УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ БЕЛАШОВА Российский патент 1999 года по МПК F02B69/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции двигателя внутреннего сгорания, и предназначено для использования в качестве силового привода в любых отраслях народного и военного хозяйства.

Известен двигатель внутреннего сгорания типа 8 ДВТ с ГТН, содержащий цилиндры с поршнями, имеющими в днище камеру сгорания типа ЦНИДИ (Справочник Тракторные дизели, М.: Машиностроение, 1981, с. 536).

Известен дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, выполненную в центральной части днища поршня. Боковая стенка камеры имеет цилиндрическую форму. В теле поршня выполнены каналы небольшого диаметра. Один конец каждого канала заглушен, а второй выходит в камеру, причем выход канала в камеру направлен тангенциально к цилиндрической боковой поверхности камеры. В процессе расширения газ вытекает из каналов и интенсифицирует вихревое движение заряда горячей смеси (заявка Японии N 60-45737, F 02 В 23/06, опубликована 11.10.1985) - аналог.

Известен двигатель внутреннего сгорания, имеющий камеру сгорания поршневого типа, поршень, впускной и выпускной клапан. В центральной части днища поршня размещена камера сгорания. Поршень размещен в цилиндре и закрыт крышкой. На крышке цилиндра закреплен дефлектор, выполненный в виде экрана и имеющий форму, соответствующую конфигурации камеры сгорания в поршне. Дефлектор установлен с возможностью погружения в камеру сгорания с минимальным зазором, при перемещении поршня к верхней мертвой точке (патент Российской Федерации N 2070973, F 02 В 23/06, 1996).

Известен универсальный двигатель внутреннего сгорания поршневого типа, содержащий кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, системы питания, зажигания, смесеобразования и систему регулирования и сжатия смеси, размещенный в цилиндре блока поршень, камеру сгорания поршневого типа с регулируемой головкой поршня, турбокомпрессор или пневмосистему с целью поручения оптимального сжатия в камере сгорания, при регулировании мощности микропроцессором, с использованием любого вида горючего, (международная заявка N WO 82/02576, кл. F 02 В 75/04, 05.08.1982 - прототип).

Однако известный двигатель недостаточно эффективен и имеет сложную конструкцию.

Задача изобретения - создать экологически чистый двигатель внутреннего сгорания. Увеличить КПД, мощность, экономичность двигателя внутреннего сгорания и снизить его тепловые потери. Применить систему регулирования объема и сжатия смеси, где степень сжатия определяется отношением полного объема основного и дополнительного цилиндра к объему камеры сгорания, для работы двигателя от любых моторных топлив или газов.

Поставленная задача достигается тем, что универсальный двигатель внутреннего сгорания поршневого типа, содержащий кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм системы питания, зажигания, смесеобразования, размещенный в цилиндре поршень с камерой сгорания и головкой, и систему регулирования объема и сжатия смеси, причем головка поршня выполнена в виде цилиндра с крышкой, внутри которого размещены свеча, форсунка, устройство пропускного переключения, впускной и выпускной клапаны и который взаимодействует с внутренней поверхностью камеры сгорания поршня, выполненной в виде стакана, между цилиндром блока и цилиндром головки поршня размещена дополнительная камера, система регулирования объема и сжатия смеси, связана с дополнительной камерой.

Управление, открытие и закрытие клапанов системы регулирования объема и сжатия смеси осуществляется от поршня, распределительного вала, регулятора частоты вращения или автоматической муфты.

Внутренняя полость поршня и нижнее основание головки поршня, которые связаны с камерой сгорания; выполнены из прочного термостойкого соединения и имеют жаропрочную прокладку.

Устройство пропускного переключения выполнено в виде пропускного клапана, связанного с системой смесобразования. Система смесеобразования камеры сгорания выполнена в виде дефлектора с каналами, спиралевидных канавок, преимущественно переменного сечения с отверстиями, экрана, форсунки.

На фиг. 1 изображена головка поршня двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 2 изображен разрез А-А, поршень которого размещен в нижней мертвой точке.

На фиг. 3 изображен разрез Б-Б, поршень которого размещен в нижней мертвой точке.

На фиг. 4 изображен разрез Б-Б, поршень которого размещен в верхней мертвой точке.

Универсальный двигатель Белашова (фиг. 1) состоит из четного или нечетного количества цилиндров, закрытых съемной головкой поршня 1, которая выполнена в виде цилиндра с крышкой, и которая закреплена к блоку цилиндра болтами 2. На валу 3 размещен газораспределительный механизм, имеющий впускной клапан 4 и выпускной клапан 5. Коромысло впускного клапана 6 взаимодействует с кулачком 7 распределительного вала 8, а коромысло выпускного клапана 9 взаимодействует с кулачком 10 распределительного вала 8. В зависимости от способа образования горючей смеси и вида применяемого топлива двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием (карбюраторные, работающие на бензине) подают рабочую смесь через канал 11, регулирующую заслонку 12 в канал 13. При внутреннем смесеобразовании (дизельные - работающие на дизельном топливе) воздушная смесь через канал 14, регулирующую заслонку 12 поступает в канал 13, а дизельное топливо из системы питания 15, состоящей из топливного бака, фильтров грубой и тонкой очистки топлива, топливоподкачивающего насоса с ручным приводом, топливного насоса высокого давления с регулятором частоты вращения и автоматической муфтой опережения впрыска топлива через трубопроводы высокого и низкого давления 16 поступает на форсунки 17. Система регулирования объема и сжатия смеси 18 связана с распределительным валом 8 и состоит из датчиков контроля, регулирования, исполнительных механизмов, пропускных, регулирующих, переключающих и сбрасывающих клапанов, механизма подачи воздушной или рабочей смеси, узла прогрева и дозированного смешения газов. Для работы двигателя на горючем газе, смесь через трубопроводы высокого и низкого давления 19 поступает на головку поршня 1 и регулирующую заслонку 20. Выпускной клапан 5 через канал 21 связан с выпускным трубопроводом 22. Свеча 23 электрически связана с системой зажигания, которая преобразовывает ток низкого напряжения в ток высокого напряжения. Трубопровод системы регулирования объема и сжатия смеси 19, фиг. 2, связан через канал 24 с дополнительной камерой 25; размещенной между цилиндром блока и цилиндром головки поршня, и устройством пропускного переключения, выполненного в виде пропускного клапана 26. Пропускной клапан 26, имеет проходной канал 27 с проточкой 28 и расположен на пружине 29, которая находится в цилиндре 30. Боковая поверхность клапана 26, через канал 31 связана с системой смесеобразования и рабочим объемом поршня 32. Система смесеобразования может быть выполнена в виде спиралевидных канавок преимущественно переменного сечения с отверстиями, экрана, форсунки, дефлектора с каналами, и т.д. Система смесеобразования служит для улучшения смешения рабочей смеси, интенсификации стабилизации процесса сгорания в поршне 33, в котором происходит организация интенсивного вихревого движения рабочей смеси в конце такта сжатия вследствие вытеснения сжимаемого рабочего тела из дополнительной камеры 25. Поршень 33 выполнен в виде стакана и оборудован канавками, в которые вставлены поршневые кольца 34 и 35. Поршневые кольца 34 взаимодействуют с цилиндром блока 36, а поршневые кольца 35 взаимодействуют с цилиндром 37 головки поршня 1. Внутренняя полость поршня выполнена из керамического, металлокерамического термостойкого соединения 38 или другого материала имеющего большую прочностью и низкую теплопроводность. Между поршнем 33 и внутренней полостью термостойкого соединения 38 размещена жаропрочная прокладка 39. Нижнее внешнее основание поршня имеет палец 40, который связан с шатуном 41. Нижнее основание головки поршня 1 имеет термостойкое соединение 42 между которым размещена жаропрочная прокладка 43. Блок цилиндров 44 связан с головкой поршня 1 через прокладку 45. Головка поршня 1 выполнена в виде цилиндра 37 с крышкой и закрыта крышкой 46. Коромысло впускного клапана 6, фиг. 3, взаимодействует с впускным клапаном 4, который выполнен из направляющей втулки 47. На штоке 47 размещена рабочая поверхность головки клапана 48, которая прижимается к седлу 49 пружиной 50 при помощи опорной шайбы 51 и сухарей 52. Отверстие впускного клапана 53 связано с каналом 13. Поршень 33 расположен в нижней мертвой точке. Коромысло выпускного клапана 9, фиг. 4, взаимодействует с выпускным клапаном 5, который выполнен из направляющей втулки 54. На штоке 54 размещена рабочая поверхность головки клапана 55, которая прижимается к седлу 56 пружиной 57 при помощи опорной шайбы 58 и сухарей 59. Отверстие выпускного клапана 60 связано с каналом 21. Когда поршень находится в в.м.т., над ним будет наименьшее пространство, называемое объемом камеры сгорания 61. Система регулирования объема и сжатия смеси 18 может быть упрощена, если двигатель работает только на дизельном и бензиновом или газовом топливе определенной марки. В карбюраторных и газосмесительных двигателях степень сжатия находится в пределах 6...9, в дизельных - 15...20. Предохранительный клапан 62 опирается на седло 63 при помощи пружины 64, опорной площадки 65 и сухарей 66. При работе двигателя на бензиновом или газовом топливе, дополнительная камера 25 в работе не участвует, а просочившиеся через поршневые кольца 35 газы отводятся в канал 11 для повторного использования. При работе двигателя на дизельном топливе в режиме сжатия рабочей смеси, избыточное давление создаваемое в дополнительной камере 25, через пропускной клапан 26 переходит в поршень 33. Когда поршень 33 дойдет до в.м.т. головки поршня 1 и откроет предохранительный клапан 62, остаток избыточного давления воздуха созданного в дополнительной камере 25, через трубопровод 67 поступает в канал 12 для повторного использования. После небольшого разряжения в дополнительной камере 25, произойдет перекрытие канала 31, связывающего дополнительную камеру 25 с камерой сгорания поршня 33, пропускным клапаном 26. Открытие или закрытие предохранительного клапана 62 может осуществляться от поршня 33, распределительного вала 8 или через управляющие механизмы системы питания 15, регулятор вращения вала, автоматическую муфту и т.д.

Рабочий цикл универсального двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов.

При внешнем смесеобразовании, горючей смеси от карбюратора, универсальный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом:
Для выполнения одного такта, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов, необходимо выполнить два подготовительных такта - впуск и сжатие - и заключительный такт - выпуск, фиг. 1, 2, 3, 4. Впуск - поршень 33 перемещается от в.м.т. к н.м.т. Открыто впускное отверстие 53 клапана 4. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разрежение 0,075...0,085 МПа, а температура смеси находится в пределах 90...130 градусов C. Цилиндр 33 заполняется свежим зарядом горючей смеси от карбюраторной системы питания, которая служит для приготовления горючей смеси из паров бензина и воздуха поступающего через канал 11, регулирующую заслонку 12, канал 13, в впускное отверстие 53, при этом регулирующая заслонка 12 должна перекрывать входной канал 14.

Сжатие - поршень 33 движется от н.м.т. к в.м.т. Впускное отверстие 53 закрыто клапаном 4 и выпускное отверстие 60 закрыто клапаном 5. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к концу такта соответственно достигает величин 1,0...1,2 МПа и 350...450 градусов С. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом. С повышением степени сжатия двигателя повышаются его экономичность и мощность. В зависимости от типа применяемого бензина можно регулировать одним из важных показателей двигателя, которым является его степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра 33, дополнительной камеры 25 к объему камеры сгорания 61, фиг. 4. Универсальный двигатель внутреннего сгорания может работать в режиме нерегулируемого объема горючей смеси, подаваемого из системы питания. Не регулируемый рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания, вместе взятые, составляют полный объем цилиндра в данной конструкции. Для работы двигателя от нерегулируемого рабочего объема необходимо перекрыть пропускной клапан 26 регулирующей заслонкой 20, тогда из дополнительной камеры 25 объем воздуха будет отводиться в систему регулирования объема и сжатия смеси 18, для очистки и дальнейшего использования через карбюраторную систему питания. Для изменения объема и сжатия воздушной или рабочей смеси ее необходимо регулировать системой регулирования объема и сжатия смеси 18, которая может подавать в дополнительную камеру 25 воздушную или газовоздушную горючую смесь. Когда поршень движется от в.м.т. до н.м.т., объем над поршнем 33 и дополнительной камерой 25 уменьшается. Давление воздушной или рабочей смеси в дополнительной камере 25 возрастает. Воздушная смесь из дополнительной камеры 25 начинает давить на пропускной клапан 26, который под действием пружины 29 переместится вниз, и далее перетечет через канал 27, канал 31, имеющий систему смесеобразования в камеру сгорания 61. После достижения уровня установленной нами степени сжатия, которую регистрируют датчики давления системы регулирования объема и сжатия смеси 18, происходит отвод избыточного давления воздуха через пропускные клапана. Когда поршень 33 достигнет в.м.т., распределительный вал 8 газораспределительного механизма, через систему кулачков, отключит систему регулирования объема и сжатия смеси от пропускного клапана 26, который перекроет отверстие канала 31. Рабочий ход (сгорание и расширение) - сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой от свечи 23 системы зажигания. Поршень 33 под давлением расширяющихся газов перемещается от в.м.т. до н.м.т. Закрыто впускное отверстие 53, выпускное отверстие 60 и пропускной клапан 26. Давление газов в поршне 33 достигает величины 3,5...4,0 МПа, а температура доходит до 2000 градусов C. Выпуск - поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Открыто выпускное отверстие 60, закрыт пропускной клапан 26, закрыт впускной клапан 4. Давление газов снижается от 0,11...0,12 МПа, а температура до 350...400 градусов C.

При внешнем смесеобразовании горючей смеси от газа, универсальный двигатель Белашова работает как карбюраторный, но подача горючей смеси может осуществляться через систему регулирования объема и сжатия смеси 18, трубопроводы высокого и низкого давления 19 и дополнительную камеру 25, или через канал 14 и газораспределительный механизм двигателя. Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в цилиндр двигателя 33 необходимого заряда свежей горючей смеси и выпуска из него отработавших газов.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя подобен карбюраторному двигателю и состоит из четырех тактов.

Впуск - поршень перемещается от в.м.т. к к.м.т. Открыто впускное отверстие 53, открыт клапан системы регулирования объема и сжатия смеси 18, открыт канал 14, перекрыт канал 11 регулирующей заслонкой 12. Благодаря создаваемому разрежению цилиндр 33 и дополнительный цилиндр 25 заполняется воздухом. Общее давление воздуха в двух цилиндрах должно составлять от 0,075...0,085 МПа, а температура - 90...125 градусов C. Воздух, подаваемый из системы регулировки объема воздушной и газосмесительной смеси может быть подогрет. Сжатие - поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т. Закрыт впускной клапан 4, выпускной клапан 5 и клапан системы регулирования объема и сжатия смеси 18. Воздух в цилиндре 33 и дополнительном цилиндре 25 сжимается. Под действием избыточного давления воздуха в дополнительном цилиндре 25 открывается пропускной клапан 26, благодаря которому воздух из дополнительной камеры 25 перетекает в цилиндр 33. В цилиндре 33 создается давление (3,0...4,0 МПа) и температура (600. ..700 градусов C). Такая высокая температура сжатого воздуха необходима для воспламенения впрыскиваемого в цилиндр топлива через форсунку 17. Рабочий ход - в конце такта сжатия открывается клапан системы регулирования объема и сжатия воздушной и рабочей газосмесительной смеси 18, закрывается пропускной клапан 26, впускное отверстие 53 клапана 4 и выпускное отверстие 60 клапана 5. В цилиндр 33 через форсунку 17 под давлением 15. . .20 МПа впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. Смешиваясь с раскаленным воздухом, топливо воспламеняется, вследствие чего давление в цилиндре 33 повышается до 7,0...9,8 МПа, а температура достигает 1800...2000 градусов С. Под действием создавшегося давления поршень 33 перемещается oт в.м.т. к н.м.т.

Выпуск - поршень 33 движется от в.м.т. к н.м.т. Открыто выпускное отверстие 60 выпускного клапана 5. Температура газов снижается до 300...400 градусов C, а давление их составляет О,11...0,12 МПа. Отработанные газы выталкиваются из цилиндра 33 в канал 22.

Изобретение позволяет повысить экономичность и мощность двигателя внутреннего сгорания, при использовании любых моторных топлив или газов, за счет применения системы регулирования объема и сжатия смеси, а также снизить тепловые потери при применении поршня и головки поршня, выполненных из термостойкого соединения имеющего жаропрочную прокладку.

При работе универсального двигателя Белашова масляная пленка на цилиндре блока и цилиндре головки поршня не контактирует с камерой сгорания, что никогда не вызовет закоксовывание и пригорание поршневых колец, загрязнение моторного масла и увеличит рабочий ресурс двигателя.

При капитальном ремонте универсального двигателя Белашова, достаточно отсоединить головку поршня от головки блока и вставить новый блок, что намного упростит и удешевит его конструкцию.

При работе системы регулирования объема и сжатия смеси и системы смесеобразования, при работе от любого моторного топлива достигается высокая интенсификация и стабилизация процесса сгорания в поршне, что позволяет создать экологически чистый двигатель внутреннего сгорания.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции двигателей внутреннего сгорания. Двигатель содержит кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, системы: питания, зажигания, смесеобразования, размещенный в цилиндре поршень с головкой, которая выполнена в виде цилиндра с крышкой, внутри которого размещены свеча, форсунка, устройство пропускного переключения, впускной и выпускной клапаны, и который взаимодействует с внутренней поверхностью камеры сгорания поршня, выполненной в виде стакана. Между цилиндром блока и цилиндром головки поршня размещена дополнительная камера, связанная с системой регулирования объема и сжатия смеси. В зависимости от вида применяемого топлива двигатель преобразует тепловую энергию, получающуюся при сгорании топлива, в механическую работу. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Универсальный двигатель внутреннего сгорания поршневого типа, содержащий кривошипно-шатунный механизм, системы питания, зажигания, смесеобразования, размещенный в цилиндре поршень с камерой сгорания и головкой и систему регулирования объема и сжатия смеси, отличающийся тем, что головка поршня выполнена в виде цилиндра с крышкой, внутри которого размещены свеча, форсунка, устройство пропускного переключения, впускной и выпускной клапаны и который взаимодействует с внутренней поверхностью камеры сгорания поршня, выполненной в виде стакана, между цилиндром блока и цилиндром головки поршня размещена дополнительная камера, система регулирования объема и сжатия смеси связана с дополнительной камерой. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что управление, открытие и закрытие клапанов системы регулирования и сжатия смеси осуществляется от поршня, распределительного вала, регулятора частоты вращения или автоматической муфты. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость поршня и нижнее основание головки поршня, которые связаны с камерой сгорания, выполнены из прочного термостойкого соединения и имеют жаропрочную прокладку. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство пропускного переключения выполнено в виде пропускного клапана, связанного с системой смесеобразования. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что система смесеобразования камеры сгорания выполнена в виде дефлектора с каналами, спиралевидных канавок преимущественно переменного сечения с отверстиями, экрана, форсунки.