Результат интеллектуальной деятельности: Двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при производстве и эксплуатации двигателей для транспортных средств.

Известен двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2348919, МКИ F02B 19/10. Известный двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую форму и каналы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, нагнетатель топливовоздушной смеси (ТВС), выполненный в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабженный одним или несколькими устройствами для подачи топлива. Между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан. Форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса. Вокруг камеры сгорания расположен кольцевой канал, соединенный с одной или несколькими парами каналов подачи ТВС в камеру сгорания. Оси этих каналов направлены попарно навстречу друг другу. Угол между осями этих каналов и осью камеры сгорания выбран в интервале между точкой пересечения осей этих каналов на центральном электроде свечи зажигания и точкой пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего цилиндра при его положении в верхней мертвой точке.

Конструкция известного двигателя обеспечивает более равномерное распределение ТВС в объеме форкамеры и камеры сгорания. Повышается качество подготовки ТВС, уменьшается токсичность отработанных газов и увеличивается мощность двигателя.

Однако оказалось, что при работе известного двигателя на мощностном режиме увеличение подачи топлива приводит к переобогащению ТВС в районе электрода свечи зажигания. Это ухудшает стабильность работы двигателя на мощностном режиме. Если же при этом подавать дополнительное топливо непосредственно в полость рабочего цилиндра, то вследствие того, что при этом будут открыты выпускные окна, часть заряда топлива будет выбрасываться в атмосферу, что снизит КПД двигателя, приводя к увеличению расхода топлива, и также понизит стабильность его работы.

Известен также двигатель внутреннего сгорания и способ управления им, по патенту РФ №2718463, (опубликован 8 апреля 2020 г., бюллетень №10) принятый за прототип. Двигатель по прототипу содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, кинематически связанный с ним компрессорный поршень с компрессорным цилиндром и камеру сгорания со свечой зажигания. Вокруг камеры сгорания выполнен кольцевой канал, связанный с ней малыми каналами. Кольцевой канал соединен с каналом подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра. Вокруг камеры сгорания выполнен второй кольцевой канал, соединенный с рабочим цилиндром двумя или более каналами, которые расположены равномерно по окружности кольцевого канала. Оси этих каналов наклонены в сторону оси рабочего цилиндра. Второй кольцевой канал соединен с компрессорным цилиндром дополнительным каналом, который снабжен клапаном с управляемым приводом и лепестковым обратным клапаном.

При мощностном режиме работы одновременно с подачей топливовоздушной смеси в камеру сгорания через дополнительный канал, второй кольцевой канал и каналы, соединяющие его с рабочим цилиндром, подают ТВС в рабочий цилиндр из компрессорного цилиндра. Продолжительность подачи ТВС в рабочий цилиндр в течение цикла работы двигателя регулируют, а в режиме холостого хода и малых нагрузок подачу ТВС в рабочий цилиндр прекращают.

Двигатель по прототипу и способ управления им обеспечивают подачу дополнительной ТВС при мощностном режиме непосредственно в рабочий цилиндр. В объеме рабочего цилиндра это - бедная смесь. Ситуация в районе свечи зажигания при этом не меняется. Поэтому стабильность работы двигателя при увеличении его мощности не ухудшается.

Однако, при переходе на режим максимальной мощности, в камере сгорания двигателя по прототипу может образоваться чрезмерно богатая смесь, которая трудно поджигается. Это приведет к пропуску зажигания или даже к остановке работы двигателя.

Поэтому технический результат предлагаемого двигателя - повышение стабильности его работы.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания, содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, кинематически связанный с ним компрессорный поршень с компрессорным цилиндром и камеру сгорания со свечой зажигания. Вокруг камеры сгорания расположены два кольцевых канала. Первый кольцевой канал связан с камерой сгорания малыми каналами. Второй кольцевой канал соединен с рабочим цилиндром двумя или более каналами, расположенными равномерно по окружности этого кольцевого канала. Оси этих каналов наклонены в сторону оси рабочего цилиндра. Оба кольцевых канала соединены с компрессорным цилиндром каналами, снабженными обратными клапанами. В отличие от прототипа оба кольцевых канала соединены с каналом подачи топливовоздушной смеси (ТВС) из компрессорного цилиндра через переключатель, обеспечивающий возможность постепенного открытия одного из каналов при одновременном постепенном закрытии второго канала до полного их открытия или закрытия.

Эта возможность обеспечивается тем, что переключатель снабжен запорным штоком, установленным в корпусе переключателя с возможностью возвратно - поступательного перемещения. В запорном штоке выполнены два параллельных проходных отверстия. Расстояние "а" между центрами этих отверстий определено по формуле: а=b+d, где b - расстояние между центрами входных отверстий каналов подачи топливовоздушной смеси в кольцевые каналы, a d - диаметр этих входных отверстий, равный диаметру проходных отверстий в штоке. Входные отверстия каналов расположены соосно с проходными отверстиями в штоке. Оси каналов, соединяющих второй кольцевой канал с рабочим цилиндром, расположены под разными углами наклона, при чем величины углов их наклона выбраны в пределах α=1÷180° относительно плоскости сечения рабочего цилиндра, расположенной под углом 90° к оси рабочего цилиндра.

Предлагаемая конструкция обеспечивает возможность плавного, постепенного переключения режима работы двигателя. При закрытии одного из каналов подачи ТВС пропорционально открывается второй канал. При этом в камере сгорания, в районе электрода свечи зажигания, практически всегда состав ТВС будет оптимальным для ее зажигания, что обеспечит достижение технического результата - повышения стабильности работы двигателя.

Сущность предлагаемого двигателя иллюстрируется чертежом (Фиг. 1), где показан продольный разрез двигателя.

Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр 1 с рабочим поршнем 2, закрепленным на штоке 3, который проходит через диафрагму. Со штоком 3 кинематически связан компрессорный поршень 25 с компрессорным цилиндром 24. В головке 4 рабочего цилиндра 1 расположена камера сгорания 6 с форкамерой 5 и со свечой зажигания 7. Рабочий 1 и компрессорный 24 цилиндры смонтированы на общем основании 31. Вокруг камеры сгорания расположены два кольцевых канала 8 и 9. Первый кольцевой канал 8 связан с камерой сгорания 6 малыми каналами 10. Второй кольцевой канал 9 соединен с рабочим цилиндром двумя или более каналами 11, расположенными равномерно по окружности этого кольцевого канала. Оси каналов 11 наклонены в сторону оси рабочего цилиндра 1 под разными углами, при чем величины этих углов выбраны в пределах α=1÷180°. Это обеспечивает получение более однородной по составу ТВС в объеме рабочего цилиндра 1, что обеспечивает ее стабильное и полное сгорание на всех режимах работы двигателя, что повышает стабильность его работы. Выбор диапазона углов наклона осей соединительных каналов 11 обусловлен тем, что при α≤1 ТВС будет концентрироваться в районе камеры сгорания, а при α≥180° ТВС будет концентрироваться в районе стенок рабочего цилиндра. В обоих этих случаях однородность ТВС по составу, в объеме рабочего цилиндра, ухудшается, что снижает стабильность работы двигателя. Оба кольцевых канала 8 и 9 соединены с компрессорным цилиндром 24 каналами 15 и 16, снабженными обратными клапанами 13 и 14, расположенными в корпусе 12, закрепленном на головке 4 рабочего цилиндра 1. В отличие от прототипа оба кольцевых канала 8 и 9 соединены с каналом 22 подачи топливовоздушной смеси (ТВС) из компрессорного цилиндра 24 через переключатель 17, обеспечивающий возможность постепенного открытия одного из каналов 15 или 16 при одновременном постепенном закрытии второго из них.

Эта возможность обеспечивается тем, что переключатель 17 снабжен запорным штоком 18 установленным в корпусе переключателя 17 с возможностью возвратно - поступательного перемещения с помощью привода 19. В запорном штоке 18 выполнены два параллельных проходных отверстия 20 и 21. Центры этих отверстий расположены на продольной оси штока 18. Расстояние "а" между центрами отверстий 20 и 21 определено по формуле: а=b+d, где b - расстояние между центрами входных отверстий каналов 15 и 16 в корпусе переключателя 17, a d - диаметр этих входных отверстий, равный диаметру проходных отверстий 20 и 21 в штоке 18. Входные отверстия каналов 15 и 16 расположены соосно с проходными отверстиями 20 и 21 в штоке 18 переключателя 17.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом. Так же, как и в прототипе, шток 3 рабочего поршня 2 кинематически связан со штоком 26 компрессорного поршня 25. Компрессорный поршень 25 опережает движение рабочего поршня 2 на 90°. Впрыск ТВС в камеру сгорания 6 осуществляется при положении рабочего поршня 2 в рабочем цилиндре 1 выше впускного окна 36 и выпускного окна 37. Топливо может поступать в полость компрессорного цилиндра 24 от устройства 34 для подачи топлива через клапан 30, а воздух - через каналы подачи воздуха 27 и 28 и через клапан 29. При движении поршня 25 компрессорного цилиндра 24 вверх, в полости компрессорного цилиндра 24 растет давление и увеличивается температура смеси топлива с воздухом - происходит гомогенизация ТВС. При достижении давления, заданного пружиной 33, расположенной между клапаном отсечки 32 и крышкой 23 головки 38 компрессорного цилиндра 24, клапан отсечки 32 откроется. Через канал 22 и переключатель 17, через отверстие 20 в штоке 18 переключателя 17, и клапан 13 ТВС попадает в кольцевой канал 8, расположенный вокруг камеры сгорания 6 и форкамеры 5 в головке 4 рабочего цилиндра 1. Через радиальные каналы 10 ТВС поступает в камеру сгорания 6 и форкамеру 5. При возбуждении искры на электроде свечи зажигания 7 ТВС воспламеняется - происходит рабочий ход рабочего поршня 2.

На режиме максимальной мощности работы двигателя требуется богатая, однородная по составу, топливовоздушная смесь во всем объеме рабочего цилиндра. Чтобы устранить возможность расслоения заряда ТВС, чрезмерного ее обогащения в камере сгорания 6 и ухудшения стабильности работы двигателя, основную порцию ТВС подают в рабочий цилиндр 1 при положении рабочего поршня 2, при котором рабочий поршень 2 перекрывает выпускное окно 37, при этом основная порция ТВС, вводимая в рабочий цилиндр 1 равномерно распределится в рабочем цилиндре 1, образуя богатую, однородную по составу ТВС. Для этого вокруг камеры сгорания 6 выполнен второй кольцевой канал 9, который соединен с рабочим цилиндром 1, двумя или более каналами 11, расположенными равномерно по окружности кольцевого канала 9. Оси каналов 11 наклонены в сторону оси рабочего цилиндра 1 под разными углами, при чем величины этих углов выбраны в пределах α=1÷180°. Это обеспечивает получение более однородной по составу ТВС в объеме рабочего цилиндра 1, что обеспечивает ее стабильное и полное сгорание на всех режимах работы двигателя, что повышает стабильность его работы. Выбор диапазона углов наклона осей соединительных каналов 11 обусловлен тем, что при α≤1 ТВС будет концентрироваться в районе камеры сгорания, а при α≥180° ТВС будет концентрироваться в районе стенок рабочего цилиндра. В обоих этих случаях однородность ТВС по составу, в объеме рабочего цилиндра, ухудшается, что снижает стабильность работы двигателя. Кольцевой канал 9 соединен через обратный клапан 14, через канал 16 и через отверстие 21 в штоке 18 переключателя 17 и через канал 22 с полостью компрессорного цилиндра 24. Переключатель 17 снабжен приводом 19, соединенным со штоком 18. Перемещая шток 18 с помощью привода 19, можно изменять соотношение ТВС подаваемой в камеру сгорания 6 и в рабочий цилиндр 1. Общее количество подаваемой ТВС при этом остается неизменным. При переходе на режим холостого хода или малых нагрузок подачу ТВС в рабочий цилиндр 1 уменьшают, вдвигая шток 18 внутрь переключателя 17, перекрывая при этом входное отверстие канала 16 и полностью открывая входное отверстие канала 15. На режиме максимальной мощности, наоборот, шток 18 вытягивают с помощью привода 19 из переключателя 17 до тех пор, пока не будет полностью перекрыто входное отверстие канала 15. Входное отверстие канала 16 при этом полностью откроется, и вся порция ТВС будет поступать в рабочий цилиндр 1. К электроду свечи 7 зажигания будет поступать богатая, однородная по составу, ТВС из рабочего цилиндра 1. Таким образом, перемещая шток 18 и фиксируя его положение в любой точке, с помощью переключателя 17 можно регулировать соотношение ТВС непосредственно в камере сгорания 6 и в рабочем цилиндре 1. Это обеспечивает стабильность работы двигателя на всех режимах.

Предлагаемый двигатель может быть изготовлен из известных и широко применяемых конструкционных материалов и с помощью известных технологий их обработки. В качестве привода 19 может быть применен электромагнитный или электромеханический привод любой известной конструкции.

Таким образом, предлагаемый вариант конструкции двигателя обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении стабильности работы двигателя. Предлагаемый двигатель может быть изготовлен с помощью известных в технике и применяемых в двигателестроении оборудования, технологий и материалов. Следовательно, предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.