ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/28 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Известен четырехтактный двигатель В. М. Кушуля со степенью расширения, превышающей степень сжатия, содержащий сообщающиеся между собой пары цилиндров с верхнеклапановым распределительным механизмом и отдельными поршнями, кинематически связанными с коленвалом, размещенным в маслонаполненном картере двигателя.

Расход топлива у такого двигателя на 30% меньше, чем у обычных двигателей с термодинамическими циклами Отто и Дизеля, но его сложная многоцилиндровая конструкция обладает плохой уравновешен- ностью, повышенным удельным весом с габаритами.

Известны более простые и легкие двухтактные двигатели со ступенчатым поршнем и осевой продувкой, которая осуществляется трубчатой надставкой поршня, открывающей соосное впускное окно в крышке цилиндра, после открытия поршнем бокового выпускного окна цилиндра при прохождении нижней мертвой точки.

Недостатком таких двигателей с двойным поршнем является симметричная диаграмма продувки и одинаковое соотношение степеней сжатия-расширения, которые сопровождаются более высоким удельным расходом топлива и масла, подаваемого в цилиндр вместе с топливом, что существенно ухудшает их экономичность и экологичность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий и вспомогательный цилиндры с вспомогательным поршнем и автоматическими впускными клапанами, которые предназначены для осевой продувки тороидальной камеры сгорания.

В этом двигателе обеспечивается принудительная прокачка и заполнение рабочего цилиндра свежим зарядом топливовоздушной смеси вспомогательным поршнем, однако наличие автоматических клапанов и вспомогательных цилиндров в днище поршня и головке цилиндра усложняют его конструкцию и снижает надежность, так как неизбежные утечки из вспомогательного цилиндра могут привести к зависанию в промежуточном положении вспомогательного поршня или его ударам о рабочий поршень.

Цель изобретения - создание двигателя, сочетающего в себе преимущества двух- и четырехтактных двигателей за счет реализации эффективного трехтактного цикла работы, обеспечивающего сокращение удельного расхода топлива и масла, при одновременном упрощении конструкции и повышении надежности двигателя.

Указанная цель достигается тем, что вместо вспомогательных цилиндров предлагаемый двигатель снабжен направляющей полостью, сообщающейся с впускным окном, шток вспомогательного поршня выполнен полым и установлен с возможностью периодического входа в направляющую полость посредством возвратной пружины, которая установлена в полости штока и направляющей полости. Причем днища впускного поршня выполнены в виде мембран из термостойкого материала так, что его толщина не превышает осевой размер боковой камеры сгорания.

Поскольку указанные отличия отсутствуют у аналогов и прототипа, следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

В результате у заявленного устройства появляются новые свойства и положительный эффект, который недостижим у известных устройств аналогичного назначения. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен разрез предлагаемого двигателя по оси цилиндра; на фиг. 2 - круговая диаграмма его работы; на фиг. 3 - соответствующий термодинамический цикл.

Трехтактный двигатель содержит цилиндр 1, в котором выполнена боковая полость камеры сгорания 2 с топливной форсункой 3 и свечой зажигания 4. В цилиндре 1 оппозитно размещены рабочий поршень 5, перекрывающий своей боковой поверхностью выпускное окно 6 цилиндра 1, и легкий впускной поршень 7 - вытеснитель, выполненный в виде двойной пустотелой мембранной коробки или упругой сильфонной оболочки и снабженный трубчатым штоком 8, плотно входящим в направляющую полость впускного окна 9 крышки 10 цилиндра, накрытой пробкой 11 с цилиндрической пружиной 12, упирающейся в впускной поршень. Рабочий поршень 5 кинематически связан с кривошипно-шатунным механизмом коленвала, размещенным в маслозаполненном картере 13 двигателя.

Полный цикл работы двигателя происходит за один оборот коленвала и начинается с нижней мертвой точки (О^l), в которой находятся оба поршня 5 и 7 под воздействием пружины 12. При этом выпускное окно 6 закрыто боковой поверхностью впускного поршня 7, а впускное окно 9 полностью открыто и цилиндр 1 заполнен воздухом атмосферного давления Р₁с максимальным рабочим объемом V₂ (фиг. 2 и 3).

Первый такт - сжатие начинается с момента (I) закрытия впускного окна 9 трубчатым штоком В впускного поршня 7, который поднимается под воздействием рабочего поршня 5, сжимающего пружину 12. Совместное движение обоих поршней 5 и 7 в ВТМ сопровождается сжатием воздуха, находящегося между впускным поршнем 7 и крышкой 10 цилиндров, начиная с объема V₁, который меньше максимального рабочего объема V₂ на величину изменения объема цилиндра из-за подъема поршней от НМТ до момента (I) закрытия впускного окна 9 и объема трубчатого штока 8.

Адиабатическое сжатие воздуха продолжается до момента (II) прихода поршня 5 в ВМТ и прохождения впускным поршнем 7 боковой полости камеры сгорания 2, когда объем V_о минимален, а давление Р₂ в цилиндре 1 становится настолько большим, что превышает силу давления пружины 12 на впускной поршень 7.

Второй такт - расширение начинается с прижатия впускного поршня 7 к крышке 10 силой избыточного давления Р₂, пропорциональной площади поперечного штока 8. При этом происходит интенсивное перетекание сжатого воздуха из уменьшающегося пространства над впускным поршнем 7 через камеру сгорания 2 в зазор между поршнями 5 и 7, которое сопровождается вихревым движением сжатого воздуха в камере сгорания 2 и впрыском дизельного топлива через форсунку 3. Одновременное протекание этих процессов обеспечивает хорошую гомогенизацию рабочей смеси и ее полное сгорание при высоком постоянном давлении Р₂ до объема V_о^l, т. е. до точки (III^l) термического цикла.

Адиабатическое расширение раскаленных продуктов сгорания рабочей смеси происходит при неподвижном впускном поршне 7, прижатым к крышке 10 цилиндра большим избыточным давлением, которое быстро опускает рабочий поршень 5, совершая полезную работу, до момента (IV) открытия его боковой поверхностью выпускного окна 6 цилиндра 1.

Третий такт - впуск новой порции атмосферного воздуха и выпуск отработанных газов осуществляется самостоятельным движением впускного поршня 7 со штоком 8 под воздействием потенциальной энергии пружины 12, которая начинает распрямляться, как только давление Р₁^l в цилиндре упадет до атмосферного Р₁. При этом поршень 5 находится вблизи НМТ и свободный объем цилиндра V₂^l несколько больше рабочего объема V₂ на величину собственного объема трубчатого штока 8, находящегося за пределами цилиндра 1. Как только впускной поршень 7 отойдет от крышки 10 и своей боковой поверхностью перекроет нижнюю кромку боковой полости камеры сгорания 2, произойдет раздвоение рабочего объема цилиндра на две части. Нижняя часть этого объема между поршнями 5 и 7 будет монотонно уменьшаться от точки (О^l) до нуля при давлении Р₁, близком к атмосферному, обеспечивая выпуск находящихся в ней газов, а верхняя часть объема, заключенного между крышкой 10 и впускным поршнем 7, наоборот увеличивается от нуля до V_о при атмосферном давлении Р₁, что соответствует точке (О) термодинамического цикла.

Дальнейшее движение впускного поршня 7 до момента (I^l) открытия впускного окна 9 сопровождается разрежением верхней части рабочего объема до давления Р_о, которое значительно ниже атмосферного Р₁. Поэтому после открытия впускного окна 9 трубчатым штоком 8 происходит быстрое наполнение этого объема чистым воздухом при атмосферном давлении Р₁, которое продолжается до момента (IV^l) встречи обоих поршней 5 и 7 в НМТ. При этом остаточная энергия удара пружины 12 демпфируется упругой мембранной оболочкой впускного поршня 7, что обеспечивает апериодический возврат устройства в исходное состояние (О^l) и замыкание термодинамического цикла, который кроме петли (IV^l - I-II-III^l-IV-IV^l) полезной работы (+) имеет петлю (О-I^l-I-О) отрицательной работы (-), затраченной пружиной 12 на прокачку цилиндра 1.

При подключении искровой свечи зажигания 4 предлагаемый двигатель может работать и по циклу Отто с продолженным расширением на более легком или газообразном топливе как с внешним карбюратором, так и с внутренним впрыском топлива через форсунку 3, которая дополнительно снабжается автоматически обратным клапаном и подключается к топливопроводу низкого давления, поддерживаемого на уровне атмосферного, например, при помощи обычной поплавковой камеры. В этом случае впрыск топлива, в частности бензина, происходит автоматически на фазе разрежения (О-I^l) такта впуска-выпуска, а его сгорание в отличие от рассмотренного цикла Дизеля происходит по изохорде (II-III) в ВМТ до давления Р₃ с последующим расширением по адиабате (III-IV) и чередованием остальных этапов термодинамического цикла (фиг. 3) и круговой диаграммы (фиг. 2), которая имеет различные углы открытия и закрытия впускного 9 и выпускного 6 окон, так как они по своему зависят от несимметричных движений впускного 7 и выпускного 5 поршней.

Таким образом, предлагаемый трехтактный двигатель обеспечивает практически такой же автономный цикл высококачественного впуска-выпуска рабочей смеси, так и четырехтактный двигатель, с отдельными тактами впуска и выпуска и степенью расширения, превышающей степень сжатия при наличии рабочих тактов сжатия и расширения на каждом обороте коленвала как у двухтактных двигателей, но с ощутимым снижением на 30% по сравнению с продувкой расходом топлива и масла, циркулирующего лишь в картере двигателя, что резко улучшает его экономичность и экологичность. Кроме того, несложные конструктивные отличия предлагаемого двигателя касаются лишь деталей цилиндра и его крышки, поэтому возможно простое конвертирование существующих двух- и четырехтактных двигателей в трехтактные с соответствующим повышением удельной мощности и расширением функциональных возможностей газораспределения даже по отношению к базовому варианту двухтактного двигателя внутреннего сгорания с осевой продувкой. (56) Патент Германии N 243254, кл. 46 a⁴ 10, 1910.

Использование: машиностроение, двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: направляющая полость сообщена с впускным окном. Шток впускного поршня выполнен полым и установлен с возможностью периодического входа в направляющую полость посредством возвратной пружины, установленной в полости штока и направляющей полости. Впускной поршень выполнен толщиной, не превышающей осевой размер боковой камеры сгорания. Днища впускного поршня выполнены в виде мембраны. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндр с боковой камерой сгорания, впускным и выпускным окнами, первое из которых выполнено в головке цилиндра, а второе - в нижней части стенки цилиндра, рабочим поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, и оппозитным впускным поршнем, имеющим верхнее и нижнее днища и жестко связанный с верхним днищем шток, длина которого пропорциональна диаметру кривошипа, выполненный с возможностью перемещения в направляющей полости, расположенной в головке цилиндра, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, направляющая полость сообщена с впускным окном, шток впускного поршня выполнен полым и установлен с возможностью периодического входа в направляющую полость посредством возвратной пружины, установленной в полости штока и направляющей полости, причем впускной поршень выполнен толщиной, не превышающей осевой размер боковой камеры сгорания. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что днища впускного поршня выполнены в виде мембран из термостойкого материала.