close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3296

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3296
(13)
C1
(51)
(12)
6
F 02B 75/28,
F 02B 23/08
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
(21) Номер заявки: 2132
(22) 1994.08.05
(31) 9214044.1, 9302369.5
(32) 1992.07.02, 1993.02.06
(33) GB
(46) 2000.03.30
(71) Заявитель: КОВЕНТРИ ЮНИВЕСИТИ, ДАН
МЕРРИТТ (GB)
(72) Автор: Дан Меррит (GB)
(73) Патентообладатель:
КОВЕНТРИ
ЮНИВЕСИТИ, ДАН МЕРРИТТ (GB)
BY 3296 C1
(57)
1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя по меньшей мере одну группу первого и второго
цилиндров, где первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, соответственные первый и второй поршни, способные перемещаться в упомянутых цилиндрах, средство впуска воздуха, сообщающееся с первым цилиндром, средство выпуска, сообщающееся с первым цилиндром, первый источник
топлива, предназначенный для обеспечения топливом второго цилиндра, средство, определяющее пространство сгорания, когда поршни находятся по существу в положении нижней (внутренней) мертвой точки, средство зажигания, сообщающееся с пространством сгорания, средства замедления для замедления вхождения
воздушно-топливной смеси из второго цилиндра в пространство сгорания до достижения вторым поршнем
заранее выбранной точки в его такте сжатия, отличающийся тем, что он содержит средство удерживания
давления и температуры на уровне недостаточности для самопроизвольного воспламенения от сжатия используемого топлива почти в конце каждого такта сжатия и средство управления для запуска средства зажигания для разрядки энергии зажигания в пространство сгорания после начала вхождения и до завершения
вхождения для воспламенения части входящего топлива, чтобы увеличить тем самым температуру и давление в пространстве сгорания до уровней, достаточных для воспламенения оставшегося топлива воспламенения от сжатия, причем пространство сгорания сообщается с обоими цилиндрами во время рабочего такта.
Фиг. 2
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что второй поршень имеет днище, которое находится на расстоянии от днища первого поршня и подсоединено к нему и которое имеет кромку, относительно меньшую в
осевом направлении по сравнению с расстоянием между днищем первого поршня и днищем второго поршня
BY 3296 C1
в осевом направлении, определяя тем самым пространство сгорания между днищами поршней и боковой
стенкой второго цилиндра.
3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что средство зажигания представляет средство воспламенения от сжатия с искровым запуском.
4. Двигатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что средство удерживания давления и температуры на уровне недостаточности для самопроизвольного воспламенения от сжатия используемого топлива
почти в конце такта сжатия включает в себя степень геометрического сжатия двигателя, являющуюся отношением объемов внутри цилиндров, пригодных для занятия газом в положениях верхней и нижней мертвых
точек поршней.
5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что упомянутое средство удерживания давления и температуры
на уровне недостаточности для самопроизвольного воспламенения от сжатия используемого топлива почти в
конце такта сжатия дополнительно включает в себя средства дроссельных заслонок для дросселирования
воздуха, впускаемого первым цилиндром через средства впуска для поддержания давления и температуры
газа в упомянутых цилиндрах на уровнях, не достаточных для того, чтобы вызывать спонтанное воспламенение от сжатия используемого топлива до зажигания средством зажигания.
6. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что он имеет средство доступа, связанное со
вторым цилиндром для впуска топлива и воздуха во второй цилиндр во время такта выпуска, причем средство доступа включает в себя первое канальное средство, открывающееся во второй цилиндр, и первое клапанное средство для управления упомянутым канальным средством.
7. Двигатель по п. 6, отличающийся тем, что первый источник топлива представляет топливный инжектор низкого давления, экранированный первым клапанным средством.
8. Двигатель по п. 6 или 7, отличающийся тем, что первое канальное средство представляет впускной и
выпускной каналы для второго цилиндра.
9. Двигатель по п. 6 или 7, отличающийся тем, что средство доступа содержит второе канальное средство, образующее выпускное канальное средство для второго цилиндра, и второе клапанное средство для
управления вторым канальным средством.
10. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что имеет средство выпуска, связанное со вторым цилиндром для выпуска из него газообразных продуктов сгорания, причем упомянутое средство выпуска
содержит выпускное канальное средство, открывающееся во второй цилиндр, и выпускное клапанное средство
для управления выпускным канальным средством, при этом первый источник топлива представляет собой
топливный инжектор для впрыскивания топлива непосредственно во второй цилиндр.
11. Двигатель по любому из пп. 7-10, отличающийся тем, что выпускное канальное средство связано со
средствами впуска воздуха для обеспечения рециркулирования выхлопного газа.
12. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что средства впуска воздуха и средства выпуска
первого цилиндра представляют исключительно средства впуска и выпуска воздуха для второго цилиндра, а
первый источник топлива представляет собой топливный инжектор для подачи топлива непосредственно во
второй цилиндр.
13. Двигатель по п. 8, отличающийся тем, что первое канальное средство связано с емкостью.
14. Двигатель по п. 13, отличающийся тем, что емкость выполнена переменной.
15. Двигатель по п. 13 или 14, отличающийся тем, что емкость сообщена со средствами впуска воздуха
посредством клапана для управления давлением газа в емкости.
16. Двигатель по п. 13 или 14, отличающийся тем, что емкость сообщена с атмосферой посредством
клапана и вентилятора для управления давлением газа в упомянутой емкости.
17. Двигатель по п. 2 или любому из пп. 3-16 в сочетании с п. 2, отличающийся тем, что второй источник топлива в виде инжектора жидкого топлива высокого давления расположен так, что, когда днище второго поршня находится по существу в положении своей нижней мертвой точки, второй источник топлива
может выдавать в пространство сгорания топливо под давлением дополнительно к топливу, подаваемому во
второй цилиндр первым источником топлива.
18. Двигатель по п. 17, отличающийся тем, что имеет средство (М) для управления первым источником
топлива с целью подачи части общего количества топлива, которое должно подаваться во второй цилиндр в
пространство над днищем второго поршня, выполненное с возможностью начала и конца подачи, когда второй поршень находится в заранее определенных местоположениях на расстоянии от положения нижней
мертвой точки, и для управления вторым источником топлива с целью подачи дополнительной части общего
количества топлива в пространство сгорания, когда поршни оказываются по существу в положении нижней
мертвой точки или около нее.
19. Двигатель по любому из пп. 1-5, 10 или 12, отличающийся тем, что первый источник топлива представляет собой топливный инжектор высокого давления, расположенный в боковой стенке второго цилиндра
для подачи топлива непосредственно во второй цилиндр и выше, и ниже днища второго цилиндра.
20. Двигатель по любому из пп. 1-15, отличающийся тем, что второй источник топлива и дроссельная
заслонка расположены в средстве впуска воздуха первого цилиндра для подачи, способной воспламеняться
2
BY 3296 C1
от искры воздушно-топливной смеси, чтобы позволить двигателю работать в обычном режиме искрового
зажигания.
21. Двигатель по п. 2 или любому из пп. 3-20 в сочетании с п. 2, отличающийся тем, что кромка днища
второго поршня расположена на расстоянии в радиальном направлении от соседней стенки второго цилиндра, определяя зазор между ними, который содержит упомянутое средство замедления.
22. Двигатель по п. 2 или любому из пп. 3-21 в сочетании с п. 2, отличающийся тем, что на конце второго цилиндра, удаленном от первого цилиндра, сформировано средство, определяющее обходной канал вокруг кромки днища второго поршня, когда второй поршень находится, по существу, в положении своей
нижней мертвой точки.
23. Двигатель по п. 22, отличающийся тем, что средство обходного канала представляет собой канавку,
образованную в стенке второго цилиндра, идущую по крайней мере по части окружности второго цилиндра.
24. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере одну группу первого и
второго цилиндров, где первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, соответственные первый и второй поршни, способные перемещаться в упомянутых цилиндрах, средство впуска воздуха,
сообщающиеся с первым цилиндром, средство выпуска, сообщающееся с первым цилиндром, первый источник топлива для подачи топлива во второй цилиндр, средство, определяющее пространство сгорания, когда поршни находятся, по существу, в положении нижней мертвой точки, причем пространство сгорания
сообщается с обоими цилиндрами во время рабочего такта, средство зажигания, сообщающееся с упомянутым пространством сгорания, средство замедления для замедления вхождения воздушно-топливной смеси из
второго цилиндра в пространство сгорания прежде, чем второй поршень достигнет заранее выбранной точки
в своем такте сжатия, отличающийся тем, что он включает в себя средство управления для управления зажиганием, средство, приспособленное для удерживания давления и температуры на уровне недостаточности
для самопроизвольного воспламенения от сжатия используемого топлива почти в конце такта сжатия, введение первого, заранее выбранного количества топлива во второй цилиндр во время такта впуска и/или сжатия
двигателя, разрядку энергии зажигания в пространство сгорания после начала вхождения и перед завершением вхождения для воспламенения части входящего топлива для увеличения температуры и давления в
пространстве сгорания до уровней, достаточных для воспламенения остального топлива воспламенением от
сжатия.
25. Способ по п. 24, отличающийся тем, что второй поршень имеет днище, которое находится на расстоянии от днища первого поршня и подсоединено к нему и которое имеет кромку, относительно меньшую в
осевом направлении по сравнению с расстоянием между днищем первого поршня и днищем второго поршня
в осевом направлении, определяя тем самым пространство сгорания между днищами поршней и боковой
стенкой второго цилиндра.
26. Способ по п. 24 или 25, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя впрыскивание второго заранее выбранного количества жидкого топлива под высоким давлением в пространство сгорания к
концу такта сжатия для воспламенения посредством воспламенения от сжатия.
27. Способ по п. 26, отличающийся тем, что первое заранее выбранное количество топлива впрыскивается во второй цилиндр во время такта впуска.
28. Способ по п. 26, отличающийся тем, что первое заранее выбранное количество топлива вводится в
впускной канал, сообщающийся со вторым цилиндром через впускной клапан, который открыт во время такта впуска.
29. Способ по пп. 26, 27 или 28, отличающийся тем, что второе топливо представляет собой дизельное
топливо, а первое топливо представляет собой легкоиспаряющееся топливо, отличное от дизельного топлива.
30. Способ по п. 29, отличающийся тем, что первое топливо представляет собой бензин.
31. Способ по п. 24 или 25, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя введение дополнительного заранее выбранного количества топлива в первый цилиндр во время такта впуска, управляя в то же
время количеством воздуха, вводимого в первый цилиндр для обеспечения смеси с заранее выбранным соотношением топлива и воздуха в первом цилиндре для обеспечения с первым заранее выбранным количеством топлива, по существу, стехиометрического общего соотношения топлива и воздуха.
32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что заранее выбранное соотношение топлива и воздуха является, по существу, стехиометрическим.
33. Способ по любому из пп. 24-32, отличающийся тем, что воздух, впускаемый в первый цилиндр,
дросселируют для управления температурами и давлениями в конце сжатия до уровней, не достаточных для
того, чтобы вызвать воспламенение от сжатия до разряда энергии зажигания в пространство сгорания.
3
BY 3296 C1
(56)
1. GB 2155546 А, МПК F 02B 75/28.
2. GB 2186913 А, МПК F 02B 75/28.
3. GB 2238830 А, МПК F 02B 75/28.
4. GB 2261028 А, МПК F 02B 75/28.
5. GB 2246394 C, МПК F 02B 75/28, 1992 (прототип).
Известны различные двигатели внутреннего сгорания, которые могут быть классифицированы как сегрегирующие (отделяющие), изобретенные заявителем, например, из заявок [1, 2, 3, 4, 5]. Эти двигатели известны в литературе как двигатели Мерритта. Двигатель Мерритта содержит по крайней мере один комплект
первого и второго цилиндров и соответственно первого и второго поршней, которые могут перемещаться в
указанных цилиндрах, в каждом комплекте первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, выпускной клапан и/или канал, соединенный с первым цилиндром, источник топлива для подачи топлива во второй цилиндр, средства, определяющие пространство сгорания, когда поршни находятся, в
основном, во внутреннем мертвом центральном положении, пространство сгорания, связанное с цилиндрами
в течение, по крайней мере, части такта расширения, и задерживающие средства для задержки доступа.
Термин "воздух", используемый здесь, включает в себя подходящую смесь кислорода с другими, обычно
инертными, газами, а также, в основном, чистый кислород для сгорания с газообразным или жидким (т.е. испаренным жидким) топливом. Он может содержать рециркулированные выхлопные газы, картерные газы и небольшую часть углеводородных веществ, присутствующих в рециркулированных газах двигателя
внутреннего сгорания. Термин "доступ", используемый здесь, относится к перемещению горючей смеси (топливо/воздух) из второго цилиндра в пространство сгорания. Двигатель Мерритта является сегрегирующим
двигателем, подобным дизельному двигателю, с той разницей, что некоторое небольшое количество воздуха
сжигается в значительной степени со всем топливом в меньшем втором цилиндре, в то время, как большая
часть воздуха сжигается самостоятельно в большем первом цилиндре. Важной характеристикой сегрегирующих двигателей, таких как дизельный двигатель и двигатель Мерритта, является ограничение топлива от
большей части воздуха в течение большей части такта сжатия двигателя. В двигателе Мерритта это делается
путем использования меньших цилиндра и поршня, которые получают топливо во время такта впуска и отделяют его от объема воздуха до момента доступа вблизи окончания такта сжатия. Меньший цилиндр может
рассматриваться как цилиндр, управляющий топливом.
Сегрегирующий двигатель замечательно подходит для использования в процессе, известном как воспламенение от сжатия, для воспламенения топлива, поскольку топливо не смешивается с достаточным количеством воздуха для воспламенения самопроизвольно в течение большей части такта сжатия, даже когда
используются высокие степени сжатия. В дизельном двигателе, который также является сегрегирующим
двигателем, синхронизация зажигания определяется синхронизацией впрыскивания топлива в пространство
сгорания. В двигателях Мерритта, насколько пока известно, регулировка синхронизации зажигания достигается регулировкой времени процесса доступа, другими словами, перемещения испаренного топлива из цилиндра, управляющего топливом, в пространство сгорания. В двигателях Мерритта, использующих высокие
степени сжатия, воспламенение некоторой части топлива может иметь место в тот момент, когда топливо
входит в пространство сгорания и встречается там с очень горячим воздухом.
В заявке [5] описано несколько способов, которыми может регулироваться время доступа, а следовательно, синхронизация воспламенения. В частности, в меньшем цилиндре предусмотрены средства доступа для
регулировки давления в меньшем цилиндре до значения, ниже давления в большем цилиндре, в течение начальной стадии такта сжатия, благодаря чему доступ задерживается до того, как меньший поршень достигнет своего внутреннего мертвого центрального положения или положения вблизи него. Средства доступа,
описанные в заявке [5], предпочтительно включают в себя первый канал, открывающийся в меньший цилиндр. Канал может содержать клапан с переменной площадью потока или дроссель и первый клапан такой,
как приводимый в действие подъемный клапан для регулирования доступа воздуха и/или топлива через первый канал в течение каждого цикла двигателя. Источник топлива, который может содержать инжектор жидкого топлива, предпочтительно располагается вверх по течению от первого клапана. Главным преимуществом
сегрегирующих двигателей, таких как дизельные двигатели и двигатели Мерритта, является их способность
воспламенять чрезвычайно бедные всеохватывающие смеси топлива и воздуха. Двигатель с искровым зажиганием, имеющий предварительно смешанную смесь топлива с воздухом, позволяющим пламени, зажженному от искры, пересечь весь объем смеси топлива с воздухом в пространстве зажигания. Очень бедные
всеохватывающие смеси топлива с воздухом вызывают процесс распространения всеобщего охлаждения, который в свою очередь приводит к улучшенному тепловому к.п.д. двигателя и пониженному содержанию
вредных газов NOх в выхлопах, особенно при частичных нагрузках. Тепловой к.п.д. двигателя внутреннего
сгорания с возвратно-поступательным движением повышается при бедном зажигании, когда средняя температура, возникающая после освобождения тепла, падает с высоких значений, встречающихся в стехиометриче4
BY 3296 C1
ском сгорании. Главными особенностями, содействующими развитию очень эффективных двигателей внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением, является очень быстрое сгорание и более низкие
температуры газа, следующие за освобождением тепла.
Автомобильный или высокоскоростной дизельный двигатель не достигает быстрого сгорания, поскольку
при более высоких скоростях невозможно обеспечить достаточное время для полного испарения жидкого
топлива перед его воспламенением.
С другой стороны, дизельный двигатель может поддерживать низкую температуру газа, вызываемую всеохватывающим бедным горением при частичной нагрузке. Двигатель Мерритта может потенциально достигать как более быстрого сгорания, чем дизельный двигатель при всех условиях, так и более низких
температур при частичной нагрузке. В двигателе Мерритта топливо впускается в топливный цилиндр во
время такта впуска, и пока оно отделено от основного объема воздуха, до того, как топливо допускается в
пространство сгорания для воспламенения.
Пример известного двигателя Мерритта показан в заявке [5]. Этот двигатель является двигателем с воспламенением от сжатия, в котором используется свеча зажигания для воспламенения горючей смеси во время запуска и холостого хода в обычном газолиновом двигателе с искровым зажиганием (SIGE) таким
образом, что горючая смесь горит, как фронт пламени.
Задача использования свечи зажигания в известном двигатели Мерритта, в заявке [5], состоит в позволении справиться с экстремальными условиями, такими как холостой ход и запуск. В частности, в условиях
низкой частичной нагрузки отношение "топливо/воздух" в меньшем цилиндре может достигать околостехиометрического значения, способного воспламенять воспламенением от сжатия. Чтобы избежать этой проблемы, дроссель может частично перекрываться, чтобы сохранять отношение "топливо/воздух" в меньшем
цилиндре выше уровня, при котором происходит непроизвольное воспламенение от сжатия. Однако уменьшение давления, которое имеет место в меньшем цилиндре в результате этого дросселирования, может увеличить поток воздуха от большего цилиндра через зазор в меньший цилиндр, уменьшая таким образом
соотношение смеси "топливо/воздух" снова в сторону стехиометрического и снова утверждая риск непроизвольного зажигания от сжатия в меньшем цилиндре прежде, чем начнется доступ. Чтобы предотвратить это,
используется дроссельный клапан, который уменьшает давление сжатия в большем цилиндре путем уменьшения потребления воздуха двигателем. Результатом этого является уменьшение потока воздуха, проходящего через зазор во второй цилиндр, снова устраняя риск непроизвольного зажигания от сжатия раньше
допуска. Пиковые давление сжатия и температура также уменьшаются в результате уменьшения потока воздуха дросселем. При уменьшении конца температур сжатия горючая смесь не может тогда использоваться
для воспламенения смеси обычным способом зажигания свечи при доступе смеси. Горючая смесь тогда горит, как фронт пламени, который распространяется через смесь обычным образом, как в газолиновом двигателе с искровым зажиганием.
Настоящее изобретение направлено на обеспечение улучшенного двигателя внутреннего сгорания и способ управления им.
Задача - повышение эффективности управления двигателем внутреннего сгорания. В соответствии с настоящим изобретением двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя, по меньшей мере, одну группу
первого и второго цилиндров, где первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, соответственные первый и второй поршни, способные перемещаться в упомянутых цилиндрах, средство впуска воздуха, сообщающееся с первым цилиндром, средство выпуска, сообщающееся с первым цилиндром,
первый источник топлива, предназначенный для обеспечения топливом второго цилиндра, средство определяющее пространство сгорания, когда поршни находятся по существу в положении нижней (внутренней)
мертвой точки, средство зажигания, сообщающееся с пространством сгорания, средства замедления для замедления вхождения воздушно-топливной смеси из второго цилиндра в пространство сгорания до достижения вторым поршнем заранее выбранной точки в его такте сжатия, содержит средство удерживания давления
и температуры на уровне недостаточности для самопроизвольного воспламенения от сжатия используемого
топлива почти в конце каждого такта сжатия, и средство управления для запуска средства зажигания для
разрядки энергии зажигания в пространство сгорания после начала вхождения и до завершения вхождения
для воспламенения части входящего топлива, чтобы увеличить тем самым температуру и давление в пространстве сгорания до уровней, достаточных для воспламенения оставшегося топлива, воспламенения от
сжатия, причем пространство сгорания сообщается с обоими цилиндрами во время рабочего такта.
В одной из конкретных форм выполнения устройства второй поршень имеет днище, которое находится
на расстоянии от днища первого поршня и присоединено к нему и которое имеет кромку, относительно
меньшую в осевом направлении по сравнению с расстоянием между днищем первого поршня и днищем второго поршня в осевом направлении, определяя тем самым пространство сгорания между днищами поршней
и боковой стенкой второго цилиндра.
В следующей форме выполнения средство зажигания представляет средство воспламенения от сжатия с
искровым запуском. При этом средство удержания давления и температуры на уровне недостаточности для
самопроизвольного воспламенения от сжатия используемого топлива почти в конце такта сжатия включает в
5
BY 3296 C1
себя степень геометрического сжатия двигателя, являющуюся отношением объемов внутри цилиндров, пригодных для занятия газом в положениях верхней и нижней мертвых точек поршней.
В дальнейшей конкретной форме упомянутое средство удерживания давления и температуры на уровне
недостаточности для самопроизвольного воспламенения от сжатия используемого топлива почти в конце
такта сжатия дополнительно включает в себя средства дроссельных заслонок для дросселирования воздуха,
впускаемого первым цилиндром через средства впуска для поддержания давления и температуры газа в упомянутых цилиндрах на уровнях, не достаточных для того, чтобы вызывать спонтанное воспламенение от
сжатия используемого топлива до зажигания средством зажигания.
Далее, развивая конкретную форму предыдущей конструкции, двигатель имеет средство доступа, связанное со вторым цилиндром для впуска топлива и воздуха во второй цилиндр во время такта выпуска, причем
средство доступа включает в себя первое канальное средство, открывающееся во второй цилиндр, и первое
клапанное средство для управления упомянутым канальным средством.
При конкретизации первый источник топлива представляет топливный инжектор низкого давления, экранированный первым клапанным средством; первое канальное средство представляет впускной и выпускной
каналы для второго цилиндра; средство доступа содержит второе канальное средство, образующее выпускное канальное средство для второго цилиндра, и второе клапанное средство для управления вторым канальным средством.
В дальнейшем развитии двигатель имеет средство выпуска, связанное со вторым цилиндром для выпуска
из него газообразных продуктов сгорания, причем упомянутое средство выпуска содержит выпускное канальное средство, открывающееся во второй цилиндр, и выпускное клапанное средство для управления выпускным канальным средством, при этом первый источник топлива представляет собой топливный инжектор
для впрыскивания топлива непосредственно во второй цилиндр.
Далее в предлагаемом двигателе выпускное канальное средство связано со средствами впуска воздуха
для обеспечения рециркулирования выхлопного газа.
Развивая конструкцию средства впуска воздуха и средства выпуска первого цилиндра представляют исключительно средства впуска и выпуска для второго цилиндра, а первый источник топлива представляет собой топливный инжектор для подачи топлива непосредственно во второй цилиндр. В частности, первое
канальное средство связано с емкостью, а емкость выполнена переменной. При этом емкость сообщена с атмосферой посредством клапана и вентилятора для управления давлением газа в упомянутой емкости и емкость сообщена с атмосферой посредством клапана и вентилятора для управления давлением газа в
упомянутой емкости.
В дальнейшем развитии в двигателе второй источник топлива в виде инжектора жидкого топлива высокого давления расположен так, что, когда днище второго поршня находится, по существу, в положении своей нижней мертвой точки, второй источник топлива может выдавать в пространство сгорания топливо под
давлением дополнительно к топливу, подаваемому во второй цилиндр первым источником топлива. При
этом двигатель имеет средство (М) для управления первым источником топлива с целью подачи части общего количества топлива, которое должно подаваться во второй цилиндр в пространство над днищем второго
поршня, выполненное с возможностью начала и конца подачи, когда второй поршень находится в заранее
определенных местоположениях на расстоянии от положения нижней мертвой точки, и для управления вторым источником топлива с целью подачи дополнительной части общего количества топлива в пространство
сгорания, когда поршни оказываются, по существу, в положении нижней мертвой точки или около нее. Далее в конкретной форме выполнения первый источник топлива представляет собой топливный инжектор высокого давления, расположенный в боковой стенке второго цилиндра для подачи топлива непосредственно
во второй цилиндр и выше и ниже днища второго цилиндра, а второй источник топлива и дроссельная заслонка расположены в средстве впуска воздуха первого цилиндра для подачи способной воспламеняться от
искры воздушно-топливной смеси, чтобы позволить двигателю работать в обычном режиме искрового зажигания.
В дальнейшем развитии конкретной формы предыдущей конструкции кромка днища второго поршня
расположена на расстоянии в радиальном направлении от соседней стенки второго цилиндра, определяя зазор между ними, который содержит упомянутое средство замедления. Далее на конце второго цилиндра,
удаленного от первого цилиндра, сформировано средство, определяющее обходной канал вокруг кромки
днища второго поршня, когда второй поршень находится, по существу, в положении своей нижней мертвой
точки и средство обходного канала представляет собой канавку, образованную в стенке второго цилиндра,
идущую, по крайней мере по части окружности второго цилиндра.
Настоящее изобретение обеспечивает также способ управления двигателем внутреннего сгорания, в котором двигатель имеет: по меньшей мере, одну группу первого и второго цилиндров, где первый цилиндр имеет
больший рабочий объем, чем второй цилиндр; соответственные первый и второй поршни, способные перемещаться в упомянутых цилиндрах; средство впуска воздуха, сообщающееся с первым цилиндром, средство
выпуска, сообщающееся с первым цилиндром, первый источник топлива для подачи топлива во второй цилиндр, средство, определяющее пространство сгорания, когда поршни находятся, по существу, в положении
нижней внутренней мертвой точки, причем пространство сгорания сообщается с обоими цилиндрами во
6
BY 3296 C1
время рабочего такта, средство зажигания, сообщающееся с упомянутым пространством сгорания, средство
замедления для замедления вхождения воздушно-топливной смеси из второго цилиндра в пространство сгорания прежде, чем второй поршень достигнет заранее выбранной точки в своем такте сжатия и дополнительно включает в себя средство управления для управления зажиганием, средство, приспособленное для
удерживания давления и температуры на уровне недостаточности для самопроизвольного воспламенения от
сжатия используемого топлива почти в конце такта сжатия, где способ включает в себя: введение первого,
заранее выбранного количества топлива во второй цилиндр во время такта впуска и/или сжатия двигателя,
разрядку энергии зажигания в указанное пространство сгорания после начала вхождения и перед завершением вхождения для воспламенения части входящего топлива, для увеличения температуры и давления в пространстве сгорания до уровней, достаточных для воспламенения остального топлива воспламенением от
сжатия.
В дальнейшем конкретном виде способа второй поршень имеет днище, которое находится на расстоянии
от днища первого поршня и подсоединено к нему и которое имеет кромку, относительно меньшую в осевом
направлении по сравнению с расстоянием между днищем первого поршня и днищем второго поршня в осевом направлении, определяя тем самым пространство сгорания между днищами поршней и боковой стенкой
второго цилиндра. При этом способ дополнительно включает в себя впрыскивание второго заранее выбранного количества жидкого топлива под высоким давлением и пространство сгорания к концу такта сжатия для
воспламенения посредством воспламенения от сжатия. Далее способ характеризуется тем, что первое заранее выбранное количество топлива впрыскивается во второй цилиндр во время такта впуска и первое заранее
выбранное количество топлива вводится во впускной канал, сообщающийся со вторым цилиндром через
впускной клапан, который открыт во время такта впуска и при этом второе топливо представляет собой дизельное топливо, а первое топливо представляет собой легкоиспаряющееся топливо, отличное от дизельного
топлива. Конкретно первое топливо может представлять собой бензин.
Развивая конкретный способ, он также включает в себя введение дополнительного заранее выбранного
количества топлива в первый цилиндр во время такта впуска, управляя в то же время количеством воздуха,
вводимого в первый цилиндр для обеспечения смеси с заранее выбранным соотношением топлива и воздуха
в первом цилиндре для обеспечения с первым заранее выбранным количеством топлива, по существу, стехиометрического общего соотношения топлива и воздуха. Конкретно, заранее выбранное соотношение топлива и воздуха является, по существу, стехиометрическим. При этом в конкретном способе воздух,
впускаемый в первый цилиндр, дросселирует для управления температурами и давлениями в конце сжатия
до уровней, не достаточных для того, чтобы вызвать воспламенение от сжатия до разряда энергии зажигания
в пространство сгорания.
Способ управления и регулирования синхронизации воспламенения в двигателе Мерритта, соответствующий настоящему изобретению, должен начать процесс воспламенения с искры и позволяет продолжать
процесс путем воспламенения от сжатия, т.е. воспламенение от сжатия, приводимое в действие искрой
(STCI).
Предпочтительная форма настоящего изобретения возлагается на воспламенение от искры для инициации сгорания при всех условиях работы. Для решения этой задачи геометрическое отношение сжатия двигателя выбирается достаточно низким, чтобы избежать непроизвольного воспламенения от сжатия для
используемого топлива. Однако воспламенение от искры обычным, хорошо известным способом требует
почти гомогенной горючей смеси, чтобы позволить распространение фронта пламени через смесь, и это достигается в обычном газолиновом двигателе с искровым зажиганием (SIGE).
Воспламенение от сжатия с приведенным в действие от искры в настоящем изобретении - другой процесс.
Воспламенение от искры - это первый из процесса двухэтапного воспламенения, а именно воспламенения от
искры и воспламенения от сжатия. На первом этапе - воспламенения от искры - только инициируется локализованное пламя на границе между впускаемым топливом и воздухом в пространстве сгорания. Пламя может быть кратковременным и непригодным для распространения в заранее смешанной горючей смеси,
которая не существует в этот момент.
Это воспламенение от искры происходит до окончания процесса допуска, другими словами, до того, как
все топливо будет иметь время для перемещения из меньшего цилиндра в пространство сгорания через обод
меньшего поршня и смешивания со всем воздухом, необходимым для его сгорания, который находится в
пространстве сгорания. Этап воспламенения от искры - это процесс, подобный процессу воспламенения от
искры струи газообразного топлива, выходящего из струи, пока оно смешивается с воздухом на периферии
струи. После того, как начинается процесс воспламенения от искры, пламя поднимает давление и температуру газа в пространстве сгорания достаточно для того, чтобы вызвать воспламенение от сжатия остальной
части испаренного топлива по мере того, как оно впускается в пространство сгорания под действием меньшего поршня и смешивается с дополнительным количеством воздуха. Этот процесс описывается как воспламенение от сжатия, приводимое в действие искрой (STCI). Процессы смешивания и горения горючих
паров с дополнительным количеством воздуха, необходимым для окончания сгорания, продолжаются за
7
BY 3296 C1
пределами момента воспламенения от искры. В обычном двигателе с зажиганием от искры (SIGE) процессы
смешивания топлива с воздухом завершаются почти полностью перед появлением искры.
Важным преимуществом использования воспламенения от сжатия, приводимого в действие искрой, является легкость, с которой оно может быть синхронизировано, чтобы удовлетворить разным условиям двигателя. При использовании воспламенения от сжатия, приводимого в действие искрой, точность управления,
требуемая для синхронизации процесса впуска, может быть менее важной и менее критичной к работе двигателя.
Для достижения воспламенения от сжатия, приводимого в действие искрой, система двигателя может
управлять степенями сжатия, которые недостаточны для воспламенения от сжатия конкретного выбранного
топлива ранних моментов впуска. По выбору дроссель может быть использован для регулировки окончания
давления сжатия и температуры.
Например, в случае газолина степень сжатия может быть уменьшена до значения, скажем, 12:1 для воспламенения от сжатия, приводимого в действие искрой, в то время, как если бы воспламенение от сжатия
использовалось само по себе с таким топливом, значение степени сжатия могло быть необходимо, например,
18:1. Вторым требованием должно быть размещение свечи зажигания в том месте, где она встречает пары
топлива, пока они смешиваются с воздухом в пространстве сгорания на ранней стадии процесса воспламенения. Свеча зажигания обеспечивает искру в правильный момент для инициации процесса воспламенения от
сжатия. После воспламенения некоторой части топлива, которая уже начала поступать в пространство сгорания, давление и средняя температура газа в пространстве сгорания повышаются. Это приводит к тому, что
оставшаяся часть испаренного топлива, которая продолжает впускаться в пространство сгорания и смешивается там с воздухом, воспламеняется воспламенением от сжатия, даже если первоначальное пламя, вызванное искрой, не может пересечь все пространство сгорания.
Объем пространства сгорания относительно размера рабочего объема двух поршней обеспечивает средства для определения степени сжатия двигателя и в значительной степени влияет на значение давления и
температуры газов перед окончанием такта сжатия, как раз перед тем, как происходит воспламенение. Условия давления и температуры должны быть недостаточны для того, чтобы вызвать непроизвольное воспламенение от сжатия топлива до того, как средства воспламенения сработают, чтобы начать процесс
воспламенения.
Предпочтительной формой средств воспламенения является свеча зажигания, которая получает энергию
обычным путем и синхронизируется средствами управления, такими как система М управления двигателем,
функционирующая как средства управления воспламенением. Искра должна воспламенять богатую горючую
смесь на ранней стадии процесса допуска, когда воздух, подаваемый в пространство сгорания закрученным
движением, начинает смешиваться с парами топлива после начала процесса доступа. Такой процесс воспламенения имеет место также тогда, когда струя газообразного топлива подает топливо под давлением в воздух и воспламеняется от искры.
Процесс воспламенения от искры может быть безуспешным, если первоначально богатая смесь паров и
воздуха не воспламеняется в присутствии следующей части воздуха, которая смешивается с ней в течение
процесса доступа. Если только происходит воспламенение от искры, пламя, возникающее от искры, не нуждается в поддержке до тех пор, пока не сгорит все топливо, поступившее в пространство сгорания, поскольку повышение давления и температуры, следующее за воспламенением от искры, обеспечивает, что дальнейшее
газообразное топливо с этого момента воспламеняется воспламенением от сжатия, когда оно перемещается
через обод меньшего цилиндра в пространство сгорания.
Меньший цилиндр может быть выполнен так, чтобы обеспечивать крутые или постепенные характеристики доступа. Например, меньший цилиндр может быть снабжен на конце, удаленном от большего цилиндра, средствами, определяющими обход вокруг края обода меньшего цилиндра, когда он примыкает к
внутреннему мертвому центральному положению. Таким образом, периферийный край обода меньшего
поршня может лежать вблизи стенки меньшего цилиндра в течение большей части хода поршня. Однако, если только край обода меньшего поршня лежит смежно с обходом, зазор между периферийным краем обода
меньшего поршня и стенкой меньшего поршня значительно увеличивается, давая возможность быстрого
доступа путем обхода. Предпочтительно, чтобы обход имел осевую длину, большую, чем толщина края обода меньшего поршня. Удобно, когда обход принимает форму канавки, образованной в стенке меньшего цилиндра, которая может простираться через значительную часть окружности меньшего цилиндра.
Обеспечение обхода наиболее выгодно тем, что он предусматривает в зазоре объем для испаренного топлива и воздуха в меньшем цилиндре, который замедляет доступ, а также обеспечивает проход для пламени
из пространства сгорания до достижения топлива, оставшегося над ободом поршня после воспламенения.
Обеспечение канавки может также помочь, чтобы выхлопные газы, оставшиеся над ободом меньшего поршня, могли выйти в конце такта выхлопа.
Одной из важных функций обхода является обеспечение в зазоре объема наверху меньшего цилиндра.
Геометрическое отношение сжатия меньшего цилиндра - это отношение его рабочего объема плюс объем в
зазоре к его объему в зазоре.
8
BY 3296 C1
Подобным образом, геометрическое отношение сжатия большего цилиндра - это отношение рабочего
объема плюс отношение объема пространства сгорания к его объему пространства сгорания, если пренебречь объемами "ударных" и других зазоров. Относительное значение двух геометрических отношений сжатия
будет оказывать сильное влияние на синхронизацию доступа. Поскольку использование воспламенения от
сжатия, приводимого в действие искрой, требует более низкого геометрического отношения сжатия, отсюда
и большего объема пространства сгорания, то объем, содержащийся внутри обхода, также должен быть увеличен для того, чтобы снизить геометрическое отношение сжатия меньшего цилиндра, в противном случае
воспламенение может произойти слишком рано. "Ударный зазор" над ободом меньшего поршня предпочтительно сохранять малым для того, чтобы свести к минимуму количество топлива, которое может задержаться над этим ободом в конце такта сжатия.
Увеличенный размер обхода может предложить одно подходящее размещение свечи зажигания, используемой для инициации процесса воспламенения от сжатия, введенного в действие искрой. Другие подходящие положения могут быть несколько ниже обхода, в зависимости от конструкции двигателя.
Средства задержки для торможения преждевременного воспламенения - это соответствующим образом
сконструированный зазор между краем обода меньшего поршня и стенкой меньшего цилиндра, чтобы удерживать его ниже давления воздуха в пространстве сгорания с другой стороны от обода меньшего поршня до
момента допуска. Такая регулировка может быть достигнута доступными средствами, как описано выше.
Поскольку воспламенение ожидает появление искры, точная синхронизация воспламенения менее критична
в двигателе Мерритта с воспламенением от сжатия, приводимого в действие искрой, чем в случае двигателя
Мерритта, который основан только на воспламенении от сжатия, т.к. в последнем случае синхронизация
воспламенения определяется синхронизацией доступа.
Настоящее изобретение описывается здесь далее с помощью примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 показывает практическое выполнение двигателя;
фиг. 2 - схематическое поперечное сечение первого варианта двигателя, выполненного в соответствии с
настоящим изобретением;
фиг. 2a - увеличенный вид части фиг. 2, на котором представлено возможное положение свечи зажигания
относительно перемещения газа;
фиг. 2b - видоизменение фиг. 2а;
фиг. 3-8 и 13 иллюстрируют различные варианты выполнения двигателей в соответствии с настоящим
изобретением, показывая различные способы, которыми может быть выполнен выпуск газов из меньшего
цилиндра;
фиг. 9-13 показывают следующие варианты выполнения двигателя в соответствии с настоящим изобретением; и
фиг. 14 - это вид варианта, представленного на фиг. 4, показывающий поршни в наружном мертвом центральном положении.
Способ воспламенения в соответствии с настоящим изобретением требует использования воспламенения
от искры в течение большинства всех режимов работы двигателя на всем диапазоне скоростей и нагрузок.
Двигатель, показанный на фиг. 1, состоит из меньшего поршня 1, смонтированного на ободе 2 большего
поршня 3. Поршень 1 включает штангу 4 и обод 5. Штанга 4 имеет искривленный контур, кривая поддерживает завихрение воздуха, входящего в пространство 6 сгорания со стороны большего цилиндра 7, и завихряет горючую смесь, сопровождая доступ в пространство 6 сгорания. Пространство сгорания определяется
между штангой 4 и стенкой 8а, показанной в общем, меньшего цилиндра 8. Форма и размеры штанги выбираются так, чтобы обеспечивать соответствующий объем сгорания подходящего размера и формы.
Следует заметить, что обод 5 поршня 1 имеет край с осевой толщиной, которая, в основном, меньше чем
осевое расстояние между ободьями 5 и 9 поршней 1 и 3. Обод 5 имеет цилиндрический периферический край
10, немного отстоящий от стенки 8а меньшего цилиндра 8, что определяет средства задержки в виде кольцевого зазора 11. Верхний край меньшего цилиндра 8, как видно на чертеже, выполнен с дополнительной периферийной канавкой 12, обеспечивающей обход для поддержания доступа, как описано ниже. Верхний
край меньшего цилиндра 8 снабжен средствами доступа, включающими второй впускной клапан 13 и дроссельный клапан 14. Топливный инжектор 15 предусмотрен для подачи жидкого топлива во впускной канал 16.
Дроссельный клапан 14 управляет количеством воздуха, протекающего через впускной канал 16, и делает это, в
основном, независимо от количества топлива, подаваемого топливным инжектором 15.
Во время такта впуска двигателя воздух входит в больший цилиндр 7 через впускной канал 17. Воздух входит также в меньший цилиндр 8 через открытый клапан 13 с топливом от инжектора 15. Разность давлений
через обод 5 поршня 1 в ранней стадии такта сжатия может быть подвергнута влиянию дроссельного клапана 14
и времени закрытия клапана 13. Это в свою очередь влияет на синхронизацию доступа содержимого меньшего
цилиндра 8 в пространство 6 сгорания вблизи внутреннего мертвого центрального положения поршня 1 по
направлению к концу такта сжатия. Доступ в свою очередь управляет синхронизацией зажигания испаренно-
9
BY 3296 C1
го топлива при зажигании от сжатия, когда горючая смесь в цилиндре 8 встречается с более горячим воздухом, подаваемым в пространство сгорания 6 большим поршнем 3 во время такта сжатия.
Канавка 12 имеет осевую длину больше, чем толщина обода 5 меньшего поршня 1, что обеспечивает увеличенный зазор для горючей смеси, поступающей вокруг обода через обходную канавку 12. Канавка 12
обеспечивает также объем мертвого пространства в меньшем цилиндре 8, и этот объем мертвого пространства существенно замедляет время доступа, обеспеченного очень большим объемом цилиндра 7, в течение
такта сжатия.
Двигатель, показанный на фиг. 1, имеет также дроссельный клапан 18, расположенный во впускном канале 17, который подает воздух к большему цилиндру 7, и свечу зажигания 19. Выпускной клапан и выпускной канал не показаны на фиг. 1, но тем не менее присутствуют в двигателе в связи с большим цилиндром 7.
Положение поршней, показанное сплошной линией, представляет собой наружное мертвое центральное положение, а пунктирные линии показывают поршни в их внутреннем мертвом центральном положении. Двигатель может работать со стехиометрическими горючими смесями, подаваемыми через один из двух
впускных клапанов 20 или 13 или через оба, поскольку степень сжатия двигателя удерживается ниже значения, которое может вызвать непроизвольное воспламенение от сжатия.
Обращаясь к фиг. 2, геометрическое отношение сжатия двигателя может быть снижено до точки, где воспламенение используемого топлива от сжатия не будет иметь место, например ниже 12:1 для очень высокооктановых газолинов и ниже 10:1 для газолина со среднеоктановым отношением. Этот конструктивный
признак будет обеспечивать, чтобы предварительно испаренное топливо, переносимое или поступающее от
меньшего цилиндра 8 в пространство 6 сгорания, не воспламенялось непроизвольно от контакта с воздухом
в пространстве сгорания, а ожидало искры, возбуждаемой на свече зажигания 19 при использовании внешнего управления. Свеча зажигания 19 воспламеняет богатую смесь предварительно испаренного топлива с некоторой частью воздуха в тот момент, когда оно начинает смешиваться с дальнейшей частью воздуха, и в
таких условиях воспламенение от искры может происходить надежно.
Воспламенение от искры зависит только от топлива, которое поступило через обод 5 меньшего поршня к
моменту, когда происходит воспламенение от искры. Повышение давления и температуры, связанное со сгоранием, инициированным искрой, вызывает воспламенение остальной части топлива, поступающего через
обод 5 поршня, путем воспламенения от сжатия.
Основным преимуществом настоящего способа управления является значительно более простое управление воспламенением, через возбуждение свечи зажигания. Точный момент доступа не является больше критичным, и доступ может начаться раньше, чем это возможно при управлении двигателями Мерритта с чистым
воспламенением от сжатия без помощи искры.
Следует принять во внимание, что многие из конструктивных признаков двигателя, описанного в заявке
[5], применимы к настоящему изобретению. Общими признаками, которые необходимо упомянуть, являются, в частности, конструкция меньшего поршня 1, связанного со штангами, которая является такой же, а
также обеспечение второй обходной канавки на нижнем конце меньшего цилиндра 8, дополнительное обеспечение основания 21 для меньшего поршня на ободе 9 большего поршня или вблизи него, способы поддерживания воздушного завихрения воздуха, входящего в пространство 6 сгорания.
Уменьшение отношения сжатия только слегка уменьшает теоретический потенциальный тепловой к.п.д.
двигателя. Для уравновешивания этого эффекта увеличенный размер пространства сгорания уменьшает относительное влияние паразитных объемов где бы то ни было и позволяет улучшить перемещение газа во
время сгорания.
Фиг. 2 схематично воспроизводит фиг. 1, чтобы показать важность размещения свечи зажигания 19. Показаны два возможных положения. На фиг. 2а свеча зажигания показана расположенной внутри обходной
полости 12, в стратегическом положении, где пары топлива встречаются с воздухом, циркулирующим под
ободом меньшего поршня. Направление воздушного потока схематически показано толстой стрелкой, а топлива - тонкой стрелкой. На фиг. 2b свеча зажигания 19 показана расположенной сразу под обходной полостью 12. В таком случае воспламенение свечи может выгодно синхронизироваться, чтобы как можно скорее
обод меньшего поршня 1 начинал открывать полость 12.
Конструкция двигателя для управления в двух циклах, показанная в заявке [5] в частности, пригодна для
способа воспламенения в соответствии с настоящим изобретением, как будет описано ниже со ссылкой на
фиг. 9-11.
Теперь обратимся к фиг. 1, на которой показана конструкция двигателя, идентичная конструкции в заявке
[5], за исключением того, что дроссельный клапан 18 имеет меньшую лопасть, чтобы обеспечить только
управление на краю. При работе в соответствии с настоящим изобретением в четырехтактном режиме воздух проходит через канал 17 для впуска воздуха, причем дросселирование не действует в нормальных условиях. Топливо впрыскивается топливным инжектором 15 во впускной канал 16 для топлива. Топливо может
быть впрыснуто в любой момент, поскольку оно не может проходить в меньший цилиндр 8 до тех пор, пока
клапан 13 не откроется. В течение такта впуска клапан 13 открывается, что позволяет топливу и воздуху поступать в меньший цилиндр 8.
10
BY 3296 C1
В течение такта сжатия давление в меньшем цилиндре 8 повышается медленнее, чем давление в большем
цилиндре 7, отчасти благодаря объему зазора, обеспеченному канавкой 12, которая предусмотрена для того,
чтобы обеспечивать этот эффект. Ближе к концу такта сжатия происходит доступ и некоторая часть топлива
проходит через зазор 11 в пространство сгорания. Свеча зажигания возбуждается после того, как начинается
доступ, и предпочтительно до того, как поршни достигнут внутреннего мертвого центрального положения.
Начальное сгорание горючей смеси, которое происходит, поднимает давление и температуру в пространстве
сгорания достаточно для того, чтобы позволить остальной части горючей смеси, которая поступает через зазор 11, непроизвольно воспламеняться путем воспламенения от сжатия. Это происходит, даже если первоначальное пламя, созданное искрой, не управляется, чтобы достигнуть этого топлива. В конце такта расширения
выхлопной клапан (не показан) для большего цилиндра 7 открывается, чтобы позволить выхлоп продуктов
сгорания. Может быть предусмотрен, а может быть и не предусмотрен отдельный выпускной канал для
меньшего цилиндра 8.
Дроссель 18 может быть использован для незначительного понижения поступления воздуха в течение
такта впуска при тонкой настройке для того, чтобы избежать возможности воспламенения от сжатия топлива
после доступа, но до производства искры. Это может произойти, например, при бедной смеси или в жаркий
день. Имеется несколько устройств для управления выпуском газа из меньшего цилиндра 8, и они описываются ниже со ссылкой на фиг. 4-9. Теперь обратимся к фиг. 3, которая является схематическим сечением
предпочтительной формы выполнения изобретения, показывающим выпуск газа из меньшего цилиндра 8 с
использованием двух клапанов. Меньший цилиндр 8 имеет впускной клапан 13 и выпускной клапан 22, работающие независимо. Топливо впрыскивается во впускной канал 16 в любое время, как упоминалось раньше в связи с фиг. 1. Выпускной канал 23 предпочтительно должен быть соединен с главным каналом 17 для
впуска воздуха, снабжающим воздухом больший цилиндр 7. Он задерживает несгоревшее топливо, уменьшая выхлопы, а также обеспечивает рециркуляцию выхлопных газов, которая возрастает пропорционально
нагрузке двигателя.
Фиг. 4 - это схематическое поперечное сечение следующего варианта выполнения, показывающее выпуск газа
из меньшего цилиндра 8 с использованием одного клапана. Больший цилиндр 7 имеет выхлопной клапан 22 и
топливный инжектор 15, который разряжается непосредственно в меньший цилиндр 8, как только начинается такт впуска. Выхлопные газы, выходящие из меньшего цилиндра 8 во время такта выхлопа, могут с пользой направляться во впускной канал 17, который подает воздух к большему цилиндру 7, опять же, как
описано в связи с фиг. 3.
В течение такта впуска воздух входит в меньший цилиндр 8 через кольцевой зазор 11 вокруг обода
меньшего поршня 1. Потери накачки, вызываемые при этом, малы, возможно, меньше 0,1 бара, если площадь обода меньшего поршня составляет 10 % от площади большего поршня. Фиг. 5 представляет собой
вид, подобный представленному на фиг. 3, показывающий выпуск газа из меньшего цилиндра 8 с использованием только одного клапана 13, который является впускным клапаном. Топливный инжектор 15 защищается клапаном 13 от давления и температуры сгорания. Выхлопные газы выходят через зазор 11, больший
цилиндр 7 и выпускной канал 24, посредством клапана 25.
На фиг. 6 показан следующий способ регулирования выпуска газа для меньшего цилиндра 8 с использованием одного клапана 13, действующего и как впускной, и как выпускной для меньшего цилиндра 8. Переносу газов к меньшему цилиндру 8 и от него помогает открывание клапана 13 дважды в течение одного
цикла двигателя, работающего в четырехтактной последовательности, - однажды во время такта выхлопа и
снова во время такта впуска. Открывание клапана 13 во время такта выхлопа позволяет легко выпускать газ,
проходящий над ободом 5 поршня. Впускной/выпускной канал 16 соединен с каналом 17 для впуска воздуха
большего цилиндра 7, как описано в связи с фиг. 3. Топливный инжектор 15 подает топливо в район клапана
13 в течение такта впуска, чтобы предотвратить вдувание топлива в больший цилиндр 7 в течение такта выхлопа.
Фиг. 7 дает схематическое представление следующего варианта выполнения изобретения, подобного вариантам на фиг. 3 и 4, показывая выпуск газа из меньшего цилиндра 8 без использования клапанов. Поскольку меньший цилиндр 8 не имеет ни впускного, ни выпускного клапанов сам по себе, он принимает
воздух и выпускает газы от сгорания через главные впускной и выпускной каналы 17, 24 большего цилиндра
7, причем газы проходят между двумя цилиндрами через зазор 11 вокруг обода меньшего поршня 1. Такое
устройство имеет преимущество простоты механики при некотором расширении дополнительных потерь накачки и, возможно, некоторых выхлопов углеводородов и окиси углерода.
На фиг. 8 показано расположение дополнительного инжектора 26.
Фиг. 9 представляет более подробный вид двигателя, изображенного на фиг. 6, показывающий дополнительный контейнер 27, который может быть соединен с впускным каналом 17 при помощи клапана 28.
Характеристика двигателя, как изолированного двигателя Мерритта, улучшается при нахождении выхлопных газов, подаваемых через клапан 13, в контейнере 27. Его объем подбирается так, чтобы давать подходящее повышение давления в контейнере в конце такта выхлопа. Объем может быть постоянным или он
может изменяться, например, с помощью плунжера, перемещаемого в трубе (не показан). Объем может быть
11
BY 3296 C1
заключен с сосуд, как показано на фигуре, или это может быть объем канала, соединенного с каналом клапана 13, если канал геометрически закрыт с другого конца. Дроссельный клапан 14 может использоваться для
регулирования потока к каналу клапана 13 и от него, но это, может быть, и не нужно.
Горячие выхлопные газы, впущенные в объем 27, когда клапан 13 закрыт, находятся под давлением, несколько выше атмосферного давления. Они также содержат некоторую часть несгоревшего топлива, которое
остается выше обода 5 меньшего поршня 1. Топливный инжектор 15 выпускает свое топливо в этот впущенный газ. Топливный инжектор может быть расположен там, где он показан, или он может разряжаться прямо
в сосуд 27, если такое расположение помогает более эффективному испарению топлива. Время впрыскивания топлива может быть выбрано так, чтобы способствовать наилучшему испарению топлива, поскольку оно
может иметь место в течение любой части цикла.
Когда клапан 13 открывается снова в течение такта впуска, слегка сжатые газы в сосуде 27 или геометрически закрытом канале, если он используется вместо сосуда, устремляются в цилиндр 8, увлекая за собой пары топлива. Продукты сгорания от предыдущего цикла помогают испарению топлива, а также задерживают
образование окислов азота, поддерживая "рециркуляцию выхлопных газов", которая является признанным
способом управления выпуском NОx при выхлопе.
Давление, создаваемое в сосуде 27, зависит от скорости двигателя. При низкой скорости давление может
быть недостаточно, чтобы обеспечить хороший процесс впуска, следующий за процессом выхлопа. Для преодоления этого сосуд 27 соединен с впускным каналом 17 при помощи клапана 28, который может открываться
в условиях низкой скорости или в любой момент, когда пиковое давление в сосуде падает ниже желательной
величины. Когда клапан 28 открывается, выхлопные газы подаются во впускной канал 17, направляясь к
большему цилиндру 7 для рециркуляции, и поступающий воздух использует один клапан, служащий как
впускным, так и выхлопным клапаном, только один клапан служит исключительно выхлопным клапаном,
или два отдельных клапана служат соответственно впускным и выхлопным клапанами, связанными непосредственно с меньшим цилиндром 8, или клапанов нет вообще.
Топливный инжектор 15 впрыскивает небольшое количество топлива в меньший цилиндр 8 во время такта впуска, и это топливо испаряется прежде, чем оно впускается в пространство сгорания с тем, чтобы оно
могло воспламениться от искры. Воспламенение этого топлива поднимает давление и температуру в пространстве сгорания, что позволяет большей части топлива, которая впрыскивается топливным инжектором
26 вблизи конца такта сжатия, воспламеняться путем воспламенения от сжатия. Таким образом, степень сжатия, необходимая для воспламенения топлива, может быть понижена.
Если инжектор 15 заряжается другим, более летучим топливом, таким как газолин, в то время, как инжектор 26 заряжается дизельным топливом, управление гибридным двигателем Мерритт/дизель может быть
улучшено, и степень сжатия двигателя может быть еще более понижена, например, до значения между 12:1 и
3:1, вместо значения между 24:1 и 18:1, которое является нормальным для обычных дизельных двигателей.
Фиг. 10 представляет вид, подобный виду на фиг. 9, показывающий инжектор 15, размещенный для
впрыскивания топлива во впускной канал 16. Летучее топливо (например, бензин) впрыскивается инжектором 15 для впуска в меньший цилиндр 8 в течение такта впуска, в то время, как инжектор 26 впрыскивает
дизельное топливо вблизи конца такта сжатия. После впуска топливо воспламеняется от искры, а дизельное
топливо затем воспламеняется от горячих газов воспламенением от сжатия. Двигатель на фиг. 10 может также использовать любое из устройств клапанов для выпуска газов, описанных в связи с фиг. 9.
На фиг. 11 представлен следующий вид, подобный видам на фиг. 9 и 10, показывающий следующий
предпочтительный вариант выполнения, согласно изобретению, гибридного двигателя Мерритт/дизель, в котором может быть использовано любое устройство клапана для выпуска газов из представленных на фиг. 10.
При работе инжектор 15 дизельного топлива сначала впрыскивает в меньший цилиндр 8 во время такта
впуска, а затем впрыскивает следующее количество топлива ближе к концу такта сжатия. Топливный инжектор 15 заряжается дизельным топливом, и степень сжатия двигателя может быть понижена, как описано в
связи с фиг. 9.
Система гибридного двигателя с воспламенением от искры, показанная в заявке [5], целиком применима
к настоящему изобретению, но способы управления различны. Эта система [5] фактически представлена
здесь фиг. 12. Обращаясь к фиг. 12, двигатель может работать со стехиометрическими горючими смесями,
подаваемыми через один из двух впускных клапанов 20 или 13 или через оба, поскольку степень сжатия двигателя удерживается ниже значения, которое может вызвать непроизвольное воспламенение от сжатия.
Двигатель на фиг. 12 может запускаться работать на холостом ходу в режиме двигателя Мерритта при
подаче топлива через инжектор 15 пока инжектор 29 остается бездействующим, а дроссель 30 полностью
открыт. Работа двигателя при частичной нагрузке и холостом ходе по сравнению с обычным современным
двигателем с зажиганием от искры при использовании свечи зажигания 19 для поддержки STCI. При работе
в режиме Мерритта с отношением "топливо/воздух", более бедным чем порог образования окислов азота,
при частичной нагрузке двигатель находится в пределах нормального образования выхлопов, даже когда каталический преобразователь с тремя путями использует случаи свободного кислорода в потоке выхлопных
газов, при отсутствии NOx в этих условиях.
12
BY 3296 C1
Преимуществом работы в режиме SIGE со стехиометрическими горючими смесями и каталическим преобразователем с тремя путями является получение более высоких значений эффективных давлений средств
торможения (ВМЕР), чем это возможно при рабочем режиме Мерритта, особенно когда последний работает
при частичной нагрузке, ниже порога отношения NOx топливо/воздух. В средствах передвижения предлагается
использовать режим Мерритта в городском вождении и для облегчения движения по автомагистрали, в то
время как режим SIGE автоматически выбирается, чтобы справиться с условиями полной нагрузки. Переключение с режима двигателя Мерритта на режим обычного двигателя с зажиганием от искры (SIGE) может
быть сделано, чтобы способствовать условиям почти полной нагрузки двигателя, когда требуется максимальное использование воздуха, другими словами, когда весь воздух, находящийся в обоих цилиндрах 8 и 3, может
быть необходим для сгорания самого большого количества топлива. В этом случае инжектор 29 приводится в
действие системой управления двигателя в то время, как инжектор 15 или бездействует, или работает с пониженным количеством топлива. Предварительно смешанные горючие смеси, вводимые через впускной клапан
20, могут стехиометрически приспособиться к свече зажигания 19, которая в соответствии с настоящим изобретением может постоянно находиться в действии, готовая воспламенить смесь при срабатывании от системы управления двигателем.
Переход от работы с полной нагрузкой к работе с частичной нагрузкой может быть сделан постепенно с
помощью дросселя 30, используемого для уменьшения полной нагрузки в режиме SIGE, пока подача топлива не будет полностью произведена инжектором 15, во время которой дроссельный клапан 30 может быть
полностью открыт.
Этот способ гибридного управления имеет преимущество использования способа воспламенения от искры в режиме двигателя Мерритта по настоящему изобретению, позволяющее полное использование воздуха, а значит, повышенную выходную мощность при полной нагрузке, сохраняя в то же время высокий
тепловой к.п.д. двигателя Мерритта при частичных нагрузках и на холостом ходу. Управление двигателем на
фиг. 12 отличается от управления, описанного в заявке в [5], тем, что свеча зажигания 19 всегда используется для инициирования воспламенения в режиме Мерритта и в режиме SIGE.
Главной целью управления в режиме SIGE является обеспечение использования большего количества
воздуха, чем возможно при использовании сегрегирующего режима. Это приводит к большим значениям
среднего эффективного давления МЕР и большей выходной мощности. Поэтому сегрегирующий режим
подходит для управления двигателем при частичной нагрузке или при МЕР частичной нагрузки при работе с
высоким тепловым к.п.д. двигателя. Обычные двигатели SIGE работают со значительно пониженным тепловым к.п.д. при МЕР частичной нагрузки. В то же время режим SIGE позволяет тому же самому двигателю
Мерритта достигнуть МЕР полной нагрузки по сравнению с обычными двигателями с искровым зажиганием
в условиях работы, где двигатели SIGE работают наиболее эффективно. Таким образом, сочетание двигателя
Мерритта с работой на принципе STCI обеспечивает возможность работы двигателя с более высоким тепловым к.п.д. в условиях более широкой рабочей нагрузки, чем могут в настоящее время достигнуть существующие двигатели SIGE или дизельные двигатели.
На фиг. 13 показан вид, подобный виду на фиг. 12, в котором управлению двигателем в режиме Мерритта
(сегрегирующем режиме) помогает использование сосуда 27, клапана 28 и вентилятора 31, как описано со
ссылкой на фиг. 8. На фиг. 13 дроссельный клапан 29 является также дополнительным и может использоваться в помощь управлению синхронизацией доступа, хотя в STCI такое управление не является необходимым.
Требованием для управления в режиме SIGE является удерживание корпуса меньшего поршня 1 при температуре, достаточно низкой для того, чтобы избежать преждевременного воспламенения горючей смеси топлива с воздухом, подаваемого под ободом 5 в несегрегирующем режиме или режиме SIGE это требует
охлаждения корпуса меньшего поршня 1, например, путем подачи струи масла на его основание через поршневой палец. Если такое охлаждение необходимо, температура обода 5 может быть недостаточной для испарения всего топлива, подаваемого к меньшему цилиндру 8 во время изолированного режима. В таком случае
задерживание выхлопных газов в сосуде 27 обеспечивает дополнительный способ испарения топлива в качестве компенсации.
На фиг. 14 показан следующий вид варианта выполнения фиг. 4, где меньший поршень 4 имеет выход из
отверстия в меньшем цилиндре 8 в наружном мертвом центральном положении. Устройство для выпуска газов из меньшего цилиндра 8 может быть выполнено в одной из форм, описанных ранее. На фиг. 14 один выхлопной клапан предусмотрен для меньшего цилиндра 8.
Отсутствие впускного клапана может быть выгодно для меньшего цилиндра, потому что желательно
иметь местный вакуум для вытягивания воздуха из большего цилиндра 7, когда поршни находятся в наружном мертвом центральном положении, а также во избежание чрезмерного сброса топлива в больший цилиндр 7. Желательно снабдить меньший цилиндр 3 выпускным каналом 23 и выхлопным каналом 22 для
того, чтобы избежать чрезмерного давления, создаваемого в меньшем цилиндре 8 в начале такта впуска.
Выпускной канал 23 соединяется с впускным каналом 17 большего цилиндра 7 для возможности рециркуляции несгоревших углеводородов и окиси углерода. При отсутствии впускного клапана, как показано на
13
BY 3296 C1
фиг. 14, топливный инжектор 15 связан непосредственно с меньшим цилиндром 8, но другие устройства для
впуска газа могут отличаться.
Фиг. 4
Фиг. 1
Фиг. 2a
Фиг. 2b
Фиг. 5
Фиг. 3
14
BY 3296 C1
Фиг. 6
Фиг. 9
Фиг. 7
Фиг. 10
Фиг. 8
15
BY 3296 C1
Фиг. 11
Фиг. 13
Фиг. 12
Фиг. 14
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
753 Кб
Теги
by3296, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа