ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B31/00 F02B59/00 F02B75/24 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности созданию двигателей внутреннего сгорания для автомобилей и легкомоторной авиации.

Широко известны способы работы двигателей внутреннего сгорания, газораспределение в которых базируется на механических кулачковых или золотниковых устройствах, управляющих работой впускной и выпускной системами. Также широко используются в двигателестроении механические системы зажигания и центробежные насосы системы охлаждения с приводом от коленчатого вала. Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания и система впуска двигателя внутреннего сгорания, в которых с целью упрощения и повышения эффективности смесеобразования подают в камеру сгорания под углом к основному расходу дополнительный расход смеси, предварительно запасенной в специальной емкости. Известен также двигатель внутреннего сгорания, содержащий соединенные между собой и оппозитно расположенные цилиндры, снабженные камерами сгорания и связанные через два золотниковых распределительных устройства со смежными полостями, а шток, который связывает поршни, имеет внутреннюю полость охлаждения, причем цилиндры установлены на подшипниках и имеют возможность осевого перемещения. И, наконец, известен двигатель внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндрами и одним общим поршнем, связанным с кривошипным механизмом двумя шатунами и имеющим на своих торцах полости, снабженные клапанными механизмами для прохода заряда горючей смеси.

Общим недостатком способа и устройств является необходимость оснащения двигателя специальными узлами для передачи энергии от коленчатого вала на вспомогательные механизмы. Кроме того, в известном способе влияние дополнительного расхода на интенсивность перемешивания горючей смеси ограничивается лишь окрестностью головки цилиндра.

Система выхлопа через золотниковые устройства или окна в цилиндре связана с большим износом поршневой группы и сопротивлением газоотводящих каналов, ухудшающих рациональное протекание процесса выхлопа.

Цель изобретения повышение эффективности смесеобразования при всасывании и уменьшение сопротивления выхлопных каналов за счет вихреобразования около дна поршня на всей длине хода всасывания и больших проходных сечений выхлопной щели, сохраняющей постоянное значение в течение всего хода выхлопа, а также повышение эффективности зажигания и снижение энергетических затрат на привод вспомогательных механизмов газораспределения, зажигания и охлаждения при превращении тепловой энергии в механическую.

Это достигается тем, что в известном способе вихреобразование за счет подачи дополнительного расхода через впускной клапан головки цилиндра заменяется подачей горючей смеси тангенциально оси поршня через его донную полость во время всего хода всасывания, а выхлоп отработанных газов производится через принудительно образованную щель в конце рабочего хода в головке цилиндра, которая остается постоянной по площади во время всего хода выхлопа.

Кроме того, в устройстве двигателя предусмотрена форкамера со сверхзвуковыми соплами и исключены промежуточные связи в системе газораспределения, зажигания и охлаждения, а открытие-закрытие впускных и выпускных отверстий в полости цилиндра осуществляется за счет осевого перемещения штока относительно поршня и гильзы цилиндра относительно головки цилиндра, причем во время перемещения гильзы цилиндра вытесняется нагретая жидкость из рубашки охлаждения цилиндра и головки в радиатор, а зажигают смесь по сигналу гермоконтакта, расположенного в корпусе двигателя, при бесконтактном взаимодействии с ним постоянного магнита, происходящем в момент достижения минимального объема заряда горючей смеси.

Предлагаемая кинематика двигателя внутреннего сгорания позволяет во всех основных узлах устанавливать подшипники качения, а заключение штока, связывающего оппозитно расположенные поршни, в рольганги обеспечивает контакт поршней с цилиндрами и корпусом только через уплотнительные кольца, что сводит трение и износ к минимуму.

На фиг. 1 показан двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез; на фиг.2 то же, поперечный разрез.

В двигателе впускной канал образован в полости штока, торцы которого выполняют роль тарелок впускных клапанов, а многозаходный винтовой гофр сильфона, герметизирующего впускной канал, позволяет при ходе всасывания образовать около дна поршня вихревое течение, которое перемещается по всей длине цилиндра во время хода всасывания, что обеспечивает высокую эффективность перемешивания.

Принудительное образование щели в головке цилиндра в конце рабочего хода за счет перемещения гильзы цилиндра при контакте поршня с ее дном обеспечивает наличие большой площади выхлопного канала, а коническая форма головки цилиндра с уступом около уплотнительных фасок кольцевой щели существенно уменьшает температурное воздействие выхлопных газов на них.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из подвижной в осевом направлении гильзы рабочего цилиндра 1, поршня 2, соединенного подвижным в осевом направлении относительно него полым штоком 3 с оппозитно расположенным поршнем противоположного цилиндра, рубашки охлаждения 4, головки цилиндра 5 с форкамерой зажигания и каналами охлаждения, впускного клапана 6, закрепленного на штоке, пружины 7, удерживающей гильзу цилиндра в закрытом положении, захвата 8, удерживающего гильзу цилиндра в открытом положении, окна 9 в штоке для подачи горючей смеси, седла впускного клапана 10, подвижного уплотнения, герметизирующего впускной канал, подвижного уплотнения 12, отделяющего канал охлаждения от выпускного канала, свечи зажигания 13, прилива 14 на штоке, в котором закреплен вал шатунов и постоянный магнит системы зажигания, шатуна 15, соединенного через кривошип с промежуточной шестерней 16, толкателей 17 подпружиненных захватов, кривошипа 18, корпуса двигателя 19, нижнего 20 и верхнего 21 клапанов системы охлаждения, рольгангов 22, по которым перемещается шток, первичного вала 23 с шестернями 24, форкамеры зажигания 25 с сверхзвуковыми сопловыми каналами, постоянного магнита системы зажигания 26, регулируемого гермоконтакта 27.

Двигатель работает следующим образом.

В конце хода выхлопа в первом цилиндре гильза цилиндра 1 в результате взаимодействия головки шатуна 15 с толкателем 17 освобождается от захвата 8 и под действием пружины 7 переходит в нормально закрытое положение. При дальнейшем движении шатуна 15 за счет вращения шестерни 16 вместе с кривошипом 18 шток 3 начинает обратное движение. Однако поршень 2, удерживаемый вакуумом в герметичном пространстве между поршнем и головкой цилиндра 5, остается в положении минимального объема. Шток 3, продолжая обратное движение, выбирает зазор между своим выступом и уступом во втулке, ввернутой в тело поршня. Между седлом клапана 10 и тарелкой 6 образуется щель. Дальнейшее движение штока 3 заставляет поршень двигаться совместно со штоком, а пониженное давление в полости цилиндра засасывает заряд горючей смеси в полость цилиндра. Горючая смесь, двигаясь по тангенциальным каналам седла, выбрасывается тангенциально оси поршня в плоскости его дна, образуя вихревой факел, который перемещается вдоль оси цилиндра вместе с поршнем. Этим обеспечивается высокая эффективность перемешивания горючей смеси в полости цилиндра и отсутствие жидкой фазы горючего. Как только шток доходит до крайнего противоположного положения, он под действием шатуна начинает возвратное движение. При этом поршень под действием сил трения о стенки цилиндра и повышения давления в полости цилиндра стремится остаться в положении максимального объема цилиндра, а шток, двигаясь вдоль своей оси относительно поршня, закрывает впускную щель. Воздействуя на седло клапана 10, шток 3 заставляет поршень перемещаться в положение минимального объема. Причем с ростом давления в полости цилиндра растет сила, уплотняющая пару впускной клапан седло, поскольку площадь тарелки впускного клапана существенно меньше площади поршня, чем и обеспечивается герметичность впускного канала. Повышенное давление в полости цилиндра вызывает появление радиальных нагрузок на верхней части гильзы цилиндра 1, растягивая последнюю в радиальном направлении, чем увеличивается герметичность выпускного канала, уплотняющейся на внешних конических фасках под действием пружины 7. Отсутствие осевых нагрузок на гильзу связано с практически нулевой площадью сечения гильзы, на которую может воздействовать высокое давление, поэтому высокая жесткость пружины 7 не требуется.

При подходе поршня в заданное по технологическому циклу положение постоянный магнит системы зажигания 25, закрепленный на приливе штока 14, взаимодействует с ферромагнитными элементами гермоконтактов 26 системы зажигания, которые выдают команду на зажигание смеси. Свеча зажигания 13, размещенная в полости форкамеры 24, поджигает смесь внутри форкамеры, радиальные сверхзвуковые струи из которой поджигают основной заряд в полости конической камеры сгорания, обеспечивая равномерную эпюру давления на дне поршня. Этим исключается возможность больших боковых нагрузок на поршень. Начинается рабочий ход, при котором шток, двигаясь в обратном направлении, совершает полезную работу, приводя во вращение первичный вал 22 через шестерни 16 и 23, а также подготавливая рабочий цикл в остальных цилиндрах с помощью шестерен 16, которые вращаются за счет отбора энергии от первичного вала с помощью шестерен 23. В конце рабочего хода нижняя плоскость втулки поршня 2 входит в контакт с дном гильзы цилиндра 1 и последняя начинает двигаться вместе с штоком до момента, когда пружинный захват 8 войдет в зацепление с дном гильзы цилиндра 1, удерживая ее в открытом положении. Смещение гильзы цилиндра в крайнее нижнее положение открывает выхлопной тракт за счет образования кольцевой щели между коническим торцем гильзы цилиндра и коническим уступом в головке. При этом отработанные газы начинают истекать из камеры сгорания в выхлопной тракт. Наличие уступа в головке и конической поверхности на обратном скате гильзы цилиндра обеспечивает малый износ уплотняющих фасок, это повышает надежность работы двигателя. Кроме этого, как только гильза цилиндра начинает свое осевое движение вместе с штоком, за счет понижения давления в рубашке охлаждения цилиндра открывается клапан 20, и жидкость заполняет образовавшееся свободное пространство; одновременно за счет повышения давления в тракте охлаждения в окрестности конического торца гильзы цилиндра за счет уменьшения объема полости закрывается клапан 21, и жидкость между подвижным уплотнением 12 и клапаном 21 вытесняется в головку цилиндра, а оттуда в радиатор.

В этот момент шток под действием шатунов начинает свое возвратное движение и, упираясь в поршень тарелкой впускного клапана перемещает его в положение минимального объема цилиндра, вытесняя отработанные газы в выхлопную щель между гильзой цилиндра и головкой.

Как только шатуны нажимают на толкатели 17, захваты 8 освобождают дно гильзы цилиндра 1, и она под действием пружины 7 закрывает кольцевую выхлопную щель. При обратном ходе гильзы клапан 20 закрывается, препятствуя обратному выбросу жидкости в радиатор, а клапан 21 открывается, и охлажденная жидкость заполняет рубашку цилиндра и головки блока.

На этом ход выхлопа заканчивается, и описанный процесс работы циклично повторяется в каждом цилиндре.

Для увеличения мощности двигателя число цилиндров может быть увеличено путем добавления пары цилиндров с соответственным изменением угла поворота шестеренки 16, при котором начинается рабочий ход в каждом цилиндре. В этом случае изменяется только длина корпуса мотора 19, первичного вала, рубашки охлаждения и головки блока цилиндров 5, а остальные детали двигателя остаются унифицированными, что очень важно для крупносерийного производства.

Использование предлагаемого способа работы двигателя и конструкции позволяет повысить эффективность перемешивания смеси в камере сгорания, что улучшает полноту сгорания, снизить потери энергии на работу вспомогательных механизмов и выхлоп отработанных газов.

Одновременно снижаются вес двигателя и трение в основных сочленениях за счет возможности широкого использования подшипников качения.

Предварительные оценки показывают, что автомобильный двигатель такого типа при мощности порядка 100-120 л.с. будет иметь вес не более 100 кгс и расход топлива не более 8-9 л/100 км.

Использование: в автономных машинах и транспортных средствах преимущественно в автомобилях, тракторах и легкомоторной авиации.Сущность изобретения: в головке цилиндров предусмотрена форкамера со сверхзвуковыми соплами, направленными вдоль конической поверхности головки. Открытие - закрытие впускных и выпускных отверстий в рабочей полости цилиндров осуществляется за счет осевого перемещения штока относительно поршня и гильзы цилиндра относительно головки цилиндра, причем во время перемещения гильзы цилиндра вытесняется нагретая жидкость из рубашки охлаждения и головки в радиатор, а зажигают смесь по сигналу гермоконтакта, расположенного в корпусе двигателя, при бесконтактном взаимодействии с ним постоянного магнита, происходящим в момент достижения минимального объема заряда горючей смеси. Предлагаемая кинематика двигателя позволяет во всех узлах применять подшипники качения, а заключение штока, связывающего оппозитно расположенные поршни, в рольганги обеспечивает контакт поршней с цилиндрами только через уплотнительные кольца, что сводит трение и износ к минимуму. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с оппозитно расположенными в нем цилиндрами и головками, поршни которых связаны между собой штоком с приливами и цапфами для соединения через шатуны с валом отбора мощности, клапанную систему впуска-выпуска, рубашечную систему охлаждения и искровую систему зажигания, отличающийся тем, что двигатель снабжен размещенными в головке цилиндров форкамерами со сверхзвуковыми соплами, а также расположенными в рубашке охлаждения подвижными уплотнениями и подпружиненными гильзами с коническими фасками на одном из торцов и дном с отверстиями на другом торце, установленными на корпусе рольгангами с подшипниками качения и подпружиненными захватами с толкателями, а указанная система впуска-выпуска выполнена в виде седел и тарелок, причем в головках цилиндров выполнены уступы для седел выпускных клапанов, предназначенных для взаимодействия с коническими фасками гильз, через отверстия в дне которых проходят штоки и подпружиненные захваты для взаимодействия с дном гильз, толкатели которых предназначены для взаимодействия с шатунами, при этом головка цилиндров выполнена конической и вдоль ее образующей установлены сверхзвуковые сопла форкамер, а штоки поршней выполнены полыми и установлены с возможностью осевого перемещения относительно поршней и корпуса, причем на обоих торцах штоков закреплены тарелки впускных клапанов, а в стенках штока под тарелками выполнены окна для прохода заряда смеси и выступы на наружной поверхности, причем в дне поршней выполнены уступы и закреплены седла с выполненными в них тангенциальными каналами для прохода смеси, предназначенные соответственно для взаимодействия с выступами на штоках и тарелками клапанов на штоках, при этом штоки закреплены в корпусе на рольгангах с подшипниками качения, оси которых параллельны осям цапф шатунов, а внутренняя полость корпуса и штока со стороны впускных клапанов и впускных каналов выполнена герметичной. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что система зажигания выполнена в виде закрепленных на приливах штоков постоянных магнитов и установленных в корпусе двигателя с возможностью регулировки вдоль и поперек оси штока ферромагнитных гермоконтактов, предназначенных для взаимодействия с упомянутыми постоянными магнитами, причем гильзы цилиндров предназначены для связи с электрической цепью гермоконтактов из условия обеспечения подачи сигналов на зажигание только при закрытом положении гильзы, а свеча зажигания размещена в форкамере на одной оси с цилиндром. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде впускного и выпускного клапанов, размещенных в рубашке охлаждения около каждого цилиндра.