ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B23/00 F02B19/00 F02B25/10 F02B75/10 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

Система двигателя внутреннего сгорания может быть подразделена на множество взаимосвязанных подсистем, которые действуют совместно, чтобы получить желаемые характеристики в отношении скорости, выходной мощности, потребления топлива и выходного выделения системы двигателя. Это следующие подразделения: средства зажигания, управление входом топлива, управлением газовым потоком внутри цилиндров двигателя и камеры сгорания.

Система дизельного двигателя имеет следующие подсистемы: механизмы разделения, смешивания топлива и воздуха в камере сгорания.

Разделение подразумевает исключение топлива из камеры сгорания двигателя во время всасывающего и сжимающего тактов двигателя для предотвращения преждевременного зажигания, когда непрерывно действующее средство зажигания располагается в камере сгорания. Разделение дает значительную выгоду в эффективности топлива в двигателе внутреннего сгорания, так как степень сжатия двигателя может быть выбрана без учета используемого топлива, так как самопроизвольное зажигание при сжатии может быть предотвращено. При частичной нагрузке вход топлива может быть уменьшен без уменьшения входа воздуха. Это дает в результате работу двигателя при сверхбедном сгорании. При частичной нагрузке также нет необходимости в каком-либо механическом вмешательстве в воздушный поток во время всасывания воздуха, как это происходит, например, при дросселирующем кране, что ведет к потерям в нагнетании.

Дизельный двигатель является единственным двигателем внутреннего сгорания, отвечающим современным требованиям, который использует разделение в своей работе. Во время работы воздух втягивается в цилиндр двигателя и сжимается до высокого объемного соотношения (от 14: 1 до 25: 1), в результате чего воздух нагревается до высокой температуры (между 300 и 400^оС). Топливо не впрыскивается в цилиндр до конца такта сжатия. Вследствие высокой температуры воздуха топливо воспламеняется самопроизвольно. Однако сгорание не имеет места сразу после впрыскивания топлива. Топливо входит в цилиндр в форме капель жидкости. Они должны хорошо смешаться с воздухом в цилиндре и испариться прежде, чем они могут воспламениться, чтобы начать сгорание. Эта неотъемлемая задержка в сгорании делает процесс сгорания относительно медленным процессом, который ограничивает эффективную работу дизельного двигателя относительно низкими скоростями. Разделение выполняется механи- чески в дизельном двигателе топливным насосом, впрыскивающая игла которого механически отделяет топливо от цилиндра или камеры сгорания до тех пор, пока не наступит момент впрыска.

На фиг. 1 схематически изображена часть копланарного двигателя внутреннего сгорания, сечение; на фиг. 2 - частичное сечение двигателя по изобретению; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - поршни двигателя в положении внутренней мертвой точки (ВМТ); на фиг. 5 - двигатель, с удаленной оболочкой камеры сгорания; на фиг. 6 - усовершенствованная форма оболочки камеры сгорания с цилиндрической камерой сгорания для двигателя по фиг. 2-5, вид сбоку; на фиг. 7 - сечение Б-Б на фиг. 6; на фиг. 8-13 - формы коробки камеры сгорания; на фиг. 14 - вариант конструкции предложенного двигателя; на фиг. 15 - сечение В-В на фиг. 14; на фиг. 16 - сечение по линии Г-Г на фиг. 18; на фиг. 17 - вид по стрелке Д на фиг. 16; на фиг. 18 - Е-Е на фиг. 16; на фиг. 19 - вариант конструкции двигателя внутреннего сгорания по изобретению, частичное сечение; на фиг. 20 - сечение по Ж-Ж на фиг. 19; на фиг. 21 представлено сечение по линии И-И на фиг. 19; на фиг. 22 - вариант конструкции двигателя внутреннего сгорания по изобретению, вид в плане; на фиг. 23 - сечение К-К на фиг. 22; на фиг. 24 - частичное сечение дельтовидной формы многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

На чертежах приняты следующие обозначения: 12 - большой цилиндр, 14 - меньший цилиндр; 16 - большой поршень, 18 - меньший поршень, 20 - камера сгорания, 22 - катализирующая поверхность, 24 - впускной клапан, 25 - впускное отверстие, 26 - выпускной клапан, 27 - выпускное отверстие, 28 - впускной канал, 30 - выпускной канал, 32 - дроссельный клапан во впускном канале, 34 - отверстие для впрыскивания топлива, 36 - топливный инжектор, 38 - разделительная поверхность у конца меньшего цилиндра, 40 - отверстие в поверхности 38, 42 - разделительная поверхность у конца большего цилиндра, 44 - отверстие в поверхности 42, 46 - объемная коробка камеры сгорания, 48 - отверстие в коробке 46 для запальной свечи или искрового воспламенителя стартера, 50 - вихревая камера сгорания (цилиндрическая, двойного вихревого типа), 52 - запальная свеча или искровой воспламенитель стартера, 54 - большой коленчатый вал, 56 - меньший коленчатый вал, 58 - полость в головке цилиндра для коробки 46 камеры сгорания, 60 - камера сгорания вихревого типа (цилиндрическая, одинарного вихревого-осевого типа), 61 - камера сгорания вихревого типа (сферического или сфероидального типа), 62 - головка большего цилиндра, 64 - зазор в катализирующей поверхности в камере сгорания, 66 - хлюпающий выступ на большем поршне, 68 - прорезь в головке цилиндра для хлюпающего выступа в поршне, 70 - часть прорези 68, остающаяся открытой в течение процесса хлюпания, 74 - впускное отверстие для двухтактного двигателя.

Двигатель 10 имеет одну пару (или более) взаимодействующих цилиндров 12,14, содержащих соответствующие поршни 16, 18, при этом цилиндры 12, 14 расположены так, что их оси совпадают. Головные концы цилиндров 12,14 постоянно сообщаются между собой посредством общего пространства сжатия, в котором находится камера сгорания 20. Больший цилиндр 12 имеет больший рабочий объем, чем цилиндр 14, и этот цилиндр называется воздушным. Меньший цилиндр 14 имеет меньший рабочий объем и называется цилиндром управления топливом.

Поршни в обоих цилиндрах подсоединены к двум коленчатым валам, которые механически соединены друг с другом, например, ремнем или цепью, при этом большой поршень 16 подсоединен к большому коленчатому валу двигателя. Небольшой поршень 18 вместо того, чтобы быть снабженным вторым малым коленчатым валом, может быть подсоединен к коленчатому валу большого поршня посредством устройства с качающимся стержнем. В предпочтительной форме двигателя поршни спарены по фазе и движутся согласованно, т. е. они достигают ВМТ и НМТ одновременно, но двигатель будет работать так, что меньший поршень 18 слегка отстает от большего поршня 16. Предпочтительно, чтобы не происходило изменений по фазе между двумя поршнями, когда скорость двигателя увеличивается или уменьшается, хотя может быть встроено устройство для осуществления изменения по фазе с изменением скорости. У многоцилиндровых двигателей больший и меньший коленчатые валы параллельны.

Воздушный цилиндр 12 сообщается с отверстием 25 для впуска воздуха и выпускным отверстием 27 соответственно впускного и выпускного каналов 28, 30. Управление открытием и закрытием отверстий предпочтительно производится клапанами 24,26, например тарельчатыми клапанами, приводимыми в действие кулачковыми или вращающимися втулочными клапанами. Хотя отверстия (см. фиг. 1) входят в цилиндр у ВМТ или вблизи от нее, каждое из них или оба в равной степени могут быть перекрыты или не перекрыты воздушным поршнем 16 при его движении, в частности, когда двигатель сконструирован для работы по двухтактному принципу.

Камера сгорания 20 содержит средства воспламенения в виде катализатора 22 предпочтительно в виде пленки на части или на всей внутренней стенке или стенках камеры.

Предпочтительным топливом является летучая жидкость, например, газолин (бензин). Не содержащий свинец бензин без натидетонационных присадок может быть использован как предпочтительный даже для двигателей с высокой степенью сжатия (например, 10-16). Может быть также использовано и газообразное топливо, если оно впрыскивается под умеренным давлением.

Топливо вводится в цилиндр 14 управления топливом через отверстие 34 для впуска топлива. В случае использования топлива в виде летучей жидкости, например газолина (бензина), топливный инжектор 36 низкого давления, который может быть приведен в действие электромагнитными средствами, располагается так, чтобы вывести топливо во впускное отверстие. Предпочтительно, чтобы отверстие для впуска топлива располагалось в стенке цилиндра так близко к НМТ поршня, насколько это необходимо для впрыскивания требуемого количества топлива, чтобы впрыскивание выполнялось в последней части хода всасывания и начальной части хода сжатия. Это позволяет поршню 18 заслонить инжектор 36 в течение действия высокого давления, создаваемого последней частью хода сжатия и ранней частью хода расширения. Инжектор должен распылять топливо небольшими каплями.

Инжектор, обладающий способностью противостоять высокому давлению и температуре, может располагаться вблизи отверстия, где-то выходящего в меньший цилиндр.

В течение процесса впрыскивания топлива летучее топливо распыляется в меньшую часть воздуха, введенного в цилиндр 14 управления топливом, по сравнению с общим количеством воздуха, введенным двигателем в сочетание цилиндров 12 и 14. Это позволяет богатой смеси в меньшем цилиндре быть выше предела воспламенения для топлива и обеспечивает способы работы с высокой мощностью, а также позволяет избежать преждевременного зажигания.

По сравнению с дизельными двигателями момент процесса впрыскивания топлива не определяет начало сгорания в двигателе. Поэтому нет необходимости опережать или задерживать начало процесса впрыскивания топлива.

При испарении распыленного топлива в воздух, содержащийся в меньшем цилиндре 14 в течение хода сжатия, из этого воздуха выделяется тепло с целью создания необходимого скрытого тепла для испарения и при этом понижаются температура и давление смеси воздух-топливо в цилиндре 14, причем давление становится ниже преобладающего давления воздуха, сжатого в большем цилиндре 12, который не содержит топлива. Это способствует перемещению воздуха из цилиндра 12 в цилиндр 14 в течение хода сжатия посредством создания или увеличения разности давлений между двумя цилиндрами.

Операции, выполненные цилиндром 14 управления топливом в течение части цикла, составляющей впуск и сжатие, равнозначны впуску, испарению и первичному перемешиванию топлива с некоторым количеством воздуха для образования богатой газообразной смеси топлива и воздуха, которая затем подается в камеру сгорания 20.

Оба поршня 16 и 18 в течение хода сжатия подают газы в камеру сгорания 20, причем в случае меньшего цилиндра 14 это происходит в конце хода сжатия, когда прекращается перемещение воздуха из цилиндра 12 в цилиндр 14. Вход богатой смеси топливо/воздух в камеру сгорания сопровождается быстрым перемешиванием.

Воспламенение в каталитическом двигателе представляет собой процесс воспламенения от сжатия и зависит от двигателя, конструируемого для обеспечения достаточно высоких пиковых давления и температуры сжатия, когда поршни находятся вблизи ВМТ. Воспламенению способствует катализатор 22. Последний обеспечивает начало ранней части химической реакции, которая создает достаточное количество тепла для воспламенения остальной части топлива. Круговое вихреобразное движение в камере сгорания продолжается в течение периода воспламенения и обеспечивает длительный контакт с катализатором за период времени, достаточный для обеспечения быстрого и полного сгорания.

Впускной канал 28, сообщающийся с впускным отверстием 24, обычно не ограничен в отношении движения воздуха, но может содержать ограничительное или дроссельное устройство, например, дроссельный клапан 32 в качестве средства управления количество воздуха, допускаемым в двигатель.

Управление дросселированием при его использовании осуществляется автоматически при помощи надлежащей системы управления, встроенной в систему управления двигателем.

Двигатель сконструирован так, чтобы добиться воспламенения смеси в тот момент цикла, когда достигаются максимальное давление и температура, а именно в ВМТ или вблизи от нее, подвергая в этот момент смесь топливо/воздух действию катализатора. При некоторых условиях, например невысокой скорости и полной мощности, если зажигание в конкретной конструкции двигателя происходит весьма рано, может быть использовано небольшое дросселирование всасываемого воздуха посредством дроссельного клапана 32, чтобы слегка уменьшить пиковые давление и температуру в ВМТ и тем самым задержать момент воспламенения.

В двигателе требуется как минимум один клапан для впуска воздуха, один выпускной клапан предпочтительно со стороны воздушного цилиндра и одно отверстие для впрыскивания топлива, при этом клапан для впуска воздуха и выпускной клапан непосредственно сообщаются с большим цилиндром 12, в то время как отверстие 34 для впрыскивания топлива обеспечивает возможность впрыскивания топлива непосредственно в меньший цилиндр 14.

Камера сгорания 20 фактически занимает камеру сжатия двигателя, т. е. минимальный объем, когда пара поршней находится наиболее близко друг от друга. Каталитическим агентом 22 может быть платина, палладий или радий либо платинородиевый сплав. Катализатор обладает свойством начинать процесс окисления топлива при более низкой температуре, чем это было бы возможно в ином случае для возникновения быстрой химической реакции, приемлемой для использования в двигателе, а также при соотношениях массы топливо/воздух, которые представляют собой весьма обедненные соотношения и могут находиться вне пределов самовоспламенения, которое может начинаться способом воспламенения от сжатия либо способом воспламенения от искры.

Температура, требуемая для начала химической реакции при помощи катализатора, получается сжатием газов в двигателе, причем температура максимальна в том случае, когда объем газа близок к своему минимуму. Этот принцип используется для установки момента зажигания в цикле, так как скорость химической реакции, начинаемой при помощи катализатора, при соответствующей температуре может быть весьма быстрой. Таким образом зажигание в двигателе производится сжатием с помощью катализатора.

Катализатор осажден на стенке или на части стенки камеры сгорания для сведения к минимуму его термической мощности.

Эффективная работа двигателя зависит от процесса, который обеспечивает подачу богатой смеси топливо/воздух в камере сгорания посредством поршня 18 для перемешивания с воздухом, подаваемым в камеру сгорания посредством поршня 16, иначе начало химической реакции посредством катализатора может оставаться ограниченным для богатой смеси. При этом смесь топливо/воздух может содержать недостаточное количество кислорода и подвергаться неполному сгоранию.

Двигатель имеет средства, обеспечивающие, чтобы вблизи ВМТ воздух и топливо в камере сгорания 20 достаточно хорошо смешивались для содействия движению фронта пламени от каталитической поверхности, где происходит воспламенение.

Разделительная поверхность 38 примыкает к меньшему поршню 18 в его положении у ВМТ. Она снабжена отверстием 40, которое увеличивает скорость, с которой первичная смесь топливо/воздух проникает в камеру сгорания 20.

На фиг. 2-5 показан вариант конструкции двигателя внутреннего сгорания, в котором цилиндры 12, 14 расположены так, что их оси находятся под прямым углом друг к другу. Камера сгорания 50 в целом цилиндрическая, хотя может быть использована и какая-либо другая приемлемая форма, обеспечивающая вращение газов. Камера сгорания расположена так, что ее продольная ось фактически составляет прямой угол с обеими осями цилиндров 12 и 14, хотя может быть использована и другая приемлемая ориентация. Сама камера сгорания находится внутри съемной коробки 46, которая обеспечивает возможность удаления и замены ее, а следовательно, и катализатора 22 (например, для обновления или очистки).

Быстрому перемешиванию в камере сгорания 20 способствует придание камере цилиндрической, сферической или сфероидальной формы, а также введение воздуха из большего цилиндра в камеру сгорания через отверстие, расположенного так, чтобы создать быстрое круговое или вихревое движение воздуха в камере сгорания. Смесь топливо/воздух может поступать в камеру сгорания из меньшего цилиндра 14 аналогично (т. е. тангенциально, например, см. фиг. 8), либо радиально (например, см. фиг. 6), либо в осевом направлении (например, см. фиг. 16).

Камера сгорания 50 (см. фиг. 2,4,5-7) имеет впускное отверстие 44. Оно обеспечивает подачу воздуха из большего цилиндра 12 в камеру сгорания с тангенциальным компонентом скорости, чтобы заставить воздух вращаться с высокой скоростью при вихревом движении, создавая завихрение в камере сгорания.

Коробка 46 камеры сгорания также выполнена с отверстием 48 для обеспечения установки, например, запальной свечи 52 или свечи зажигания.

На фиг. 8 и 9, 10 и 11 показаны дополнительные смесительные устройства камеры сгорания 50, в которых как смесь топливо/воздух на цилиндре 14, так и воздух из цилиндра 12 подаются к цилиндрической камере сгорания с тангенциальным компонентом скорости относительно камеры.

На фиг. 12 и 13 показана камера сгорания 61, которая имеет сферическую форму.

Воздух из воздушного цилиндра 12 (см. фиг. 14 и 15) тангенциально вводится в цилиндрическую камеру сгорания 60 через отверстие 44, создавая при этом в камере вихревое движение. Первичная смесь топливо/воздух из меньшего цилиндра поступает в камеру сгорания в осевом направ- лении через отверстие 40 в разделительной поверхности 38, чтобы размазываться по катализатору вихревым движением воздуха из цилиндра 12, где топливо воспламеняется при соприкосновении с катализатором.

На фиг. 16-18 показана еще одна форма коробки 46 камеры сгорания, в которой разделительная поверхность выполнена в виде торцовой стенки коробки камеры сгорания с дугообразными отверстиями 40, расположенными по окружности.

На фиг. 19-21 показан вариант двигателя внутреннего сгорания, в котором используется принцип хлюпания для дополнитель- ного содействия процессу перемешивания.

Одно из важных преимуществ устройства заключается в том, что оно обеспечивает возможность преобразования известного двигателя в конфигурацию каталитического двигателя лишь путем замены головки цилиндра на головку каталитического двигателя.

На фиг. 22 и 23 показан еще один вариант конструкции двигателя внутреннего сгорания. На фиг. 22 показано устройство из двух пар цилиндров 12,14 и возможность распределения всех цилиндров на общем коленчатом валу 54.

На фиг. 24 представлена дельтообразная многоцилиндровая схема, которая пригодна для транспортных средств, служащих для перевозки тяжелых грузов. Схема действует по двухтактному принципу. Каждое плечо треугольной схемы имеет выполненные в ряд больший и меньший цилиндры 12, 14 с воздухом под давлением, впускаемым через впускные отверстия 74, а выхлопные газы выпускаются через выпускные отверстия, открываемые поршнями 14, 16.

Изобретение имеет следующие преимущества: использование высоких степеней сжатия; использования низкооктанового бензина, не содержащего свинец; возможность сгорания при обеднении смеси; простая система впрыскивания топлива; отсутствие электрических устройств для обеспечения зажигания; высокие скорости вращения; быстрое сгорание, высокая удельная выходная мощность; двух- или четырехтактный цикл; исключение контроля выделений из выхлопной трубы; возможность преобразования головки цилиндров под существующий двигатель.

Вместо катализатора также можно использовать устройства для искрового зажигания или устройства для зажигания от горячей поверхности, например непрерывно действующей свечи зажигания или запальной свечи 52 в отверстии 48 либо горячей керамической поверхности.

Устройство может быть использовано для искрового зажигания и зажигания от горячей поверхности.

Сущность изобретения: двигатель содержит по меньшей мере одну пару цилиндров, первый из которых выполнен объемом и диаметром, превышающим объем и диаметр второго цилиндра, и два поршня, размещенные в цилиндрах с возможностью возратно-поступательного движения и выполненные соответственно с разными диаметрами. Двигатель имеет средство подачи поздуха в первый двигатель во время хода впуска его поршня, средство для подачи топлива во второй цилиндр и общую камеру сгорания, на стенке которой сформировано непрерывно функционирующее средство зажигания и средство смешивания топливовоздушной смеси. Последнее выполнено в виде первого отверстия, выходящего из первого цилиндра для подвода воздуха и выполненного тангенциально к стенке камеры сгорания, и второго отверстия, выходящего из второго цилиндра для подвода топливовоздушной смеси в виде газового потока. 24 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров, первый из которых выполнен с объемом и диаметром, превышающими объем и диаметр второго цилиндра, два поршня, размешенные в цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненные соответственно с разными диаметрами, средство для подачи воздуха в первый цилиндр во время хода впуска его поршня, средство для подачи топлива во второй цилиндр и общую камеру сгорания, имеющую сформированное на ее стенке непрерывно функционирующее средство зажигания и средство смешивания топливовоздушной смеси, выполненное в виде первого отверстия, выходящего из первого цилиндра для подвода воздуха, и второго отверстия, выходящего из второго цилиндра для подвода топливовоздушной смеси в виде газового потока, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, первое отверстие выполнено тангенциальным к стенке камеры сгорания. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена с внутренней поверхностью, непрерывно изогнутой вокруг по меньшей мере одной оси. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что ось камеры сгорания перпендикулярна оси первого цилиндра. 4. Двигатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена с круглым или эллиптическим поперечным сечением. 5. Двигатель по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена цилиндрической. 6. Двигатель по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена сфероидальной. 7. Двигатель по п. 6, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена сферической. 8. Двигатель по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что второе отверстие выполнено радиальным к стенке камеры сгорания. 9. Двигатель по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что второе отверстие выполнено тангенциальным к стенке камеры сгорания. 10. Двигатель по пп. 1 - 7 и 9, отличающийся тем, что тангенциальные первое и второе отверстия выполнены с возможностью подвода воздуха и смеси навстречу одного другой. 11. Двигатель по пп. 1 - 7 и 9, отличающийся тем, что тангенциальные первое и второе отверстия выполнены с возможностью подвода воздуха и смеси в одинаковом направлении. 12. Двигатель по пп. 1 - 11, отличающийся тем, что оси первого и второго цилиндров перпендикулярны между собой. 13. Двигатель по пп. 1 - 12, отличающийся тем, что средство для подачи топлива во второй цилиндр выполнено в виде форсунки, а в боковой стенке второго цилиндра выполнено входное отверстие, в котором установлена форсунка. 14. Двигатель по пп. 1 - 13, отличающийся тем, что поршни первого и второго цилиндров смещены по фазе один относительно другого на постоянную величину. 15. Двигатель по пп. 1 - 14, отличающийся тем, что средство зажигания выполнено искровым.