ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F02B15/00 F02B33/22 

Изобретение относится преимущественно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, а именно к организации рабочего процесса и процесса сгорания топлива, и может быть использовано для повышения их экономичности, сообщения свойства многотопливности.

В настоящее время известно три основных способа организации рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, реализуемых соответственно в двигателях с принудительным зажиганием (карбюраторные, инжекторные) и отличающиеся от них двигатели с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (дизели) и третий способ, реализованный в так называемом "двигателе Кушуля", в котором применена оригинальная система организации рабочего процесса, позволяющая при принудительном зажигании получать повышенные степени сжатия без риска детонационного сгорания топлива.

Двигатели с воспламенением от сжатия (дизели) вследствие повышенной степени сжатия обладают и повышенной экономичностью. Однако им присущи и определенные недостатки.

Топливо, которое в дизеле вспрыскивается в цилиндр отдельно от воздуха в конце такта сжатия, требует определенного времени для подготовки к сгоранию (перемешивание, испарение, нагрев до температуры вспышки) и это время ограничивает максимальные обороты дизельного двигателя, свыше которых у него наступает неполное сгорание и прекращение нормальной работы.

К тому же, задержка в воспламенении топлива приводит к накоплению неогоревшего топлива в цилиндре двигателя и последующему сгоранию сразу больших объемов топлива, что резко повышает на этом участке рабочего процесса скорости нарастания давления ("жесткая работа") и максимальное давление цикла, что в свою очередь требует больших запасов прочности основных деталей (коленвала, шатунов, поршней, картера и др.) и ведет к усложнению и утяжелению дизельного двигателя.

Кроме того, для дизелей необходима сложная и точная топливная аппаратура.

С целью ослабления недостатков, свойственных дизельному процессу, создаются различные типы топливной аппаратуры, разделенные камеры сгорания, предкамеры и другие известные способы и устройства. Они позволяют в некоторой степени компенсировать недостатки дизельного процесса, но принципиально разрешить их не в состоянии.

Процесс разработанный Кушулем позволяет в определенной степени объединить достоинства двигателей с принудительным зажиганием и дизельных двигателей. Этот известный способ заключается в том, что рабочий процесс осуществляется в двух, примерно равных по рабочему объему, цилиндрах двигателя, камеры сгорания которых соединены между собой тангенциально расположенным каналом. При этом в один из цилиндров засасывается чистый воздух, а во второй цилиндр засасывается сильно обогащенная горючая смесь, в которой топливо содержится в количестве, достаточном и для второго цилиндра. Таким образом, общий коэффициент избытка воздуха получается равным примерно единице или чуть больше.

Сжатие в обоих цилиндрах происходит одновременно. Значительно переобогащенная смесь допускает высокие степени сжатия, не подвергаясь детонации. В районе верхней мертвой точки с положенным опережением, горючая смесь в цилиндре, ее содержащем, поджигается. Следом в цилиндре с чистым воздухом поршень (из-за некоторого сдвига фаз в движении поршней) выталкивает чистый сжатый воздух через тангенциальный канал в цилиндр, где уже начала гореть богатая горючая смесь. Происходит интенсивное перемешивание чистого воздуха и горящей богатой горючей смеси и происходит быстрое сгорание всей порции топлива. Так как оба цилиндра соединены каналом, то расширение происходит в обоих цилиндрах.

Испытания подтвердили, что такой двигатель действительно работает без детонации на самых дешевых низкооктановых сортах бензина с высокими степенями сжатия без добавления тетраэтилсвинца и других антидетонаторов.

Двигателю Кушуля не нужна сложная топливная аппаратура дизельного типа, он обходится обычным карбюратором (возможно применение инжекторного впрыска). У двигателя Кушуля меньше против обычных двигателей и токсичность выхлопа.

Но испытания показали, что хотя двигатель Кушуля и имеет повышенную экономичность по сравнению с обычными двигателями с внешним смесеобразованием (примерно 200 г/л.с. час, против 220-250 у обычных двигателей), но дизельной экономичности он не дает.

Объясняется это тем, что два цилиндра, две головки имеют повышенную поверхность охлаждения и часть энергии через эти развитые поверхности уходит в систему охлаждения, не совершая полезной механической работы. Кроме того, часть энергии тратится на процессы перетекания в тангенциальном канале. Отмечается также и достаточно жесткая работа.

По этим и некоторым другим причинам, двигатель Кушуля пока применения не получил.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок из двух цилиндров с поршнями, коленчатым валом, головкой и камерой сгорания в ней, с форсунками для топлива и воды, воздушный и выхлопной трубопроводы. Воздушный трубопровод с установленным в нем воздушным клапаном размещен в головке двигателя и сообщен с полостью первого цилиндра, камера сгорания сообщена через впускной клапан с первым цилиндром, а выхлопной трубопровод через выхлопной клапан сообщен с полостью второго цилиндра установлен с отставанием от первого цилиндра (см. патент СССР № 1822465, кл. F 02 F 1/00 от 1991 г).

Недостатком этого двигателя является малоэффективная его работа. Наиболее близким к заявляемому техническим решением, принятым за прототип, является двигатель внутреннего сгорания, описанный в патенте РФ № 2015360, кл. F 02 B 15/00 от 1994 г.

Двигатель содержит рабочий и расширительный цилиндры, сообщенные с впускным и выпускным каналами через соответствующие клапаны и соединенные между собой при помощи перепускного канала, поршни, размещенные в цилиндрах, и кинематически связанные с коленчатым валом двигателя, паровую форсунку, установленную в рабочем цилиндре, и эжектор, расположенный в выпускном канале рабочего цилиндра, кроме того в перепускном канале установлена заслонка, кинематически связанная с коленчатым валом. Недостатком этого двигателя является малая топливная экономичность, то есть применяется бензин с одной присадкой, например, паром.

Кроме того, применяется сложная и точная топливная аппаратура.

Целью настоящего изобретения является повышение экономичности и организация рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания с сохранением простоты и достоинств двигателей с принудительным зажиганием (возможность получения высоких оборотов, "мягкая" работа), в сочетании с экономичностью дизеля.

В соответствии с изобретением цель достигается тем, что за пределами цилиндра двигателя готовится высококонцентрированная горючая смесь, в которой топливо смешивается с несущим газом и подается в цилиндр двигателя одноступенчатым компрессором высокого давления с необходимым для работы двигателя опережением в конце такта сжатия, вводится в камеру сгорания цилиндра двигателя, в котором сжат чистый воздух до давления и температуры, обеспечивающих самовоспламенение введенной высококонцентрированной горючей смеси.

В качестве несущего газа может применяться воздух, выхлопные газы, инертные газы, водяной, спиртовой пар, горючие газы и другие.

В зависимости от поставленных целей регулирования двигателя, состава применяемого топлива (бензин, спирт, керосин, солярка, мазут и др.) несущий газ на разных режимах может иметь разную температуру и состав.

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок из двух цилиндров, сообщенных между собой перепускным каналом, поршни, крышки цилиндры, коленчатый вал, камеру сгорания с выполненными в ней воздушным и выхлопными окнами.

Согласно изобретению крышка одного цилиндра выполнена в виде подпружиненного нагнетательного клапана для впуска горючей смеси, через перепускной канал в камеру сгорания другого цилиндра, при этом длина рабочего хода поршня первого цилиндра больше или равна расстоянию от днища поршня, расположенного в нижней мертвой точке до верхнего обреза этого цилиндра, который сообщен с устройством для приготовления горючей смеси, а последний соединен с устройством для подачи топлива в него.

Поверхность нагнетательного клапана, обращенного к поршню, повторяет форму днища этого поршня, а обе сопрягаемые поверхности поршень и нагнетательный клапан выполнены плоскими, при этом на сопрягаемой поверхности цилиндра с нагнетательным клапаном может быть установлено уплотнительное устройство.

Выполнение крышки одного из цилиндров в виде подпружиненного нагнетательного клапана для впуска горючей смеси через перепускной канал в камеру сгорания другого цилиндра, при этом длина рабочего хода поршня первого цилиндра больше или равна расстоянию от днища поршня, расположенного в нижней мертвой точке до верхнего обреза этого цилиндра, обеспечивает экономичность двигателя, простоту конструкции и дает возможность использовать в качестве горючей смеси различные виды топлив и их смеси (например, бензин, спирт, керосин, солярка, мазут и т.д.).

Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что отсутствуют технические решения, в которых имеется совокупность признаков, отличающих заявленное решение от прототипа.

Таким образом, совокупность признаков предложенного технического решения обеспечивает достижение поставленной цели и соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Предлагаемый двигатель представлен на чертежах.

Фиг.1. Общий вид устройства двигателя внутреннего сгорания.

Фиг.2. Изображено положение обоих поршней, движущихся к нижней мертвой точке (НМТ).

Фиг.3. Изображено положение поршней в НМТ, при котором в цилиндре происходит продувка, а в цилиндре происходит наполнение горючей смесью.

Фиг.4. Изображено положение, при котором выхлопные окна цилиндра и впускные окна цилиндра закрыты.

Фиг.5. Изображено положение, при котором оба поршня находятся в верхней мертвой точке (ВМИ).

Двигатель внутреннего сгорания состоит из блока двух цилиндров, 1 и 2. Цилиндр 1 двигателя с поршнем 3 и крышкой 4, и цилиндр 2 для сжигания горючей смеси с поршнем 5 и крышкой 6. Крышка 6 цилиндра 2 выполнена в виде подпружиненного клапана для впуска горячей смеси через перепускной канал 7 в камеру сгорания и 8 цилиндра 1. При этом длина L (см. фиг.3 и 5) рабочего хода поршня 5 больше или равна расстоянию 1 от днища этого поршня 5, расположенного в нижней мертвой точке до верхнего обреза цилиндра 2. Оба поршня 3 и 5 кинематически связаны с валом 9, например коленчатым.

В цилиндре 1 выполнены воздушный 10 и выхлопной 11 окна. Цилиндр 2 сообщен с устройством 12 приготовления горючей смеси, например карбюратор, форсунка и т.п.

Устройство 12 соединено с устройством 13 подачи топлива, например насос и т.д.

Кроме этого устройство 12 приготовления горючей смеси содержит в себе элементы 14 для подготовки несущего газа, способных дозировать и смешивать газы.

Поверхность "а" нагнетательного клапана 6, обращенная к поршню 5, повторяет его форму, а обе сопрягаемые поверхности - поршень 5 и клапан 6 выполнены плоскими в нашем примере, могут быть коническими и т.д.

Сопрягаемые поверхности цилиндра 2 с клапаном 6 составляют запирающее устройство, выполненное любым известным способом, например в виде притертых плоских или конических поверхностей.

Работа двигателя внутреннего сгорания.

Пояснение работы дается на примере двухтактного двигателя. Но описываемое устройство применимо и на четырехтактных двигателях, только в этом случае поршень 5 должен совершать один ход в расчете на два хода поршня двигателя, с тем чтобы подавать порцию горючей смеси синхронно с рабочим процессом двигателя, в момент, близкий к окончанию такта сжатия.

На фиг.2 изображено положение, при котором оба поршня (поршень двигателя 3 и поршень 5) движутся к нижней мертвой точке, при этом в цилиндре 1 двигателя совершатся рабочий ход, а в цилиндре 2 происходит разрежение.

На фиг.3 изображено положение, при котором в цилиндре 1 двигателя происходит продувка, а в цилиндре 2 происходит наполнение его горючей смесью. При этом в зависимости от состава топлива и целей регулирования, из устройства для подготовки несущего газа 14 могут подаваться различные газы и их сочетания (выхлопные газы, водяной пар, горючие газы, инертные газы и т.д.). В процессе смешивания и подготовки они могут до входа в цилиндр 2 подогреваться или наоборот охлаждаться. На фиг.4 изображен момент, при котором выхлопные окна 11 цилиндра 1 двигателя и впускные окна 16 цилиндра 2 закрыты соответствующими поршнями и в обоих цилиндрах осуществляется сжатие. В цилиндре 1 двигателя чистого воздуха, а в цилиндре 2 горючей смеси, при этом оба цилиндра разобщены посредством нагнетательного клапана 6.

На фиг.5 изображен момент, когда процесс сжатия практически закончился, поршень 5 уперся в тарелку нагнетательного клапана 6 и поднял его, воя горючая смесь при этом оказывается поданой, "впрыснутой" в цилиндр 1 двигателя. Температура в конце сжатия обеспечивает самовоспламенение горючей смеси.

При дальнейшем движении деталей двигателя поршень 5 и поршень 3 пойдут вниз. При этом нагнетательный клапан 6 сядет под действием пружины 17 на запорный элемент цилиндра 2 и далее цикл повторится, как описано выше, начиная с фиг.2.

Такая организация рабочего процесса по сравнению с дизелем дает следующие преимущества.

1. Упрощается топливная аппаратура, так как не требуется точно изготовленных насосов высокого давления и форсунок.

2. На подготовку горючей смеси к сгоранию отводится много времени (весь цикл сжатия), за которое топливо полностью переводится в газообразную фазу, прогревается за счет сжатия и предварительного подогрева, что обеспечивает малую задержку самовоспламенения.

Снижению времени задержки самовоспламенения содействует и то, что сжатая горючая смесь, вытекая из щели, образуемой нагнетательным клапаном 6 и цилиндром 2, обладает высокой энергией и поэтому хорошо перемешивается с воздушным зарядом в камере сгорания 8 цилиндра 1 двигателя.

3. За счет применения в качестве несущего газа различных газообразных смесей появляется возможность изменять характеристики сгорания горючей смеси в цилиндре двигателя и влиять на состав выхлопных газов.

Например, в случае применения в качестве несущего газа нейтрального газа или, что проще, выхлопных газов, скорость нарастания давления будет уменьшаться.

Известно также, что подмешивание в топливо воды в виде эмульсии во многих случаях улучшает полноту сгорания и уменьшает нагарообразование (уменьшается сажеобразование). Такой же эффект дает и подмешивание водорода в горючую смесь.

В предлагаемом изобретении для оптимальной реализации упомянутых и других эффектов, складываются наиболее благоприятные условия, так как все эти компоненты можно дозировать, сообразуясь с режимом работы двигателя, и усиливать взаимное влияние применяемых компонентов и топлива, образующих горючую смесь.

По сравнению с процессом, предложенным Кушулем, предлагаемый процесс обеспечивает следующие преимущества.

Конструктивные.

1. Упрощается сам двигатель, так как в этом случае цилиндр 2 может быть заметно меньше цилиндра 1 двигателя.

2. Исключается система зажигания, так как в двигателе происходит воспламенение от сжатия.

3. Упрощается система топливопитания, так как в предлагаемом изобретении регулирование мощности двигателя производится регулированием количества подаваемого топлива и поддерживать нужное количество и качество горючей смеси не требуется.

Другими словами, в предлагаемом изобретении не требуется карбюратор (или эжектор), как агрегат, поддерживающий необходимое для каждого режима количество и качество рабочей смеси.

Характеризующие сам процесс.

4. В предлагаемом изобретении остается близкой к обычной по величине поверхность камеры сгорания и головки (в двигателе Кушуля, как указывалось выше, она увеличена) и по этой причине отсутствуют повышенные потери, связанные с увеличенной поверхностью головок цилиндров двигателя.

5. В предлагаемом процессе также отсутствуют и потери, связанные с перетеканием значительных количеств рабочего тела через перепускной канал 7, связывающий цилиндры в двигателе Кушуля.

6. Предлагаемый процесс позволяет в широких пределах изменять характеристики процесса сгорания через изменение состава несущего газа.

7. В соответствии со всем выше изложенным, двигатель, выполненный в соответствии с предлагаемым изобретением, обладает и повышенной, в сравнении с известным двигателем, топливной экономичностью.

8. По сравнению и с дизельным двигателем, и другими известными двигателями двигатель, выполненный в соответствии с предлагаемым изобретением, обладает и меньшей токсичности выхлопных газов.

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к поршневым двигателям внутреннего сгорания. ДВС состоит из блока двух цилиндров. Цилиндр двигателя с поршнем и крышкой и цилиндр для сжатия горючей смеси с поршнем и подпружиненным клапаном для впуска горючей смеси через перепускной канал в камеру сгорания первого цилиндра. При этом длина рабочего хода поршня больше или равна расстоянию от днища поршня, расположенного в нижней мертвой точке, до верхнего обреза цилиндра. Оба поршня кинематически связаны с коленчатым валом. Цилиндр сообщен с устройством приготовления горючей смеси, а последний соединен с устройством подачи топлива. Изобретение обеспечивает повышение экономичности, упрощение конструкции и использование различных видов топлива. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок из двух цилиндров, сообщенных между собой перепускным каналом, поршни, коленчатый вал, крышки цилиндров, камеру сгорания с выполненными в ней воздушными и выхлопными окнами, отличающийся тем, что крышка одного цилиндра выполнена в виде подпружиненного нагнетательного клапана для впуска горючей смеси через перепускной канал в камеру сгорания другого цилиндра, при этом длина рабочего хода поршня первого цилиндра больше или равна расстоянию от днища поршня, расположенного в нижней мертвой точке, до верхнего обреза этого цилиндра, который сообщен с устройством для приготовления горючей смеси, а последний сообщен с устройством для подачи топлива в него.2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что поверхность нагнетательного клапана, обращенная к поршню, повторяет его форму, а обе сопрягаемые поверхности - поршень с нагнетательным клапаном выполнены плоскими.3. Двигатель внутреннего сгорания по п.2, отличающийся тем, что на сопрягаемых поверхностях цилиндра с нагнетательным клапаном выполнено запорное устройство.