ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL-COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания как с искровым зажиганием, так и с воспламенением от сжатия.
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанный с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания на днище поршня, выполненную в виде выемки от тела вращения, ось которой совпадает с осью цилиндра или располагается вблизи него, завихрители заряда в форме торцевых выступов с тангенциальными каналами располагаются вокруг камеры сгорания на днище поршня и примыкают к выемке в головке цилиндра при положении поршня в ВМТ, клапаны располагаются на выемках в головке цилиндра, глубина которых соответствует глубине выемки головки цилиндра, и источник воспламенения, установленный в выемке головки цилиндра. Такой двигатель соответствует патенту RU 2309271, 2005. стр5. Однако расположение основного объема сгорания на днище поршня существенно увеличивает массу поршня для быстроходных двигателей с искровым зажиганием, что в свою очередь повышает инерционные нагрузки на поршень, палец поршня, шатунные и коренные подшипники. Поэтому основной объем камеры сгорания выполняется в выемках головки цилиндра (в том числе под клапана), а выемка на днище поршня, расположенная во внутреннем контуре завихрителей заряда составляет до 40% всего объема камеры сгорания, а для дизелей выемка на днище поршня, расположенная во внутреннем контуре завихрителей заряда составляет от 40% до 70% всего объема камеры сгорания или до объема камеры сгорания за вычетом объема в зазоре между поршнем и головкой и объема в головке цилиндра глубиной, соответствующей высоте торцевых выступов на днище поршня.
Для достижения надежности и повышения ресурса двигателя организуется охлаждение торцевых выступов на днище поршня и самого поршня путем выполнения на впуске вихревого движения на дизелях и форсированных двигателях с искровым зажиганием. Вихревое движение заряда на впуске совпадает по направлению вращения микровихрей в камере сгорания. Одновременно с охлаждением поршня достигается подогрев заряда.
Количество торцевых выступов на днище поршня соответственно и количество тангенциальных каналов составляет от 8 до 30 шт. и зависит от диаметра цилиндра.
Высота торцевых выступов составляет 0,06…0,12 радиуса кривошипа и зависит от номинальных оборотов двигателя.
Двигатели как дизели, так и с искровым зажиганием могут быть:
- с одним впускным и одним выпускным клапаном, при этом свеча зажигания располагается на боковой поверхности выемки в головке цилиндра, а форсунка на дне этой выемки;
- с двумя впускными и одним выпускным клапаном, при этом свеча зажигания располагается на боковой поверхности выемки в головке цилиндра, а форсунка на дне этой выемки;
- с двумя впускными и двумя выпускными клапанами, при этом свеча зажигания и форсунка располагаются на дне выемки головки цилиндра.
Для истечения большого количества заряда через каналы завихрителей на быстроходных двигателях с одним впускным и одним выпускным клапаном или с двумя впускными и одним выпускным клапаном на днище поршня в зоне вытеснения могут выполняться две выемки, которые примыкают к стенкам выемок под клапана при положении поршня в ВМТ. Эти выемки создают гидравлическое сопротивление и дополнительно турбулизируют заряд в зоне выемок под клапана (фиг.3, фиг.4).
На дизеле камера сгорания, торцевые выступы и зона вытеснителя на днище поршня выполняется из высоколегированной коррозионно-стойкой и жаростойкой стали в форме вставок, которые влиты или закреплены в днище поршня. При литье в алюминиевый поршень вставка снабжается круговыми выступами на наружной поверхности дна в форме ласточкиного хвоста в поперечном сечении и выступы состоят из двух половин или нескольких частей.
При малой толщине днища поршня и малой глубине вставки в быстроходных дизелях вставка снабжается круговыми выступами в форме ласточкина хвоста на внутренней поверхности в зоне вытеснения (см. фиг.7), круговые выступы состоят из нескольких частей для снижения массы поршня. В другом случае круговые выступы располагаются на наружной боковой поверхности вставки с противоположно направленными уклонами, прижимающими вставку к днищу поршня как при прогреве поршня, так и при его остывании (см. фиг.8).
На дизелях с одним впускным и выпускным клапаном, с двумя впускными и одним выпускным клапаном, с двумя впускными и двумя выпускными клапанами при выступании тарелки клапана над поверхностью дна выемки в головке цилиндра торцевые выступы на днище поршня, примыкающие к тарелкам клапанов, могут выполняться меньшей высоты для исключения их соприкосновения с тарелками клапанов (фиг.6).
При выполнении алюминиевого поршня штамповкой (изотермическим выдавливанием) применяется крепление стальной вставки одним центральным болтом, а под гайки устанавливаются пружинные шайбы для компенсации разного теплового расширения алюминиевого поршня и стальных деталей (фиг.9).
Пружинные шайбы применяются обычно при больших диаметрах цилиндра. В отдельных случаях крепление вставки одним центральным болтом применяется и при выполнении алюминиевого поршня литьем.
При малой глубине стальной вставки крепление его осуществляется одним центральным винтом в тело днища поршня.
На чертежах изображен ДВС, где:
Фиг.1 - поперечный разрез двигателя с искровым зажиганием (сечение А-А на фиг.2).
Фиг.2 - вид на головку цилиндра со стороны поршня с двумя впускными и одним выпускным клапанами.
Фиг.3 - вид на поршень со стороны головки цилиндра.
Фиг.4 - разрез неглубокой выемки сечений Б-Б на фиг.3.
Фиг.5 - поперечный разрез дизеля.
Фиг.6 - вид на поршень со стороны головки цилиндра дизеля.
Фиг.7 - разрез вставки с круговыми выступами в зоне вытеснителя.
Фиг.8. - разрез вставки с круговыми выступами на наружной боковой поверхности вставки.
Фиг.9 - разрез поршня с креплением стальной вставки одним центральным болтом.
Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, кинематически связанным с коленчатым валом (на фигурах не показан), головку 3 цилиндра 1 с установленными в ней впускными 4 и 5 и выпускными 6 клапанами, камеру сгорания 7, выполненную в виде выемки 8 на головке цилиндра 3 и выемки 9 на днище 10 поршня 2, выемка 8 на головке цилиндра сопрягается с выемкой 9 на днище поршня при положении поршня в верхней мертвой точке.
Выемка 9 на днище поршня составляет до 40% объема камеры сгорания для быстроходного двигателя с искровым зажиганием, а для дизеля от 40% до 70% всего объема камеры сгорания.
Завихрители заряда выполнены в виде торцевых выступов 11, охватывающих выемку 9 на днище поршня. Торцевые выступы 11 входят в выемку 8 на головке цилиндра при положении поршня в верхней мертвой точке. Торцевые выступы 11 образуют тангенциально направленные каналы 12. Кромки торцевых выступов закруглены радиусом. Количество торцевых выступов и тангенциальных каналов составляет от 8 до 30 шт. и зависит от диаметра цилиндра. Высота торцевых выступов колеблется в пределах 0,06÷12 радиуса кривошипа и зависит от оборотов двигателя. Впускные клапаны 4 и 5 и выпускной клапан 6 располагаются в выемках 13 и 14 на головке цилиндра.
Источником воспламенения является свеча зажигания 15, которая располагается на боковой поверхности выемки 8 на головке цилиндра для двух и трех клапанов на цилиндр и на дне выемки 8 для четырех клапанов на цилиндр. Источник воспламенения - форсунка 16 для дизеля располагается на дне выемки 8.
В отдельных случаях на днище поршня в зоне вытеснителя выполняются неглубокие выемки 17 (фиг.3), которые примыкают к выемкам под клапаны при положении поршня в верхней мертвой точке, неглубокие выемки обеспечивают дополнительную турбулизацию заряда в камере сгорания как в объеме выемок под клапаны, так и через завихрители, создавая сопротивление истечению в зоне выемок.
На дизельном двигателе для исключения перегрева поршня и потерь тепла камера сгорания с торцевыми выступами выполняется в виде вставки 18 из материалов с меньшим коэффициентом теплопередачи, чем алюминиевый сплав, вставка перекрывает днище поршня полностью. Вставка из высоколегированной коррозионно-стойкой и жаростойкой стали закрепляется или вливается в днище поршня из алюминиевого сплава. Вставка снабжена круговым выступом 19 на наружной поверхности дна камеры, в поперечном сечении круговой выступ выполнен в форме ласточкина хвоста и состоит из двух частей для снижения массы поршня. Круговые выступы в форме ласточкина хвоста 22 могут выполняться на внутренней поверхности в зоне вытеснителя (см. фиг.8), также они могут выполняться на наружной поверхности вставки 23 (см. фиг.7). Торцевые выступы среднеоборотных дизелей, примыкающие к тарелкам клапанов при положении поршня в ВМТ, могут выполняться меньшей высоты для исключения их соприкосновения с клапанами. На фиг.6 в зоне 20 под впускным клапаном и в зоне 21 под выпускным клапаном торцевые выступы имеют меньшую высоту (зоны 20 и 21 показаны пунктирными линиями).
На фиг.9 изображено крепление стальной вставки к алюминиевому поршню, изготовленному в большинстве случаев штамповкой, одним центральным болтом 24, а под гайки 25 устанавливаются одна или несколько пружинных шайб 26. Обычно пружинные шайбы 26 применяются при больших диаметрах цилиндра.
При малой толщине днища поршня крепление вставки может осуществляться центральным винтом в тело днища поршня. На фигурах такое крепление не изображено.
Двигатель работает следующим образом. Во время такта сжатия при подходе поршня к ВМТ торцевые выступы 11 отсекают заряд, находящийся в зоне вытеснения, от камеры сгорания.
Так как движение поршня продолжается, то заряд вытесняется в камеру сгорания через направляющие каналы 12, тангенциально расположенные к камере сгорания. По мере движения поршня к ВМТ сечение направляющих каналов уменьшается, т.к. поверхность головки цилиндров в зоне вытеснителя перекрывает направляющие каналы по высоте по мере движения поршня к ВМТ, таким образом создается высокая скорость истечения заряда в камеру сгорания. Поршень 2 плотно подходит к головке 3 цилиндра 1, зазор в вытеснителе должен быть минимальным. В кромках торцевых выступов 11 при истечении заряда образуются микровихри больших скоростей и энергий, которые за счет тангенциального расположения каналов 12 получают вращательное движение относительно оси камеры сгорания, что позволяет уменьшить интенсивность вихревого движения заряда на впуске и снизить насосные потери дизеля. Около ВМТ свеча зажигания 15 воспламеняет заряд. За счет микровихрей и вращательного движения их относительно оси камеры образуются гомогенный заряд в бензиновых двигателях, который быстрее и полнее сгорает. В дизельных двигателях происходит качественное смесеобразование, заряд сгорает с более высокой скоростью и с большей полнотой. При обратном истечении заряда из камеры сгорания в зону вытеснителя образуются микровихри из заряда и продуктов сгорания, которые обеспечивают полное сгорание топлива между днищем поршня и поверхностью головки цилиндра.
x
За счет качественного смесеобразования, качественной термодинамики цикла и большей скорости и полноты сгорания повышается к.п.д. двигателя на всех режимах и значительно снижается содержание CO, CH, NO в отработавших газах. Кроме того, в дизелях достигается значительное снижение выделения твердых частиц и бездымное сгорание при коэффициенте избытка воздуха α=1,1÷1,2, что позволяет достичь значительного увеличения литровой мощности и крутящего момента. При запуске бензинового двигателя при отрицательных температурах уменьшается износ двигателя за счет обеспечения эффективного сгорания при запуске и прогреве двигателя. В дизелях достигается значительное снижение выброса углеводородов и образование сажи при прогреве двигателя после запуска при отрицательных температурах окружающей среды. Снижение выделения сажи на всех режимах работы дизеля обеспечивает повышение ресурса поршня, поршневых колец и гильзы цилиндров. Эффективное охлаждение днища поршня и самого поршня, возникающее за счет образования микровихрей на торцевых выступах и тангенциальных каналах на днище поршня при огибании их вращающимся зарядом в цилиндре, организованным впускным каналом на головке цилиндра, позволяет значительно поднять литровую мощность двигателя и значительно увеличить ресурс двигателя. Кроме того, микровихри обеспечивают значительное уменьшение периода задержки самовоспламенения, «мягкий» процесс и снижение уровня шума.
Предлагаемое изобретение «Двигатель внутреннего сгорания» позволит значительно улучшить энергетические, экономические, экологические показатели двигателя, увеличить ресурс его за счет обеспечения более полного сгорания при запуске и прогреве при отрицательных температурах, снизить шумность дизелей при непосредственном впрыске топлива в неразделенную камеру сгорания. Внедрение двигателя по изобретению не требует дополнительных затрат в действующих производствах и существенного изменения технологии их изготовления.
Предложенное изобретение позволит широко использовать в качестве топлива сжатый и сжиженный газ, запасы которого значительно больше, чем нефти, так как изобретение позволяет значительно повысить эффективность двигателя за счет обеспечения горения с высокой скоростью этих топлив, а также обеспечить более высокую надежность и ресурс двигателя при использовании этих топлив за счет снижения температуры на выхлопе. Снижение температуры на выхлопе снижает температуру поршня, гильз цилиндров, колец, клапанов, направляющих втулок клапанов, седел клапанов и таким образом обеспечивается повышение ресурса ДВС.