Двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с камерами сгорания, выполненными в виде углубления в головке цилиндра или в поршне, а также к предкамерным двигателям.
Известны предкамерные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением заряда в предкамере и расширением продуктов сгорания в цилиндре (см. US 6557519B1, опуб. 06.05.2003).
Недостатком предкамерных двигателей является отсутствие процесса очистки предкамеры от продуктов сгорания при высокой эффективности сжигания заряда. Проблема усугубляется при реализации в двигателе двухтактного рабочего процесса из-за нехватки времени на очистку заглубленного в корпус объема предкамеры при продувке цилиндра.
Технической задачей является обеспечение очистки камеры сгорания от отработавших газов. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что в двухтактном предкамерном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, подвижный цилиндр, имеющий головку, размещенный в корпусе с возможностью, по меньшей мере, возвратно-поступательного движения и рабочий поршень с днищем, размещенный в рабочей полости подвижного цилиндра с возможностью, по меньшей мере, возвратно-поступательного движения навстречу головке, согласно изобретению, головка подвижного цилиндра снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным цилиндром, полость которого сообщена с рабочей полостью подвижного цилиндра, при этом геометрическая ось дополнительного цилиндра, по крайней мере, параллельна направлению возвратно-поступательного перемещения подвижного цилиндра, полость дополнительного цилиндра выполнена с диаметром, меньшим диаметра рабочего поршня, в полости дополнительного цилиндра размещен цилиндрический выступ с днищем, связанный с корпусом с возможностью образования камеры сгорания в полости дополнительного цилиндра перед процессом сгорания, а также уменьшения объема камеры сгорания в крайнем положении головки подвижного цилиндра в конце процесса расширения.
Поставленная задача достигается также тем, что цилиндрический выступ дополнительного цилиндра может быть кинематически связан с корпусом с возможностью изменения своего положения для изменения величины объема камеры сгорания.
Поставленная задача достигается также тем, что на днище рабочего поршня может быть выполнена бобышка с возможностью ее вхождения в дополнительный цилиндр подвижного цилиндра.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показано положение подвижного цилиндра и поршня перед сгоранием в камере сгорания;
На фиг. 2 - то же, во время продувки рабочей полости подвижного цилиндра;
На фиг. 3 - то же, промежуточное положение рабочего поршня и подвижного цилиндра;
На фиг. 4 показан вариант выполнения рабочего поршня с бобышкой.
Описываемый двигатель содержит корпус 1, подвижный цилиндр 2, имеющий головку 3 с днищем 4, размещенный в корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательного движения и связанный с механизмом (на чертежах не показан) преобразования его движения во вращение вала (на чертежах не показан). В рабочей полости 5 подвижного цилиндра 2 размещен рабочий поршень 6 с днищем 7 с возможностью возвратно-поступательного движения навстречу днищу 4 головки 3 и также связанный с механизмом (на чертежах не показан) преобразования его движения во вращение вала. Головка 3 подвижного цилиндра 2 снабжена дополнительным цилиндром 8, полость которого сообщена с рабочей полостью 5 подвижного цилиндра 2, при этом геометрическая ось 9 дополнительного цилиндра 8 параллельна или соосна с направлением возвратно-поступательного перемещения подвижного цилиндра 2. Направление перемещения подвижного цилиндра 2 может задаваться цилиндрической расточкой корпуса 1, в которой он размещен, имеющей продольную геометрическую ось 10. Направление перемещения подвижного цилиндра 2 может задаваться крейцкопфом или плоской или криволинейной поверхностью полости корпуса 1 с многоугольным или некруглым поперечным сечением.
Полость 11 дополнительного цилиндра 8 выполнена с диаметром, меньшим диаметра рабочего поршня 6. В полости 11 размещен выступ 12 с днищем 13, связанный с корпусом 1 и установленный с возможностью образования камеры сгорания 14 в полости 11 дополнительного цилиндра 2 перед процессом сгорания, а также уменьшения объема указанной камеры сгорания 14 в крайнем положении головки 3 в конце процесса расширения при приближения днища 4 подвижного цилиндра 2 к днищу 13 выступа 12. Выступ 12 по существу выполнен в виде дополнительного поршня с уплотнительными кольцами.
Выступ 12 может быть кинематически связан с корпусом 1 с возможностью изменения своего положения в дополнительном цилиндре 8 во время работы двигателя для изменения величины объема камеры сгорания 14 и, соответственно, степени сжатия.
На днище 7 рабочего поршня 6 может быть расположена бобышка 15 с возможностью ее вхождения в камеру сгорания 14, то есть при нахождении подвижного цилиндра 2 и рабочего поршня 6 в районе внутренней мертвой точки.
Описываемый двигатель работает следующим образом. Во время процесса сжатия свежего заряда в рабочей полости 5 подвижный цилиндр 2 и рабочий поршень 6 перемещаются навстречу днищами, соответственно, 4 и 7, приближаясь к внутренней мертвой точке. При этом уменьшается объем рабочей полости 5, ограниченный указанными днищами 4 и 7. Дополнительный цилиндр 8 перемещается вместе с подвижным цилиндром 2, увеличивая условный объем внутренней полости 11, ограниченной днищем 13 расположенного в нем выступа 12 и плоскостью днища 4 подвижного цилиндра 2. Скорость изменения объема в полости 11 меньше скорости изменения объема полости 5. Поэтому сжимаемый свежий заряд перетекает из полости 5 в образуемую в полости 11 камеру сгорания 14. Смесеобразование может осуществляться всеми известными способами с реализацией известных искрового или дизельного рабочих процессов. При этом в районе внутренней мертвой точки осуществляют либо зажигание, либо впрыск топлива под низким или высоким давлением. Большая часть заряда сгорает до заметного увеличения объема камеры расширения. Свежий заряд сжигают в камере сгорания 14, имеющей малую площадь поверхности. Давление сгорания действует на поверхность выступа 12 и меньшую часть площади днища 7 рабочего 6 поршня, так как расширение продуктов сгорания между близко расположенными днищами 7 и 4 затруднено, что снижает пиковые нагрузки в подшипниках механизма преобразования. При дальнейшем движении подвижного цилиндра 2 и поршня 6 от внутренней мертвой точки происходит расширение продуктов сгорания. При этом объем камеры сгорания 14 уменьшается до нулевого ее значения при совпадении поверхности днища 13 предкамерного поршня 12 и поверхности днища 4 головки 3.
При проведении двухтактного рабочего процесса в двигателе в конце процесса расширения происходит выпуск продуктов сгорания через выпускные окна 16 и продувка полости 5 с подачей свежего заряда через продувочные окна 17. В предкамерных двухтактных двигателях, а также в двигателях с углубленной камерой сгорания для очистки заглубленных объемов необходимо применять специальные средства, например, подводить к предкамере дополнительный канал со свежим зарядом, что затруднительно технически. При этом появляются трудности с организацией направления подачи заряда для обеспечения полной очистки камеры сгорания или предкамеры, а также с дефицитом времени на дополнительную операцию.
В описываемом двигателе во время продувки полости 5 заглубленный объем отсутствует, то есть в продуваемом объеме нет полузамкнутых объемов, карманов, продувка которых была бы затруднительной. Кроме того, поверхность днища 13, ограничивавшая во время сгорания объем камеры сгорания 14, к началу продувки перемещается к омываемой свежим зарядом поверхности полости 5 и отдает тепло продувочному заряду со всей поверхности, повышая надежность работы двигателя.
Изменение положения выступа 12 в камере сгорания 14 позволяет изменять степень сжатия двигателя, так как сила, действующая на поршень 12, мала, следовательно механизм привода может быть выполнен с высоким быстродействием, что позволит более эффективно реализовать процесс с самовоспламенением гомогенной смеси за счет обеспечения возможности регулирования двигателя.
Наличие бобышки 15 на днище 7 поршня 6, входящей в камеру сгорания 14 (которая в таком выполнении уже является предкамерой) при положении в районе внутренней мертвой точки, позволяет задержать момент перетекания продуктов сгорания из камеры сгорания 14 в расширяющийся объем полости 5, что повышает полноту сгорания заряда и уменьшает теплонапряженность рабочих элементов двигателя и выпускных органов газораспределения.
Механизм привода подвижного цилиндра 2 может быть выполнен кривошипно-шатунным или кривошипно-кулисным, обеспечивающим только возвратно-поступательное его перемещения. Но также может быть выполнен кривошипным с обеспечением как возвратно-поступательного его перемещения, так и возвратно-вращательного движения вокруг геометрической оси 10, например, подобного приводу гильзы Рикардо. Указанный механизм позволит уменьшить скорость увеличения объема при сгорании, а также обеспечить несимметричные фазы газораспределения и увеличить ресурс двигателя. Такой же тип механизма может быть использован и для привода рабочего поршня 6.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить эффективность работы предкамерного двигателя за счет лучшей очистки рабочей полости, а также его надежность за счет снижения теплонапряженности двигателя.