Термодинамический всасывающий клапан - RU2154215C2

Чертежи

Описание

Это изобретение относится к термодинамическому всасывающему клапану.

Более точно, это изобретение относится к термодинамическому всасывающему клапану для управления и регулирования потока топлива к карбюратору и картеру двухтактного двигателя.

Возможно применение этого изобретения в механической и автомобильной промышленностях.

Предпосылки изобретения
В известных в настоящее время двухтактных двигателях поршень открывает и закрывает впускное отверстие всасывания; следовательно, регулирование потока смеси является симметричным относительно двух возвратных положений.

Угол между началом открытия впускного отверстия всасывания и обратным положением поршня равен углу между этим положением и окончанием закрытия этого отверстия.

В типичных двухтактных двигателях полный угол открытия впускного отверстия всасывания находится в пределах между 100 и 110^o поворота кулачкового вала; половина угла соответствует повороту поршня в наружном направлении, а другая половина - его обратному ходу.

Установлено, что симметричное регулирование потока топлива к картеру не является удовлетворительным решением, так как впускное отверстие всасывания должно открыться гораздо раньше, а закрыться позже, что не представляется возможным при обычном расположении поршня.

Для устранения этого неудобства было найдено решение, в соответствии с которым циркуляция газа не зависит от перемещений поршня с поворотным дросселирующим клапаном, установленным на кулачковом валу.

Этот клапан обеспечивает симметричную подачу топлива в картер по мере открытия и закрытия клапана поворотной пластиной.

Эта пластина подрезана под углом, соответствующим углу открытия впускного отверстия всасывания, а подача топлива в картер зависит от размера этого отверстия.

Другие известные решения обеспечивают автоматическое регулирование подачи топлива путем изменения давления в картере.

Для этого применяются тарельчатые клапаны, содержащие упругие пластины, которые соединены между собой параллельно.

Благодаря давлению в картере эти пластины выдвигаются пропорционально величине разрежения, обеспечивающей подачу топлива.

При достижении равенства давлений пластины закрывают впускное отверстие всасывания с предотвращением возврата топлива.

Такая система основана на режиме механического регулирования подачи топлива в картер, и при использовании поворотных пластин конструкция двигателя усложнена, что увеличивает стоимость его изготовления.

Другие недостатки этих систем являются следствием того, что их точное функционирование имеет место только при строгом задании скорости вращения кулачкового вала, что делает их фактически неприменимыми; следовательно, такие системы практически не применяются в двигателях автомобилей для гонок по замкнутому контуру и автомобилей для ралли.

В случае использования тарельчатых клапанов их правильное действие и производительность зависят от материала, из которого они изготовлены.

Тем не менее, принимая во внимание тот факт, что пластины установлены жестко, они не выдерживают длительного напряжения, деформируются и изнашиваются, что приводит к поломкам, которые в свою очередь вызывают необходимость частой замены.

Кроме того, благодаря внутренним реакциям действие пластин препятствует медленной подаче топлива в той степени, когда повышенная сопротивляемость пластин не обеспечивает подачу топлива, когда это наиболее необходимо.

Эти решения имеют и другие недостатки, такие как нерешенная проблема неэкономичного потребления топлива и высокая степень загрязнения окружающей среды, которые свойственны двухтактным двигателям.

Однако, загрязнение окружающей среды двухтактными двигателями в основном вызвано несовершенной подачей топлива при рабочем цикле.

Действительно, камера сгорания наполняется топливом, которое не может быть полностью потреблено, то есть не может полностью сгореть только за два рабочих хода цикла.

Благодаря этому применение двухтактных двигателей в последнее время было существенно уменьшено несмотря на их эффективную конструкцию и экономичную работу.

В патенте США A-4356798 описан всасывающий термодинамический клапан, выполненный с возможностью регулирования потока топливной смеси и воздуха из карбюратора в картер двухтактного двигателя. Этот клапан содержит полый корпус, выполненный с возможностью размещения между разъемами картера и карбюратора с вставленными соответствующим образом уплотнениями, втулку, край которой расположен внутри корпуса и подрезан под заданным углом наклона, и стенку, шарнирно закрепленную одним концом и установленную с возможностью закрытия указанного края втулки.

В патенте США A-5390633 описано размещение всасывающего термодинамического клапана между картером двигателя и карбюратором, при этом клапан содержит втулку, край которой расположен внутри впускного корпуса коленчатого вала и подрезан под заданным углом наклона, и стенку, шарнирно закрепленную одним концом и установленную с возможностью закрытия указанного края втулки.

В патенте ФРГ A-3741880 предложен клапан, в котором стенка выполнена из ферромагнитного материала, а на корпусе клапана установлен электромагнит. В этом случае сила притяжения рассчитана на открытие клапана, а не на возврат стенки в положение закрытия, как предложено в настоящем изобретении.

Описание изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и неудобств и создание термодинамического всасывающего клапана, обеспечивающего в случае его применения в двухтактных двигателях определенное количество топлива, необходимое для сгорания, и вызывающего увеличение мощности и уменьшение сгорания, оцениваемые примерно в 50%.

Это достигается путем создания клапана, имеющего свойства, описанные в главном пункте формулы изобретения.

В зависимых пунктах формулы представлены предпочтительные примеры варианта выполнения изобретения.

Решение, предложенное в настоящем изобретении, основано на законах термодинамики (Х. Фалтин, "Технише термодинамик", Берлин, 1961, В.P. Грюндлах, "Айнфюринг ин ди технише термодинамик", Цюрих, 1947, А.Холл, Е.Айбил, "Енжиниэринг термодинамикс", Прентис Холл, I960), имеет простую конструкцию и может широко применяться.

Предложенный термодинамический всасывающий клапан содержит шарнирно закрепленную соответствующим образом стенку, закрывающую втулку, которая подрезана под некоторым углом, и работает в соответствии с принципом наклонного сопла Бендемана, которое создает переменный коэффициент раскрытия (в отличие от постоянного коэффициента раскрытия, получение которого возможно, например в сопле Лаваля), зависящий от давления в картере.

Таким образом механическое регулирование подачи топлива в картер отсутствует.

Топливо, протекающее через такое сопло с переменным коэффициентом раскрытия, образует диазвуковой поток с дозвуковой скоростью.

Следовательно, во впускном отверстии при подаче в картер возникает динамический эффект Ранкина-Гюгоньо, и декомпрессия газового коэффициента подстраивается на некоторое разрежение.

Поток топливной смеси, который представляет собой диазвуковой поток, зависит от скорости вращения кулачкового вала, что обеспечивает невозможность отделения потока от стенок всасывающей трубки.

Упомянутое явление предотвращает образование вихря, а поток газа, выходящий из клапана, расширяется с предотвращением возврата топлива во время полного оборота кулачкового вала.

В соответствии с изобретением поток топлива, подаваемого в картер через стенку клапана, вибрирует (что соответствует кинетической теории газов).

Вышеописанное имеет место в пределах поворота кулачкового вала. Стенка, закрывающая наклонное сопло с переменным коэффициентом раскрытия, разделяет топливо, поступающее в картер, на части, и поэтому при каждом ходе всасывающего поршня возникает несколько циклов подачи (от двух до десяти и более в зависимости от рабочего объема двигателя), причем при каждом последующем цикле энергетический уровень выше, чем при предыдущем (эффект катапульты).

Циклы, которые разделяют движение всасывания поршня на большее количество периодов, могут быть пояснены законами физики, и в момент, когда разрежение в картере достигает величины, большей инертной массы колеблющейся стенки, последняя открывается, и топливная смесь вводится в картер.

В соответствии с изобретением колебательное движение стенки ограничено соответствующим демпфером, который расположен в клапанной втулке и снабжен упругим приспособлением, предназначенным для смягчения ударов, исходящих от стенки.

Кроме того, при открытии стенка ударяется о демпфер, отскакивает от него с занятием положения закрытия и на некоторое время перекрывает поток топливной смеси.

Однако при обратном ходе стенка в соответствии с законом Кулона наталкивается на поток топлива, протекающий через сопло, и сама давит на поток.

В действительности может случиться, что стенка закрывается постепенно, и, следовательно, в соответствии с законом Бернулли поток топливной смеси ускоряется с одновременным понижением давления. Этот эффект, возникающий во время полного периода вращения кулачкового вала в режиме обратного сжатия, продолжается до полного закрытия стенки.

В этот момент разрежение внутри картера превосходит силу, удерживающую стенку на месте, и стенка снова открывается с обеспечением начала нового цикла.

В соответствии с существенным свойством изобретения возвратное перемещение стенки обеспечивается действием постоянного магнита, силой которого стенка устанавливается в положение закрытия.

Предлагаемый всасывающий клапан, в котором используются законы термодинамики, непосредственно влияет на коэффициент полезного действия двухтактного двигателя.

Испытания, проведенные заявителем, показали, что экономия топлива с точки зрения его потребления достигает 50% и сопровождается сопоставимым с этой экономией повышением мощности.

Также установлено, что увеличивается срок службы двигателя в противоположность ожидаемому сроку при недостаточной смазке, вызванной пониженной подачей топливной смеси.

Это происходит благодаря улучшению удаления оставшихся продуктов сгорания, а также интенсивности внутреннего охлаждения, обусловленному упругим сжатием смеси, характеристики которой аналогичны характеристикам жидкостей в охладителях Линда.

Таким образом, двухтактный двигатель, снабженный предлагаемым клапаном, не перегревается даже при высокой температуре окружающей среды и при полной нагрузке, и даже отсутствует самовозгорание. Также отсутствуют серьезные дефекты, возникающие в мостике вблизи электродов свечей зажигания, типичные для двухтактных двигателей.

И наконец, может быть достигнуто существенное повышение приспособляемости двигателей.

Описание чертежей
Другие свойства и преимущества изобретения станут очевидными при ознакомлении с последующим описанием, в котором представлен неограничивающий пример и к которому приложены чертежи. На этих чертежах:
фиг. 1 изображает схематичный разрез предлагаемого всасывающего клапана, а
фиг. 2 изображает сечение по линии А-А клапана на фиг. 1.

Описание варианта выполнения
Изображенный на чертежах предлагаемый термодинамический всасывающий клапан для двухтактного двигателя содержит корпус 4, внутри которого расположена наклонная втулка, имеющая сопло или шейку 11, при этом корпус вставлен между разъемом 1 цилиндра или картера и разъемом 7 карбюратора с вставленными соответствующими уплотнениями 8 и 12.

Стенка 10, наклоненная под заданным углом, установлена над шейкой 11 с возможностью перемещения вокруг оси, образованной двумя шарнирами 5.

Кроме того, на некотором расстоянии от стержней 5 в соответствии с краем стенки 10 расположен груз 9, выбранный в зависимости от технических характеристик двигателя.

Как показано на фиг. 1, стенка 10 установлена и наклонена под заданным углом, например под углом примерно 45^o, с образованием сопла Бендемана с переменным коэффициентом раскрытия.

Уплотнение 6 установлено между корпусом 4 и шейкой 11 по краю корпуса 4.

В соответствии с изобретением в корпусе 4 установлен выдвигаемый демпферный элемент 2, который содержит втулку с резьбой по всей ее длине для регулирования его положения и на своем крае имеет упругое приспособление 3, например пружину, выполняющую двойную функцию: во-первых, функцию амортизатора удара стенки 10 при ее полном открытии и, во-вторых, функцию приложения к этой же стенке давления, стремящегося оттянуть ее в сторону закрытого положения.

И наконец, клапан прикреплен к корпусу двигателя и к карбюратору винтами 13 (фиг. 2).

Всасывающий клапан такого типа обеспечивает достижение всех описанных выше преимуществ, обеспечивающих легкую приспособляемость этого клапана к любому типу двухтактного двигателя благодаря максимальному раскрытию посредством элемента 2.

В результате этого возможно обеспечение идеального заполнения картера топливом.

В соответствии с существенным свойством изобретения стенка 10 выполнена из ферромагнитного материала, а под корпусом 4 вставлен постоянный магнит (не показан на чертежах).

Такой магнит действует с постоянной силой притяжения по отношению к стенке 10, устанавливая последнюю в положение закрытия, что демпфирует вибрацию и ускоряет возврат стенки после удара о демпфер.

Более того, потенциал прикладываемого магнитного поля, кроме механического воздействия на стенку, воздействует также электростатически на химическую и физическую структуру потока топливной смеси, вибрирующего в магнитном поле, так как на краю стенки индуцируется сильное электростатическое поле.

Такое поле вызывает эффект ускорения электронов, которые при столкновении с частицами воздуха в топливной смеси освобождают более нагруженные частицы. Затем основной заряд на краю стенки притягивает часть таких частиц, которые, имея противоположный знак, нейтрализуют этот заряд.

И наоборот, частицы с тем же знаком, что и частицы заряда на краю стенки, выбрасываются и выносят с собой часть смеси с образованием тем самым электрического ветра.

В то же время электростатическое поле, индуцируемое у края стенки, имеет противоположный знак по отношению к полю, индуцируемому между электродами свечи, что создает искру в частицах, ионизированных газом.

Противоположные заряды полей вызывают электростатическое притяжение и максимальную конденсацию нагруженных частиц топлива вокруг электродов свечи или перед образованием искры, или во время искрового зажигания, и при этом достигается экономичное потребление топлива и повышение мощности двигателя.

Тем не менее особая инерция частиц топлива по отношению к электростатическим силам вызывает ликвидацию части электрических зарядов, что уменьшает их поверхностное напряжение и увеличивает коэффициент диффузии; тем самым время сжигания уменьшается, а интенсивность сжигания увеличивается.

Реферат

Термодинамический всасывающий клапан предназначен для управления и регулирования потока топлива к карбюратору и картеру двухтактного двигателя. Всасывающий термодинамический клапан выполнен с возможностью регулирования потока топливной смеси и воздуха из карбюратора в картер двухтактного двигателя. Всасывающий термодинамический клапан содержит полый корпус (4), расположенный между разъемом (1) картера и разъемом (7) карбюратора с вставленными соответствующим образом уплотнениями (8, 12). Клапан содержит втулку (11). Край втулки расположен внутри корпуса (4) и подрезан под заданным углом наклона. Клапан содержит стенку (10), шарнирно закрепленную одним концом и установленную с возможностью закрытия указанного края втулки. Стенка выполнена из ферромагнитного материала. На корпусе (4) клапана в соответствии со стенкой (10) установлен постоянный магнит. Магнит предназначен для приложения к стенке (10) силы притяжения, удерживающей ее в положении закрытия втулки (11). Изобретение позволяет обеспечить, в случае его применения в двухтактных двигателях, определенное количество топлива, необходимое для сгорания, увеличение мощности и уменьшение сгорания. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула