Двигатель внутреннего сгорания для сжиженного или сжатого газового топлива или бензина

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания для сжиженного или сжатого топлива или бензина содержит, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускными и выпускными клапанами и располагаемыми в выемках головки, камеру сгорания, выполненную в виде выемки от тела вращения в головке цилиндра, ось которого совпадает с осью цилиндра или располагается вблизи нее; завихрители заряда в форме торцевых выступов с тангенциальными каналами располагаются на днище поршня и примыкают к цилиндрической выемке в головке цилиндра при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), источник воспламенения, установленный в выемке головки цилиндра, впускные клапаны и выпускные клапаны в головке цилиндра имеют противоположно направленные наклоны к оси цилиндра и располагаются на дне выемок в головке цилиндра, глубина которых увеличивается к оси цилиндра, дно камеры сгорания имеет шатровую форму, а источник воспламенения находится на дне камеры сгорания, закрутка свежего заряда на впуске для охлаждения торцевых выступов и днища поршня создается вставкой с отражателями, вставка устанавливается в один из каналов впуска в головке цилиндра или во впускной трубе, причем вращение заряда в цилиндре имеет одинаковое направление с тангенциальными каналами на торцевых выступах на днище поршня. Изобретение обеспечивает повышение крутящего момента двигателя, уменьшение расхода топлива и увеличение ресурса двигателя. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным воспламенением.

Известно, что использование сжиженного или сжатого углеводородного газового топлива в существующих ДВС вызывает повышение температуры выхлопных газов вследствие меньшей скорости сгорания этих топлив по сравнению с бензином. Это вызывает повышенный износ клапанов, направляющих втулок клапанов, седел клапанов, поршней, поршневых колец, гильз цилиндров и существенно снижает ресурс ДВС.

Использование сжиженного газового топлива и бензина вызывает повышенный износ гильз цилиндров, поршней, поршневых колец при запусках при отрицательной температуре окружающей среды и прогреве двигателя по причине попадания жидкого топлива на стенки цилиндра и ухудшения условий смазки гильз цилиндра, поршневых колец и каналов поршней под кольца.

Целью изобретения является:

- снижение эксплуатационных затрат на топливо путем использования сжиженного или сжатого газового топлива и уменьшение расхода этих топлив или бензина;

- значительное повышение крутящего момента двигателя и существенное повышение ездовых качеств автомобиля при пользовании одного из указанных топлив;

- значительное увеличение ресурса двигателя при пользовании любого из этих топлив;

- значительное снижение токсичных компонентов СН, СО, NOx в выхлопных газах.

Указанная цель достигается за счет интенсификации процесса смесеобразования и сгорания заряда путем генерирования микровихрей высоких скоростей и энергий в конце такта сжатия, доработкой конструкции камеры сгорания существующих в производстве двигателей с принудительным воспламенением.

Наиболее близким к изобретению двигателем является ДВС по патенту RU №2309271.

По этому патенту известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанный с коленчатым валом, головку цилиндра с установленным в ней впускными и выпускными клапанами и располагаемыми в выемках головки, камеру сгорания, выполненную в виде выемки от тела вращения в головке цилиндра, ось которого совпадает с осью цилиндра или располагается вблизи нее, завихрители заряда в форме торцевых выступов с тангенциальными каналами располагаются на днище поршня и примыкают к цилиндрической выемке в головке цилиндра при положении поршня в ВМТ, источник воспламенения, установленный в выемке головки цилиндра.

Цель изобретения достигается тем, что в двигателе по патенту RU №2309271 устанавливаются два впускных и два выпускных клапана и они имеют противоположно направленные наклоны к оси цилиндра и располагаются на дне выемок в головке цилиндра, глубина которого увеличивается к оси цилиндра, дно камеры сгорания имеет шатровую форму, а источник воспламенения находится на дне цилиндрической выемки в головке цилиндра. Для исключения перегрева торцевых выступов на днище поршня и самого поршня организуется закрутка свежего заряда на впуске, закрученный заряд огибает торцевые выступы и интенсивно охлаждает микровихрями днище поршня в процессе впуска и сжатия.

Для создания закрутки потока заряда на впуске в один из впускных каналов в головке цилиндра или во впускной трубе устанавливается вставка, которая содержит дефлекторы (или отражатели), закручивающие поток на впуске. Во втором случае один из впускных каналов в головке цилиндра выполняется винтовой формы. В третьем случае стенка цилиндрической выемки вблизи одного из впускных клапанов имеет скошенный участок, образующий острый угол к касательной цилиндрической выемке в месте их сопряжения, а между впускными клапанами в литье выполняется ребро примерно параллельно к скошенной стенке выемки. В одном из вариантов это ребро не выполняется. Причем во всех трех случаях закрутка потока осуществляется в направлении, совпадающем с направлением тангенциальных каналов на торцевых выступах на днище поршня.

В предлагаемом двигателе может осуществляться впрыск топлива в камеру сгорания форсункой, ось которой совпадает с осью цилиндрической выемки в камере сгорания, а источник воспламенения- свеча зажигания - располагается ближе к стенке цилиндрической выемки. При этом для равномерного распределения топлива дно камеры сгорания на днище поршня, ограниченном торцевыми выступами, имеет сферический выпуклый участок радиусом R, сопрягаемый радиусом R₁ с внутренней стенкой торцевых выступов.

Для образования большей зоны вытеснения возможен вариант двигателя с двумя впускными клапанами на цилиндр и одним противоположно направленным выпускным клапаном. Возможен вариант двигателя с шатровой камерой с одним выпускным и впускным клапаном.

Таким образом, без значительного изменения технологии действующего производства двигателей с шатровыми камерами сгорания достигается интенсификация процесса смесеобразования и сгорания, которая обеспечивает снижение затрат на топливо, повышение крутящего момента двигателя и улучшение ездовых качеств автомобиля, увеличение ресурса двигателя, улучшение экологических качеств автомобиля.

Изобретение поясняется фигурами 1 - 5.

На фигуре 1 изображен поперечный разрез двигателя, сечение А-А на фигуре 2; на фигуре 2 изображен вид на головку цилиндра со стороны поршня; на фигуре 3 изображен разрез поршня, сечение Б-Б на фигуре 4.

На фигуре 4 изображено днище поршня, вид со стороны головки цилиндра. На фигуре 5 изображена вставка с отражателями.

Двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, кинематически связанным с коленчатым валом (не показан), головку 3 цилиндра 1 с установленными двумя впускными клапанами 4 и двумя выпускными клапанами 5, имеющими противоположно направленные наклоны к оси цилиндра, камеру сгорания 6 с цилиндрическим углублением 7 и дном в форме шатра 8. Клапаны располагаются в выемках 9, глубина которых увеличивается к оси цилиндра. На днище 10 поршня 2 располагаются торцевые выступы 11 в форме цилиндрического кольца и образуют тангенциальные каналы 12. Источником воспламенения служит свеча зажигания 13, расположенная на дне камеры сгорания 6 головки 3 цилиндра. Двигатель может иметь форсунку впрыска топлива внутрь цилиндра (форсунка не показана), в этом случае ось форсунки совпадает с осью цилиндрической выемки 7, а свеча зажигания 13 размещается ближе к стенке выемки 7. Закрутка заряда на впуске обеспечивает один из винтовых каналов впускного клапана (на фигурах не изображен). В другом случае закрутку заряда обеспечивает вставка 14 с дефлекторами (отражателями) 15, вставка изображена на фигуре 5. Вставка 14 устанавливается в один из впускных каналов в головке цилиндра или во впускной трубе. В третьем случае закрутку потока на впуске обеспечивает скошенная стенка 16 цилиндрического углубления 7 на головке 3 и ребро 17 между впускными клапанами 4. Причем во всех случаях направление закрутки на впуске совпадает с направлением тангенциальных каналов 12 на торцевых выступах 11 на днище 10 поршня.

Двигатель работает следующим образом. Во время такта сжатия при подходе поршня 2 к ВМТ торцевые выступы 11 отсекают воздух или заряд, находящийся в зоне вытеснения, от камеры сгорания 6. Так как движение поршня продолжается, то воздух или заряд вытесняется в камеру сгорания через тангенциальные каналы 12 и через зазоры между торцевыми выступами 11 на днище 10 поршня и стенками цилиндрической выемкой 7 на головке цилиндра. Заряд приобретает высокую скорость в тангенциальных каналах и зазорах и, срываясь со всех кромок торцевых выступов и тангенциальных каналов, образует большое количество микровихрей высоких энергий, которые вращаются вокруг оси камеры, и распределяются по всему объему камеры сгорания. Достигается максимального быстрая встреча молекул топлива и воздуха и таким образом обеспечивается полное сгорание с высокой скоростью. При движении поршня вниз смесь продуктов сгорания, топлива и воздуха выбрасываются из камеры сгорания 6 через тангенциальные каналы 12 в остальную часть пространства между днищем поршня и поверхностью головки цилиндра и в этой смеси повторно образуются микровихри, охватывающие все пространство между поршнем и головкой цилиндра. Даже при холодных деталях в процессе запуска при отрицательных температурах микровихри срывают жидкие фракции заряда с поверхностей между днищем поршня и головки цилиндра, испаряются в воздухе и обеспечивают наиболее полное сгорание заряда. Таким образом, при холодных запусках на стенках гильз цилиндров образуется минимальное количество жидких фракций топлива и обеспечивается минимальный износ гильз цилиндров, поршневых колец и поршней. Кроме того, образуется минимальное количество несгоревших продуктов сгорания (СН и СО).

Для исключения перегрева торцевых выступов на днище поршня на впуске в цилиндр заряду придают вращательное движение одним каналом на впуске винтовой формы или вставкой 14 с дефлекторами (отражателями) 15, установленной в одном из каналов впуска во впускной трубе или в головке цилиндра или скошенной стенкой 16 в цилиндрическом углублении вблизи одного из впускных клапанов и ребром 17 между впускными клапанами. В процессе впуска и сжатия вращающийся в цилиндре заряд интенсивно отнимает тепло с днища поршня микровихрями, возникающими на кромках торцевых выступов.

Таким образом, организованный процесс сгорания обеспечивает быстрое и полное сгорание заряда, что снижает температуру выхлопных газов на 150°С, обеспечивая значительное уменьшение износа клапанов, направляющих втулок и седел клапанов, поршней и поршневых колец и при применении сжиженных или сжатых газовых топлив, скорость сгорания которых существенно ниже, чем у бензина.

Предлагаемое изобретение позволяет значительно сократить эксплуатационные затраты на топливо, на ремонт двигателя из-за увеличения его ресурса, повысить мощность на всех режимах, обеспечивая улучшение ездовых качеств автомобиля, значительно снизит выброс СО, СН и NО₂ отработавшими газами. Причем все эти положительные качества достигаются без существенного изменения технологии действующего производства и без дополнительных капитальных затрат.

1. Двигатель внутреннего сгорания для сжиженного или сжатого топлива или бензина содержит, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускными и выпускными клапанами и располагаемыми в выемках головки, камеру сгорания, выполненную в виде выемки от тела вращения в головке цилиндра, ось которого совпадает с осью цилиндра или располагается вблизи нее; завихрители заряда в форме торцевых выступов с тангенциальными каналами располагаются на днище поршня и примыкают к цилиндрической выемке в головке цилиндра при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), источник воспламенения, установленный в выемке головки цилиндра, отличающийся тем, что впускные клапаны и выпускные клапаны в головке цилиндра имеют противоположно направленные наклоны к оси цилиндра и располагаются на дне выемок в головке цилиндра, глубина которых увеличивается к оси цилиндра, дно камеры сгорания имеет шатровую форму, а источник воспламенения находится на дне камеры сгорания, закрутка свежего заряда на впуске для охлаждения торцевых выступов и днища поршня создается вставкой с отражателями, вставка устанавливается в один из каналов впуска в головке цилиндра или во впускной трубе, причем вращение заряда в цилиндре имеет одинаковое направление с тангенциальными каналами на торцевых выступах на днище поршня.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен двумя впускными и двумя выпускными клапанами на 1 цилиндр.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен двумя впускными клапанами и одним выпускным клапаном на 1 цилиндр

4. Двигатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что источником воспламенения служит форсунка, размещенная вблизи оси цилиндрической выемки в головке цилиндра, и свеча зажигания, расположенная ближе к периферии этой выемки, а на днище поршня внутри контура торцевых выступов выполняется выпуклость сферической формы радиусом R, сопрягаемая радиусом R₁ с внутренней стенкой торцевых выступов.

5. Двигатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что закрутка потока заряда на впуске в цилиндр создается только одним из каналов впуска, выполненным винтовой формы.

6. Двигатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что закрутка потока заряда на впуске в цилиндр осуществляется скошенным участком цилиндрической выемки вблизи одного впускного клапана и литейным ребром, выполненным между впускными клапанами примерно параллельно этому скошенному участку.