ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02B19/04 F02B75/04 F02D15/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использован в различных передвижных или стационарных установках для преобразования энергии энергоносителя в различные другие виды энергии: электрическую, механическую.

Широко известны двигатели внутреннего сгорания, которые содержат цилиндр с головкой, поршень с коленчатым валом, соединенные между собой шатуном, и системы воспламенения и выхлопа отработанных газов, причем система воспламенения выполнена в виде распределительного механизма, который осуществляет подачу импульса напряжения для воспламенения горючей смеси в камере сгорания (см. например, описание к автомашине "Жигули" выпуск ВАЗа). Недостатками такого двигателя следует считать его сравнительно низкий КПД, из-за низкой температуры "нагревателя" КПД достигает 20-30 Это отчасти связано с тем, что воспламенение осуществляется от группового распределительного механизма, а погрешности изготовления деталей и их износ приводят к смещению момента вспышки горючей смеси и подачи рабочего давления, когда поршень еще не достиг верхней мертвой точки, что создает противодавление и снижает КПД.

Известен двигатель, содержащий цилиндр с поршнем и коленчатым валом, соединенные между собой шатуном, систему впрыска энергоносителя и выхлопа отработанных газов, систему подготовки энергоносителя, содержащего форсунку, и систему подготовки воздушной среды. Система подготовки воздушной среды содержит компрессор-баллон со сжатым воздухом [1] Известен двигатель дизель, который имеет повышенное значение КПД 38 Это достигается 11-12-кратным сжатием воздуха, что приводит к повышению температуры до температуры вспышки (500-600^oC). После впрыска энергоносителя в воздушную массу с указанными параметрами происходит вспышка после распыления и испарения энергоносителя и его сгорание во время рабочего хода.

Недостатками такого цикла и его исполнения следует считать следующее:
впрыск энергоносителя происходит во все цилиндры от распределительного вала через угол, который соответствует положению поршня в верхней мертвой точке, однако каждый поршень и детали, образующие камеру сгорания, образуют сочетание размеров, обеспечивающих различную температуру в указанной камере, поэтому возгорание может происходить и до верхнего положения поршня;
к аналогичному результату приводит точность изготовления отдельных деталей и их износ с набегающим допуском.

Т. е. всегда существует погрешность возгорания впрыска, что снижает КПД, т.к. этот момент зависит от многих факторов.

Целью изобретения является устранение зависимости момента вспышки от погрешностей изготовления деталей и их износа, повышение КПД за счет оптимального момента вспышки и за счет снижения давления газовой смеси при ее сжатии перед впрыском энергоносителя.

Поставленная цель достигается тем, что двигатель снабжен упором на днище поршня и выемом на головке цилиндра с вставкой, соединенной с головкой цилиндра подвижно, при этом полость между вставкой и выемом соединена каналами с надпоршневой полостью, которые способны перекрываться при движении вставки в выем от взаимодействия с упором поршня, а выем снабжен ограничителями перемещения, регулируемым выступом и пружиной между выступом и вставкой.

На чертеже представлен осевой разрез цилиндра, перпендикулярный оси коленчатого вала, и выполнен упрощенно (на нем не показаны системы подготовки воздушной среды, системы выхлопа отработанных газов, т.е. эти части не имеют отражения в представленных материалах, как обладающие новизной и могут быть выполнены так, как и в существующих системах).

Двигатель содержит головку цилиндра 1 и сам цилиндр 2 с поршнем 3, который соединен шатуном 4 с коленчатым валом 5. На головке цилиндра 1 выполнен выем 6 с ограничителями 7 перемещения вставки 8. Надпоршневая полость соединена с полостью над вставкой 8 каналами 9, которые могут быть выполнены наклонными (слева) или сверлением неполным (справа). Над вставкой 8 размещен выступ 10, который может регулироваться гайкой 11, которая соединена с выступом хвостовиком 12, осуществляющим развязку в угловом направлении. Между вставкой 8 и выступом 10 размещена пружина 13, которая удерживает вставку 9 у ограничителей 7. На днище поршня 3 размещен упор 14, а головка цилиндра 1 снабжена соединенной с надпоршневой полостью форсункой 15.

Действует двигатель следующим образом,
При положении поршня в крайнем нижнем положении надпоршневая полость заполняется воздушной средой под давлением и при движении поршня вверх от коленчатого вала 5, который передает движение через шатун 4 на поршне 3, давление воздушной среды повышается за счет сжатия. В точке, близкой к верхней мертвой поршня 3, происходит впрыск энергоносителя от форсунки 15, который, попадая в среду с повышенной температурой, испаряется и заполняет весь объем, включая полость над вставкой 8, через каналы 9. Упор 14 упирается в вставку 6 и начинает ее перемешать вверх, перекрывая каналы 9. Давление над вставкой 8 начинает подниматься выше, чем в над поршневой полости до температуры вспышки, которая и происходит, создавая давление для движения поршня вниз. Как только при указанном движении откроются каналы 9, произойдет воспламенение энергоносителя в надпоршневой полости и будет осуществляться рабочий ход поршня при полном давлении. Далее происходит выхлоп отработанных газов при движении поршня вверх.

Необходимо сделать следующие замечания:
1. Давление воздушной среды при положении поршня в крайнем верхнем положении не соответствует температуре вспышки, поэтому возгорания не происходит. Пониженное давление позволяет снизить сопротивление рабочему движению коленчатого вала 5, что приведет к повышению КПД.

2. Требуется меньше затрат энергии на подготовительные процессы, т.е. давление поступающего воздуха ниже давления, которое обеспечивает вспышку энергоносителя.

3. В полости выема 6 создается давление, которое соответствует вспышке. Момент вспышки (соответственно давлению) регулируется перемещением выступа 10 от гайки 11. Т. к. площадь вставки 8 намного меньше площади поршня 3, то начальное усилие будет мало по скорости и усилию до открытия каналов 9. После открытия каналов 9 произойдет вспышка смеси в надпоршневой полости и, как следствие, создание полного усилия рабочего хода.

Таким образом, достигаются все поставленные цели. Кроме поставленных целей и их выполнения при использовании технического решения, возможно устранение компрессора со всеми сопутствующими элементами подготовки газовой среды для ее подачи в надпоршневую полость. При выполнении соотношения диаметра поршня 3 и цилиндра и его хода, который способен обеспечить сжатие, обеспечивающее температуру, близкую к температуре вспышки, возможно засасывание воздушной массы из атмосферы или по крайней мере резкого снижения мощности компрессора по сравнению с используемыми для обеспечения цикла, близкого по своей сути к циклу дизеля, однако цикл не будет полностью соответствовать указанному циклу, т. е. диаграмма его будет отличной от классической: на диаграмме появится на полке подвода тепловой энергии выплеск с резким возрастанием давления при незначительном изменении объема. Это будет соответствовать вспышке в выеме и незначительному изменению объема при движении поршня вниз до открытия каналов, а далее произойдет резкое возрастание изменения объема при вспышке в надпоршневой полости. Выступающая часть диаграммы показывает на то, что возрастает КПД (увеличивается площадь, которая заключена в замкнутой кривой диаграммы).

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель позволяет осуществить дизельный цикл с устранением погрешности изготовления отдельных деталей. Двигатель содержит цилиндр с поршнем и коленчатый вал, а также системы впрыска с форсункой, выхлопа отработанных газов и систему подготовки газовой среды с компрессором. На днище поршня выполнен упор, а в головке цилиндра - выем. В выемке вставка установлена подвижно с возможностью соединения полости между вставкой и выемом с надпоршневой полостью цилиндра через каналы. Каналы закрываются вставкой при ее движении после контакта с упором поршня. Выем оснащен регулируемым выступом и пружиной, а головка цилиндра - ограничителем перемещения вставки. 1 ил.

Двигатель, содержащий цилиндр с поршнем и коленчатым валом, соединенными между собой шатуном, систему впрыска энергоносителя с форсункой и выхлопа отработанных газов, систему подготовки газовой среды с компрессором, отличающийся тем, что двигатель снабжен упором на днище поршня и выемом в головке цилиндра с вставкой, соединенной с выемом подвижно, при этом полость между вставкой и выемом соединена с надпоршневой полостью каналами, которые способны перекрываться при движении вставки после контакта с упором поршня, а выем в своей верхней части оснащен регулируемым выступом и пружиной между выступом и вставкой, причем головка цилиндра снабжена ограничителями перемещения вставки.