ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B23/06 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания (заявка ФРГ N 1576027, кл. F 02 В 17/00, 1970), содержащий камеру сгорания, снабженную свечей зажигания и соединенную через впускной клапан с впускным и выпускным трубопроводами соответственно, канал, соединенный через выходное отверстие с камерой сгорания в зоне, противолежащей зоне расположения свечи зажигания, и механизмом выпускных клапанов.

Наиболее близким техническим решением является двигатель внутреннего сгорания (Патент США N 3898965, кл. F 02 В 75/123), который содержит камеру сгорания, снабженную свечой зажигания, впускной канал, соединенный напрямую с камерой сгорания для подачи топлива и воздуха в камеру сгорания, выпускной клапан. Двигатель имеет глушитель конической формы, который имеет возможность входить в паз, имеющийся в верхней части поршня, при положении поршня в верхней мертвой точке, причем цилиндр, головка цилиндра, глушитель и поршень, когда поршень находится в верхнем положении, образуют вспомогательную камеру, ограниченную стенками глушителя и частично изолированную от камеры сгорания. Вспомогательная камера сгорания соединена с камерой сгорания, так как стенки глушителя не прилегают плотно к боковым стенкам паза поршня, а глушитель не прилегает плотно ко дну паза поршня. Кроме того, двигатель имеет канал для подачи добавочного топлива во вспомогательную камеру и вспомогательный канал в головке цилиндра между вспомогательным каналом и вспомогательной камерой, который служит для контроля потока добавочного топлива, поступающего из канала во вспомогательную камеру. Глушитель выполнен в виде полого элемента конической формы круглого сечения открытого в его нижнем меньшем основании, в верхнем (большем) основании глушителя размещен подпружиненный клапан. Паз в верхней части поршня выполнен в виде полости конической формы, в которой может размещаться глушитель.

При сгорании рабочей смеси отработанные газы давят на головку цилиндра с большой силой, что может привести к преждевременному разрушению конструкции. В связи с большой температурой внутри цилиндра, при сгорании рабочей смеси шатун, который находится внутри цилиндра, испытывает большие температурные колебания, что приводит к его преждевременному износу, значительно сокращает срок службы двигателя. Палец, крепящий шатун внутри поршня также испытывает температурные колебания и в результате преждевременно изнашивается, что способствует быстрейшему изнашиванию поршня и стенок цилиндра, снижая срок службы двигателя. При сгорании рабочей смеси в цилиндре кольцо поршня испытывает большую температуру, разрушаясь при этом, кроме того кольца поршня несут большую нагрузку: в нагретом состоянии с силой трутся о стенки цилиндра, в результате происходит преждевременный износ колец и стенок цилиндра, в связи с этим значительно уменьшается срок службы двигателя. В данном двигателе внутреннего сгорания крепление шатуна к поршню снизу внутри поршня создает неудобства при эксплуатации и усложняет конструкцию двигателя.

Задача изобретения увеличение срока службы, при одновременном упрощении конструкции двигателя.

Задача решается тем, что в конструкции двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндр, расположенный внутри него, систему входных и выходных отверстий, причем отверстие для выхода продуктов сгорания расположено в зоне камеры сгорания, согласно изобретению, дно цилиндра выполнено в виде основания с усеченной конусной стойкой, размещенной во внутрь цилиндра, при этом внутренняя боковая поверхность конусной стойки имеет возможность сопряжения с внутренней боковой поверхностью пустотелого поршня, образуя при этом камеру сгорания, ограниченную внутренней поверхностью верхней части пустотелого поршня и внутренней поверхностью усеченного основания конусной стойки, в котором размещены свеча зажигания, клапан для выхода отработанных газов, кроме того отверстие для ввода рабочей смеси в камеру сгорания расположено в боковой поверхности цилиндра непосредственно у его дна, а шатун соединен с наружным основанием поршня.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания отличается от прототипа тем, что дно цилиндра состоит из основания и усеченной конусной стойки. При этом поршень выполнен пустотелым, имеющим возможность в крайнем нижнем положении сопрягаться своей внутренней поверхностью с внутренней боковой поверхностью стойки цилиндра (части дна цилиндра) и основанием дна цилиндра, образуя при этом камеру сгорания. При этом впускной клапан расположен в боковой поверхности цилиндра, а выпускной клапан и свеча зажигания расположены в основании стойки цилиндра. При этом шатун закреплен в верхней части поршня снаружи, что позволяет сделать вывод о новизне заявляемого объекта.

По источникам патентной и научно-технической информации не известны конструкции двигателей внутреннего сгорания, имеющие одну камеру сгорания, образованную внутренней поверхностью пустотелого поршня и внутренней поверхностью основания стойки цилиндра. Это дает возможность увеличить срок службы двигателя внутреннего сгорания, так как такая конструкция позволяет обеспечить крепление шатуна сверху поршня, что позволяет уменьшить размеры шатуна. Расположение камеры сгорания внутри пустотелого поршня приводит к меньшему нагреву стенок цилиндра и обеспечивает естественное охлаждение дна цилиндра и самого поршня, и резко снижает требования к принудительному охлаждению (дополнительным средствам охлаждения), что в целом увеличивает срок службы. Вышесказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательскому уровню.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, дно которого выполнено в виде основания усеченной конусной стойки 2, верхняя часть которой служит основанием камеры сгорания 3, которая образована внутренней поверхностью поршня 4 и внутренней поверхностью конусной стойки 2. Поршень 4 пустотелый, пустотелость имеет коническую форму. Поршень 4 своим основанием прилегает к внутренней части основания 5 дна цилиндра. В верхней части поршня 4 внутри его имеется буртик 6 небольшой величины, который в сечении имеет, например, форму треугольника, улучшающего смесеобразование. В боковой части цилиндра 1 внизу, у самого основания, имеется впускное отверстие 7 с клапаном 8. В основании камеры сгорания 3 в верхней части конусной стойки 2 цилиндра 1 имеется свеча зажигания 9 и отверстие 10 для вывода отработанных продуктов сгорания с клапаном 11. В боковой части цилиндра 1 (на расстоянии 1/3 цилиндра от основания) имеется окно 12 для выхода отработанных газов. Впускное отверстие 7 соединено с трубопроводом 13, через который впускается рабочая смесь в цилиндр 1. В нижней части поршня 4 имеется кольцо-уплотнение 14, которое при работе поршня 4 не дает возможности преждевременного выхода отработанных газов. В верхней части поршня 4 имеется выступ 15, к которому крепится шатун 16, соединенный с механизмом 17.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

Опускаясь в нижнюю мертвую точку, которая в данном двигателе является сжатием, поршень 4 перекрывает окно 12 выхода отработанных газов. Поршень 4 опускается вниз, при этом прилегает внутренней боковой поверхностью к внутренней боковой поверхности стойки 2 цилиндра 1 и сжимает рабочую смесь. Значительный объем рабочей смеси концентрируется в момент нижней мертвой точки в камере сгорания 3. В момент нахождения поршня 4 в нижней мертвой точке, клапан 8 во впускном отверстии 7 закрыт (кроме того, впускное отверстие 7 в этот момент перекрыто поршнем 4), а в свече зажигания 9 возникает искра, в результате чего в камере сгорания 3 происходит взрыв и газы давят на поршень 4, поднимая его вверх. Поршень 4 поднимается вверх, приводя в действие механизм 17 через шатун 16. В момент достижения поршнем 4 верхней мертвой точки окно 12 открыто, через которое уходят отработанные газы. При опускании поршня 4 в нижнюю мертвую точку происходит сжатие рабочей смеси, концентрируя ее в камере сгорания 3. Подается искра, происходит взрыв и процесс повторяется.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания отличается от существующего (прототипа) своей конструкцией цилиндра и поршня. При работе двигателя значительно уменьшается трение поршня о цилиндр в связи с тем, что поршневое кольцо, внешняя поверхность поршня и внутренняя поверхность цилиндра подвергаются меньшему температурному воздействию по сравнению с прототипом. Значительное уменьшение трения увеличивает срок службы двигателя внутреннего сгорания. Расположение шатуна в верхней части поршня также увеличивает его срок службы и двигателя в целом. Предлагаемая конструкция двигателя внутреннего сгорания упрощает значительно двигатель. Заявляемый двигатель внутреннего сгорания прост в эксплуатации. Конструкция цилиндра и поршня значительно упрощает двигатель. Прилегание внутренней боковой поверхности поршня 4 к внутренней поверхности конусной стойки 2 обеспечивает двигателю надежность и долговечность. В связи с наличием конусной стойки 2 цилиндра 1 и выполнением поршня 4 пустотелым стенки цилиндра 1 значительно меньше нагреваются (только за счет теплопроводности), а это способствует лучшему охлаждению поршня, а следовательно, и увеличению срока службы как поршня 4, так и цилиндра 1, и двигателя внутреннего сгорания в целом. Стенки цилиндра воспринимают меньшую температуру, так как высокотемпературному воздействию подвержены внутренняя поверхность верхней части поршня и основания конусной стойки 2 цилиндра 1 и дальше боковая поверхность стойки 2 цилиндра 1. Боковые внутренние стенки цилиндра не имеют непосредственного контакта с зоной высокой температуры, что создает более выгодные условия для охлаждения поршня. В предлагаемом двигателе внутреннего сгорания цилиндр нагревается значительно только в нижней части, именно в основании конусной стойки 2. Боковая поверхность конусной стойки 2 и нижняя часть цилиндра 1 нагреваются только отработанными газами, образующимися при сгорании рабочей смеси. Поршень 4 в верхней части при поднятии его вверх имеет возможность охлаждаться естественным путем, то есть он не находится в зоне высокой температуры, а находится в зоне естественного охлаждения. Кроме того, поршень имеет возможность охлаждаться с внешней стороны боковой поверхности через боковую поверхность стенки цилиндра 1 в результате того, что стенки цилиндра в этом месте охлажденные и не имеют нагрева, так как камера сгорания образуется внутренней поверхностью пустотелого поршня 4 и основанием площади дна конусной стойки 2 цилиндра 1, где происходит сгорание рабочей смеси. Следует отметить, что заявляемая автором конструкция двигателя внутреннего сгорания не требует какого-либо специального охлаждения, а может быть использована обычная система охлаждения.

В двигателе внутреннего сгорания (патент США N 3898965, кл. F 02 В 75/123, прототип) поршень, опускаясь вниз, т.е. занимая позицию, изображенную на фиг.5 описания к этому изобретению, попадает в неохлажденную естественным путем часть цилиндра, так как внутри цилиндра полностью проходит зона высоких температур, нагревая при этом цилиндр полностью. В двигателе внутреннего сгорания-прототипа при сгорании рабочей смеси нагревается верхняя поверхность 26 поршня (см. фиг.1 поверхность 26, глушитель 22) и внутренняя часть поршня в полости 24 поршня, стенки и дно со стороны полости (см. фиг. 1 5, см. также фиг. 1 полость 24 и фиг. 2 4, соответственно 26, 22, 24).

Таким образом, поршень двигателя внутреннего сгорания испытывает большое температурное воздействие со всех сторон. Кроме того, во всех тактах он проходит зону высокой температуры внешней поверхностью касаясь нагретых стенок цилиндра. Так, при повторном прохождении перед всасыванием поршень проходит вторично зону высоких температур, принимая на себя при этом тепло глушителя 22, который находится внутри цилиндра непосредственно в районе камеры сгорания при поднятии поршня вверх входит в его полость 24 (см. фиг. 2 и пр. ). Это повторяется и при сжатии. В этот момент поршень также проходит зону высокой температуры, глушитель 22 также входит в полость 24 и также отдает свое тепло поршню. При этом, при повторном сжатии поршень, находясь в зоне высокой температуры, принимая тепло от глушителя 22, нагревается дополнительно, что способствует при воспламенении рабочей смеси более значительному его нагреву. Таким образом верхняя часть поршня и сам поршень постоянно находятся в зоне большой температуры и, следовательно, он постоянно сильно нагрет и нагрев его постоянно увеличивается, что при отсутствии естественного охлаждения требует обязательного создания системы эффективного принудительного охлаждения, учитывающего наличие дополнительных (глушитель) источников тепла. Кроме того, в двигателе внутреннего сгоранияпрототипе значительно нагревается головка цилиндра, как от сгорания рабочей смеси, так и от проходящих горячих отработанных газов, проходящих через выпускной клапан 60, что способствует также дополнительному нагреву цилиндра, а, следовательно, и поршня.

В предлагаемом двигателе внутреннего сгорания верхняя часть (соединенная с шатуном 16) не находится в зоне постоянно высокой температуры и, следовательно, верхняя часть внутренней стороны поршня, которая нагревается при сгорании рабочей смеси в камере сгорания, имеет возможность охлаждаться естественным путем. В предлагаемом двигателе внутренняя часть поршня нагревается не больше, чем поршень в существующих двигателях внутреннего сгорания в верхней поверхности. Нагреваясь внутри, поршень имеет возможность охлаждаться с внешней стороны и с верхней стороны (Фиг.1), так как цилиндр в верхней части нагревается в значительно меньшей степени (только за счет теплопроводности металла), поскольку камера сгорания находится внутри поршня. В предлагаемом двигателе боковые внутренние стенки цилиндра 1 не имеют непосредственного контакта с зоной высокой температуры, что создает более выгодные условия для охлаждения поршня, а, следовательно, и увеличения срока службы как поршня 4, так и цилиндра 1 и двигателя внутреннего сгорания в целом.

В предлагаемом двигателе внутреннего сгорания верхняя часть поршня, соединенная с шатуном 16, не находится в зоне постоянной высокой температуры и имеет возможность охлаждаться естественным путем. Шатун 16, закрепленный в верхней части поршня за выступ, также не находится в зоне высокой температуры, и, кроме того, имеет возможность охлаждаться естественным путем (фиг. 1), что увеличивает его срок службы и двигателя внутреннего сгорания в целом.

Исходя из вышеизложенного следует, что механизм от шатуна нагревается меньше, чем в прототипе, что в предлагаемом двигателе внутреннего сгорания увеличивается срок службы шатуна, механизма и самого двигателя в целом.

В прототипе и в существующих двигателях внутреннего сгорания шатун закреплен внутри поршня и не имеет возможности охлаждаться естественным путем и вместе с поршнем проходит зону высоких температур при всех тактах, что увеличивает его нагрев, а, следовательно, через него и увеличивается нагрев механизма, что приводит к быстрейшему изнашиванию как шатуна, так и механизма и двигателя внутреннего сгорания в целом.

В предлагаемом двигателе внутреннего сгорания технологичность изготовления конструктивных элементов проще по сравнению с конструкцией существующих двигателей. Это способствует упрощению заявляемого двигателя внутреннего сгорания. Конструкция заявляемого двигателя внутреннего сгорания позволяет упростить конструктивное выполнение соединения, например, поршня 4 с шатуном 16, так как у существующих двигателей внутреннего сгорания шатун крепится к поршню внутри поршня, а в предлагаемом двигателе внутреннего сгорания шатун крепится к поршню сверху не внутри поршня. В предлагаемом двигателе внутреннего сгорания конструкция камеры сгорания 3 дает возможность выполнить шатун 16 короче, что в свою очередь позволяет увеличить его срок службы и двигателя внутреннего сгорания в целом.

Из сказанного выше можно заключить, что срок службы заявляемого двигателя внутреннего сгорания увеличивается при одновременном упрощении двигателя.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: устройство содержит цилиндр 1, дно которого выполнено в виде основания усеченной конусной стойки 2, верхняя часть которой служит основанием камеры сгорания 3, которая образована внутренней поверхностью поршня 4 и внутренней поверхностью конусной стойки 2. Поршень 4 пустотелый. Пустотелость имеет коническую форму. Поршень 4 своим основанием прилегает к внутренней части основания 5 дна цилиндра. В верхней части поршня 4, внутри него имеется буртик 6. В боковой части цилиндра 1 у самого основания имеется впускное отверстие 7 с клапаном 8. В основании камеры сгорания 3 в верхней части конусной стойки 2 цилиндра 4 имеется свеча зажигания 9 и отверстие 10 для вывода отработанных продуктов сгорания с клапаном 44. В боковой части цилиндра 1 имеется окно 12 для выхода отработанных газов. Впускное отверстие 7 соединено с трубопроводом 13, через который впускается рабочая смесь в цилиндр 1. В нижней части поршня 4 имеется кольцо-уплотнение 14, которое при работе поршня 4 не дает возможности преждевременного выхода отработанных газов. В верхней части поршня 4 имеется выступ 15, к которому крепится шатун 16, соединенный с механизмом 17. Изобретение обеспечивает увеличение срока службы при одновременном упрощении конструкции двигателя. 1 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, расположенный внутри него, систему входных и выходных отверстий, при этом отверстие для выхода продуктов сгорания расположено в зоне камеры сгорания, отличающийся тем, что дно цилиндра выполнено в виде основания с усеченной конусной стойкой, размещенной внутри цилиндра, при этом внутренняя боковая поверхность конусной стойки имеет возможность сопряжения с внутренней боковой поверхностью пустотелого поршня, образуя при этом камеру сгорания, ограниченную внутренней поверхностью верхней части пустотелого поршня и внутренней поверхностью усеченного основания конусной стойки, в которой размещены свеча зажигания и клапан для выхода отработанных газов, кроме того, отверстие для ввода рабочей смеси в камеру сгорания расположено в боковой поверхности цилиндра непосредственно у его дна, а шатун соединен с наружным основанием поршня.