Данное изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания могут быть классифицированы как двигатели раздельного или неразделенного действия. Во всех таких двигателях используется такт сжатия, который предшествует воспламенению и сгоранию топлива, которое смешивается с воздухом.
В двигателях неразделенного топливопитания топливо смешивается с воздухом перед началом хода сжатия, это касается, прежде всего, бензиновых двигателей с принудительным, искровым зажиганием, именуемых обычно SIGE- двигатели (в русской транскрипции БДПЗ-переводч.) В некоторых SIGE-двигателях, известных как двигатели с чередующейся заправкой, которые не нашли широкого применения, топливо вводится в воздух в процессе такта сжатия, но до момента воспламенения, который инициируется искрой. Во всех двигателях неразделенного, смесевого топливопитания ограничено максимальное давление сжатия, поскольку заранее приготавливая газообразная горючая воздухотопливная смесь может воспламениться от высокой температуры, создаваемой в процессе сжатия еще до появления искры.
Работа двигателей с искровым зажиганием требует достаточно точной дозировки компонентов горючей смеси. Это ограничительное требование в сочетании с относительно низкой степенью сжатия и необходимостью дросселирования воздуховпуска на неполной нагрузке, что в целом предопределяется особенностями устройства такой системы сжигания топлива, приводит к относительно низкому термическому КПД. Основным преимуществом таких двигателей является достаточный быстрый процесс сгорания используемой газообразной смеси топлива и воздуха, что предопределяет относительно высокую их быстроходность и достаточно большую мощность.
В двигателе с раздельным питанием происходит сжатие всего или большей части используемого воздуха без топлива, которое водится практически в конце такта сжатия в точке, когда должно начинаться воспламенение. По такому принципу работает дизельный двигатель, в котором жидкое топливо вспрыскивается в камеру сгорания под очень высоким давлением фактически в конце такта сжатия.
Двигатель с раздельным формированием горючей смеси имеет существенно более высокий тепловой КПД по сравнению с двигателем с принудительным зажиганием (SIGE- двигателем), в особенности при неполной нагрузке). Давление сжатия в нем, повышающие термическую эффективность, не лимитированы опасностью преждевременного воспламенения. Кроме того, при частичной нагрузке не требуется заслоночное дросселирование, что исключает потери на перекачку. При неполной нагрузке возможно полное сгорание смеси, что также повышает термический КПД.
Недостатком способа дизельного разделительного топливосмешивания и сжигания является относительное время, затрачиваемое на впрыск жидкого топлива и перевод его в пароообразное состояние, прежде чем оно сможет воспламениться и быстро сгореть. Таким образом, дизельный двигатель, обладая более высоким тепловым КПД по сравнению с двигателем с принудительным зажиганием, не способен работать с такой же быстроходностью как последний, обладая меньшей мощностью при размере и весе.
Известны различные типы двигателей раздельного формирования горючей смеси (см. патентные документы автора данной заявки GB-A-2155546, GB-A-2186913, GB-A-2218153 и GB-A-2238830). Такие двигатели в настоящее время в технической литературе называют "двигателем Мерритта".
Двигатель Мерритта содержит: по меньшей мере, один блок из первого и второго цилиндров и соответственно первый и второй поршни, перемещающиеся в указанных цилиндрах, причем в каждом блоке первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, воздуховпускной клапан и/или канал, сообщающийся с первым цилиндром, выпускной клапан и/или канал, сообщающийся с первым цилиндром, источник топливопитания для подачи топлива во второй цилиндр, техническое средство, образующее камеру или пространство сгорания топливовоздушной смеси, когда поршни находятся в положении внутренней мертвой точки, причем камера сгорания сообщается с обоими цилиндрами в процессе по меньшей мере, начальной части расширительного такта, и блокирующее средство, препятствующее доступу топливовоздушной смеси из второго цилиндра в упомянутую камеру сгорания.
Двигатель Мерритта, подобно дизельному двигателю, является двигателем раздельного приготовления горючей смеси за тем отличием, что некоторое малое количество воздуха подвергается сжатию вместе со всем используемым топливом во втором рабочем цилиндре меньшего объема, в то время как основная часть воздуха сжимается независимо в первом цилиндре большого объема. Предельно обогащенная топливовоздушная смесь во втором цилиндре не детонирует в процессе ее сжатия вследствие ее интенсивного насыщения топливом. Известно также, что в таком двигателе малое количество топлива может смешиваться с воздухом в первом цилиндре без детонации на протяжении такта сжатия вследствие чрезмерного обеднения.
На фиг. 1 в качестве примера показана типовая конструкция двигателя Мерритта, который изображен в упрощенном виде продольным разрезом. Этот известный двигатель, являясь современной модификацией двигателей внутреннего сгорания, был предложен в рамках патентной заявки Великобритании GB-A-2218153. Подробно конструкция такого двигателя-аналога рассматривается ниже.
Двигатель, обозначенный в целом позицией 10, включает в себя первый рабочий цилиндр 12 и второй цилиндр 14 меньшего объема. В первом цилиндре 12 перемещается первый поршень 16, стык между которым и стенкой цилиндра уплотнен с помощью поршневых колец 16а. Меньший по размеру второй поршень 18 выступает от головки поршня 16, перемещаясь внутри цилиндра 14. Как уже отмечалось, цилиндр 16 имеет больший рабочий объем по сравнению с цилиндром 14. Фактически оси двух вышеуказанных цилиндров параллельны, хотя в данном случае цилиндр 14 показан в соосном положении относительно большего цилиндра 12, что является сугубо частным, упрощенным конструктивным решением. Ход первого поршня 16 в оптимальном организуется таким образом, что второй поршень 18 входит в цилиндр 14 даже при его нахождении во внешней мертвой точке. На фиг. 1 положение верхней мертвой точки оголовка поршня 16 показано штрих-пунктиром. Поршни 16, 18 посажены в общий коленчатый вал С, имея формально по данному упрощенному чертежу единый соединительно-шатунный механизм, хотя в описании изобретения к английской патентной заявке GB-A-2218153, представляющей данный двигатель-аналог, говорится о двух отдельных поршнях и двух отдельных коленчатых вала. Внутри второго поршня 18 имеется рабочий объем сжигания горючей смеси в виде локализованной камеры сгорания 20, сообщающейся одновременно с первым и вторым цилиндрами 14, 12 через два канальных отверстия 28 и 29. В канале 28 размещается вышеупомянутое блокирующее, изолирующее средство.
Канал 28, который связывает камеру сгорания 20 со вторым цилиндром 14 и который заполняется топливом, о чем более подробно будет сказано ниже, блокирует или ограничивает доступ горючей смеси (это явление известно под термином "ингрессия"), что, в свою очередь, влияет на синхронизацию зажигания. Применительно к двигателю Мерритта термин "ингрессия" определяет поступление топливовоздушной смеси из второго цилиндра в камеру или объем сгорания.
Двигатель, представленный на фиг. 1, является четырехтактным вариантом двигателя Мерритта. При работе такого двигателя в основной (главный) цилиндр из впускного канала 25 через впускной клапан 24 поступает соответствующая, значительная порция воздуха. Часть этого воздуха входит во второй цилиндр 14 через отверстие 28 и отверстие 29 в процессе такта всасывания. Жидкое топливо подается во второй цилиндр 14 при помощи форсунки-инжектора 21, причем такая топливоподача может осуществляется на протяжении такта всасывания, а при необходимости на начальной стадии такта сжатия.
По сравнению с дизельным двигателем с раздельной подачей компонентов топливной смеси, при работе которого топливо вспрыскивается в двигатель в конце хода сжатия, принцип действия двигателя Мерритта предусматривает возможность подачи топлива в течение существенно более продолжительной части рабочего цикла такого двигателя. Благодаря этому топливу отводится больший отрезок времени для перевода из жидкого в газообразное (парообразное) состояние, но при этом топливо не смешивается в полной мере с основной частью сжимаемого воздуха, заранее вводимого в первый цилиндр 12 до осуществления горения в камере 20.
Было установлено, и как известно по предыдущим заявкам автора данного изобретения, что при использовании различных по объему цилиндров, сообщающихся с общей камерой сгорания, и при условии, что топливо содержится в меньшем цилиндре, происходит т. н. процесс "газодиномического разделения" (сегрегации).
По существу газодинамическое разделение отличается от чисто механического разделения в подаче компонентов горючей смеси в дизельном двигателе, в котором специальное механическое клапанное устройство (обычно это игольчатый клапан в топливном инжекторе) прерывает топливоподачу в двигатель до потребного момента возобновления подачи топлива. При реализации процесса газодинамического разделения (сегрегации) в двигателе Меррита воздух, находящийся в первом цилиндре большего объема и камера сгорания, как известно, переходит во второй цилиндр меньшего объема в течение большей части такта сжатия. В конструкции, представленной на фиг.1, это реализуется в виде потока воздуха, проходящего по каналу 28, который связывает камеру сгорания 20 со вторым цилиндром 18, где находится все (или большая часть) топлива, за счет чего в конечном итоге блокируется перемещение топлива в указанную камеру. В конце такта сжатия происходит реверсирование газового потока, поскольку давление во втором цилиндре 14 становится больше давления в камере сгорания 20, и топливо, поступающее от инжектора 21 и переходящее в парообразное состояние в меньшем по объему цилиндре 14 в смеси с относительно небольшой частью воздуха, принудительно вводится в камеру 20.
Задачей настоящего изобретения является разработка усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания.
Соответственно в рамках изобретения предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий:
по меньшей мере, один блок первого и второго цилиндров, причем первый из этих цилиндров имеет больший рабочий объем по сравнению со вторым цилиндром,
соответственно первый и второй поршни, перемещающиеся в указанных цилиндрах,
воздуховпускное средство, сообщающееся с первым цилиндром,
выпускное средство, сообщающееся с первым цилиндром,
первый источник топливопитания, от которого топливо поступает во второй цилиндр,
средство, образующее камерный объем сгорания смеси, когда поршни находятся в положении внутренней мертвой точки, причем указанный объем сообщается с обоими цилиндрами в процессе такта расширения,
блокирующее средство, перекрывающее доступ, о котором говорилось выше, ко второму поршню, когда он приходит в положение внутренней мертвой точки или находится вблизи этого положения, при этом второй поршень (18) имеет головку (35) смещенную от головки (36) первого поршня (16), и связанную с ней, и кромку (37), которая проходит над, по меньшей мере, частью периферии головки (36) и размер которой в осевом направлении относительно меньше расстояния между головками (36, 25) первого и второго поршней в том же направлении, а камера сгорания (20) образована головками поршней и боковой стенкой (14а) второго цилиндра, и кромка (37) головки (35) второго поршня радиально смещена от смежной стенки (14а) второго цилиндра (14) так, чтобы образовывать между ними зазор (128), который содержит указанные блокирующие средства, причем смещение имеет размер, который позволяет по существу задержать проход газа между боковой стенкой и головкой (35) второго поршня из второго цилиндра (14) в камеру сгорания до конца такта сжатия.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения в конструкции предложенного двигателя предусматривается средство, функционально связанное со вторым цилиндром и предназначенное для регулирования давления в этом цилиндре на уровне ниже давления в первом цилиндре на протяжении начальной стадии такта сжатия, за счет чего блокируется доступ ко второму поршню, когда он приходит в положение внутренней мертвой точки или находится около него. Следует указать, что давление во втором цилиндре в конце такта сжатия влияет на распределение времени доступа, которое может контролироваться таким образом, чтобы обеспечивалась оптимальная синхронизация зажигания. Упомянутый доступ должен быть организован таким образом, чтобы он осуществлялся где-то ближе к концу такта сжатия, например, в пределах 25oC до прихода во внутреннюю (нижнюю) мертвую точку.
Конструкция вышеупомянутого средства обеспечения доступа предпочтительно включает в себя первое канальное средство, входящее во второй цилиндр, и первое клапанное средство, контролирующее рабочее состояние (проходное отверстие) первого канального средства. Это канальное средство в предпочтительном варианте открывается в начале такта впуска и перекрывается на протяжении начальной стадии такта сжатия. Время перекрывания непосредственно влияет на распределение (синхронизацию) времени доступа к поршням. В соответствии с этим предпосылочным обстоятельством клапанное средство может быть выполнено в виде подъемного клапана, задействуемого механически или электрически. В качестве такого клапана может быть использован самый доступный, стандартный клапан, причем применение клапана с электрическим управлением позволяет реилизовать высокоточное регулирование длительности его открытия и времени закрытия, т.е. обеспечить высокоточный контроль впуска горючей смеси.
Средство обеспечения доступа, кроме того, может включать в себя первое клапанное с изменяемым проходным отверстием, к примеру, заслоночный или дроссельный клапан, который лучше всего расположить перед (по потоку) указанным первым клапаном. Используя такое регулируемое клапанное средство, можно с высокой точностью регулировать поток (расход) воздуха, проходящий через клапан, повышая степень регулируемости по времени впуска (доступа). Воздух, в сочетании с топливом или без него, или же газообразное топливо, в смеси с воздухом или отдельно, может впускаться во второй цилиндр через упомянутое средство обеспечения доступа на протяжении такта всасывания.
Перед первым клапанным средством размещается источник топлива, который может содержать жидкотопливный инжектор (форсуночный впрыскиватель). В системе питания может использоваться соответствующее средство для синхронизации впрыска и регулирования длительности топливоподачи от источника топливопитания, обеспечивая ввод топлива в двигатель в течение периода времени, когда клапанное средство либо открыто, либо закрыто. Функционирование средства обеспечения доступа в цилиндры может контролироваться соответствующим средством управления (регулирования), к примеру от системы управления двигателем.
В двигателе, показанном на фиг. 1, камера сгорания 20 образована внутри второго поршня 18, что при приемлемости во многих отношениях создает определенные технологические трудности в изготовлении. Эти трудности можно устранить, используя конструкцию, в которой камера сгорания только частично находится во втором поршне 18. При таком конструктивном решении второй поршень может иметь головку, которая смещена и связана с головкой первого поршня и которая имеет поясковую кромку, тонкую в направлении оси поршня и которая имеет поясковую кромку, тонкую в направлении оси поршня по сравнению с базой смещения головки первого поршня по сравнению с базой смещения головки первого поршня от головки второго поршня, при этом желательно, чтобы головка второго поршня постоянно находилась во втором цилиндре. Таким образом можно сформировать камерный объем сгорания между головками двух поршней без необходимости полностью заключать камеру сгорания внутрь меньшего поршня.
Второй поршень может быть выполнен таким образом, чтобы при его функционировании реализовалась характеристика ступенчатого или постепенного доступа (ингрессии) в рабочее пространство двигателя. К примеру, второй цилиндр на его конце, удаленном от первого цилиндра, может быть снабжен средством, образующим обводной канал вокруг кромки головки второго поршня, когда этот поршень находится около или непосредственно в его внутренней мертвой точки. В этом случае образующая кромка головки второго поршня на протяжении основной части его хода может примыкать к стенке второго цилиндра. Но при выходе указанной кромки в зону упомянутого обводного канала (байпаса) происходит резкое увеличение зазора между нею и стенкой второго поршня, за счет чего осуществляется ускоренный доступ (ввод) горючей смеси через байпас. Обводной, байпасный канал в осевом направлении имеет длину, превышающую толщину поясковой кромки головки второго поршня. Указанный канал может быть выполнен в виде канавки или удлиненного паза в стенке второго цилиндра, причем этот паз может проходить по всей образующей или по какой-то ее части второго цилиндра.
Применение такого канавочного паза имеет то существенное преимущество, что в этом случае во втором цилиндре образуется буферный зазорный объем для испаряющегося топлива и воздуха, который задерживает впуск горючей смеси и, кроме того, образует направляющую траекторию для пламени из объема сгорания, что способствует полному охвату горением всего топлива, остающегося над головкой первого поршня после впуска (ингрессии). Далее, наличие указанного паза-канавки способствует выходу отработанных газов, остающихся над оголовочной частью второго поршня, в конце такта выпуска.
Вышеупомянутый байпас может быть образован ступенчатым или плавным увеличением рабочего отверстия второго цилиндра: все зависит от того, какой впуск необходимо реализовать резкоступенчатый или поступенчатый.
Применение второго поршня с тонкокромочной поясковой головкой в сочетании с перепускным, обводным каналом, используемым для инициирования впуска, доступа горючей смеси, позволяет резко уменьшить зазор между упомянутой выступающей кромкой поршня и боковой стенкой второго цилиндра. Может существовать достаточно малый зазор. При таком конструктивном решении применение средства обеспечения доступа (впуска) воздуха во второй цилиндр является необходимым, причем это средство может использоваться и для удаления отработавшего из второго цилиндра.
Выполнение на головке поршня небольшой выступающей поясковой кромки позволяет реализовать принцип локализованного по времени, триггерного впуска (доступа) компонентов горючей смеси через перепускное средство-байпас, которое при взаимодействии c тонкой кромки головки малого поршня образует обводной канал для газа во втором цилиндре над головкой второго поршня поперечно указанной кромке, когда второй поршень подходит к положению внутренней мертвой точки.
С зазором определенной формы между кромкой пояском головки второго поршня и стенкой второго цилиндра необходимо регулировать давление газа во втором цилиндре над головкой второго поршня так, чтобы оно оставалось ниже давления воздуха в объеме сгорания с другой стороны указанной головки до наступления момента впуска, доступа компонентов смеси. Такое регулирование может осуществляться с помощью вышеупомянутого средства обеспечения доступа.
Это позволяет достаточно легко сформировать блокирующее средство вокруг кромки второго поршня и является в этом отношении предпочтительным.
В одном варианте исполнения зазор представляет собой сплошной кольцевой промежуток между упомянутой выступающей кромкой головки второго поршня и смежной стенкой второго цилиндра. В другом варианте зазор прерывается двумя или более радиальными выступами на головке второго поршня. Такие выступы могут скользящим образом перемещаться по стенке (внутренней поверхности) второго цилиндра, выполняя функцию направляющей опоры второго поршня. В альтернативном варианте упомянутый зазор может прерываться двумя или более удлиненными по осевому направлению радиальными выступами на стенке второго цилиндра, образуя скользящую опору, направляющую головку поршня в процессе его движения.
Конструкция поршня может быть реализована в самом различном виде.
К примеру, головка второго поршня может быть смещена относительно головки второго поршня при помощи, по меньшей мере, одной отводной, выступающей части или тела, например, единого центрального выступающего тела.
Эта выступающая часть при соответствующем профиле образует стенку криволинейного камерного пространства или объема сгорания топливовоздушной смеси. Данная криволинейная стенка может быть профилирована таким образом, чтобы интенсифицировать завихрение воздуха, входящего в течение такта сжатия, с целью усиления перемешивания этого воздуха со смесью "парообразное топливо-воздух" при впуске в камеру сгорания, что в практическом аспекте является крайне желательным.
Второй поршень в альтернативном варианте исполнения может иметь цилиндрическую юбку, находящуюся между его головкой и головкой первого поршня, при этом в рубашке выполняется набор отверстий относительно большого размера, из которых выступает несколько частей головки второго поршня, имеющих относительно тонкие кромки.
В практическом аспекте крайне желательно, чтобы топливовоздушная смесь сгорала как можно полнее в указанном промежуточном объеме, прежде чем этот объем станет полностью сообщаться с первым цилиндром на протяжении такта расширения. Для реализации этого на головке первого поршня предусматривается выполнение выступающей вверх части или заглушки, которая входит с соответствующим рабочим зазором во второй цилиндр, практически полностью отделяя объем сгорания от первого цилиндра, когда поршень приближается или проходит в положение внутренней мертвой точки. Второй цилиндр не обязательно должен иметь цилиндрическую форму, поскольку второй поршень может находиться в нем без использования уплотнительных колец, т.е. основание этого поршня может иметь форму, соответствующую выбранному профилю поперечного сечения второго цилиндра.
При использовании вышеуказанной выступающей части в конструкции цилиндрового блока может быть применено специальное канальное средство, взаимосвязывающее объем или пространство над головкой второго поршня с первым цилиндром и предназначенное для "проводки" воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, когда поршни находятся вблизи положения внутренней мертвой точки, что облегчает доступ компонентов формируемой топливовоздушной смеси друг к другу.
При дизельном принципе после осуществления впускного доступа компонентов друг друга топливо воспламеняется в результате контакта с горячим сжатым воздухом в объеме сгорания. В свою очередь, возможен и такой вариант, когда воспламенение топлива стимулируется при помощи свечи зажигания, катализаторного или какого-то другого средства зажигания, которое связано или сообщается с пространством сгорания. При использовании средства зажигания катализаторного типа оно размещается в объеме сгорания, к примеру, снизу на головке второго поршня, но не на стенке второго цилиндра.
Второй цилиндр может быть оснащен с того конца, который примыкает к первому цилиндру, вторым обводным, перепускным средством, к примеру, пазовой канавкой, аналогичной той, что упоминалась выше при рассмотрении первого байпасного средства. Второй байпас позволяет газам обходить головку второго поршня при нахождении в положении внешней мертвой точки, уравнивая давление с противоположных сторон головки второго поршня в начале процесса выпуска на стадии, известной как "продувка".
Одним из преимуществ использования в конструкции заявляемого двигателя второго поршня с тонкой поясковой образующей кромкой и промежуточного объема сгорания между головкой первого поршня и тыльной, нижней стороной головки второго поршня является то, что в таком двигателе может сочетаться принцип газоразделения, характерный для дизельного двигателя, и принципы сжигания горючей смеси, применяемые в двигателях внутреннего сгорания с принудительным искровым зажиганием, с реализацией положительных качеств, присущих обоим указанным типам двигателей при условии гибридного совмещения их с двигателем Мерритта, являющимся прототипом для данного изобретения.
Такие дизель-гибридные системы позволяют переводить в парообразное состояние часть топлива, отделенного по принципу двигателя Мерритта от воздуха, а затем воспламенять его с образованием факела пламени, усиливающегося испарение, и сжигать остальное топливо, впрыскиваемое в режиме работы дизельного двигателя.
Для ограничения подачи воздуха в упомянутый первый цилиндр при работе двигателя в режиме неполной нагрузки может быть применено дроссельно-заслоночное средство, располагаемое по потоку перед указанным воздуховпускным средством и сообщающееся с упомянутым первым цилиндром.
В SIGE-гибридной схеме (т.е. "двигатель с искровым зажиганием двигатель Мерритта") свеча зажигания может быть установлена в стенку второго цилиндра: в этом случае, когда головка второго поршня будет находиться вблизи или точно во внутренней мертвой точке, указанная свеча будет усиливать воспламенение топливовоздушной смеси в пространстве сгорания за головкой второго поршня.
В первом рабочем режиме указанный впускной клапан пропускает в первый цилиндр двигателя через клапан-заслонку дозированную смесь топлива и воздуха, способную воспламеняться от искры, создаваемой упомянутой свечой, когда поршни находятся вблизи положения внутренней мертвой точки, при этом указанный источник топлива и воздухопитание отключены от второго цилиндра. Во втором режиме, когда впускной клапан пропускает в первый цилиндр только воздух, и при этом источник топлива и воздухопитание действуют, т.е. топливо и воздух поступают во второй цилиндр, данный двигатель работает по принципу двигателя Мерритта.
Когда топливо от первого источника топливопитания проходит, впускается через вышеупомянутое средство обеспечения доступа, связанное со вторым цилиндром, двигатель может работать по двухходовому, двухтактному циклу. В качестве примера такой схемы следует указать на конструкцию, в которой упомянутое воздуховпускное средство используется для впуска только воздуха с давлением выше атмосферного в первый цилиндр, который оснащается указанным средством выпуска, при этом на первом поршне смонтирован второй поршень, причем воздух с давлением выше атмосферного подается также и во второй цилиндр через упомянутое средство обеспечения доступа, но вместе с топливом от указанного первого источника. При желании воздух может подаваться в оба цилиндра от одного и того же источника, к примеру, через картер двигателя.
Двухтактный цикл наиболее приемлем по реализации применительно к принципу раздельного формирования горючей смеси в Мерритт-двигателях и может включать в себя все признаки конструктивного оформления системы регулируемой раздельной подачи компонентов горючей смеси, характерные четырехтактному циклу, также как наличие первой и второй обводных канавок-байпасов, тонкокромочной головки у второго поршня, выступающей вверх части, используемой для запирания промежуточного объема горения с приходом во внутреннюю мертвую точку, и использование средства обеспечения доступа во второй цилиндр, оснащенный рабочим клапаном, при наличии или отсутствии дополнительного дроссельно-заслоночного клапана. В таком двигателе:
(а) второй поршень достаточно легко может быть размещен соосно с первым поршнем, поскольку в данном случае отпадает необходимость оставлять пространство под какой-то клапан над первым поршнем,
(б) легко реализуется удаление отработанных газов из-под головки второго поршня в процессе периода двухходовой продувки, что обуславливается открытостью пространства сгорания,
(в) выход топлива, которое поступает во второй цилиндр, в выпускной канал практически исключается в процессе газообмена в конце такта выпуска, поскольку этот цилиндр отделен от указанного канала головкой второго поршня.
Далее приводится подробное описание конструкции двигателя внутреннего сгорания, являющегося объектом притязания данного изобретения. Это описание сопровождено чертежными иллюстрационными материалами, краткое содержание которых (за исключением фиг. 1, на которой показана конструкция двигателя-прототипа) сводится к следующему.
На фиг. 2 приведен схематизированный разрез части двигателя согласно данному изобретению, в котором головки первого и второго поршней взаимосвязаны центральным выступом-целиком на втором поршне.
На фиг. 3 5 в увеличенном масштабе показана схема движения газа в соответствующей части двигателя, изображенного на фиг. 2.
На фиг. 6 приведен чертежный разрез конструкции двигателя такого типа, как показано на схеме фиг. 2.
На фиг. 7 приведен разрез двигателя, аналогичного в целом тому, что показан на фиг. 6, но в отличие от последнего имеющего свечу зажигания для запуска и работы на холостом ходу и дроссельно-заслоночный клапан.
На фиг. 8 показан разрез двигателя, аналогичного двигателю, изображенному на фиг. 6, но в отличие от последнего реализованного в соответствии с настоящим изобретением, по первой гибридно-дизельной схеме.
На фиг. 9 разрезом показан видоизмененный вариант дизельно-гибридного двигателя, входящего в объем притязаний настоящего изобретения.
На фиг. 10 приведен продольный разрез, аналогичный в определенной степени фиг. 6, но с тем отличием, что в данном случае это гибридный двигатель с искровым зажиганием.
На фиг. 11 приведена принципиальная схема двигателя, изображенного на фиг. 10.
На фиг. 12 схематизированным местным разрезом показана выступающая вверх часть первого поршня и канал во втором поршне двигателя согласно данному изобретению.
На фиг. 13 показан схематично видоизмененный вариант конструкции поршней, изображенный на фиг. 12.
На фиг. 14 показана верхняя часть видоизмененного меньшего поршня в его цилиндре.
На фиг. 15 приведено поперечное сечение второго цилиндра с конструкцией, несколько измененной по отношению к тому, что показано на фиг. 14.
На фиг. 16 изображена проекция поршня фиг. 14 по стрелке Х1, показанной на фиг. 14.
На фиг. 17 приведен еще один вариант конструктивного исполнения второго поршня.
На фиг. 18 показано поперечное сечение поршня, изображенного на фиг. 17, по секущей плоскости XIII-XIII.
На фиг. 19 представлен еще один вариант исполнения конструкции второго поршня.
На фиг. 20 приведен схематизированный продольный разрез двигателя данного изобретения в двухтактном варианте.
На фиг. 21 в увеличенном масштабе показана часть двигателя, изображенного на фиг. 20.
На фиг. 22 приведен чертеж (продольный разрез) конструкции двигателя, схема которого представлена на фиг. 20.
На фиг. 23 представлена схема заявленного двигателя внутреннего сгорания в следующем варианте исполнения.
Как отмечалось выше, со ссылкой на фиг. 1 выполнение камеры сгорания 20 внутри меньшего поршня 18 вызывает определенные трудности. В связи с этим в рамках данного изобретения предусматривается вариант исполнения двигателя, представленный на фиг. 2, с видоизмененным блоком поршней, применение которого облегчает выполнение объема сгорания, давая ряд других важных преимуществ. На фиг. 2 части данной сборки, соответствующие по функциональному предназначению частям двигателя на фиг. 1, обозначены теми же цифровыми позициями.
В варианте, представленном на фиг. 2, меньший поршень 18 располагается соосно с большим по размеру поршнем 16 (хотя такая соосность в общем случае не является обязательной, и, в принципе, поршень 18 может располагаться со смещением относительно оси поршня 16). Поршень 18 имеет отходящее вверх тело 234 и выступ-основание 84, тело 234 связывает головку 35 поршня 18 с нижерасположенным поршнем 16. Соединение поршней может быть нежестким, т.е. гибким или упругим, к примеру, в виде шарового шарнира. Хотя головки 35 и 36 в данном случае плоские, в принципе, они (одна или обе) могут иметь криволинейный профиль, к примеру, куполообразный или усеченно-конический с цилиндрическими переходными поверхностями. Как показано на фиг. 2, тело 234 меньшего поршня имеет криволинейный профиль, что сделано для завихрения воздуха, входящего в объем сгорания 20 из более крупного цилиндра 12, а также для завихрения и перемешивания топливо-воздушной смеси, поступающей в этот объем 20 после открытия доступа в него. Объем или пространство сгорания 20 образовано между телом 234 цилиндра 18 и стенкой 14а меньшего цилиндра 14. Форма и размеры тела или корпуса 234 поршня 18 подбираются таким образом, чтобы сформировать необходимый объем сгорания с соответствующими размерами и формой.
Головка 35 поршня 18 имеет поясковую выступающую кромку или образующую грань 37 с толщиной "t" в осевом направлении, которая существенно меньше промежутка между головками 35 и 36 поршней 18 и 16. Образующая кромка 37 головки 35 может иметь цилиндрическую или какую-то другую форму, эта кромка
ребро несколько отходит от стенки 14а второго цилиндра, образуя блокирующие, задерживающее средство в виде кольцевого зазора 128, который выполняет функцию, эквивалентную отверстию 28 в конструкции, изображенной на фиг. 1, полностью или частично заменяя указанное отверстие. Как следует из чертежей, верхний конец меньшего цилиндра 14 имеет образующий канавочный круговой паз 39, который создает байпасное, перепускное действие, усиливающее доступ компонентов горючей смеси в объем сгорания (более подробно этот процесс рассматривается ниже). На верхнем конце меньшего цилиндра 14 имеется средство обеспечения доступа, обозначенное в целом позицией 30 и включающее в себя второй впускной клапан 31 и дроссельный клапан-заслонку 32. Клапан 31 осуществляет контролируемый впуск воздуха из воздухоприемного канала 33, оснащенного форсункой 34 жидкого топлива. Дроссельный клапан 32 регулирует расход воздуха, проходящего через впускной канал 33, независимо от количества топлива, впрыскиваемого инжектором 34.
В течение такта всасывания двигателя воздух входит в большой цилиндр 12 через впускной канал 25. Одновременно воздух поступает и в меньший цилиндр 14 через открытый клапан 31 вместе с топливом, впрыскиваемым инжектором 34. Топливо от инжектора 34 поступает во впускной канал 33 либо в течение того периода, когда второй впускной клапан 31 открыт, либо когда он закрыт, или же на протяжении обоих этих периодов. Заслонка 32 регулирует массовый расход воздуха, входящего в меньший цилиндр 14, обеспечивая такой режим, при котором в течение такта всасывания воздушнотопливная смесь, входящая в меньший цилиндр 14 через впускной клапан 31, будет иметь давление меньше, чем в большом цилиндре 12. В свою очередь, изменяя время закрывания клапана 31 после перекрытия впускного клапана 24 на начальной стадии (в течение части или всей первой половины) такта сжатия, можно реализовать такой режим, когда давление во втором цилиндре 14 будет ниже давления в первом цилиндре 12 при закрытом клапане 31. Система управления двигателем М может быть использована для управления закрывания клапана 31 при предварительно выбранной позиции поршня после перекрытия впускного клапана 24. Перепад давления на головке 35 поршня 18 в течение такта сжатия оказывает влияние на распределение времени (синхронизацию) доступа, входа компонентов, находящихся в меньшем цилиндре 14, в объем сгорания 20, когда поршень 18 будет находиться вблизи положения внутренней мертвой точки в конце такта сжатия. Это, в свою очередь, предопределяет время воспламенения (зажигания) парообразного топлива, к примеру, за счет сжатия, когда топливовоздушная смесь в цилиндре 14 встречается с достаточно горячим воздухом, поступающим в пространство сгорания 20 под действием большего поршня 16 в течение такта сжатия.
Размещение топливного инжектора 34 перед клапаном 31 способствует его защите от действия продуктов сгорания (давления и температуры), что является определенным практическим преимуществом.
Регулирование рабочего положения заслоночного клапана 32 и/или перекрытие клапана 31, которые могут осуществляться системой управления М двигателем, позволяют регулировать время зажигания (воспламенения горючей смеси) в двигатель во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Расход топлива в общем случае определяется выходной мощностью необходимой водителю, и следовательно, нет необходимости для этого осуществлять контроль положения заслонки 32, как это имеет место в обычном двигателе с искровым зажиганием.
В течение такта сжатия воздух, сжимаясь, вытесняется из большего по объему цилиндра 12, при этом некоторая часть воздуха входит в камеру сгорания 20 (в результате наличия перепада давлений).
В течение тактов впуска и сжатия топливо, входящее во второй цилиндр через второй впускной клапан 31, переводится в парообразное состояние в малом цилиндре 14. Топливо и воздух, входящие через второй впускной клапан 31, находятся в дозировочной пропорции за пределами диапазона воспламенительной обогащенности, вследствие чего топливовоздушная смесь не будет воспламеняться самопроизвольно от температуры, возникающей при сжатии, в меньшем цилиндре 14 над поршнем 18. Вблизи положения внутренней мертвой точки, ближе к концу такта сжатия, образующая поясковая кромка или грань 37 головки 35 приходит в положение, показанное штрих-пунктиром, располагаясь напротив перепускного канала 39, что резко увеличивает проходное сечение блокирующего средства, при этом воздушнотопливная смесь топливом в паровой фазе с большой скоростью проходит через канал 39, огибая кромку 37, и входит в объем (камеру) сгорания 20. Также к концу такта сжатия плоскоопорное основание 84 входит во второй цилиндр 14, частично изолируя объем сгорания 20 от объема первого цилиндра 12. В объеме сгорания происходит интенсивное сжатие воздуха и соответственно создается достаточно высокая температура, под действием которой топливовоздушная смесь, находящаяся здесь, самовоспламеняется, при этом расширяющиеся в объеме газообразные продукты горения толкают поршни 16, 18 вниз, начиная такт расширения. Процесс выхода, доступа топливовоздушной смеси в камеру сгорания 20 завершается в тот момент времени, когда меньший поршень 18 придет в положение внутренней мертвой точки. Следовательно процесс горения смеси может начинаться до достижения внутренней мертвой точки результатом чего может быть преждевременное и крайне нежелательное увеличение давления на головке 36 большего поршня 12. В этом смысле, применение основания 84 может создать задержку в росте давления на головке 36 большего поршня, пока не будет пройдена внутренняя мертвая точка. Более подробно конструкция этого основания и принцип его действия рассматриваются ниже. Как следует из фиг. 3, продольно осевая длина (ширина) "l" канавочного паза 39 превосходит толщину (ширину) "t" головки 35 второго поршня, в результате чего образуется увеличенный зазор для прохода топливовоздушной смеси N, получающей доступ в камеру сгорания через перепускной паз 39.
Профиль поперечного сечения паза 39 может быть самым различным: таким, как показано, например, на фиг.2 и 3. Паз 39 может иметь усеченноконическую нижнюю стенку, которая, благодаря скосу исключает резкое увеличение зазора, когда поршень 18 приближается к его внутренней мертвой точке.
Следует отметить, что паз 39 образует объем мертвого пространства во втором цилиндре 14, т.е. тот объем, который не уменьшается при перемещении поршня 18 во втором цилиндре. Этот мертвый объем эффективно увеличивает время доступа горючей смеси, являясь для нее дополнительным локализованным резервуаром в цилиндре 12 в течение хода сжатия, но который сообщается с камерой сгорания 20 и открыт в нее во время впуска, доступа смеси. Другим функциональным назначение паза 39 является то, что он способствует образованию дополнительного объема для распространения факела пламени при сгорании и увеличению зоны действия возникающего при этом давления за счет того, что камера сгорания 20 на такте сгорания смеси сообщается с пространством над головкой 35 второго цилиндра. В конечном итоге это способствует полному выгоранию топлива, которое остается над головкой 35 после впуска топливо-воздушной смеси в объем сгорания 20.
Для того, чтобы правильно сориентировать головку 35 второго поршня, когда она входит в байпасную, перепускную зону, канавочный паз 39 может быть разбит на сегменты, разделенные несколькими промежуточными направляющими выступами-перемычками 39а (см. фиг. 22) на стенке 14а цилиндра.
Управляя работой средства обеспечения доступа 30, можно достаточно точно регулировать давление в меньшем цилиндре 14 и реализовывать оптимальное распределение временит или синхронизацию по доступу (входу смеси) в камеру сгорания, а следовательно, и контроль зажигания с реализацией оптимизированных рабочих характеристик двигателя во всем его диапазоне нагрузок и скоростей.
Объем сгорания является "открытым" пространством сгорания по сравнению с замкнутой камерой сгорания 20 в варианте двигателя, показанном на фиг.1, и естественно, такой объем создает меньшее сопротивление выходу газообразных продуктов сгорания в первый цилиндр 12, чем при применении достаточно замкнутой камеры в варианте фиг. 1.
В течение такта выхлопа газы, находившиеся над головкой 35 второго поршня, будут переходить в объем сгорания 20 и первый цилиндр 12 через зазор 128 под действием поднимающегося вверх указанного второго поршня. При наличии перепускного (обводного) канала 39 выход таких отработанных газов значительным образом облегчается в конце такта выхлопа. Отработанные газы выводятся из большего цилиндра 12 через выпускной канал 27 и выпускной клапан 26.
Несмотря на то, что малый цилиндр 14 показан с обводным, перепускным пазом на его верхнем конце, на практике размер стыкового зазора 128 может быть подобран таким образом, чтобы один этот зазор, без байпаса 39, функционировал одновременно и как блокирующее средство, и как средство, открывающее доступ топливовоздушной смеси в пространство сгорания. В этом случае размер зазора 128 тщательно подгоняется так, чтобы обеспечить надежную изоляцию между пространством над верхней поверхностью головки 35 и объемом сгорания 20 в течение большей части такта сжатия.
Целесообразно обратить внимание на то, что фиксированное отверстие 29, имеющееся в блоке, показанном на фиг. 1, в данном варианте, т.е. фиг. 2, отсутствует. Оно вполне достаточным образом заменено кольцевым газопропускным переменным отверстием 129 между головкой 36 первого поршня 16 и кромкой 14b нижнего торца второго цилиндра 14. При движении поршней вниз в течение такта расширения происходит быстрое увеличение кольцевого отверстия 129 при нарастании выхода газов из объема сгорания 20 в первый цилиндр 12.
При работе рассматриваемого двигателя головка 35 охлаждается поступающими топливом и воздухом, входящими через второй впускной клапан 31, что предопределяется эффектом испарения топлива в воздух в процессе такта сжатия и теплоотводом через корпус поршня 234.
Эффективность процесса выхлопа повышается за счет применения на нижнем конце второго цилиндра дополнительного перепускного канавочного паза-байпаса 135, рассматриваемого подробно в конструкции двигателя, представленного на фиг. 20 и 21. Здесь следует только отметить, что данный паз обеспечивает выход в первый цилиндр 12 и оттуда в выпускной клапан 26 на стадии продувки такта выхлопа во втором цилиндре 14. По завершении этой стадии выхлопные газы могут переходить через зазор 128 из пространства над поршневой головкой 35 в выпускной канал 27 в течение большей части такта выхлопа (выпуска).
Преимуществом конструкции, в которой клапан 31 используется и для впуска и для выпуска, является то, что несгоревшее топливо, остающееся в цилиндре 14 в конце такта выхлопа, не выходит из двигателя, за счет чего снижается вредность выхлопных газов для окружающей среды.
Далее рассматривается фиг. 6, на которой представлен реальный чертеж конструктивного варианта (наилучшего варианта) исполнения двигателя по принципиальной схеме фиг. 2. На фиг. 6 детали и узлы, соответствующие по смыслу деталям и узлам фиг. 2, обозначены одинаковыми цифровыми позициями и подробно (в силу вышесказанного) рассматриваться не будут.
Приступая к рассмотрению чертежа на фиг. 6, прежде всего, следует обратить внимание на то, что блок цилиндров 40 данного двигателя имеет полости 41 охлаждающей рубашки и состоит из большего по объему первого цилиндра 12 и меньшего второго цилиндра 14. Основной впускной канал 25 открывается и перекрывается впускным клапаном 24, который приводится в действие кулачком 42 на распределительном валу 43. Клапан 24 смонтирован на скользящей посадке в самой обычной направляющей 44 и имеет на верхнем конце конусную упорную втулку 45, которая удерживает в необходимом рабочем положении возвратную пружину 46 клапана, показанную штрих-пунктиром.
Второй впускной клапан 31 приводится в действие кулачком 47 на распределительном валу 43 через коромысло 48. Этот клапан, как и первый, имеет хвостовой конический направляющий упор 49, который контролирует положение возвратной пружины 50, показанной штрих-пунктирными линиями. Меньшей по размерам поршень 18 имеет выступающее тело или корпус 234 с криволинейным профилем, заканчивающийся уплощенным концом с головкой 35. Выпускной клапан 26 и выпускной канал 27 не показаны на чертеже фиг. 6, однако, тем не менее, они присутствуют в двигателе, сообщаясь с большим по объему цилиндром 12. Принцип действия двигателя, представленного на фиг. 6, точно такой же, что и у двигателя, рассмотренного применительно к схеме на фиг. 2. На фиг. 6 положение поршней, показанное контурными линиями соответствует внешней мертвой точке, положение поршней, близкое к внутренней мертвой точке, отражено штрих-пунктиром.
Другим преимуществом использования "открытого" пространства (камеры) сгорания 20 в рассматриваемой конструкции является то, что в этом случае можно разместить искровую запальную свечу или воспламенитель непосредственно в данном пространстве. Это обстоятельство отражено на чертеже фиг. 7, показанная на котором конструкция двигателя идентична двигателю фиг. 6, за исключением наличия запальной свечи 52, проходящей через стенку 14а второго цилиндра 14. Назначением данной свечи является стимулирование воспламенения горючей смеси в начальной фазе зажигания, в частности, во время холодного запуска двигателя или при его работе на холостом ходу.
При желании более крупный цилиндр 12 может быть оснащен расходорегулирующим устройством 23 типа клапана-заслонки или дроссельного затвора с фиксированным проходным сечением, что имеет целью уменьшить впуск воздуха в больший цилиндр 12 в течение хода всасывания при неполной нагрузке. Может понадобиться аналогичное ограничение воздухоподачи и второй цилиндр 14: для этого используется заслоночный клапан 32, поддерживающий определенный перепад давления между цилиндрами, который усиливает, стабилизирует разделение компонентов горючей смеси по различным частям двигателя. Этот режим может быть реализован также при соединении впускных каналов 33 и 25. При данном количестве топлива, необходимом двигателю при неполной нагрузке, рассматриваемое регулирование будет давать увеличение коэффициента "топливо/воздух" в меньшем цилиндре 14, что исключает самопроизвольное воспламенение в результате сжатия (в этом цилиндре), когда коэффициент избыточного воздуха близок к пределу воспламеняемости. Эта мера (т.е. уменьшение подачи воздуха) одновременно понижает давление сжатия и максимальную температуру, при этом в конечном счете может отпасть необходимость в стимулировании запальной свечой 52 воспламенения топливовоздушной смеси после допуска, впуска ее компонентов в объеме сгорания. К примеру, двигатель может быть переведен в режим холостого хода, когда соотношение компонентов топливовоздушной смеси в меньшем цилиндре 14 подобрано химически правильно, т. е. является стехиометрическим. Процесс дроссельного регулирования может привести к положению давлений сжатия до такого низкого уровня, при котором полностью исключается самовоспламенение от сжатия, в этом случае для воспламенения химически корректной смеси, поступающей в пространство сгорания 20 после открытия в него доступа, может использоваться запальная свеча.
Как показано на чертеже фиг. 7, на цилиндрическом конце запальной свечи 52 имеется полость 52а. Для того, чтобы эта полость не действовала как нежелательный паразитный перепускной канал для газа на головке 35 второго поршня, свеча 52 должна располагаться внутри меньшего цилиндра 14 вполне определенным образом. В альтернативе можно минимизировать объем полости 53а, например, используя свечу соответствующего, приемлемого типа.
Другим преимуществом использования "открытой камеры сгорания" является то, что такая конструкция позволяет реализовать в рамках данного изобретения двигатели по гибридной схеме, обладающие всеми положительными качествами системы раздельной подачи компонентов смеси двигателя Мерритта.
Первая такая гибридная конструкция показана на фиг. 8, на чертеже которой детали, соответствующие деталям двигателя, изображенного на фиг. 6, обозначены теми же цифровыми позициями, что и на фиг. 6. В двигателе, представленном на фиг. 8, применен второй топливоисточник в виде инжектора 60, причем первый источник топливопитания (инжектор 34) подает топливо во впускной канал 33, как и в предыдущем варианте. Из сравнения чертежей фиг. 6 и 8, следует, что инжектор 34 в данном случае смещен в положение между каналом 33 и крышкой коромысла распределителя двигателя.
В течение такта всасывания клапаны 24 и 31 открыты, впуская без заслоночного дросселирования воздух в больший по объему цилиндр 12 и соответственно топливо и воздух в меньший цилиндр 14 (через клапан 31). Однако, в то время как в конструкции на фиг. 6 инжектор 34 дает практически все количество топлива, необходимое для сгорания в двигателе, инжектор 34 двигателя на фиг. 8 подает только часть этого количества. Как только поршень приблизится к положению его внутренней мертвой точки, которое показано на фиг. 8 штрих-пунктиром, головка 35 выходит за выпускной срез инжектора 60, и в этой точке или в этот момент инжектор впрыскивает положенную порцию топлива (в дизельном варианте непосредственно в пространство сгорания 20 под поршневую головку 35).
При нахождении поршня 18 вблизи его внутренней мертвой точки смесь парообразного топлива и воздуха над головкой 35 получает доступ и входит в объем или камеру сгорания 20 через зазор 128 между кромкой 37 поршня и стенкой 14а меньшего цилиндра, с усилением ее впуска через байпасный паз 39. Такой ингрессионный выход смеси в камеру сгорания возможен при очень малом зазоре 128, но при наличии обводного паза 39. При такте сжатия воздух из большего цилиндра 12 входит в объем сгорания 20, имея температуру, достаточную для воспламенения впускаемой в этот объем топливовоздушной смеси. Инжектор 60 синхронизирован на впрыск соответствующей порции топлива под давлением в пространство сгорания 20 таким образом, чтобы обеспечить предельно быстрое его воспламенение при наличии в указанном пространстве горящей смеси. В таком режиме двигатель объединяет в себе как принцип раздельной подачи компонентов смеси, характерный для дизеля и реализуемый форсункой 60, так и принцип раздельного питания топливом, присущий двигателю Мерритта и рассматриваемый в данной части описания заявки. Такое сочетание принципов действия дизельного двигателя и двигателя Мерритта позволит дизельному двигателю работать с высокими скоростями обеспечения топливом и интенсивным топливопотреблением, при крайне низком (если не при практически полном отсутствии) дымообразовании. Кроме того такие дизельные двигатели могут функционировать при относительно низких степенях сжатия и более высокой скорости. Объединение указанных принципов значительно повышает скорость сгорания по сравнению со стандартным двигателем, что достигается не за счет самостоятельного вклада принципа Мерритта, а за счет нового технического решения, составляющего настоящее изобретение.
Количество топлива, подавляемого инжекторами 34 и 60, и временное распределение их действия контролируются при помощи системы управления двигателем с обеспечением корректного соотношения в расходе топлива между инжекторами 34 и 60 для каждого конкретного режима работы двигателя и предъявляемых требования, к примеру, в расчете на минимизацию дымосодержащих в выхлопных газах.
В конструкции двигателя, представленной на фиг. 8, и в ранее рассмотренных вариантах, в которых инжектор 34 располагается по потоку перед клапаном 31, рабочее давление топлива в магистрали питания указанного инжектора может быть относительно низким, к примеру, менее 10 бар, в то время как для работы инжектора 60, являющегося типовой дизельной форсункой, требуется давление существенно большей величины, для того, чтобы скомпенсировать давление сгорания смеси.
На фиг. 9 представлен чертеж второго дизельного гибридного двигателя. На этом чертеже детали, соответствующие по функциональному назначению деталям конструкции, показанной на фиг. 6, имеют аналогичное цифровое обозначение и подробно ниже не будет рассматриваться. На фиг. 9 инжектор 34 отсутствует: в этом случае все топливо подается в двигатель одним управляемым инжектором 70, располагающимся практически в том же месте, что и инжектор 60 в конструкции, представленной на фиг. 8. Инжектор 70 представляет собой дизельный форсуночный впрыскиватель высокого давления, способный выпускать топливо двумя или более обособленными импульсами это может быть, к примеру, дизельный инжектор с соленоидным управлением. Импульсы могут иметь различную длительность различных поточных скоростях впрыска топлива на протяжении каждого импульса. Предусматривается применение и такого инжектора, который осуществляет непрерывный впрыск топлива, начиная с малой скорости струи (малого удельного расхода) и кончая более высокой скоростью впрыска. В процессе всасывания воздух впускается в больший по объему цилиндр 12 через впускной клапан 24, при этом второй впускной клапан открыт, пропуская только воздух, одновременно с этим малый цилиндр 14 в объем над головкой 35 поршня инжектор 70 вспрыскивает определенную часть от общей порции топлива. К моменту, когда поршень 18 приблизится к положению его внутренней мертвой точки, показанному штрих-пунктиром, топливо в воздухо-топливной смеси над головкой 35, находясь уже в парообразном состоянии, получает доступ и входит в камеру сгорания, где оно воспламеняется нагретым воздухом, заполняющим эту камеру. Затем инжектор 70 осуществляет повторный импульсный впрыск, вводя оставшуюся часть потребной порции топлива в горящую смесь в камере 20, после чего происходит быстрое сгорание топлива аналогично тому, как это имеет место в конструкции, показанной на фиг. 8. При желании топливо можно вспрыскивать в пространство над поршневой головкой 35 по первому импульсу инжектора 70 в процессе такта сжатия вместо такта всасывания или же в течении обоих этих тактов.
Вместо инжектирования два раза за цикл предусматривается возможность осуществления непрерывного и более длительного впрыска, причем по мере прохождения головки 35 малого поршня мимо инжектора скорость топливоподачи может увеличиваться с той целью, чтобы большего топлива попало непосредственно в объем сгорания. В таком режиме данный двигатель будет работать с теми же преимуществами, что и вышерассмотренные его варианты.
Сравнительный анализ двух вариантов дизель/Мерритт гибридного двигателя, представленных на фиг. 8 и 9, с полной очевидностью свидетельствует об их конкурентноспособности.
В третьем гибридном (совмещенном) варианте двигателя, рассматриваемом ниже, система раздельной подачи компонентов горючей смеси по принципу Мерритта объединена с принципом действия двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в котором топливо и воздух смешиваются заранее в процессе такта сжатия с последующим воспламенением искрой и горением, дающим выход энергии и мощности. В такой гибридной конструкции, представленной как вариант на фиг. 10, последовательно реализуются два принципа внутреннего сгорания. Детали и узлы конструкции двигателя, изображенной на фиг. 10 и 11, соответствующие по функциональному назначению элементами конструкции, представленной на фиг. 6 и 7, имеют сквозную позиционную нумерацию и не рассматриваются подробно ниже. Двигатель, показанный на фиг. 10, по конструкции идентичен тому, что представлен на фиг. 7, с дополнением системы 80 контролируемого дозирования топливовоздушной смеси, стандартного применяемой в двигателях с искровым, принудительным зажиганием. В состав системы 80 входит топливораспределитель, в качестве которого в данном случае служат инжектор 82 низкого давления (в состав которого может входить топливо-воздухорегулирующее дозаторное устройство, такое как карбюратор) и клапан-заслонка 83. Такая система обеспечивает достаточно "жесткий" контроль по дозировке топлива и воздуха в горючей смеси, обеспечивающий эффективное искровое воспламенение.
В процессе эксплуатации при запуске двигателя и его прогрева система 80 с принудительным зажиганием, включая инжектор 34, отключается, а клапан-заслонка 32 во впускном канале перекрывается. При всасывании топливовоздушная смесь впускается через клапан 24 в большой цилиндр 12. На протяжении такта сжатия эта смесь сжимается в объеме сгорания 20 воспламеняется искрой от запальной свечи 52, причем воспламенение по времени осуществляется при нахождении цилиндра вблизи внутренней мертвой точки, показанной штрих-пунктиром. Мощность двигателя может быть увеличена при открывании заслонки 83 и увеличении подачи топлива. Однако, открывание клапана-заслонки 83, естественно, ограничено каким-то пределом, это же касается и количества топливовоздушной смеси, которое может подаваться в больший цилиндр 12, что предопределяется степенью сжигания двигателя, которая в режиме Мерритта должна быть достаточно высокой так, чтобы обеспечить компрессионное воспламенение, в то время как в режиме работы с принудительным искровым зажиганием такое воспламенение в цилиндре 12 должно полностью исключаться.
После прогрева двигателя инжектор 8 может быть отключен, заслонка 83 открыта, инжектор 34 задействован, при этом клапан-заслонка 32 функционирует в нормальном режиме, в результате чего двигатель будет функционировать таким образом, как это было рассмотрено применительно к фиг. 6. Переключение из режима в режим может производиться постепенно за счет увеличения количества воспламеняемой смеси, впускаемой через второй впускной клапан 31 во второй цилиндр 14 при одновременном уменьшении количества смеси, впускаемой через клапан 24, под контролем от системы управления двигателем.
Обеспечивая эффективный запуск и прогрев, гибридная схема двигателя, показанная на фиг. 10 и 11, дает широкий выбор рабочих ходовых режимов. Ходовой режим Мерритта обладает неоспоримым преимуществом, когда необходима экономия топлива при неполной нагрузке двигателя, или когда необходимо или желательно работать на топливе различных видов, например, спиртах, которые могут подаваться в инжектор 34, причем, что важно, режим работы по схеме Мерритта менее чувствителен к неоднородности, изменению топлива и, в частности, к октановому числу.
Для задержки опережающего нарастания давления в большем цилиндре 12 (после зажигания) основание 82 должно входить в меньший цилиндр 14 где-то во время допуска (ингрессии) смеси в камеру сгорания и оставаться в этом цилиндре до начальной фазы такта расширения. Таким образом блокируется или ограничивается выход газов из камеры сгорания в больший по объему цилиндр 12 до тех пор, пока поршень не начнет его ход расширения, а основание 84 выйдет из второго цилиндра 14. Следует обратить внимание на то, что после того, как основание и стенкой 14а цилиндра 14 должен оставаться некоторый зазор, через который воздух, остающийся в большем по объему цилиндре 12, мог бы переходить в объем (камеру) сгорания. Указанный зазор может быть сформирован за счет скоса кромки 84а основания в направлении от стенки 14а, как это показано на фиг. 12, или же за счет оставления достаточного промежутка между смежными параллельными поверхностями основания 84 и стенки 14а.
При использовании скоса (фаски) он может изменяться в осевом направлении, к примеру, скошенная кромка может быть криволинейной. Размер зазора, обозначенного позицией 85, выбирается, исходя из совмещенного функционального назначения, во-первых, по блокированию, задержке в передаче давления к большему поршню после начала такта расширения и, во-вторых, в том, чтобы достаточное количество воздуха могло войти в объем сгорания 20 в конце такта сжатия.
Как показано на фиг. 12, на основании 84 может быть выполнена одна или более канавок 86, проходящих непосредственно от головки 36 большего поршня 16 (или начинающих где-то рядом с этой головкой) в направлении верха указанного основания. Канавки 86 могут быть наклонными, например, спиральными, как показано на фиг. 12 и могут иметь тангенциальную составляющую для усиления циркуляции, завихрения газового потока, проходящего через эти канавки. Это положительным образом будет сказываться на сгорании смеси.
При использовании приподнятой части типа основания-прилива 84 в теле второго поршня 18 может быть выполнен канал 87, соединяющий пространство над головкой 35 этого поршня с первым цилиндром и обеспечивающий таким образом перепускание воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, когда основание 84 начинает изолировать объем сгорания то первого цилиндра. Такая мера обеспечивает более интенсивный выход топливовоздушной смеси из пространства над головкой 35 поршня в объем сгорания 20. Канал 87 может проходить через второй поршень от его головки, выходя вниз на боковую поверхность основания 84 на или вблизи головки 36 первого поршня, в принципе, указанный канал может выполнен в блоке двигателя, как это показано позицией 88 на фиг. 13. Объем данного канала мал по сравнению с объемом сгорания. Любой из каналов 87, 88 и канавок 86 или их комбинация может быть использован для отвода воздуха из пространства над поршнем 16, когда основание локализует его, в объем сгорания.
В конструкциях, представленных на фиг. 2 10, основание присутствует, но на практике возможны и такие случаи, когда необходимости в этом основании нет, например, когда задержка в зажигании создает задержку в нарастании давления в цилиндре 12.
На фиг. 13 показан измененный вариант основания 84 на головке поршня 36. Такое основание-прилив служит для тех же целей, что и основание, показанное на фиг. 12, включая все элементы последнего, к примеру, фасочный скос, канавки и т.д.
На фиг. 14 и 16 меньший поршень 18 показан с четырьмя радиальными выступами 90, проходящими от его головки 35 и образующими боковые упоры, находящиеся в скользящем контакте со стенкой 14а цилиндра 14. Зазор 128 допускается перекрывать таким выступами в минимальной степени, что накладывает на их размеры вполне определенное требование. Поскольку данные выступы работают как сухие подшипники скольжения головки поршня, они должны выполняться из соответствующего материала, способного выдержать высокие температуры.
На фиг. 15 стенка 14а второго цилиндра 14 имеет радиальные направленные внутрь выступы 900, ориентированные по длине параллельно оси цилиндра. Эти выступы служат в качестве направляющей опоры головки 35 поршня 18 вместо выступов на поршне на фиг. 14 и 16. В данном случае выступы значительным образом прерывают зазор 128. В принципе, такие выступы могут быть каким-то образом наклонены по отношению к оси цилиндра, но с продольно-осевой составляющей.
В конструкциях, изображенных на фиг. 3 16, меньший поршень имеет грибовидную форму с центральным телом и головкой на верхнем конце. На фиг. 17 и18 показан альтернативный вариант конструкции, в котором головка 35 опирается на несколько расположенных по окружности перемычек 100, которые отходят от головки 36 большего поршня 16. При необходимости поршень 18 может иметь основание 84, показанное штрих-пунктиром. При таком конструктивном решении формируется практически полностью открытый объем сгорания 20, при этом на значительной своей части головки 35 имеет тонкую кромку 37, непосредственно образующую блокирующе-задерживающий зазор 128 относительно внутренней поверхности цилиндра, как это показано на фиг. 18.
Для завихрения воздуха, входящего в пространство сгорания 20 в течение такта сжатия, используется криволинейный выступающий элемент 101, размещаемый под головкой 35, к примеру, на основании 84, что показано шрих-пунктиром. Этот элемент может включать лопатки для усиления ротации воздушного потока вокруг оси поршня.
На фиг. 19 представлен еще один вариант конструкции меньшего поршня 18, в котором применена юбка 110, соединяющая головки 35 и 36 и имеющая набор вырезов Ш. Эти вырезы предпочтительно имеют переменную ширину (что собственно и показано), например, в виде перевернутых треугольников, что позволяет сформировать на головке 35 максимально длинный по окружности тонкий кромочный поясок с минимальными перемычечными промежутками. Как и в конструкции, показанной на фиг. 17, в данном случае может быть применен выступающий элемент 101 и основание 84.
В вышерассмотренных вариантах двигатель работает по четырехтактному циклу. В отличие от этого на фиг. 20 показан вариант двигателя (входящий в объем притязаний данного изобретения), который способен работать по двухтактному циклу.
В конструкции, представленной на фиг. 20, впускной и выпускной клапаны 24 и 26 заменены впускным и выпускным каналами 124 и 126, соответственно, при этом на стенке 14а меньшего цилиндра 14 установлена искровая запальная свеча 130 или воспламенитель, накаливания для запуска двигателя и/или работы на холостом ходу. Данный двигатель оснащен средством обеспечения доступа 30, содержащим впускной клапан 31 с дроссельным клапаном-заслонкой 32 (последний может не использоваться). Впускной клапан 31 может приводиться в действие кулачком или электромагнитным способом. Перед клапаном 31 расположен источник топливопитания в виде инжектора (форсунки) 34 низкого давления. Этот инжектор подает топливо во впускной канал 33, когда клапан 31 либо закрыт, либо открыт.
Следует обратить внимание, что показанная грибовидная форма меньшего поршня 18 не является обязательной: этот поршень может иметь профиль и конструкцию, показанные на фиг. 17 и 18 или фиг. 19.
При работе двигателя воздух поступает от соответствующего источника 132, к примеру, картера или внешнего насоса, в каналы 33 и 133 под давлением выше атмосферного. При желании канал 33 может запитываться воздухом от отдельного источника. Когда впускное отверстие 124 (связанное с каналом 133) не перекрыто поршневой головкой 36, что показано штрих-пунктирном, воздух под давлением входит в больший цилиндр 12, в то время как выхлопные газы от предыдущего цикла вытесняются через выпускной канал 126. Одновременно с этим открывается клапан 31, и воздух проходит их канала 33 в меньший цилиндр 14 в пространство над головкой 35. Некоторая часть этого воздуха будет вытеснять отработавшие газы предыдущего цикла через задерживающий зазор 128 вокруг головки 35. в нижнем конце стенки 14а меньшего цилиндра 14 могут быть выполнены один или несколько вырезов-пазов 135, служащих в качестве байпаса головки 35 второго поршня, когда она находится в положении внешней мертвой точки, показанном штрих-пунктиром. Пазы 135 способствуют переходу выхлопных газов из меньшего цилиндра 14 в больший цилиндр 12 и позволяют использовать поршневое кольцо-уплотнитель 38 и осуществлять продувку в начале выхлопа.
В предпочтительном варианте исполнения пазы 135 не полностью охватывают окружность вокруг стенки 14а, так что головка малого поршня, направляясь перемычками между этими пазами, остается в совпадающем с меньшим цилиндром 14 положении, когда она приходит во внешнюю мертвую точку. Такое конструктивное решение приходит во внешнюю мертвую точку. Такое конструктивное решение достаточно наглядно отображено на чертеже фиг. 22, где показаны направляющие перемычки 135а между упомянутыми пазами-вырезами. Перемычки 135а являются продолжением стенки 14а второго цилиндра.
В осевом направлении пазы 135 имеют высоту "x" (см. фиг. 21), которая меньше толщины "У" основания 84, но больше ширины (толщины) поясковой кромки головки 35 меньшего поршня 18.
Топливо может входить в меньший по объему цилиндр 14 вместе с воздухом при открытом клапане 31, но альтернативно этому, начало топливоподачи может быть задержано до того, как поршень 18 ни поднимается несколько от его внешней мертвой точки и перекроет пазы 135, но до того, как выпускной канал перекроется большим поршнем 16. Желательно произвести задержку во времени перекрытия клапана 31 до того момента, когда давление в большем цилиндре начнет расти в начальной фазе такта сжатия после перекрытия выпускного канала 126. Такая мера позволяет реализовать принцип раздельной подачи компонентов смеси по схеме Мерритта с использованием зазора 128. Если клапан 31 имеет электромагнитный привод, варьирование времени его закрывания может быть использовано для управления процессом доступа смеси в объем сгорания взамен дроссельного клапана 32. Ближе к концу такта сжатия имеет место вход (доступ) топливовоздушной смеси через задерживающий (блокирующий) зазор 128, а возможно через перепускной паз 39, если он имеется, причем это происходит, даже если применен блокирующий (компрессионный) уплотнитель 38, как это показано на фиг. 5. Воспламенение горючей смеси происходит в результате контакта с горячим воздухом в объеме сгорания 20 с помощью или без помощи запальной свечи 130, которая выходит непосредственно в объем или пространство 20 ниже головки 35, когда последняя находится у внутренней ее мертвой точки (показанной также штрих-пунктиром). В конце такта расширения выхлопные газы выходят из двигателя через выпускной канал 126, при этом пазы обеспечивают уравнивание давлений на головке 35 малого поршня. На фиг. 20 различные положения поршня 18 показаны контурным и штрих-пунктирными линиями.
Следует указать, что поршень 18 может иметь основание 84, которое будет располагаться над пазами 135, когда этот поршень находится в положении его внутренней мертвой точки, или же вместо того, что показано на фиг. 13, поршневая головка 36 может иметь выступ 84. Двухтактный цикл для двигателя Мерритта может быть реализован в любой из вышерассмотренных гибридных конструкций при работе как в дизельном, так принудительно-воспламенительном режимах. В данном двигателе может быть использован байпас 39, показанный на фиг. 2 или фиг. 3. В рассматриваемы ом варианте двигатель может иметь также блокирующе-задерживающее средство в виде зазора 128, как это показано на фиг. 20. В данном случае нет необходимости использовать впускной клапан 31 совмещено в функции выпускного клапана.
На фиг. 22 приведен технический чертеж реальной конструкции двухтактного двигателя, принципиальная схема которого представлена на фиг. 20.
Показанный на фиг. 22 блок цилиндров 40 двигателя имеет полости 41 рубашки охлаждения, аналогичные тем, которые показаны в конструкции на фиг. 6. Блок включает в себя большой и малый цилиндры 12, 14, соответственно, имеет впускной клапан 124 и выпускной канал 126. Впускной клапан 31 приводится в действие кулачковым распределительным валом 43( в данном примере) и смонтирован на скользящей посадке в стандартной направляющей (корпусе) 44. Клапан 31 удерживается в закрытом положении типовой пружины 46, показанной штрих-пунктирными линиями.
Подача воздуха во впускной канал 124 и канал 33 осуществляется от соответствующего источника, к примеру, через картер двигателя (не показан). В альтернативном варианте воздух может подаваться вентилятором или каким-то подобным питателем.
Поршни 16, 18 подсоединены к коленчатому валу С.
Принцип действия двигателя, показанного на фиг. 22, идентичен тому, что показан на фиг. 20, при этом соответствующие детали этих двух двигателей обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
В то время как при рассмотрении предшествующих вариантов двигателя в его конструкции использовалось средство 30 обеспечения доступа компонентов горючей смеси, включающее в себя дополнительный клапан 31, в варианте, показанном на фиг. 23, это средство отсутствует, что может быть в случае, когда топливо имеет очень высокую теплоемкость (скрытую теплоту), что характерно, к примеру, для метанола, так как в этом случае топливо способно предельно эффективно охлаждать воздух в меньшем цилиндре над поршневой головкой 35, что само по себе, способствует эффективной реализации принципа раздельной подачи компонентов без помощи упомянутого средства, предназначаемого для контроля времени впуска компонентов горючей смеси в камеру сгорания.
В конструкции двигателя, представленной на фиг. 23, поршни 16, 18, находящиеся в соответствующих цилиндрах 12, 14, аналогичны тем, что были рассмотрены выше, например, поршням двигателя фиг. 2. В данном случае могут быть использованы либо воздуховпускные-выпускные клапаны 24, 26, либо каналы 124 и 126. Меньший поршень 18 имеет грибовидную форму при всех тех особенностях конструкции, которые присущи вышерассмотренным вариантам, к примеру, основании 84. В альтернативном варианте этот поршень может иметь такое конструктивное решение, как на фиг. 14 и 16, 15, 17 и 18 или 19. В рассматриваемой конструкции применен топливоинжектор 160, способный выдерживать давления, развиваемые в пространстве сгорания. Этот инжектор осуществляет впрыск топлива непосредственно в меньшей цилиндр 14 в течение такта всасывания или же в течение тактов всасывания и сжатия.
На такте всасывания в объем меньшего цилиндра меньшего над головкой 35 через блокирующе-задерживающий зазор 128 входит некоторое количество воздуха. В данной конструкции может быть использован дополнительный дроссельный канал 128а в виде отверстия в указанной поршневой головке. В это отверстие может вводиться, например, выступающая запально-искровая свеча 162, воспламенитель накаливания или форсунка дизельного типа, когда поршень приближается к положению его внутренней мертвой точки. Следует подчеркнуть, что в данном варианте блокирующим средством служит зазор 128 (или отверстие 128а), дающий возможность воздуху входить в цилиндр 14 в течение хода впуска, а также пропускающий отработавший газ.
В конце хода сжатия через блокирующий зазор 128 при помощи перепускного средства 39 и зазор между свечой и поверхностью отверстия 128а будет происходить допуск (впуск) в общий объем парообразного впрыскиваемого топлива и воздуха. После этого осуществляется впрыскивание, принципы реализации которого были рассмотрены выше.
Под термином "клапан", использованным в данном описании, подразумевается контролируемое отверстие. В свою очередь, термин "воздух" понимается как смесь кислорода с другими обычными составляющими воздушной среды типа инертных газов, под этим же термином имеется в виду чистый кислород, используемый для сжигания газообразного или жидкого (испаряемой жидкости) топлива. Воздух, применяемый в двигателе, может содержать рециркуляционные выхлопные газы, картерные газы и небольшой примесью углеводородов, присутствующих в утилизируемых в двигателе рециркулирующих газах.
Термин "допуск" (ингрессия) означает переход топливовоздушной смеси из второго цилиндра в объем (камеру) сгорания.
В заключение следует подчеркнуть, что двигатель, составляющий существо настоящего изобретения, может быть двигателем внутреннего сгорания и воспламенением от сжатия, с геометрическими характеристиками, обеспечивающими потребно высокую степень сжатия, при этом под "степенью сжатия" понимается отношение объемов газа в цилиндрах во внешней и внутренней мертвых точках поршней.
Специалистам в области двигателестроения со всей очевидностью понятна возможность взаимообмена между рассмотренными вариантами конструкции заявляемого двигателях.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1994 |
|
RU2100625C1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ | 1994 |
|
RU2136918C1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1987 |
|
RU2011860C1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1996 |
|
RU2168038C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ | 1989 |
|
RU2011861C1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1990 |
|
RU2084650C1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ | 1993 |
|
RU2108471C1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1999 |
|
RU2213871C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2006 |
|
RU2403412C2 |
| Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания | 2019 |
|
RU2766518C2 |
Использование: в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель содержит блок цилиндров, один из которых имеет больший рабочий объем по сравнению с другим, поршни, воздуховпускное средство, сообщающееся с первым цилиндром, выпускное средство, первый источник топливопитания для подачи топлива во второй цилиндр, камеру сгорания, блокирующее средство, второй поршень снабжен головкой, смещенной относительно головки первого поршня и связанной с ней частью периферии головки, размер которой в осевом направлении меньше расстояния между головками поршней в том же направлении, а камера сгорания образована головками поршней и боковой стенкой второго цилиндра, головка второго поршня радиально смещена относительно смежной стенки второго цилиндра с образованием зазора между ними, при этом смещение выполнено с возможностью задержать проход газа между боковой стенкой и головкой второго поршня. 45 з.п. ф-лы, 23 ил.
