ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с форкамерным зажиганием.
Прототипом является поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий свечу зажигания, цилиндр с камерой сгорания и поршнем, ротор в корпусе, периодически соединяющий полость цилиндра с входным и выходным отверстиями камеры сгорания [US 5111783 А, МПК F01L 7/10, 1992].
Недостатками прототипа являются:
- недостаточно эффективное и надежное воспламенение топливной смеси при низких температурах, связанное с большим рассеянием тепла по объему топливного заряда в процессе его зажигания;
- относительно большой выброс вредных веществ с отработавшими газами, обусловленный недостаточно полным сгоранием смеси.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно снижение вредных выбросов в атмосферу и повышение эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем свечу зажигания, цилиндр с поршнем и ротор в корпусе, кинематически связанный с коленчатым валом и периодически соединяющий полость цилиндра с входным и выходным отверстиями камеры сгорания, ротор выполнен с лопатками, образующими с поверхностями корпуса и ротора между ними и с днищем поршня камеру сгорания, причем ротор кинематически связан с роликами, имеющими впадины для пропуска лопаток и разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры, из которых одна сообщена с полостью цилиндра, при этом в корпусе между цилиндром и лопаткой, занимающей положение в корпусе при подходе поршня к ВМТ, размещена форкамера. Форкамера размещена за цилиндром по ходу вращения ротора. Продольная ось форкамеры расположена перпендикулярно оси поршня. Свеча зажигания размещена в форкамере.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Выполнение ротора с лопатками, образующими с поверхностями корпуса и ротора между ними и с днищем поршня камеру сгорания, причем ротор кинематически связан с роликами, имеющими впадины для пропуска лопаток и разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры, из которых одна сообщена с полостью цилиндра, позволяет производить замену рабочего тела без газораспределительного механизма, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. При этом происходит перемещение лопатками горючей смеси во время ее впуска и в процессе сжигания. Это обеспечивает ее турбулизацию, улучшает процесс сгорания, что, в свою очередь, повышает КПД и снижает выброс вредных веществ в атмосферу, повышая, в конечном счете, эксплуатационные характеристики. Перемещение лопатками горючей смеси по направлению к фронту пламени в процессе ее сжигания увеличивает скорость горения смеси. Во-первых, холодная свежая смесь, продвигаясь к очагу горения с высокой температурой, быстрее прогревается, и период индукции (ее воспламенения) уменьшается. Во-вторых, движущаяся смесь способствует лучшему отводу продуктов горения от фронта пламени, благодаря чему происходит более полное сгорание. Это также повышает эксплуатационные характеристики. Кроме того, появляется возможность реверса коленчатого вала, что также повышает эксплуатационные характеристики ДВС.
Размещение в корпусе между цилиндром и лопаткой камеры сгорания форкамеры дает возможность надежно воспламенять горючую смесь в любых условиях, причем после прохождения над форкамерой лопатки, за которой вследствие завихрений создается зона разрежения, происходит эффективное удаление продуктов горения из форкамеры за счет разности давлений и последующее заполнение ее свежей горючей смесью, которая впоследствии надежно воспламеняется. Кроме того, в движущейся по окружности за лопаткой горючей смеси происходит перемещение частиц топлива к периферии за счет центробежных сил, в результате чего у поверхности корпуса образуется обогащенная смесь, которая лучше воспламеняется и создает более высокую температуру при горении, улучшая условия сгорания более бедненной смеси, находящейся ближе к центру ротора. Создание благоприятных условий для горения обедненной смеси дает возможность осуществлять работу ДВС с большим коэффициентом избытка воздуха, что повышает КПД, снижает выброс вредных веществ и улучшает эксплуатационные характеристики.
Размещение форкамеры за цилиндром по ходу вращения ротора способствует движению горючей смеси навстречу очагу горения, что увеличивает скорость горения смеси и, следовательно, уменьшает угол опережения зажигания, что повышает КПД и улучшает эксплуатационные характеристики.
Расположение продольной оси форкамеры перпендикулярно оси поршня способствует выбросу из форкамеры горящих фракций в обогащенную часть горючей смеси, находящуюся у поверхности корпуса, что улучшает процесс горения смеси.
Размещение свечи зажигания в форкамере, во-первых, улучшает процесс воспламенения смеси в форкамере за счет концентрации тепла в малом объеме. Во-вторых, обеспечивает очистку электродов от нагара за счет высокой температуры, что повышает эксплуатационные характеристики.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала удаления продуктов горения. На фиг. 2 изображена схема положения деталей двигателя в момент прохождения поршнем верхней мертвой точки. На фиг. 3 изображена схема положения деталей двигателя в момент окончания заполнения камеры сгорания и полости цилиндра свежей смесью. На фиг. 4 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала горения смеси.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор 4 с лопатками 5, кинематически связанный с коленчатым валом и с роликами 6, имеющими впадины 7 для пропуска лопаток, разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры 8 и 9, из которых последняя сообщена с полостью 10 цилиндра, в которой с возможностью перемещения вдоль оси размещен поршень 11, соединенный с коленчатым валом. В корпусе между цилиндром и лопаткой установлена форкамера 12 со свечой 13 зажигания, имеющей электрод 14. Работает двигатель следующим образом.
Для работы двигателя в четырехтактном режиме (при использовании ротора с тремя лопатками) передаточное отношение от коленчатого вала к ротору должно быть равно 6, а от роликов к ротору - 1,5. После окончания рабочего хода поршня 11 и прохождения им нижней мертвой точки (НМТ) происходит удаление продуктов сгорания из камеры 9 и полости 10 цилиндра через выпускное окно 3 (фиг. 1). Продукты сгорания будут удаляться не только посредством поршня 11, но и с помощью лопатки II ротора 4, которая в процессе движения (поворота) будет перемещать их в сторону выпускного окна 3. Одновременно за этой лопаткой движется свежая горючая смесь, поступающая через входное окно 2. Большая часть сечения полости цилиндра оказывается соединенной с выпускным окном 3, поэтому основная масса продуктов сгорания будет уходить в выпускное окно 3, к тому же, поступлению продуктов сгорании в левую (от лопатки II) часть камеры 9 препятствует находящаяся там свежая смесь. Однако нельзя исключить возможность частичного попадания туда (перемешивания со смесью) небольшого количества продуктов горения, в результате чего будет иметь место эффект рециркуляции дымовых газов.
При прохождении поршнем расстояния от НМТ до верхней мертвой точки (ВМТ) коленчатый вал повернется на угол 180°, а ротор 4 - на 30°. В результате этого лопатка II займет вертикальное положение, разделяя сечение полости 10 цилиндра на две равные части (фиг. 2). Лопатка II будет продолжать вытеснять продукты сгорания в выпускное окно 3, увеличивая при этом площадь сечения полости 10 цилиндра, сообщаемую с впускным окном 2, и уменьшая соответственно ту часть сечения полости, которая связана с выпускным окном 3. Поршень 11 будет двигаться вниз, осуществляя интенсивное всасывание свежей смеси из впускного окна 2 в полость цилиндра.
При приближении поршня к НМТ лопатка III начнет перекрывать впускное окно 2 и затем разобщать его с полостью 10 цилиндра, а лопатка II - разобщать указанную полость с выпускным окном 3 (фиг. 3). Создающаяся за движущейся лопаткой II зона разрежения будет способствовать более полному удалению продуктов сгорания из форкамеры 12 и последующему заполнению ее свежей смесью. После прохождения поршнем НМТ начнется сжимание свежей смеси.
К моменту подхода поршня к ВМТ смесь окажется сжатой в камере сгорания, образованной лопатками II, III, находящимися между ними поверхностями корпуса 1 и ротора 4 (фиг. 4). Сжатую смесь поджигают посредством свечи 13, путем подачи на электрод 14 высокого напряжения, в результате чего в форкамере 12 произойдет воспламенение горючей смеси, образующей факел, поджигающий остальную смесь в камере сгорания. Поршень будет совершать рабочий ход. Поскольку давление газов одинаково действует на обе лопатки, то практически никакого противодействия повороту ротора оно не оказывает. После этого цикл работы двигателя повторяется.
В процессе сгорания лопатка III перемещает (пододвигает) смесь к форкамере - к источнику зажигания (к фронту пламени), в результате чего увеличивается скорость ее сгорания, а также происходит турбулизация смеси. После прохождения лопаткой I ролика 6 ее можно охлаждать, например, струей воздуха, омывающего ее поверхности и поверхность ротора 4. Благодаря этому устраняется существенный недостаток, присущий роторно-лопастным двигателям, в которых лопатки испытывают большую тепловую нагрузку.
Внедрение изобретения позволит создать двигатель упрощенной конструкции с форкамерным зажиганием, позволяющим надежно воспламенять горючую смесь на различных режимах работы двигателя.