ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B25/00 F01L11/02 

Изобретение относится к устройствам для нагнетания и продувки двигателей внутреннего сгорания, его механизмам газораспределения и может быть использовано в автомобильных, тракторных, мотоциклетных, судовых и других промышленных двигателях внутреннего сгорания преиму- щественно в двухтактных с клапанно-щелевой и кривошипно-камерной продувкой.

Известны двигатели внутреннего сгорания с кривошипно-камерной продувкой, в которых для продувки используются впускные и выпускные окна, а также двигатели, содержащие автоматические впускные пластинчатые и тарельчатые клапаны в головке поршня вместо впускных окон. Подача заряда через поршень повышает степень предварительного сжатия заряда благодаря отсутствию обводных каналов, а также позволяет полностью использовать потенциальную энергию предварительно сжатой порции заряда за счет автоматического закрытия впускного клапана в поршне [1].

Цель - улучшение газообмена в цилиндре и его наполнения зарядом, повышение мощностных и топливно-экономических качеств двигателя.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания (первый вариант) имеет в поршне опору клапана, снабженную ребрами жесткости, которые образуют впускные щели в виде диффузора для направления потока воздушной или горючей смеси. Расположение и количество ребер выбираются в зависимости от количества выпускных окон в цилиндре, но не менее двух, таким образом, чтобы поток воздушной или горючей смеси проходил мимо выпускных окон.

На фиг. 1 приведена схема рабочих органов двухтактного двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-камерной петлевой продувкой (первый вариант); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания с камерой сгорания в поршне и петлевой продувкой, второй вариант; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 6 - двигатель внутреннего сгорания, как двухтактный, так и четырехтактный, с камерой сгорания в поршне и прямоточной продувкой, третий вариант; на фиг. 7 - разрез Г-Г на фиг. 6.

Двигатель (первый вариант) содержит картер с кривошипной камерой 1, цилиндр 2, поршень 3, автоматический впускной клапан 4, свечу 5 зажигания и/или топливную форсунку для дизелей и двигателей с непосредственным впрыском топлива, выпускные окна-щели 6, всасывающий клапан 7 в кривошипную камеру, коленчатый вал и шатун 8, стопорное кольцо 9 и элементы поршня: впускные щели 10, выполняющие роль диффузора, ребра 11 жесткости с направляющей опорой 12 для клапана.

Во втором варианте двигателя внутреннего сгорания поршень выполнен составным. Грибовидный впускной клапан 4, его седло 13 и головка поршня 14 образуют камеру 15 сгорания в поршне. В головке поршня имеются впускные сужающиеся каналы 16 и горловина камеры 17 сгорания, которая ограничивает величину хода клапана. Крепление головки поршня обеспечивается винтами 18. Для регулирования степени сжатия, учитывающей качество топлива (октановое число бензина), используются резьбовая втулка 19 и ее контргайка 20, которые вворачиваются в головку цилиндра 21. Для более значительного изменения степени сжатия, требуемого при переводе бензинового двигателя в дизель, можно использовать проставку над цилиндром.

Третий вариант двигателя внутреннего сгорания для обеспечения прямоточности продувки содержит выпускной клапан 22 в головке цилиндра 21 вместо выпускных окон в цилиндре. Для возможности создания вихревых потоков заряда и сгорающих газов каналы 16 в головке поршня выполнены винтовыми по сужающимся поперечным сечениям.

Полный цикл работы первого варианта двигателя осуществляется за два такта - хода поршня. Нагнетание воздушного или горючего заряда в цилиндр 2 осуществляется через кривошипную камеру 1 за счет создающегося давления в кривошипной камере от движущегося сверху вниз поршня 3. Направление потоков заряда и отработавших газов условно показано на фиг. 1 стрелками. При движении поршня 3 из нижней мертвой точки (НМТ) вверх после перекрытия выпускных окон-щелей 6 происходит досжатие воздуха или горючей смеси, находящихся в цилиндре 2, при этом одновременно происходит и впуск свежей порции заряда в кривошипную камеру, так как обратный клапан 7 впуска заряда в кривошипную камеру автоматически открывается. При подходе поршня 3 к его верхней мертвой точке (ВМТ) с некоторым опережением осуществляется впрыск топлива из форсунки 5 для дизелей или подается искра на свечу 5 зажигания горючей смеси для двигателей с искровым зажиганием. Для двигателей с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива момент впрыска топлива начинается сразу же после перекрытия выпускных окон, а подача искры на свечу зажигания осуществляется перед ВМТ. За счет давления расширяющихся газов сгоревшего топлива осуществляется рабочий ход поршня вниз. В начале рабочего хода поршня обратный клапан 7 впуска заряда в кривошипную камеру автоматически закрывается при уравнивании давлений во впускной системе и кривошипной камере, и очередная порция свежего заряда будет сжиматься. В конце рабочего хода при открытии кромки выпускных окон-щелей 6 отработавшие газы из цилиндра устремляются в выпускной тракт. При снижении давления газов в цилиндре ниже величины давления воздуха или горючей смеси в кривошипной камере впускной клапан 4 в поршне 3 автоматически открывается. При дальнейшем движении поршня вниз до НМТ происходит одновременный выпуск отработавших газов и впуск свежей порции заряда в цилиндр. Таким образом осуществляется петлевая продувка цилиндра. При перекрытии выпускных окон происходит некоторое дозаполнение цилиндра свежим зарядом за счет давления предварительного сжатия заряда в кривошипной камере. При уравнивании давлений в цилиндре и кривошипной камере клапан 4 в поршне 3 автоматически закрывается под действием обратного потока заряда и веса самого клапана. Далее цикл работы двигателя повторяется.

Полный цикл работы второго варианта двигателя идентичен первому варианту. Только при осуществлении впуска впускной клапан 4 верхней частью грибовидной формы перекрывает горловину камеры и предварительно сжатый заряд из кривошипной камеры сначала поступает в камеру сгорания в поршне, затем по сужающимся каналам 16 подается в цилиндр вдоль его стенок, минуя выпускные окна-щели 6. После осуществления петлевой продувки цилиндра при движении поршня из НМТ вверх клапан под действием сжимающегося заряда, обратного потока и собственного веса возвращается в седло. Для двигателей с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива в начальный момент сжатия из форсунки подается порция топлива (бензина или газа) с направленной струей на грибовидную часть клапана в горловину камеры сгорания. Вследствие повышенной температуры клапана, седла и головки поршня по сравнению с поступающим воздушным зарядом происходят интенсивное испарение капель топлива и его перемешивание с воздушным зарядом. Подача искры с некоторым опережением перед подходом поршня к ВМТ будет произведена с уже перемешанным топливно-воздушным зарядом, и процесс сгорания будет происходить в основном в камере сгорания, расположенной внутри поршня. Во время рабочего хода за счет интенсивно выбрасываемых потоков горящих газов из горловины 17 и каналов 16 происходит догорание газов в самом цилиндре. При этом полезно используется не только давление расширяющихся газов на поршень, но и реактивное действие выбрасываемых потоков газа из горловины и каналов поршня.

Для дизельных двигателей впрыск топлива производится в конце такта сжатия с некоторым опережением подхода поршня к ВМТ. При подаче распыленного топлива в горловину камеры сгорания происходит его самовоспламенение и аналогичное сгорание. В случае струйного распыла, капельки топлива попадают на детали, образующие камеру сгорания и имеющие повышенную температуру по сравнению со сжатым воздушным зарядом, что способствует их воспламенению, более полному сгоранию топлива, исключая оплавление деталей.

Полный цикл работы третьего варианта двигателя идентичен второму варианту работы двигателя. Но ввиду наличия винтовых каналов в головке поршня и выпускного управляемого клапана в головке цилиндра, при открытии выпускного клапана подача предварительно сжатого заряда из кривошипной камеры в цилиндр осуществляется вихревым потоком, послойно вытесняя в цилиндре отработавшие газы и способствуя их догоранию. После закрытия выпускного клапана в головке цилиндра и впускного клапана в поршне в процессе досжатия заряда вихрь в цилиндре по инерции останется. Поэтому при впрыске топлива, как для двигателей с искровым зажиганием, так и для дизелей, процессы перемешивания топлива с воздухом и его горение будут более интенсивными по сравнению с двигателями, не имеющими вихревого движения заряда. Двигатели внутреннего сгорания третьего варианта могут работать как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу.

Использование: в автомобильных, тракторных, мотоциклетных, судовых и других промышленных двигателях внутреннего сгорания преимущественно двухтактных с клапанно-щелевой и кривошипно-камерной схемой газообмена. Сущность изобретения: в первом варианте двухтактного двигателя в поршне размещены направляющая опора автоматического впускного клапана с ребрами жесткости, которые образуют со стенками поршня впускные щели, выполняющие роль диффузора. Поток предварительно сжатого заряда через щели направляется вдоль стенок цилиндра мимо выпускных окон, а автоматический режим работы впускного клапана позволяет производить дозаполнение цилиндра зарядом после перекрытия выпускных окон. Впускной тарельчатый клапан из жаропрочного материала, не теряя своих прочностных качеств и герметичности, будет защищать поршень от теплового воздействия горящей смеси, в том числе и струи впрыскиваемого топлива. Второй вариант двухтактного двигателя: поршень выполнен составным, в головке поршня размещены камеры сгорания с горловиной и сужающиеся каналы, автоматический впускной клапан выполнен грибовидной формы и расположен в камере сгорания с возможностью перекрытия ее горловины, а седло впускного клапана и головка поршня выполнены из жаропрочных, преимущественно керамических материалов. Третий вариант двигателя: в головке поршня выполнены сужающиеся винтовые каналы, соединяющие камеру сгорания в головке поршня с надпоршневым пространством цилиндра, а орган выпуска отработавших газов выполнен в виде выпускного клапана, расположенного в головке цилиндра и соединенного с механизмом газораспределения. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий картер с кривошипной камерой, цилиндр с размещенным в нем поршнем, камеру сгорания, топливную форсунку и/или свечу зажигания, впускные щели, выполненные в поршне, автоматической впускной тарельчатый клапан, расположенный в поршне по направляющей опоре с возможностью перекрытия впускных щелей, выпускные окна-щели, выполненные в нижней части цилиндра, и обратный клапан впуска порции заряда в кривошипную камеру, отличающийся тем, что направляющая опора клапана снабжена ребрами жесткости, впускные щели образованы последними и выполнены в виде диффузора. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с кривошипной камерой, цилиндр с размещенным в нем поршнем, камеру сгорания, топливную форсунку и/или свечу зажигания, впускные щели, выполненные в поршне, автоматический впускной клапан, расположенный в поршне по направляющей опоре с возможностью перекрытия впускных щелей, выпускные окна-щели, выполненные в нижней части цилиндра, и обратный клапан впуска порции заряда в кривошипную камеру, отличающийся тем, что поршень выполнен составным, в головке поршня размещены камера сгорания с горловиной и сужающиеся каналы, автоматический впускной клапан выполнен грибовидной формы и расположен в камере сгорания с возможностью перекрытия ее горловины, а седло впускного клапана и головка поршня выполнены из жаропрочных, преимущественно керамических, материалов. 3. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с кривошипной камерой, цилиндр с размещенным в нем поршнем, камеру сгорания, топливную форсунку и/или свечу зажигания, впускные щели, выполненные в поршне, автоматический впускной клапан, расположенный в поршне с возможностью перекрытия впускных щелей, орган выпуска, и обратный клапан впуска порции заряда в кривошипную камеру, отличающийся тем, что в головке поршня выполнены сужающиеся винтовые каналы, соединяющие камеру сгорания в головке поршня с надпоршневым пространством цилиндра, а орган выпуска отработавших газов выполнен в виде выпускного клапана, расположенного в головке цилиндра и соединенного с механизмом газораспределения.