Двигун внутрішнього згоряння

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструкции ДВС и может быть использовано для увеличения мощности двигателей и особенно на спортивногоночных автомобилях. Одними из самых сложных с точки зрения расчета и самых важных по влиянию на работу ДВС являются газодинамические процессы газообмена, обеспечивающие очистку цилиндров от продуктов сгорания и заполнения их свежим зарядом. Продукты сгорания - это отработанные газы, которые при каждом новом цикле не вытесняются из цилиндра полностью, а часть их постоянно присутствует в цилиндре. Такие газы называются остаточными. Проблема освобождения цилиндра от остаточных газов является очень актуальной и в настоящее время не решена. В решении этой проблемы специалисты пошли путем применения продувки при некотором увеличении перекрытия клапанов [1]. Но при работе двигателя на форсированных режимах происходит значительное увеличение давления остаточных газов и применение продувки мера малоэффективная. В качестве другого решения этой проблемы было создание системы газообмена с наддувом. Известен механизм газообмена ДВС [1], во впускном канале которого установлен компрессор, через повышающую передачу соединенный с коленчатым валом двигателя. Компрессор, создавая перепад давления рабочей среды, нагнетает в цилиндр воздух и под давлением вытесняет отработанные газы. Такая система обеспечивает частичный газообмен в цилиндре. Она была усовершенствована за счет усиления нагнетающей способности механизма газообмена и повышения давления в цилиндре (Там же). Двухступенчатый наддув может осуществляться двумя последовательно расположенными компрессорами. Приводной компрессор через повышающую передачу соединяют с коленчатым валом двигателя. Для привода турбокомпрессора используют энергию отработанных газов, поступающих в газовую турбину. Наиболее близким по конструктивному решению и технической сути является ДВС с комбинированной системой, который включает цилиндро-поршневую группу, газораспределительный механизм с впускными и выпускными клапанами и каналами. Во впускном канале установлен приводной компрессор, в выпускном канале установлена газовая турбина. Первой ступенью наддува является приводной компрессор, а второй - турбокомпрессор. Описанный ДВС с указанным механизмом газообмена имеет следующие недостатки. Во-первых, они осуществляют наполнение цилиндра двигателя свежим воздухом за счет повышения давления в нем, что в свою очередь, увеличивает динамические нагрузки на детали поршневой группы, повышает износ двигателя и насосные потери. Во-вторых, при каждом новом цикле в цилиндре остаются и занимают значительный его объем остаточные газы, которые уменьшают свежий заряд, а следовательно, остаются не использованными резервы мощности и КПД двигателя. Причем, чем больше число оборотов двигателя, тем большее количество остаточных газов остается в цилиндре после такта выпуска. Таким образом, все известные решения, направленные на улучшение процесса газообмена в цилиндрах ДВС, предлагают пути принудительного вытеснения отработанных газов из цилиндров за счет повышения давления в них. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования газораспределительного механизма в ДВС путем снижения давления остаточных газов за счет перепада давления между выпускным каналом и цилиндром, что дает увеличение давления свежего заряда в цилиндре без дальнейшего повышения давления в нем и, как следствие, получение технического результата в виде снижения динамических нагрузок на детали поршневой группы, износа двигателя и насосных потерь, а также повышения его мощности особенно на максимальных оборотах, что дает возможность дальнейшей форсировки двигателя. Поставленная задача решается за счет того, что в известном ДВС с механизмом наддува, включающем цилиндро-поршневую группу, КШМ, головку цилиндра с газораспределительным механизмом с впускными и выпускными каналами и клапанами, согласно изобретению в выпускных каналах перед газовой турбиной установлены турбинки, понижающие давление остаточных газов. Источники с описанием двигателя с проявлением свойств, вытекающих из данного отличительного признака в изученной литературе автором не встречены, поэтому этот признак наличие турбинок в выпускных каналах следует считать существенным. Заявляемое устройство представлено на чертеже (фиг.), где обозначены: 1 - блок цилиндров; 2 - поршневая группа; 3 - кривошипношатунный механизм; 4 - головка цилиндров с газораспределительным механизмом; 5 приводной компрессор; 6 - впускной канал; 7 впускной клапан; 8 - выпускной клапан; 9 выпускной канал; 10 - турбинка, понижающая давление остаточных газов в цилиндре; 11 - вал турбинок; 12 - выпускной коллектор; 13 - газовая турбинка. Привод вала турбинок не показан. Заявляемый ДВС состоит из блока цилиндров 1 с поршневой группой 2 и кривошипно-шатунным механизмом 3, головки цилиндра с газораспределительным механизмом 4, где в впускном канале 6 установлен компрессор 5, нагнетающий свежий заряд под давлением через впускной клапан 7 в цилиндр 1. Отработанные газы выходят из цилиндра через выпускной клапан 8, выпускной канал 9, в котором установлена турбинка 10, понижающая давление остаточных газов. Турбинка установлена на валу турбинок 11. В выпускном коллекторе 12 установлена газовая турбина 13. Двигатель работает следующим образом. Во время рабочего цикла в конце такта сжатия в цилиндре 1 имеют место остаточные газы. Компрессор 5, приводимый в движение газовой турбиной 13, через впускной клапан 7 нагнетает свежий заряд в цилиндр 1. Поршень 2 опускается вниз, происходит наполнение цилиндра 1 свежим зарядом. Закончен 1 такт рабочего цикла. 2 такт сжатие рабочего тела - свежего заряда. 3 такт воспламенение, расширение газов и рабочий ход поршня. 4 такт - вытеснение отработанных газов поршнем через выпускной клапан 8. После конца 4 такта в цилиндре находятся остаточные газы. По мере увеличения числа оборотов двигателя количество отработанных газов, как известно, увеличивается, в это время на этапе высоких оборотов (формировки) турбинка отвода 10, вращаясь, понижает давление остаточных газов в выпускном канале 9, создавая тем самым их дополнительный отвод из цилиндра. Турбинка 10 установлена на валу 11, который приводится в действие при помощи механической передачи от вращающихся деталей ДВС. Эффективность заявляемого решения подтверждается следующим доказательством. Наиболее важной величиной, характеризующей процесс впуска, является коэффициент наполнения цилиндров hv где Tк - температура свежего заряда; e - степень сжатия; Pк - давление свежего заряда (воздуха); Pа - давление свежего заряда в конце впуска; Pг - давление остаточных газов; jд - коэффициент дозарядки цилиндра; jоч - коэффициент очистки цилиндра. В заявляемом двигателе величина остаточных газов будет зависеть от степени понижения давления, обозначим ее d (дельта), тогда Уменьшая давление остаточных газов Pг, очевидным становится увеличение давления свежего заряда Pа и как следствие, увеличение коэффициента дозарядки jд, уменьшение коэффициента очистки jоч величины подогрева свежего заряда DT. Условно обозначив новые величины через Pг', Pа', jд', jоч', DT' и поставив в формулу 1 получим выражение для коэффициента наполнения заявляемого двигателя, которое наглядно показывает увеличение коэффициента наполнения цилиндров. так как и , следовательно,