Многотопливный двигатель внутреннего сгорания и его система питания

 

Сущность изобретения: двигатель содержит размещенный в цилиндре поршень, в днище которого выполнена камера сгорания, соединительный канал которой смещен относительно осицилиндра в сторону выпускного окна. В поршне выполнен продувочный канал, расположенный тангенциально к образующей поверхности камеры с возможностью ее сообщения с впускным окном при положении поршня в районе нижней мертвой точки (НМТ). В днище выполнен факельный канал, расположенный напротив свечи зажигания, установленной в головке, а в стенке цилиндра установлена форсунка, сопловые отверстия которой направлены в сторону свечи и камеры сгорания. В случае использования дизельного топлива оно впрыскивается в районе верхней мертвой точки (ВМТ) в момент совпадения одной из осей сопловых отверстий с осью продувочного канала. Топливо воспламеняется как от нагретого воздуха в камере сгорания, так и от факела горящих газов, воспламененных свечой. При продувке сжатый воздух через впускное окно по каналу подается в камеру сгорания и очищает ее от остаточных газов. Система питания двигателя позволяет при помощи простых средств обеспечивать впрыск топлива как в ВМТ, так и в НМТ, в зависимости от его вида. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к многотопливным двигателям внутреннего сгорания и системы их питания.

Известен многотопливный гибридный двигатель, содержащий размещенный в цилиндре поршень, в днище которого выполнена камера сгорания, и размещенные в камере топливную форсунку и свечи зажигания и накаливания [1].

Недостатком аналога являются малая степень очистки объема камеры сгорания от остаточных газов, а также наличие сложной системы его питания различными топливами.

Известен двигатель с картерной продувкой, содержащий картер, цилиндр с головкой, поршень с днищем и юбкой, размещенный в цилиндре с образованием надпоршневой и картерной полостей, связанных между собой при помощи перепускного канала, впускное и выпускное окна, расположенные в надпоршневой камере, камеру сгорания, выполненную в днище поршня и связанную с надпоршневой полостью при помощи соединительного канала, ось которого смещена относительно оси цилиндра, и размещенные в надпоршневой полости форсунку и свечу [2].

Недостатками прототипа являются также малая эффективность продувки камеры сгорания и недостаточная надежность воспламенения при работе двигателя на различных топливах.

Известна также система питания многотопливного двигателя, содержащая привод, топливоподающий орган высокого давления с нагнетательной полостью и напорной магистралью, форсунку, связанную с нагнетательной полостью, дозатор-распределитель топлива, установленный в напорной магистрали и соединенный с форсункой при помощи трубопровода высокого давления, устройство переключения момента впрыска топлива при изменении его вида, и сливную магистраль [3].

Недостатком прототипа в части системы питания является малая эффективность ее работы и процесса перевода двигателя на альтернативное топливо.

Целью изобретения является повышение эффективности при использовании различных видов топлива.

Цель достигается тем, что в многотопливном двигателе с картерной продувкой ось соединительного канала камеры сгорания смещена относительно оси цилиндра в сторону выпускного окна, в поршне выполнен продувочный канал, расположенный при положении поршня вблизи нижней мертвой точки в районе впускного окна с возможностью сообщения последнего через продувочный канал с камерой сгорания и направленный тангенциально образующей поверхности камеры, топливная форсунка установлена в стенке цилиндра, а оси ее сопловых отверстий направлены в сторону камеры сгорания и свечи зажигания.

Цель достигается тем, что форсунка может быть расположена напротив продувочного канала с возможностью совпадения осей последнего и одного из сопловых отверстий при положении поршня вблизи верхней мертвой точки.

Цель достигается тем, что ось соединительного канала может быть расположена под углом к оси цилиндра и наклонена в сторону выпускного окна.

Цель достигается тем, что часть поверхности днища поршня, в которой выполнен соединительный канал, расположена под углом к поперечной плоскости цилиндра.

Цель достигается тем, что он снабжен свечой накаливания, установленной в головке напротив соединительного канала при положении поршня вблизи верхней мертвой точки.

Цель достигается тем, что камера сгорания дополнительно сообщена с надпоршневой полостью при помощи факельного канала, выполненного в днище поршня и расположенного напротив свечи зажигания при положении поршня вблизи верхней мертвой точки.

Цель достигается тем, что в юбке поршня может быть выполнено по меньшей мере одно перепускное окно с возможностью соединения картерной полости с перепускным каналом при положении поршня вблизи нижней мертвой точки.

Цель достигается тем, что система питания многотопливного двигателя внутреннего сгорания, содержащая привод, топливоподающий орган высокого давления с нагнетательной полостью и напорной магистралью, снабжена дополнительными нагнетательной полостью и трубопроводом высокого давления, устройство переключения момента впрыска выполнено в виде гидравлического крана по меньшей мере с двумя парами перепускных каналов, установленного в трубопроводах высокого давления с возможностью соединения каждой нагнетательной полости с выходом одного из трубопроводов, а нагнетательные полости выполнены с возможностью поочередной работы.

Цель достигается тем, что выход дополнительного трубопровода подключен к сливной магистрали или в варианте выполнения системы она снабжена дополнительной форсункой, а выход дополнительного трубопровода подключен к последней.

Цель достигается тем, что топливоподающий орган высокого давления выполнен в виде гидроаккумулятора с подключенным к нему подкачивающим насосом, связанным с приводом, нагнетательные полости расположены в дозаторе-распределителе и образованы свободным плунжером и регулирующим поршеньком, размещенными в гидроцилиндре, снабженном впускными и выпускными отверстиями, при этом отверстия сообщены посредством золотника соответственно с напорной магистралью и с трубопроводами высокого давления.

Цель достигается тем, что золотник может быть выполнен в виде втулки, установленной коаксиально с гидроцилиндром и связанной с приводом посредством кривошипа.

На фиг. 1 представлен двигатель внутреннего сгорания при положении поршня в НМТ; на фиг. 2 - то же, при положении поршня в ВМТ; на фиг. 3 представлена система питания описываемого двигателя; на фиг. 4 - дозатор-распределитель системы питания.

Двигатель содержит картер 1, цилиндр 2 с головкой 3, поршень 4 с днищем 5 и юбкой 6, размещенный в цилиндре 2 с образованием надпоршневой 7 и картерной 8 полостей, связанных между собой при помощи перепускного канала 9, впускные 10 и выпускные 11 окна, расположенные в надпоршневой полости 7, камеру 12 сгорания, выполненную в днище 5 последнего и связанную с надпоршневой полостью 7 при помощи соединительного канала 13, и размещенные в надпоршневой полости 7 топливную форсунку 14 с сопловыми отверстиями 15 и свечу 16 зажигания, при этом ось соединительного канала 13 смещена относительно оси цилиндра 2 в сторону выпускного окна 11, в поршне 4 выполнен продувочный канал 17, расположенный в районе впускного окна 10 с возможностью сообщения последнего с камерой 12 сгорания и направленный тангенциально к образующей поверхности последней, топливная форсунка 14 установлена в стенке цилиндра 2, а оси ее сопловых отверстий направлены в сторону камеры 12 сгорания и свечи 16 зажигания.

Форсунка 14 может быть установлена напротив продувочного канала 17 с возможностью совпадения осей последнего и одного из сопловых отверстий 15 при положении поршня 4 вблизи верхней мертвой точки (ВМТ).

Ось соединительного канала 13 может быть расположена под углом к оси цилиндра 2 и наклонена в сторону выпускного окна 11.

Часть поверхности днища 5 поршня 4, в которой выполнен соединительный канал 13, может быть расположена под углом к поперечной плоскости цилиндра 2.

Двигатель может быть снабжен свечой 18 накаливания, установленной в головке 3 напротив соединительного канала 13 при положении поршня 4 вблизи ВМТ.

Камера 12 сгорания может быть дополнительно сообщена с надпоршневой полостью 7 при помощи факельного канала 19, выполненного в днище 5 поршня 4 и расположенного напротив свечи 16 зажигания при положении поршня вблизи ВМТ.

В юбке 6 поршня 4 может быть выполнено перепускное окно 20 с возможностью соединения картерной полости 8 с перепускным каналом 9 при положении поршня 4 вблизи нижней мертвой точки (НМТ).

Система содержит привод 21, топливоподающий орган высокого давления с нагнетательной полостью 22 и напорной магистралью 23, форсунку 14, связанную с нагнетательной полостью 22, дозатор-распределитель 24 топлива, установленный в напорной магистрали 23 и соединенный с форсункой 14 при помощи трубопровода 25 высокого давления, устройство 26 переключения момента впрыска при изменении вида топлива и сливную магистраль 27, а также снабжена дополнительными нагнетательной полостью 28 и трубопроводом 29 высокого давления. Устройство 26 переключения момента впрыска выполнено в виде гидравлического крана с двумя парами перепускных каналов 30 и 31, установленного в трубопроводах 25 и 29 высокого давления с возможностью соединения каждой нагнетательной полости 22 и 28 с выходом одного из трубопроводов 25 и 29, а нагнетательные полости 22 и 28 выполнены с возможностью поочередной подачи топлива в трубопроводы 25 и 29.

Выход дополнительного трубопровода 29 может быть подключен к сливной магистрали 27 при выполнении двигателя одноцилиндровым, или при выполнении его двухцилиндровым система снабжена дополнительной форсункой 32, а выход дополнительного трубопровода 29 подключен к форсунке 32.

Топливоподающий орган высокого давления может быть выполнен в виде гидроаккумулятора 33 с подключенным к нему подкачивающим насосом 34, связанным с приводом 21, нагнетательные полости 22 и 28 расположены в дозаторе-распределителе 24 и образованы свободным плунжером 35 и регулирующим поршеньком 36, размещенными в гидроцилиндре 37, снабженном впускными 38 и выпускными 39 отверстиями, при этом выпускные 38 и впускные 39 отверстия сообщены посредством золотника 40 соответственно с напорной магистралью 23 и с трубопроводами 25 и 29 высокого давления.

Золотник 40 может быть выполнен в виде втулки, установленной коаксиально с цилиндром 37 и связанной с приводом 21 посредством кривошипа 41.

Многотопливный двигатель работает следующим образом. При выполнении его двухтактным в конце рабочего хода поршня 4 его цилиндрической поверхностью открывается выпускное окно 11, после чего начинается выпуск отработавших газов из цилиндра 2 при закрытом еще впускном окне 10. Продувочный канал 17, выполненный в поршне 4, при дальнейшем движении последнего в НМТ сообщает между собой впускное окно 10 и камеру 12 сгорания, в результате чего она очищается от остаточных газов, которые через соединительный канал 13, находящийся рядом с выпускным окном 11, вытесняются продувочным воздухом в атмосферу. При этом в случае наклона оси соединительного канала 13 в сторону выпускного окна 11 очистка камеры 12 сгорания улучшается. После продувки камеры 12 сгорания открывается впускное окно 10 и происходит продувка надпоршневой полости 7 сжатым в картерной полости 8 воздухом. При ходе поршня 4 к ВМТ происходит такт сжатия, в конце которого через форсунку 14 впрыскивается топливо с хорошей воспламеняемостью, например дизельное. Продувочный канал 17 может находиться при этом напротив одного из сопловых отверстий 15 форсунки 14. Ось соплового отверстия 15 может быть направлена также в сторону соединительного канала 13 при установке форсунки 14 на противоположной стороне цилиндра 2. Часть топлива попадает при этом на поверхность камеры 12 сгорания, образуя пленку, а часть - смешивается с воздушным потоком, образуя смесь, которая либо самовоспламеняется, либо воспламеняется от свечи 18 накаливания, которая может быть расположена в соединительном канале 13 в конце сжатия, либо - от свечи 16 зажигания, около электродов которой может создаваться запальный заряд за счет впрыска в район расположения свечи 16 порции топлива через одно из сопловых отверстий 15. Для улучшения качества воспламенения и сгорания заряда в камере 12 воспламененный при помощи свечи 16 запальный заряд может подаваться в виде факела в камеру 12 сгорания через факельный канал 19, выполненный в днище 5. Заряд в камере 12 сгорает с большой полнотой и с малой жесткостью вследствие глубокого расслоения заряда. Проводится рабочий ход с движением поршня 4 к НМТ, в конце которого происходит выпуск отработавших газов, затем продувка камеры 12 сгорания воздухом с последующей продувкой надпоршневой полости 7 цилиндра 2.

Расположение части поверхности днища 5, в которой выполнен соединительный канал 13, под углом к поперечной плоскости цилиндра 2 позволяет улучшить качество очистки не только камеры 12 сгорания при продувке, но и всей надпоршневой полости 7.

При переходе на легкое топливо, например бензин, форсунка 14 переключается на впрыск при положении поршня 4 в районе НМТ. В район свечи 16 подается порция топлива для образования запального заряда, а основная часть топлива подается в объем надпоршневой полости 7 или в сторону соединительного канала 13 в зависимости от расположения форсунки 14. В связи с тем, что степень сжатия двигателя невелика, а также из-за расслоения заряда и связанного с последним увеличения коэффициента избытка воздуха детонация в двигателе при его работе на легком топливе отсутствует.

Стабильное же воспламенение заряда при работе двигателя на дизельном топливе обеспечивается при помощи запальных свечей, а также за счет сжатия в надпоршневой полости 7 воздуха, подогретого в картерной полости 8 при предварительном сжатии, в результате чего достигается достаточная температура воздуха для самовоспламенения заряда даже при небольших значениях степени сжатия. Подогрев картерного заряда может быть увеличен за счет выполнения в юбке 6 поршня 4 перепускного окна 20, через которое сжатый заряд из картерной полости 8 вытесняется в перепускной канал 9 и далее в надпоршневую полость 7. Так как окно 20 находится под днищем 5 поршня 4, воздух, соприкасаясь с внутренней поверхностью днища 5, охлаждает его и нагревается при этом.

Таким образом описываемая конструкция позволяет повысить эффективность работы двигателя на различных видах топлива из-за улучшения качества очистки от отработавших газов и улучшения процессов воспламенения и сгорания, в частности из-за улучшения очистки.

Система питания, в том числе и описываемого многотопливного двигателя (см. фиг. 3 и 4), работает следующим образом. Подкачивающий насос 34, связанный с приводом 21, подает топливо под давлением в гидроаккумулятор 33, в котором оно находится под постоянным давлением. Далее топливо подается из аккумулятора 33 по напорной магистрали 23 к дозатору-распределителю 24 и через открытое золотником 40 впускное отверстие 38 попадает в одну из нагнетательных полостей, например 22, перемещая при этом свободный плунжер 35 в сторону другой нагнетательной полости 28, в которой также находится порция топлива, оставшаяся в ней после предыдущего цикла. Топливо под давлением из полости 28 подается через открытое в этот момент золотником 40 выпускное отверстие 39 в трубопровод 29 высокого давления. В случае, если кран устройства переключения 26 момента впрыска установлен в положении, при котором топливо подается через перепускные каналы 30, оно из трубопровода 29 попадает в сливную магистраль 27 при установке на двигателе только одной форсунки 14, например при выполнении его одноцилиндровым. Золотник 40, перемещаясь относительно гидроцилиндра 37 за счет кинематической его связи с приводом 21, в следующий момент перекрывает выпускное отверстие 39 нагнетательной полости 28 и впускное отверстие 38 полости 22 и открывает впускное отверстие 38 полости 28 и выпускное отверстие 39 полости 22, в результате чего топливо под давлением поступает в нагнетательную полость 28 и перемещает свободный плунжер 35 в сторону полости 22, вытесняя из нее через выпускное отверстие 39 порцию топлива в трубопровод 25, и через перепускной канал 30 подается к форсунке 14.

При повороте крана устройства 26 переключения момент подачи топлива к форсунке 14 смещается на 180^о поворота вала привода 21 золотника 40 вследствие соединения трубопровода 25 в момент подачи топлива со сливной магистралью 27 через перепускной канал 31, а трубопровода 29 - с форсункой 14.

При соединении выхода трубопровода 29 не со сливной магистралью 27, а с дополнительной форсункой 32, установленной, например, во втором цилиндре двигателя, происходит поочередная подача топлива к форсункам в случае смещения циклов работы в цилиндрах, например, на 180^о. После поворота крана устройства 26 переключения нагнетательная полость, из которой топливо подавалось к одной форсунке, соединяется с другой форсункой, то есть происходит подача в другой цилиндр, или со смещением ее на 180^о. Если при одном положении крана подача происходила в районе ВМТ, например, дизельного топлива, то при другом его положении - в районе НМТ, например, бензина.

Таким образом в описываемой системе при ее конструктивной простоте через одну форсунку подается в цилиндр топливо в зависимости от его вида в различные моменты положения вала двигателя путем поворота простого по конструкции устройства, что повышает эффективность ее работы, управления и работы двигателя на различных видах топлива.

Описываемые технические решения позволяют повысить эффективность проведения рабочего процесса в многотопливном двигателе за счет улучшения очистки камеры сгорания от остаточных газов, качества смесеобразования с различными видами топлива, повысить надежность их воспламенения, упростить и удешевить, в частности, топливоподающий орган высокого давления за счет отказа от топливного насоса с прецизионными плунжерными парами, упростить эксплуатацию двигателя, например, в части перевода его с одного топлива на другое и т.д.

Формула изобретения

МНОГОТОПЛИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЕГО СИСТЕМА ПИТАНИЯ.

1. Многотопливный двигатель внутреннего сгорания с картерной продувкой, содержащий картер, по меньшей мере один цилиндр с головкой, поршень с днищем и юбкой, размещенный в цилиндре с образованием надпоршневой и картерной полостей, связанных между собой при помощи по меньшей мере одного перепускного канала, по меньшей мере одно впускное и одно выпускное окно, расположенные в надпоршневой полости, камеру сгорания, выполненную в днище поршня и сообщенную с надпоршневой полостью при помощи соединительного канала, ось которого смещена относительно оси цилиндра, и размещенные в надпоршневой полости топливную форсунку с сопловыми отверстиями и свечу зажигания, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, ось соединительного канала смещена в сторону выпускного окна, в поршне выполнен продувочный канал, расположенный при положении поршня вблизи нижней мертвой точки в районе впускного окна с возможностью сообщения последнего через продувочный канал с камерой сгорания и направленный тангенциально образующей поверхности камеры сгорания, топливная форсунка установлена в стенке цилиндра, а оси ее сопловых отверстий направлены в сторону камеры сгорания и свечи зажигания.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что форсунка расположена напротив продувочного канала с возможностью совпадения осей последнего и одного из сопловых отверстий при положении поршня вблизи верхней мертвой точки.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ось соединительного канала расположена под углом к оси цилиндра и наклонена в сторону выпускного окна.

4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что часть поверхности днища поршня, в которой выполнен соединительный канал, расположена под углом к поперечной плоскости цилиндра.

5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что он снабжен свечой накаливания, установленной в головке напротив соединительного канала при положении поршня вблизи верхней мертвой точки.

6. Двигатель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что камера сгорания дополнительно сообщена с надпоршневой полостью при помощи факельного канала, выполненного в днище поршня и расположенного напротив свечи зажигания при положении поршня вблизи верхней мертвой точки.

7. Двигатель по пп.1 - 6, отличающийся тем, что в юбке поршня выполнено по меньшей мере одно перепускное окно с возможностью соединения картерной полости с перепускным каналом при положении поршня вблизи нижней мертвой точки.

8. Система питания многотопливного двигателя внутреннего сгорания, содержащая привод, топливоподающий орган высокого давления с нагнетательной полостью и напорной магистралью, форсунку, связанную с нагнетательной полостью, дозатор-распределитель топлива, установленный в напорной магистрали и соединенный с форсункой при помощи трубопровода высокого давления, устройство переключения момента впрыска при изменении вида топлива и сливную магистраль, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, она снабжена дополнительными нагнетательной полостью и трубопроводом высокого давления, устройство переключения момента впрыска выполнено в виде гидравлического крана по меньшей мере с двумя парами перепускных каналов, установленного в трубопроводах высокого давления с возможностью соединения каждой нагнетательной полости с выходом одного из трубопроводов высокого давления, а нагнетательные полости выполнены с возможностью поочередной подачи топлива в трубопроводы высокого давления.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что выход дополнительного трубопровода высокого давления подключен к сливной магистрали.

10. Система по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной форсункой, а выход дополнительного трубопровода высокого давления подключен к последней.

11. Система по пп.8 - 10, отличающаяся тем, что топливоподающий орган высокого давления выполнен в виде гидроаккумулятора с подключенным к нему подкачивающим насосом, связанным с приводом, дозатор-распределитель выполнен с золотником и гидроцилиндром, снабженным свободным плунжером, регулирующим поршеньком, впускными и выпускными отверстиями, сообщенными посредством золотника соответственно с напорной магистралью и трубопроводами высокого давления, а нагнетательные полости образованы свободным плунжером и регулирующим поршеньком.

12. Система по пп.8 - 11, отличающаяся тем, что золотник выполнен в виде втулки, установленной коаксиально с гидроцилиндром и связанной с приводом посредством кривошипа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4