Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС). ДВС, содержащий по меньшей мере один цилиндр, размещенный в нем поршень, головку цилиндра, снабженную свечой зажигания и/или по меньшей мере одной форсункой, двумя независимыми клапанами, центрально-расположенным выпускным и окружающим его впускным кольцевым, центральным и кольцевым каналами, размежеванными кольцевой перемычкой, и входным впускным каналом, соединенным с кольцевой , а также камеру сгорания. Кольцо впускного клапана снабжено буртиком, охватывающим с зазором кольцевую перемычку, а камера сгорания обрамлена поверхностями кольцевого клапана, головки цилиндра и поршня и снабжена вытеснительными полостями, при этом центральная полость примыкает к выпускному клапану, а периферийная охватывает камеру сгорания в половине, ближней к цилиндру, и образует кольцевой выступ головки цилиндра. Двигатель может быть выполнен в варианте с принудительным зажиганием или с воспламенением смеси от сжатия. Изобретение обеспечивает повышение эффективности сжигания топлива, уменьшение расхода топлива и улучшает экологию. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Известны двигатели внутреннего сгорания, содержащие по меньшей мере один цилиндр, размещенный в нем поршень, снабженную механизмом газораспределения, свечой зажигания и/или по меньшей мере одной топливной форсункой головку цилиндра и камеру сгорания.

Известен ДВС (авт. св. СССР N 1370271 от 30.11.88 г., кл. F 02 B 23/08), содержащий по меньшей мере один цилиндр, размещенный в нем поршень со сферическим выпуклым днищем, выполненным с выемкой, камеру сгорания, образованную днищем поршня и сферической вогнутой поверхностью головки цилиндра и снабженную свечой зажигания, впускной канал со средством закрутки потока топливовоздушной смеси и выпускной канал, и дополнительный впускной канал, а в нижней части цилиндра над поршнем при положении его в НМТ выполнено окно, сообщенное с дополнительным впускным каналом.

Недостатком этого ДВС является невысокое качество смесеобразования внутри цилиндра. Осевая закрутка в цилиндре приводит к тому, что часть легкого топлива центробежными силами отбрасывается к стенке цилиндра и осаждается там на масляной пленке и не участвует в смесеобразовании. Это приводит к разжижению или смыванию масляной пленки, что снижает ресурс двигателя, а также приводит к снижению топливной экономичности.

Известен механизм газораспределения ДВС, содержащий головку цилиндра и два независимых соосных, снабженных независимыми приводами и механизмами регулировки зазоров, клапана, центрально-расположенный тарельчатый и внешний кольцевой, снабженный соосными посадочными поверхностями на внешней и внутренней кромках кольца и по меньшей мере двумя прикрепленными к кольцу направляющими стержнями, а головка цилиндра снабжена центральными каналом, седлом и направляющим отверстием для тарельчатого клапана, внешним кольцевым каналом, внешним и средним седлами и направляющими отверстиями, по числу стержней, для кольцевого клапана, при этом каналы размежеваны кольцевой перемычкой головки цилиндра, а кольцевой канал соединен с входным впускным каналом (патент Германии N 4114721 A1, 19.11.1992, F 01 L 1/28).

Недостаток данного механизма в том, что впускной кольцевой клапан делит впускаемый поток воздуха на два примерно равных потока.

Известны камеры сгорания, снабженные вытеснительными полостями (авт. св. СССР N 337547, заявлено 15.10.70 г., кл. F 02 B 23/08; авт.св. N 914787 от 14.01.80 г.; авт. св. N 877096, заявлено 03.11.76 г., кл. F 02 B 23/00; патент ФРГ N 1242400, опубл. в 1967 г., кл. 46 а 2 79/01), в двух последних описаниях камеры сгорания тороидальной формы.

Недостатком таких камер является невысокое качество смесеобразования, а попадание части топлива на зеркало цилиндра не исключено, так как топливо начинает подаваться в цилиндр до прихода поршня в ВМТ, когда камера сгорания еще не образована. Это снижает ресурс двигателя и его топливную экономичность.

Недостатком известного двигателя с воспламенением от сжатия, где тороидальная камера сгорания размещена в поршне, является то, что вихрь смеси создается энергией впрыска топлива под высоким давлением, а только затем усиливается энергией движения вытесняемой рабочей среды. При этом нет достаточно равномерного распределения топлива в окислителе, особенно на полных нагрузках, о чем свидетельствует дымность дизелей.

В основу настоящего изобретения положена техническая задача создания более экономичного, по сравнению с известными, двигателя, в котором осуществлялось бы более эффективное сжигание топлива. Улучшилась бы экология, а также увеличился бы ресурс и надежность двигателя.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один цилиндр, размещенный в нем поршень, головку цилиндра, снабженную свечой зажигания и/или по меньшей мере одной топливной форсункой, двумя независимыми, снабженными независимыми приводами, клапанами, центрально-расположенным выпускным и окружающим его впускным кольцевым, прилегающими к седлам центрального и кольцевого каналов, размежеванных кольцевой перемычкой головки цилиндра, и впускным каналом, образованным входным и кольцевым, а также камеру сгорания, снабженную вытеснительными полостями, образующимися при положении поршня в верхней мертвой точке. Кольцо впускного клапана снабжено буртиком, охватывающим с зазором кольцевую перемычку в закрытом положении клапана, а камера сгорания обрамлена поверхностями впускного кольцевого клапана, головки цилиндра и поршня и имеет туннельно-кольцевую, предпочтительно торообразную форму, при этом центральная вытеснительная полость примыкает к выпускному клапану, а периферийная охватывает камеру сгорания в половине, ближней к цилиндру, и образует кольцевой выступ головки цилиндра.

Целесообразно, чтобы центрально-расположенное седло выпускного клапана было размещено ближе к цилиндру, чем внутреннее седло впускного клапана.

Целесообразно, чтобы внутреннее седло впускного клапана было размещено ближе к цилиндру, чем его внешнее седло.

Целесообразно, чтобы по меньшей мере одна форсунка была сориентирована так, чтобы струя топлива из нее была направлена на неподвижную поверхность камеры сгорания по касательной к ней и в плоскости туннеля этой камеры.

Целесообразно, чтобы по меньшей мере одна топливная форсунка была размещена во входном канале.

Рассмотрим влияние отдельных признаков на ожидаемый эффект от использования изобретения.

Двигатель содержит камеру сгорания, обрамленную поверхностями кольцевого клапана, головки цилиндра и поршня, она имеет туннельно-кольцевую, предпочтительно торообразную форму, удобную для создания торообразного вихря, вращающегося относительно кольцевой оси туннеля с малыми гидропотерями.

Кольцо впускного клапана снабжено буртиком, охватывающим с зазором кольцевую перемычку, который в начале хода клапана блокирует внутренний поток впускаемого воздуха, этим усиливает внешний поток, создающий торообразный вихрь. Это способствует более полному удалению остаточных газов из камеры и осуществляет закрутку воздуха уже после входа его в полость цилиндра, что снижает гидропотери и усиливает внешний поток.

Камера сгорания оснащена двумя вытеснительными полостями, центральной, примыкающей к выпускному клапану, и периферийной, охватывающей камеру сгорания в половине ближней к цилиндру. Это позволяет значительно усилить торообразный вихрь, так как струи газа, вытесняемые поршнем из этих полостей, движутся навстречу друг другу как пара сил, создающая крутящий момент в направлении уже созданного вращения.

Кольцевой выступ головки цилиндра, образованный в камере сгорания, создает при впуске экранирующий слой потока воздуха или обедненной топливовоздушной смеси, защищающий зеркало цилиндра от попадания на него топлива в жидкой фазе. Этим увеличивается ресурс цилиндропоршневой группы двигателя.

Когда центрально-расположенное седло выпускного клапана размещено ближе к цилиндру, чем внутреннее седло впускного клапана, тогда улучшаются условия для удаления остаточных газов, благодаря тому, что приоткрытый впускной клапан не перекрывает, в положении поршня в ВМТ, путь выходящим газам.

Когда внутреннее седло впускного клапана размещено ближе к цилиндру, чем его внешнее седло, тогда камера сгорания в большей степени по форме приближается к торообразной, это способствует развитию торообразного вихря в камере.

Когда по меньшей мере одна форсунка сориентирована так, что струя топлива при непосредственном впрыске направлена на неподвижную поверхность камеры сгорания по касательной к ней и в плоскости этой камеры, тогда осуществляется закрутка вихря еще и относительно оси цилиндра по замкнутому кольцу туннеля камеры сгорания. Это способствует более равномерному распределению топлива в окислителе, особенно это важно при воспламенении смеси от сжатия при полных нагрузках.

Когда по меньшей мере одна топливная форсунка размещена во входном канале, тогда топливо более равномерно распределяется в кольцевом канале и по объему камеры сгорания, поэтому повышается качество смесеобразования.

Торообразный вихрь обеспечивает более полное удаление остаточных газов из камеры сгорания и повышает качество смесеобразования внутри цилиндра.

Этим предлагаемый двигатель обеспечивает более эффективное сжигание топлива в нем, а значит уменьшение удельного расхода топлива, улучшение экологии, а также увеличение ресурса и надежности двигателя.

В дальнейшем двигатель поясняется примером его выполнения и прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 представлен двигатель в сечении по направляющим стержням клапанов; на фиг. 2 - с клапанами в положении очистки камеры сгорания от остаточных газов; на фиг. 3 - схема движения горючей смеси в конце такта сжатия; на фиг. 4 - схема движения воздуха или топливовоздушной смеси в середине такта впуска.

Лучший вариант осуществления предлагаемого двигателя в исполнении с принудительным зажиганием.

Двигатель (фиг. 1 и 2) содержит по меньшей мере один цилиндр 1, размещенный в нем поршень 2, головку цилиндра 3, снабженную двумя независимыми клапанами, впускным кольцевым 4 окружающим центрально-расположенный выпускной 5, и каналами, впускным входным, соединенным с впускным кольцевым 6 и выпускным 7, размежеванными кольцевой перемычкой 8 головки цилиндра 3, а также камеру сгорания 9, обрамленную поверхностями впускного клапана 4, головки цилиндра 3 и поршня 2, имеющую туннельно-кольцевую, предпочтительно торообразную, форму. Камера сгорания 9 снабжена парой, образующихся при положении поршня 2 в ВМТ, вытеснительных полостей: периферийной 10, охватывающей камеру сгорания 9 в половине, ближней к цилиндру 1, и центральной 11, примыкающей к тарелке выпускного клапана 5. Впускной клапан 4 снабжен двумя подпружиненными направляющими стрежнями 12, прикрепленными к кольцу 13 параллельно его оси вращения. Кольцо 13 снабжено двумя соосными посадочными поверхностями для отделения впускного кольцевого канала 6 от внутренней полости цилиндра 1. В головке цилиндра 3 выполнены два направляющих отверстия, по числу стержней, и два соосных седла, внешнее и среднее (внутреннее), для клапана 4. Кольцо 13 клапана 4 аэродинамически спрофилировано так, что впускаемый воздух или топливовоздушная смесь разделяется им на два неравных и переменных по величине потока (фиг. 2 и 4), внешний 14 больший и внутренний 15 меньший. Для выпускного тарельчатого клапана 5 в головке цилиндра 3 выполнены центральное направляющее отверстие и седло. Кольцевой выступ 16 головки цилиндра 3, являясь частью вытеснительной полости 10 и камеры сгорания 9, направляет часть потока воздуха 14, при открытом впускном клапане 4 (фиг. 4), вдоль цилиндра 1, с целью создания экранирующего слоя, защищающего зеркало цилиндра 1 от попадания на него топлива в жидкой фазе.

Кольцо 13 клапана 4 снабжено буртиком 17, охватывающим с минимальным зазором кольцевую перемычку 8 (фиг. 3). Буртик 17 в начале хода клапана 4 блокирует внутренний поток 15, этим создает мощный внешний поток 14 (фиг. 2).

Головка цилиндра 3 снабжена свечой зажигания, а по меньшей мере одна топливная форсунка размещена во входном канале и сориентирована так, что топливо равномерно распределяется по кольцевому каналу 6. На чертежах свеча зажигания, входной канал и форсунки не показаны.

Центрально-расположенное седло 18 выпускного клапана 5 размещено ближе к цилиндру 1, чем внутреннее (среднее) седло 19 впускного клапана 4, а внутреннее седло 19 размещено ближе к цилиндру 1, чем его внешнее седло 20.

Предлагаемый двигатель содержит существенные конструктивные особенности и работает следующим образом.

В конце такта выпуска происходит (фиг. 2) очистка камеры сгорания 9 от остаточных газов, когда клапан выпуска 5 еще не закрыт, а клапан впуска 4 уже приоткрыт. За счет энергии движения выхлопных газов в трубах в камере сгорания 9 образуется разрежение, внешний поток воздуха 14 приходит на смену остаточным газам и создает торообразный вихрь, в котором воздух вращается относительно кольцевой оси туннеля. Омывая клапан впуска 4, головку цилиндра 3 и поршень 2, воздух охлаждает их и, смешиваясь с остаточными газами в вихре, удаляется в выпускной канал 7. Внутренний очень слабый поток 15 из канала 6 удаляется в канал 7, омывая клапан 4, перемычку 8 и клапан 5, охлаждает их. Поршень 2, приближаясь к ВМТ, вытесняет газы из полостей 10 и 11. Движущиеся навстречу друг другу струи газа, как пара сил, создающая крутящий момент, усиливают торообразный вихрь. За счет центробежных сил газы отбрасываются к наружным слоям вихря, что способствует максимальному их удалению. Процесс очистки заканчивается закрытием клапана выпуска 5.

Начинается процесс заполнения объема цилиндра воздухом, поршень 2 движется вниз. Внешний поток 14 своей энергией движения подпитывает торообразный вихрь и в процессе открытия впускного клапана 4. В легкотопливном ДВС после закрытия клапана выпуска 5 происходит начало подачи топлива. Оно сравнительно равномерно распределяется во впускном канале 6, затем попадает в потоки воздуха 14 и 15, смешивается с ним в щелях между клапаном 4 и внешним 20 и средним 19 седлами более равномерно, так как скорость потоков 14 и 15 здесь наибольшая, а давление наименьшее. За счет сил инерции капли топлива попадают на поверхность клапана впуска 4, образуя пленку, которую постепенно сдувают потоки воздуха 14 и 15, испаряют и направляют топливо в зону турбулентности на стыке потоков 14 и 15 с внешними слоями вихрей, где топливо интенсивно перемешивается с кислородом воздуха и еще более равномерно распределяется в воздухе. На стенки цилиндра топливо в жидкой фазе не попадает. При полностью открытом впускном клапане 4 под ним образуются (фиг. 4) два тороидальных вихря, внешний больший и внутренний меньший, подпитываемые потоками 14 и 15. Сечение вихрей из кругового переходит в эллипсовидное. На границе потоков 14 и 15 с вихрями образуется большой градиент скоростей, где топливо интенсивно раздробляется и испаряется. В процессе закрытия впускного клапана 4, когда внутренний поток воздуха 15 ослабнет, тогда внутренний вихрь исчезнет, а внешний тороидальный вихрь из эллипсовидного в сечении преобразуется в круговой, торообразный вихрь (фиг.3).

Зажигание смеси производится до прихода поршня 2 в верхнюю мертвую точку в процессе сжатия.

Поршень 2, приближаясь к ВМТ, вытесняет из полостей 10 и 11 уже горючую смесь и усиливает торообразный вихрь. Более тяжелые пары топлива центробежными силами отбрасываются к горячим поверхностям камеры сгорания 9, где топливо еще более равномерно распределяется в окислителе. Процесс горения происходит при интенсивном вращении вихря горючей смеси за короткое время. Затем под действием давления газов поршень 2 движется к НМТ. Происходит процесс расширения. Затем открывается выпускной клапан 5, происходит выпуск. Поршень 2 после этого движется к ВМТ и выжимает газы из цилиндра 1. Затем происходит процесс очистки камеры сгорания 9 от остаточных газов.

Дальше процесс работы двигателя повторяется.

Реализация предлагаемого двигателя позволяет повысить эффективность сжигания топлива, этим уменьшить удельный расход топлива и улучшить экологию, а также увеличить ресурс и надежность двигателя.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр, размещенный в нем поршень, головку цилиндра, снабженную свечой зажигания и/или по меньшей мере одной топливной форсункой, двумя независимыми клапанами, центрально-расположенным выпускным и окружающим его впускным кольцевым, прилегающими к седлам центрального и кольцевого каналов, размежеванных кольцевой перемычкой, и впускным каналом, образованным входным и кольцевым каналами, а также камеру сгорания, снабженную вытеснительными полостями, образующимися при положении поршня в верхней мертвой точке, отличающийся тем, что кольцо впускного клапана снабжено буртиком, охватывающим с зазором кольцевую перемычку в закрытом положении клапана, а камера сгорания обрамлена поверхностями кольцевого клапана, головки цилиндра и поршня, при этом центральная вытеснительная полость примыкает к выпускному клапану, а периферийная охватывает камеру сгорания в половине, ближней к цилиндру, и образует кольцевой выступ головки цилиндра.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что центрально-расположенное седло клапана размещено ближе к цилиндру, чем внутреннее седло впускного клапана.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутреннее седло впускного клапана размещено ближе к центру, чем его внешнее седло.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна форсунка сориентирована так, что струя топлива из нее направлена на неподвижную поверхность камеры сгорания по касательной к ней и в плоскости этой камеры.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна топливная форсунка размещена во входном канале.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4