ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания и в первую очередь к двигателям с изменяемой комбинацией тактов.
Известна конструкция поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающая цилиндр, поршень, кривошипно-шатунный механизм, клапаны впуска и выпуска с кулачковым приводом (см. патент РФ.252 9982).
Данная конструкция хотя и позволяет перестроить работу двигателя с четырехтактного на двухтактный режим работы, но достигается это за счет сложного и ненадежного механизма кулачкового привода.
Известна конструкция поршневого двигателя, состоящего из цилиндра, поршня, клапанной коробки с клапанами впуска и выпуска, кривошипно-шатунного механизма движения и связанного с ним траверсного механизма (см. патент РФ 225 6085).
Несмотря на то, что в двигателе за счет конструкции траверсного механизма кинематика поршня была значительно усовершенствована и обеспечивает регулирование степени сжатия при одновременном снижении реакции в опорах и сил инерции второго порядка, двигатель отличает конструктивная сложность, трудность отладки и эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности является поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршень с уплотнительными кольцами, расположенный в цилиндре и соединенный с кривошипно-шатунным механизмом движения, клапанную коробку со свечой зажигания и форсункой для топлива, клапаном впуска и клапаном выпуска, гидравлический привод клапанов, систему наддува воздуха (см. Osborne R.J., Stokes J., Lake Т.Н. Development of a TWO-Stroke/Four-Stroke Switching Gasoline Engine- The 2/4SIHT Concept. SAE Technical Paper Series, March 2005. Paper 2005-01-1137).
В указанной конструкции двигателя, разработанной компанией Ricardo, переход о т четырехтактного цикла работы на двухтактный цикл и обратно осуществляется за счет системы электрогидравлического привода клапанов, который имеет ряд недостатков, а именно:
- возможность появления гидроударов;
- нарушение работы клапанов в случае попадания газовой среды в систему гидропривода;
- конструктивная сложность всей системы.
Отмеченные недостатки снижают эксплуатационную надежность двигателя внутреннего сгорания.
Другой недостаток указанной конструкции двигателя, который характерен для всех поршневых двигателей, заключается в потере мощности, расходуемой на привод клапанного механизма и особенно на трение между поршневыми кольцами и цилиндром, составляющие от 60% до 80% от всех механических потерь в двигателе.
Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Решение задачи обеспечено тем, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем поршень с уплотнительными кольцами, расположенный в цилиндре и соединенный с кривошипно-шатунным механизмом движения, клапанную коробку со свечой зажигания и форсункой для топлива, клапаном впуска 5 и клапаном выпуска 12, привод клапанов, систему наддува воздуха. В поршне смонтирован клапан выпуска 12 нормально открытого типа и шарнирный узел с каналами для прохода рабочей среды, который посредством гибкого штока соединен с крейцкопфом механизма движения, проходящим через клапан впуска, установленный в клапанной коробке соосно цилиндру, при этом клапан впуска 5 снабжен электромагнитом, а на штоке клапана установлен упор, обеспечивающий механическое открытие клапана от крейцкопфа, кроме того к цилиндру со стороны противоположной клапанной коробке подсоединена крышка, в которой выполнен канал выхода отработавших газов и установлен электромагнит, взаимодействующий со штоком клапана выпуска, при этом на штоке выполнен упор, обеспечивающий механическое открытие клапана при посадке упора на поверхность крышки, а на самом клапане выпуска выполнен выступ, ограничивающий подъем клапана в открытом положении, а кроме того уплотнение между поршнем и цилиндром выполнено лабиринтно-щелевого типа.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».
Конструкция предлагаемого поршневого двигателя внутреннего сгорания поясняется с помощью рисунка. Двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2, гибкий шток 3, шарнирно закрепленный в поршне, крейцкопф 4 механизма движения, клапан впуска 5, установленный соосно цилиндру 1 в клапанной коробке 6, при этом в штоке 7 клапана впуска 5 выполнен канал 8 для прохода гибкого штока 3 и упор 9, с помощью которого регулируется зазор до крейцкопфа, обеспечивающий механическое открытие клапана впуска 5 при подходе поршня 2 к НМТ, а кроме того клапан впуска 5 снабжен электромагнитом 10, первоначальное закрытое положение его обеспечивается с помощью пружины 11. В поршне 2 двигателя смонтирован клапан выпуска 12, начальное открытое положение которого создается пружиной 13, и шарнирный узел 14, в котором выполнен канал 15 для прохода рабочей среды из цилиндра 1 к клапану выпуска 12 и к которому подсоединен гибкий шток 3. К цилиндру 1 со стороны противоположной клапанной коробке 6 подсоединена крышка 16, в которой выполнен канал 17 для отвода отработавших газов и смонтирован электромагнит 18, взаимодействующий со штоком 19 клапана выпуска 12. На штоке 19 выполнен упор 20, с помощью которого регулируется зазор между упором 20 и крышкой 16, обеспечивающий механическое открытие клапана выпуска 12 при подходе поршня 2 к НМТ раньше, чем открывается клапан впуска 5 от крейцкопфа 4, а на самом клапане выпуска 12 выполнен уступ 21, ограничивающий подъем клапана в открытом положении. В клапанной коробке 6 установлена форсунка 22 для впрыска топлива и свеча зажигания 23, а также выполнен канал 24 подачи воздуха в цилиндр 1 двигателя от системы наддува (на рис. не показано). К клапанной коробке 6 крепится корпус 25 механизма движения, в котором движется крейцкопф 4, и выполнено отверстие 26 для отвода утечек газа, протекающих через щелевой зазор между штоком клапана впуска 5 и гибким штоком 3. Между цилиндром 1 и поршнем 2 выполнено уплотнение лабиринтно-щелевого типа, где в качестве смазки служит сама газовая среда. Управление работой электромагнита 10 клапана впуска 5 и электромагнита 18 клапана выпуска 12 осуществляется с помощью бесконтактной системы электронного управлении, обеспечивающей возможность регулирования отсечек клапанов в широком диапазоне после их механического открытия (электронная система управления на рисунке не показана).
Работа поршневого двигателя по четырехтактному циклу происходит следующим образом.
В процессе такта расширения при приближении поршня 2 к НМТ происходит посадка упора 20, установленного на штоке 19 клапана выпуска 12, на поверхность крышки 16, при этом возникает усилие, преодолевающее силу, действующее на клапан выпуска 12 от давления газа в цилиндре 1.
В результате клапан выпуска 12 открывается и происходит процесс выхлопа в атмосферу отработавших газов из цилиндра 1 через каналы 15, открывшийся клапан выпуска 12 и канал 17 в крышке 16. Клапан выпуска 16 после открытия под действием пружины 13 упором 21 прижимается к шарнирному узлу 14, при этом поршень 2 вместе с клапаном выпуска 12 продолжит движение к НМТ, приближая крейцкопф 4 к упору 9, выполненному на штоке 7 клапана впуска 5.
Вблизи НМТ под действием крейцкопфа 4, действующего на упор 9, клапан впуска 5 открывается. Одновременно по сигналу из АСУ управление работой электромагнитов подается питание на электромагнит 10, под действием усилия которого клапан впуска 5 остается открытым на весь период следующего такта - вытеснение отработавших газов при движении поршня 2 от НМТ к ВМТ. Процесс вытеснения отработавших газов из цилиндра 1 производится с продувкой цилиндра 7 воздухом, поступающим через клапан впуска 5 из системы наддува, что обеспечивает охлаждение поршня 2 и цилиндра 1 и увеличивает наполнение цилиндра 1 свежим зарядом воздуха.
При подходе поршня 2 к ВМТ по команде из АСУ подается электропитание на электромагнит 18 клапана выпуска 12. В результате возникает усилие, действующее на шток 19, под действием которого преодолевается усилие пружины 13 и клапан выпуска 12 закрывается. При движении поршня 2 от ВМТ к НМТ начнется процесс заполнения цилиндра через открытый клапан впуска 5 и впрыск порции бензина с помощью форсунки 22. Вблизи НМТ из АСУ выдается команда на отключение электромагнита 10 и клапан впуска 5 под действием пружины 11 закрывается. При движении поршня 2 от НМТ к ВМТ происходит процесс сжатия топливо-воздушной смеси. При подходе поршня 2 к ВМТ от свечи 23 происходит воспламенения гомогенной смеси, сопровождающееся изохорным повышением давления в цилиндре 1. При движении поршня 2 к НМТ начинается процесс расширения продуктов сгорания. Вблизи НМТ по команде из АСУ происходит отключение электромагнита 18 клапана выпуска 12, упор 20 штока 19 клапана выпуска 12 упирается в крышку 16, клапан выпуска 12 открывается и рабочий цикл повторяется.
В течение всего рабочего цикла усилие от давления газов в цилиндре 1, действующее на поршень 2, передается через шток 3, работающий на растяжение, на крейцкопф 4, движущийся в корпусе 25 механизма движения. Так как шток 3 работает на растяжение, то он может быть выполнен довольно тонким, а шарнирные узлы соединения его в крейцкопфе 4 и поршне 2 позволяют осуществить самоцентрирование поршня 2 в цилиндре 1, а за счет утечки рабочей среды через лабиринтно-щелевое уплотнение - безконтактный ход поршня 2 в цилиндре 1. Тонкий размер штока 3 обеспечивает также малые утечки рабочей среды из цилиндра 1 по каналу 7 штока 8 клапана впуска 5, которые из корпуса 25 механизма движения отводятся в атмосферу через отверстие 26.
Механическое открытие клапанов впуска и выпуска позволяет использовать маломощные электромагниты, управление работой электромагнитов с помощью бесконтактной системы управления позволяет регулировать моменты открытия и закрытия клапанов, а с учетом регулирования момента и времени подачи топлива осуществить переход с четырехтактного цикла на двухтактный цикл работы двигателя, т.е. изменять комбинацию тактов.
Работа двигателя по двухтактному циклу происходит следующим образом. В конце такта расширения, как и у четырехтактного двигателя происходит механическое открытие клапана выпуска 12 и клапана впуска 5. Происходит выхлоп отработанных газов и продувка чистым воздухом под избыточным давлением, создаваемым системой наддува, но только на некотором ходе поршня 2 от НМТ к ВМТ. На заданной высоте подъема (порядка 35°- 40° п. к.в. от НМТ) по команде из АСУ отключается питание электромагнита клапана 5 впуска и подается питание на электромагнит клапана выпуска 12, что приводит к закрытию клапана впуска 5 и клапана выпуска 12. После закрытия клапанов начинается процесс сжатия. В процессе сжатия в цилиндр 1 из форсунки 22 подается топливо, а ближе к ВМТ производится воспламенение воздушно-топливной смеси от свечи зажигания 23, сопровождающееся изохорным повышением давления в цилиндре 1. При движении поршня 2 к НМТ начинается процесс расширения который завершается при открытии клапана выпуска 12, и далее цикл повторяется.
Таким образом, безинерционное механическое открытие клапанов с регулированием в широком диапазоне отсечек наполнения цилиндра воздухом и выталкивание отработавших газов позволяют упростить конструкцию и осуществить переход работы двигателя с четырехтактного цикла на двухтактный и обратно как для двигателей, работающих на бензине, так и работающих на дизельном топливе, оптимизировать рабочие циклы в в широком диапазоне нагрузок, уменьшить выброс токсичных веществ, а также повысить эффективность за счет существенного снижения затрат мощности на трение в цилиндровой паре и на привод клапанного механизма.
Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решений дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применяемость».