такта) поршня 22 впускной клапан 16 удерживают в открытом положении на всем протяжении хода впуска, а также после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки и на значительной части хода сжатия (второго такта), составляющей от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть зарядного воздуха назад в коллектор 13 или 14, а затем впускной клапан 16 закрывают, герметизируя цилиндр 7, для установления низкой степени сжатия в цилиндрах двигателя. В момент закрытия впускного клапана 16 плотность, температура и давление содержимого цилиндра 7 приблизительно равны соответствующим параметрам заряда воздуха в коллекторах 13 и 14.

При работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны 5 и 3 закрыты, а клапаны 4 и 6, ведущие к обоим компрессорам 1 и 2, предпочтительно открыты, так что происходит возврат всасываемого воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 103 компрессоров 2 и 1. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух, минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и дополнительно повышает экономию топлива.

При потребности в средних величинах крутящего момента и мощности, например при движении с большой скоростью или при выработке электроэнергии в режиме средней нагрузки, клапаны 3 и 5 предпочтительно закрыты, а также закрыты клапаны 4 и 6. Это приводит к прекращению рециркуляции поступающего под атмосферным давлением воздуха через компрессор 2 и 1, и оба компрессора начинают сжимать зарядный воздух до давления, превышающего атмосферное, в то время как закрытые клапаны 3 и 5 направляют зарядный воздух через трубопроводы 104, 110, 111 и 121/122 в обход охладителей 10, 11 и 12, изображенных на фиг.2, с прохождением зарядного воздуха непосредственно к коллекторам 13 и 14 и цилиндрам 7a-7f, где более плотный, но горячий заряд повышает среднее эффективное давление в цилиндре двигателя с созданием повышенного крутящего момента и повышенной мощности.

При потребности в повышенной мощности, например при резком разгоне или при выработке электроэнергии в режиме большой нагрузки, клапан 4 предпочтительно закрыт, а клапан 3 открыт. Это приводит к тому, что компрессор 2 сжимает весь заряд воздуха, клапан 3 направляет его через трубопроводы 112 или 113, и сжатый зарядный воздух подают к коллекторам 13, 14 и к цилиндрам 7a-7f через охладители 11 и 12. Для выработки еще более высокой мощности клапан 5 открывают, а перепускной клапан 6 закрывают, и компрессор 1 начинает работать в качестве второй ступени сжатия, при этом весь заряд воздуха направляют через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для получения заряда большой плотности. Затем очень плотный охлажденный заряд воздуха при его смешении с топливом, воспламенении и расширении со степенью расширения, превышающей степень сжатия двигателя, создает большой крутящий момент и большую мощность.

Чем больше вес заряда воздуха и его плотность, тем раньше (или позже) может быть закрыт впускной клапан для установления низкой степени сжатия и для сохранения энергии, и тем меньше тепла выделяется и меньше растет давление при сжатии в цилиндре. В рассматриваемом четырехтактном двигателе поступающий заряд может быть сжат до давления в четыре - пять атмосфер (0,4-0,5 МПа), а если степень сжатия двигателя достаточно мала и составляет, например, от 4:1 до 8:1 (более высокие значения относятся к дизельному топливу), то даже при зажигании от искры отсутствует проблема детонации. Степень расширения должна оставаться весьма большой, предпочтительно 14:1 при применении зажигания от искры и возможно 19:1 для работы с воспламенением от сжатия.

Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра 7, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x (впускной клапан 16 закрыт), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения во всех случаях превышает степень сжатия. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.

Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, изображенную на фиг.21, или через впускной клапан 16, или непосредственно в камеру сгорания. При подаче топлива впрыскиванием последнее должно происходить в момент достижения поршнем 22 точки x, когда впускной клапан закрыт, или позже этого момента. Топливо может быть также впрыснуто и позже, а в случае работы с применением воспламенения от сжатия оно может впрыскиваться в месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу.

В надлежащее время происходит воспламенение топливно-воздушной смеси и расширение газов с воздействием на поршень для осуществления рабочего хода (третьего такта). При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в надлежащее время открывается (открываются) выпускной клапан 17 (выпускные клапаны 17), а при продувочном ходе (четвертый такт) поршень 22 поднимается, вызывая эффективную продувку цилиндра путем своего принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).

Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.

Двигатель 1003, изображенный на фиг.3На фиг. 3 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1003 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (только один из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по четырехтактному циклу, причем все силовые цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Дополнительный поршневой компрессор 1 и дополнительный ротационный компрессор 2 подают сжатый заряд воздуха повышенного давления или обеспечивают возможность подачи через компрессоры воздуха под атмосферным давлением к коллекторам 13 и 14 и к работающим по четырехтактному циклу цилиндрам 7a-7f. В предпочтительных вариантах выполнения клапаны 3, 4, 5 и 6 и промежуточные охладители 10, 11 и 12 применяются для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов 16 синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1003. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.

Двигатель 1003, изображенный на фиг.3, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД) и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, образуют систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в силовом цилиндре 7, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенного крутящего момента и большей мощности при низких скоростях вращения двигателя в сочетании с малыми загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения может применяться система синхронизации регулируемых клапанов, которая совместно с системой регулирования, такой как блок 27 (БУД), может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16 для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания цилиндров 7a-7f двигателя 1003 для получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.

Краткое описание работы двигателя 1003, изображенного на фиг.3Предлагаемый двигатель 1003, изображенный на фиг.3, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и высоким крутящим моментом, низким расходом топлива и низкими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть поступающего воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором 1, 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен с использованием охладителей 10, 11, 12, охлаждающих всасываемый воздух, а также путем более короткого хода сжатия.

Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1003, работающего по новому циклу, включает следующее:1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) поступающий под атмосферным давлением воздух или воздух, сжатый по меньшей мере одним дополнительным компрессором и имеющий температуру и давление, величину которых регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в силовой цилиндр 7 путем хода впуска поршня 22.

2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16 (такой клапан может быть один или их может быть несколько, 16, 16') оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускные коллекторы 13, 14. Впускной клапан 16 затем закрывают при нахождении поршня в некоторой точке и тем самым герметизируют цилиндр 7, устанавливая таким образом величину степени сжатия двигателя.

(b) В другом случае впускной клапан 16 закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигает нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем подвергают расширению до полного объема цилиндра 7, а сжатие заряда начинается, когда поршень 22 дойдет до точки хода сжатия, в которой впускной клапан 16 закрыт.

3. (а) Во время хода сжатия поршня 22 в точке, в которой клапан 16 закрыт, на этапах либо по п.2(а), либо по п.2(b), начинается сжатие с созданием при этом низкой степени сжатия, что дает возможность уменьшения подъема температуры во время хода сжатия.

(b) Во время работы на режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны 3 и 5 закрыты, а воздушные перепускные клапаны (ВПК) 4 и 6 на обоих компрессорах 1 и 2 предпочтительно открыты, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 8 компрессоров 1 и 2. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и дополнительно повышает экономию топлива.

(с) При возникновении потребности в получении повышенной мощности плотность и давление заряда могут быть увеличены путем перекрытия клапана 4, что приводит к повышению давления зарядного воздуха компрессором 1, и, кроме того, либо путем подключения второй ступени сжатия посредством компрессора 2, что приводит к тому же, что происходит при закрытии клапана 6, либо путем повышения скорости вращения компрессоров 1 или 2 или обоих компрессоров. В то же время клапаны 3 и 5 должны частично или полностью направлять заряд воздуха через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для повышения плотности зарядного воздуха.

4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов работы 3(а), (b) или (с). Эта энергия, создающая высокое среднее эффективное давление в цилиндре, преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).

Подробное описание работы двигателя 1003, изображенного на фиг.3Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух, который (в зависимости от требований к развиваемой мощности) находится или под атмосферным давлением, или был сжат компрессором 1 или 2 до несколько повышенного давления, протекает через трубопроводы 15 от коллектора 13 или 14 через впускной клапан 16 в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 впускной клапан 16 закрывается (при нахождении поршня в точке x). Начиная от этой точки, происходит расширение содержимого цилиндра до максимального объема этого цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой во время хода впуска впускной клапан 16 был закрыт, герметизируя цилиндр 7. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В другом случае во время хода впуска (первого такта) поршня 22 впускной клапан 16 может удерживаться открытым при ходе впуска после прохождения поршнем нижней мертвой точки, а также на значительной части хода сжатия (второго такта), составляющей от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть зарядного воздуха назад во впускной коллектор, и затем впускной клапан 16 закрывают для установления низкой степени сжатия в цилиндрах двигателя.

При работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны 3 и 5 закрыты, а воздушные перепускные клапаны 4 и 6 (ВПК) на обоих компрессорах 1 и 2 предпочтительно открыты, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 8 компрессоров 1 и 2. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух, минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и дополнительно повышает экономию топлива.

При потребности в средних величинах крутящего момента и мощности, например при движении с большой скоростью или при выработке электроэнергии в режиме средней нагрузки, клапан 3, ведущий к компрессору 1, предпочтительно открыт, клапан 4 закрыт, а клапан 6 остается открытым. Это приводит к прекращению рециркуляции поступающего под атмосферным давлением воздуха через компрессор 1, который один начинает сжимать зарядный воздух до давления, превышающего атмосферное, в то время как закрытые клапаны 3 и 5 направляют зарядный воздух через трубопроводы 104, 110, 111 и 121/122 в обход охладителей 10, 11 и 12, как показано на фиг.3, с прохождением зарядного воздуха непосредственно к коллекторам 13 и 14 и силовым цилиндрам 7a-7f, где более плотный подогретый заряд повышает среднее эффективное давление в цилиндре двигателя с созданием повышенного крутящего момента и повышенной мощности.

При потребности в повышенной мощности, например при резком разгоне или при выработке электроэнергии в режиме большой нагрузки, воздушные перепускные клапаны 4 и 6 предпочтительно закрыты, а клапаны 3 и 5 открыты на обоих компрессорах. Это приводит к тому, что компрессоры 1 и 2 сжимают весь заряд воздуха, а клапаны 3 и 5 направляют его от трубопровода 8 через компрессоры 1 и 2, а затем сжатый зарядный воздух подают через трубопроводы 105, 106, 110, 112, 113, 114 и 115 к коллекторам 13, 14 и к цилиндрам 7a-7f через охладители 10, 11 и 12. Затем очень плотный, охлажденный заряд воздуха при его смешении с топливом, воспламенении и расширении со степенью расширения, превышающей степень сжатия двигателя, создает большой крутящий момент и большую мощность.

Чем больше вес заряда воздуха и его плотность, тем раньше в ходе впуска (или позже в ходе сжатия) может быть закрыт впускной клапан для установления низкой степени сжатия и для сохранения энергии, и тем меньше тепла выделяется и меньше растет давление при сжатии в цилиндре. В рассматриваемом четырехтактном двигателе поступающий заряд может быть сжат до давления, составляющего четыре - пять атмосфер (0,4-0,5 МПа), а если степень сжатия достаточно низка и составляет, например, от 4:1 до 8:1 (более высокие значения относятся к дизельному топливу), то даже при зажигании от искры отсутствует проблема детонации. Степень расширения должна оставаться весьма большой, предпочтительно 14: 1 при применении зажигания от искры и возможно 19:1 для работы с применением воспламенения от сжатия.

Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра 7, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x (впускной клапан 16 закрыт), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения во всех случаях превышает степень сжатия. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.

Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, изображенную на фиг.21, или через впускной клапан 16, или непосредственно в камеру сгорания. При подаче топлива впрыскиванием последнее должно происходить в момент достижения поршнем 22 точки x, когда впускной клапан закрыт, или позже этого момента. Топливо может быть также впрыснуто и позже, а в случае работы с воспламенением от сжатия оно может впрыскиваться в том месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу.

В надлежащее время происходят воспламенение топливно-воздушной смеси и расширение газов с воздействием на поршень для осуществления рабочего хода (третьего такта). При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в надлежащее время открывается (открываются) выпускной клапан 17 (выпускные клапаны 17), а при продувочном ходе (четвертый такт) поршень 22 поднимается, вызывая эффективную продувку цилиндра путем своего принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).

Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.

Двигатель 1004, изображенный на фиг.4На фиг. 4 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1003 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, который имеет два впуска 8 и 9 для атмосферного воздуха и соответствующие впускные трубопроводы 15-А, 15-В и в котором все цилиндры 7a-7f (только один (7) из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22а-22f работают по четырехтактному циклу, а все силовые цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Компрессор 2, изображенный на чертеже как ротационный компрессор Lysholm'a, вместе с воздушными трубопроводами, как показано на чертеже, подводит сжатый воздух по меньшей мере к одному впускному клапану 16-А цилиндра. Впуск 8 и дополнительный впуск 9, а также трубопроводы 15-А, 15-В выборочно подводят находящийся под атмосферным давлением заряд воздуха или воздух, сжатый до повышенного давления, к отдельным впускным клапанам 16-А и 16-В, открывающимся в один цилиндр 7a-7f (например, на чертеже они изображены открывающимися в цилиндр 7f). В предпочтительных вариантах выполнения регулирующие клапаны 3, 5 и 6 и промежуточные охладители 10, 11 и 12 применяются для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов 16а-В - 16f-B, в которые воздух поступает через коллектор 14-В и впускные трубопроводы 15а-В - 15f-B, синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1004. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя. Благодаря существенному сходству между двигателем 1004, изображенным на фиг.4, и двигателем, показанным на фиг.7, на которой система дополнительного впуска 9 воздуха показана штрих-пунктирными линиями, ниже имеются ссылки на фиг.7, относящиеся к одинаковым составляющим частям.

Двигатель 1004, изображенный на фиг.4, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем это имеет место в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД), изображенный, например, на фиг.7, и регулируемые клапаны 3, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, образуют систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенного крутящего момента и повышенной мощности при всех скоростях вращения двигателя в сочетании с небольшими загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения система синхронизации регулируемых клапанов совместно с БУД 27 может также регулировать время открытия и закрытия клапанов 16-А и/или 16-В для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания с получением более пологой характеристики крутящего момента и высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.

Краткое описание работы двигателя 1004, изображенного на фиг.4Предлагаемый двигатель 1004, изображенный на фиг.4, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и высоким крутящим моментом, низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть поступающего воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают дополнительным компрессором 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен посредством охладителей 10, 11, 12, охлаждающих поступающий воздух, а также путем позднего ввода воздуха, имеющего регулируемую температуру, и путем более короткого хода сжатия.

Во время работы к цилиндру 7 через впускной клапан 16-В подводят основной заряд воздуха под атмосферным давлением или через дополнительный впускной трубопровод 9 подают воздух, давление которого повышено на величину, составляющую от половины до одной атмосферы (на 0,05-0,1 МПа) и который может образовывать топливно-воздушную смесь. Этот заряд может быть сжат, к нему может быть добавлено топливо, если оно отсутствует, воспламенен в надлежащем месте при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки для получения рабочего хода с обеспечением высокой экономии топлива и небольших загрязняющих выбросов.

При потребности в большей мощности в силовой цилиндр 7 во время хода сжатия предпочтительно подают поступающий от впуска 8 дополнительный заряд воздуха посредством второго впускного клапана 16-А, который для повышения, при необходимости, плотности заряда впускает находящийся под более высоким давлением заряд воздуха после закрытия первого клапана 16-В. После нагнетания дополнительного заряда воздуха впускной клапан 16-А быстро закрывается. Давление основного заряда воздуха может быть повышено путем ввода в действие второго дополнительного компрессора, установленного последовательно с компрессором 2 (например компрессора 1, изображенного на фиг.7, где в качестве основного компрессора в двигателе, изображенном на фиг.4, применяется компрессор 2, который на фиг.4 и фиг.7 изображен, например, в виде ротационного компрессора Lysholm'a) между впуском 8 и коллектором 13, 14, кроме того, заряд может быть подвергнут промежуточному охлаждению. Температуру, давление, количество и точку ввода дополнительного заряда, если происходит его добавление, регулируют для получения нужных результатов. В предпочтительных вариантах выполнения, когда работа при низкой нагрузке не требует высокого среднего эффективного давления в цилиндре, для блокирования впускного клапана 16-А может быть применен блокиратор впускного клапана (известно несколько видов блокираторов, например блокираторы, выпускаемые компаниями Eaton Corporation и Cadillac). В другом случае открывают воздушный перепускной клапан 6 для рециркуляции зарядного воздуха назад через компрессор 2 для освобождения компрессора от работы сжатия во время работы в режиме низкой нагрузки.

В другом случае для обеспечения постоянного или переменного "коэффициента давления" в цилиндре 7 при одновременном улучшении вихревой турбулентности может применяться обратный клапан, одна из конструкций которого изображена на фиг.6 под номером 26 позиции. При таком альтернативном способе работы впускной клапан 16-А должен закрываться очень поздно, а клапан 26 - закрываться только тогда, когда давление в цилиндре 7 почти сравняется с давлением в трубопроводе 15-А или превысит его. Таким образом, давление в трубопроводе 15-А, регулируемое скоростью вращения компрессора, вместе с клапанами 3, 5 и 6 (а также клапаном 4, изображенным на фиг.7) должно регулировать давление, плотность, температуру и турбулентность процесса сгорания. Клапан 26 может быть заменен клапаном с подпружиненным диском, выполненным из металла или керамических материалов, или любым другим автоматическим клапаном.

Другой альтернативный способ обеспечения низкой степени сжатия, а также большой степени расширения и небольших загрязняющих выбросов включает следующее.

Давление воздуха, подводимого к впускному трубопроводу 15-А, поднимают до очень большой величины, впускной клапан 16-А в других вариантах выполнения заменяют быстродействующим клапаном, который имеет повышенные возможности управления, таким как быстродействующий клапан с соленоидным управлением (не показан), но не обязательно только им, и который предпочтительно приводится в действие либо механическим, либо электрическим способом, либо под действием разрежения, а его управление осуществляет блок управления двигателем (БУД).

В этом варианте выполнения меньший, более плотный заряд под высоким давлением, который имеет регулируемую температуру и в котором содержится или отсутствует топливо, может выборочно в тангенциальном направлении нагнетаться гораздо позже в ходе сжатия или даже во время процесса сгорания для повышения плотности заряда, для снижения максимальной и общих температур сгорания и для создания требуемой вихревой турбулентности заряда в камере/камерах сгорания.

Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1004, работающего по новому циклу, включает следующее:1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) или поступающий под атмосферным давлением воздух, или поступающий воздух, сжатый одним компрессором (не показан) и имеющий температуру, величину которой регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха (не показаны), подают в цилиндр 7 (ход впуска) путем хода впуска поршня 22 через впуск 9, коллектор 14-В, впускные трубопроводы 15-В и впускные клапаны 16а-В - 16f-B.

2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16-В (такой клапан может быть один или их может быть несколько) оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускной коллектор 14-В.

(b) В другом случае впускной клапан 16-В закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигнет нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем подвергают расширению до полного объема цилиндра 7.

3. (а) После этого начинается ход сжатия (второй такт), и при нахождении поршня в точке, в которой для герметизации цилиндра 7 закрывается клапан 16-В, на этапе либо по п.2(а), либо по п.2(b), начинается сжатие (с низкой степенью сжатия), что дает возможность снижения подъема температуры во время хода сжатия.

(b) При возникновении потребности в выработке повышенной мощности в цилиндр 7 вводят дополнительный сжатый заряд воздуха, имеющий регулируемую температуру, посредством впускного клапана 16-А, который быстро открывается и закрывается во время хода сжатия при нахождении поршня в точке, в которой закрывается клапан 16-В, который ввел основной заряд воздуха, или позже в этом ходе для создания более плотного заряда, имеющего регулируемую температуру, для получения требуемого крутящего момента и требуемой мощности двигателя.

(c) В другом случае при потребности в выработке повышенной мощности плотность и вес дополнительного заряда воздуха могут быть повышены путем обеспечения направления клапанами 5 и 3 всего заряда воздуха или его части через один или несколько охладителей 10, 11 и 12 с повышением плотности заряда и/или путем повышения скорости вращения компрессора или подключения второй ступени дополнительного сжатия, причем при двух последних действиях нагнетается повышенное количество воздуха в сторону наддува. В другом случае синхронизация закрытия впускного клапана 16-В в ходе впуска или ходе сжатия может быть временно изменена для сохранения увеличенного заряда, и в то же время синхронизация работы клапана 16-А может быть временно изменена для более раннего его открытия и закрытия во время хода сжатия с обеспечением повышенной плотности заряда воздуха, имеющего регулируемую температуру.

4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение выхлопных газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов 3(а), (b) или (с). Эта энергия воспринимается и преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).

5. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки выпускные клапаны 17a-17f, 17a'-17f' открываются, и цилиндр 7 эффективно продувается путем хода поршня 22 (четвертый такт), после чего клапан (клапаны) 17 закрываются.

Подробное описание работы двигателя 1004, изображенного на фиг.4Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух низкого давления протекает от впускного трубопровода 9 для атмосферного воздуха через воздушный трубопровод 15-В, через воздушный коллектор 14-В, воздух в котором имеет атмосферное давление или несколько повышенное (или в другом случае воздух, имеющий низкое давление, может подводиться посредством регулирующего нагнетательного клапана 25 и трубопровода 15-В от трубопровода 15-А сжатого воздуха, как показано на фиг.5), через впускной клапан 16-В в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 клапан 16 закрывается (при нахождении поршня в точке x). Начиная от этой точки, происходит расширение заряда воздуха в цилиндре до максимального объема этого цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой был закрыт впускной клапан. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В любой точке хода сжатия поршня 22 в момент, когда поршень 22 достигнет точки x, или после этого, выборочно открывают второй впускной клапан 16-А для нагнетания дополнительного заряда сжатого воздуха, температура, плотность и давление которого считаются соответствующими нагрузке двигателя, требуемому крутящему моменту, экономии топлива и требуемым параметрам выбросов. В другом случае во время впуска зарядного воздуха впускным клапаном 16-В последний удерживают в открытом положении и после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки на значительное расстояние, составляющее от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть заряда назад в коллектор 14-В, а затем закрывают для установления низкой степени сжатия в цилиндре. Во время хода сжатия в момент закрытия впускного клапана 16-В или после этого сжатый компрессором 2 дополнительный заряд, имеющий высокое давление и регулируемую температуру, выборочно вводят в тот же цилиндр 7 вторым впускным клапаном 16-А, который быстро открывается и закрывается. В другом случае при потребности в повышенном крутящем моменте и повышенной мощности плотность дополнительного зарядного воздуха существенно увеличивают путем повышения скорости вращения основного компрессора 2 или подключения другой ступени сжатия, например блока 1 (фиг. 7), и/или путем направления заряда воздуха через охладители.

При работе с низкой нагрузкой запорный клапан или блокиратор 31 клапана (такой, как показан на фиг.7) на впускном клапане 16-А высокого давления предпочтительно временно задерживает поступающий воздух или удерживает клапан закрытым, что способствует повышению экономии топлива двигателя. В другом случае при работе в режиме низкой нагрузки клапан 5 закрыт, а клапан 6 открыт, так что весь воздух, нагнетаемый компрессором 2, или его часть возвращается к впускному трубопроводу компрессора 2, имея только небольшое повышение давления или не имея его совсем. Вследствие этого, когда открывается дополнительный клапан 16-А, давление воздуха в трубопроводе 15-А приблизительно равно давлению исходного заряда или незначительно выше его. В альтернативном варианте выполнения для предотвращения какого-либо обратного тока зарядного воздуха в трубопровод 15-А в случае, когда во время хода сжатия поршня 22 давление в цилиндре превысит давление в трубопроводе 15-А до закрытия впускного клапана 16-А, имеется дополнительный автоматический клапан 26, как показано на фиг.6.

При наличии дополнительного обратного клапана (клапан 26 на фиг.6) регулирование степени сжатия в цилиндре 7 может полностью осуществляться путем регулирования давления заряда воздуха, проходящего через клапан 16-А. Степень сжатия может затем регулироваться клапанами 3, 5, 6, скоростью вращения компрессора и любым дросселем, который также может присутствовать. При применении клапана 26 впускной клапан 16-А во время хода сжатия должен оставаться открытым до весьма позднего момента, возможно даже до тех пор, когда поршень 22 приблизится или достигнет верхней мертвой точки.

Топливо может образовывать смесь с воздухом, как показано на фиг.4, 4В, 5, 7 и 33, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, или через впускные клапаны 16-А, 16-В (через клапан 16-В только в случае, если этот клапан не остается открытым после прохождения поршнем нижней мертвой точки), либо непосредственно в камеру сгорания при нахождении поршня в точке x во время хода впуска (во время хода впуска только в том случае, если впускной клапан 16-В закрывается до достижения поршнем нижней мертвой точки), или в момент достижения поршнем 22 точки x при ходе сжатия или после этого момента. Топливо может впрыскиваться вместе с сопутствующим воздухом или без него. В случае работы с применением воспламенения от сжатия топливо может впрыскиваться в том месте, в котором обычно происходит впрыск дизельного топлива, возможно, в предкамеру, или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу.

После ввода заряда воздуха, имеющего регулируемые температуру и плотность, если такой ввод производится, продолжается сжатие заряда, и он вместе с топливом в надлежащее время воспламеняется для осуществления хода расширения (третий, рабочий такт). (Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x, поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.) Теперь заряд топливно-воздушной смеси воспламеняется, и при расширении сжигаемых газов происходит рабочий (третий такт) ход поршня. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки рабочего хода открывается (открываются) выпускной клапан 17, 17' (выпускные клапаны 17, 17'), и цилиндр 7 эффективно продувается при четвертом ходе поршня путем его принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).

Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.

Очевидно, что чем позже происходит достижение поршнем точки хода сжатия, соответствующей точке x (то есть чем раньше или позже закроется впускной клапан), тем ниже степень сжатия двигателя и тем меньше нагрев заряда при сжатии. Понятно также, что чем позже происходит впуск заряда, имеющего регулируемые температуру и плотность, тем меньшая работа необходима в двигателе для сжатия заряда, последняя часть которого уже подверглась некоторому сжатию дополнительным компрессором 2.

Двигатель 1004-В, изображенный на фиг.4ВНа фиг.4В показан четырехтактный шестицилиндровый двигатель 1004В внутреннего сгорания, аналогичный по конструкции двигателю, изображенному на фиг. 4, за исключением того, что в конструкции двигателя 1004В компрессор 2 получает зарядный воздух из коллектора 14-В через отверстие 8-В, показанное на фиг.7, и трубопровод 8, причем воздух поступает через общий впускной канал 9 для зарядного воздуха. Впускные питатели 15а-С - 15f-C распределяют воздух, имеющий атмосферное давление, к впускным клапанам 16-В каждого силового цилиндра. Вследствие того что зарядный воздух, поступающий от трубопроводов 15-А, выборочно сжимают компрессором 2, такая конструкция обеспечивает возможность подвода к впускным клапанам 16-А и 16-В воздуха с различными уровнями давления. Работа двигателя l004В происходит аналогично работе двигателя 1004. Нумерация позиций и назначение системы выпуска и подачи воздуха, показанной на фиг. 4С, идентична нумерации позиций и назначению, приведенным в описании фиг.2.

Двигатель 1005, изображенный на фиг.5На фиг. 5 показан четырехтактный шестицилиндровый двигатель 1005 внутреннего сгорания, аналогичный двигателю 1004, изображенному на фиг.4, и двигателю 1004В, изображенному на фиг.4В, за исключением того, что на фиг.5 изображены альтернативные способы, с помощью которых могут быть исключены парные впускные трубопроводы для воздуха под атмосферным давлением, предпочтительно путем подвода зарядного воздуха низкого давления к входным клапанам 16-В по трубопроводам 15a-D - 15f-D, ведущим от общего впускного воздушного трубопровода 8, или от дополнительного воздушного коллектора 35-М, расположенного между впускным трубопроводом 8 и впуском трубопроводов 15a-D - 15f-D, причем этот коллектор подводит также воздух через трубопровод 8-А к компрессору 2. Подвод зарядного воздуха низкого давления к впускному клапану 16-В по трубопроводу 15-D или трубопроводу 15-В (изображенному штрих-пунктирной линией) исключает вторую систему фильтрации и ввода воздуха и хорошо работает как с первой описанной системой, предусматривающей закрытие основного впускного клапана 16-В во время хода впуска поршня 22, так и в другом случае при закрытии основного впускного клапана 16-В во время хода сжатия (второго такта). В другом случае, как показано на чертеже, зарядный воздух низкого давления может быть подведен путем установки редукционного клапана 25 в трубопроводе 15-В, выполненном для соединения трубопровода 15 (15-А) для сжатого воздуха с впускным клапаном 16-В цилиндра низкого давления, для снижения давления всасываемого воздуха до уровня, который может регулироваться посредством системы регулирования степени сжатия, описанной в настоящем описании, предпочтительно до 1,5-2,0 атмосфер (0,15-0,2 МПа) (повышение абсолютного давления составляет 0,5-1,0 атмосферы (0,05-0,1 МПа)) и, возможно, до атмосферного давления.

Работа двигателя 1005, изображенного на фиг.5, происходит так же, как и работа двигателя 1004, изображенного на фиг.4, однако подвод основного воздуха низкого давления происходит иначе. Благодаря существенному сходству двигателей, изображенных на фиг.5 и на фиг.7, сочтено целесообразным дать ссылки на некоторые общие составляющие части.

Во время работы этого четырехтактного двигателя (фиг.4, 4В и 5) в режиме небольшой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью либо при выработке энергии в режиме небольшой нагрузки, дополнительный заряд воздуха либо сводится к нулю путем временного блокирования впускного клапана 16-А высокого давления (известны несколько видов систем, блокирующих клапан, например производимых компаниями Eaton Corp., Cadillac и др. ), либо доступ воздуха к впускному клапану 16-А может быть перекрыт, а двигатель все еще будет обеспечивать более высокие экономию топлива и мощность, чем известные двигатели.

В другом предпочтительном случае при работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью, компрессор 2 может быть освобожден от какой-либо работы сжатия путем закрытия клапана-заслонки 5 и открытия воздушного перепускного клапана 6, который возвращает нагнетаемый воздух назад в компрессор 2, так что давление воздуха во впускных трубопроводах 15-А и 15-В или 15-D приблизительно равны. Следовательно, в это время наддув отсутствует. В одном варианте выполнения автоматический клапан 26, изображенный на фиг. 6, предотвращает обратный ток воздуха во время хода сжатия в случае, если давление сжатия в цилиндре приблизится к давлению в трубопроводе 15-А или превысит его до того, как закроется впускной клапан 16-А.

Для получения повышенной мощности дополнительный заряд воздуха может быть увеличен посредством клапанов-заслонок 3 и 5, предпочтительно находящихся в открытом положении и направляющих заряд воздуха в охладители 10, 11 и 12, что делает заряд более плотным, и/или путем увеличения скорости компрессора 2, или путем добавления второй ступени предварительного сжатия посредством компрессора 1, изображенного на фиг.7, причем два последних действия способствуют нагнетанию увеличенного количества воздуха в сторону наддува. На фиг.7 основной компрессор 2 изображен в виде ротационного компрессора Lysholm'a, а дополнительный компрессор 1 является ротационным компрессором турбинного типа, тем не менее, в предлагаемых двигателях может применяться компрессор любого типа.

На фиг. 6 изображен такой же четырехтактный двигатель и аналогичная эксплуатационная система, какие описаны для двигателей, изображенных на фиг. 4, 4-В, 5, 7 и 33, за исключением того, что двигатель, изображенный на фиг. 6, имеет дополнительную особенность, заключающуюся в том, что дополнительный впускной клапан 16-А имеет дополнительный клапан 26, автоматически предотвращающий обратный ток зарядного воздуха из цилиндра 7. Эта особенность предотвращает возникновение любого обратного тока во время хода сжатия в предлагаемом двигателе. Эта особенность может быть также использована для установления переменной или постоянной степени сжатия двигателя. Если дополнительный заряд подается через впускной клапан 16-А, то этот клапан может удерживаться открытым во время хода сжатия почти до тех пор, когда поршень 22 дойдет до верхней мертвой точки, так как автоматический клапан 26 закрывается в момент времени, когда давление в цилиндре 7 приблизится по величине к давлению во впускном питательном трубопроводе 15-А. Следовательно, перепад давления между цилиндром 7 и впускным питателем 15-А обеспечивает возможность закрытия автоматического клапана 26, даже если впускной клапан 16-А может быть все еще открыт, обеспечивая возможность регулирования степени сжатия цилиндра 7 давлением любого заряда воздуха, поступающего через питатель 15-А, управление которым, в свою очередь,осуществляется клапанами 3, 5 и 6 и скоростью вращения компрессора и, возможно, дроссельным клапаном, при его наличии для двигателей, имеющих одну ступень предварительного сжатия. Клапаны 3, 4, 5 и 6, скорость вращения компрессора, а также любой имеющийся дроссельный клапан регулируют коэффициенты давления двигателей, имеющих две ступени предварительного сжатия. Если заряд не проходит от впускного клапана 16-А, автоматический клапан 26 всегда будет закрыт, а коэффициент давлений задается степенью сжатия двигателя, а также плотностью и температурой заряда, получаемого цилиндром 7 через впускной клапан 16-В. Степень сжатия по-прежнему задается точкой в цилиндре 7, при нахождении поршня в которой происходит закрытие основного впускного клапана 16-В. Коэффициент давлений задается плотностью и температурой воздуха, находящегося в цилиндре 7, поступил ли он туда через клапан 16-В или 16-А или через оба этих клапана, а также степенью сжатия.

В качестве блока 26 может применяться автоматический клапан любого типа, возможно, клапан с подпружиненным диском, который может быть выполнен из металла или керамики.

Двигатель 1007, изображенный на фиг.7На фиг. 7 схематично показан четырехтактный шестицилиндровый двигатель 1007, аналогичный по конструкции и работе четырехтактному двигателю, изображенному на фиг. 4, 4В, и 5, однако в нем имеется другая система впуска воздуха, в которой используется воздушный впуск 9 (изображенный штрих-пунктирной линией), или воздушный впуск 8', или оба этих впуска. На фиг.7 также показаны три промежуточных охладителя 10, 11 и 12 и парные коллекторы 13 и 14, а также еще один впускной коллектор 14-В. Необходимость в сдвоенном впуске для атмосферного воздуха (номера 8' и 9 позиций, изображенные на фиг. 7) может быть исключена путем подвода воздуха из окна 8-В коллектора 14-В непосредственно к воздушному впускному трубопроводу 8', схематично изображенному на фиг.7.

На фиг. 7 показан вариант выполнения системы впуска воздуха, подводящей несжатый зарядный воздух к впускному клапану 16-В двигателя, изображенному на фиг.4В и 7, путем подвода воздуха, имеющего атмосферное давление, к впускным питателям 15а-С - 15f-C, ведущим от коллектора 14-В, как изображено на фиг. 4В и 7, в который поступает атмосферный воздух через впускное окно 9 и который затем подводит несжатый воздух к впускным клапанам 16-В каждого силового цилиндра. Затем, после того как поршень 22 достигнет точки x во время хода сжатия (или иными словами точки, в которой происходит закрытие впускного клапана 16-В и начинается сжатие), через впускной клапан 16-А поступает воздух под большим давлением. Впускной клапан 16-А затем закрывается, сжатие продолжается, происходит добавление топлива, если его еще нет в заряде, заряд воспламеняется при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), и происходит рабочий ход (третий такт).

Второй вариант выполнения системы впуска воздуха, изображенный на фиг.7, подводит впускаемый воздух низкого давления, как также показано на фиг.5, получаемый другим способом, от трубопровода 15-А высокого давления через трубопровод 15-В с дополнительным редукционным клапаном 25 (изображен на фиг. 5 и 7 штрих-пунктирной линией). Дополнительный заряд воздуха высокого давления нагнетается впускным клапаном 16-А в момент времени, когда поршень 22 достигает точки, в которой происходит закрытие впускного клапана 16-В и начинается сжатие, или несколько позднее этого момента. Впускной клапан 16-А затем быстро закрывается, сжатие продолжается, происходит добавление топлива, если его еще нет в заряде, заряд воспламеняется в надлежащем месте для осуществления рабочего хода (третьего такта).

Третий, предпочтительный вариант выполнения системы впуска воздуха, изображенный на фиг.7, подводит основной заряд воздуха к впускному клапану 16-В следующим образом: зарядный воздух, давление которого повышено компрессором 1 на некоторую величину, составляющую, возможно, от 0,3 бар до 2 бар (от 0,03 МПа до 0,2 МПа) или более, может подводиться выборочно (дискретно или непрерывно) к впускным клапанам 16-В низкого давления двигателя, изображенного на фиг.7, через трубопровод 32, ведущий от трубопровода 110 к впускным клапанам (16а-В - 16f-B), причем этот трубопровод получает зарядный воздух, который имеет атмосферное давление или который был сжат, но в любом случае имеет оптимизированную температуру, причем регулирование этих параметров заряда осуществляют компрессором 1 и охладителем 10, а регулирование путей прохождения зарядного воздуха осуществляют клапанами-заслонками 5 и 6 и соответствующими трубопроводами. В этом случае дополнительно имеется клапан 33. После заполнения цилиндров 7 зарядом и установления степени сжатия путем закрытия впускного клапана 16-В во время первого или второго хода поршня 22, впускной клапан 16-А высокого давления открывается в ходе сжатия при нахождении поршня в точке, в которой происходит закрытие клапана 16-В, с нагнетанием плотного заряда воздуха, имеющего регулируемую температуру, затем клапан 16-А закрывается, сжатие продолжается, при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки происходит воспламенение заряда, в котором присутствует топливо, и осуществляется рабочий ход (третий такт). Применение этой системы также исключает необходимость парных впусков для атмосферного воздуха.

Четвертый вариант выполнения системы впуска воздуха, изображенной на фиг. 7, подводит основной зарядный воздух к впускным клапанам 16-В низкого давления путем выборочного поступления зарядного воздуха от впускного трубопровода 9, коллектора 14-В и впускных питателей 15-С (изображенных штрих-пунктирной линией) или от трубопровода 32, который направляет к силовому цилиндру 7 воздух, имеющий любые требуемые в конкретное время значения температуры и давления. При такой схеме открытия клапана 33 во время, когда компрессор 1 сжимает проходящий через него заряд, будет присутствовать эффект увеличения плотности основного зарядного воздуха, температура и давление которого в этом случае могут быть также отрегулированы компрессором 1 и регулирующими клапанами 5 и 6. Обратный клапан 34 препятствует обратному току воздуха, имеющего повышенное давление, по трубопроводу 15-С. При потребности в пониженной мощности компрессор 1 может работать вхолостую путем открытия, полного или частичного, клапана 6 и закрытия клапана 5. В другом случае клапан 33 может быть закрыт блоком управления двигателя, а всасывание основного зарядного воздуха в цилиндр 7 будет происходить при атмосферном давлении через впускной трубопровод 9 (изображенный штрих-пунктирной линией). После этого поршень 22 начинает свой второй ход, клапан 16-В закрывается, если он не закрылся в ходе впуска, с установлением степени сжатия, причем во всех случаях тяжелый дополнительный заряд поступает через клапан 16-А, открывающийся в момент времени, когда поршень 22 достигает точки, в которой закрывается впускной клапан 16-В, или несколько позже, затем клапан 16-А быстро закрывается, сжатие продолжается, происходит воспламенение заряда при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки, и осуществляется рабочий ход (третий такт).

С четвертым вариантом выполнения системы впуска воздуха впускной клапан 16-В низкого давления может получать через трубопровод 32 или трубопровод 15-В (а) зарядный воздух, имеющий атмосферное давление или (b) зарядный воздух, который был сжат и охлажден. Во впускной клапан 16-А высокого давления (открытие которого происходит в момент времени, когда начинается сжатие или несколько позже) может поступать зарядный воздух, который (а) либо был сжат и охлажден в единственной ступени сжатия компрессором 1 или 2, либо (b) был сжат и охлажден с приобретением очень высокой плотности по меньшей мере в двух ступенях сжатия, либо (с) его температура и давление отрегулированы регулирующими клапанами 5 и 6 для улучшенного управления параметрами сгорания в отношении мощности, крутящего момента и экономии топлива, а также в отношении регулирования количества выбросов. С введением дополнительного обратного клапана (клапан 26, изображенный на фиг.6) двигатели, изображенные на фиг. 4, 4В, 5 и 7, могут иметь либо постоянные, либо переменные коэффициент давлений, плотность, давление, температуру и турбулентность заряда, а также время закрытия клапана 26, регулирование которых осуществляется клапанами 3, 5 и 6, скоростью вращения компрессора, а также любым дросселем, имеющимся в двигателях с одной ступенью предварительного сжатия, а также добавлением клапана 4 в двигателях, имеющих две ступени предварительного сжатия. В любом случае впускной клапан 16-А должен оставаться открытым до весьма позднего момента в ходе сжатия, возможно, до достижения поршнем 22 непосредственной близости к верхней мертвой точке хода 22.

Преимущество сжатия зарядного воздуха, поступающего к впускному клапану 16-В низкого давления, в дополнение к сильному сжатию дополнительного заряда воздуха заключается в том, что во время большей части рабочего цикла таких двигателей плотность заряда может быть резко увеличена для получения высокого среднего эффективного давления с одновременным удержанием низкими максимальных давлений и температур. Описанная система способна обеспечить мощность, необходимую для движения транспортного средства по холмистой местности, возможно, с блокированием впускных клапанов 16-А высокого давления блокиратором клапана, обозначенным номером 31 позиции на фиг.7, или компрессором 2 и/или 1 с осуществлением в них полного или частичного перепуска воздуха посредством регулирующих клапанов 3 и 4 и/или регулирующих клапанов 5 и 6 для изменения давления и температуры заряда, поступающего в коллекторы 13 и 14, а затем к впускным клапанам 16-А. Для получения максимальной мощности блокираторы клапанов могут быть отключены или нейтрализованы.

На фиг.7 также показана предлагаемая система управления двигателем, содержащая блок 27 (БУД), два клапана-заслонки 3 и 5, два воздушных перепускных клапана 4 и 6 и дополнительные редукционные клапаны 25 (25a-25f) на воздушных трубопроводах 15-В (15а-В - 15f-B), a также алгоритм регулирования давления, температуры и плотности путем регулирования клапанов 4 и 6 и клапанов 3 и 5. Как показано на чертеже, клапан 4 закрыт с обеспечением возможности полного сжатия заряда компрессором 2, а клапан 3 несколько приоткрыт, обеспечивая возможность прохождения неохлажденной части воздуха (светлые стрелки) и некоторого количества охлажденного воздуха (темные стрелки) к коллекторам 13 и 14, причем управление обоими клапанами может быть осуществлено блоком 27 для создания заряда воздуха с оптимальной плотностью, температурой и давлением. Светлые стрелки 4-А в трубопроводе 120 показывают, что клапан 4 может быть частично открыт для обеспечения возможности перепуска некоторого количества воздуха и возвращения к компрессору 2 для точного регулирования давления дополнительного заряда воздуха, так что это количество нагнетается для регулирования плотности и температуры заряда. В другом случае весь заряд воздуха может быть направлен через охладители 10, 11 и 12 или через перепускные трубопроводы 121 и 122 и коллекторам 13 и 14.

Для получения высокой мощности при низкой степени сжатия и небольших загрязняющих выбросах клапаны 4 и 6 закрыты, а клапаны 3 и 5 должны быть открыты, так что компрессоры 2 и 1 повышают давление заряда воздуха, направляемого клапанами 3 и 5 через охладители, для получения максимальной плотности. Во время хода впуска впускной клапан 16-В низкого давления открывается, поршень 22 всасывает воздух, имеющий низкое давление, и впускной клапан 16-В закрывается перед достижением поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия или после прохождения этой точки. Во время хода сжатия при нахождении поршня в точке, где происходит закрытие впускного клапана 16-В, или несколько позже открывается впускной клапан 16-А для нагнетания дополнительного плотного охлажденного заряда воздуха, затем этот клапан закрывается. Сжатие продолжается с низкой степенью сжатия. Добавляют топливо, если его еще нет в заряде, заряд воспламеняется в надлежащем месте при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки (воспламенение может происходить до достижения поршнем верхней мертвой точки, при нахождении поршня в ней или после ее прохождения) для осуществления рабочего хода (третьего такта) с большой степенью расширения и большим крутящим моментом, затем открывается (открываются) выпускной клапан (выпускные клапаны) 17, и происходит продувочный ход (четвертый такт), после чего клапан (клапаны) 17 закрывается (закрываются).

В этих конструкциях топливо может образовывать топливно-воздушную смесь и может впрыскиваться в корпус дросселя, в окно, в цилиндр, а также может быть введено в любой точке между впуском воздуха и днищем поршня. Топливно-воздушная смесь может быть расположена слоями или представлять собой смеси от стехиометрической до весьма бедной смеси для искрового зажигания или до весьма богатой смеси для работы с применением воспламенения от сжатия. Регулирование мощности двигателя может осуществляться путем одного только дозирования топлива, либо подача воздуха может быть также точно отрегулирована посредством дроссельного клапана до надлежащего соотношения количеств топлива и воздуха или может "дозироваться" управляющими клапанами 4 и 6 при использовании двух ступеней предварительного сжатия и регулирующим клапаном 4 при использовании одиночной ступени предварительного сжатия.

В любом предлагаемом двигателе общая для всех известных двигателей проблема неполного смешивания топлива с воздухом и остаточными газами и вследствие этого изменения параметров в точке воспламенения сведена к минимуму, а в некоторых случаях она исключена путем позднего ввода воздушного заряда с большой скоростью. Эта проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, является чрезвычайно острой в известных двигателях, когда газообразное топливо вводится непосредственно в цилиндр и где может проскакивать искра в смесях, имеющих различные отношения количеств топлива и воздуха, и, следовательно, с различной скоростью распространения пламени.

(О важности нахождения решения именно этой проблемы исследователи двигателей Массачусетского Технологического Института заявляют: "Исключение происходящих от цикла к циклу изменений в процессе сгорания будет важным вкладом в усовершенствование эксплуатационных качеств двигателя. Если все циклы будут подобны среднему циклу или равны ему, то максимальное давление цилиндра будет ниже, кпд будет больше, и, что самое главное, предел детонации будет выше, обеспечивая тем самым возможность ощутимого повышения кпд и/или среднего эффективного давления в цилиндре при том же количестве топлива").

Указанная циклическая изменчивость сведена к минимуму, а возможно, и полностью исключена в каждом из вариантов выполнения (включая двухтактные и четырехтактные) предлагаемого двигателя путем значительной вихревой турбулентности, создаваемой нагнетанием воздуха под большим давлением. Кроме того, в любом из предлагаемых двигателей вихревая турбулентность может быть ориентирована тангенциально к стенке цилиндра путем экранирования впускного клапана 16, в особенности клапана 16-А, либо путем применения обратного клапана, например такого, как клапан 26, изображенный на фиг.6 и 10. Даже двигатели, получающие заряд воздуха во время хода впуска поршня с использованием экранированного впускного клапана, демонстрируют тенденцию к сокращению нежелательного циклического изменения и имеют пониженные требования к октановому числу и повышение ограничиваемого детонацией среднего эффективного индикаторного давления в цилиндре. Предлагаемый двигатель путем нагнетания зарядного воздуха, в особенности через экранированный клапан, во время хода сжатия создает значительно повышенную вихревую турбулентность с дальнейшим сведением к нулю нежелательных, происходящих от цикла к циклу изменений для более чистого и более полного сгорания топлива.

Впускной клапан может вращаться во время работы и все же иметь тангенциальный по отношению к стенке цилиндра поток благодаря применению известного подъемного клапана, а также благодаря тому, что расположенная напротив требуемого направления воздушного потока сторона головки клапана экранирована, и при ее открытии посредством утолщенной части поверхности головки двигателя, образующей козырек или выступ в форме полумесяца, воздушный поток направляется в требуемом направлении, в то время как клапан открыт.

В системе воспламенения от сжатия улучшенный процесс смешивания, предложенный изобретением, обеспечивает возможность значительно более богатых отношений количества топлива к количеству воздуха для получения более высокой мощности, ограничиваемой порогом дымообразования, а при чрезвычайно обогащенных отношениях количества топлива к количеству воздуха дым и частицы фактически устранены.

Вихревая турбулентность, создаваемая путем нагнетания заряда под высоким давлением во время хода сжатия, не гасится ходом сжатия, и чем позже происходит впуск заряда, тем меньший объем заряда необходим для создания требуемой вихревой турбулентности. В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, работающем в соответствии с предлагаемым способом, заряд воздуха, имеющий очень высокое давление и регулируемую температуру, может выборочно вводиться с тангенциальной ориентацией весьма поздно в ходе сжатия, например непосредственно перед вводом топлива, во время этого ввода или вместе с ним, а в случае чрезвычайно высокого давления даже во время процесса сгорания.

Так как дополнительный заряд воздуха в двигателе, изображенном на фиг. 4-7, 9, 9В и 15-20, может быть сжат до чрезвычайно высокого давления, впускной клапан 16-А в других вариантах выполнения заменен на более управляемый и быстродействующий клапан, такой как высокоскоростной клапан с соленоидным управлением (не показан), однако такая замена не ограничена только клапаном такого типа. Этот клапан предпочтительно приводится в действие механическим или электрическим способом, либо путем разрежения и предпочтительно регулируется блоком управления двигателем, как изображено на фиг.7, 9В, 15-20 и 33. В этой системе дополнительный заряд воздуха может выборочно весьма поздно в ходе сжатия поршня 22 вводиться для повышения плотности заряда и вихревой турбулентности, понижения максимальной и общей температур сгорания, а также сокращения выработки загрязняющих выбросов. Ввод воздуха может быть осуществлен тангенциально ориентированным способом. Это значительно увеличивает вихревую турбулентность и предотвращает нежелательные циклические изменения, характерные для известных двигателей и представляющие наибольшие затруднения в двигателях, работающих на газообразном или дизельном топливе.

Применение указанной системы приводит к понижению максимальных давлений и температур в цилиндре. Эффективность возрастает, а предел детонации повышается, обеспечивая таким образом существенное увеличение кпд и среднего эффективного давления в цилиндре при заданном количестве топлива. Все предлагаемые двигатели работают с более полным процессом расширения по сравнению с известными двигателями и таким образом обеспечивают дальнейшие улучшения эффективности и параметров выбросов.

Предлагаемые четырехтактные двигатели (например изображенные на фиг.1, 2, 3, 4, 4В, 5, 7 и 33), как и предлагаемые двухтактные двигатели (например изображенные на фиг. 8-11, 25 и 33), выполнены с возможностью работы со степенью расширения, превышающей степень сжатия. Для достижения этого результата степень расширения устанавливают путем выбора надлежащего объема камеры сгорания, а степень сжатия понижают ниже этой величины путем очень раннего или очень позднего закрытия впускного клапана.

Двигатель 1008, изображенный на фиг.8На фиг. 8 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1008 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом для работы на бензине, дизельном топливе, спирте, природном газе, водороде или смешанной работы на двух видах топлива, имеющий шесть цилиндров 7a-7f (в разрезе показан только один цилиндр 7f), в которых с возможностью возвратно-поступательного движения расположены поршни 22a-22f. Наличие другого цилиндра указано только изображением нижнего конца гильзы цилиндра 7а. На разрезе изображен цилиндр компрессора 1 двойного действия. Поршни 22a-22f присоединены к общему коленчатому валу 20 известным способом посредством шатунов соответственно 19а-19f. Двигатель 1008, изображенный на фиг.8, выполнен с возможностью работы по двухтактному циклу, так что на один оборот коленчатого вала 20 производится шесть рабочих ходов. Для этого компрессор 1 осуществляет забор заряда воздуха, имеющего атмосферное давление (или в другом случае заряда воздуха, предварительно подвергнутого сжатию до повышенного давления посредством впускного регулирующего клапана 6 через впускной трубопровод 102, ведущий от компрессора 2, либо через регулирующий перепускной клапан 6, клапан-заслонку 5 и перепускной трубопровод 104, либо через охладитель 10). Во время работы двигателя 1008 заряд воздуха сжимают в компрессоре 1 посредством связанного с ним поршня 131, а сжатый заряд нагнетают через выпускной патрубок в передающий трубопровод 109 высокого давления, ведущий к перепускному клапану 3, выполненному и расположенному с возможностью пропуска в зависимости от сигналов от блока 27 сжатого воздуха или через охладители 11 и 12, или через перепускной трубопровод 111. Этот блок управляет степенью сжатия, количеством и направлением потока сжатого заряда через охладитель и/или перепускной трубопровод в коллекторы 13 и 14. Коллекторы 13 и 14 выполнены и расположены с возможностью распределения сжатого заряда посредством отводных впускных трубопроводов 15a-15f к впускным клапанам 16 и 16', а также к остальным пяти силовым цилиндрам. В другом случае дополнительный компрессор 2 получает атмосферный воздух через впускное отверстие 8, производит предварительное сжатие заряда воздуха в трубопроводе 101, ведущем к клапану 5, который в соответствии с сигналами от блока 27 направляет сжатый заряд через охладитель 10 или перепускной трубопровод 104 к компрессору 1. Блок 27 может также управлять клапанами 4 и 6 для направления части или всего заряда, проходящего через компрессоры 1 и 2, назад через трубопроводы 120 и 103 для регулирования степени сжатия одного или обоих компрессоров 1 и 2 в пределах от полного сжатия до отсутствия сжатия, таким образом во время работы в режиме низкой нагрузки любой компрессор 1 или 2 может подводить к цилиндрам необходимое количество сжатого воздуха.

Двигатель 1008, изображенный на фиг.8, имеет распределительные валы 21, выполненные с возможностью привода со скоростью вращения коленчатого вала для создания одного рабочего хода поршней за один оборот. Поршневой компрессор имеет по меньшей мере один цилиндр двойного действия, один из которых изображен на фиг. 8 и обозначен номером 1 позиции, и по меньшей мере одну ступень сжатия, причем коленчатый вал 20 обеспечивает осуществление двух рабочих ходов по меньшей мере одного компрессора за один свой оборот, как описано ниже. В другом варианте выполнения привод поршневого компрессора может осуществляться коротким коленчатым валом, приводимым во вращение повышающей ступенчатой передачей, выполненной на основном коленчатом валу и осуществляющей привод передачи меньшего размера, установленной на дополнительном коленчатом валу. Привод дополнительного ротационного компрессора 2 может осуществляться посредством шкива с клиновидной канавкой, приводимого в движение оребренным клиновидным ремнем, и этот компрессор может иметь повышающую ступенчатую передачу, установленную между этим шкивом и приводным валом компрессора. Ротационный компрессор 2 может также иметь привод с переменной скоростью вращения, как в некоторых авиационных двигателях.

Описание работы двигателя 1008, изображенного на фиг.8Зарядный воздух всасывается во впускное отверстие 8 компрессора, откуда он проходит через компрессор 2, где заряд затем всасывается в трубопровод 101 к клапану-заслонке 5, где заряд направляется либо через охладитель 10 или через клапан 6, где часть заряда или весь он может быть направлен назад через компрессор 2, где заряд рециркулирует без сжатия, либо клапан 6 может направить заряд воздуха на впуск компрессора 1, где заряд воздуха нагнетается из выпускного патрубка компрессора 1, ведущего к клапану-заслонке 3, где заряд направляется либо через охладители 11 и 12, либо через воздушный перепускной клапан 4, или его часть направляется и через охладители, и через клапан 4, ведущие к коллекторам 13 и 14, распределяющим зарядный воздух к впускным клапанам 16, а также к впускному клапану каждого цилиндра 7 двигателя 1008. (Клапан 4 может направлять весь заряд воздуха или его часть к коллекторам 13 и 14 или может осуществлять его полную или частичную рециркуляцию через трубопровод 120 назад к трубопроводу 106 и на впуск компрессора 1. ) Блок 27 управляет клапанами 3, 4, 5 и 6 для регулирования давления, температуры и плотности заряда, подаваемого в камеры 130 сгорания двигателя. Этот же блок 27 может управлять системой управления регулируемых клапанов для регулирования времени открытия и закрытия впускных клапанов 16 и выпускных клапанов 17 силовых цилиндров в соответствии с углом поворота вала 20 для регулирования степени сжатия и плотности заряда в двигателе для его оптимальной работы по следующим параметрам: мощность, крутящий момент, экономия топлива и параметры применяемого топлива.

Работа силового цилиндра 7 происходит следующим образом:Вариант 1Вблизи конца рабочего хода в цилиндре 7 выпускной клапан (клапаны) 17, 17' открывается (открываются), и при открытом выпускном клапане поршень 22 начинает ход выпуска (второй такт). Во время хода выпуска, возможно при нахождении поршня на 60o-70o раньше верхней мертвой точки, клапаны 17, 17' закрываются. При нахождении поршня в точке закрытия клапанов 17, 17' устанавливается степень сжатия, впускные клапаны 16, 16' открываются при нахождении поршня в этой точке или позже в ходе сжатия, сжатый воздух и/или заряд топливно-воздушной смеси нагнетается в камеру 130 сгорания цилиндра 7, клапаны 16, 16' закрываются, возможно, при нахождении поршня за 60o до верхней мертвой точки, с вихревой турбулентностью, сопровождающей нагнетание воздуха высокого давления, поршень 22 продолжает движение к концу своего хода, сжимая таким образом заряд, создавая весьма низкую степень сжатия, доходящую до 2:1. Если топливо еще отсутствует в виде смеси, его водят в подводимый воздушный поток или в предкамеру, или непосредственно в камеру сгорания после закрытия впускного клапана. Для послойного процесса сгорания заряда топливо может быть введено в середину вихря заряда, или при необходимости воспламенения дизельного топлива оно может быть введено на запальную свечу. Топливно-воздушная смесь воспламеняется от сжатия или от искры, причем последняя имеет место в надлежащее время для наибольшей эффективности и/или мощности. В общем случае ввод и воспламенение топлива происходят до верхней мертвой точки поршня. Тем не менее, ввод топлива может быть выполнен и позже, а возможно и непрерывно, во время начальной части хода расширения для осуществления процесса сгорания при постоянном в целом давлении и в особенности при применении дизельного топлива. Воспламенение топливно-воздушной смеси происходит предпочтительно до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, а сжигаемый заряд расширяется с воздействием на поршень по мере его перемещения к нижней мертвой точке. При нахождении поршня в нижней мертвой точке открывают выпускной клапан (выпускные клапаны) и продувают выхлопную смесь путем принудительного перемещения поршня 22 во время продувочного хода. Если открытие впускных клапанов 16, 16' происходит раньше, то для продувки может потребоваться некоторое их перекрытие выпускным клапаном. При позднем открытии впускных клапанов 16, 16' перекрытие клапанов не потребуется, и закрытие клапана (клапанов) 17, 17' происходит приблизительно в то же время, что и открытие впускных клапанов 16, 16'. Степень расширения двигателя может составлять приблизительно 19:1 при использовании дизельного топлива и 14:1 при использовании газообразного топлива или бензина, причем эту степень расширения задают путем деления рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания.

Вариант 2Вблизи конца рабочего хода в цилиндре 7 клапан (клапаны) 17, 17' открывается (открываются), и при открытом клапане 17 начинается продувочно-впускной ход (второй такт). При нахождении поршня в точке, расположенной примерно посредине хода (например, отстоящей примерно на 90o от верхней мертвой точки), при открытом клапане 17, 17' происходит открытие впускного клапана с небольшим перекрытием клапанов для впуска имеющего высокое давление продувочного и зарядного воздуха. По меньшей мере в одном клапане 16 может быть выполнена выемка, например, как в элементе, обозначенном номером 30 позиции на фиг. 11, для направления первого впускного воздуха вниз и вдоль стенок цилиндра 7 для петлевой продувки цилиндра во время очень малого перекрытия клапанов 16, 16' и 17, 17'. Клапаны 17, 17' остаются открытыми до достижения поршнем точки, в которой начинается сжатие, затем при своем закрытии они получают заряд воздуха, вскоре после этого закрываются клапаны 16, 16', при этом цилиндр достаточно продут и заряжен теперь свежим воздухом, имеющим отрегулированную температуру и высокое давление. Поршень 22 продолжает свой ход для сжатия заряда, создавая низкую степень сжатия, в идеальном случае составляющую от 13:1 до 4:1, в зависимости от вида применяемого топлива. Степень сжатия устанавливают точкой в ходе поршня 22, в которой происходит закрытие клапана (клапанов) 17, 17', и рассчитывают путем деления остающегося рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания.

При продолжении подъема поршня 22 от точки x, в которой закрытие выпускного клапана установило степень сжатия и где начинается сжатие заряда, начинается подъем давления. Плотный, охлажденный заряд воздуха при коротком ходе сжатия создает низкую степень сжатия с очень тяжелым зарядом, с низким максимальным давлением в цилиндре, но с высоким средним эффективным давлением в цилиндре для получения большого крутящего момента и большой мощности.

Коэффициент давления будет задан плотностью, давлением и температурой поступающего заряда, длительностью открытия впускных клапанов 16, 16' и точкой закрытия выпускных клапанов 17, 17'. Чем позже происходит закрытие выпускных клапанов 17, 17', тем меньше расширяется зарядный воздух после его нагнетания в цилиндр 7, тем меньше работа, требуемая на сжатие заряда, тем меньшее перекрытие впускного и выпускного клапана требуется и тем ниже степень сжатия.

При нахождении поршня в некоторой точке, возможно отстоящей на 150-120o от верхней мертвой точки, цилиндр 7 будет достаточно продут, и выпускной клапан 17, 17' может быть закрыт до момента открытия впускных клапанов 16, 16' для впуска в этом случае всего заряда воздуха, но не позже этого момента, причем выхлопные газы в основном удалены путем продувки. (В некоторых случаях некоторое количество остающихся выхлопных газов является полезным, а точка, в которой впускной и выпускной клапаны могут быть закрыты без перекрытия, будет установлена экспериментально.) В этом случае "эффективная" степень сжатия может быть понижена до 3:1 или даже 2:1 с созданием к тому же низких максимальных давления и температуры в цилиндре, но при высоком среднем эффективном давлении. Топливо может вводиться рано, например при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана, и в момент примерно за 150o-120o до конца хода сжатия. Воспламенение топливно-воздушной смеси происходит до верхней мертвой точки, в ней или за ней, затем происходит ход расширения (второй такт). Степень расширения задана рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания, и она может составлять приблизительно 19:1 при использовании дизельного топлива и 14:1 для бензина или газообразного топлива.

Блок 27 может управлять температурой и плотностью заряда, подаваемого в цилиндр 7 или камеру 130, а также синхронизацией впуска в камеру сгорания, и таким образом может регулировать плотность, турбулентность, температуру и давление заряда, обеспечивая средства ограничения максимальных температур и давлений, при более высоком, чем в известных двигателях, среднем эффективном давлении, когда это требуется, а также обеспечивая более низкий уровень нежелательных загрязняющих выбросов.

Предложенная система работы в режиме низкой нагрузки, обладающая топливной экономичностью, как показано в строке В(bp) на фиг.13, включает следующее. Может быть выбрана номинальная степень сжатия, составляющая 13:1, и степень расширения, составляющая 19:1. Величина последней устанавливает объем камеры сгорания, а первая устанавливает максимальное давление заряда (но не максимальное давление в цилиндре) приблизительно равным 530 фунтов/дюйм2 (3,66 МПа) при адиабатическом сжатии. Блок 27 выдает сигнал клапанам 5 и клапану 6 на рециркуляцию воздуха, нагнетаемого через компрессор 2, назад через компрессор 2 без его сжатия или для любого типа компрессора, на открытие запорного клапана для отходящих газов с направлением воздуха в обход компрессора. Клапан 5 направляет заряд в обход охладителя 10 на впуск компрессора 1. Компрессор 1 осуществляет адиабатическое сжатие заряда со степенью сжатия, составляющей приблизительно 7:1. Блок 27 отслеживает, происходит ли обход охладителей 11 и 12, и вводит заряд в коллекторы 13 и 14, при этом заряд сохраняет температуру, полученную при сжатии. Если закрытие выпускных клапанов 17, 17' и открытие впускных клапанов 16, 16' цилиндра 7 происходит в непосредственной близости от конца хода сжатия поршня 22, то эффективная степень сжатия может быть понижена до 2:1, создавая "номинальную" степень сжатия, составляющую 14:1. (Если закрытие выпускных клапанов 17, 17' и открытие впускных клапанов 16, 16' происходит несколько раньше в ходе выхлопа, давление нагнетаемого зарядного воздуха будет ниже, а "эффективная" степень сжатия, обуславливающая выделение тепла при внутрицилиндровом сжатии, будет больше. Если открытие впускных клапанов 16, 16' происходит в середине хода, после закрытия выпускных клапанов 17, 17', а требуемая номинальная степень сжатия составляет 13:1 с эффективной степенью сжатия, равной 4:1, то заряд, поступивший в середине хода в цилиндр, будет сжат со степенью, равной 4:1.) Затем происходит сжатие неохлажденного заряда в цилиндре с эффективной степенью сжатия, равной 4:1, и, в любом случае, с давлением, составляющим приблизительно 530 фунтов/дюйм2 (3,66 МПа), и температурой, равной 900oF (482oС). Затем происходит воспламенение топливно-воздушного заряда и его расширение с воздействием на поршень до полного объема силового цилиндра со степенью расширения, равной 19:1.

При возникновении потребности в большой мощности блок 27 может подать управляющий сигнал на закрытие клапанов 4 и 6. Затем компрессор 2 начинает сжимать воздушный заряд до несколько повышенного давления, в это же время блок 27 откроет клапаны 3 и 5 с направлением зарядного воздуха через охладители 10, 11 и 12. Вследствие того что зарядный воздух охлажден, может быть даже до 150o-200oF (66o-93oC), в двигатель, в зону наддува, нагнетается большее количество воздуха посредством дополнительной ступени 2 сжатия для предотвращения существенного падения давления зарядного воздуха вследствие его охлаждения перед сгоранием. При этом заряд воздуха в камере сгорания сжат со степенью сжатия, равной 2:1 (строка B(ic) на фиг.13), и его давление удерживается вблизи расчетного, в данном случае составляющего приблизительно 500-530 фунтов/дюйм2 (3,45-3,66 МПа), и охлажден для существенного повышения плотности заряда, крутящего момента и мощности двигателя. Менее горячий заряд воздуха обеспечивает пониженные максимальные температуру и давление и в сочетании с большой турбулентностью служит причиной образования пониженного количества несгоревших углеводородов, окислов азота NOx и других загрязняющих выбросов, а наличие в выхлопе дыма и частиц практически устранено даже при весьма богатой топливно-воздушной смеси. Затем происходит воспламенение топливно-воздушного заряда и его расширение до полного объема цилиндра со степенью расширения, равной 19:1, тогда как эффективная степень сжатия составляет только 2:1 (см. строку B(ic) на фиг.13).

При любом алгоритме работы в предложенном двигателе может быть осуществлен наддув, обеспечивающий более высокий уровень мощности, чем тот, что развивают известные двигатели, поскольку в большинстве случаев впускной клапан закрыт во время заполнения камеры сгорания, а заряд менее нагретого воздуха препятствует детонации и снижает загрязняющие выбросы. В большинстве случаев время пребывания топлива также меньше времени, необходимого для возникновения условий, предшествующих детонации.

При необходимости в небольшой мощности, как например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме небольшой нагрузки, работа двигателя может быть снова переведена на режим небольшой нагрузки, например одна ступень сжатия может быть выведена из работы, а заряд воздуха направлен в обход первого охладителя 10, при этом рециркуляция заряда воздуха обеспечивается клапанами 5 и 6. Клапан-задвижка 3 и воздушный перепускной клапан 4 могут направлять весь заряд от компрессора 1, минуя охладители 11 и 12, с сохранением выделившегося при сжатии тепла, в коллекторы 13 и 14 и к цилиндру для режима работы с меньшей плотностью и с улучшенной экономией топлива.

На фиг.8 показан вид головки блока цилиндров двигателя, изображенного на фиг.8-11 и 25, на котором показаны дополнительные впускные клапаны, уравновешенные давлением, охлаждение которых обеспечивается посредством трубопроводов вместе с впускным трубопроводом 29 и выпускным трубопроводом 29', возвратными клапанами (не показаны), обеспечивающими возможность расширениям 28 на стержнях клапана при их возвратно-поступательном движении вместе с впускными клапанами 16 нагнетать охлаждающее и смазывающее масло или воздушно-масляную смесь через зазоры, расположенные выше расширений стержня клапана.

Уравновешенные давлением впускные клапаны 16, 16', изображенные на фиг. 8, 11 и 25, а также клапаны 16-А, изображенные на фиг.9 и 10, предусмотрены для быстрого закрытия впускного клапана и обеспечивают возможность выполнения больших не ограничивающих впускных клапанов, меньших, чем нормальные возвратные пружины клапана. (Когда впускной клапан открыт, почти сразу же устанавливается равенство давлений под головкой клапана в камере сгорания и над головкой клапана в подводящем питателе, затем давление в подводящем питателе, воздействуя на поршнеобразные устройства на стержне клапана, проявляет тенденцию, направленную на перемещение стержня клапана по наклону профиля кулачка для быстрого закрытия клапана. В предлагаемых двигателях может быть также применен новый приводимый в действие давлением впускной клапан "Magnavox", имеющий характеристики срабатывания, близкие к прямоугольной.

Работа впускного клапана, уравновешенного давлением, происходит следующим образом.

Впускные клапаны, уравновешенные давлением, имеют расширения 28 на стержнях клапана, нижние поверхности которых открыты для воздействия газов в трубопроводе 15А. Когда стержень клапана прижат кулачком 21 и клапан (клапаны) 16 открыт (открыты), как показано на фиг.8-11 и 25, любое давление в трубопроводе 15-А уравновешено давлением в камере сгорания, и в это время единственной силой реакции является сила, создаваемая давлением в трубопроводе 15-А, воздействующая на нижнюю сторону расширений 28 стержней клапана, вызывая быстрое закрытие клапана. Обратные клапаны (не показаны) во впускном и выпускном каналах 29 и 29' предусмотрены предпочтительно для впуска масла или масляно-воздушной смеси через зазоры над расширениями 28 или в другом случае через расширения 28 стержня клапана. Впуск масла может осуществляться в нижней точке головки цилиндров, где происходит сбор масла с подачей его в охлаждающую систему. В другом варианте выполнения линия 29 впуска масла может быть соединена с линией подвода масла или масляно-воздушной смеси. Впускной трубопровод 29 и выпускной трубопровод 29', проходящий от охлаждающей системы, снабжены обратными клапанами, а выпускной трубопровод 29' может быть расположен выше впускного трубопровода 29 либо может быть присоединен к линии слива масла, ведущей в масляный резервуар двигателя. Расширения 28 могут также иметь проходящий сквозь них канал, на каждом конце которого имеется по обратному клапану. Ввиду того что выпускные клапаны всегда трудно охлаждать, такая система может обеспечить достаточное охлаждение выпускных клапанов, даже если в выпускном трубопроводе отсутствует большое давление. Эта система может быть применена в выпускных клапанах 17, от которых начинаются выпускные окна 18, или в выпускных клапанах любых двигателей для обеспечения долгого срока эксплуатации выпускных клапанов и их седел.

В больших двигателях ведущие от насосов линии, описанные здесь, могут быть преобразованы в более крупные линии, а обеспечиваемое ими нагнетание масла в описываемом двигателе может заменить обычные масляные насосы.

Двигатель 1009, изображенный на фиг.9На фиг. 9 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1008 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, который имеет один впускной трубопровод для атмосферного воздуха и в котором все цилиндры 7a-7f (в разрезе показан только один цилиндр 7f) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по двухтактному циклу, причем все силовые цилиндры используются так, что они производят шесть рабочих ходов за один оборот коленчатого вала 20 для выработки мощности и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Основой компрессор 1, изображенный на данном чертеже в виде поршневого компрессора двойного действия, совместно с воздушными трубопроводами подает сжатый воздух по меньшей мере к одному впускному клапану 16-А и 16-В (к последнему из них только в случае подвода основного заряда к клапану 16-В через трубопровод 15). Дополнительный компрессор 2 конструкции Lysholm'a изображен подключенным последовательно с компрессором 1. Впуск 8 для воздуха и соединенные с ним компрессоры 1 и/или 2 совместно с впускными трубопроводами и коллекторами 13 и 14 подводят зарядный воздух, сжатый до давления, несколько превышающего атмосферное, к впускному воздушному питателю 15-А и впускному клапану 16-А цилиндра 7. Второй трубопровод 32 направляет заряд воздуха от трубопровода 110 через дополнительный запорный клапан 33 к впускному клапану 16-В с подводом воздуха низкого давления к этому же цилиндру. В другом случае второй трубопровод 15-В, идущий от трубопровода 15-А, может быть оснащен регулирующим клапаном 25 (оба изображены на чертеже штрих-пунктирными линиями) и может направлять заряд воздуха, имеющий пониженное давление, к впускному клапану 16-В. Промежуточные охладители 10, 11 и 12 и регулирующие клапаны 3, 4, 5 и 6 применяются для содействия регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.

Двигатель, изображенный на фиг.9, 11 и 25, имеет распределительный вал 21 с кулачками и установлен с возможностью вращения со скоростью коленчатого вала двигателя для создания одного рабочего хода для каждого силового поршня на каждый оборот коленчатого вала.

Двигатель 1009, изображенный на фиг.9, характеризуется более завершенным процессом расширения и пониженной степенью сжатия, чем это характерно для известных двигателей, и может создавать заряд топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД) и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, создают систему регулирования давления, плотности и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенной мощности и повышенного крутящего момента при всех скоростях вращения двигателя в сочетании с низкими загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения система изменения синхронизации клапанов совместно с БУД 27 может также регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16-А или 16-В или их обоих с дальнейшим обеспечением усовершенствованного управления параметрами в камере сгорания для получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности, сопровождаемых низкими уровнями расхода топлива и загрязняющих выбросов.

Краткое описание работы двигателя 1009, изображенного на фиг.9Работающий по новому циклу двигатель 1009, изображенный на фиг.9, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и более высоким крутящим моментом, а также низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами.

Новый цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В этом цикле часть всасываемого воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором. Подъем температуры в конце сжатия может быть снижен путем применения охладителей воздуха, охлаждающих сжатый воздух, а также более коротким ходом сжатия.

Во время работы двигателя воздух, давление которого повышено, возможно на одну треть атмосферы или одну атмосферу (0,033-0,1 МПа) или более, через впускной воздушный трубопровод 32, ведущий от дополнительного компрессора 2, подают к клапану 16-В силового цилиндра 7, или воздух по трубопроводу 15-В через регулирующий клапан 25 поступает к этому клапану 16-В. Второй воздушный трубопровод 15-А выборочно подает под высоким давлением зарядный воздух ко второму впускному клапану 16-А, ведущему в тот же цилиндр 7. (В этом варианте выполнения впускной клапан 16-В впускает воздух низкого давления после того, как при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в рабочем ходе открываются выпускные клапаны 17 и происходит сброс выхлопных газов.) Сброс выхлопных газов происходит после открытия клапана (клапанов) 17, затем происходит быстрое открытие и закрытие впускного клапана 16-В для впуска продувочного воздуха низкого давления. Дальнейшую продувку цилиндра 7 выполняют путем петлевой продувки, когда поршень 22 начинает свой ход сжатия. Впускной клапан 16-В при этом закрыт, и поршень 22 поднимается в ходе сжатия до точки, где начинается сжатие, причем при нахождении поршня в этой точке происходит закрытие выпускного клапана 17, герметизирующее цилиндр 7 и устанавливающее степень сжатия. Сжатие продолжается, и при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки, в надлежащей точке, при наличии в заряде топлива, происходит воспламенение заряда искрой или воспламенение от сжатия, и осуществляется рабочий ход.

Для повышения плотности заряда при возникновении потребности в повышенной мощности в силовой цилиндр из трубопровода 15-А посредством быстро закрывающегося впускного клапана 16-А, подводящего заряд воздуха высокого давления, может быть подан дополнительный заряд воздуха либо в момент закрытия выпускных клапанов 17 во время хода сжатия, либо после него. В другом случае основной заряд воздуха может быть сжат до более высокого давления путем регулирования воздушного перепускного клапана 6 для направления большего количества воздуха через компрессор 2 путем повышения скорости вращения компрессора 2 или путем изменения настройки регулирующего клапана 25 на трубопроводе 15-В, который в другом случае подает основной заряд воздуха низкого давления к впускному клапану 16-В. Температуру, давление, количество и точку, в которой происходит нагнетание дополнительного заряда, если такое нагнетание имеет место, регулируют для получения требуемых результатов.

Для работы с низкой нагрузкой блокиратор 31 впускного клапана (известно несколько видов блокираторов, например, производимых компаниями Eaton Corp. и Cadillac) может блокировать впускной клапан 16-А, когда условия работы не требуют высокого среднего эффективного давления в цилиндре. В другом случае в то время как воздух низкого давления к впускному клапану 16-В подается трубопроводом 15-В, клапан 6 может быть открыт для рециркуляции некоторого количества зарядного воздуха назад через компрессор 2 для освобождения компрессора от работы сжатия при низкой нагрузке. Кроме того, предпочтительно, для понижения давления и плотности дополнительного заряда, поступающего через впускной клапан 16-А, воздушный перепускной клапан 4 может осуществлять рециркуляцию всего воздуха, нагнетаемого компрессором 1, или его части назад на впуск компрессора 1.

Один предлагаемый, предпочтительный способ работы двигателя 1009, работающего по новому циклу, включает следующее:1. Поступающий воздух под давлением, превышающим атмосферное, который был сжат по меньшей мере одним компрессором 2 и температура которого отрегулирована посредством перепускных систем или охладителем 10, подают в цилиндр 7 через впускной клапан 16-В, открываемый посредством небольшого выступа на кулачке 21-В при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки, в конце рабочего хода (возможно, в самой нижней мертвой точке) после того, как для сброса выхлопных газов несколько ранее открылся (открылись) выпускной клапан (выпускные клапаны) 17, 17', например при нахождении поршня за 40o до нижней мертвой точки. Для дальнейшей продувки цилиндра 7 выпускные клапаны остаются открытыми и после прохождения поршнем нижней мертвой точки. Впускной клапан 16-В закрывается при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки.

2. Для дальнейшей продувки цилиндра свежим зарядом воздуха в текущий момент и далее, а также для установления низкой степени сжатия двигателя, после завершения рабочего хода и заполнения цилиндра 7 свежим зарядом клапан (клапаны) 17 остается (остаются) открытым (открытыми) на некоторое время после прохождения поршнем нижней мертвой точки (при этом впускной клапан 16-В закрыт), причем степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана 17, поделенным на объем камеры сгорания.

3. Теперь, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, продолжается ход сжатия (второй такт), при нахождении поршня в определенной точке происходит закрытие выпускного клапана 17, и начинается сжатие с низкой степенью сжатия. Это обеспечивает возможность снижения подъема температуры во время хода сжатия. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, при нахождении поршня в надлежащей точке вблизи верхней мертвой точки происходит воспламенение заряда, и осуществляется рабочий ход.

4. (а) В другом случае, при возникновении потребности в повышенной мощности дополнительный сжатый заряд воздуха с отрегулированной температурой нагнетают в цилиндр 7 посредством впускного клапана 16-А, открывающегося и быстро закрывающегося во время хода сжатия при нахождении поршня в точке, в которой закрывается выпускной клапан или несколько позже в этом ходе, с созданием более плотного заряда для обеспечения требуемого крутящего момента и требуемой мощности двигателя.

(b) При возникновении потребности в еще более высокой мощности плотность и вес дополнительного заряда воздуха могут быть повышены путем пропускания этого заряда по меньшей мере через один промежуточный охладитель 10, 11 и 12, а также путем увеличения скорости вращения компрессора или подключения другой ступени дополнительного сжатия, или пропусканием повышенного количества зарядного воздуха через работающие компрессоры.

5. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки выпускные клапаны 17, 17' открываются, и цилиндр эффективно продувается путем сброса выхлопных газов, а также воздухом, нагнетаемым основным впускным клапаном 16-В.

Подробное описание работы двигателя 1009, изображенного на фиг.9При нахождении поршня 22 вблизи конца рабочего хода (первого такта), возможно за 40o до нижней мертвой точки положения поршня, открываются выпускные клапаны 17 для сброса выхлопных газов, вскоре после того как воздух низкого давления протечет через трубопровод 32 от трубопровода 106, через дополнительный запорный клапан 33 и компрессор 2 или в другом варианте через трубопровод 15-В, питаемый клапаном 25, регулирующим давление, из линии 15-А сжатого воздуха (как показано на фиг.9 и 10), через впускной клапан 16-В в цилиндр 7. Впускной клапан 16-В закрывается вскоре после прохождения поршнем нижней мертвой точки или, возможно, именно при нахождении поршня в нижней мертвой точке. Выпускные клапаны 17 остаются открытыми во время первой части хода сжатия (второго такта) поршня 22. В это время цилиндр 7 эффективно продувается путем сброса выхлопных газов, а также путем петлевой продувки при нахождении поршня в любой точке во время хода сжатия, и когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, выпускные клапаны 17, 17' могут закрыться. Но если требуется низкая степень сжатия, выпускные клапаны 17, 17' могут удерживаться открытыми до достижения поршнем точки, требуемой для установления определенной степени сжатия. В момент закрытия выпускных клапанов 17 и 17' или несколько позже дополнительный заряд воздуха высокого давления, имеющий отрегулированную температуру и сжатый компрессором (компрессорами), может подаваться впускным клапаном 16-А в тот же цилиндр, после чего впускной клапан 16-А закрывается. Кроме того, при возникновении потребности в очень большом крутящем моменте и большей мощности плотность дополнительного зарядного воздуха может быть значительно увеличена путем подключения компрессора 2 или путем увеличения скорости вращения этого компрессора 2, если он уже работает, как показано на фиг.9, направляя большее количество воздуха через компрессоры 1 и/или 2 клапанами 4 и/или 6, а также частичным или полным пропусканием заряда через охладители 10, 11 и 12.

В этой системе независимо от точки закрытия выпускных клапанов для установления степени сжатия основной заряд свежего воздуха, находящийся в замкнутом объеме цилиндра 7, будет легче по весу, чем нормальный заряд, а степень сжатия будет ниже нормальной, таким образом при необходимости сильно сжатый заряд воздуха отрегулированной температуры может подаваться в момент закрытия выпускного клапана или несколько позже в этом ходе для обеспечения заряда, более тяжелого, чем нормальный, подъем температуры которого сдержан охлажденным зарядом и коротким ходом сжатия. При сгорании это создает среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем нормальное, с получением большого крутящего момента и большой мощности, однако со степенью расширения, все еще превышающей степень сжатия.

При работе с низкой нагрузкой запорный клапан 33 или блокиратор 31 клапана (изображен штрих-пунктирной линией) на впускном клапане высокого давления могут временно задерживать поступающий воздух либо удерживать клапан 16-А закрытым. Это способствует повышению экономии топлива в двигателе. В другом случае, если компрессор 2 не подает воздух к трубопроводу 32 и впускному клапану 16-В, во время работы в режиме низкой нагрузки клапан-заслонка 5 может быть закрыт, а клапан 6 может быть открыт, так что нагнетаемый компрессором 2 воздух будет частично или полностью возвращен к впускному трубопроводу компрессора 2 с осуществлением небольшого его сжатия или совсем без сжатия.

Для предотвращения любого обратного тока зарядного воздуха в трубопровод 15-А, если давление цилиндра 7 приблизится к давлению в трубопроводе 15-А или превысит его во время хода сжатия поршня 22 до закрытия впускного клапана 16-А, может быть установлен дополнительный автоматический впускной клапан 26, как показано на фиг.10.

В другом случае дополнительный автоматический клапан 26, изображенный на фиг. 10, может быть использован для получения постоянного или переменного коэффициента давления в цилиндре 7. В этом случае клапан 16-А будет удерживаться открытым вплоть до достижения поршнем верхней мертвой точки, а время закрытия клапана 26 будет регулироваться перепадом давления в цилиндре 7, регулируемыми клапанами 3, 4, 5 и 6, с помощью производительности компрессора(ов) и посредством любого присутствующего дроссельного клапана. Автоматический клапан 26 может быть выполнен в виде подпружиненного диска, выполненного из металла или керамических материалов.

Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.15-17, 19 и 20, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру (аналогичную той, что изображена на фиг.21), или через впускной клапан 16-А, или непосредственно в камеру сгорания при нахождении поршня в точке x во время хода выпуска-сжатия, в момент прохождения поршнем 22 точки x в ходе сжатия или несколько позже. Топливо может быть также введено позже, а в случае работы с воспламенением от сжатия может быть введено в точке, обычной для ввода дизельного топлива, возможно в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, возможно способом, изображенным на фиг. 21, или непосредственно на запальную свечу. После ввода заряда воздуха, имеющего отрегулированную температуру и плотность, если такое нагнетание применяется, продолжается сжатие заряда и при наличии топлива заряд воспламеняется в надлежащее время для осуществления хода расширения. (Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся после достижения поршнем точки x, поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения определяют путем деления полного рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания.)После этого происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, и осуществляется рабочий ход (второй такт) поршня 22 при расширении выхлопных газов. Вблизи нижней мертвой точки рабочего хода клапан (клапаны) 17, 17' открывается (открываются), и цилиндр 7 эффективно продувается сбросом выхлопных газов и путем петлевой продувки в конце рабочего хода и в основном во время изменения направления движения поршня 22.

Понятно, что чем позже в ходе сжатия достигается точка x (чем позже закрывается выпускной клапан), тем ниже степень сжатия двигателя и меньше нагревается заряд во время сжатия.

Понятно также, что чем позже происходит впуск заряда, отрегулированного по температуре и плотности, тем меньшая работа двигателя требуется для сжатия заряда, причем последнюю часть заряда несколько сжимают ранее компрессором 1 и/или дополнительным компрессором 2. В некоторых случаях, когда нагрузка низка и важна экономия топлива, дополнительный заряд воздуха может быть пущен в обход дополнительного компрессора, возможно с временным прекращением его подачи, а полный вес заряда может быть меньше заряда известного двигателя, что вместе с увеличенной степень расширения обеспечивает еще более хорошую экономию топлива.

Во время работы указанного двухтактного двигателя, изображенного на фиг. 9 и 9В, в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, подача дополнительного заряда воздуха может быть исключена путем временного блокирования впускного клапана 16-А высокого давления (известно несколько видов систем, блокирующих клапан, выпускаемых, например, компаниями Eaton, Cadillac и др.), или же подход воздуха к впускному клапану 16-А может быть перекрыт, и двигатель будет по прежнему обеспечивать повышенную экономию топлива и повышенную мощность, тогда как заряд воздуха подается компрессором 1 или 2 через трубопроводы 15-А, 110, 32 и впускной клапан 16-В.

Двигатель 1009-В, изображенный на фиг.9ВНа фиг. 9-В схематично показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1009-В внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, который в основном идентичен двигателю 1009, изображенному на фиг.9. Параметры, работа и конструкция двигателя 1009-В, изображенного на фиг.9-В, по существу аналогичны указанным параметрам двигателя 1009, изображенного на фиг.9, и в описании не повторяются за исключением выделения специфических пунктов отличия. В описании даны ссылки на ранее представленные разделы, относящиеся к параметрам, конструкции и работе (в кратком и подробном изложении) двигателя 1009, изображенного на фиг.9.

Основным отличием двигателей 1009 и 1009-В является то, что двигатель 1009-В представляет вариант выполнения двигателя 1009, в котором компрессоры 1, 2 являются компрессорами различных типов. То есть в двигателе 1009-В основной компрессор 1 изображен в виде ротационного компрессора Lysholm'a (в противоположность поршневому компрессору двигателя 1009), а дополнительный компрессор 2 является турбокомпрессором (в противоположность компрессору Lysholm'a двигателя 1009). Несмотря на то что трубопровод 32 от трубопровода 110 (обозначенного номером 106 позиции на фиг.9) и дополнительного запорного клапана 33 изображен ведущим к впускным клапанам 16-В только двух цилиндров двигателя, понятно, что другие впускные питатели (не показаны) подают воздух от трубопровода 110 к остальным впускным клапанам 16-В двигателя или что трубопровод 32 ведет к "воздушной камере" или к коллекторам, подводящим воздух ко всем впускным клапанам 16-В.

На фиг. 10 изображен такой же двигатель и такая же функциональная система, какие описаны применительно к двигателям, показанным на фиг.9 и 9В, однако этот двигатель имеет дополнительную особенность, заключающуюся в том, что дополнительный впускной клапан 16-А имеет вспомогательный клапан 26, автоматически предотвращающий обратный ток зарядного воздуха из цилиндра 7. Эта особенность предотвращает возникновение любого обратного тока во время хода сжатия предлагаемого двигателя, если давление в цилиндре приблизится к давлению в трубопроводе 15-А или превысит его до того, как впускной клапан 16-А будет полностью закрыт. (Этот дополнительный автоматический клапан 26 может быть выполнен в виде клапана с подпружиненным диском или в виде любого одноходового клапана.) Автоматический клапан на этом месте может применяться для регулирования коэффициента давления в цилиндре 7 во время сжатия заряда. В этом случае впускной клапан 16-А может удерживаться открытым вплоть до достижения поршнем верхней мертвой точки, при этом клапан 26 автоматически закрывает впуск за клапаном 16-А во время сжатия, воспламенения заряда и рабочего хода. Кроме того, применение автоматического клапана 26 дает возможность регулирования коэффициента давления двигателя путем простого регулирования давления в трубопроводе 15-А с удержанием впускного клапана 16-А в открытом состоянии вплоть до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки. Дополнительный клапан 26 при его наличии также придает заряду топливной смеси тангенциально ориентированную вихревую турбулентность, так как этот клапан экранирует впускной клапан 16-А.

Двигатель 10011, изображенный на фиг.11На фиг.11 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 10011 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом с одним впуском для атмосферного воздуха, причем в этом двигателе все цилиндры 7a-7f (только один (7f) из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по двухтактному циклу, а все силовые цилиндры используются для выработки энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19а-19f. Основной компрессор 1, изображенный на чертеже в виде поршневого компрессора двойного действия, совместно с воздушными трубопроводами, как показано на чертеже, подводит сжатый воздух по меньшей мере к одному впускному клапану 16а и 16b цилиндра. Дополнительный компрессор 2 типа Lysholm'a установлен последовательно с компрессором 1. Воздушный впуск 8 и связанные с ним впускной трубопровод и коллекторы 13 и 14 подводят заряд воздуха, сжатый до давления, превышающего атмосферное, к впускному трубопроводу 15 цилиндра, подающему зарядный воздух к двум работающим независимо друг от друга, но открывающимся в один цилиндр, впускным клапанам 16а и 16b. Для содействия регулированию плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха используются промежуточные охладители 10, 11 и 12 и регулирующие клапаны 3, 4, 5 и 6. Работа впускных клапанов синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.

Двигатель 100, изображенный на фиг. 8, 9, 10 и 11, имеет распределительные валы 21 с кулачками, установленные с возможностью вращения со скоростью вращения коленчатого вала двигателя для обеспечения одного рабочего хода каждого поршня на каждый оборот коленчатого вала.

Двигатель 10011, изображенный на фиг.11, характеризуется более продолжительным процессом расширения, низкой степенью сжатия и способен создавать заряд топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем это имеет место в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет также более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, образуют систему регулирования давления, плотности и температуры заряда, а также среднее и максимальное давление внутри цилиндра с обеспечением повышенной экономии топлива, выработки повышенной мощности и повышенного крутящего момента при всех скоростях вращения, а также при низких загрязняющих выбросах как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения система изменения синхронизации клапанов совместно с БУД 27 может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16а и 16b или их обоих для дальнейшего обеспечения усовершенствования управления параметрами в камере сгорания с обеспечением возможности получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких уровнях расхода топлива и загрязняющих выбросов.

Краткое описание работы двигателя 10011, изображенного на фиг.11Работающий по новому циклу двигатель 10011, изображенный на фиг.11, является высокоэффективным двигателем, развивающим высокую мощность и высокий крутящий момент при низком потреблении топлива и низких загрязняющих выбросах.

Новый цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В этом цикле часть поступающего воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) сжимают дополнительным компрессором. Подъем температуры в конце сжатия может быть снижен с применением охладителей воздуха, охлаждающих поступающий воздух, а также более коротким ходом сжатия.

Во время работы воздух к цилиндру 7 подают под давлением, которое повышено, возможно, на величину, составляющую от 0,33 атмосферы (0,033 МПа) до нескольких атмосфер или более, через впускной воздушный трубопровод 15. Клапан 16b открывается давлением, прикладываемым к верхней части стержня клапана весьма малым выступом на кулачке 21-А, на короткий период времени при нахождении поршня 22 вблизи нижней мертвой точки для продувки цилиндра и поступления свежего зарядного воздуха. Выпускные клапаны 17, 17' открываются для выпуска выхлопных газов немного раньше открытия впускного клапана 16b для впуска продувочного воздуха. Цилиндр 7 эффективно продувается в основном во время изменения поршнем 22 направления движения. Во время первой части хода сжатия, возможно через 10-20o после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки, первый впускной клапан 16b закрывается, несколько позже закрываются выпускные клапаны 17, 17', причем при нахождении поршня в точке их закрытия, задающей степень сжатия двигателя, начинается сжатие заряда свежего воздуха. При нахождении поршня в точке закрытия выпускных клапанов 17, 17' или в любой точке после этого предпочтительно открывается второй впускной клапан 16а и, возможно, клапан 16b посредством второго выступа 21-С для поступления, если это необходимо, дополнительного количества заряда, имеющего отрегулированные температуру и плотность.

Блокиратор 31 впускного клапана, изображенный на фиг.10 (известно несколько их конструкций, например, производимых компаниями Eaton Corp. и Cadillac), может блокировать впускной клапан 16а, когда при работе в режиме низкой нагрузки не требуется высокое среднее эффективное давление в цилиндре. В другом случае частично или полностью открывается воздушный перепускной клапан 6 для рециркуляции всего зарядного воздуха или его части назад через компрессор 2 для освобождения компрессора от работы сжатия во время работы в режиме низкой нагрузки. Кроме того, воздушный перепускной клапан 4 может при необходимости обеспечивать частичную или полную рециркуляцию воздуха, нагнетаемого компрессором 1 для понижения давления и плотности заряда.

Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 10011, работающего по новому циклу, включает следующее:1. Воздух, поступающий под давлением, превышающим атмосферное давление, сжатый по меньшей мере одним компрессором и имеющий температуру, отрегулированную перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в цилиндр 7 через впускной клапан 16b, открываемый весьма малым выступом 21-D на кулачке 21-А при нахождении поршня 22 в нижней мертвой точке в конце рабочего хода или вблизи нее, так как выпускной клапан (клапаны) 17а, 17а' для сброса выхлопных газов открылся (открылись) несколько раньше (возможно за 40o до нижней мертвой точки). Выпускной клапан 17 остается открытым до достижения поршнем нижней мертвой точки для эффективной продувки цилиндра 7 путем сброса и петлевой продувки. Впускной клапан 16b закрывается после того, как свежий заряд высокого давления очень быстро продует цилиндр 7.

2. После завершения рабочего хода выпускные клапаны 17 оставляют открытыми на некоторое время после прохождения поршнем нижней мертвой точки (впускной клапан 16b при этом закрыт) для продолжения продувки силового цилиндра свежим зарядом воздуха и, кроме того, для установления низкой степени сжатия двигателя, причем степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана 17, поделенным на объем камеры сгорания.

3. Теперь, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом под давлением, приблизительно равным атмосферному, продолжается ход сжатия (второй такт) и при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана начинается сжатие с небольшой степенью сжатия. Это создает возможность уменьшения подъема температуры во время хода сжатия. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно отсутствует в заряде, при нахождении поршня в надлежащей точке вблизи верхней мертвой точки заряд воспламеняют, и осуществляется рабочий ход.

4. (а) В другом случае при нахождении поршня в любой, определенной как надлежащая, точке в момент закрытия выпускного клапана и начала сжатия заряда или позже этого момента дополнительный заряд воздуха, имеющий отрегулированную плотность и температуру, могут вводить через впускной клапан 16а и, возможно, посредством второго выступа 21-С на кулачке 21-А, через впускной клапан 16b. Сжатие продолжается с нагнетанием дополнительного заряда воздуха, добавляют топливо, если оно отсутствует, заряд воспламеняют, и сгорание вызывает сильное расширение газообразных продуктов сгорания с выделением большого количества энергии. Эта энергия преобразуется двигателем в большой крутящий момент и большую мощность.

(b) При возникновении потребности в еще более повышенной мощности плотность и вес заряда воздуха могут быть увеличены путем его пропускания через по меньшей мере один промежуточный охладитель, а также путем увеличения скорости вращения компрессора или подключением второй ступени 2 дополнительного сжатия, изображенной на фиг.11. В другом случае временно может быть изменена синхронизация закрытия выпускного клапана 17 и открытия впускного клапана 16а соответственно для более раннего закрытия и более раннего открытия для получения увеличенного заряда.

5. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки выпускные клапаны 17, 17' открываются, и цилиндр продувается путем сброса и воздухом, вводимым основным впускным клапаном 16b.

Подробное описание работы двигателя 10011, изображенного на фиг.11Вблизи конца рабочего хода (первого такта) поршня 22, возможно за 40o до положения нижней мертвой точки поршня 22, открываются выпускные клапаны 17 для сброса выхлопных газов, вскоре после этого воздух высокого давления протекает через трубопровод 15 от коллектора 13 и 14, как показано на фиг.11, через впускной клапан 16b в цилиндр 7, цилиндр 7 продувают, и впускной клапан 16b закрывается. (В головке 30 впускного клапана может быть выполнено углубление, как показано на фиг.11, для образования трубообразного отверстия, ведущего в цилиндр 7, с тем чтобы, когда зарядный воздух сильно сжат до давления, достигающего 500-530 фунтов/дюйм2 (3,45-3,66 МПа), небольшой выступ 21-D на кулачке 21-А впускного клапана 16b во время или непосредственно после изменения поршнем 22 направления движения в нижней мертвой точке обеспечивал впуск небольшой струи воздуха высокого давления, направленной вниз для петлевой продувки. ) Выпускные клапаны 17 остаются открытыми во время первой части хода сжатия (второго такта) поршня 22. Теперь цилиндр 7 эффективно продувается путем сброса или петлевой продувки, и при нахождении поршня в любой точке во время хода сжатия, когда цилиндр 7 наполнен свежим воздухом, выпускные клапаны 17, 17' могут закрыться. Но ввиду того, что требуется низкая степень сжатия, клапаны 17, 17' могут удерживаться открытыми до тех пор, пока поршень не достигнет точки, необходимой для установления соответствующей степени сжатия. В момент закрытия выпускного клапана 17 или позже дополнительный заряд воздуха высокого давления с отрегулированной температурой, сжатый компрессором 1 и/или 2, может вводиться в тот же цилиндр вторым впускным клапаном 16а и, если требуется, посредством другого выступа 21-С (изображенного штрих-пунктирными линиями) на первом клапане 16b. (При возникновении потребности в большом крутящем моменте и большой мощности плотность зарядного воздуха может быть значительно увеличена путем повышения скорости основного компрессора 1 или путем подключения другой ступени сжатия, как в компрессоре 2 (фиг.11), и направления заряда через дополнительные охладители 10, 11 и 12. Скорость компрессора 2 также может быть увеличена для нагнетания большего заряда на сторону наддува.) Сжатие продолжается с обеспечением небольшой степени сжатия, добавляют топливо, если оно отсутствует, воспламеняют заряд, и газы расширяются, воздействуя на поршень 22 с выполнением рабочего хода.

При работе с небольшой нагрузкой запорный клапан (или клапанный блокиратор 31, изображенный на фиг.10, на впускном клапане 16-А) может временно удерживать поступающий воздух или удерживать впускной клапан 16а закрытым. Это способствует повышению экономии топлива в двигателе. В другом случае во время работы в режиме небольшой нагрузки клапан-заслонка 5 может быть закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 открыт, так что нагнетаемый компрессором 2 воздух будет возвращен к впускному трубопроводу компрессора 2 без какого-либо сжатия. Таким же образом клапаны 3 и 4 могут вернуть часть нагнетаемого воздуха назад к впуску 106 компрессора 1.

Дополнительный автоматический впускной клапан 26, изображенный на фиг. 10, который может иметь конструкцию в виде подпружиненного диска, может быть установлен с возможностью предотвращения любого обратного тока зарядного воздуха в трубопровод 15, если давление в цилиндре сравняется с давлением в трубопроводе 15 во время хода сжатия поршня 22 или превысит его перед полным закрытием впускного клапана 16а. (Как и в других конструкциях двигателей, представленных в данном описании, дополнительный автоматический клапан 26, изображенный на фиг. 10, может применяться для регулирования коэффициента давления этого двигателя. При удержании впускного клапана 16а открытым вплоть до достижения поршнем верхней мертвой точки, закрытие клапана 26 и величина коэффициента давления цилиндра 7 будут регулироваться регулирующими клапанами 3, 4, 5 и 6 и изменением скорости компрессора, а также любым имеющимся дроссельным клапаном.) Автоматический клапан 26 закроет впуск из трубопровода 15 во время последней части хода сжатия, воспламенения заряда и во время рабочего хода.

Топливо может образовывать топливно-воздушную смесь, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.15-17, 19 и 20, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, или через впускные клапаны 16а, 16b (во время его второго открытия посредством выступа 21-С на кулачке 21-А), или непосредственно в камеру сгорания при нахождении поршня в точке x в ходе выпуска-сжатия или после этой точки. Топливо может также впрыскиваться позже, а в случае работы с воспламенением от сжатия оно может впрыскиваться в месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру, или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу. После впуска заряда воздуха, отрегулированного по температуре и плотности, если такой впуск используется, сжатие заряда продолжается, и его воспламеняют вместе с присутствующим топливом в надлежащий момент времени для осуществления хода расширения. (Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся после достижения поршнем точки x (при закрытии выпускного клапана), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения определяют путем деления общего рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания. ) После этого заряд топливно-воздушной смеси воспламеняют, и происходит рабочий ход поршня 22 при расширении газообразных продуктов сгорания. Вблизи нижней мертвой точки рабочего хода клапан (клапаны) 17 открывается (открываются), и цилиндр эффективно продувается сначала путем сброса, а затем путем петлевой продувки воздуха из впускного клапана 16b в конце рабочего хода или небольшое время спустя.

Очевидно, что чем позже в ходе сжатия поршень достигнет точку x (чем позже закрывается выпускной клапан), тем ниже степень сжатия двигателя и тем меньше нагревается заряд при сжатии.

Очевидно также, что чем позже вводят имеющий отрегулированную температуру и плотность заряд, тем меньшая работа двигателя требуется для сжатия заряда, последняя часть которого уже была несколько сжата компрессором 1 и/или дополнительным компрессором 2. В некоторых случаях, когда нагрузка мала и важна экономия топлива, заряд воздуха может быть пущен в обход дополнительного компрессора, а дополнительный заряд воздуха может быть временно исключен, при этом общий вес заряда может быть меньше, чем вес заряда в известном двигателе.

На фиг. 12 показана диаграмма зависимости объема от давления в высокоскоростном дизельном двигателе в сравнении с такой же диаграммой предлагаемого двигателя, на которой показаны три ступени сжатия с промежуточным охлаждением и четвертая ступень сжатия без охлаждения со степенью сжатия, приблизительно равной 2:1. В такой схеме сочетаются оптимальная мощность с эффективностью, характерной для предлагаемого двигателя. (На таблицах, представленных на фиг. 13 и 14, показаны некоторые усовершенствования предлагаемого двигателя по сравнению с известными мощными двух- и четырехтактными двигателями.)Существует несколько особенностей, улучшающих термический кпд предлагаемого двигателя. Отношение более высокой мощности к весу обеспечивает возможность создания более компактного двигателя с меньшими потерями на трение. Увеличенная степень расширения дает более высокий кпд термодинамического цикла, который продемонстрирован теоретическими расчетами. Существуют также определенные выигрыши в кпд в "ступенчатом" процессе сжатия даже с внешними компрессорами с присоединенными трубопроводами, промежуточными и дополнительными охладителями и т.д. Существуют весьма значительная экономия энергии при сжатии воздуха по ступеням с промежуточным охлаждением. Меньше энергии тратится при сжатии заряда до 500 фунтов/дюйм2 (3,45 МПа) в двух, трех или четырех ступенях с промежуточным охлаждением, чем расходуется на сжатие горячего заряда в известном двигателе до той же величины, составляющей 500 фунтов/дюйм2 (3,45 МПа). В обычном двигателе тратится приблизительно 20% своей мощности на сжатие собственного заряда воздуха. Расчеты показывают значительную экономию энергии в двигателе, если сжатие воздуха происходит поступенчато с последующим охлаждением. Сжатие заряда до давления, равного 531 фунт/дюйм2 (3,67 МПа) (степень сжатия составляет в этом случае 13:1), только двумя ступенями сжатия снижает расход энергии на 15,8% по сравнению со сжатием до того же давления одной ступенью, как это происходит в двигателях, работающих по циклам Отто и Дизеля. Три ступени сжатия с промежуточным охлаждением увеличивает экономию на 18%. Но эта экономия существует только в идеальном случае. Снижение параметра по сравнению с идеальным случаем не должно превысить 25%, что оставляет 13,5% экономии энергии. Эти 13,5% экономии энергии, умноженные на 20% затрат энергии в нормальном двигателе, расходуемых на сжатие его собственного заряда, составляют 2,7% повышения эффективности благодаря одному только процессу сжатия. Это является одним из преимуществ предлагаемого двигателя, которое добавляется к другим положительным изменениям термического кпд. Низкая степень сжатия совместно с большой степенью расширения обеспечивают повышение кпд, крутящего момента, мощности и срока службы при одновременном снижении загрязняющих выбросов.

Примечание 1. На фиг.12 расстояние по кривой, соответствующей двигателю (В), по оси абсцисс обозначает теоретический объем при повышенной плотности. Плотность удерживают на этом уровне при реальном объеме камеры сгорания (как показано штриховой линией V) независимо от плотности путем нагнетания увеличенного количества заряда в направлении наддува.

На фиг. 13 изображена таблица, в которой сравниваются различные эксплуатационные параметры предлагаемого двигателя (В) и рабочие параметры распространенного двухтактного дизельного двигателя (А) большой мощности.

Параметры, приведенные для двигателя (А), являются нормальными эксплуатационными параметрами для такого двигателя, например степень сжатия, температура сгорания, плотность заряда и т.д. Параметры, выбранные для характеристики двигателя (В), приведены при двух различных пониженных "номинальных" степенях сжатия с соответствующими "эффективными" степенями сжатия, с промежуточным охлаждением и без него, для двух различных уровней развиваемой мощности. Колонки, в которых приведены плотности заряда и степени расширения, указывают на наличие стабильных улучшений, относящихся к вырабатываемой мощности и плотности заряда, в двигателе (В) даже при значительно пониженной номинальной степени сжатия и эффективной степени сжатия, пониженной до 2:1, как показано на фиг.10. Колонки, в которых приведены пониженные температуры в конце сгорания, и колонка, в которой приведены увеличенные степени расширения, указывают на существенно сниженные загрязняющие выбросы. Показанные усовершенствования, относящиеся к мощности, вырабатываемой двигателем (В), по сравнению с двигателем (А) даже при пониженной номинальной степени сжатия составляют не менее 50%.

На фиг.14 представлена таблица, в которой сравниваются различные эксплуатационные параметры предлагаемого двигателя (В) и эксплуатационные параметры распространенного четырехтактного дизельного двигателя (А) большой мощности.

При сравнении этих параметров, аналогичном сравнениям, сделанным в отношении фиг. 13, очевидно, что поскольку двигатель (В) сжигает более плотный заряд вдвое чаще, чем двигатель (А), стабильные улучшения, относящиеся к вырабатываемой двигателем (В) мощности и плотности заряда, значительно выше, что составляет 180% по сравнению с двигателем (А).

На фиг.15 показан схематичный вид двигателя, представляющего двигатели, изображенные на фиг. 5-7 и 9-10, с отдельным охладителем 10 для дополнительного компрессора 2, с основным компрессором 1, питающим два коллектора 13 и 14 и имеющим отдельные охладители 11 и 12 и трубопроводы 114 и 115 для зарядного воздуха, причем каждый коллектор имеет по три впускных питателя цилиндра соответственно 15а-15с, 15d-15f. Двигатель, изображенный на фиг.15, работает так же, как двигатели, изображенные на фиг.5-7 и 9-10, и на чертеже показаны предлагаемые положения клапана-заслонки и воздушных перепускных клапанов для питания коллекторов 13 и 14 зарядом воздуха, параметры которого оптимальны для работы в режиме низкой нагрузки двигателей, изображенных на фиг. 5-7 и 9-10. При работе в режиме низкой нагрузки клапан-заслонка 5 может быть закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 компрессора 2 (если компрессор 2 не подает основной заряд воздуха непосредственно к трубопроводу 32 и впускному клапану 15-В) может быть открыт полностью или частично так, что весь поступающий в компрессор 2 воздух или его часть могут быть возвращены на впуск компрессора 2, получив в нем небольшое повышение давления или без повышения давления. Кроме того, клапан-заслонка 3 компрессора 1 может быть закрыт, пропуская заряд воздуха, минуя охладители 11 и 12, а воздушный перепускной клапан 4 должен быть закрыт для предотвращения рециркуляции сжатого нагретого воздуха назад через компрессор 1, а его клапан-заслонка 3 и воздушные перепускные клапаны направляют неохлажденный заряд воздуха в коллекторы 13 и 14 для получения нагретого заряда низкой плотности для работы с низкой нагрузкой. Компрессор 2 предпочтительно должен удерживаться в рабочем режиме для подвода основного заряда воздуха через трубопроводы 110, 32 и впускной клапан 16-В для получения более экономичной системы продувки-впуска.

На фиг. 16 показаны предлагаемые положения клапанов для подводящих коллекторов 13 и 14 с зарядом воздуха, оптимальным для работы при средних нагрузках, для двигателей, изображенных на фиг.16, или для двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10. При работе в режиме средней нагрузки клапан-заслонка 5 компрессора 2 закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 должен быть открыт для пропуска неохлажденного и несжатого заряда воздуха к впуску компрессора 1, где закрытый клапан-заслонка 3 и закрытый клапан 4 направляют сжатый компрессором 1 заряд воздуха, минуя охладители, к коллекторам 13 и 14, причем воздух заряда сжат и нагрет компрессором 1 для работы со средней нагрузкой.

На фиг.17 показан предлагаемый сценарий обеспечения двигателя, изображенного на фиг.17, или двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, зарядом воздуха высокой плотности для работы с большой нагрузкой с большой вырабатываемой мощностью. На фиг.17 оба клапана-заслонки 3 и 5 показаны открытыми, а оба клапана 4 и 6 - полностью закрытыми, так что задействована основная ступень сжатия, а вторая ступень сжатия выведена на режим максимального сжатия заряда, причем весь заряд воздуха пропускается через охладители 10, 11 и 12 для создания охлажденного заряда воздуха очень высокой плотности и передачи его коллекторам 13 и 14 и силовым цилиндрам двигателя для работы в режиме большой нагрузки. Это создает очень высокое среднее эффективное давление в цилиндре для получения большого крутящего момента и большой мощности при максимальном давлении в цилиндре, остающемся на том же уровне, что имеет место в нормальных двигателях, или даже более низком.

На фиг.18 показан схематичный вид другого типа дополнительного компрессора 2' для двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, или для любого другого предлагаемого двигателя, а также система обеспечения отключения дополнительного компрессора при отсутствии необходимости в заряде высокого давления и высокой плотности. Для освобождения компрессора 2' от работы (если сжатый компрессором 2' воздух не поступает непосредственно в трубопровод 32 и к клапану 16-В для подачи основного заряда воздуха) клапан-заслонку 5 закрывают, а воздушный перепускной клапан 6 открывают, так что воздух, нагнетаемый через компрессор 2', может рециркулировать через компрессор 2, освобождая таким образом компрессор от работы сжатия.

На фиг. 19 схематично показан вид двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, иллюстрирующий средства регулирования плотности, температуры и давления зарядного воздуха путем изменения направления потока воздуха через различные электронные или управляемые разрежением клапаны и их трубопроводы.

На фиг. 19 также стрелками показаны различные возможные пути зарядного воздуха, причем светлые стрелки обозначают пути нагретого воздуха, а темные стрелки обозначают пути более плотного, подвергшегося промежуточному охлаждению воздуха, показывая таким образом, как термостатически или электронным способом может осуществляться регулирование температуры зарядного воздуха путем его разделения по двум разным траекториям. В другом случае весь заряд воздуха может быть направлен либо минуя охладители, либо через охладители воздуха, как показано на фиг.19. На фиг.19 также показано, как давление, создаваемое компрессорами 1 и 2, может изменяться путем частичного или полного открытия воздушных перепускных клапанов 4 и 6 либо полным закрытием одного из этих управляющих клапанов или их обоих. Блок 27 управления двигателем предназначен для регулирования различных эксплуатационных параметров предлагаемых двигателей.

На фиг. 20 показан схематичный вид другого варианта выполнения устройства, в котором предпочтительно электрический двигатель 34 приводит в движение компрессор(ы) любого предлагаемого двигателя.

Управление "клапаном-заслонкой" перепускного трубопровода охладителя зарядного воздухаВ данном разделе описаны аспекты предпочтительных компонентов управления, применяемых в любом из предлагаемых двигателей (четырехтактных и двухтактных).

Основные принципы: клапаны 3 и 5 являются клапанами перепускного трубопровода охладителя зарядного воздуха с соленоидным управлением. При управлении перепускным трубопроводом охладителя зарядного воздуха поступающий воздух переключается между двумя путями двумя клапанами 3 и 5, работающими независимо друг от друга: клапан 5 направляет поток или (а) от компрессора 2 непосредственно к впускному трубопроводу компрессора 1, или (b) через охладитель 10 до поступления воздуха к впускному трубопроводу компрессора 1. Клапан 3 направляет поток от компрессора 1 или (а) к трубопроводам 111/121/122, ведущим непосредственно к впускным коллекторам 13 и 14, или (b) он пропускает заряд воздуха через охладители 11 и 12 перед его поступлением к коллекторам 13 и 14.

Блок 27 управления двигателем (БУД) может управлять клапанами 3 и 5 перепускных трубопроводов охладителей воздуха. Клапаны перепускных трубопроводов могут быть выполнены в виде клапанов-заслонок для пропуска или перекрытия всего заряда воздуха в обоих направлениях, или в виде клапанов с соленоидным управлением с цилиндрической винтовой катушкой, или в виде клапанов другого типа, способных пропускать часть заряда воздуха через перепускные трубопроводы 121 и 122, а другую часть через охладители 10, 11 и 12 для точного регулирования температуры и плотности заряда воздуха. БУД может получать сигналы от датчиков, таких как датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, датчик положения коленчатого вала, датчик положения дросселя, датчик положения распределительного вала, датчик абсолютного давления в коллекторе и датчик нагрева кислорода.

Управление воздушным перепускным клапаномОсновные принципы: для обеспечения оптимального давления заряда воздуха для различных условий работы двигателя БУД 27 может посылать сигналы для управления воздушными перепускными клапанами 4 и 6. Эти клапаны могут быть двухпозиционными клапанами с соленоидным управлением, возможно приводимыми в действие разрежением, или клапанами с соленоидным управлением с цилиндрической катушкой, или клапанами другого типа, которые могут открывать часть прохода или весь проход для рециркуляции части или всего заряда воздуха назад через впуски 110 и 8 компрессоров 1 и 2 для понижения или сведения к нулю давления наддува любого из компрессоров 1 и 2, или их обоих. Аналогичное устройство регулирования давления воздуха может применяться для дополнительных ступеней сжатия воздуха при их наличии.

Работа может происходить следующим образом: управление воздушными перепускными клапанами 4 и 6 может осуществляться сигналами от БУД 27 для регулирования угла открытия этих клапанов 4 и 6 с обеспечением оптимальных давлений заряда воздуха для различных нагрузок двигателя и различных рабочих циклов. Когда клапан 6 открыт частично, часть воздуха, прокачиваемого через компрессор 2, проходит назад на впуск 8 компрессора для снижения давления сжатия. Когда клапан 6 открыт полностью, весь заряд компрессора 2 пропускается назад через компрессор 2, таким образом этот компрессор 2 только перекачивает через себя заряд без повышения его давления. Эта система может работать таким же образом и для клапана 4, который может перепускать часть заряда воздуха, нагнетаемого компрессором 1, назад во впускной трубопровод 110 компрессора 1 для снижения плотности заряда воздуха.

Такое устройство в комбинации с регулированием блоком 27 перепускной системы охладителя зарядного воздуха для различных клапанов 3 и 5 может регулировать температуру, плотность, давление и турбулентность зарядного воздуха для выработки требуемых уровней мощности и крутящего момента, а также параметров выбросов в силовом цилиндре двигателя.

Информация о параметрах двигателя, которые могут отслеживаться блоком 27 для достижения надлежащего состояния двигателя путем управления клапанами 4 и 6, может поступать от датчика положения дросселя (или от датчика работы топливного ввода), датчиков температуры поступающего воздуха, расположенных в нескольких точках, датчика абсолютного давления в коллекторе, датчика положения распределительного вала, датчика положения коленчатого вала, датчика температуры выхлопа, датчика нагретого кислорода и/или от других посылающих исходную информацию датчиков, применяемых в двигателях внутреннего сгорания.

БУД 27 может управлять клапанами 3 и 5, а также клапанами 4 и 6 для поддержания оптимальными плотности, давления и температуры заряда воздуха при всех рабочих циклах двигателя.

Другие варианты системы сгоранияНа фиг. 21 показан схематичный поперечный разрез предкамеры 38', камеры сгорания 38, днища 22 поршня и связанного с ними впуска 36 топлива, свечи 37 зажигания, впускного канала 8' для воздуха или топливно-воздушной смеси, впускного клапана 16, выпускного канала 18', выпускного клапана 17, предложенных для работы на жидком или газообразном топливе для предлагаемых двигателей или для любого другого двигателя внутреннего сгорания.

Существует большой выбор систем воспламенения от сжатия или искрового зажигания для предлагаемого двигателя, показанных на фиг.1-33. Каждое топливо, от природного газа до тяжелого дизельного топлива, включая спирты и газообразное топливо, может быть воспламенено в этом двигателе путем искрового зажигания (ИЗ). Одна система ИЗ, обладающая определенными преимуществами, аналогична системе, изображенной на фиг.21, и пригодна для сжатого природного газа, пропана, водорода, бензина, спиртов или дизельного топлива. В этой системе чрезвычайно богатая топливная смесь, образующая полный заряд топлива, предпочтительно впрыскивается в предкамеру 38'. Топливо может впрыскиваться через топливный канал 36 совместно с вводом струи воздуха или без него, при этом заряд воздуха, часть которого может сопутствовать заряду топлива, может быть введен в предкамеру 38' поршнем 22 во время хода сжатия. Дополнительный воздух с дополнительным топливом или без него может быть введен собственно в цилиндр либо в ходе впуска, либо в ходе сжатия через впускной трубопровод 8'. В любом случае вторая ступень сгорания собственно в цилиндре осуществляется со смесью с низким содержанием топлива.

Двухступенчатая система сгорания, показанная на фиг.21, работает следующим образом:1. Предкамерное горение (первая ступень)Предкамерное горение происходит в предкамере 38', когда топливо в количестве, значительно превышающем количество присутствующего кислорода, впрыскивается и воспламеняется (инжектор не показан). Этот недостаток кислорода в сочетании с менее горячим, турбулентным зарядом и низкими максимальными температурой и давлением существенно сокращает образование окислов азота. Сочетание горячих стенок предкамеры с сильной турбулентностью содействует более полному сгоранию.

2. Последующее горение (вторая ступень)Последующее горение происходит при более низком давлении и в условиях относительно низких температур в пространстве над поршнем в цилиндре, когда газы расширяются из предкамеры первой ступени в собственно цилиндр. Если в цилиндре имеется дополнительное топливо, происходит воспламенение более бедной смеси этим плазмообразным потоком из предкамеры. Низкая температура и примесь сгоревших газов препятствует любому дальнейшему образованию окислов азота. Избыток воздуха, сильное вихревое действие и более длительный процесс расширения обеспечивают более полное сгорание монооксида углерода, углеводородов и углерода.

Результатами применения в предлагаемом двигателе предкамеры 38', изображенной на фиг. 21, являются более высокий термический кпд благодаря более длительному расширению, сопровождаемому менее горячим выхлопом, а также пониженный уровень загрязняющих выбросов, включая оксиды азота, и при применении дизельного топлива, ароматических соединений и частиц.

На фиг.22 показан схематичный поперечный разрез дополнительного цилиндра предлагаемого двигателя, который позволяет преобразовать двухтактный двигатель, изображенный на фиг.8-33, в двигатель, работающий по однотактному циклу, а четырехтактный двигатель, изображенный на фиг.1-7 и 33, - в двигатель, работающий по двухтактному циклу.

Путем выполнения любого двухтактного двигателя в виде конструкции, в которой все силовые цилиндры являются цилиндрами двойного действия, отношение мощности к весу может быть удвоено по сравнению с базовым двигателем. В каждом ходе двигателя, работающего номинально по однотактному циклу и преобразованного из любого из двигателей, изображенных на фиг.8-33, на одном конце цилиндра происходит воспламенение, а на другом конце происходит продувка. Применение силовых цилиндров двойного действия в четырехтактном двигателе, изображенном на фиг.1-7 и 33, преобразует его в двухтактный двигатель вследствие того, что один конец цилиндра продувается, а в другом конце происходит воспламенение во время каждого оборота коленчатого вала.

В конструкции, показанной на фиг.22, необходимое изменение длины коромысла 39 получено благодаря тому, что его конец образует обойму 40 и крепится над пальцем 41 поршня.

Поршень 22' с двумя днищами может быть присоединен к концу вертикального коромысла 39, поворачивающегося по отношению к своему нижнему концу 42. Шатун 19' присоединен между серединой коромысла и коленчатым валом 20'.

Ввиду того что сам коленчатый вал 20' только передает крутящий момент, его основные подшипники нагружены весьма незначительно. В результате на опорный корпус передается мало шума. Вследствие эффекта рычага полное перемещение кривошипа (не показан) составляет половину хода поршня, а сам кривошип может быть более коротким, похожим на кулачок узлом, с большими близко расположенными шейками, имеющими значительное перекрытие для повышения прочности.

Степень сжатия может изменяться при небольшом удлинении или укорачивании эффективной длины коромысла 39. Это может быть получено посредством нижней пяты 42, присоединенной к блоку 43, установленному в неподвижном блоке 44 с возможностью скольжения и приводимому в движение сервомотором 45. Шестерня 45а, вращаемая сервомотором 45, значительно длиннее шестерни 44а, установленной на винте 43b, который с возможностью вращения присоединен к блоку 43 и вращается по резьбе в блоке 44, вызывая скольжение шестерни 44а назад или вперед по шестерне 45а при возвратно-поступательном движении блока 43 в блоке 44. Таким образом, такой двигатель может быть запущен со степенью сжатия, равной 20:1, как у дизельного двигателя, а затем для снижения трения и напряжения в его деталях может быть переведен на степень сжатия, составляющую 13: 1. Эта особенность также может быть важна для обеспечения возможности применения разных видов топлива.

На фиг. 23 показан другой вариант выполнения двигателя, в котором палец 47' расположен между шатуном 19 и поршнем 22" и для которого остаются в силе описанные выше преимущества.

Необходимое изменение длины коромысла 39 (изображено пунктиром), соединяющего поршень 22" с шатуном 19, может быть выполнено путем образования на конце коромысла 39 обоймы 40, установленной над пальцем 41 поршня 22", или установкой сдвоенного поворачивающегося звена 42' между пальцем 47' в опорной точке коромысла 39' с пальцем 42", присоединенным к неподвижной части 46 двигателя, и оконечной частью коромысла 39', присоединенной к шатуну пальцем 47.

В другом, предпочтительном варианте для мощных двигателей (таких как судовые двигатели, привод генераторов и т.д.) отбор мощности от поршня 22" может происходить с обычным штоком 39' поршня, расположенным между поршнем 22" и ползуном 20', вместе с шатуном 19', расположенным между ползуном 20' и коленчатым валом (не показан).

Силовые цилиндры двойного действия, применяемые в предлагаемых двигателях, особенно важны в случаях, когда требуется большая энергия и доступна охлаждающая вода, например для судовых двигателей или двигателей, работающих в качестве привода генератора.

Такие цилиндры двойного действия с двумя днищами могут применяться во всех вариантах выполнения изобретения.

На фиг.24 показан схематический поперечный разрез коленчатого вала, двух шатунов 19' и 19" и коромысла 39, показывающий средства обеспечения дополнительного времени горения в обычных двух- или четырехтактных двигателях.

Такая компоновка любого двигателя обеспечивает удвоение времени изменения направления движения поршня 22' нормального двигателя во время критического периода горения. Это происходит потому, что верхняя мертвая точка поршня 22' соответствует нижней мертвой точке кривошипа 48. В этой точке движение шатунной шейки вокруг верхней мертвой точки поршня 22' вычитается из прямолинейного движения шатуна 19' вместо того, чтобы суммироваться с ним, как это имеет место в обычных двигателях. Внесение изменения в обычное действие замедляет перемещение поршня около этой точки, в результате чего обеспечивается более полное сгорание и дополнительное снижение выбросов.

Дополнительное время горения, обеспечиваемое вариантом выполнения, изображенным на фиг.24, может иметь большое значение в предлагаемых двигателях и в любых двигателях, работающих по циклам Отто и Дизеля.

Работа двигателя, конструкция которого предусматривает дополнительное время горения, аналогична работе других предлагаемых двигателей, обеспечивающих высокую плотность заряда, низкие степени сжатия со средним эффективным давлением, более высоким, чем в известных двигателях, но с более длительным, чем в других двигателях временем горения, одновременно с даже пониженными загрязняющими выбросами.

Ввиду того что изображенный на фиг.24 коленчатый вал 48 только передает крутящий момент, его основные подшипники весьма слабо нагружены. В результате этого опорный корпус достигает меньше шума. Вследствие эффекта рычага перемещение кривошипа может составлять половину хода поршня (в зависимости от точки опоры), а сам кривошип может быть более коротким, похожим на кулачок узлом, с большими, близко расположенными шейками, имеющими значительное перекрытие для повышения прочности.

Такая компоновка обеспечивает также увеличение приблизительно вдвое времени горения в известных двигателях в течение критического периода горения. Это происходит потому, что верхняя мертвая точка поршня соответствует нижней мертвой точке кривошипа.

Двигатель 10025, изображенный на фиг.25На фиг. 25 показан поршневой шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (только один (7f) из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22a-22f выполнены с возможностью работы по двухтактному циклу, при этом все цилиндры используются для выработки и передачи энергии общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Компрессор 2 подводит воздух к продувочным окнам 52 через дополнительный запорный клапан 33-М и трубопровод 32, а также посредством трубопровода 15 к впускным клапанам 16 и 16' подачи заряда в цилиндр. Двигатель, изображенный на фиг.25, выполнен с возможностью работы по двухтактному циклу для выполнения шести рабочих ходов на один оборот коленчатого вала 20. Для этого компрессор 1 забирает заряд воздуха, который предварительно может быть сжат до более высокого давления, через клапаны 5 и 6, регулирующие поступление воздуха, и через впускной трубопровод 110, ведущий от компрессора 2 через промежуточный охладитель 10 или перепускной трубопровод 104 и клапан-заслонку 5. Во время работы двигателя 10025, изображенного на фиг.25, компрессор 2 получает атмосферный воздух через впускное отверстие 8, осуществляет предварительное сжатие заряда воздуха в трубопроводе 101, ведущем к регулирующему клапану-заслонке 5, который в ответ на сигналы от БУД 27 на закрытие клапана-заслонки 5 и воздушного перепускного клапана 6 направляет сжатый заряд через охладитель 10 или через перепускные трубопроводы 104 охладителя к компрессору 1. Заряд воздуха подвергается сжатию в компрессоре 1 посредством связанного с ним поршня 131, а сжатый заряд воздуха нагнетается через выпускное отверстие в передающий трубопровод 109 высокого давления, ведущий к регулирующему клапану-заслонке 3, который, если он открыт, направляет воздух через охладитель 11 и 12 к коллекторам 13 и 14 или, если он закрыт, через трубопровод и воздушный перепускной клапан 4, который может направлять часть заряда воздуха назад через впускной трубопровод 104 компрессора 1 или, если клапан 4 полностью закрыт, направляет весь заряд от компрессора 1 в соответствии с сигналами от БУД 27 через охладители 11 и 12 или через перепускной трубопровод 111/121/122 в коллекторы 13 и 14. Коллекторы 13 и 14 выполнены и расположены с возможностью распределения заряда сжатого воздуха посредством отводных трубопроводов 15a-15f к впускным клапанам 16 и 16' цилиндра 7а, а также к остальным пяти силовым цилиндрам 7b-7f. В другом варианте выполнения продувочный воздух вместо подвода через трубопровод 32' подводят через запорный клапан 49, трубопровод 50 и редукционный клапан 25 к воздушной камере 51 и через трубопроводы 125a-125f - к продувочным окнам 52a-52f.

Двигатель 10025, изображенный на фиг.25, имеет распределительный вал, установленный с возможностью приведения во вращение со скоростью, равной скорости вращения коленчатого вала, для обеспечения одного рабочего хода силовых поршней на один его оборот. Компрессор может быть поршневым компрессором, состоящим по меньшей мере из одной ступени сжатия по меньшей мере с одним цилиндром двойного действия (одна ступень показана на фиг.25 под номером 1 позиции). Компрессор может приводиться в движение шатунами 19g, которые присоединены к коленчатому валу 20 и у которых радиусы кривошипов могут иметь различную величину, соответствующую ходам поршня воздушного компрессора(ов) различной длины, отличающимся от ходов силовых поршней. Кроме того, компрессор 1 может приводиться в движение вторым коленчатым валом (не показан), приводимым во вращение зубчатым зацеплением с повышающей ступенчатой передачей, установленной на общем коленчатом вале. Дополнительный ротационный компрессор, который на чертеже показан в виде компрессора Lysholm'a и обозначен номером 2 позиции, может приводиться во вращение желобчатым шкивом, вращаемым оребренным клиновым ремнем, а между шкивом и приводным валом компрессора установлена повышающая ступенчатая передача. Ротационный компрессор 2 может также иметь переменную скорость вращения или двухскоростной привод, как это имеет место в некоторых авиационных двигателях.

Работа двигателя 10025, показанного на фиг.25, происходит следующим образом. Зарядный воздух подается во впускное отверстие 8 компрессора 2. Отсюда воздух нагнетается через компрессор 2, где он направляется клапаном-заслонкой 5 через охладитель 10 или через трубопровод к воздушному перепускному клапану 6, где он направляется на впуск компрессора 1. Затем заряд нагнетается компрессором 1 через выпускной клапан к клапану-заслонке 3, который направляет заряд воздуха или через охладители 11 и 12 к коллекторам 13 и 14 или в трубопровод, ведущий к воздушному перепускному клапану 4, который может направлять часть заряда назад через впуск компрессора 1 или направлять весь заряд или его часть к клапану-заслонке 3, который направляет заряд полностью или частично через охладители 11 и 12, или непосредственно к коллекторам 13 и 14, которые распределяют зарядный воздух, имеющий отрегулированную температуру, к впускным клапанам 16 и 16' цилиндра 7 к каждому силовому цилиндру двигателя. Двухпозиционный регулирующий клапан (не показан) и трубопровод 32' направляют воздух в воздушную камеру 51 и к продувочным окнам 52a-52f в нижней части цилиндров 7a-7f. В другом варианте выполнения (изображенном на фиг.25 штрих-пунктирной линией) продувочный воздух направляют через редукционный клапан 25, расположенный на трубопроводе 50, для подвода продувочного воздуха от компрессора 1 и регулирования его давления. Другим дополнительным способом снижения давления воздуха в коллекторе для продувки цилиндров 7a-7f является использование воздуха из коллекторов 13 и 14, проходящего через трубопровод 50, воздушную камеру 51 и впускные окна 52a-52f без снижения давления на выходе из коллекторов 13 и 14. Для продувки через продувочные окна 52a-52f, изображенные на фиг.25, и через впускное окно 52" и выпускное окно 52', изображенные на фиг.30, должен применяться воздух под полным давлением, причем окна 52a-52f, 52' и 52" должны быть выполнены значительно меньше обычных. В этом случае несмотря на то, что продувочные окна меньше обычных, воздух с более высоким, чем обычно, давлением очень эффективен. В описании предложено несколько средств продувки цилиндров. На фиг.26 более ясно показана предпочтительная система подвода продувочного воздуха низкого давления (несмотря на то, что она изображена штрих-пунктирными линиями). Трубопровод 32' и клапан 33 (на фиг.26 показанные штрих-пунктирными линиями) пропускают воздух из трубопровода 110 от компрессора 2 к трубопроводу 50, подающему продувочный воздух в воздушную камеру 51.

БУД 27, изображенный, например на фиг.26, управляет клапанами 3, 4, 5 и 6 для регулирования давления, температуры и плотности заряда, поступающего в камеры сгорания и к клапану 25, может выборочно направлять часть заряда воздуха, имеющую пониженное давление, к продувочным окнам 52 и может управлять открытием и закрытием клапана 53 и клапанов 49' для выбора необходимого режима продувки. БУД 27 может также управлять системой регулирования изменяемого состояния клапанов для регулирования времени и длительности открытия впускных 16 и выпускных клапанов 17 по отношению к степени или углу поворота коленчатого вала 20, для регулирования степени сжатия двигателя для обеспечения оптимальных рабочих параметров, а именно мощности, крутящего момента, экономии топлива, параметров топлива и требуемого режима продувки.

Предпочтительная работа силовых цилиндров, показанных на фиг.25, происходит следующим образом.

После сброса и продувки цилиндра 7 последний наполнен свежим воздухом, поршень 22 перекрывает выпускные окна 52 и при своем продувочно-впускном ходе поднимается при все еще открытом выпускном клапане 17, при этом при нахождении поршня в любой точке, возможно за 120-90o до верхней мертвой точки, происходит закрытие выпускного клапана 17 для задания степени сжатия и начала сжатия, впускные клапаны 16 и 16' открываются в этот же момент времени или позднее для создания требуемых плотности и веса заряда, сжатый заряд воздуха или топливно-воздушной смеси вводится через впускной клапан 16, 16', который затем закрывается. Сжатие заряда, начинающееся при нахождении поршня в точке x, а именно в точке, где был закрыт выпускной клапан 17, продолжается со степенью сжатия, заданной рабочим объемом цилиндра, остающимся при нахождении поршня в точке x, поделенным на объем камеры сгорания. Топливо может впрыскиваться в поток дополнительного сжатого воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания, или в предкамеру, например, изображенную на фиг.21, или непосредственно в камеру сгорания. После закрытия впускного клапана 16, 16' топливо или дополнительное количество топлива может впрыскиваться в середину вихря заряда для послойного процесса сгорания заряда или, как в двигателях с воспламенением от сжатия, непосредственно в камеру сгорания, возможно непосредственно на запальную свечу в случае наличия или отсутствия предлагаемой предкамеры, а также непрерывно во время части хода расширения для получения процесса сгорания с постоянным, в целом, давлением.

Топливно-воздушная смесь воспламеняется свечой зажигания, от сжатия или посредством запальной свечи в точке, сочтенной наиболее эффективной, предпочтительно до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки хода сжатия. Ход расширения поршня 22 происходит во время воздействия расширяющихся газов на поршень в направлении нижней мертвой точки. При нахождении поршня вблизи конца рабочего хода, возможно приблизительно за 40o до нижней мертвой точки, открываются продувочные окна 52, приблизительно в это же время открывается (открываются) клапан (клапаны) 17 в головке двигателя, и происходит быстрый выпуск и продувка любым из четырех способов, изображенных на фиг.27-30. В любом случае выпускные клапаны 17, 17' остаются открытыми и после прохождения поршнем нижней мертвой точки на значительную часть продувочного хода, регулирующего заряд, для установления степени сжатия двигателя.

На фиг.26 показан схематичный вид двигателя, аналогичного по конструкции и работе двигателю 10025, изображенному на фиг.25, и имеющего два компрессора, но отличающегося тем, что компрессор 1 изображен в виде ротационного компрессора Lyshoim'a, а компрессор 2 изображен в виде турбокомпрессора, и имеющего один охладитель воздуха для дополнительного компрессора, два охладителя воздуха для основного компрессора, парные коллекторы, управляющие элементы в виде заслонок, воздушные перепускные управляющие элементы и трубопроводы для различных путей прохождения воздуха. Также показан блок 27 управления двигателем (БУД), который может регулировать давление, плотность и температуру зарядного и продувочного воздуха для получения требуемых выходных параметров и характеристик выбросов двигателя. Показаны другие источники продувочного воздуха, причем предпочтительным является его подача из трубопровода 110 через трубопровод 32'. Траектории прохода воздуха показаны стрелками, при этом светлые стрелки обозначают неохлажденный сжатый воздух, а темные стрелки обозначают охлажденный более плотный воздух. Показаны также воздушные перепускные клапаны (в данном случае оба клапана закрыты), которые совместно с клапанами-заслонками (один из которых закрыт, а другой частично открыт для обеспечения возможности охлаждения части заряда) могут регулировать температуру, вес и плотность заряда, необходимые для получения самых лучших эксплуатационных характеристик двигателя.

На фиг. 27 показана одна система эффективной продувки продуктов выхлопа двигателя, изображенного на фиг.25.

Система продувки А (фиг.27)Сброс выхлопных газов происходит приблизительно при нахождении поршня от 40o до нижней мертвой точки до, возможно, 40-50o после нее, при этом выпускные клапаны 17 открываются приблизительно в одно время с открытием окон 52, остаются открытыми после закрытия нижних окон поршнем 22 и закрываются позже, приводя к низкой степени сжатия.

Продувочный воздух может подводиться от коллектора, возможно, с редукционным клапаном 25 на трубопроводе 50 или предпочтительно из трубопровода 32' от дополнительного компрессора 2 (показано штрих-пунктирной линией). В этом случае нижние окна 52 открываются незадолго до открытия выпускных клапанов 17. Сброс происходит через нижние окна 52, через нижний выпускной трубопровод и клапан 53 к главной выпускной трубе 18, в это же время или небольшое время спустя открываются выпускные клапаны 17, и сброс выхлопных газов в атмосферу происходит как через верхнюю часть цилиндра через выпускные клапаны 53 и 17, так и через выпускной коллектор 18' и трубу 18. Выпускной клапан 17 затем остается открытым в течение значительной части продувочно-впускного хода (второго такта) для дополнительной продувки, причем эта часть хода происходит при принудительном перемещении поршня. Во время этого продувочно-впускного хода выпускной клапан 17 может быть закрыт при нахождении поршня в любой точке после прохождения им первых 20% своего пути. После этого, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, выпускной клапан 17 может закрыться при нахождении поршня в любой точке, а впускной клапан 16' - открыться с поступлением сжатого воздуха, температура которого отрегулирована до величины, сочтенной надлежащей. Чем позже во время продувочно-впускного хода происходит закрытие выпускного клапана 17, тем ниже будет степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии эффективная степень сжатия может достигать 13:1 или 16:1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1. При нахождении поршня в любой точке после закрытия выпускного клапана 17 и задания степени сжатия и до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки заряд воздуха с отрегулированными температурой, плотностью и давлением может быть введен путем открытия и последующего закрытия впускного клапана 16. Все предложенные рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателей, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и вида применяемого топлива.

БУД 27 изображен со связями с ключевыми регулирующими клапанами двигателя, которые могут быть отрегулированы в соответствии с параметрами, информация о которых передается в БУД 27 от различных датчиков в двигателе.

На фиг.28 показана вторая система эффективной продувки двигателя, изображенного на фиг.25.

Система продувки В (фиг.28)Сброс выхлопных газов происходит только через выпускные клапаны 17, продувочный воздух подается компрессором 2 по трубопроводу 32' или в другом случае от коллекторов 13 и 14 через трубопроводы 50 после регулирующего клапана 49 и дополнительного редукционного клапана 25 в воздушную камеру 51 и через продувочные окна 52 в нижней части цилиндров 7 вверх через цилиндр 7, из выпускных клапанов 17 и через выпускную трубу 18, клапан 53 при этом закрыт. В этой системе при приближении поршня 22 к нижней мертвой точке в рабочем ходе расширения окна 52 открываются поршнем 22, и при сбросе выхлопных газов сжатый воздух вводится через все нижние окна 52 и удаляет продукты сгорания через выпускные клапаны 17, которые открываются, возможно, раньше окон 52 для выпуска выхлопных газов. Нижние окна могут быть выполнены с возможностью открытия, возможно, при нахождении поршня за 40o перед нижней мертвой точкой и закрытия при нахождении поршня в той же точке, после того как поршень начнет свой второй ход. Выпускные клапаны 17 могут оставаться открытыми и после закрытия окон 52 для облегчения продувки путем принудительного перемещения поршня 22 и для установления требуемой степени сжатия, которая определяется точкой, в которой закрываются выпускные клапаны 17.

Во время этого хода продувки-впуска поршня 22, когда цилиндр 7 уже заполнен свежим воздухом, выпускной клапан 17 может быть закрыт при нахождении поршня в любой точке после прохождения им первых 20% своего пути. Теперь при нахождении поршня в любой точке выпускной клапан 17 может закрыться, а впускной клапан 16 может открыться для впуска сжатого до высокого давления воздуха, давление и температура которого отрегулированы до величин, определенных как надлежащие. Чем позже в ходе продувки-впуска происходит закрытие выпускного клапана 17, тем более низкой устанавливается эффективная степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии выпускного клапана 17 эффективная степень сжатия может достигать отношения 13 или 19 к 1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1. Все предлагаемые рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателей, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и вида применяемого топлива.

Блок 27 управления двигателем, как показано на чертеже, может применяться для регулирования различных требуемых рабочих условий при получении сигналов от различных датчиков двигателя.

На фиг.29 показана третья система эффективной продувки двигателя, изображенного на фиг.25.

Система продувки С (фиг.29)В этой системе продувки запорные клапаны 49' должны быть закрыты (или клапаны 25 и 49 могут отсутствовать), нижние окна 52 открыты в атмосферу посредством клапана 53, один впускной клапан 16, ведущий от коллекторов 13 и 14 к цилиндру 7, может открываться на весьма короткое время посредством кулачка, возможно, посредством небольшого выступа на кулачке, который имеет и большой выступ (обозначенного номером 21-С позиции на фиг.11) для открытия этого же клапана при другом угле поворота кривошипа, при этом окна 52 не перекрыты поршнем 22, а выпускные клапаны 17 открыты. Воздух под высоким давлением быстро удаляет выхлопные газы в атмосферу через окна 52 и выпускные клапаны 17 и через их соответствующие выпускные трубы 18 и 18'. Впускной клапан 16 закрывается быстро, не позже момента закрытия продувочных окон 52. Выпускной клапан остается открытым для дальнейшей продувки и для снижения степени сжатия двигателя. В другом случае нижние выпускные клапаны 53 должны быть закрыты, и пока продувочные окна 52 не перекрыты поршнем 22, выпускные клапаны 17 также открываются для сброса раньше, и воздух из воздушной камеры 51, подаваемый по трубопроводу 32, поступает в окна 52 и продувает цилиндр 7 через выпускные клапаны 17.

Во время этого хода продувки-впуска выпускной клапан 17 закрывается при нахождении поршня 22 в любой точке после прохождения им первых 20% своего пути. При нахождении поршня в любой точке после закрытия выпускных клапанов 17 при заполненном свежим воздухом цилиндре 7 и при установленной степени сжатия, а также до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки дополнительный заряд воздуха с отрегулированной температурой, плотностью и давлением впускается, когда это требуется, путем открытия второго впускного клапана 16 и/или посредством другого выступа 21-С на том же кулачке (номер 21-С позиции на фиг. 11), открывающего тот же впускной клапан еще раз. Все предложенные рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателя, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и от вида применяемого топлива. Чем позже в ходе продувки-впуска происходит закрытие выпускного клапана 17, тем устанавливается более низкая степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии эффективная степень сжатия может достигать 13:1 или 22:1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1.

Блок управления двигателем может регулировать все необходимые параметры двигателя.

На фиг. 30 показана четвертая система эффективной продувки двигателя, изображенного на фиг.25.

Система продувки D (фиг.30)В этой системе сброс выхлопных газов происходит через верхние выпускные клапаны 17 и через часть нижних продувочных окон 52', открывающихся непосредственно перед достижением поршнем нижней мертвой точкой, возможно приблизительно за 40o до нее, одновременно с открытием верхних выпускных клапанов или сразу после него. В момент открытия окон 52' или через небольшой промежуток времени после этого выпускные клапаны 17 также открываются, или клапан 53, ведущий к нижней выпускной трубе 18, уже открыт, и сброс выхлопных газов происходит на протяжении приблизительно последующих 40o после нижней мертвой точки с нагнетанием продувочного воздуха по меньшей мере через одно из окон 52", выполненное с возможностью поступления сжатого воздуха из воздушной камеры 55, питаемой по трубопроводу 32' или 50, при этом окна 52' не перекрыты поршнем 22, а давление в цилиндре 7 упало ниже давления воздушной камеры 55. После закрытия окон 52' выпускные клапаны 17 остаются открытыми на протяжении значительной части хода продувки-впуска (второго такта) поршня 22 для дополнительной продувки путем принудительного перемещения и для установления низкой степени сжатия.

Во время хода продувки-впуска, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, выпускной клапан 17 может быть закрыт при нахождении поршня в любой точке после прохождения им приблизительно первых 20% своего пути. После этого при нахождении поршня в любой точке выпускной клапан 17 может закрыться с установлением степени сжатия, а впускной клапан 16 может открыться для впуска дополнительного сжатого заряда воздуха, температура и давление которого отрегулированы до величин, определенных как надлежащие. Чем позже в ходе продувки-впуска происходит закрытие выпускного клапана 17, тем ниже устанавливается степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии эффективная степень сжатия может достигать 13:1 или 22:1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1. Все предлагаемые рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателя, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и от вида применяемого топлива, и могут регулироваться блоком управления двигателем, который получает сигналы о параметрах в конкретных участках двигателя.

На фиг.31 показан схематичный вид другого варианта выполнения, в котором электродвигатель 34 предпочтительно приводит в движение воздушные компрессоры двигателя, аналогичного изображенному на фиг.25.

На фиг.32 показан схематичный вид двухтактного двигателя, изображенного на фиг. 25 и 26 и имеющего только один компрессор 1 для подачи как продувочного, так и зарядного воздуха. На чертеже также показан клапан-заслонка 3 и воздушный перепускной клапан 4, клапаны 16 и 17, регулирующие продувочный и зарядный воздух, клапаны 53 и 53' для выпуска выхлопных газов из нижних окон 52 цилиндра через выпускную трубу 18 в атмосферу. Таким образом, двигатель, изображенный на фиг.32, способен реализовывать все возможности, описанные для двигателей, изображенных на фиг.25-30 и 32. На чертеже также показан блок 27 управления двигателем (БУД) и связи с различными клапанами для управления температурой, плотностью, весом и давлением зарядного и продувочного воздуха и траекториями продувочного воздуха для достижения требуемых от двигателя результатов. Стрелками показаны возможные пути нагретого воздуха (светлые стрелки) и охлажденного воздуха (темные стрелки), а также зарядного воздуха с прохождением его через клапан 4 для регулирования давления, плотности, веса и температуры воздуха для получения оптимальных рабочих параметров двигателя.

Двигатель 10033, изображенный на фиг.33На фиг.33 показан шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, в котором часть цилиндров 62-65 применяются для выработки энергии, а два цилиндра, 66 и 67, применяются для сжатия воздуха, необходимого для работы двигателя. Компрессор 57 наддува, в этом случае предпочтительно имеющий конструкцию Lysholm'a, применяется для повышения давления атмосферного воздуха, получаемого через воздушный впуск 8', перед поступлением воздуха в цилиндры 66 и 67 компрессора. Клапан-заслонка 3' и воздушный перепускной клапан 4', когда они оба открыты, обеспечивают рециркуляцию заряда воздуха назад через компрессор 57 для уменьшения работы компрессора и понижения плотности заряда воздуха для работы с низкой нагрузкой. Когда клапан 4' закрыт, клапан-заслонка 3' может открываться или закрываться для подачи заряда воздуха соответственно охлажденного или неохлажденного к цилиндрам для управления температурой сгорания и температурой для получения оптимальных рабочих параметров.

Вторая ступень сжатия передается от цилиндров 66 и 67 сжатия через трубопроводы 201, 202 к клапану-заслонке 4", который в закрытом положении направляет сжатый заряд через трубопровод 204, охладитель 11 и трубопровод 205 к коллектору 58' двигателя в охлажденном состоянии. При открытом положении клапан-заслонка 4" направляет заряд воздуха, минуя охладитель 11, через трубопроводы 203 и 205 к силовым цилиндрам без охлаждения.

Ввиду того что распределительный вал установлен с возможностью вращения со скоростью, вдвое меньшей, чем скорость вращения коленчатого вала, двигатель 10033 работает по четырехтактному циклу с низкой степенью сжатия, увеличенной степенью расширения и высоким средним эффективным давлением в цилиндре, когда он работает способом, описанным для двигателя 1003, изображенного на фиг.3.

В другом случае двигатель, изображенный на фиг.33, в котором по меньшей мере один цилиндр работает как компрессорный цилиндр и в котором распределительный вал установлен с возможностью вращения со скоростью, равной скорости вращения коленчатого вала, работает по двухтактному циклу с низкой степенью сжатия, высоким средним эффективным давлением в цилиндре и увеличенной степенью расширения, когда он работает способом, описанным для двигателей, изображенных на фиг.8, 9 и 11.

Как показано на фиг.33, в любом из приведенных в описании предлагаемых двигателей может быть получена дополнительная экономия топлива путем применения экономайзера, выполненного в виде компрессорного воздушного тормоза-замедлителя. Для рассмотрения указанного тормоза-замедлителя шестицилиндровый двигатель 10033 представляет собой любой из предлагаемых двигателей, в которых применяется полученный при внешнем сжатии сжатый воздух (фиг.1-33) либо для подвода зарядного воздуха целиком, либо для повышения параметров двигателя. Тормоз-замедлитель, показанный на чертеже, имеет компрессор 57А, функционально присоединенный к приводному валу транспортного средства (не показано) или присоединенный через зубчатую передачу к коленчатому валу 20 двигателя, и накапливает энергию, выделенную при торможении или при движении под уклон, причем эта энергия используется для подачи сжатого воздуха к силовым цилиндрам двигателя через передающий коллектор 58. Такой экономайзер соединен с воздушным резервуаром 59, и, когда давление воздуха в резервуаре экономайзера достаточно высокое для применения в силовых цилиндрах двигателя, компрессор двигателя может быть отсоединен, возможно посредством муфты, или нагнетаемый компрессором (компрессорами) воздух может быть перепущен назад на вход компрессора (компрессоров), так что при этом отсутствует необходимость в совершении компрессором работы сжатия. Предохранительный клапан 60 препятствует чрезмерному подъему давления в резервуаре 59. Клапан 61 (в этом варианте выполнения выполненный в виде реверсивного запорного клапана) обеспечивает возможностью передачи воздуха из резервуара к коллектору, когда давление в резервуаре 59 выше давления в передающем коллекторе 58 и если требуется подвод воздуха. В случае наличия в конструкции двигателя компрессорных цилиндров каждый из них может быть путем закрытия впускного клапана переведен на холостой ход на время работы резервного источника воздуха так, что компрессор (компрессоры) не будут выполнять полезную работу до тех пор, пока давление в коллекторе и резервуаре не упадет ниже рабочих величин. Известно несколько систем блокирования клапанов цилиндров, некоторые из которых упомянуты выше.

В другом варианте выполнения компрессор 57А исключен, а резервуар 59 для накопления воздуха применяется для хранения излишков воздуха, сжатого компрессорными цилиндрами двигателя во время торможения и движения под уклон. В этом случае клапан 61 является двусторонним клапаном, а блокирующий клапан 70 расположен в коллекторе 58 между цилиндром (цилиндрами) 66, 67 и рабочими цилиндрами 62-65. Во время движения под уклон или при торможении блокирующий клапан 70 между компрессорным и рабочим цилиндрами предпочтительно закрыт, силовые цилиндры 62-65 не вырабатывают мощность, а двусторонний клапан 61 применяется для отвода воздуха, сжатого компрессорным цилиндром (цилиндрами), в резервуар 59.

При необходимости в нормальной работе двигателя блокирующий клапан 70 между компрессорными и расширяющими цилиндрами открыт, а клапан 61 закрыт. Во время работы по резервированию воздуха оба клапана 70 и 61 открыты. При необходимости цилиндр (цилиндры) 66, 67 могут не производить работу во время режима работы по резервированию воздуха, как описано выше. Кроме того, подавать сжатый воздух в резервуар может также тормоз Джейкоба (известный тормоз-замедлитель).

Работа двигателя с подводом резервного воздуха повышает среднее эффективное давление двигателя, при этом на 20% повышается мощность и кпд при одновременном снижении загрязняющих выбросов при работе двигателя на резервном воздухе.

Эта особенность дает дополнительную экономию энергии, особенно при интенсивном движении транспортного потока или при движении по холмистой местности. Например, двигатель, развивающий мощность 100 л.с. (74,6 КВт), тратит 12,7 фунтов воздуха в минуту (5,76 кг/мин). Таким образом, если энергия торможения сохраняется в сжатом воздухе в резервуаре 59, то во время остановок и движения под уклон может быть накоплен и сохранен сжатый воздух, достаточный для его подачи в течение 10-15 минут. Когда давление в резервуаре 59 падает ниже уровня, необходимого для эффективной работы, используется электромагнит (не показан) для приведения в рабочее состояние клапанов компрессионных цилиндров, и эти цилиндры (вместе с компрессором наддува, если это необходимо) начинают сжимать заряд воздуха, необходимый для двигателя.

С применением резервуара 59 двигатель не нуждается в подъеме давления для его пуска и сразу же, как только вал достаточно повернется, чтобы открыть впускной клапан, сжатый воздух и топливо поступят и будут воспламенены, осуществляя мгновенный запуск. Кроме того, сжатый воздух посредством этих средств запуска может быть использован для вращения двигателя путем открытия впускных клапанов в расширяющих цилиндрах раньше, чем обычно, для начала вращения и воспламенения, как это обычно имеет место в больших дизелях, исключая таким образом необходимость в стартере. В другом варианте выполнения сжатый воздух может применяться для зарядки "гидростартера" для проворачивания коленчатого вала двигателя, как это имеет место в некоторых дизелях, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

В другом, более предпочтительном варианте выполнения резервный воздух в резервуаре 59 дополнительно применяется для вращения двигателя для обеспечения транспортному средству, такому как автобус, возможности отъезда от остановки и работы без топлива на протяжении 30-60 секунд или более, то есть на то время, когда происходят наибольшие загрязняющие выбросы при работе автобусов или часто останавливающихся транспортных средствах, применяемых для доставки различных грузов.

Варианты выполнения, в которых сжатый воздух поступает от удаленного источникаНа фиг.34 показан схематичный вид двигателя 100, соответствующего другому варианту выполнения изобретения, с внешней подачей заряда воздуха для судовых, тепловозных, стационарных или применяемых для выработки электрической энергии двигателей или любых других применений предлагаемых двигателей с постоянными или переменными нагрузкой и скоростью вращения, которые имеют достаточное количество электрической энергии или доступный сбрасываемый или стравливаемый сжатый воздух. Изображенный на фиг.34 удаленный воздушный компрессор 35 с электроприводом предпочтительно по меньшей мере с одной охлаждаемой ступенью сжатия предпочтительно подает заряд воздуха отрегулированной температуры (при необходимости как высокого, так и низкого давления) по меньшей мере для одного предлагаемого двигателя. Заряд воздуха, отрегулированный по температуре и давлению, подается по трубопроводу 15АЕ от компрессора 35 непосредственно к коллекторам 13 и 14. Во впускной трубопровод 9 двигателя, изображенный, например, на фиг.4, или в трубопроводы 32 низкого давления других предлагаемых двигателей поступает атмосферный воздух или воздух низкого давления из трубопровода 15ВЕ низкого давления от компрессора 35.

Другой изображенный на фиг.34 вариант выполнения устройства для подачи обеспечивающего сгорание зарядного воздуха для любого из предлагаемых двигателей 100 выполнен с возможностью подвода зарядного воздуха от трубопровода 15AR, запитываемого сбрасываемым или стравливаемым воздухом, получаемым в технологических процессах. Подача воздуха происходит либо с одним, либо с двумя уровнями давления. Более низкое давление при необходимости предпочтительно подается путем падения давления в основном подводящем трубопроводе 15AR для сбрасываемого воздуха с редукционным клапаном (25а, ведущим к трубопроводу 15BR низкого давления). Данное устройство аналогично устройству трубопроводов 15-А, 15-В и клапана 25, изображенных, например, на фиг.5, при этом трубопровод 15-А является аналогом подводящего трубопровода 15AR, проходящего от источника сбрасываемого воздуха, а трубопровод 15-В является аналогом трубопровода 15BR, изображенного на фиг.34.

Применение сжатого воздуха от удаленного источника, являющегося либо сбрасываемым воздухом, либо воздухом от компрессора 35, исключает необходимость в промежуточных охладителях 10, 11, 12 компрессоров 1 и 2 двигателя, в некоторых трубопроводах и клапанах 3, 4, 5, 6 оборудования, подводящего зарядный воздух, обеспечивая приведение воздуха в требуемое состояние во время или после процесса сжатия (но перед впуском воздуха в коллекторы 13, 14). Таким образом, оборудование различных вариантов выполнения двигателя 100, изображенных на различных чертежах, предпочтительно сведено к позициям с индексами А, В и С, изображенным штрих-пунктирными линиями на всех чертежах. Зарядный воздух из какого-либо указанного выше удаленного источника предпочтительно подается в двигатели непосредственно у коллекторов 13 и 14, а в соответствующих вариантах выполнения воздух низкого давления от внешнего источника подается в трубопровод 32, как показано на фиг.34.

В двигателях с получением заряда воздуха от удаленных источников топливо может образовывать топливно-воздушную смесь перед сжатием и может впрыскиваться в корпус дросселя, через окна или непосредственно в цилиндр.

К вопросу о регулировании величины загрязненийНа фиг.2 и 4-С показан способ дальнейшего снижения загрязняющих выбросов в любом из вариантов выполнения предлагаемого двигателя, который включает повторное сгорание части выхлопных газов, когда и если это требуется. В четырехтактных двигателях, изображенных на фиг.1-3, и в двухтактных двигателях, изображенных на прилагаемых к описанию чертежах и имеющих один впуск для воздуха, выпускной (выпускные) трубопровод(ы) 18 имеет (имеют) отводной трубопровод 202 (см. фиг.2), ведущий от окна 206 в стенке выпускного трубопровода 18 к окну 204 в стенке впускного трубопровода 8. Дозирующий клапан 201 расположен во впускном окне 204 и выполнен с возможностью выборочного ограничения потока свежего воздуха в трубопровод 8 с открытием в то же время окна 204, ведущего к выпускному трубопроводу, с выборочным обеспечением возможности впуска выхлопных газов во впускной трубопровод 8. Этот клапан является регулируемым и приводится в действие механически, электрически или путем разрежения и электромагнита и предпочтительно управляется блоком управления двигателя (БУД) или блоком 144 управления, изображенным на фиг.35 и 36. Это обеспечивает возможность повторного сгорания части выхлопных газов, процентную величину которой регулируют посредством блока управления двигателем в соответствии с сигналами различных датчиков, таких как кислородные датчики, расположенные в различных ключевых точках двигателя. Выхлопные газы, проходящие через трубопровод 202, могут быть охлаждены до достижения ими впускного трубопровода 8 либо посредством дополнительных охлаждающих ребер 202а, либо путем прохода через дополнительный промежуточный охладитель (не показан).

Как показано на фиг.4С, в двигателях, имеющих только один впускной трубопровод для атмосферного воздуха, но имеющий различные трубопроводы и пути поступления воздуха, такие как трубопроводы 15-А и 15-С, изображенные на фиг. 4В, отводной трубопровод 202', ведущий от выпускного трубопровода 18, разделен на два участка 203а, 203b отводного трубопровода, каждый из которых имеет дозирующий клапан 209а, 209b, работающий с возможностью выборочной подачи выхлопных газов либо к обоим впускным клапанам 16-В (через трубопровод 9 и в конечном итоге через трубопровод 15-С) и 16-А (посредством трубопроводов 8 и 15-А), либо к одному из них. Каждый дозирующий клапан 209а, 209b обеспечивает возможность частичного впуска выхлопных газов в соответствующее окно или прекращения такого впуска, в то же время, если это необходимо, ограничивая поступление свежего воздуха. Выхлопные газы могут быть охлаждены посредством дополнительных ребер 202а, расположенных на трубопроводе 202' и/или 203а, 203b и 203с, или путем их пропуска через дополнительный промежуточный охладитель (не показан) до ввода этих газов во впускные трубопроводы двигателя.

В другом варианте выполнения, показанном штрих-пунктирными линиями на фиг.4С, один отводной участок 203а трубопровода отклонен (номер 203с позиции на фиг.4С) непосредственно к трубопроводу 15-С и снабжен в месте их соединения дозирующим клапаном 209с.

В двигателях, изображенных на фиг.4 и 7, имеющих парные впуски 8, 9 для атмосферного воздуха, применено устройство, аналогичное изображенному на фиг.4С, тем не менее, понятно, что трубопровод 8 открыт в атмосферу.

В любых двигателях, имеющих парные впускные трубопроводы для воздуха или парные пути прохождения воздуха, по меньшей мере в одной из трех точек может быть введена часть выхлопных газов в любом необходимом количестве, а регулирование этого ввода для улучшения управления параметрами сгорания и выбросов предпочтительно осуществляется блоком управления двигателем.

Особенность в виде повторного сгорания представляет особое значение при работе на дизельном топливе.

Двигатели с постоянной нагрузкой и постоянной скоростью вращенияТогда как большая часть предшествующего описания характеризует варианты выполнения, представляющие предлагаемые двигатели, оптимизированные для рабочих циклов транспортных средств (судов, грузовиков-тягачей, автобусов, автомобилей, танков, поездов и самолетов), и описывает системы и способы изменения мощности, крутящего момента и скорости вращения, настоящее изобретение находит полезное применение для достижения высокой мощности и большого крутящего момента, в то же время сохраняя оптимальную экономию топлива и небольшие загрязняющие выбросы и в менее сложных двигателях, таких как, например, двигатели для работы при постоянной нагрузке и с постоянной скоростью вращения. На фиг.35 и 36 показаны другие варианты выполнения настоящего изобретения, которые представляют такие двигатели (например для производства электрической энергии, а также для других стационарных или промышленных применений двигателя, например для насосов и компрессоров), оснащенных в соответствии с принципами настоящего изобретения.

Двигатель системы 100, изображенной на фиг.35На фиг. 35 показан схематичный вид двигателя, представляющего любой четырех- или двухтактный предлагаемый двигатель, оснащенный для работы с постоянной нагрузкой и постоянной скоростью. Основные компоненты двигателя 100, такие как компрессоры 1, 2 и дополнительные промежуточные охладители 10, 11, 12 (изображены штрих-пунктирными линиями) и связанные с ними необходимые трубопроводы предпочтительно выполнены для получения оптимальных рабочих параметров и имеют только основные компоненты. Различные элементы управления, клапаны-заслонки, воздушные перепускные клапаны и связанные с ними перепускные трубопроводы, такие как в описанных выше вариантах выполнения, предпочтительно исключены для снижения веса, стоимости, а также для упрощения эксплуатации. На фиг.35 показан двигатель 100, оснащенный первым дополнительным компрессором 1 и вторым дополнительным компрессором 2, дополнительными промежуточными охладителями 10, 11, 12 (изображены штрих-пунктирными линиями) и соединительными трубопроводами, причем работа всех компонентов понятна из приведенного выше подробного описания, и имеющий две ступени предварительного сжатия зарядного воздуха, охлажденного на промежуточной стадии или адиабатически сжатого.

На фиг. 35 показана предпочтительная схема для производства электроэнергии любым из предлагаемых двигателей. Выходной вал 20 отбора мощности двигателя 100 присоединен, как схематично показано линией 140, к валу 20" подвода мощности генератора 141, имеющего линии 142 отвода электрической энергии. При вращении валом 20 двигателя 100 вала 20" генератора 141 количество электрической энергии, производимой генератором 141, определяется датчиком 143 и передается к блоку управления и регулятору 144, содержащему различные реле и интегральные схемы, для определения количества вырабатываемой энергии и отправки сообщений по линии 145 к блоку топливно-воздушного управления (не показан) на топливной линии 148 и дросселе 56, и/или по линии 149 к блоку управления зажигания для более раннего или более позднего зажигания в двигателях с искровым зажиганием и/или для отправки сообщений по линиям 146 и 146b для двигателей, имеющих системы впрыска топлива, например природного газа, бензина или дизельного топлива, или к блоку топливно-воздушного управления, причем все эти действия предназначены для регулирования ввода топлива, скорости вращения и вырабатываемой двигателем 100 мощности и, следовательно, мощности, вырабатываемой генератором 141. Блок 144 управления также посылает сигналы для управления дозирующим клапаном 201, показанным на фиг. 4, и дозирующим клапанам 209а, 209b, 209с, изображенным на фиг.2, для регулирования количества выхлопных газов (если производится их подвод), рециркуляция которых обеспечивается этими клапанами для повторного сгорания в любом предлагаемом двигателе, в котором применяется это свойство. Дальнейшие объяснения, касающиеся компонентов двигателя 100 и его работы, не представляются необходимыми, так как это будет понятно специалистам, имеющим настоящее описание.

Дополнительные промежуточные охладители 10, 11, 12 (изображенные штрих-пунктирными линиями) предпочтительно применяются в двигателях, работающих на газообразном топливе или бензине, а в двигателях с воспламенением от сжатия они предпочтительно отсутствуют, или сокращено их количество или охлаждающая способность благодаря низким максимальным давлениям и температурам в предлагаемых двигателях.

На фиг.36 показан двухтактный двигатель, представляющий любой из предлагаемых двигателей, двух- или четырехтактных, схематически соединенный линией 140 с электрогенератором 141. Двигатель и его устройство аналогичны по конструкции и работе двигателю, изображенному на фиг.35 и описанному выше, за исключением того, что двигатель, изображенный на фиг.36 и работающий как двигатель 100 либо по двух-, либо по четырехтактному циклу, имеет только одну ступень предварительного сжатия, дополнительно охлаждаемую промежуточными охладителями 11, 12 (показаны штрих-пунктирными линиями) заряда воздуха. Как и в двигателе, изображенном на фиг.35, при применении воспламенения от сжатия в предлагаемом двигателе 100 охладители 11, 12 предпочтительно отсутствуют, или их охлаждающая способность сокращена. Так же, как и в двигателе 100, изображенном на фиг.35, регулятор и другие элементы управления, а также работа двигателя и генератора понятны специалистам, имеющим настоящее описание.

Из приведенного выше описания нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения понятно, что преимущества, присущие настоящему изобретению, характерны для всех вариантов его выполнения.

В то время как в данном описании приведены предпочтительные варианты выполнения изобретения, понятно, что в пределах сущности и объема изобретения возможны различные изменения и модификации формы, устройства частей и деталей его конструкции и что все такие изменения и модификации считаются частью настоящего изобретения как подпадающие под объем защиты прилагаемой формулы изобретения.

В то время как варианты выполнения настоящего изобретения, раскрытые в данном описании, являются предпочтительными, специалистам при рассмотрении данного описания будут понятны и другие варианты выполнения изобретения. Вследствие этого очевидно, что варианты и модификации возможны в пределах объема и сущности изобретения, и объем изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, эквивалентное выполнение всех элементов, являющихся средствами выполнения определенной функции или выполняющих эту функцию, подразумевает в прилагаемой формуле изобретения, как особо заявлено, включение любой конструкции, материала или действий для выполнения функции, и, как очевидно для специалистов, любые конструкции, материал или действия являются более очевидными благодаря своим связям с другими элементами.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна силового цилиндра, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск выхлопных газов из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; по меньшей мере один компрессор, установленный между источником воздуха и по меньшей мере одним впускным окном силового цилиндра и сообщающийся с ними посредством трубопровода; по меньшей мере один охладитель воздуха, установленный между компрессором и впускным окном и находящийся во взаимосвязи с ними; средства выборочного регулирования работы компрессора и впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре, так что по меньшей мере часть поступающего воздуха перед поступлением в цилиндр может быть выборочно сжата компрессором; и магистраль низкого давления, подводящую воздух низкого давления к впускному клапану, который перекрывает одно впускное окно и который открывается во время хода впуска поршня, и магистраль высокого давления, подводящую сжатый компрессором воздух к впускному клапану, который перекрывает второе впускное окно и который открывается после прохождения поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия.

2. Двигатель по п. 1, в котором средства выборочного регулирования содержат обычное количество клапанов, стратегически расположенных в указанном трубопроводе, и известный механизм управления двигателя, управляющий работой этих клапанов.

3. Двигатель по п. 2, содержащий также второй компрессор, установленный между указанным компрессором и впускным окном, с которым сообщается указанный компрессор, и сообщающийся с ними, так что по меньшей мере часть поступающего воздуха перед впуском в цилиндр выборочно сжимается второй раз; причем средства выборочного регулирования содержат средства выборочного регулирования работы второго компрессора.

4. Двигатель по п. 1, в котором компрессор является поршневым компрессором.

5. Двигатель по п. 4, в котором поршневой компрессор содержит поршень, соединенный с коленчатым валом двигателя.

6. Двигатель по п. 1, в котором компрессор является ротационным компрессором.

7. Двигатель по п. 1, в котором имеются средства дальнейшего увеличения турбулентности заряда, поступающего в цилиндр, и сведения к минимуму обратного тока заряда при медленном закрытии впускных клапанов.

8. Двигатель по п. 7, в котором средства усиления турбулентности выполнены в виде обратного клапана, расположенного между впускным клапаном и цилиндром.

9. Двигатель по п. 1, в котором ход сжатия приводит к сжатию воздуха в цилиндре, со средствами управления плотностью, температурой, давлением и турбулентностью заряда воздуха для того, чтобы степень сжатия была меньше степени расширения двигателя благодаря использованию указанных средств управления, которое включает сжатие дополнительного заряда воздуха перед сжатием в цилиндре с созданием таким образом предварительно сжатого заряд воздуха, который выборочно пропускается через охлаждающее устройство перед его подачей в цилиндр и подается в него после того, как во время хода впуска в цилиндр поступил заряда воздуха низкого давления, в цилиндре сохранился заряд, уступающий нормальному по величине, и начался ход сжатия поршня, и повышение турбулентности и плотности заряда в цилиндре.

10. Двигатель внутреннего сгорания: блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск воздуха из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; два компрессора, установленные между источником воздуха и одним из впускных окон и сообщающиеся с ними; по меньшей мере один охладитель воздуха; сеть подвода воздуха, содержащая трубопровод, взаимосвязывающий источник воздуха, компрессор, второй компрессор, охладитель воздуха, впускное окно и второе впускное окно; и средства выборочного регулирования работы компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия; средства выборочного регулирования работы второго компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия; и средства выборочного направления в первое впускное окно сжатого воздуха, а во второе впускное окно - воздуха, не подвергнутого нагнетанию.

11. Двигатель внутреннего сгорания, имеющий коленчатый вал, приводимый в движение по меньшей мере одним поршнем, совершающим по меньшей мере ход сжатия и ход расширения при содействии сгорания, происходящего в цилиндре, причем ход сжатия приводит к сжатию воздуха в цилиндре, отличающийся тем, что он содержит ступень внешнего сжатия, в которой дополнительный заряд воздуха подвергается сжатию вне цилиндра; подводящий трубопровод, связывающий ступень сжатия с цилиндром, с промежуточным охладителем, через который выборочно направляется заряд воздуха из ступени сжатия; два впускных окна силового цилиндра, каждое из которых выполнено с впускным клапаном; и со средствами выборочного регулирования ступени внешнего сжатия и впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре; и магистраль низкого давления, подводящую воздух низкого давления к впускному клапану одного впускного окна во время хода впуска поршня, и магистраль высокого давления, подводящую сжатый компрессором воздух, к впускному клапану второго впускного окна после прохождения поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия.

12. Двигатель по п. 11, дополнительно содержащий второй внешний компрессор, в котором заряд воздуха подвергается сжатию вне цилиндра и направляется к окну низкого давления силового цилиндра во время хода впуска.

13. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий создание заряда воздуха; регулирование температуры, плотности и давления заряда воздуха; передачу заряда воздуха в силовой цилиндр двигателя; при этом возможно регулирование и изменение веса и плотности заряда воздуха с получением такого заряда воздуха, вес и плотность которого выбраны в диапазоне от величин, уступающих нормальным величинам веса и плотности, до величин, превышающих эти величины; подачу в цилиндр и сохранение в нем заряда воздуха низкого давления, уступающего нормальному по величине и полученного во время впускного хода поршня; подачу в цилиндр заряда воздуха высокого давления после прохождения поршнем нижней мертвой точки; сжатие заряда воздуха, так что эффективная степень сжатия меньше нормальной; образование горючей смеси из заданного количества зарядного воздуха и топлива; создание условий для воспламенения этой смеси в силовом цилиндре; и обеспечение возможности расширения газообразных продуктов сгорания с воздействием на поршень, действующий в силовом цилиндре, причем степень расширения этих силовых цилиндров значительно превышает эффективную степень сжатия силовых цилиндров двигателя.

14. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один дополнительный компрессор для сжатия заряда воздуха, имеющий выходное отверстие; промежуточный охладитель, через который выборочно направляется для охлаждения сжатый воздух; силовые цилиндры, в которых сжатый воздух в присутствии топлива воспламеняется и расширяется; поршень, действующий в каждом силовом цилиндре и присоединенный посредством соединительного звена к коленчатому валу для вращения коленчатого вала под действием возвратно-поступательного перемещения каждого поршня; передающий коллектор, который соединяет впускное отверстие для воздуха низкого давления с силовыми цилиндрами и через который воздух низкого давления передается в силовые цилиндры; передающий трубопровод, сообщающий выпускное отверстие компрессора с управляющим клапаном и промежуточным охладителем; передающий коллектор, который сообщает промежуточный охладитель с силовыми цилиндрами и через который передается сжатый воздух, предназначенный для поступления в силовые цилиндры; впускной клапан, управляющий поступлением сжатого воздуха из передающего коллектора в силовые цилиндры; выпускной клапан, управляющий выпуском выхлопных газов из силовых цилиндров; и средства выборочного регулирования работы компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается сжатый заряд воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре после поступления в цилиндры заряда низкого давления.

Приоритет по пунктам:25.10.1996 по пп. 1, 3 - 14;23.05.1997 по п. 2.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30, Рисунок 31, Рисунок 32, Рисунок 33, Рисунок 34, Рисунок 35, Рисунок 36, Рисунок 37, Рисунок 38, Рисунок 39

www.findpatent.ru

Двигатель внутреннего сгорания (двигатель баскакова)

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат изобретения заключается в возможности создания ДВС с повышенными технико-экономическими показателями и сниженными массогабаритными параметрами. Согласно изобретению ДВС включает в себя цилиндр, размещенный в нем поршень, крышку цилиндра, распределительный и коленчатый валы. Коленчатый вал выполнен таким образом, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки больше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек коленчатого вала. При этом в верхней мертвой точке часть шатунной шейки размещена в прорезанном поясе цилиндра. Шатун оснащен ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки коленчатого вала и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну, опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на одну шейку. В приводе распределительного вала установлено устройство управления при синхронном вращении распределительного и коленчатого валов, обеспечивающее смещение угла поворота распределительного вала относительно угла поворота коленчатого вала. Между распределительным валом и его приводом размещено устройство регулирования режима двигателя, обеспечивающее изменение угла поворота распределительного вала относительно своего привода, а следовательно, и относительно коленчатого вала. Открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня. При этом закрытое запорное устройство либо впускного, либо выпускного канала отделяет часть этого канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который имеет разнообразные компоновочные схемы [1] и содержит коленчатый вал, шатуном соединенный с поршнем, размещенным в цилиндре, накрытым крышкой. Поршень имеет жаровой, уплотнительный и направляющий пояса [2]. Направляющий пояс поршня удерживает поршневую головку шатуна в прямолинейном перемещении и компенсирует возникающую в ней боковую (нормальную) силу N [3]. Необходимо учитывать, что отношение хода поршня к его диаметру S/D увеличивается, если в нижнем поясе стенок цилиндра выполнена прорезь для прохода шатуна при отклонениях от оси цилиндра [4].

Известно, что ДВС с высоким значением S/D и λ экономичнее в топливном отношении [5], [6].

Известен крейцкопфный ДВС, который содержит коленчатый вал, при помощи шатуна и штока соединенный с поршнем, размещенным в цилиндре, накрытым крышкой. Шатун и шток сочленены с поперечиной, оснащенной ползуном, который размещен в направляющей [7]. Направляющая, ползун и поперечина образуют крейцкопфный узел, который удерживает поршневую (верхнюю) головку шатуна в прямолинейном перемещении и компенсирует боковую силу. Ползун имеет две поверхности скольжения. Одна опирается на закрепленную в корпусе направляющую, другая, соединенная с поперечиной, на две траверсы, скрепленные с направляющей. В таком ДВС отношение S/D достигает двух и более единиц [8], а длина шатуна Lш в 3,5÷4 раза больше радиуса кривошипа [9], что существенно повышает топливную экономичность двигателя.

Однако крейцкопфные ДВС-тихоходные имеют большую высоту и вес.

Известно изготовление коленчатого вала ДВС [10] таким образом, что он состоит из коренных шеек (оси), скрепленных со щеками, в свою очередь щеки скреплены между собой шатунной шейкой (кривошипом), при этом радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки меньше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек.

Такое устройство кривошипа и щек не позволяет приблизить к оси коленчатого вала нижнюю кромку цилиндра.

Шатун ДВС [11] состоит из стержня, оснащенного верхней (поршневой) и нижней (кривошипной) головками. Кривошипная головка имеет разъемную плоскосимметричную проушину и крепится к кривошипу коленчатого вала. В V-образном двигателе, цилиндры которого размещены в разных плоскостях, перпендикулярных оси коленчатого вала, шатуны размещены на одном кривошипе в разных плоскостях, или в одной плоскости, один из шатунов при этом вильчатый (внешний) и центральный (внутренний).

Известно устройство ДВС, где к кривошипной головке шатуна (основного шатуна) [12] подсоединяется прицепной шатун, соединенный с поршнем другого ряда цилиндров. Здесь оси цилиндров размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, однако имеются различия в кинематике движений поршней главного и прицепного рядов цилиндров.

В известных двухтактных ДВС газораспределение производится за счет разности давления на впуске в цилиндр и выпуске из него по каналам и окнам в стенке цилиндра [13]. Проделанные в цилиндре окна открываются и закрываются поршнем в результате его перемещения вблизи нижней мертвой точки (н.м.т.). При этом ход поршня, отведенный на перекрытие окон, отнимает от тактов расширения и сжатия часть хода поршня и часть поворота коленчатого вала. Качественную очистку цилиндра от продуктов сгорания обеспечивает геометрическая форма каналов и продувочных окон цилиндра, которые создают необходимое направление потоку поступающего в цилиндр свежего заряда.

Вместе с тем в продувочных окнах двухтактного ДВС скапливается, затем выбрасывается в выпускной канал и рабочий объем цилиндра смазочное масло, что увеличивает расход масла и снижает экологические показатели ДВС.

В известных четырехтактных ДВС газораспределение производится путем свободного выпуска и вытеснения поршнем продуктов сгорания и втягивания (всасывания) в цилиндр свежего заряда по выпускному и впускному каналам, которые выполнены в крышке цилиндра и оснащены запорными устройствами (клапанами). Здесь на газообмен затрачивается один оборот коленчатого вала, два хода поршня, а так же значительная часть хода поршня и поворота коленчатого вала от тактов «расширение» и «сжатие».

Данная организация газообмена ДВС эффективна, однако в два раза увеличивает число оборотов в цикле, что снижает литровую мощность, увеличивает износ и механические потери в сравнении с двухтактным ДВС.

Режим работы ДВС обеспечивается дополнительными приборами, входящими в систему питания двигателя.

В известных ДВС с внутренним смесеобразованием (дизельный процесс) режим работы обеспечивается путем изменения количества подачи топлива в цилиндр. Различное количество топлива в цилиндр подает топливный насос высокого давления, оснащенный регулятором прямого действия [14], причем количество подаваемого в цилиндр топлива регулируется и оператором, и автоматически.

Вместе с тем в ДВС с внутренним смесеобразованием количество поступающего в цилиндр воздуха в цикле остается неизменным, что отрицательно сказывается на протекании рабочих процессов, снижает технико-экономические показатели ДВС.

В известных ДВС с внешним смесеобразованием режим работы регулируется путем подачи в цилиндр меньшего количества рабочей смеси, при этом в цилиндре изменяется давление сжатия, что отрицательно сказывается на протекании рабочих процессов, снижает технико-экономические показатели ДВС.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в возможности создания ДВС с повышенными технико-экономическими показателями и сниженными массогабаритными параметрами.

Согласно изобретению ДВС включает в себя цилиндр, размещенный в нем поршень, крышку цилиндра, распределительный и коленчатый валы. Коленчатый вал выполнен таким образом, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки больше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек коленчатого вала. При этом в верхней мертвой точке часть шатунной шейки размещена в прорезанном поясе цилиндра. Шатун оснащен ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки коленчатого вала и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну, опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на одну шейку. В приводе распределительного вала установлено устройство управления при синхронном вращении распределительного и коленчатого валов, обеспечивающее смещение угла поворота распределительного вала относительно угла поворота коленчатого вала. Между распределительным валом и его приводом размещено устройство регулирования режима двигателя, обеспечивающее изменение угла поворота распределительного вала относительно своего привода, а следовательно, и относительно коленчатого вала.

Открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня. При этом закрытое запорное устройство либо впускного, либо выпускного канала отделяет часть этого канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

Сущность изобретения состоит в том, что:

1. В нижней мертвой точке уплотнительный пояс поршня размещен выше нижней кромки цилиндра, размещенной (образовавшейся) в прорези стенок цилиндра (выше нижней кромки цилиндра, размещенной в его прорези для прохода шатуна), а направляющий пояс - ниже той же кромки.

Прорезанный пояс цилиндра имеет такую высоту, которая обеспечивает устойчивость поршня от опрокидывания. Высота направляющего пояса поршня может быть как равной высоте прорезанного пояса цилиндра, так и более продолжительной (высокой). Продолжительный направляющий пояс поршня в нижней мертвой точке размещен в цилиндре консольно, при этом ось соединения верхней головки шатуна с поршнем размещена на консоли. Продолжительная (высокая) часть поршня необходима для получения большего отношения S/D, т.к. чем больше расстояние от оси поршневой головки шатуна, размещенной в н.м.т. до кромки цилиндра, за которую может задеть шатун при отклонении, тем больше отношение S/D достигается.

2. Радиус окружности, описанной удаленной от оси коленчатого вала поверхностью шатунной шейки, больше радиуса окружности, описанной удаленной от той же оси поверхностью щеки коленчатого вала. При этом в верхней мертвой точке (в.м.т.) удаленная от оси коленчатого вала часть кривошипа размещена в цилиндре (цилиндровой прорези для прохода шатуна). Такое мероприятие проведено для сокращения расстояния от верхней кромки цилиндра до оси коленчатого вала, что, в свою очередь, снижает массу поступательно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма и всего двигателя.

3. ДВС, имеющий более одного цилиндра, оси которых размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, имеет шатун, оснащенный ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну (наружная), опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает наружные поверхности всех ползунов, размещенных на данной (на одной) шатунной шейке.

Так шатуны закрепляются на шейке вала, при этом ось шатуна пересекается с осью шатунной шейки. Такое устройство шатуна и соединения шатун-кривошип позволяет разместить в одной плоскости два и более шатуна, т.е. получить схемы компоновки как V-образных, так и звездообразных ДВС.

4. При открытом клапане размещенный в крышке цилиндра впускной канал направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, закрытый клапан того же канала отделяет часть канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

Такое мероприятие позволяет организовать работу ДВС по двухтактному циклу без продувочных окон в цилиндре.

5. Установленное в крышке цилиндра на впускном канале запорное устройство в открытом положении направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, в закрытом положении данное запорное устройство является поверхностью рабочего объема цилиндра и какой-либо полости не образует. Закрытый клапан выпускного канала отделяет часть канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

Устройство ДВС по пунктам 4 и 5 может иметь различное, в том числе нижнее расположение выпускного клапана (запорного устройства), при этом каналы и клапана могут быть выполнены как в блоке цилиндра (корпусе ДВС), так и в крышке цилиндра. При нижнем расположении клапана камера сгорания (начало выпускного канала) выполняется в крышке цилиндра и объединяет (накрывает) клапан и часть цилиндра. Таким образом, в крышке цилиндра увеличивается площадь для размещения впускного и других органов.

6. Устройство, регулирующее (устанавливающее) режим ДВС, размещено между распределительным валом и его приводом. При помощи данного устройства от воздействия оператора или автоматически при изменении числа оборотов коленчатого вала изменяется угол поворота распределительного вала относительно своего привода, что приводит к изменению моментов срабатывания запорных устройств впускного и выпускного каналов. Так в цилиндре заключается меньшее или большее количество свежего заряда, что изменяет или сохраняет режим ДВС.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее.

На фиг.1-3 изображена схема предлагаемого ДВС с отношением хода поршня к его диаметру S/D, равным 1,5 ед. и различным расположением кривошипно-шатунного механизма.

На фиг.4, 4а и 5 изображены схемы предлагаемого соответственно длинноходного и короткоходного ДВС с одинаковым диаметром цилиндра и отношением S/D, равным 2,2 и 0,67 ед., накрытых крышкой с различным расположением газораспределительных каналов и их запорных устройств.

На фиг.6 изображена схема предлагаемого соединения шатун-кривошип V-образного ДВС, имеющего расположение осей цилиндров в одной плоскости и отношение S/D=1,3 ед.

На фиг.7 и 8 изображена схема размещения на одном кривошипе соответственно трех и четырех шатунов в одной плоскости и наличием удерживающих муфт с одной и двух сторон от шатуна.

На фиг.9-11 изображена схема расположения кривошипа и поршня в момент срабатывания запорных устройств впускного и выпускного каналов при работе ДВС на различных режимах.

На фиг.12 изображена схема размещения кривошипа и поршня при смене фаз газораспределения двухтактного ДВС ЯМЗ-204, 206 (Ярославского моторного завода).

На фиг.13 изображена схема размещения кривошипа и поршня при смене фаз газораспределения четырехтактного двигателя ЗиЛ-130 (Московского завода им. И.А.Лихачева), развернутая по оси цилиндра относительно н.м.т.

На фиг.14 изображена диаграмма фаз газораспределения и хода поршня двигателя ЗиЛ-130 в процентах от цикла.

На фиг.15 изображена диаграмма фаз газораспределения и хода поршня предлагаемого двигателя в процентах от цикла.

ДВС содержит (см. фиг.2) коленчатый вал 1 (коренная шейка), в разрыве которой установлено две щеки 2, соединенные между собой кривошипом 3 (шатунная шейка). К шатунной шейке крепится шатун 4, верхняя головка которого соединена с поршнем 5, размещенным в цилиндре 6. Щеки коленчатого вала скреплены с шатунной шейкой так, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности кривошипа Rпк больше, чем радиус удаленной от той же оси поверхности щек Rпщ (см. фиг.3). На фигурах заштрихованная часть кривошипа является сечением места скрепления со щекой. Ось коленчатого вала и ось цилиндра могут быть смещенными относительно друг друга и лежать в разных плоскостях (дезаксиальный к.ш.м., см. фиг.4, 6, 7, 8 расстояние «а»). Стенки цилиндра в нижнем поясе оснащены прорезями для прохода шатуна (прорезью цилиндра, цилиндровая прорезь), что позволяет увеличить расстояние от оси коленчатого вала до нижней кромки цилиндра, за которую может задеть шатун при отклонениях. Наряду с известным размещением поршня в цилиндре в нижней мертвой точке, здесь поршень может размещаться так (фиг.1, 4, 5), что его уплотнительный пояс лежит выше нижней кромки цилиндра, которая в прорези, а направляющий - ниже той же кромки. При этом высота направляющего пояса поршня и высота прорезанного пояса цилиндра обеспечивают устойчивость поршня от опрокидывания. Устойчивость поршня сохраняется и тогда, когда ось соединения поршня с шатуном размещена под нижней кромкой цилиндра (фиг.4).

Сверху цилиндр накрыт крышкой 7 (см. фиг.2), оснащенной выпускным каналом 8 с запорным устройством (клапаном) 9 и впускным каналом 10, с запорным устройством (клапаном) 11. Запорное устройство 11 в закрытом положении отделяет от канала 10 камеру сгорания 12. Расположение впускного канала и его клапана в крышке цилиндра может быть различным и зависит от геометрической формы камеры сгорания. Вместе с тем форма камеры сгорания направляет поток свежего заряда в цилиндр, обеспечивая тем самым эффективную очистку цилиндра от продуктов сгорания.

В другом варианте организации газообмена (см. фиг.4 и 4а) впускной канал 10 оснащен запорным устройством 13, которое в закрытом положении не образует камеру сгорания, а в открытом положении направляет поток свежего заряда в цилиндр, обеспечивая тем самым эффективную очистку цилиндра от продуктов сгорания. При этом перед закрытым запорным устройством выпускного канала образуется полость (камера сгорания) 14.

Двигатель с числом цилиндров более одного в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала (см. фиг.6-8), имеет шатун 15, оснащенный ползуном 16. Ползун огибает часть поверхности кривошипа 3 и опирается на него. Прикрепленная к шатуну 15 поверхность ползуна 16 имеет обработанный для скольжения пояс, который опирается на муфту 17 и 18. Муфта состоит из двух частей (не показано) и в собранном виде охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на один кривошип. Муфта может размещаться с одной или с двух сторон от шатуна (см. фиг.7, 8 поз.17, 18). Так закрепляются шатуны на кривошипе. При этом ось шатуна пересекается с осью верхней головки шатуна и осью кривошипа. Такое устройство шатуна и соединения шатун-кривошип позволяет разместить в одной плоскости два и более шатуна, т.е. получить схемы компоновки как V-образных, так и звездообразных ДВС.

Для регулирования режима ДВС в двигателе между распределительным валом и его приводом установлено устройство (не изображено), обеспечивающее опережение или отставание момента срабатывания кулачка относительно привода распредвала. Таким устройством может быть устройство, идентичное автоматическому регулятору числа оборотов, установленному в топливных насосах высокого давления.

Под воздействием инерционных сил или внешних сил при запуске кривошип и поршень перемещаются от нижней мертвой точки к верхней (см. фиг.9-11 и 1-3). На фиг.9-11 точки А и В соответствуют началу и концу срабатывания запорных устройств впускного и выпускного каналов, а I, II, III, - повороту кривошипа и ходу поршня соответственно при сжатии, расширении и газообмене в цилиндре. По приходу кривошипа в точку А (см. фиг.9) закрываются сначала выпускной 9 (фиг.2), затем впускной 11 клапаны, начинается процесс сжатия рабочей смеси. После закрытия впускного клапана 11 в канале 10 образовалась камера сгорания 12, в которую поршень вытесняет заключенное в цилиндре рабочее тело. По достижении кривошипа и поршня пространства вблизи в.м.т. перемещенное в камеру рабочее тело сгорает, создавая избыточное давление газов. После прохода в.м.т. кривошип и поршень под давлением газов перемещаются к н.м.т. В точке В открывается выпускной 9, затем впускной 11 клапаны. При открытых клапанах из цилиндра по выпускному каналу 8 вытекают отработанные газы, а по впускному каналу 10 и камере сгорания 12 в цилиндр поступает свежий заряд. При этом геометрическая форма выхода из камеры сгорания в цилиндр формирует и направляет поток свежего заряда вдоль стенки цилиндра к поршню. Таким образом в цилиндре протекает свободный выпуск, затем продувка - наполнение свежим зарядом. Пройдя н.м.т. кривошип и поршень перемещаются к в.м.т. В точке А впускной и выпускной каналы закрываются, газообмен в цилиндре заканчивается, начинается сжатие свежего заряда и цикл повторяется.

В случае установки на впускном канале 10 запорного устройство 13 (например, золотник) камера сгорания 14 выполняется в выпускном канале (см. фиг.4 и 4а), при этом поток свежего заряда в цилиндр формирует и направляет запорное устройство 13. Срабатывание запорных устройств (открытие, закрытие) осуществляется кулачками распредвала. Золотниковое устройство, имея привод от распредвала, может качаться, а так же вращаться с числом оборотов вдвое меньше. Геометрическая форма кулачка определена конструктивно на необходимый угол действия. От воздействия оператора на устройство, регулирующее режим ДВС, изменяется угол поворота распределительного вала относительно своего привода (относительно коленчатого вала). Тогда в момент срабатывания клапанов будет меняться место расположения кривошипа и поршня. Так (см. фиг.9-11), если клапаны закроются, когда кривошип будет находиться в точке A1, поршень разместится ближе к в.м.т., свежего заряда в цилиндре будет меньше, с коленчатого вала будет снято меньше мощности. Если клапаны закроются в точке А2, то в цикле будет участвовать большее количество свежего заряда, с коленчатого вала будет снято больше мощности.

Источники информации

1. Книга под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова «Двигатели внутреннего сгорания» «Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1984 г., стр.9, Компоновочные схемы двигателей.

2. Книга 1, стр.118÷119, рис.72, 73 и стр.122, рис.79.

3. Книга 1, стр.61, рис.32.

4. Книга под редакцией А.Э.Симсона «Тепловозные двигатели внутреннего сгорания», Москва, «Транспорт», 1987 год, стр.306, рис.130.

5. Книга 1, стр.361, третья сноска на поля.

6. Книга под редакцией А.С.Орлина и др. «Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1977 г., стр.26, параграф «Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна», а также предыдущий параграф.

7. Книга 1, стр.175.

8. Книга 1, стр.372, последний абзац.

9. Книга 1, стр.174, первый абзац.

10. Книга 1, стр.200, рис.145.

11. Книга 1, стр.168, рис.118.

12. Книга 1, стр.169, рис.119.

13. Книга под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова «Двигатели внутреннего сгорания» «Теория поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1983 г., стр.74, рис.38.

14. Книга под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова «Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1985 год, стр.347, параграф 4.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень, крышку цилиндра, распределительный вал, отличающийся тем, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки больше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек коленчатого вала, при этом в верхней мертвой точке часть шатунной шейки размещена в прорезанном поясе цилиндра, шатун оснащен ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки коленчатого вала и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну, опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на одну шейку, в приводе распределительного вала установлено устройство управления при синхронном вращении распределительного и коленчатого валов, обеспечивающее смещение угла поворота распределительного вала относительно угла поворота коленчатого вала, между распределительным валом и его приводом размещено устройство регулирования режима двигателя, обеспечивающее изменение угла поворота распределительного вала относительно своего привода, а следовательно, и относительно коленчатого вала.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, закрытое запорное устройство впускного канала отделяет часть этого канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, закрытое запорное устройство выпускного канала отделяет часть выпускного канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

www.findpatent.ru


Смотрите также