ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B75/04 F02D15/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), использующим в виде рабочего тела смесь топлива с воздухом.

Основным методом регулирования мощности в таких двигателях является дросселирование впускного трубопровода. При дросселировании затраты энергии на преодоление сопротивления дросселя достигают 15-20% от полезной мощности двигателя. Кроме этого, для улучшения эксплуатационной топливной экономичности необходимо увеличивать степень сжатия по мере уменьшения нагрузки (мощности).

Известны ДВС с комбинированным регулированием газораспределения и степени сжатия с внешним смесеобразованием и с принудительным зажиганием (МКИ: F 02 D 15/04, 1987 г., авт. св-во СССР N 1314135).

В данном двигателе рабочее пространство вспомогательного поршня, скользящего во вспомогательном цилиндре, связано с рабочим пространством поршня и имеет в верхней мертвой точке сжатия основного поршня меняющийся объем в зависимости от рабочих параметров ДВС. Изменение объема достигается устройством управления положением вспомогательного поршня. На боковой поверхности вспомогательного цилиндра выполнены окна впуска топливновоздушной смеси и выпуска отработавших газов, которые перекрываются вспомогательным поршнем при его премещении.

Известен также ДВС (МКИ: F 02 В 75/04, 13/06, F 02 D 15/04, патент РФ N 2042846).

В двигателе осуществляется одновременное регулирование мощности и степени сжатия. В нем имеется основной цилиндр с движущимся возвратно-поступательно и приводящим в движение коленчатый вал основным поршнем, размещенный в головке основного цилиндра вспомогательный цилиндр с движущимся возвратно-поступательно вспомогательным поршнем. На боковой поверхности вспомогательного цилиндра выполнено по меньшей мере одно окно впуска топливовоздушной смеси. Вспомогательный цилиндр приводится в движение от коленчатого вала через кулачковый вал и управляет окном впуска. Камера сгорания топлива образована цилиндрами, поршнями, головкой и имеет свечу зажигания. Устройство управления положением вспомогательного поршня выполнено в виде качающегося рычага, одним концом связанного с последним и контактирующего с кулачковым валом при помощи пружины, и перемещаемой с помощью винтовой пары и дополнительной пружины кулисы, в которой расположен другой конец рычага. Имеется орган выпуска отработавших газов, расположенный в головке и управляемый кулачковым валом.

В данном двигателе смесеобразование внешнее, в цилиндры засасывается топливовоздушная смесь. При перемещении вспомогательного поршня в цилиндре возникают перекосы из-за боковых усилий кулачка.

Подъем поршня для открытия окон впуска при помощи пружины, а также перемещения опоры качающегося рычага сложной кулисой снижают надежность работы двигателя.

Целью данного изобретения является повышение надежности работы двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем по меньшей мере один основной цилиндр с возвратно-поступательно движущимся в нем и приводящим в движение коленчатый вал основным поршнем, головку основного цилиндра, по меньшей мере один размещенный в головке вспомогательный цилиндр с по меньшей мере одним окном впуска воздуха, выполненным на его поверхности и возвратно-поступательно движущимся в нем вспомогательным поршнем, управляющим окном впуска и приводимым от коленчатого вала через кулачковый вал, камеру сгорания, образованную цилиндрами, поршнями и головкой и имеющую свечу зажигания, устройство управления положением вспомогательного поршня, выполненным в виде качающегося рычага вильчатой конструкции, одним концов связанного с вспомогательным поршнем через шатун и контактирующего с кулачками на кулачковом валу с одной стороны через ролик, с другой - непосредственно с вильчатой частью рычага и перемещаемый с помощью управляющего вала опоры другого конца вильчатого рычага. Кроме того, в головке основного цилиндра имеются органы выпуска отработавших газов, выполненные в виде тарельчатых клапанов, а также выполнено отверстие для размещения форсунки.

На представленных чертежах фиг. 1-5 показан разрез двигателя в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу основного цилиндра при различных положениях механизма газораспределения, соответствующего рабочим тактам двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания содержит основной (рабочий) цилиндр 1 с основным поршнем 2 обычного типа, совершающим возвратно-поступательное движение с помощью устройства перемещения (на чертеже не показан). К цилиндру 1 примыкает вспомогательный цилиндр 3, размещенный в головке цилиндров 4 с вспомогательным поршнем 5 (фиг. 1).

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

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

Вспомогательный поршень 5 с помощью шатуна 9 соединен с одним концом рычага 10 вильчатой конструкции, на которую действуют кулачок 11 через ролик 13 и кулачок 12 на внутреннюю поверхность вилки рычага 10, соосно выполненные на распределительном валу 14. От распределительного вала 14 приводятся в действие и выпускные клапаны. Конец рычага 10, не связанный с вспомогательным поршнем 5, связан с опорой 15 управляющего вала 16, которая может перемещаться по любой траектории в зависимости от поворота управляющего вала 16, соединенного через рычаг 17, например, с педалью акселератора 18, которая с помощью пружины 19 устанавливается в положении, ограниченном упорным винтом регулировки холостого хода 20 (фиг. 3). При нажатии на педаль акселератора 18 рычаг 17 перемещается до ограничителя 21, поворачивая управляющий вал 16, в результате изменяется положение вспомогательного поршня 5 в цилиндре 3, влияя на степень открытия окон 8 и высоту H камеры сгорания 6, чем изменяется нагрузка двигателя при работе.

Одновременное регулирование мощности или нагрузки двигателя (наполнения цилиндров за счет длительности фазы впуска) и степени сжатия осуществляется следующим образом.

На схеме фиг. 1. механизм газораспределения соответствует режиму малой нагрузки (или холостому ходу). Рычаг 17 с помощью пружины 19 находится на упорном винте 20. Опора 15 управляющего вала 16 находится точке А. При вращении коленчатого вала двигателя (на схеме не указан) под воздействием кулачка 12 на внутреннюю поверхность вилки рычага 10 последний перемещается вверх и через шатун 9 перемещает вспомогательный поршень 5 в верхнее положение, открывая окно холостого хода 8 (или очень малую часть впускных окон 8)(фиг. 3). При этом основной поршень 2 движется вниз к нижней мертвой точке, засасывая воздух через окна 8. Вершина кулачка 12 соответствует максимальному радиусу R_max, т.е. перемещает поршень 5 в верхнее положение, ролики 13 рычага 10 находятся на минимальном радиусе кулачка 12 и кулачка 11 (фиг. 5). Расстояние между поверхностью ролика 13 и внутренней поверхностью плеча рычага 10 постоянно. Профили кулачков 11 и 12 спроектированы так, что при уменьшении радиуса одного кулачка радиус другого увеличивается строго на эту величину. Если кулачок 12 поднимает рычаг 10, воздействуя на вилку рычага, то кулачок 11 опускает рычаг, воздействуя на ролик 13, перемещая поршень 5 в нижнее положение, перекрывая окно 8. Такт выпуска заканчивается, ролик 13 выходит на максимальный радиус Rmax кулачка 11 и катится по поверхности, определяемой радиусом R_max. При этом поршень 5 останавливается в нижнем положении, а основной поршень 2 из нижнего положения перемещается в верхнее, совершая такт сжатия. Днище поршня 2, донышко поршня 5 и степени головки цилиндров 4 на схеме фиг. 2 определяют минимальный объем камеры сгорания 6 с высотой H_min при такте сжатия. Когда поршень 2 находится в среднем положении между ВМТ и НМТ через форсунку 22 впрыскивается топливо в камеру сгорания 6, при перемещении поршня 2 в ВМТ происходит смешивание топлива и воздуха внутри цилиндра, затем эта смесь поджигается свечей 7, поршень 2 перемещается вниз, совершая работу - рабочий ход. Поршень 5 неподвижен, т.к. ролик 13 катится по поверхности кулачка 11, не перемещая рычаг 10. При начале подъема поршня 2 вверх (вернее немного ранее) открывается выпускной клапан, отработавшие газы удаляются из цилиндра через выпускной канал. Когда поршень 2 достигает ВМТ и начинает двигаться вниз, кулачок 12 вращающегося распределительного вала 14 начинает поднимать рычаг 10, профиль которого согласован с профилем кулачка 11, по которому ролик 13 начинает скатываться с R_max на R_min, позволяя рычагу 10 перемещать поршень 5 вверх на высоту R_max-R_min=h, что определяет ход поршня 5 и открывание окон 8, т.е. совершается последующий такт впуска, и работу двигателя с малой нагрузкой или на холостом ходу.

Положение второй опоры 15 рычага 10 в рабочей точке В положения вала 16 при изменении нагрузки изменяет объем дополнительной камеры сгорания от H_max до H_min (фиг. 4).

Предложенная конструкция двигателя, в котором реализован внутрицилиндровый впрыск топлива в камеру сгорания, имеет упрощенное устройство, осуществляющее одновременное регулирование мощности и степени сжатия при изменении нагрузки от холостого хода до максимальной и позволяет улучшить надежность и работоспособность механизма.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), использующим в виде рабочего тела смесь топлива с воздухом. В предложенном устройстве, содержащем по меньшей мере один основной цилиндр с возвратно-поступательно движущимся в нем и приводящим в движение коленчатый вал основным поршнем, головку основного цилиндра, по меньшей мере один размещенный в головке вспомогательный цилиндр с по меньшей мере одним окном впуска воздуха, выполненным на его поверхности, и возвратно-поступательно движущимся в нем вспомогательным поршнем, управляющим окном впуска и приводимым от коленчатого вала через кулачковой вал, камеру сгорания, образованную цилиндрами, поршнями и головкой, имеющую свечу зажигания, устройство управления положением вспомогательного поршня, выполненное в виде качающегося рычага вильчатой конструкции, одним концом связанного с вспомогательным поршнем через шатун и контактирующего с кулачками на кулачковом валу с одной стороны через ролик, с другой - непосредственно с вильчатой частью рычага и перемещаемый с помощью управляющего вала опоры другого конца вильчатого рычага, а также орган выпуска отработавших газов, выполненный в виде тарельчатых клапанов, расположенный в головке и управляемый кулачковым валом. Кроме того, в головке основного цилиндра выполнено отверстие для размещения форсунки для впрыска топлива. Изобретение обеспечивает повышение эффективных показателей двигателя: снижение расхода топлива на различных нагрузках до 30%, улучшение экологических характеристик двигателя с целью удовлетворения требований ЕВРО-4 к экологической чистоте двигателя и повышение надежности работы двигателя. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один основной цилиндр с возвратно-поступательно движущимся в нем и приводящим в движение коленчатый вал основным поршнем, головку основного цилиндра, по меньшей мере один размещенный в головке вспомогательный цилиндр с по меньшей мере одним окном впуска воздуха, выполненным на его поверхности, и возвратно-поступательно движущимся в нем вспомогательным поршнем, управляющим окном впуска и приводимым от коленчатого вала через распределительный вал, камеру сгорания, образованную цилиндрами, поршнями и головкой и имеющую свечу зажигания, устройство управления движением вспомогательного поршня, выполненное в виде качающегося рычага вильчатой конструкции, одним концом связанного с вспомогательным поршнем, а другим - контактирующего с кулачком управляющего вала, а также орган выпуска отработавших газов, (выполненный в виде тарельчатых клапанов), расположенный в головке и управляемый распределительным валом, отличающийся тем, что один конец качающегося рычага вильчатой конструкции связан с вспомогательным поршнем через шатун и контактирующий вильчатой частью с соосно закрепленным на распределительном валу по меньшей мере одним кулачком при помощи ролика, с другой - непосредственно с вильчатой частью рычага, а другое плечо связано при помощи вращающейся опоры с управляющим валом. 2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в головке цилиндра выполнено отверстие для размещения форсунки.