способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

Классы МПК:F02B3/04 рабочие процессы 
F02B25/10 имеющими разные диаметры или разную длину хода 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Плескачевский Юрий Григорьевич
Приоритеты:
подача заявки:
1998-08-04
публикация патента:

Изобретение относится к созданию ДВС и может быть использовано для разработки и при эксплуатации двух- и четырехтактных ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием. Для этого предусмотрена возможность значительного (в несколько раз) увеличения времени на подготовку топлива к сгоранию. Благодаря этому внутрицилиндровый процесс сгорания переводится на молекулярный уровень. В результате появляется возможность обеспечить полное сгорание топлива различного состава. Способ работы ДВС заключается в том, что, с одной стороны, разделяются камеры нагнетания и сгорания, а с другой, процесс организовывают так, что давление в камере нагнетания в завершающей стадии сжатия должно превышать давление в камере сгорания. Причем камеры разделены во всех процессах цикла, кроме процесса II (досжатие и подача окислителя в камеру сгорания). Данную особенность удалось осуществить благодаря конструкции поршня, обеспечивающей расширение функций этого устройства. Наличие подвижной перфорированной шайбы и пружины, а также соответствующее расположение каналов относительно концентрической полки поршня позволяют разобщать, а в нужный момент сообщать камеры нагнетания и сгорания при сохранении основных функций поршня. Предложенное устройство позволяет сместить зону с максимальными термическими и механическими градиентами в сторону за ВМТ, что благоприятно сказывается на механических и термодинамических характеристиках рабочего цикла двигателей. Изобретение направлено на повышение экономичности, надежности и улучшение экологических показателей двигателей (как транспортных, так и стационарных). 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Формула изобретения

1. Способ работы ДВС, включающий процессы сжатия окислителя (воздуха) путем уменьшения рабочего объема двигателя, разобщения и последующего сообщения камер нагнетания и сгорания, подачи и испарения топлива, перемешивания топлива с окислителем, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания с преобразованием тепловой энергии в механическую энергию поршня, связанного с валом двигателя, удаления отработавших газов и наполнения рабочего объема двигателя свежей порцией окислителя, отличающийся тем, что сжатие среды с окислителем производят отдельно от сжатия горячих газов камеры сгорания, обеспечивая превышение давления среды с окислителем и по достижении заданного превышения окислитель направляют для контакта с парами топлива, которые получают за счет опережения подачи топлива в горячие газы камеры сгорания, причем энергию, образующуюся в процессе сгорания топлива и расширения продуктов сгорания, передают на поршень, связанный с валом двигателя через сжимаемую среду, не участвующую в процессе сгорания, а удаление отработавших газов производят с регенерацией их теплоты для получения горячих газов камеры сгорания, при этом наполнение двигателя свежей порцией среды с окислителем проводят так, что окислитель не перемешивают с горячими газами камеры сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что моменты подачи топлива и окислителя в камеру сгорания выбирают, исходя из теплофизических свойств данного вида топлива так, чтобы к моменту их контакта обеспечить максимальную газификацию топлива при минимальной негативной полимеризации и коагуляции его молекул.

3. ДВС, состоящий хотя бы из одного цилиндра с органами топливоподачи и клапанами выпуска, установленными в крышке цилиндра, впускными окнами, размещенными в корпусе цилиндра, двух поршней, совершающих возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, причем один из них разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, отличающийся тем, что поршень, разделяющий рабочий объем на камеры нагнетания и сгорания, выполнен не связанным кинематически с коленчатым валом двигателя и совершает возвратно-поступательное движение под действием разности давлений в камерах, но не дальше упоров, установленных внутри цилиндра со стороны его крышки, снабжен каналами, имеющими возможность сообщать и разобщать камеры нагнетания и сгорания, и элементами управления сообщением и разобщением этих камер.

4. ДВС по п.2, отличающийся тем, что поршень, разделяющий камеры, выполнен в виде полого цилиндра, внутренняя полость которого ограничена по торцам концентрическими полками, между которыми размещаются перфорированная шайба, имеющая возможность перемещаться внутри этой полости вдоль оси поршня, и цилиндрическая пружина, управляющая сообщением и разобщением камер и упирающаяся с одной стороны в концентрическую полку со стороны камеры сгорания, а с другой - в шайбу, прижимая последнюю к полке со стороны камеры нагнетания, причем каналы, перфорирующие шайбу, выполнены в виде специальным образом спрофилированных с тангенциальной ориентацией отверстий, расположенных по периферии шайбы, что радиус окружности Rп, образованной центрами близлежащих к оси цилиндра отверстий, перфорирующих шайбу, определяется из условия

Rп = R0 + r + m,

где R0 - радиус внутренней расточки концентрической полки со стороны камеры нагнетания;

r - радиус каналов, перфорирующих шайбу;

m - необходимый запас на перекрытие.

5. ДВС по п.3, отличающийся тем, что упоры, установленные внутри цилиндра и ограничивающие перемещения поршня, разделяющего камеры, выполнены в форме осесимметричного перехода внутренней расточки цилиндра на меньший диаметр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разработки, создания и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, в первую очередь, с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, но может быть использовано и в двигателях с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием.

В настоящее время известны способы работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), включающие сжатие среды с окислителем (например, воздуха) путем уменьшения рабочего объема двигателя, подачу и испарение топлива, перемешивание топлива с окислителем, сгорание топлива и расширение продуктов сгорания с преобразованием тепловой энергии в механическую энергию поршня, связанного с валом двигателя, удаление отработавших газов и наполнение цилиндра двигателя свежей порцией среды с окислителем. Такие способы работы изложены, например, в книге "Двигатели внутреннего сгорания. Теория и методы расчета", Москва, Энергоиздат, 1987 г. , и представлены, например, в патентах США 5143037, ФРГ 4111153; Франции 2660971; а также СССР 1712639.

Известны также способы работы ДВС, в которых имеются два цилиндра или две камеры: нагнетания (сжатия) и сгорания (горючей смеси), которые последовательно разобщаются и сообщаются, при нахождении поршня, связанного с валом двигателя, в районе верхней мертвой точки (ВМТ), изложенные, например, в патентах США 3934560, 4332229, 4455976, 4630447; Великобритании 1574879, 2079365; ФРГ 4134404; РФ 1751372, 18004569, 1822465, 2008462, 2022136, 2032818, 2033541.

Известны так же устройства ДВС, состоящие хотя бы из единого цилиндра с органами топливоподачи и клапанами выпуска, установленными в крышке цилиндра, впускными окнами, размещенными в корпусе цилиндра, двух поршней, совершающих возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, причем один из них разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, при этом поршни кинематически связаны с валом двигателя, см., например, патенты США 1635742, 3863613, ФРГ 4134044, Великобритании 1552741, РФ 1760139, 2017992, 2023186.

За прототип приняты способ по патенту РФ 2032818 и устройство по авторскому свидетельству СССР 1760139, как соответствующие предлагаемым по наибольшему числу совпадающих признаков.

Основным недостатком прототипов как способа, так и устройства, является общая для всех поршневых двигателей особенность, когда процессы нагрева, испарения топлива, перемешивания топлива с окислителем и основного сгорания топлива происходят всего за 30 ... 80o поворота коленчатого вала, т.е. на осуществление этих процессов отводится от десятых до нескольких миллисекунд. За такой короткий отрезок времени невозможно обеспечить качественную подготовку топлива к окислению, т.е. невозможно создать условия для протекания процессов окисления на молекулярном уровне. Именно динамика перехода топлива в газообразное состояние определяет полноту и качество сгорания топлива, т. е. экономичность двигателя и степень вредного воздействия на окружающую среду.

Некоторое повышение эффективности внутрицилиндровых процессов ожидается получить путем ступенчатого впрыска топлива в камеру сгорания за счет разобщения камер нагнетания и сгорания в конечной стадии сжатия. При этом в камеру сгорания в начале процесса окисления поступает высокообогащенная смесь, затем камеры сообщаются и в камеру сгорания добавляется остальная часть окислителя.

Однако осуществление такого технического решения, в частности по принятому прототипу, практически не устраняет основного недостатка: время, отводимое на подготовку топлива, остается ограниченным очень малым углом поворота коленчатого вала до ВМТ- интервал времени для перевода топлива в газообразное состояние остается на прежнем уровне. Предложенная в прототипе конструктивная реализация способа, которая является неотъемлемой и практически единственно возможной для данного способа, отличается громоздкостью и сложностью, с низкой эксплуатационной надежностью, особенно в узлах сопряжения поверхностей шибера, горловины и поршня. При этом не исключаются существенные недостатки поршневых двигателей - перетекание отработавших газов в картер двигателя и заброс масла в камеру сгорания.

К недостаткам прототипа устройства следует отнести жесткую зависимость объема камеры сгорания от положения коленчатого вала двигателя. Эта зависимость обусловлена кинематической связью обоих поршней с коленчатым валом двигателя, что вызывает рассогласование кинетики химических и термодинамических процессов. Любое рассогласование указанных процессов негативно влияет прежде всего на их качество и эффективность преобразования энергий внутри цилиндра.

Кроме того, в устройстве-прототипе не исключается " жесткая" работа двигателя, перетекание газов в картер и заброс масла в камеру сгорания, а также отсутствует возможность подрегулировок, которая необходима для многотопливных двигателей.

Целью изобретения является увеличение времени на подготовку топлива к сгоранию, достаточное для перевода его в газообразное состояние до момента контакта с окислителем, и на этой основе повышение эффективности протекания процесса окисления; расширение состава используемых топлив и снижение вредных выбросов в атмосферу; улучшение способа преобразования тепловой энергии в механическую работу, исключение "жесткости" работы и перетекания газов в картер и масла в камеру сгорания, а также повышение надежности двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в способе работы ДВС, включающем процессы сжатия окислителя (воздуха) путем уменьшения рабочего объема двигателя, разобщения и последующего сообщения камер нагнетания и сгорания, подачи и испаренния топлива, перемешивания топлива с окислителем, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания с преобразованием тепловой энергии в механическую энергию поршня, связанного с валом двигателя, удаления отработавших газов и наполнения рабочего объема двигателя свежей порцией окислителя, вводятся новые признаки, а именно сжатие среды с окислителем производят отдельно от сжатия горячих газов камеры сгорания, обеспечивая превышение давления среды с окислителем и при достижении заданного превышения, окислитель направляют для контакта с парами топлива, которые получают за счет опережения подачи топлива в горячие газы камеры сгорания, причем энергию, образующуюся в процессе сгорания топлива и расширения продуктов сгорания, передают на поршень, связанный с валом двигателя, через сжимаемую среду, не участвующую в процессе сгорания, а удаление отработавших газов производят с регенерацией их теплоты для получения горячих газов камеры сгорания, при этом наполнение двигателя свежей порцией среды с окислителем проводят так, что окислитель не перемешивают с горячими газами камеры сгорания. Цель так же достигается тем, что моменты подачи топлива и окислителя в камеру сгорания выбирают исходя из теплофизических свойств данного вида топлива так, чтобы к моменту их контакта обеспечить максимальную газификацию топлива при минимальной негативной полимеризации и коагуляции его молекул.

Цель изобретения достигается в устройстве тем, что в ДВС, состоящем хотя бы из одного цилиндра с органами топливоподачи и клапанами выпуска, установленными в крышке цилиндра, впускными окнами, размещенными в корпусе цилиндра, двух поршней, совершающих возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, причем один из них разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, вводятся новые признаки. Так поршень, разделяющий рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, выполнен не связанным кинематически с коленчатым валом двигателя и совершает возвратно-поступательное движение под действием разности давлений в камерах, но не дальше упоров, установленных внутри цилиндра со стороны его крышки, и в его конструкцию введены новые элементы: каналы, имеющие возможность сообщать и разобщать камеры нагнетания и сгорания и элементы управления сообщением и разобщением этих камер. Предложено одно из возможных конструктивных исполнений такого поршня, а именно: поршень выполнен в виде полого цилиндра, внутренняя полость которого ограничена по торцам концентрическими полками, между которыми размещаются перфорированная шайба, имеющая возможность перемещаться внутри этой полости вдоль оси поршня, и цилиндрическая пружина, управляющая сообщением и разобщением камер, и упирающаяся с одной стороны в концентрическую полку со стороны камеры сгорания, а с другой - в шайбу, прижимая последнюю к торцевой полке со стороны камеры нагнетания. Шайбу перфорируют каналы, которые выполнены в виде специальным образом спрофилированных с тангенциальной ориентацией отверстий, расположенных по периферии шайбы так, что радиус окружности RП, образованной центрами близлежащих к оси поршня отверстий, перфорирующих шайбу определяется по зависимости

RП = Ro+r+m,

где Ro - радиус внутренней расточки концентрической полки со стороны камеры нагнетания; r - радиус самих отверстий; m - необходимый запас на перекрытие.

Упоры, установленные внутри цилиндра, ограничивающие перемещение этого поршня в сторону крышки цилиндра, в данном устройстве выполнены в форме осесимметричного перехода внутренней стенки цилиндра на меньший диаметр.

На фиг. 1 представлены схема предлагаемого устройства и сопряженная с ней диаграмма перемещения поршней. На фиг.2 и 3 представлена конструкция поршня, разделяющего рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания в положении на упорах. Причем на фиг.2 положение элементов, входящих в состав поршня, соответствует состоянию, когда перепад давлений между нагнетательной камерой и камерой сгорания меньше заданного, а на фиг.3 положение тех же элементов соответствует состоянию, когда перепад давлений между нагнетательной камерой и камерой сгорания больше заданного.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - шток, связывающий поршень с коленчатым валом двигателя (последний не показан); 2 - поршень, кинематически связанный с коленчатым валом двигателя; 3 - цилиндр двигателя; 4 - поршень (на фиг. 2, 3 - корпус поршня), разделяющий камеры; 5 - выпускной клапан; 6 - впускные окна; 7 - перфорированная шайба; 8 - прижимная пружина; 9 - упор для ограничения перемещения поршня 4; 10 - каналы перфорирующие шайбу 7; цифрами 11, 12 - обозначены концентрические торцевые полки, являющиеся частью корпуса поршня 4, которые ограничивают его внутреннюю полость, причем полка 11 ограничивает эту полость со стороны камеры сгорания, а 12 со стороны камеры нагнетания.

На диаграмме (фиг.1) сплошной линией изображается перемещение поршня 4, а пунктирной - поршня 2, по оси ординат откладываются координаты перемещения поршней по высоте цилиндра, причем H - относится к положениям поршня 2, a h - поршня 4. По оси абсцисс - градусы поворота коленчатого вала (oПКВ). Римскими цифрами обозначены основные процессы, на которые условно разбит цикл предлагаемого способа. Здесь: I - сжатие; II - досжатие и подача окислителя в камеру сгорания; III - сгорание топлива; IV - расширение продуктов сгорания, рабочий ход; V - вытеснение и выпуск отработанных газов: VI - создание разряжения в цилиндре; VII - наполнение нагнетательной камеры.

Кроме того, приняты следующие обозначения: Ho и O - координаты поршня 2 при его положениях в ВМТ и НМТ соответственно; h0 - координата упора 9, а значит максимального по высоте положения поршня 4; OH1 - высота впускных окон 6; H - полная высота рабочего цилиндра. На этой же фигуре на схеме устройства сплошными линиями изображены положения поршней 2 и 4, соответствующие моменту начала процесса сжатия, а пунктирными - моменту, соответствующему положению поршня 2 в ВМТ.

Все конструктивные элементы, за исключением поршня 4 и упоров 9, выполняют обычные для ДВС конструктивные функции и поэтому не требуют подробного описания. По этой причине некоторые из них, например коленчатый вал и топливные форсунки, не показаны на рисунках.

Поршень 4 (см. фиг. 2 и 3) представляет собой цилиндрическую втулку с внутренней соосной расточкой, образующей внутреннюю полость, ограниченную по торцам концентрическими полками 11 и 12. В этой полости расположены перфорированная шайба 7 и прижимная пружина 8. Пружина одним концом упирается в торцевую концентрическую полку 11, а другим - в шайбу 7, прижимая эту шайбу к другой торцевой концентрической полке 12. Шайба 7 представляет собой диск с наружным диаметром, позволяющим ей свободно перемещаться во внутренней полости поршня 4 вдоль его оси. Шайба перфорирована каналами 10. Эти каналы представляют собой сквозные отверстия и служат для сообщения между собой нагнетательной камеры и камеры сгорания. Сами каналы располагаются таким образом, чтобы при плотном прилегании шайбы 7 к торцевой полке 12, последняя полностью перекрывала вход в эти каналы со стороны нагнетательной камеры и т.о. разобщала камеры. Выполнению этого требования соответствует условие:

RП = Ro+r+m,

где RП - радиус, описываемый центрами близлежащих к оси поршня 4 каналов 10; Ro - внутренний радиус концентрической торцевой полки 12; r - радиус самих каналов 10; m - величина перекрытия, которая выбирается по условиям обеспечения разделения камер при прижатии шайбы к этой полке.

Указанная конструкция поршня 4 обеспечивает разделение рабочего объема цилиндра 3 на нагнетательную камеру и камеру сгорания, перемещение поршня и сжатие среды в камере с меньшим давлением, разобщение и сообщение камер при определенных соотношениях давлений в них.

Объем между крышкой цилиндра и поршнем 4 представляет объем камеры сгорания, а объем между поршнем 4 и поршнем 2 - объем нагнетательной камеры.

Перемещение поршня 4 происходит под воздействием разности давления между камерами в сторону камеры с меньшим давлением. Такой процесс продолжается до момента выравнивания давлений в камерах. При этом среда в камере с меньшим давлением сжимается, давление в ней возрастает.

Сообщение и разобщение камер происходит при определенном перепаде давлений между камерами.

В тех случаях, когда усилие на перфорированную шайбу 7 со стороны камеры сгорания (давление газов камеры сгорания и усилие пружины 8) будет больше усилия со стороны нагнетательной камеры (давление газа в нагнетательной камере на площадь перфорированной шайбы 7, ограниченную радиусом R0 концентрической полки 12, то шайба 7 будет плотно прижата к торцовой полке 12 и каналы 10 будут перекрыты этой полкой - камеры разобщены. Такому состоянию соответствует положение элементов в поршне 4, изображенное на фиг. 2.

В случае, когда давление газов в камере сгорания и усилие пружины 8 на перфорированную шайбу 7 окажется меньше давления со стороны нагнетательной камеры, шайба 7 отойдет от полки 12 и газы (в том числе окислитель) из камеры нагнетания через каналы 10 начнут поступать в камеру сгорания - камеры сообщены. Такому состоянию соответствует положение элементов в поршне 4, изображенное на фиг.3.

Как следует из вышеизложенного, момент сообщения камер, т.е. величина перепада, при котором шайба 7 покидает полку 12, зависит от жесткости пружины и площади внутренней концентрической расточки торцевой полки 12, ограниченной радиусом R0.

Для того, чтобы обеспечить превышения давления газов находящихся, в камере нагнетания над давлением газов в камере сгорания, достаточно остановить перемещение свободного поршня 4 до момента достижения поршнем 2 его ВМТ, что и используется в данной конструкции.

Реализация предложенного способа заключается в следующем.

Перед началом процесса сжатия в камере сгорания, которая занимает объем цилиндра между координатами H и h1 (см. фиг.1), находятся горячие газы в необходимом для заданного режима работы и заданного вида топлива количестве. Объем цилиндра между координатами h1 и H1, который представляет собой начальный объем нагнетательной камеры, заполнен свежей порцией среды с окислителем (воздухом). Поршень 2, связанный с валом двигателя, находится в положении с координатой H1, а поршень 4, разделяющий камеры, в положении с координатой h1. Клапан выпуска 5 закрыт. Окна впуска 6 перекрыты поршнем 2 и таким образом нагнетательная камера отключена от магистрали подачи окислителя в камеру. Давление в камерах выравнено.

Предлагаемый способ включает следующие основные процессы.

Процесс сжатия. На диаграмме фиг.1 отмечен римской цифрой I. Осуществляется при перемещении поршня 2 в сторону ВМТ. При этом среда с окислителем, заполняющая нагнетательную камеру, сжимается, давление в камере повышается. Это давление воспринимает поршень 4. Поскольку в этот период прижимное усилие со стороны пружины 8 обеспечивает плотное прижатие перфорированной шайбы 7 к торцевой концентрической полке 12, исключается перетекание газа из камеры нагнетания в камеру сгорания. Сам поршень 4 перемещается под действием разности давлений в камерах в том же направлении, что и поршень 2, сжимая горячие газы камеры сгорания. Таким образом обеспечивается раздельное сжатие среды с окислителем, находящейся в нагнетательной камере, и горячих газов, находящихся в камере сгорания. Давление в обеих камерах растет пропорционально перемещению поршня 2. Такой процесс продолжается до момента, когда поршень 4 переместится до координаты h0, на которой установлен упор 9, ограничивающий перемещение поршня 4 по высоте цилиндра 3. В это время поршень 2 достигнет всего лишь координаты H2, не дойдя до ВМТ на расстояние равное (H0 - H2). Таким образом сохраняется возможность уменьшения объема нагнетательной камеры при сохранении объема камеры сгорания постоянным, т.е. сжатия и повышения давления только среды с окислителем.

Досжатие и подача окислителя в камеру сгорания. На фиг.1 - процесс II. Осуществляется при продолжающемся движении поршня 2 от координаты H2 к H0, т. е. в сторону ВМТ. При этом объем камеры сгорания не изменяется, т.к. поршень 4 находится на упоре 9 и не может перемещаться, отслеживая перемещение поршня 2. Сжатие газа в нагнетательной камере при неизменном объеме камеры сгорания обеспечивает превышение давления среды с окислителем над давлением горячих газов камеры сгорания. В начале процесса II положение элементов поршня 4 соответствует положению, изображенному на фиг.2. Хотя давление в нагнетательной камере начинает превышать давление в камере сгорания, перепад давлений между этими камерами меньше заданного, и за счет усилия пружины 8, которая настраивается именно на этот перепад, шайба 7 остается прижатой к полке 12 и элементы поршня 4 продолжают разобщать камеры, исключая перетекание среды с окислителем из нагнетательной камеры в камеру сгорания.

Как только перепад давлений между камерами достигнет и превысит давление со стороны пружины 8, т.е. достигнет заданного перепада срабатывания, перфорированная шайба 7 поднимется над концентрической полкой 12 и обеспечит доступ среды с окислителем через каналы 10 в камеру сгорания. Таким образом осуществляется подача окислителя в камеру сгорания. На фиг. 3 показано положение элементов поршня 4 в период сообщения камер, т.е. подачи окислителя в камеру сгорания после того, как давление со стороны нагнетательной камеры превысило давление со стороны пружины 8.

При перемещении поршня 2 в сторону ВМТ (координата H0) в нагнетательной камере будет сохраняться повышенное давление, так как объем ее будет уменьшаться, и будет продолжаться поступление окислителя в камеру сгорания. Протекая по профилированным каналам, среда с окислителем будет разгоняться до требуемой скорости и направляться так, чтобы обеспечивались необходимые условия завихренности и перемешивания этой среды с топливом.

Сгорание топлива. На диаграмме фиг.1 - участок III. Процесс сопровождается резким повышением давления газов в камере сгорания, которое значительно превысит давление в нагнетательной камере. При этом перфорированная шайба 7 плотно прижимается к концентрической торцевой полке 12, с которой она сошла в момент сообщения камер и, таким образом каналы 10 закрываются и исключается доступ газов, участвующих в процессе сгорания, в нагнетательную камеру. Камеры вновь разобщены. После этого давление в камере сгорания воспринимается поршнем 4, элементы которого вновь принимают положение по фиг.2, а сам поршень 4 перемещается под воздействием этого давления из положения с координатой h1= h0 в положение с координатой h4. Этому положению соответствует положение поршня 2 на координате H4, в которое он переводится коленчатым валом в силу кинематической связи с ним. При этом в нагнетательной камере сжимаются оставшиеся там газы. Сжатие происходит до тех пор, пока давление в нагнетательной камере не сравняется с давлением в камере сгорания за счет уменьшения объема нагнетательной камеры и соответствующего увеличения объема камеры сгорания при перемещении поршня 4 с координаты h0 в координату h4 при относительно неизменном положении поршня 2.

Расширение продуктов сгорания, рабочий ход. На диаграмме фиг. 1 представлен участком IV. Условно этот процесс начинается с координаты h4, когда давление после основного сгорания в камерах выровнялось. За счет усилия со стороны пружины 8 шайба 7 будет оставаться прижатой к полке 12 и, таким образом поршень 4 будет обеспечивать разобщение камер. Поскольку продукты сгорания более активно расширяются, давление в камере сгорания будет несколько превышать давление в нагнетательной камере и поршень 4 будет перемещаться пропорционально перемещению поршня 2. При этом работа совершается как за счет расширения продуктов сгорания, так и за счет расширения газа нагнетательной камеры.

В процессе расширения поршень 2 совершает перемещение практически от ВМТ (координата H4) к НМТ (координата 0), а поршень 4 перемещается в положение с координатой h5. Впускные окна 6 в этом процессе не должны сообщаться с трубопроводом подачи окислителя (атмосферой).

Выпуск отработавших газов. На диаграмме фиг.1 процесс V. Этот процесс осуществляется при движении поршня 2 в сторону ВМТ и открытом выпускном клапане 5, после того как давление в цилиндре двигателя уменьшится до минимального рабочего давления. Так как выпускной клапан 5 открыт, то давление в камере сгорания будет меньше, чем в нагнетательной камере. В силу того, что усилие со стороны газов нагнетательной камеры меньше усилия со стороны пружины 8, камеры будут разобщены, и под действием разности давлений в камерах поршень 4 начнет перемещаться в сторону крышки цилиндра и вытеснять оставшиеся в камере сгорания отработавшие газы через клапан 5.

При подходе поршня 2 в район ВМТ поршень 4 "сядет" на упор 9 и за время движения поршня 2 в районе ВМТ будет продолжаться выпуск отработавших газов из камеры сгорания. Клапан 5 закрывается после того, как давление в камере сгорания понизится до минимального значения. Подбирая момент закрытия клапана 5 для принятого минимального объема камеры сгорания (H - h0), можно обеспечить необходимое использование тепла отработавших газов, т.е. обеспечить наличие в камере сгорания необходимого для данного вида топлива количества горячих газов.

Создание разряжения. На фиг.1 процесс VI. Разряжение осуществляется при движении поршня 2 в направлении к НМТ, объем нагнетательной камеры будет увеличиваться, давление уменьшаться и, за счет разности давлений между камерой сгорания и нагнетательной камерой, поршень 4 начнет перемещаться, следуя за перемещением поршня 2. Таким образом, в обеих камерах будет создаваться разряжение. На диаграмме фиг.1 завершение этого процесса отмечено положением поршней на координатах H1 и h6.

Наполнение нагнетательной камеры. На фиг.1 процесс VII. В этом процессе впускные окна 6 подключаются к трубопроводу подачи окислителя (для воздуха к атмосфере). Момент начала пополнения происходит как только поршень 2 при своем движении к НМТ открывает эти окна. Процесс идет до тех пор, пока поршень 2 при движении уже от НМТ к ВМТ не перекроет впускные окна 5, или последние не будут принудительно отключены от трубопровода подачи окислителя. При этом полностью исключается необходимость продувки цилиндра. К этому моменту поршень 2 будет находиться в положении H1, а поршень 4 вновь окажется в положении с координатой h1 и дальше весь цикл повторяется вновь.

Следует отметить некоторые наиболее характерные преимущества, представленных способа и устройства.

В связи с тем, что в процессе движения поршня 2 к ВМТ или НМТ, остаточные продукты сгорания не перемешиваются со свежей порцией окислителя, топливо можно подавать в камеру сгорания практически в любой момент после выпуска отработавших газов, т.е. с начала процесса VI. Это значительно увеличивает время на подготовку топлива к сгоранию.

То обстоятельство, что в камере сгорания находятся горячие газы, также существенно улучшает условия подготовки топлива к сгоранию.

Благодаря отмеченным выше особенностям в предлагаемом способе можно обеспечить режим, при котором окислитель поступает в объем, в котором находятся только пары топлива, т.е. организовать процесс сгорания на молекулярном уровне. Если при этом каналы 10 спрофилировать по току окислителя и сориентировать относительно оси поршня соответствующим образом (организовать тангенциальный выход потока), то можно обеспечить наиболее оптимальные условия перемешивания окислителя с парами топлива.

Наличие поршня 4, кинематически не связанного с коленчатым валом, представляет возможность использовать демпфирующие свойства такого поршня в различных условиях. Так например, благодаря демпфирующему перемещению поршня 4, во-первых, не происходит резкое нарастание давления в момент основного сгорания, что исключает "жесткость" в работе двигателя, во-вторых, представляется возможность дальнейшего смещения момента восприятия максимального усилия коленчатым валом по углу поворота дальше за ВМТ, т.е. в более выгодное положение коленчатого вала, и, в-третьих, в процессе выпуска отработавших газов начальный этап будет так же проходить "мягче" из-за демпфирующих свойств поршня 4, что приведет к значительному снижению шума двигателя.

При разделении камер появляется возможность значительно понизить давление впрыскиваемого топлива, что приведет к упрощению топливной системы и, в конечном итоге к повышению ресурса двигателя.

Отключение камеры сгорания от нагнетательной камеры, а тем более от картера двигателя, исключает проскоки отработанных газов в картер и заброс масла в зону горения, что существенно улучшает экологические и экономические характеристики двигателя.

Кроме чисто механических, можно ожидать и термодинамические преимущества предлагаемого способа работы. Так, например, для дизелей, работающих на воздухе, первичное сжатие воздуха нагнетательной камеры осуществляется при движении поршня 2 от НМТ к ВМТ. Затем этот же воздух сжимается вторично на более высоком потенциальном уровне при сгорании топлива за счет перемещения поршня 4 в процессе IV и, в дальнейшем, этим воздухом совершается работа расширения совместно с работой расширения продуктов сгорания, что дает возможность повысить удельную работу цикла.

Кроме того, данное устройство позволяет "отслеживать" рост давления в процессе сгорания за счет перемещения поршня 4, и таким образом приблизится к наиболее эффективному термодинамическому процессу получения работы.

Хотя представленное выше описание способа относится к четырехтактным циклам, однако этот способ можно полностью использовать и для двухтактных, путем соответствующих сокращений периодов отдельных процессов.

Наверх