ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники
Изобретение относится к двигателестроению, и может быть использовано при конструировании и разработке простых и экономичных двигателей внутреннего сгорания.
Повысить мощность двигателя, не увеличивая его рабочий объем, габарит и массу одна из основных инженерных задач, которую приходится решать конструкторам при модернизации или разработке новой конструкции двигателя. Мощность двигателя пропорциональна давлению газов в цилиндре, а оно зависит от массы сгоревшего топлива. Следовательно, одна из главных задач при конструировании двигателя внутреннего сгорания обеспечить максимально возможное наполнение цилиндров воздухом, что позволит сжечь в данном объеме больше топлива. Для этой цели на современных двигателях увеличивают диаметры клапанов до максимально возможных размеров или увеличивают их количество. Получили большое распространение двигатели с четырьмя и шестью клапанами на цилиндр, при этом сильно усложнилась их конструкция.
Известен двигатель внутреннего сгорания, газораспределительный механизм которого содержит только один клапан на цилиндр. Единственный известный автору серийно выпускавшийся двигатель этого типа производился во Франции во время первой мировой войны авиационной компанией «Гном». Двигатель был исключительно прост, впуск и выпуск производились из и в атмосферу, топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр. Позже в конструкцию вносились изменения, предлагалось использовать различные управляющие механизмы для управления потоками газов. Но существенные недостатки в конструкциях этих двигателей не позволили достичь им промышленного производства.
Цель этого изобретения в том, чтобы раскрыть и использовать потенциальные возможности двигателя с одноклапанной системой газораспределения.
Уровень техники
Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором газораспределительный механизм (ГРМ) содержит один тарельчатый клапан и цилиндрическую втулку, установленную соосно клапану, которая, перемещаясь вдоль оси капана, открывает впускной или выпускной каналы (патент US 6474295, 05.11.2002).
Недостатком этого технического решения является сложность изготовления и невозможность продувки камеры сгорания.
Известен ДВС, в котором одноклапанный механизм газораспределения, расположенный в головке двигателя, содержит один главный тарельчатый клапан и два тарельчатых клапана во впускном и выпускном каналах, управляющих потоками топливовоздушной смеси и отработанных газов (патент DE 10159844 A1, 11.09.2003).
Недостатком данного технического решения является невозможность продувки камеры сгорания, что снижает мощность двигателя.
Известен ДВС, ГРМ которого, расположенный в головке двигателя, содержит один главный клапан, который открывает газовый канал, переходящий во впускной и выпускной каналы, снабженные тарельчатыми клапанами, с механическим приводом. Камера сгорания расположена в углублении головки цилиндров (патент US 2416512, 25.02.1947).
Недостатком данного технического решения является большое сопротивление движению топливовоздушной смеси в результате турбулентности создаваемой клапанами и как следствие низкая удельная мощность, а также сложность изготовления механизма газораспределения.
Известен ДВС, содержащий как минимум, одну цилиндропоршневую группу, блок цилиндров, коленчатый вал, механизм газораспределения, с одним главным клапаном, открывающим газовый канал, переходящий во впускной и выпускной каналы, снабженные управляющими устройствами, причем газовый канал главного клапана разделен перегородкой на две части, камера сгорания выполнена в углублении поршня размером более диаметра тарелки главного клапана, и глубиной не менее длины хода главного клапана, при этом форма нижней части тарелки главного клапана повторяет форму нижней части камеры сгорания (патент US 5020486, 04.06.1991).
Недостатком этой конструкции является разъемное соединение между блоком и головкой блока, проходящее через цилиндр и систему охлаждения, что усложняет конструкцию и увеличивает массу двигателя.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание конструкции двигателя с одноклапанным механизмом газораспределения, простого в изготовлении, имеющим высокую удельную мощность, низкий расход топлива.
Согласно изобретению ДВС содержит одну цилиндропоршневую группу, блок цилиндров, коленчатый вал, механизм газораспределения, с одним главным клапаном, открывающим газовый канал, переходящий во впускной и выпускной каналы, снабженные управляющими устройствами, газовый канал главного клапана разделен перегородкой на две части, камера сгорания выполнена в углублении поршня размером более диаметра тарелки главного клапана, и глубиной не менее длины хода главного клапана, при этом форма нижней части тарелки главного клапана повторяет форму нижней части камеры сгорания, причем цилиндр имеет охлаждаемую торцевую стенку, в которой соосно цилиндру, поршню и камере сгорания имеется седло главного клапана.
Таким образом, двигатель не имеет разъемного соединения между цилиндром и головкой цилиндра, что упрощает конструкцию и повышает надежность ДВС. В ДВС согласно изобретению управление потоками топливовоздушной смеси и отработанных газов осуществляется управляющими механизмами, содержащими как минимум по одному впускному и выпускному управляющему клапану, с электроприводом.
В ДВС согласно изобретению соединение поршня и шатуна целесообразно выполнить посредством шарового шарнира, что снижает массу деталей, масло, подаваемое по масленому каналу, способствует охлаждению поршня.
В ДВС согласно изобретению форсунка впрыска топлива установлена с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания в начале такта впуска, что уменьшит конденсацию частиц топлива на стенках цилиндра, улучшит экономичность двигателя и сократит выбросы вредных веществ.
В ДВС в стержне главного клапана целесообразно выполнить центральный канал, в который устанавливается форсунка впрыска топлива. Впрыск топлива в центр камеры сгорания улучшает смесеобразование в двигателях с непосредственным впрыском топлива.
Управление работой двигателя осуществляется путем управления продолжительностью открытия впускных и выпускных управляющих клапанов, что позволяет отказаться от дроссельной заслонки во впускном тракте, тем самым уменьшить потери на впуске и улучшить характеристики ДВС. Двигатель согласно изобретению, может работать при вращении коленчатого вала как по часовой стрелке, так и против.
При применении изобретения в конструкции ДВС достигается следующий технический результат: упрощается конструкция двигателя, повышается его удельная мощность, повышается надежность, из трансмиссии транспортного средства может быть исключена передача заднего хода, что снизит массу силового агрегата.
Описание чертежей
На фиг.1 изображен продольный разрез ДВС согласно изобретения: 1 цилиндр, 2 поршень, 3 блок цилиндров, 4 коленчатый вал, 5 главный клапан, 6 впускной канал, 7 выпускной канал, 8 перегородка, 9 камера сгорания, 10 впускной управляющий клапан, 11 выпускной управляющий клапан, 12 головная часть, 13 форсунка, 14 шатун, 15 торцевая стенка цилиндра.
На фиг.2-9  поясняется работа четырехтактного ДВС.
Фиг.2, 3 - такт впуска.
Фиг.4, 5 - такт сжатия.
Фиг.6, 7 - такт рабочего хода.
Фиг.8, 9 - такт выпуска.
Осуществление изобретения.
Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению, фиг.1, содержит цилиндропоршневую группу 1, 2, блок цилиндров 3, коленчатый вал 4 и механизм газораспределения, с одним главным клапаном 5, открывающим газовый канал, переходящий во впускной 6 и выпускной 7 каналы, снабженные управляющими устройствами 10, 11, причем газовый канал главного клапана разделен перегородкой 8 на две части, камера сгорания 9 выполнена в углублении поршня 2 размером более диаметра тарелки главного клапана, и глубиной не менее длины хода главного клапана, при этом форма нижней части тарелки главного клапана 5 повторяет форму нижней части камеры сгорания 9, цилиндр имеет охлаждаемую торцевую стенку 15, в которой соосно цилиндру 1, поршню 2 и камере сгорания 9 имеется седло главного клапана.
Согласно изобретению цилиндр и торцевая стенка цилиндра с седлом клапана является единой деталью. Поскольку все элементы цилиндра расположены на одной оси, то его можно целиком изготовить на токарном оборудовании. Цилиндр установлен в блоке цилиндров и фиксируется в двух соосно расположенных опорах. Соединение цилиндра и блока уплотняется резиновыми уплотнениями. Верхняя часть торцевой стенки цилиндра, выступающая из блока, служит для центровки головной части двигателя.
Сборка двигателя производится в следующем порядке: цилиндр 1 присоединяется к головной части 12, затем устанавливается главный клапан 5, потом поршень 2 с шатуном 14 устанавливается в цилиндр, затем цилиндр с головной частью поршнем и шатуном присоединяется к блоку 3.
Размещение всей камеры сгорания в поршне позволяет создать простую и эффективную камеру сгорания, например тороидальной формы.
Перегородка не имеет контакта с тарелкой главного клапана. Форма перегородки и ее расположение в канале зависит от формы главного клапана и глубины камеры сгорания.
Проходные сечения впускного и выпускного каналов должны быть близки проходному сечению, образованному разделительной перегородкой и тарелкой главного клапана в положении продувки камеры сгорания. При этом зазор между поршнем и клапаном в ВМТ при продувке камеры сгорания, целесообразно сделать минимально возможным. Фиг.9.
Перегородка может изготавливаться заодно с головной частью 12, а так же может быть самостоятельной деталью или состоять из нескольких частей.
Механизм газораспределения содержит по одному впускному 10 и выпускному 11 управляющему клапану с электроприводом.
Для управления потоками газов вместо клапанов с электроприводом допускается использование любых известных управляющих механизмов и их комбинаций.
Например: поворотных заслонок, лепестковых клапанов, тарельчатых клапанов с не электрическим приводом, управляющих механизмов, в которых имеются окна, при совмещении которых открываются каналы для прохода газов, с осью вращения по оси главного клапана.
Соединение поршня 2 и шатуна 14 может быть произведено посредством шарового шарнира, для уменьшения массы деталей шар выполнен пустотелым и заполнен легким полимерным составом, через центр шара проходит масленый канал. Шар может быть выполнен сборным, из двух частей, с разъемом, перпендикулярным оси масленого канала. Детали соединяются с помощью клея, полимерный заполнитель служит соединительным элементом.
Форсунка впрыска топлива (бензина) может быть установлена за главным клапаном во впускном канале.
Впрыск топлива может производиться в начале такта впуска, в момент, когда тарелка главного клапана выходит из поршня, создавая в камере сгорания разрежение, при этом происходит перетекание воздуха из надклапанного пространства в камеру сгорания через кольцевой зазор между ними, образуя кольцевой вихрь. Вследствие этого большая часть топлива во время такта впуска будет находиться в камере сгорания и вблизи ее в вихреобразном состоянии, конденсация частиц топлива на стенках цилиндра уменьшится, что улучшит экономичность двигателя на режиме малых нагрузок и режиме холостого хода.
Форсунка 13 впрыска топлива на дизельном двигателе, а также на двигателе, работающем на бензине, но с непосредственным впрыском топлива устанавливается внутри стержня главного клапана любым известным способом.
Работа ДВС согласно изобретения поясняется на примере одноцилиндрового дизельного двигателя с двухфазным впрыском топлива и управляющими клапанами с электроприводом.
Во время такта впуска в момент выхода тарелки главного клапана из поршня производится впрыск пилотной порции топлива, поршень с зарядом топлива в камере сгорания перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) главный клапан и впускной управляющий клапан находятся в открытом положении. Фиг 2, 3.
Во время такта сжатия поршень перемещается в ВМТ, при этом главный клапан закрыт, все управляющие клапана закрыты. Фиг 4.
Через форсунку, установленную в стержне главного клапана, производится впрыск основного заряда топлива. Фиг 5. Сгорание горючей смеси происходит в объеме камеры сгорания, образованной самой камерой сгорания в поршне и тарелкой главного клапана.
Во время такта рабочего хода поршень под давлением газов идет к НМТ, при этом все клапана закрыты. Фиг.6. При приближении поршня к НМТ отрывается выпускной управляющий клапан, затем начинает открываться главный клапан. Фиг.7.
Во время такта выпуска поршень, перемещаясь в ВМТ, выталкивает отработанные газы через открытый главный клапан и открытый выпускной управляющий клапан. Фиг.8.
При приближении поршня к ВМТ главный клапан входит в камеру сгорания, полностью вытесняя из нее отработанные газы, затем открывается впускной управляющий клапан, и новая порция воздуха по впускному каналу в обход перегородки выталкивает остатки отработанных газов из канала главного клапана в выпускной канал. Таким образом, производится продувка камеры сгорания вблизи ВМТ, за счет частичного совмещения фаз впуска и выпуска. Фиг.9. Далее выпускной клапан закрывается и повторяется такт впуска.
При открытии выпускного управляющего клапана в период такта впуска будет происходить рециркуляция отработанных газов в цилиндр, что на некоторых режимах работы двигателя уменьшается количество вредных веществ в отработанных газах.
Управление работой двигателя производится путем управления продолжительностью открытия впускного и выпускного управляющих клапанов.
ДВС согласно изобретения может работать при вращении коленчатого вала как по часовой стрелке, так и против, так как порядок открытия и закрытия главного клапана одинаков при любом направлении вращения коленчатого вала, а программу работы управляющих клапанов с электроприводом можно менять.
Детали двигателя изготавливаются из известных в двигателестроении материалов по известным технологиям.