Двигатель внутреннего сгорания всетопливный с устройством, автоматически регулирующим объем и электромеханически инициирующим вспышку в камере сжатия

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является облегчение пуска холодного двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит устройство дистанционной регулировки камеры сжатия (КС), выполненное в виде подпружиненного поршенька на крышке КС с возможностью работы в дизельном или смешанных режимах. При этом пуск двигателя осуществляется в форсированном дизельном режиме с последующим переходом в инжекторный режим с автоматическим регулированием объема и электромеханическим инициированием вспышки в КС. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Известен двигатель внутреннего сгорания под названием «ДОС без шатунный, двухтактный», описанный в патенте на изобретение №2338912 от 13.02.2007. Недостаток этого двигателя связан с многокамерностью камеры сжатия (КС), дополненный подпружиненным поршеньком на крышке КС, и редуктор с приводом для дистанционной регулировки объема КС. Для перехода от дизельного режима в смешанный режим (режим детонации), минуя режим инжекторный, требуется разное топливо с разными свойствами и вспышка топлива в КС осуществляется в дизельном режиме (механически). Известен также «ДВС, работающий в дизельном или смешанном режиме с оптимальным соотношением топливо/воздух на всем диапазоне нагрузок», описанный в патенте №104972 на полезную модель от 22.03.2010, который принят за прототип. Указанный двигатель бесшатуный, двухтактный, с упругими элементами, расположенными между крышкой КС и рабочим валом, а на крышке КС - цилиндрик с подпружиненным поршеньком и редуктором для дистанционной регулировки объема КС и работы в дизельном или смешанных (дизель-детонационных) режимах, с оптимальным соотношением топливо/воздух на всем диапазоне нагрузок, блок управления с датчиками, КС с каталическим покрытием, разлагающий воду на кислород и водород при высокой температуре, упругий поршневой палец, с нелинейной жесткостью образованный канавками, на конце толкателя удерживаемый и скользящий на подшипниках с осями в блоке направляющих, укрепленных между картером и цилиндрами, многолепестковый кулачок, кратный трем с заданным профилем, обеспечивающий остановку оппозитно расположенных поршней на часть периода колебаний в В.М.Т. и Н.М.Т. и взаимодействующий с толкателем через вал-ролик, опирающийся на кулачок с натягом, с упругой и нелинейной жесткостью образованный несколькими канавками, поясами(ребрами) жесткости, смыкающихся при заданных усилиях. Недостаток этого двигателя связан с необходимостью устройства на крышке КС редуктора и привода для дистанционной коррекции объема КС, а также определенные трудности для принудительной вспышки топлива в КС большого объема в холодном двигателе, в дизельном режиме и для перехода на детонационный режим, минуя инжекторный режим, требуется различное топливо с разными характеристиками. Двигатели, работающие в дизельном режиме, не могут быть быстроходными, т.к. время для равномерного смешивания топлива и воздуха значительно меньше по сравнению с инжекторным режимом. К тому же для детонационного режима необходимо наличие упругих элементов между КС и рабочим валом. В качестве рабочего вала предусмотрен только многолепестковый кулачок и не охвачен класс двигателей с коленвалом. Цель предлагаемого изобретения: упростить двигатель, уменьшить габариты и вес, облегчить пуск холодного двигателя и безискровую вспышку в КС в инжекторном режиме, а детонационный режим только для двигателей с упругими элементами, расположенными между КС и рабочим валом, обеспечить всетопливность, в том числе и двигателей с коленвалом, а также автоматической и(или) ручной коррекции режима работы при изменяющихся характеристиках топлива, упругих элементов, давления воздуха, температуры окружающей среды.

Эта цель достигается тем, что на крышке КС установлено устройство с возможностью организации автоматического регулирования объема КС в виде подпружиненного поршенька, внутри фасонного болта с крышкой и с резьбой, в корпусе с резьбой и трубчатой частью, гильзой с основанием, выдвинутой внутрь КС и частично входящей в углубление на поверхности рабочего поршня, конической пружиной, поджатой между основанием гильзы и кольцом со шпильками, катушкой с магнитопроводом и трубчатой частью, причем вторая коническая пружина зажата с заданным усилием между крышкой фасонного болта и креплением шпильки поршенька, выполненного в виде намагниченного сердечника, с возможностью перемещения в трубчатой части катушки, а поршенька - в цилиндрической части гильзы под воздействием газов в КС и от электромагнитных усилий катушки с током соответствующей величины, полярности и длительности, а в двигателе с коленвалом - упругий шатун, составленный из двух трубчатых частей с пружиной между ними, стянутый с заданным усилием, причем пуск двигателя осуществляется в форсированном дизельном режиме и после появлении вспышек в КС - в инжекторном режиме с электромеханическим инициированием вспышки в КС, являющийся основным режимом, а после достижения предельной допустимой частоты колебаний поршней - в детонационный режим только для двигателей с упругими элементами, расположенными между КС и вращающимся рабочим валом. Вторая коническая пружина зажата с заданным усилием с возможностью организации повышенного давления в КС в момент пуска в дизельном режиме и без тока в катушке, а после появлений вспышек в КС - в инжекторный режим и током в катушке, заданной величины и полярности, для данного вида и сортности топлива, компенсирующий часть усилия сжатой пружины, с возможностью автоматического увеличения объема КС путем синхронного увеличения тока в катушке при увеличении поступления топлива/воздух с оптимальным соотношением.

Первая коническая пружина поджата с некоторым усилием с учетом усилия второй конической пружины и усилия торможения от магнитного поля катушки с током максимальной величины, заданной полярности и длительностью от момента вспышки в КС и почти до конца фазы рабочего хода, а в начальной момент времени - генерации тока в катушке заряжающий конденсатор или аккумулятор и после соприкосновения дна поршенька с кольцом со шпильками - без ударной, скоростной остановки поршенька и сердечника.

Минимальный объем КС при положении рабочего поршня в В.М.Т. и без тока в катушке, задан с возможностью организации повышенного давления в КС при пуске холодного двигателя и минимальном поступлении топливо/воздух с оптимальным соотношением для тяжелых видов топлива, для вспышки которых требуются повышенное давление и температура и достаточный ход поршенька с креплением с возможностью работы с легкими видами топлива. Переход в детонационный режим из инжекторного режима, после достижения частоты колебаний поршней предельно допустимого значения, осуществляется путем уменьшения тока в катушке в фазе сжатия и(или) уменьшения количества впрыска водной смеси (с антифризными свойствами) в рабочий цилиндр, в конце фазы рабочего хода и в начале фазы сжатия.

В фазе сжатия катушка подключается к стабилизированному, калиброванному напряжению заданной величины, применительно к данному виду и сортности топлива, а переход на другой вид топлива и сортности осуществляется подключением на другое напряжение, переключателем, на указатель данного вида топлива и сортности. Блок управления с датчиками осуществляет корректировку тока в катушке, поддерживает заданный режим в оптимальных пределах, при изменяющихся внешних условиях, например изменений характеристик топлива, температуры и давлений окружающей среды, жесткости и износа упругих элементов в двигателе.

В двигателе с коленвалом, наряду с другими упругими элементами, расположенными между КС и коленвалом (в случаях предусмотренного детонационного режима работы), для исключения ударных нагрузок на подшипники коленвала предусмотрен шатун, составленный из двух трубчатых частей, соединенных скользящей посадкой и пружиной между ними, концы которых в пазах фиксируют части шатуна между собой, стянутых с усилием, выше максимального усилия, возникающего перед вспышкой топлива в КС, но меньше максимального усилия от давления газов в КС после вспышки горючей смеси, причем длина хода и жесткость пружины задается из условия организации свободных колебаний системы, (включающий массу поршня и часть массы шатуна), выше максимальной частоты колебаний рабочих поршней. Перемещение упругих элементов (потенциальная энергия переходит в кинетическую) удлиняет время максимальной передачи давления газов в КС в крутящий момент рабочего вала, в том числе и за счет упругой деформацией поршневого пальца. Технический результат: устройство автоматического регулирования объема КС, являющееся одновременным источником тока, и электромеханическая принудительная вспышка горючей смеси в ограниченном малом объеме, упрощают и облегчают двигатель, облегчаются запуск двигателя в холодном состоянии при повышенном давлении в КС и переход на разные виды топлива и сортности путем изменения тока в катушке переключателем тока, достигаются сверхэкономичность, экологичность путем сжигания с оптимальным соотношением топливо/воздух на всем диапазоне регулировки мощности и возможность использования «устройства» в двигателях с коленвалом.

Описание поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображена в разрезе утолщенная часть крышки КС с установленным на нем фасонным болтом, с подвижным поршеньком внутри гильзы и катушки с магнитопроводом и сердечником; на Фиг.2 изображен в разрезе фасонный упругий поршневой палец с несколькими канавками разной глубины; на Фиг.3 изображен фрагмент шатуна из двух частей, с фиксирующей пружиной между ними, соединенных скользящей посадкой, с пояснениями.

Фасонный болт представляет собой корпус 1 с резьбой и с трубчатой частью 2, с установленной катушкой с магнитопроводом 3, в которой может перемещаться крепление шпильки 4, в виде намагниченного сердечника 5. Коническая пружина 6 поджата крышкой 7 с резьбой. Поршенек 8 может перемещаться в цилиндрической части гильзы 9 как под воздействием газов в КС, так и от электромагнитных усилий катушки 3 на сердечник 5. Коническая пружина 10 сжата кольцом со шпильками 11 к основанию гильзы 12. Гильза с поршеньком выдвинута в полость 13 КС и частично входит в углубление на поверхности рабочего поршня 14 в В.М.Т. На чертеже сплошными линиями показано исходное положение поршенька, с криволинейной поверхностью, сердечника и пружин, а пунктирными - положение поршенька при максимальной подачи топливо/воздух перед вспышкой топлива в КС для легких видов топлива, причем поршенек изображен с вогнутой поверхностью. Прорвавшиеся газы через поршенек отводятся в картер и одновременно продуваются через каналы в корпусах блоков головки и цилиндра (здесь не показаны в том числе износоустойчивые вставки между поверхностями со скользящей посадкой).

Устройство автоматического регулирования объема и электромеханической вспышки горючей смеси в КС при регулировании мощности двигателя с оптимальным соотношением топлива/воздух работает следующим образом.

Поршенек под действием усилия второй конической пружины и максимального усилия магнитного поля катушки, переключившегося к этому моменту, сжимает горючую смесь в ограниченном малом объеме в углублении рабочего поршня, которое может усилиться за счет кумулятивного эффекта, созданного вогнутой поверхностью поршенька и(или) поверхностью рабочего поршня, в результате горючая смесь воспламеняется и затем инициирует вспышку во всем объеме КС, причем это усилие магнитного поля катушки действует на сердечник 5 почти до конца фазы рабочего хода, затем ближе к концу фазы сжатия в катушку подается ток обратной полярности и величины, соответствующий данному виду топлива и режиму работы, до момента подхода рабочего поршня к В.М.Т., компенсируя часть усилия сжатой пружины 6, полярность тока вновь меняется, поршенек 8 сжимает горючую смесь, и цикл повторяется. При наладке двигателя предварительно создается необходимый нажим пружины 6 крышкой 7 с резьбой с усилием, равный расчетному, повышенному давлению, который должен возникнуть в КС в конце фазы сжатия перед впрыскиванием тяжелого вида топлива и без тока в катушке, при поступлении топлива/воздух меньше средней величины, например соответствующий холостому ходу, при котором обеспечивается вспышка данного топлива при всех неблагоприятных условиях. После вспышки топлива в КС поршенек с намагниченным сердечником 5 с большой скоростью перемещается до соприкосновения с кольцом 11, генерирует ток в катушке 3, заряжается конденсатор или аккумулятор (здесь не показаны) и через катушку 3 проходит ток, заданной полярности и величины, создающий необходимое усилие для компенсации излишнего усилия пружины 6 для создания оптимального объема и давления в КС, не вызывающий перегрев в поршне, при впрыскивании топлива в начале фазы сжатия и создания достаточного обратного хода поршенька вниз вызывающий, затем, после смены полярности и тока в катушке, скачкообразное увеличение давления в малом ограниченном объеме, инициирующий затем вспышку горючей смеси во всем объеме КС. Перед каждым пуском и без тока в катушки впрыск топлива в КС производится в конце фазы сжатия воздуха, при повышенном давлении, т.е. это в дизельном форсированном режиме, а после вспышки и зарядки конденсатора - в начале фазы сжатия, т.е. это в инжекторном режиме. Переход на детонационный режим, с электромеханическим инициированием вспышки, предусматривается только в двигателях с упругими элементами, расположенных между крышкой КС и рабочим валом, в том числе в двигателях с коленвалом.

1. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) бесшатунный, двухтактный, содержащий устройство дистанционной регулировки камеры сжатия (КС), выполненное в виде подпружиненного поршенька на крышке КС с возможностью работы в дизельном или смешанных режимах с оптимальным соотношением топливо/воздух на всем диапазоне регулировки мощности и механическим инициированием вспышки в КС с каталическим покрытием, разлагающим воду на кислород и водород при высокой температуре, блок управления с датчиками, упругий поршневой палец с нелинейной жесткостью, удерживаемый на конце толкателя, скользящий на подшипниках и размещенный в блоке направляющих, закрепленных между картером и цилиндрами, рабочий вал, выполненный в виде многолепесткового кулачка, кратного трем, с заданным профилем и взаимодействующим с толкателем через вал-ролик, опирающийся на кулачок с натягом с упругой и нелинейной жесткостью, образованной переменным сечением вала-ролика с несколькими канавками и ребрами, отличающийся тем, что пуск двигателя осуществляется в форсированном дизельном режиме с последующим переходом в инжекторный режим с автоматическим регулированием объема и электромеханическим инициированием вспышки в КС, двигатель снабжен упругими элементами, расположенными между КС и рабочим валом, в том числе коленвалом, при этом переход в детонационный режим осуществляется путем установки на крышке КС устройства, выполненного в виде подпружиненного поршенька внутри фасонного болта с крышкой, в корпусе с резьбой и трубчатой частью и гильзой с основанием, выдвинутым внутрь КС и частично входящим в углубление на поверхности рабочего поршня в положении верхней мертвой точки (ВМТ), конической пружины, поджатой между основанием гильзы и кольцом со шпильками, катушки с магнитопроводом и трубчатой частью, причем вторая коническая пружина зажата с заданным усилием между крышкой фасонного болта и креплением шпильки поршенька, выполненным в виде намагниченного сердечника с возможностью перемещения в трубчатой части катушки, а поршенька - в цилиндрической части гильзы под воздействием газов в КС и от электромагнитных усилий катушки с током заданной величины, полярности и длительности.

2. ДВС по п.1, отличающийся тем, что вторая коническая пружина зажата с заданным усилием с возможностью организации повышенного давления в КС в момент пуска в дизельном режиме и без тока в катушке, а после появления вспышек в КС - перевода в инжекторный режим с током в катушке заданной величины и полярности применительно к данному виду топлива и сортности, компенсирующим часть усилия сжатой пружины с возможностью автоматического увеличения объема КС путем увеличения тока в катушке при увеличении поступления топлива и воздуха.

3. ДВС по п.1, отличающийся тем, что первая коническая пружина поджата с некоторым усилием с учетом усилия второй конической пружины и усилия торможения от магнитного поля катушки с током максимальной величины, а в начальной момент времени - генерации тока в катушке и после соприкосновения дна поршенька с кольцом - скоростной безударной остановки поршенька с сердечником.

4. ДВС по пп.1 или 2, отличающийся тем, что минимальный объем КС при положении рабочего поршня в ВМТ и без тока в катушке задан с возможностью организации повышенной температуры и инициирования вспышки в КС при пуске в дизельном режиме и минимальном поступлении топлива и воздуха для тяжелых видов топлива и достаточного хода поршенька с возможностью работы с легкими видами топлива.

5. ДВС по п.1, отличающийся тем, что переход в детонационный режим осуществляется путем уменьшения тока в катушке и(или) уменьшения количества впрыска водной смеси перед впрыскиванием топлива в рабочий цилиндр в конце фазы рабочего хода и в начале фазы сжатия.

6. ДВС по п.1, отличающийся тем, что в фазе сжатия катушка подключается к калиброванному стабильному напряжению применительно для данного вида и сортности топлива, а переход на другие виды топлива осуществляется подключением к другому напряжению переключателем на указатель данного вида топлива и сортности с возможностью автоматической коррекции тока в катушке блоком управления с датчиками.

7. ДВС по п.1, отличающийся тем, что упругий шатун составлен из двух частей, соединенных скользящей посадкой и пружиной между ними, стянутых с заданным усилием с фиксацией частей шатуна между собой, причем длина хода и жесткость пружины заданы из условия организации свободных колебаний системы выше максимальной частоты колебаний рабочих поршней.