ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B13/06 F02M57/06 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к конструкции двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, содержащий корпус, кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, систему питания с форсункой, устанавливаемой в камере сгорания вертикально вдоль оси цилиндра, и систему зажигания со свечой, электроды которой имеют индивидуальный ввод через стенки камеры сгорания и оканчиваются на срезе сопла топливной форсунки.

К недостаткам известной конструкции ДВС относится следующее.

Воспламенение осуществляется следующим образом: спутным потоком воздуха, возникающим при появлении топливных струй, дуга искрового разряда отклоняется от кратчайшего пути между электродами и втягивается в формирующуюся топливовоздушную смесь, пронизывая участки смеси с благоприятным для воспламенения составом.

Как известно, надежное искровое воспламенение возможно при выполнении условия подготовленности топливовоздушной смеси (испарение, состав в пределах воспламеняемости). В аналоге при впрыске топливной струи и зажигании вблизи среза сопла топливной форсунки практически нет времени для подготовки смеси. Это наблюдается на всех режимах, так как в любом случае приходится поджигать топливный факел. Смесь будет подготовлена в очень маленьком объеме по периферии факела, где топливо контактирует с воздухом, и ее будет настолько мало, что практически очень трудно будет ее воспламенить. Все эти явления особо усугубятся при холодном пуске двигателя. Кроме того, первоначально образовавшийся очаг воспламенения не сможет распространиться по объему камеры сгорания, так как встретится с основным затруднением отсутствием в самом факеле подготовленной смеси. Это особенно характерно для частичных режимов, на которых в основном работает двигатель. Кроме того, данная конструкция не позволяет расположить электроды в центры топливной струи, а это приводит к тому, что при изменении режима работы двигателя соответственно изменятся параметры топливного факела (угол распыла), а при неизменном, отлаженном для одного режима, положении электродов будут обязательные пропуски зажигания на других режимах. Все вышесказанное приводит к ухудшению экономичности и повышению токсичности отработавших газов.

Наиболее близким к заявляемому является двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным нем поршнем, головку цилиндров с установленной в ней свечой-форсункой, представляющей собой корпус с размещенным в нем соленоидным клапаном, входной штуцер которой соединен топливопроводом с выходным штуцером распределителя топлива.

Недостатками прототипа являются недостатки, присущие аналогу и рассмотренные выше. Это неподготовленность смеси в момент подачи искры вследствие того, что впрыскивается топливо, а не подготовленная топливовоздушная смесь. Это приводит к ухудшению экономичности и повышению токсичности отработавших газов, особенно на характерных для двигателя внутреннего сгорания режимах: холодного пуска и частичных.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов за счет обеспечения надежного воспламенения топливовоздушной смеси на всех скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя, обеспечения надежности холодного пуска.

Поставленная цель достигается тем, что в двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с установленной в ней свечой-форсункой, имеющей первый и второй электроды и рабочую полость, камеру сгорания, сообщенную с рабочей полостью через внутренний канал второго электрода, и топливопровод с расположенным в нем запорным органом, подсоединенным к рабочей полости, дополнительно введен плунжер, размещенный в рабочей полости свечи-форсунки и кинематически связанный с валом двигателя, а топливопровод снабжен дозатором, расположенным перед запорным органом, выполненным в виде обратного клапана, и подсоединен к рабочей полости через внутренний канал второго электрода.

На фиг. 1 показан заявляемый двигатель (вариант: поршневой, четырехтактный); на фиг. 2 то же (вариант: поршневой, двухтактный).

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит корпус, состоящий из фундаментной рамы, картера, цилиндра 1 и головки 2 цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, состоящий из поршневого комплекта (поршень 3, поршневые кольца, поршневой палец), шатуна, коленчатого вала и маховика, механизм газораспределения, состоящий из впускных и выпускных органов и деталей, передающих к ним движение от коленчатого вала: штанг, толкателей, коромысел, распределительного вала и шестерен, камеру сгорания 4, плунжер 5, ролик 6, кулачок 7 вала, механически связанного цепной, ременной, зубчатой передачей с коленчатым или распределительным валом двигателя, возвратную пружину 8, подплунжерную полость 9, топливопровод 10 с включенными последовательно дозатором 11 для регулирования количества топлива и обратным клапаном 12, соединенный после обратного клапана 12 с подплунжерной полостью 9, второй электрод с внутренним каналом 13, соединяющим подплунжерную полость 9 с камерой сгорания 4, первый электрод 14.

Двигатель работает следующим образом.

В первом такте (впуск) при движении поршня 3 от ВМТ 3 к НМТ 3 в пространстве над поршнем 3 создается разрежение и через открытый впускной орган и цилиндр 1 двигателя поступает воздух. На этом же такте плунжер 5 под воздействием возвратной пружины 8 движется от ВМТ 5 по закону, определяемому профилем кулачка 7 вала, кинематически связанного с коленчатым или распределительным валом двигателя, а через ролик 6 с плунжером 5. За счет разрежения, создаваемого при движении плунжера 5 в подплунжерной полости 9, топливо по топливопроводу 10 через дозатор 11 и обратный клапан 12 поступает во внутренний канал 13 второго электрода, откуда вместе с воздухом из камеры 4, поступающим за счет разрежения в подплунжерной полости 9, идет в полость 9, где интенсивно перемешивается с воздухом и испаряется.

На такте сжатия поршень 3 движется от НМТ 3 к ВМТ 3. Плунжер 5 остается без движения. За счет повышения движения в камере сгорания 4 и в подплунжерной полости 9 обратный клапан 12 закрывается, не пропуская газы в дозатор 11. После того, как поршень 3 займет соответствующее положение (не доходя до ВМТ 10.70^о по углу поворота коленчатого вала), плунжер 5 начинает перемещаться от НМТ 5 к ВМТ 5 под действием кулачка 7. При этом плунжер 5 сжимает топливовоздушную смесь в подплунжерной полости 9 до давления, более высокого, чем в цилиндре 1. Вследствие этого топливовозушная смесь из подплунжерной полости перемещается по внутреннему каналу 13 второго электрода и в виде подготовленной топливовоздушной эмульсии впрыскивается в камеру сгорания 4.

Воспламенение впрыскиваемой топливовоздушной смеси производится искрой, которая пробивает между первым электродом 14 и поверхностью второго электрода вокруг канала 13, соединяющего подплунжерную полость 9 с камерой сгорания 4. Искра на любых режимах работы двигателя будет пробиваться в зоне подготовленной топливовоздушной смеси, так как времени на подготовку смеси значительно больше (начиная с момента всасывания топлива в подплунжерную полость 9). Кроме того, искра будет формироваться в объеме, где всегда есть смесь с благоприятным для воспламенения составом, так как искра формируется между первым электродом и поверхностью вокруг канала 13 и всегда захватывает половину объема конуса топливовоздушного факела. Тем самым обеспечивается надежное воспламенение топливовоздушной смеси во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя, холодный пуск двигателя, исключаются пропуски воспламенения, повышается топливная экономичность, снижается токсичность отработавших газов (особенно на частичных режимах, характерных для работы двигателя в условиях эксплуатации автомобиля).

Далее поршень 3 совершает рабочий такт и такт выпуска через органы газораспределения. Плунжер 5 неподвижен, обратный клапан 12 закрыт.

Угол опережения впрыска топливовоздушной смеси изменяется в зависимости от нагрузки. На режимах малых нагрузок фазы впрыска и воспламенения совпадают, что позволяет осуществить работу двигателя внутреннего сгорания на бедных смесях. В случае роста нагрузки преимущественное увеличение угла опережения впрыска приводит к тому, что часть топлива до момента воспламенения основного факела успевает распространиться по камере сгорания 4 и смешаться с воздухом, то есть имеет место расслоение заряда с последующим воспламенением его горячим топливовоздушным факелом. При работе двигателя на максимальной нагрузке топливо поступает в камеру сгорания 4 раньше момента зажигания и имеется достаточно времени для образования практически однородной смеси, процесс сгорания становится близким по своим показателям к имеющим место в карбюраторных двигателях.

В качестве системы впрыска с поршневым компрессором может быть использована любая форсунка, осуществляющая впрыск подготовленной топливовоздушной смеси непосредственно в цилиндр.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 2) содержит корпус, состоящий из фундаментальной рамы, картера с образуемой им кривошипной камерой, цилиндра 1 и головки 2 цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, состоящий из поршневого комплекта (поршень 3, поршневые кольца, поршневой палец), шатуна, коленчатого вала и маховика, камеру сгорания 4, плунжер 5, ролик 6, кулачок 7 вала, механически связанного цепной, ременной, зубчатой передачей с коленчатым валом двигателя, возвратную пружину 8, подплунжерную полость 9, топливопровод 10 с включенными последовательно дозатором 11 для регулирования количества топлива и обратным клапаном 12, соединенный после обратного клапана 12 с подплунжерной полостью 9, второй электрод с внутренним каналом 13. соединяющим подплунжерную полость 9 с камерой сгорания 4, первый электрод 14.

Органами газораспределения являются впускное, продувочное и выпускное окна и поршень 3.

Двигатель работает следующим образом.

Первый такт соответствует ходу поршня 3 от ВМТ 3 к НМТ 3. В цилиндре 1 произошло сгорание и начался процесс расширения газов. Плунжер 5 неподвижен, обратный клапан 12 из-за высокого давления закрыт. Как только поршень закроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие воздуха. В конце хода поршень открывает выпускное окно, через которое выходят отработавшие газы. Затем открываются продувочные окна и воздух из кривошипной камеры входит в цилиндр 1. Далее, не доходя 10.15^о до НМТ 3, плунжер 5 под действием возвратной пружины 8 движется от ВМТ 5 к НМТ 5 по закону, определяемому профилем кулачка 7 вала, кинематически связанного с коленчатым или распределительным валом двигателя, а через ролик 6 с плунжером 5. За счет разрежения, создаваемого при движении плунжера 5 в подплунжерной полости 9, топливо по топливопроводу 10 через дозатор 11 и обратный клапан 12 поступает во внутренний канал 13 второго электрода, откуда вместе с воздухом из камеры сгорания 4, поступающим за счет разрежения в подплунжерной полости 9, идет в полость 9, где интенсивно перемешивается с воздухом и испаряется.

Второй такт происходит при движении поршня 3 от НМТ 3 к ВМТ 3. В начале хода из цилиндра продолжают вытесняться оставшиеся продукты сгорания. Плунжер 5 продолжает перемещаться к ВМТ 5 под действием пружины до 10.15^о после НМТ 3. Затем поршень 3 последовательно перекрывает впускное окно, продувочное окно и выпускное окно. Плунжер 5 неподвижен.

Затем сжимается воздух в цилиндре. Плунжер 5 остается без движения. За счет повышения давления в камере сгорания 4 и в подплунжерной полости 9 обратный клапан 12 закрывается, не пропуская газы в дозатор 11. После того, как поршень 3 займет соответствующее положение (не доходя до ВМТ 10.70^о по углу поворота коленчатого вала), плунжер 5 начинает перемещаться от НМТ 5 к ВМТ 5 под действием кулачка 7. При этом плунжер 5 сжимает топливовоздушную смесь в подплунжерной полости 9 до давления, более высокого, чем в цилиндре 1. Вследствие этого топливоздушная смесь из подплунжерной полости перемещается по внутреннему каналу 13 второго электрода и в виде подготовленной топливовоздушной смеси впрыскивается в камеру 4 сгорания
Воспламенение производится аналогично.

В это же время за счет освобождения поршнем 3 некоторого объема в кривошипной камере создается разрежение. Как только поршень откроет впускное окно, в кривошипную камеру поступает воздух.

Двухтактный двигатель может быть выполнен и с другими схемами газообмена. Под термином "поршень" понимается любой элемент, обеспечивающий изменение объема для осуществления рабочего процесса.

Углы подачи топливовоздушной смеси и искры аналогичны рассмотренному выше варианту двигателя внутреннего сгорания поршневой, четырехтактный.

Заявляемая конструкция двигателя внутреннего сгорания позволяет, по сравнению с прототипом, повысить топливную экономичность и снизить токсичность отработавших газов за счет обеспечения надежного воспламенения на всех скоростных и нагрузочных режимах работы, исключения пропусков воспламенения, обеспечения надежности холодого пуска двигателя.

Сущность изобретения: с целью улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов путем повышения надежности воспламенения двигатель снабжен плунжером, размещенным в рабочей полости свечи-форсунки и кинематически связанным с валом двигателя, а топливопровод снабжен дозатором, расположенным перед запорным органом, выполненным в виде обратного клапана, и подсоединен к рабочей полости через внутренний канал второго электрода. 2 ил.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с установленной в ней свечой-форсункой, имеющей первый и второй электроды и рабочую полость, камеру сгорания, сообщенную с рабочей полостью через внутренний канал второго электрода, и топливопровод с расположенным в нем запорным органом, подсоединенный к рабочей полости, отличающийся тем, что, с целью улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов путем повышения надежности воспламенения, он снабжен плунжером, размещенным в рабочей полости свечи-форсунки и кинематически связанным с валом двигателя, а топливопровод снабжен дозатором, расположенным перед запорным органом, выполненным в виде обратного клапана, и подсоединен к рабочей полости через внутренний канал второго электрода.