ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B75/04 F02B13/06 F02D15/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), использующим смесь того или иного топлива с воздухом.

Ограниченные пределы воспламеняемости по составу топливовоздушной смеси заставляют применять в таких двигателях количественный метод регулирования мощности, при котором количество топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры, изменяется посредством дросселирования впускного трубопровода.

Основным недостатком двигателей с дроссельным регулированием является ухудшение их экономичности при работе на частичных нагрузках (на которых двигатели в основном и эксплуатируются). Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что для улучшения эксплуатационной топливной экономичности двигателей, использующих топливовоздушную смесь, необходимо увеличивать степень сжатия по мере уменьшения нагрузки (мощности). Кроме того, желательно уменьшить на этих нагрузках и затраты энергии на преодоление сопротивления дросселя, которые могут достигать 15-20% от полезной мощности двигателя при соответствующем режиме работы (Walzer P. Adamis P. Heinrich H. Schumacher V. Variable steuerzuten und varieble Verdichtungbcim ottomotor. MIZ, 1986, N 1, s.15-20).

Известна камера сгорания с переменной степенью сжатия для двигателя с возвратно-поступательно движущимися поршнями (заявка Франции N 2476215, кл. F 02 15/04, опублик. 1981), содержащая вспомогательную камеру сгорания, ограниченную вспомогательным цилиндром, соединенным с рабочим цилиндром, в котором перемещается вспомогательный поршень, причем предусмотрены средства для фиксации вспомогательного поршня в его вспомогательном цилиндре с целью регулируемого изменения объема камеры сгорания.

Однако при применении этой камеры не устраняется необходимость дроссельного регулирования мощности, а следовательно, не используются все возможности для улучшения эксплуатационной топливной экономичности двигателей.

К недостаткам такого устройства относятся его сложность, а также повышенная материалоемкость и трудоемкость изготовления, обусловленные относительно большим количеством применяемых деталей.

Кроме того, поскольку вспомогательный поршень не совершает сколько-нибудь закономерных перемещений во время работы двигателя, то весьма сложно предусмотреть удовлетворительную смазку и надежное его функционирование. При стабильных условиях эксплуатации (например, работе в основном в городских условиях или, наоборот, за городом) вспомогательный поршень будет перемещаться редко, а это приведет к нагарообразованию на нем и его закоксовке, потере подвижности и выходу двигателя из строя.

В условиях эксплуатации слой нагара осаждается сравнительно быстро и стабилизируется по толщине через 1-1,5 тыс. км пробега (см. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М. Машиностроение, 1969, с. 161-162).

Известен двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия (патент США N 4286552, кл. F 02 B 75/36, опублик. 1981), содержащий камеру сгорания, расположенную между головкой цилиндров и установленным в цилиндре подвижным поршнем, устройство, регулирующее объем камеры сгорания и включающее дополнительный поршень малого диаметра, установленный в дополнительном цилиндре, выполненном в головке, и приводимый поршнем управляющего гидроцилиндра через шарнирно-рычажный механизм, блок определения коэффициента наполнения с датчиками и блок изменения разрежения, подаваемого из впускного трубопровода в рабочие камеры управляющего цилиндра.

Недостатками рассмотренного ДВС являются его сложность, обусловленная большим количеством деталей, в том числе требующих уплотнения, а также относительно низкая надежность из-за закоксования дополнительного поршня в процессе эксплуатации.

При этом не обеспечивается бездроссельное регулирование мощности, т.е. возможность улучшения топливной экономичности двигателя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ДВС с комбинированным регулированием газораспределения и степени сжатия с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием (авт. св. СССР N 1314135, кл. F 02 D 15/04, 1987), содержащий по меньшей мере один скользящий в основном цилиндре и приводящий в движение коленчатый вал основной поршень, головку основного цилиндра, один скользящий во вспомогательном цилиндре, размещенном в головке, вспомогательный поршень, который приводится в движение кулачковым валом от коленчатого вала и чье рабочее пространство связано с рабочим пространством основного поршня и имеет в верхней мертвой точке сжатия основного поршня меняющийся в зависимости от рабочих параметров ДВС объем, для чего предусматривается устройство управления положением вспомогательного поршня по отношению к основному поршню, причем на боковой поверхности вспомогательного цилиндра выполнены окна впуска топливовоздушной смеси и выпуска отработавших газов, которые перекрываются вспомогательным поршнем при его перемещениях.

Однако такой двигатель характеризуется недостаточной эффективностью.

Целью изобретения является повышение эффективности.

Цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, содержащем по меньшей мере один движущийся возвратно-поступательно в основном цилиндре и приводящий в движение коленчатый вал основной поршень, головку основного цилиндра, по меньшей мере один движущийся возвратно-поступательно во вспомогательном цилиндре, размещенном в головке, вспомогательный поршень, который приводится в движение кулачковым валом от коленчатого вала и чье рабочее пространство связано с рабочим пространством основного поршня и имеет в верхней мертвой точке сжатия основного поршня меняющийся в зависимости от рабочих параметров ДВС объем, для чего предусматривается устройство управления положением вспомогательного поршня по отношению к основному поршню, и размещенный в головке клапанный механизм обычного типа для выпуска отработавших газов, причем боковая поверхность вспомогательного цилиндра снабжена по меньшей мере одним окном для впуска топливовоздушной смеси, перекрываемым вспомогательным поршнем при его перемещениях, согласно изобретению устройство управления положением вспомогательного поршня выполнено в виде качающегося рычага, одним концом связанного с последним и контактирующего с кулачковым валом при помощи пружины и перемещаемой с помощью винтовой пары и дополнительной пружины кулисы, в которой расположен другой конец рычага.

На фиг. 1 показан разрез двигателя в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу основного цилиндра; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один основной (рабочий) цилиндр 1 с основным поршнем 2 обычного типа, совершающим возвратно-поступательное движение с помощью известного кривошипно-шатунного или иного механизма (не показан). К цилиндру 1 примыкает вспомогательный цилиндр 3, размещенный в головке 4 цилиндра 1, с вспомогательным поршнем 5.

Пространство, ограниченное поршнем 2 в положении возле верхней мертвой точки (ВМТ), вспомогательным поршнем 5, головкой 4 и расположенными между ними поверхностями цилиндров 1 и 3, образует камеру 6 сгорания топливовоздушной смеси, которая воспламеняется от свечи 7, расположенной вблизи впускных окон 8, выполненных на боковой поверхности вспомогательного цилиндра 3 и служащих для подачи топливовоздушной смеси.

Для удаления из камеры 6 сгорания отработавших газов используются стандартные тарельчатые выпускные клапаны механизма газораспределения (не показаны).

Вспомогательный поршень 5 с помощью поршневого пальца 9 соединен с рычагом 10, на который с одной стороны действует кулачок 11 кулачкового вала 12 (от последнего приводятся и выпускные клапаны), а с другой возвратная пружина 13. Конец рычага 10, не связанный с вспомогательным поршнем 5, опирается на кулису 14 устройства управления, которая может перемещаться по направляющим 15 в головке 4 под действием винта 16, соединенного известным способом с блоком управления (не показан), например педалью акселератора, и пружины 17, действующих на кулису 14 во взаимно противоположных направлениях. Поворачивая винт 16 с помощью рычага 18 управления в ту или иную сторону, можно поднимать или опускать кулису 14 вместе с опирающимся на нее концом рычага 10. В целом описанный привод вспомогательного поршня 5 позволяет ему совершать в цилиндре 3 возвратно-поступательное движение, причем вспомогательный поршень 5, сохраняя это движение, может за счет перемещения кулисы 14 и поворота рычага 10 на некоторый угол сближаться с рабочим поршнем 2 или отдаляться от него, что связано не только с изменением степени сжатия, но и возможностью изменения времени открытия впускного канала.

Описанный двигатель в принципе может работать как по четырехтактному, так и по двухтактному рабочему циклу, что достигается за счет согласования фаз рабочего поршня 2, вспомогательного поршня 5 и выпускных клапанов. Переход от четырехтактного цикла к двухтактному при соответствующем устройстве привода кулачкового вала осуществим во время работы двигателя и может использоваться в качестве средства, расширяющего его мощностной диапазон. Основным рабочим циклом является четырехтактный, как более экономичный и уменьшающий выделение токсичных компонентов с отработавшими газами.

Четырехтактный рабочий цикл осуществляется следующим образом.

При нахождении поршня 2 в ВМТ вспомогательный поршень 5, двигаясь вверх, начинает открывать впускные окна 8 и поршень 2, двигаясь к нижней мертвой точке (НМТ), засасывает в цилиндры 1 и 3 топливовоздушную смесь. После прохождения поршнем 2 НМТ вспомогательный поршень 5, двигаясь вниз, перекрывает впускные окна 8 и поршень 2, двигаясь к ВМТ, сжимает топливовоздушную смесь и вытесняет ее в камеру 6 сгорания, где она в районе ВМТ поршня 2 воспламеняется свечой 7 и сгорает. Расширяющиеся продукты сгорания перемещают поршень 2 к НМТ и последний совершает рабочий ход. В районе НМТ открываются с некоторым предварением выпускные клапаны и поршень 2, перемещаясь к ВМТ, вытесняет продукты сгорания в выпускной трубопровод (не показан). При подходе поршня 2 к ВМТ вспомогательный поршень 5 начинает двигаться вверх, открывает впускные окна 8 и далее цикл повторяется.

Одновременное регулирование мощности и степени сжатия осуществляется следующим образом. При повороте с помощью рычага 18 винта 16 кулиса 14 перемещается по направляющим 15 вниз или вверх. При этом перемещается вниз или вверх конец рычага 10, не связанный с вспомогательным поршнем 5. Последний, не прекращая возвратно-поступательного движения в цилиндре 3, за счет поворота рычага 10 относительно кулачка 11 удалится от поршня 2 (при увеличении нагрузки на двигатель) или, наоборот, приблизится к нему (при снижении нагрузки). При удалении вспомогательного поршня 5 от основного поршня 2 увеличивается объем камеры 6 сгорания, а степень сжатия понижается, что позволяет расширить пределы бездетонационного сгорания, а также снизить требования к ОЧ топлива (на 1-2 пункта). Одновременно увеличится открытие впускных окон 8, поэтому в основной цилиндр 1 поступит больше топливовоздушной смеси, и, следовательно, возрастет мощность двигателя.

При сближении вспомогательного поршня 5 с основным поршнем 2 объем камеры 6 сгорания уменьшается, а степень сжатия возрастает. Увеличение степени сжатия на частичных нагрузках позволяет увеличить КПД до 10%

Сущность изобретения: устройство управления положением вспомогательного поршня выполнено в виде качающегося рычага, одним концом связанного с последним и контактирующего с кулачковым валом при помощи пружины и перемещаемой с помощью винтовой пары и дополнительной пружины кулисы, в которой расположен другой конец рычага. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один основной цилиндр с возвратно-поступательно движущимся в нем и приводящим в движение коленчатый вал основным поршнем, головку основного цилиндра, по меньшей мере один размещенный в головке вспомогательный цилиндр с по меньшей мере одним окном впуска топливовоздушной смеси, выполненным на его боковой поверхности, и возвратно-поступательно движущимся в нем вспомогательным поршнем, управляющим окном впуска и приводимым от коленчатого вала через кулачковый вал, камеру сгорания, образованную цилиндрами, поршнями и головкой и имеющую свечу зажигания, устройство управления положением вспомогательного поршня и орган впуска отработавших газов, расположенный в головке и управляемый кулачковым валом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, устройство управления положением вспомогательного поршня выполнено в виде качающегося рычага, одним концом связанного с последним и контактирующего с кулачковым валом при помощи пружины, и перемещаемой с помощью винтовой пары и дополнительной пружины кулисы, в которой расположен другой конец рычага. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что орган выпуска отработавших газов выполнен в виде тарельчатых клапанов.