СПОСОБ СЖАТИЯ ВОЗДУШНО-ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ С ДОСЖАТИЕМ ДО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ, СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ГАЗОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ЭКСЦЕНТРИК МЕХАНИЗМА ДОСЖАТИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК F02B33/14 F02D15/04 

Изобретения относятся к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, коленчатый вал, камеру сгорания, впускной клапан воздушно-топливной смеси в камеру сгорания, впускной продувочный клапан сжатого воздуха, выпускной продувочный клапан, свечу зажигания, цилиндры с двухцилиндровым поршнем (патент США 1722201, F 02 В 33/14, 1928). В этом изобретении описан и способ сжатия воздушно-топливной смеси в камере сгорания поршнем с помощью компрессора, объем которого разграничивается от объема камеры сгорания. Это изобретение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком изобретения является неэффективный способ использования горячих газов высокого давления, образовавшихся в результате сгорания сжатой воздушно-топливной смеси.

Задачей изобретения является более совершенная конструкция двигателя внутреннего сгорания и более эффективный способ использования горячих газов высокого давления.

Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания содержит двухцилиндровый пирамидальный поршень, состоящий из поршня-компрессора и рабочего поршня уменьшенного диаметра ("пальчикового" поршня), находящегося в цилиндре уменьшенного диаметра с соответственно уменьшенным рабочим объемом, который не позволяет создать в камере сгорания необходимую для воспламенения от сжатия величину степени сжатия воздушно-топливной смеси, для чего двигатель снабжен поршнем-компрессором и механизмом досжатия воздушно-топливной смеси. Из-за своего уменьшенного диаметра рабочий поршень не может создать резкий перепад давления в камере сгорания, из-за чего невозможно достичь воспламенения воздушно-топливной смеси в камере сгорания в нужный момент, поэтому двигатель снабжен механизмом досжатия воздушно-топливной смеси, который позволяет достичь воспламенения воздушно-топливной смеси в камере сгорания даже после прохождения внутренней (верхней) мертвой точки рабочим поршнем, что также гарантирует отсутствие преждевременной детонации.

Поставленная задача решается за счет нового способа сжатия воздушно-топливной смеси в камере сгорания до воспламенения: рабочим поршнем, поршнем досжатия воздушно-топливной смеси, у которых объемы цилиндров постоянно сообщаются с объемом камеры сгорания и поршнем-компрессором, объем которого разграничивается от объема камеры сгорания, который отличается тем, что сжатие воздушно-топливной смеси в камере сгорания создают рабочим поршнем, поршнем-компрессором, поршнем досжатия воздушно-топливной смеси до достижения рабочим поршнем внутренней (верхней) мертвой точки (ВМТ), а досжатие воздушно-топливной смеси до воспламенения создают только поршнем досжатия воздушно-топливной смеси после прохождения рабочим поршнем внутренней (верхней) мертвой точки.

И соответственно, за счет нового способа использования горячих газов высокого давления, образовавшихся после воспламенения сжатой воздушно-топливной смеси. Горячие газы высокого давления двигают только рабочий поршень в соответствующем цилиндре, в то время, когда поршень досжатия воздушно-топливной смеси находится в нижней мертвой точке, не двигаясь и удерживая объем камеры сгорания минимальным.

Такой режим работы двигателя с поздним воспламенением воздушно-топливной смеси задан с целью уменьшения механической нагрузки на коленчатый вал, шатун и цилиндропоршневую группу во время воспламенения воздушно-топливной смеси и гарантирует отсутствие преждевременной детонации в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Происходит это благодаря конфигурации эксцентрика механизма досжатия, при которой поршень досжатия воздушно-топливной смеси приходит в нижнюю мертвую точку, максимально уменьшая объем камеры сгорания в то время, когда рабочий поршень уже прошел верхнюю мертвую точку, и поршень досжатия воздушно-топливной смеси находится в нижней мертвой точке, не двигаясь, от момента воспламенения воздушно-топливной смеси до момента выпуска отработанных газов.

В прототипе, как и в других обычных двигателях внутреннего сгорания, при воспламенении максимально сжатой воздушно-топливной смеси, при нахождении рабочего поршня в верхней мертвой точке возникает Бермудский треугольник:
1. отсутствие скорости у рабочего поршня в момент его нахождения в верхней мертвой точке;
2. отсутствие рычага воздействия на ось коленчатого вала;
3. превращение рабочего поршня в тормоз, так как при воспламенении газы высокого давления распирают поршневые кольца давлением в сотни килограммов и они тормозят, создавая трение с гильзой цилиндра, к тому же рабочий поршень не работает на создание крутящего момента в этот момент.

Тогда как в заявленном изобретении рабочий поршень имеет:
1. скорость движения рабочего поршня при воспламенении максимально сжатой воздушно-топливной смеси;
2. рычаг воздействия на ось коленчатого вала при воспламенении максимально сжатой воздушно-топливной смеси;
3. торможение поршневых колец на скорости движения рабочего поршня, ощутимо гораздо меньше.

Из чего следует, что в заявленном изобретении нет Бермудского треугольника.

Двухцилиндровый поршень называется пирамидальным, так как он состоит из двух поршней, находящихся в двух цилиндрах, поршни имеют разные диаметры, выполняют разные функции, но представляют из себя двухцилиндровый поршень, в устройстве которого содержится принцип построения пирамиды - над поршнем большего диаметра расположен поршень меньшего диаметра.

Рабочий поршень пирамидального поршня называется "пальчиковым" поршнем, так как он имеет уменьшенный диаметр, находится в соответствующем цилиндре c уменьшенным диаметром и соответственно уменьшенным рабочим объемом, который не позволяет самостоятельно создать необходимую /расчетную/ величину степени сжатия воздушно-топливной смеси в камере сгорания.

В заявленном изобретении работает эффективная система использования горячих газов высокого давления, полученных в результате сгорания топлива. Горячие газы высокого давления воздействуют на рабочий поршень в соответствующем цилиндре уменьшенного диаметра c соответственно уменьшенным рабочим объемом, изначально имея рычаг воздействия на ось коленчатого вала, что приводит к экономии топлива. Чем эффективней используются горячие газы высокого давления, тем меньше расходуется топлива для получения этих газов.

На фиг.1 изображен двигатель внутреннего сгорания (дизель) с пирамидальным поршнем и механизмом досжатия воздушно-топливной смеси, пирамидальный поршень находится в положении ВМТ, поршень досжатия воздушно-топливной смеси находится в положении близком к положению максимального досжатия воздушно-топливной смеси;
на фиг.2 - эксцентрик механизма досжатия;
на фиг.3 - пирамидальный поршень.

Двигатель внутреннего сгорания с пирамидальным поршнем (дизель), содержит картер 1, коленчатый вал 2, шатун 3 соединенный с штоком 4 шатунно-штоковым пальцем 5 внутри сквозного шатунно-штокового поршня 6 плунжерного типа, скользящего в цилиндре 7 так же, как и поршень-компрессор 8 воздуха с поршневыми кольцами 9, соединенный с штоком 4 штоково-поршневым пальцем 10 и имеющий камеру 11 сжатия воздуха, который поступает через впускной клапан 12, а выходит в сжатом виде через канал 13 поступления сжатого воздуха в камеру 23 сгорания. Поршень-компрессор 8 является частью пирамидального поршня 14, его вторая часть - рабочий поршень 15 с поршневыми кольцами 16, работающий в цилиндре 17 и проходящий через сальник 18, который смазывается через подвод 19 системы смазки так же, как и поршневые кольца 16 рабочего поршня 15, горячие газы, частично проникающие из камеры 23 сгорания через поршневые кольца 16 рабочего поршня 15, выходят вместе с отработанным маслом через канал 20 отвода горячих газов и отработанного масла, с уловителем 21 масла с масляным фильтром 22, через который масло попадет в картер 1, подвод 19 системы смазки и канал 20 отвода горячих газов и отработанного масла, находятся в цилиндре 17 рабочего поршня 15 между сальником 18 и НМТ поршневых колец 16 рабочего поршня 15, камеру 23 сгорания, в которую сжатый воздух поступает через впускной клапан 24 воздуха и топлива так же, как и топливо через форсунку 25, находящуюся в подклапанном пространстве впускного клапана 24 воздуха и топлива, рядом с выходом канала 13 поступления сжатого воздуха. Топливо подается через канал 26 поступления топлива из топливного насоса 27, газы из камеры 23 сгорания выходят через выпускной клапан 28 отработанных газов. В состав двигателя так же входит механизм досжатия воздушно-топливной смеси, который содержит головку 29 цилиндра, поршень 30 досжатия воздушно-топливной смеси с поршневыми кольцами 31, выход 32 газов, частично проникающих через поршневые кольца 31 из камеры 23 сгорания, распределительный вал 33 с эксцентриком 34, а - осевая распределительного вала.

Двигатель внутреннего сгорания с пирамидальным поршнем (дизель) работает в двухтактном режиме.

На фиг. 1 пирамидальный поршень 14 находится в ВМТ, поршень 30 досжатия воздушно-топливной смеси находится в положении, близком к максимальному досжатию воздушно-топливной смеси. В это время эксцентрик 34 механизма досжатия воздействует на тыльную часть поршня 30 досжатия точкой К - Фиг.2. Когда пирамидальный поршень 14 пройдет ВМТ, совместно работающий с коленчатым валом 2 распределительный вал 33 установит эксцентрик 34 на тыльную часть поршня 30 досжатия, точкой Е - Фиг.2, т.е. в этот момент объем камеры 23 сгорания максимально уменьшится.

Одновременно откроется впускной клапан 12 воздуха в камеру 11 поршня-компрессора 8, клапаны 24 и 28 закрыты, подвод 19 системы смазки закрыт. Пирамидальный поршень 14 продолжает двигаться из ВМТ к НМТ. Эксцентрик 34 в это время воздействует на тыльную часть поршня 30 досжатия поверхностью Е-Н-Т - Фиг.2, удерживая объем камеры 23 сгорания минимальным, когда пирамидальный поршень 14 приблизится к НМТ, эксцентрик 34 будет воздействовать на тыльную часть поршня 30 досжатия точкой Т - Фиг.2, откроется выпускной продувочный клапан 28 загазованной смеси из камеры 23 сгорания. НМТ пирамидального поршня 14 соответствует воздействию эксцентрика 34 на тыльную часть поршня 30 досжатия точкой А - Фиг.2. В этот момент включается подвод 19 системы смазки, закрывается впускной клапан 12 воздуха в камеру 11 поршня-компрессора 8, пирамидальный поршень 14 начинает двигаться из НМТ к ВМТ, открывается впускной клапан 24 и сжатый воздух из камеры 11 через канал 13 поступления сжатого воздуха начинает продувать камеру 23 сгорания через выпускной клапан 28. Соответственно движению пирамидального поршня 14 из НМТ к ВМТ. Эксцентрик 34 воздействует на тыльную часть поршня 30 досжатия поверхностью A-B-K - Фиг.2. Когда пирамидальный поршень 14 пройдет половину пути из НМТ к ВМТ, камера 23 сгорания полностью очистится и выпускной клапан 28 закроется, в это время эксцентрик 34 воздействует на тыльную часть поршня 30 досжатия точкой В - Фиг.2, что соответствует верхней мертвой точке поршня 30 досжатия, топливный насос 27 через канал 26 поступления топлива и форсунку 25 подает порцию топлива в камеру 23 сгорания, сжатый воздух, не перестававший поступать в камеру 23 сгорания, помогает топливу не задерживаться в подклапанном пространстве и мелкодисперсная воздушно-топливная смесь заполняет камеру 23 сгорания.

Когда пирамидальный поршень 14 достигнет ВМТ, закрывается подвод 19 системы смазки поршневых колец 16 и сальника 18, топливный насос 27 прекращает подачу топлива, впускной клапан 24 закрывается, эксцентрик 34 воздействует на тыльную часть поршня 30 досжатия точкой К - Фиг.2. Объем камеры 23 сгорания становится близким к минимальному, степень сжатия воздушно-топливной смеси достигает величины более 10, но менее 12-14, т.е. является недостаточной для воспламенения. Когда пирамидальный поршень 14 пройдет ВМТ, эксцентрик 34 воздействует на тыльную часть поршня 30 досжатия точкой Е - Фиг.2, в этот момент степень сжатия воздушно-топливной смеси в камере 23 сгорания достигает максимальной, т. е. более 12-14 и является достаточной для воспламенения. Происходит воспламенение и сгорание воздушно-топливной смеси в камере 23 сгорания, воздух через впускной канал 12 поступает в камеру 11 компрессора. Пирамидальный поршень 14 продолжает двигаться из ВМТ к НМТ, эксцентрик 34 удерживает объем камеры 23 сгорания минимальным, воздействуя на тыльную часть поршня 30 досжатия поверхностью Е-Н-Т - Фиг.2. Горячие газы высокого давления, частично проникающие через поршневые кольца 16 рабочего поршня 15, вместе с отработанным маслом попадают в систему 20 отвода горячих газов и отработанного масла, масло попадает в картер 1. При подходе пирамидального поршня 14 к НМТ открывается выпускной клапан 28 отработанных газов из камеры 23 сгорания, этот момент соответствует моменту воздействия эксцентрика 34 на тыльную часть поршня 30 досжатия точкой Т - Фиг.2. Рабочий цикл продолжается.

Из рабочего цикла следует, что эксцентрик 34 механизма досжатия, воздействующий на поршень 30 досжатия воздушно-топливной смеси, имеет конфигурацию поверхности, при которой поршень 30 досжатия воздушно-топливной смеси приходит в нижнюю мертвую точку, делая объем камеры 23 сгорания минимальным в то время, когда рабочий поршень 15 уже прошел внутреннюю (верхнюю) мертвую точку. А так же, эксцентрик 34 механизма досжатия имеет конфигурацию поверхности, при которой поршень 30 досжатия воздушно-топливной смеси приходит в нижнюю мертвую точку, делая объем камеры 23 сгорания минимальным, и находится в нижней мертвой точке от момента воспламенения сжатой воздушно-топливной смеси до момента выпуска отработанных газов.

Мелкодисперсный воздушно-топливный аэрозоль, распространяясь в камере 23 сгорания во время впрыска топлива, является так же смазкой для поршневых колец 31 поршня 30 досжатия воздушно-топливной смеси.

Для преобразования поступательного движения пирамидального поршня 14 во вращательное движение коленчатого вала 2 применен шатунно-штоковый механизм, состоящий из штока 4, который соединен с пирамидальным поршнем 14 штоково-поршневым пальцем 10, сквозного шатунно-штокового поршня 6 плунжерного типа с "зеркальной" внешней поверхностью. Шток 4 и шатун 3 соединяются внутри сквозного шатунно-штокового поршня 6 посредством шатунно-штокового пальца 5. Поршневые кольца 9 поршня 8 компрессора и сквозной шатунно-штоковый поршень 6 работают по отдельным участкам поверхности цилиндра 7.

В состав двигателя внутреннего сгорания входит пирамидальный поршень - Фиг. 3, который содержит: поршень- компрессор 8, рабочий поршень 15 с "зеркальной" боковой поверхностью, конструктивно выполненный из стали, с круглой площадкой 37, залитой алюминиевым сплавом, из которого сделан поршень-компрессор 8, место 35 расположения штоково-поршневого пальца 10, место 36 расположения поршневых колец 9 поршня 8 компрессора, место 38 расположения поршневых колец 16 рабочего поршня 15.

В качестве сальника 18, через который проходит рабочий поршень 15, можно использовать поршневое кольцо или несколько поршневых колец с внутренней рабочей поверхностью.

Заявленные изобретения: способ сжатия воздушно-топливной смеси с досжатием до воспламенения, способ использования горячих газов высокого давления и эксцентрик механизма досжатия (варианты) - можно применять в других конструкциях двигателей внутреннего сгорания, с любыми поршнями.

Изобретения относятся к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. В ДВС применен новый способ сжатия воздушно-топливной смеси до воспламенения в одной камере сгорания рабочим поршнем, поршнем досжатия воздушно-топливной смеси, у которых объемы цилиндров постоянно сообщаются с объемом камеры сгорания, и поршнем-компрессором, у которого объем цилиндра разграничивается от объема камеры сгорания, отличающийся тем, что сжатие воздушно-топливной смеси в камере сгорания создают до достижения рабочим поршнем ВМТ, а досжатие воздушно-топливной смеси до воспламенения создают только поршнем досжатия воздушно-топливной смеси, после прохождения ВМТ рабочим поршнем, что гарантирует отсутствие преждевременной детонации и эффективное использование горячих газов высокого давления, так как газы высокого давления воздействуют на рабочий поршень уменьшенного диаметра в соответствующем цилиндре уменьшенного диаметра, при наличии рычага воздействия на ось коленчатого вала в момент воспламенения максимально сжатой воздушно--топливной смеси, в то время, когда поршень досжатия удерживает объем камеры сгорания минимальным от момента воспламенения максимально сжатой воздушно-топливной смеси до момента выпуска отработанных газов, в результате чего достигается экономия топлива. 4 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ сжатия воздушно-топливной смеси с досжатием до воспламенения в двигателе с рабочим поршнем и поршнем досжатия воздушно-топливной смеси, отличающийся тем, что воздушно-топливную смесь сжимают до достижения рабочим поршнем внутренней (верхней) мертвой точки, а досжатие воздушно-топливной смеси до воспламенения создают поршнем досжатия воздушно-топливной смеси после прохождения рабочим поршнем внутренней (верхней) мертвой точки. 2. Способ использования горячих газов высокого давления в двигателе внутреннего сгорания с рабочим поршнем и поршнем досжатия воздушно-топливной смеси, на которые воздействуют горячие газы высокого давления, образовавшиеся после воспламенения сжатой воздушно-топливной смеси, отличающийся тем, что сжатую воздушно-топливную смесь воспламеняют после прохождения рабочим поршнем внутренней (верхней) мертвой точки и горячие газы высокого давления двигают рабочий поршень, а поршень досжатия воздушно-топливной смеси находится в нижней мертвой точке, не двигаясь до момента выпуска отработанных газов. 3. Эксцентрик механизма досжатия воздушно-топливной смеси, воздействующий на поршень досжатия воздушно-топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащего также рабочий поршень, отличающийся тем, что имеет конфигурацию поверхности, при которой поршень досжатия воздушно-топливной смеси приходит в нижнюю мертвую точку, делая объем камеры сгорания минимальным в то время, когда рабочий поршень уже прошел внутреннюю (верхнюю) мертвую точку. 4. Эксцентрик механизма досжатия воздушно-топливной смеси, воздействующий на поршень досжатия воздушно-топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащего также рабочий поршень, отличающийся тем, что имеет конфигурацию поверхности, при которой поршень досжатия воздушно-топливной смеси приходит в нижнюю мертвую точку, делая объем камеры сгорания минимальным, и находится в нижней мертвой точке от момента воспламенения сжатой воздушно-топливной смеси до момента выпуска отработанных газов.