ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B33/22 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено в конструкциях двигателей внутреннего сгорания с системой впрыска горючей смеси в рабочий цилиндр.

Известен двигатель внутреннего сгорания (авторское свидетельство СССР N 97694 от 19.02.1951 г., МКИ F 02 B 19/02). Впрыск топлива в рабочий цилиндр этого двигателя осуществляется из компрессорного цилиндра, который соединен с рабочим цилиндром соединительным каналом через автоматический рабочий клапан с седлом. Поршни рабочего и компрессорного цилиндров связаны кинематически с коленчатым валом двигателя. В этом двигателе перекрытие соединительного канала производится за счет увеличения давления газа в рабочем цилиндре в момент воспламенения топлива. При этом из-за расположения клапана в зоне камеры сгорания снижается степень сжатия и происходит потеря мощности, конструктивно сложен привод компрессора.

Известен также двигатель (патент Российской Федерации N 2039877 от 01.03.1993 г. , МКИ F 02 B 33/22), который принят за прототип. Он содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, и компрессорный цилиндр с компрессорным поршнем. Последний также кинематически связан с коленчатым валом. Компрессорный цилиндр выполнен в едином блоке с рабочим цилиндром и сообщен с ним соединительным каналом через автоматический клапан отсечки с пружиной и седлом. Впускным каналом компрессорный цилиндр соединен с карбюратором. Между стенками компрессорных цилиндра и поршня установлена гильза с впускными окнами, сообщенными с впускным каналом. Клапан отсечки выполнен в виде стакана, расположенного соосно с компрессорным поршнем и обращенного дном к нему. Седло клапана отсечки образовано верхним торцом гильзы, выполненной из материала, более прочного, чем материал блока. Этот двигатель позволяет устранить потери мощности из-за работы клапана отсечки. Однако он также имеет недостатки. Применение карбюратора не обеспечивает качественного смесеобразования на всех режимах работы, особенно в многоцилиндровых двигателях. Расположение впускных окон в гильзе ограничено дугой окружности 180^o, что не позволяет увеличить суммарное проходное сечение окон. Продувка цилиндра через кривошипную камеру, традиционно применяемая в двухтактных двигателях, требует герметизации кривошипных камер, затрудняет качественную смазку кривошипно-шатунного механизма и приводит к значительным паразитным объемам в подпоршневом пространстве. Продувка цилиндров с помощью нагнетателей ведет к усложнению и к удорожанию двигателя, а также к потерям мощности.

Техническая задача, решаемая предлагаемой конструкцией двигателя, - улучшение его параметров.

Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, кинематически связанным с валом двигателя и изготовленный в едином блоке с рабочим цилиндром компрессорный цилиндр. В компрессорном цилиндре размещена гильза с впускными окнами, сообщенными с впускным каналом. Компрессорный цилиндр сообщен с рабочим цилиндром соединительным каналом через клапан отсечки, размещенным над гильзой соосно компрессорному цилиндру и выполненный в виде стакана с пружиной и седлом, которое образовано верхним торцом гильзы. Внутри гильзы установлен компрессорный поршень, кинематически связанный с рабочим поршнем. Клапан отсечки обращен дном к компрессорному поршню. В отличие от прототипа кинематическая связь рабочего и компрессорного поршней осуществлена с помощью механизмов, на штоках которых закреплены рабочий и компрессорный поршни. Компрессорный поршень установлен относительно рабочего поршня с возможностью опережения по фазе на 40...80^o поворота вала двигателя. Объем полости гильзы внутри компрессорного цилиндра составляет 5...30% рабочего объема рабочего цилиндра. Внутри компрессорного цилиндра, в его средней части выполнена кольцевая выточка, соединенная с впускным каналом. Окна в гильзе расположены по ее окружности против выточки в компрессорном цилиндре. На впускном канале установлено сообщающееся с ним устройство для подачи жидкого или газообразного топлива. В качестве механизмов, с помощью которых осуществлена кинематическая связь рабочего поршня с валом двигателя и с компрессорным поршнем, применены кривошипно-ползунные или бесшатунные механизмы. Свеча установлена соосно рабочему цилиндру. Соединительный канал расположен в верхней части компрессорного цилиндра. Проекция оси соединительного канала на плоскость продольного сечения рабочего и компрессорного цилиндров расположена под углом 20...60^o по отношению к продольной оси рабочего цилиндра. Вершина этого угла направлена в сторону головки рабочего цилиндра. Проекция оси соединительного канала на плоскость поперечного сечения цилиндров расположена под углом 15...40^o к оси поперечного сечения рабочего цилиндра, пресекающейся с продольной осью компрессорного цилиндра.

Под рабочим поршнем в рабочем цилиндре установлена диафрагма, снабженная в центральной части уплотнением, через которое пропущен шток механизма, с помощью которого осуществлена кинематическая связь рабочего поршня с валом двигателя. Наружный контур поверхности диафрагмы выполнен соответствующим внутреннему контуру поверхности рабочего поршня, а выпускной канал расположен выше диафрагмы. Надпоршневое пространство соединено продувочными каналами с подпоршневым пространством. Устройство для подачи жидкого или газообразного топлива выполнено в виде форсунки.

Такая совокупность известных и новых признаков обеспечивает улучшение параметров двигателя. Уменьшаются его вес и габаритные размеры, снижаются потери мощности двигателя и расход топлива.

Предлагаемая конструкция двигателя иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез двигателя, а на фиг. 2 - сечение А - А на фиг. 1.

Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр 1 с рабочим поршнем 2, кинематически связанным через шток 3 с валом двигателя и компрессорный цилиндр 5, изготовленный в едином блоке с рабочим цилиндром 1. Оси обоих цилиндров могут быть параллельны. В средней части компрессорного цилиндра 5 выполнена кольцевая выточка 21. В компрессорном цилиндре 5 размещена гильза 6 с впускными окнами 11, расположенными против кольцевой выточки 21 и сообщенными с впускным каналом 12, на котором установлено сообщающееся с ним устройство 13 для подачи жидкого или газообразного топлива, которое может быть выполнено в виде форсунки. Компрессорный цилиндр 5 сообщен с рабочим цилиндром 1 соединительным каналом 4 через клапан отсечки 8, размещенный над гильзой 6 соосно компрессорному цилиндру 5 и выполненный в виде стакана с пружиной 9 и седлом 10, которое образовано верхним торцом гильзы 6. Внутри гильзы 6 установлен компрессорный поршень 7. Клапан отсечки 8 обращен дном к компрессорному поршню 7, который кинематически связан с рабочим поршнем 2.

Кинематическая связь рабочего поршня 2 с компрессорным поршнем 7 и с валом двигателя осуществлена с помощью механизмов, на штоках 3 и 22 которых закреплены рабочий 2 и компрессорный 7 поршни. В качестве этих механизмов могут быть применены кривошипно-ползунные (см. Политехнический словарь // под ред. акад. А.Ю. Ишлинского. - Изд. "Советская энциклопедия". - 1980. - с. 250. . . 251) или бесшатунные механизмы (см. С.С. Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: "Машиностроение". - 1972. - с. 21, рис. 15 и 16 б). Компрессорный поршень 7 установлен относительно рабочего поршня с возможностью опережения по фазе на 40...80^o поворота вала двигателя. Объем полости гильзы 6 внутри компрессорного цилиндра 5 составляет 5... 30% рабочего объема рабочего цилиндра 1. Свеча 23 установлена соосно рабочему цилиндру 1. Соединительный канал 4 расположен в верхней части компрессорного цилиндра 5. Проекция оси соединительного канала 4 на плоскость продольного сечения рабочего 1 и компрессорного 5 цилиндров расположена под углом 20. . . 60^o по отношению к продольной оси рабочего цилиндра 1, причем вершина этого угла направлена в сторону головки 20 рабочего цилиндра 1. Проекция оси соединительного канала на плоскость поперечного сечения цилиндров 1 и 5 расположена под углом 15...40^o к оси поперечного сечения рабочего цилиндра 1, пересекающейся с продольной осью компрессорного цилиндра 5. Под рабочим поршнем 2 в рабочем цилиндре 1 установлена диафрагма 14. снабженная в центральной части уплотнением 15, через которое пропущен шток 3 механизма, с помощью которого осуществлена кинематическая связь рабочего поршня 2 с валом двигателя. Наружный контур поверхности диафрагмы 14 выполнен соответствующим внутреннему контуру поверхности рабочего поршня 2. Выше диафрагмы 14 расположен выпускной канал 19. Надпоршневое пространство над рабочим поршнем 2 соединено с подпоршневым пространством 16 продувочным каналом 18.

Применение для кинематической связи рабочего 2 и компрессорного 7 поршней кривошипно-ползунных или бесшатунных механизмов, обеспечивающих только поступательное движение штока 3, позволяет изолировать подпоршневое пространство 16 и использовать его для продувки рабочего цилиндра 1. Для этого применена диафрагма 14. Уплотнение 15 обеспечивает изоляцию подпоршневого пространства при движении штока 3 через диафрагму 14. Выполнение наружного контура диафрагмы 14 соответствующим внутреннему контуру поверхности рабочего поршня 2 позволяет уменьшить объем подпоршневого пространства за счет ликвидации неиспользуемых пространств в нем по прототипу. Возможность использования подпоршневого пространства 16 для продувки обеспечивается также расположением выпускного канала 19 выше диафрагмы 14 и соединением надпоршневого и подпоршневого 16 пространств продувочными каналами 18. Все это позволяет уменьшить габаритные размеры и вес двигателя.

Установка компрессорного поршня 7 относительно рабочего поршня 2 с возможностью опережения по фазе на 40...80^o поворота вала двигателя обеспечивает своевременное поступление горючей смеси в рабочий цилиндр 1, что повысит экономичность двигателя. При опережении более 80^o смесь окажется в рабочем цилиндре 1 еще до полного перекрытия выпускного канала 19, что приведет к потере топлива, менее 40^o - ухудшатся температурные условия работы клапана отсечки 8 вследствие необходимости более высокого размещения соединительного канала 4 в зеркале цилиндра.

При объеме полости гильзы 6 внутри компрессорного цилиндра 5 менее 5% рабочего объема рабочего цилиндра 1 ухудшится качество горючей смеси, при увеличении его более 30% рабочего объема рабочего цилиндра 1 снизится коэффициент полезного действия двигателя, так как увеличатся потери мощности на перекачивание смеси из компрессорного 5 в рабочий цилиндр 1.

Расположение соединительного канала 4 в верхней части компрессорного цилиндра 5 и направление вершины угла λ = 20...60^o между проекцией оси соединительного канала 4 на плоскость продольного сечения рабочего 1 и компрессорного 5 цилиндров и продольной осью рабочего цилиндра 1 в сторону головки 20 рабочего цилиндра 1 в сочетании с расположением проекции оси соединительного канала 4 на плоскость поперечного сечения цилиндров 1 и 5 под углом ψ = 15...40^o к оси поперечного сечения рабочего цилиндра 1, пересекающейся с продольной осью компрессорного цилиндра 5, обеспечивает впрыск горючей смеси в сторону запальной свечи 23, расположенной соосно рабочему цилиндру 1, в зону начала горения смеси, что обеспечивает расслоение струи горючей смеси и более полное ее сгорание. Это уменьшает расход топлива и повышает КПД двигателя. При λ < 20^o и ψ < 15^o расслоение горючей смеси затруднено, что приводит к повышению расхода топлива и снижению КПД двигателя. То же произойдет, если λ > 60^o или ψ > 40^o.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

При движении рабочего поршня 2 вверх под ним создается разрежение, вследствие чего атмосферный воздух через канал 17 устремляется в подпоршневое пространство. При перемещении поршня вниз канал 17 перекрывается и под поршнем 2 возникает избыточное давление. При последующем движении поршня 2 вниз его верхняя кромка открывает продувочный канал 18 и сжатый воздух из подпоршневого пространства устремляется в рабочий цилиндр 2, выталкивая продукты сгорания горючей смеси через выпускной канал 19. При ходе компрессорного поршня 7 вниз происходит всасывание топливно-воздушной горючей смеси богатого состава из впускного канала 12. Топливо поступает во впускной канал 12 из сообщающегося с ним устройства 13 для подачи жидкого или газообразного топлива, в качестве которого взята форсунка. Через впускные окна 11 гильзы 6 и через выточку 21 горючая смесь поступает в компрессорный цилиндр 5. В это время клапан отсечки 8 перекрывает своей боковой поверхностью соединительный канал 4 и герметизирует пространство над компрессорным поршнем 7. Во время движения компрессорного поршня 7 вверх происходит сжатие горючей смеси в пространстве над ним. При дальнейшем движении компрессорного поршня 7 вверх наступает момент, когда сила давления сжатой горючей смеси преодолевает усилие пружины 9, тарированной на заданную величину этого давления. Клапан отсечки 8 перемещается вверх и открывает соединительный канал 4. Горючая смесь нагнетается в рабочий цилиндр 1. Это происходит в момент окончания продувки рабочего цилиндра 1 воздухом из подпоршневого пространства 16. Затем рабочий поршень 2, перемещаясь вверх, перекрывает соединительный канал 4. От запальной свечи 23 воспламеняется горючая смесь в рабочем цилиндре 1, происходит рабочий ход поршня 2. При этом компрессорный поршень 7 также перемещается вниз. Давление над компрессорным поршнем 7 будет падать, пружина 9 вернет клапан отсечки 8 вниз, он сядет на торец гильзы 6 и перекроет соединительный канал 4. Затем цикл работы двигателя повторяется.

Выше было показано, что совокупность признаков предлагаемой конструкции двигателя обеспечивает технический эффект, который заключается в улучшении параметров двигателя: уменьшаются его габаритные размеры и вес, экономятся топливо и смазка, повышается КПД двигателя. Кроме того, все детали и узлы предлагаемого двигателя могут быть изготовлены с помощью известных и широко применяющихся в двигателестроении средств: литейного и металлорежущего оборудования. Следовательно, предлагаемая конструкция двигателя обладает промышленной применимостью.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с продувкой. Техническим результатом является улучшение экономичности двигателя, а также его удельных массогабаритных показателей. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр с поршнем и сообщенный с ним при помощи соединительного канала через клапан отсечки компрессорный цилиндр с гильзой и поршнем. Клапан отсечки выполнен в виде подпружиненного стакана, установленного на верхнем торце гильзы. Кинематическая связь рабочего и компрессорного поршней осуществлена с помощью штоковых, например кривошипно-ползунных, механизмов, при этом компрессорный поршень установлен с опережением рабочего поршня по фазе на 40-80^o поворота вала двигателя, а объем полости компрессорного цилиндра составляет 5-30% рабочего объема рабочего цилиндра. В средней части компрессорного цилиндра выполнена кольцевая выточка, соединенная с впускным каналом, а окна в гильзе расположены по ее окружности против выточки в компрессорном цилиндре, причем на впускном канале установлено сообщающееся с ним устройство для подачи жидкого или газообразного топлива. После окончания продувки воздухом рабочего цилиндра в него из компрессорного цилиндра под давлением поступает сжатая топливовоздушная смесь. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с рабочим поршнем, кинематически связанным с валом двигателя, изготовленный в едином блоке с рабочим цилиндром компрессорный цилиндр с размещенной в нем гильзой с впускными окнами, сообщенными с впускным каналом, причем компрессорный цилиндр сообщен с рабочим цилиндром соединительным каналом через клапан отсечки, размещенный над гильзой соосно компрессорному цилиндру и выполненный в виде стакана с пружиной и седлом, которое образовано верхним торцом гильзы, внутри гильзы установлен компрессорный поршень, кинематически связанный с рабочим поршнем, а клапан отсечки обращен дном к компрессорному поршню, отличающийся тем, что кинематическая связь рабочего и компрессорного поршней осуществлена с помощью механизмов, на штоках которых закреплены рабочий и компрессорный поршни, компрессорный поршень установлен относительно рабочего поршня с возможностью опережения по фазе на 40-80^o поворота вала двигателя, объем полости гильзы внутри компрессорного цилиндра составляет 5-30% рабочего объема рабочего цилиндра, внутри компрессорного цилиндра, в средней его части, выполнена кольцевая выточка, соединенная с впускным каналом, а окна в гильзе расположены по ее окружности против выточки в компрессорном цилиндре, причем на впускном канале установлено сообщающееся с ним устройство для подачи жидкого или газообразного топлива. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве механизмов, с помощью которых осуществлена кинематическая связь рабочего поршня с валом двигателя и с компрессорным поршнем, применены кривошипно-ползунные или бесшатунные механизмы. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что свеча установлена соосно рабочему цилиндру, соединительный канал расположен в верхней части компрессорного цилиндра, проекция оси соединительного канала на плоскость продольного сечения рабочего и компрессорного цилиндров расположена под углом 20-60^o по отношению к продольной оси рабочего цилиндра, причем вершина этого угла направлена в сторону головки рабочего цилиндра, а проекция оси соединительного канала на плоскость поперечного сечения цилиндров расположена под углом 15-40^o к оси поперечного сечения рабочего цилиндра, пересекающейся с продольной осью компрессорного цилиндра. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что под рабочим поршнем в рабочем цилиндре установлена диафрагма, снабженная в центральной части уплотнением, через которое пропущен шток механизма, с помощью которого осуществлена кинематическая связь рабочего поршня с валом двигателя, причем наружный контур поверхности диафрагмы выполнен соответствующим внутреннему контуру поверхности рабочего поршня, а выпускной канал расположен выше диафрагмы, причем надпоршневое пространство соединено продувочными каналами с подпоршневым пространством. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство для подачи жидкого или газообразного топлива выполнено в виде форсунки.