Двигатель внутреннего сгорания - RU2084650C1

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту Великобритании N 2218153, F 02 B 75/28, 19/16 19.89, выбранный в качестве прототипа, содержащий пары цилиндров, причем каждая пара содержит большой цилиндр и малый, выполненный как продолжение большего цилиндра. Каждый цилиндр снабжен большим и малым поршнем соответственно с возможностью их возвратно-поступательного движения. Камера сгорания образована либо в меньшем поршне, либо в блоке двигателя. В случае, когда камера сгорания образована в малом поршне, последний может действовать без поршневых колец, поскольку воздух будет только просачиваться из большого цилиндра в малый, пока перепад давлений между двумя цилиндрами мал. Топливо поступает в малый цилиндр и воспламеняется.

Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с пат. N 2218153 основан на перемещении газов между двумя цилиндрами неодинакового рабочего объема, соединенный друг с другом посредством общей камеры сгорания, в которой происходит воспламенение, для того чтобы способствовать сегрегации. Было установлено, что при движении обоих поршней двигателя в направлении к их положениям в верхней мертвой точке газ из большего цилиндра течет через камеру сгорания в меньший цилиндр в течение большей части такта сжатия. Топливо вводят в малый цилиндр во время такта впуска и/или первой части такта сжатия вплоть до положения поршня, при котором поток газа меняет направление на противоположное, и содержимое меньшего цилиндра поступает в камеру сгорания. Жидкое топливо может быть введено в меньший цилиндр, начиная в пределах какой-либо части или всего перемещения поршня второго цилиндра от положения в верхней мертвой точке (ВМТ) в начале такта впуска до не менее чем 10% до верхней мертвой точки в конце такта сжатия (во всем диапазоне режимов подачи топлива до полной нагрузки до холостого хода) и кончая не позже, чем поршень достигнет верхней точки в конце такта сжатия.

Понятно, что ссылки в данном описании на углы перемещения поршней в действительности относятся к углам поворота коленчатого вала, эквивалентного осевому перемещению поршней.

Введение жидкого топлива в меньший цилиндр в течение заранее выбранной части цикла до воспламенения позволяет топливу испариться в меньшем цилиндре и превратиться в газ, в результате чего, когда оно входит в камеру сгорания и воспламеняется, то в последующем процессе сгорания сгорает газообразное топливо и потому этот процесс происходит намного быстрее, чем процесс сгорания в дизельном двигателе. Это позволяет двигателю в соответствии с настоящим изобретением работать эффективно с более высокими частотами вращения, чем возможно с дизельным двигателем. Действительно, двигатель в соответствии с настоящим изобретением объединяет эффективность дизельного двигателя как двигателя с сегрегацией со способностью к высоким частотам вращения бензинового двигателя.

В известном изобретении эффективной сегрегации содействуют несколько признаков:
а) комбинация цилиндра большего объема, содержащего только воздух (или воздух с таким малым количеством топлива, что это делает его неспособным к воспламенению с помощью средства зажигания в камере сгорания, т.е. верхний предел соотношения компонентов такой топливоздушной смеси ниже нижнего предела воспламеняемости (обеднения) для такой смеси) с цилиндром меньшего рабочего объема, в который вводят топливо, причем два цилиндра соединены друг с другом посредством общей камеры сгорания;
б) введение топлива в меньший цилиндр в жидком виде обеспечивает охлаждение газов в меньшем цилиндре вследствие испарения топлива, в результате чего происходит снижение давления в меньшем цилиндре по отношению к давлению в большем цилиндре при любых данных положениях поршней в течение такта сжатия вплоть до конечной части такта сжатия, что эффективно способствует течению газа из большего цилиндра через камеру сгорания в меньший цилиндр;
в) камера сгорания сообщается с меньшим цилиндром через отверстие, которое ограничивает течение газа в малый цилиндр в течение такта впуска, влияя тем самым на давление в малом цилиндре в начале такта сжатия, благодаря чему давление в меньшей камере удерживают при более низком значении, чем давление в большем цилиндре.

Технической задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания, путем повышения его экономичности.

Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий первый цилиндр, выполненный с рабочим объемом и диаметром, превышающим рабочий объем, и цилиндр второго цилиндра, выполненного в головке первого цилиндра, первый и второй поршни, размещенные в соответствующих цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненные соответственно с разными диаметрами, средство для подачи воздуха в первый цилиндр во время хода впуска его поршня, средство для подачи топлива во второй цилиндр, камеру сгорания, выполненную во втором поршне и сообщенную при помощи первого отверстия, выполненного в боковой стенке второго поршня с первым цилиндром, и при помощи второго отверстия со вторым цилиндром, причем второй поршень выполнен заодно с первым в виде выступа на днище последнего с возможностью входа второго поршня во второй цилиндр при положении первого поршня в нижней мертвой точке, при этом он снабжен управляемым средством перепуска воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, минуя камеру сгорания и способствуя перемещению топлива воздушной смеси из второго цилиндра в камеру сгорания к концу хода сжатия, а нижняя кромка первого отверстия смещена в осевом направлении от днища первого поршня, камера сгорания имеет непрерывно действующее средство зажигания, при этом средство перепуска образовано каналом, соединяющим первый и второй цилиндры, а канал выполнен во втором поршне, причем один из концов канала расположен вблизи днища первого поршня, а другой в днище второго поршня, при этом средство перепуска образовано канавкой, выполненной в боковой стенке второго поршня от днища первого поршня до места, расположенного вблизи днища второго поршня, и выемкой, выполненной в боковой стенке второго цилиндра, средство перепуска образовано плоскосрезанным участком, выполненным на боковой стенке второго поршня от днища первого до места, расположенного вблизи днища второго поршня, и взаимодействующей с ним выемками, выполненной в боковой стенке второго цилиндра, кроме того, в боковой стенке второго поршня на уровне места, расположенного вблизи днища второго поршня, со стороны противоположной плоскорезанному участку, выполнены кольцеобразная канавка и второй плоскорезанный участок, сообщающий кольцеобразную канавку с первым отверстием, средство перепуска образовано плоским скосом, выполненным в место соединения боковой стенки второго поршня с его днищем, а также средство перепуска образовано плоским скосом, выполненным в месте стыка первого и второго цилиндров.

Фиг. 1 неполный разрез части первого двигателя внутреннего сгорания в соответствии с настоящим изобретением и фигуры 2 8 виды, подобные показанному на фиг. 1, других вариантов двигателя внутреннего сгорания в соответствии с настоящим изобретением.

Двигатель, показанный на фиг. 1, имеет одну или несколько пар взаимодействующих (первого и второго) цилиндров 1, 2, содержащих соответственно первый и второй поршни 3, 4. Цилиндры 1, 2 соединены друг с другом посредством камеры 5 сгорания. Два цилиндра выполнены в виде небольшого цилиндра 1, который имеет цилиндрическое продолжение, образующее меньший цилиндр 2. Больший цилиндр имеет больший, чем у меньшего цилиндра, рабочий объем. Оси двух цилиндров параллельны, и, хотя цилиндр 2 показан соосным с большим цилиндром 1, он может быть расположен в любом проходящем месте. Больший цилиндр 1 снабжен первым поршнем 3, на днище которого имеется цилиндрическое продолжение, выступающее в меньший цилиндр 2 и образующее поршень 4 для меньшего цилиндра. Длина хода первого поршня 3 такова, что второй поршень 4 входит в цилиндр 2, даже находясь в нижней мертвой точке.

Оба цилиндра 1, 2 сообщаются с камерой 5 сгорания через соответствующие отверстия 6, 7. Камеру сгорания предпочтительно выполняют сферической или сфероидальной, хотя могут быть использованы и другие подходящие формы, и снабжают, как будет описано ниже, средством 8 зажигания. Топливо вводят в меньший цилиндр 2 посредством форсунки 9: управляемой с помощью средства 10 управления, а воздух впускают в больший цилиндр через впускной канал 11. Воздух, впускаемый в больший цилиндр, предпочтительно не дросселируют, то есть не регулируют с помощью такого средства, как дроссельный клапан, как в известных бензиновых двигателях. В большем цилиндре 1 предусмотрен выпускной канал 12. В качестве альтернативы с большим цилиндром 2 могут быть сообщены выпускной и воздуховпускной каналы 13, 14, как показано пунктирными линиями. Каналы могут быть открыты и закрыты посредством клапанов, таких как тарельчатые клапаны, или посредством самого поршня 3, когда каналы выполнены в боковых стенках цилиндра 1.

Камера 5 сгорания фактически образована во втором поршне 4, но она может быть также образована в блоке цилиндров двигателя. Второй поршень 4 может работать без поршневых колец, поскольку воздух будет лишь просачиваться из большего цилиндра 1 в меньший цилиндр 2, пока имеется небольшой перепад давлений между двумя цилиндрами.

Меньший цилиндр 2 снабжен также выступом 15, занимающий большую часть объема в отверстии 6 в ВМТ или вблизи ВМТ. Выступ расположен с возможностью уменьшения отверстия 6 при приближении поршня 4 к ВМТ. Это описано ниже более подробно.

Камера сгорания в каждом из описанных вариантов содержит средство зажигания постепенного действия, т.е. средство зажигания, которое действует непрерывно. Выражение "действует непрерывно", использованное здесь по отношению к средству зажигания, относится к типу средства зажигания, которое действует или способно действовать на всем протяжении цикла двигателя или в течение заданного периода времени, который составляет значительную часть (например, более 25% ) периода времени, необходимого для завершения одного оборота коленчатого вала двигателя. Могут быть использованы следующие виды средства зажигания:
1. Часть или вся стенка камеры сгорания может быть выполнена из керамического материала или покрыта керамическим материалом, который, будучи теплоизолятором, достигает очень высокой температуры во время работы двигателя, образуя средство зажигания с раскаленной поверхностью. Топливовоздушная смесь воспламеняется при соприкосновении с раскаленной керамической поверхностью.

2. В качестве альтернативы выполненной из керамического материала части или всей стенке камеры сгорания может быть металлическая стенка, которая во время работы двигателя тоже может достигать температуры, подходящей для зажигания.

3. Средство зажигания может представлять собой каталитический материал, который может инициировать окисление топлива при более низкой температуре, чем та, которая потребовалась бы для зажигания в отсутствии такого каталитического материала. Катализатором обычно является платина, палладий, родий или комбинация на части или на всей внутренней стенке или стенках камеры сгорания.

4). Может быть использовано сочетание любых указанных выше средств. В предпочтительном варианте средство зажигания на эффективной теплоизоляционный материал, такой, как керамика с низкой удельной теплопроводностью (например, двуокись циркония), наносят каталитический материал. Керамический материал имеет толщину, достаточную для снижения температурного градиента от поверхности камеры сгорания в нижележащий материал. Это обеспечивает быстрый рост температуры поверхности камеры сгорания, что способствует зажиганию.

Зажигание может быть также осуществлено путем воспламенения от сжатия, при котором горячие газы, заполняющие камеру сгорания, обеспечивают самовоспламенение топлива в конце такта сжатия с помощью или без помощи вышеупомянутого средства зажигания. Понятно, что выраженное "средство зажигания постоянного действия" примерно также к воспламенению от сжатия с помощью или без помощи другого, упомянутого выше средства зажигания.

Во время такта впуска в больший цилиндр 1 впускается через впускной канал воздух, часть которого всасывается в малый цилиндр 2 через камеру сгорания. В цилиндр 2 также впрыскивают (вводят) топливо на протяжении заданного угла (длины) перемещения поршня. Топливо вводят в меньший цилиндр достаточно рано до ВМТ в конце такта сжатия для обеспечения возможности испарения значительной части топлива прежде, чем второй поршень достигнет ВМТ. Пределы перемещения второго поршня, в которых начинают впрыскивание, могут быть пределами от ВМТ поршня в начале такта впуска до примерно 10^o угла перемещения до ВМТ в конце такта сжатия. Предпочтительный диапазон, в котором начинают впрыскивание это диапазон от ВМТ в начале впуска до точки, в которой поршень закончил 90% (эквивалент углу перемещения около 144^o) длины хода сжатия. Впрыскивание топлива заканчивают на позже ВМТ в конце такта сжатия. Впрыскивание топлива может быть произведено в любой момент внутри этого диапазона на протяжении заданного угла, но в идеале впрыскивают как можно раньше при такте впуска, чтобы дать топливу как можно больше времени на испарение. В предпочтительном варианте осуществления изобретения впрыск топлива начинают сразу же после начала такта впуска.

Достигнув ВМТ, оба поршня начинают такт сжатия. В течение большей части такта сжатия воздух и/или газ в цилиндре 1 проходит через камеру 6 сгорания 5 в цилиндр 2 через отверстие 7 и 6. Топливо впрыскивают в меньший цилиндр 2 во время тактов впуска и сжатия, и перемещение воздуха и/или газа в цилиндре 2 через отверстие 6 эффективно предотвращает вхождение находящегося в цилиндре 2 топлива в камеру сгорания 5 в течение этого времени. В основе работы двигателя лежит изменение направления движения газа между большим и меньшим цилиндрами 1, 2 во время такта сжатия, вблизи конца которого поток газа меняет направление движения на противоположное, и содержимое цилиндра 2, включающее в себя топливо, может быть впущено в камеру сгорания 5 для зажигания посредством катализатора 8. Этот процесс называют "ингрессией" (впуск, проникновение, поступление). Угловое положение кривошипа, при котором это происходит (или момент ингрессии), определяет начало воспламенения.

Когда в качестве средства зажигания используют катализатор или раскаленную поверхность, горение начинается у покрытой катализатором или раскаленной поверхности при соприкосновении топливовоздушной смеси с поверхностью. Поскольку топливовоздушная смесь, вытесненная в камеру сгорания из меньшего цилиндра 2, полностью или частично испарена, то задержка в воспламенении отсутствует, в отличие от дизельного двигателя, где топливо впрыскивают вблизи ВМТ в виде мелких капель, которые сначала должны быть смешаны с воздухом в камере сгорания и затем нагреты и испарены, прежде чем они смогут гореть.

В соответствии с настоящим изобретением топливо вводят в камеру сгорания в концентрированном виде (процесс известен как расслоение), но, поскольку топливо уже было введено ранее в меньший цилиндр 2, оно при введении в камеру сгорания, по крайней мере, частично испарено, что уменьшает задержку воспламенения. Отверстие 7 для впуска воздуха сообщается с камерой сгорания 5 в направлении, касательной к камере, в результате чего воздух, входящий в камеру сгорания, имеет тангенциальную составляющую скорости. Это создает вихревое движение в камере, в результате чего, когда топливовоздушная смесь поступает через отверстие 6, она "размазывается" по стенке номера сгорания, что обеспечивает воспламенение по относительно большой площади поверхности стенки камеры сгорания. Горение вызывает повышение температуры, что способствует воспламенению остальных газов. Когда начинается горение, происходящая химическая реакция требует для ее продолжения дополнительного кислорода, что обеспечивается в результате усиленного движения перемешивания. При каталитическом зажигании или зажигании от раскаленной поверхности топливо воспламеняется на поверхности камеры сгорания, при этом горящее топливо заставляет газы расширяться и двигаться радиально внутрь, где сильное взаимодействие с воздушным потоком в камере обеспечивает интенсивное перемешивание. Понятно, что фронт пламени перемещается радиально внутрь камеры сгорания, вызывая сгорание остальной топливовоздушной смеси.

Вихревое движение в камере сгорания продолжается в течение периода воспламенения и обеспечивает продолжительный контакт с катализатором или раскаленной поверхностью в течение некоторого периода времени, что способствует быстрому и полному сгоранию. Оба поршня при этом движутся в направлении от ВМТ, позволяя горящим газам расширяться и совершать работу, передаваемую через поршни к коленчатому(ым) валу(ам) двигателя.

Чтобы способствовать запуску двигателя, целесообразно предусматривать в цилиндре 2 запальную свету (свечу зажигания) 16, установленную в выступе 15 на стенке малого цилиндра 2.

Благодаря самому выступу обеспечивается гарантия того, что топливовоздушная смесь в малом цилиндре 2 при движении поршня 4 в направлении к ВМТ будет перемещена в камеру сгорания 5 и не останется в отверстии. При приближении поршня 4 и ВМТ выступ входит в отверстие 6, в результате чего топливовоздушная смесь, захваченная между головкой поршня 4 и обращенной к ней торцевой стенкой цилиндра 2, вытесняется через более узкую часть отверстия 6 в камеру сгорания. Это также увеличивает скорость топливовоздушной смеси.

Во время запуска двигателя топливо впрыскивают в цилиндр 2 посредством форсунки 9, которой оператор управляет с помощью электрического или механического устройства управления. При запуске форсунка подает в цилиндр 2 заданное количество топлива, как раз достаточное для того, чтобы получить в цилиндре 2 химически нормальную (стехиометрическую) или близкую к ней топливовоздушную смесь, способную воспламеняться от искры. Так как объем цилиндра 2 меньше, чем объем цилиндра 1, то это количество топлива дает часть полной мощности, которую может развивать двигатель, при питании топливом с использованием всего кислорода в обоих цилиндрах.

Свечу 16 зажигания питают током для создания искры в камере сгорания 5 для воспламенения топливовоздушной смеси, когда она проходит из цилиндра 2 в камеру сгорания 5. Через несколько циклов сгорания становиться активным средство зажигания непрерывного действия в камере сгорания, и подвод тока к свече зажигания больше не нужен.

В помощь пуску вместо искровой свечи зажигания может быть использована свеча накаливания. Она создает "точку перегрева", которая способствует испарению топлива в цилиндре 2 и повышению его температуры перед входом в камеру сгорания 5. Свеча накаливания либо может выступать из выступа 15 либо может нагревать поверхность выступа изнутри.

Понятно, что отверстие 7 для воздуха, соединяющее камеру сгорания 5 с большим цилиндром 1, может содержать значительную массу воздуха в конце такта сжатия. Это масса воздуха может не участвовать в процессе сгорания, происходящем в камере сгорания.

Вариант, показанный на фиг. 6, обеспечивает возможность вытеснения большей части воздуха, находящегося в отверстии 7, в камеру сгорания в конце или в близи конца такта сжатия. Меньший цилиндр 2 имеет выступ 17, образованный на его внутренней боковой стенке. Выступ выполнен в форме сегмента окружности цилиндра 2, но может иметь любую проходящую форму. Часть боковой стенки поршня 4, через которую проходит отверстие 7, соответственно выполнена в форме, обеспечивающей ее сопряжение с выступом 17, и в данном случае часть стенки поршня 4 выполнена плоской.

Днище (головка) поршня 3 между его боковой стенкой и поршнем 4 выполнено, как показано на фиг. 6а, в форме усеченного конуса, причем соответствующая форма придана торцевой стенке цилиндра 1. Таким образом, как показано пунктирными линиями на фиг. 7 (6а), при приближении поршней 3, 4 к верхней мертвой точке выступ 17 уменьшает отверстие 7 до тех пор, пока в конце концов не закроет его, когда поршни достигнут верхней мертвой точки.

Существует несколько путей регулирования момента ингрессии и, следовательно, момента зажигания.

В период сегрегации (т.е. в любой момент во время тактов впуска и сжатия) в меньший цилиндр 2 может быть введен сжатый газ посредством форсунки 18. Сжатый газ может быть без топлива (например сжатый воздух), или с топливом (например бутан или пропан в газообразном виде), или может предоставлять собой смесь того и другого, в результате чего таким образом может быть введена некоторая часть топлива. Может быть также впрыснуто жидкое топливо с помощью воздуха или другого сжатого газа. Момент такого газа в цилиндр 2 может быть выбран точно (поздно при такте сжатия), чтобы вызвать ингрессию немедленно, и в этом случае количество вводимого газа будет менее строго нормируемым.

В соответствии с другим вариантом момент ввода такого газа может быть более ранним в период сегрегации, если количество газа регулировать точно. Ввод газа обеспечивает повышение давления в меньшем цилиндре 2 по отношению к давлению в цилиндре 1, что вызывает опережение момента ингрессии, и это обеспечивает возможность применения внешнего средства регулирования.

Частичное дросселирование воздуховпускного канала 11, ведущего в больший цилиндр 1, дает противоположный эффект, т.е. обеспечивает запаздывание момента ингрессии, и может тоже быть использовано как внешнее регулирование момента зажигания.

Дроссельная заслонка 19 способна обеспечить лишь умеренное снижение давления впуска в цилиндре 1.

Местоположение, размер и форма отверстия 7 тоже помогают или способствуют началу ингрессии. Поскольку нижняя кромка отверстия 7 поднята относительно днища большего поршня 3, это не позволит воздуху проходить из цилиндра 1 в камеру сгорания 5 через отверстие 7 вблизи конца такта сжатия и заставит его проходить через зазор между меньшим поршнем 4 и стенками цилиндра 2. В результате воздух поступит в малый цилиндр 2, что вызовет опережение момента ингрессии. Дополнительное преимущество поднятия нижней кромки отверстия 7 состоит в вытеснении горящего газа прежде чем он поступит в цилиндр 1 в цилиндр 2 на начальных стадиях сгорания, что обеспечивает включение топлива, оставшегося в цилиндре 2, в процессе сгорания. Наружный проход 20 может быть обеспечен (фиг. 2), соединением цилиндра 1 с цилиндром 2, в качестве перепускного (обходного) канала, обеспечивающего возможность внешнего регулирования.

Другая возможность состоит в создании прохода между цилиндром 2 и цилиндром 1, открывающегося только вблизи конца такта сжатия. Это может быть осуществлено с помощью осевой канавки 21 (фиг. 1), образованной в наружной криволинейной стенке меньшего поршня 4 и заканчивающейся ниже днища поршня. Выемка или вырез 22 в стенке цилиндра 2 перекрывают край днища поршня выше канавки 21, когда поршень 4 приближается к последней части такта сжатия и отверстие 7 закрывается. Это обеспечивает возможность прохождения газов, захваченных в цилиндре 1, в малый цилиндр 2 через канавку 21 и вырез 22, когда отверстие 7 при приближении поршня 4 к концу такта сжатия закрывается.

Вырез 22 может представлять собой круговую канавку в стенке цилиндра, взаимодействующую с рядом, по существу, осевых канавок в радиально наружной стенке поршня 4.

Еще одна возможность состоит в создании небольшого отверстия или отверстия 23 (фиг. 2), которые соединяют цилиндры 1 и 2 друг с другом и которые могут обеспечить непрерывное сообщение между двумя цилиндрами в дополнение к зазору между стенкой цилиндра 2 и поршнем 4.

Форма отверстия 7 тоже может влиять на момент ингрессии. Скорость изменения проходного сечения на данную единицу перемещения поршня будет влиять на изменение давления, описанное выше в связи с местоположением, размером и формой отверстия 7.

Скорость изменения проходного сечения отверстия 6 (когда оно взаимодействует с выступом 15) на данную единицу перемещения поршня также будет оказывать влияние на момент ингрессии.

Как показано на фиг. 2, пламяотражатель 24 и днище большего поршня, отверстия 44 и 40, часть радиально наружной поверхности меньшего поршня 18 и клапанные тарелки (но исключая днище меньшего поршня 18) могут быть покрыты слоем теплоизоляционного материала (такого, как керамика), на свободную поверхность нанесен катализатор, такой, как платина или палладий. Это способствует уменьшению вредных выделений с выхлопными газами.

На фигурах 3 6 показаны предпочтительные варианты двухтактового двигателя в соответствии с настоящим изобретением. Эти варианты подобны тем, что показаны на фиг. 1 и 2, но здесь на стенке большего цилиндра 1 вырезаны впускное и выпускное окна 11, 12, разнесенные относительно друг друга на 180^o. Выпускное окно 12 расположено немного выше, чем впускное окно 11.

Когда кромка поршня 3 открывает впускное окно 11 при движении поршня в направлении к концу рабочего такта, в цилиндр 1 подают свежий воздух, который был сжат либо в картере двигателя под поршнем, либо в отдельной камере сжатия под поршнем, либо посредством нагревателя или компрессора обычным образом. Поскольку поршень 3 открывает сначала выпускное окно 12, то при поступлении свежего воздуха в цилиндр 1 происходит удаление газообразных продуктов сгорания из цилиндров 1, 2 через выпускное окно 12, т.е. осуществляется известный процесс продувки. Эффективная продувка обеспечивает возможность замены большей части остаточных газообразных продуктов сгорания свежим воздухом, хотя и с оставлением небольшой части остаточных газов для того, чтобы способствовать уменьшению выделения оксидов азота с выхлопными газами.

В иллюстрируемой поршневой конструкции существует необходимость способствовать движению свежего воздуха в меньший цилиндр 2 в процессе продувки, а также в камеру сгорания 5 для замены остаточных частично или полностью отработавших газов. В вариантах, представленных на фигурах 3 6, показано несколько способов осуществления этого.

Как показано на фиг. 3, верхняя торцевая стенка 25 большего цилиндра 1 имеет выемку 25, выполненную в ней для создания прохода между цилиндрами 1, 2, когда поршни находятся в нижней мертвой точке или вблизи от нее. Выемка 26 может иметь любую подходящую форму и проходит на протяжении любого подходящего угла вокруг поршня 4. В соответствии с предпочтительным вариантом выемка проходит вокруг поршня 4 на протяжении угла в пределах от 10 до 180^o.

Днище поршня 3 снабжено выступом 27, соответствующим по форме упомянутой выемке 26, так что, когда поршни 3, 4 приходят в верхнюю мертвую точку, выступ 27, по существу, полностью занимает выемку 26. Это предельно уменьшает объем между днищем поршня 3 и верхней торцевой стенкой цилиндра 1 в конце такта сжатия, что сводит с минимуму паразитный объем содержащий воздух, не принимающий участия в процессе сгорания.

Конструкция, показанная на фиг. 3, обеспечивает возможность продувки как меньшего цилиндра 2, так и камеры сгорания 5, поскольку свежий воздух течет из впускного окна 11 через выемку 26, меньший цилиндр 2 и камеру сгорания 5 и вытекает через отверстие 7 и затем выпускное окно 12.

На фиг. 4 показано, что часть меньшего поршня 4 в месте пересечения его днища и боковой стенки имеет удаления для создания выемки 28, которая также образует проход между большим цилиндром 1 и меньшим цилиндром 2, когда поршни находятся в нижней мертвой точке или вблизи от нее. Выемка 28 может иметь любую подходящую форму, например плоскую или криволинейную и, может проходить по дуге вокруг поршня 4 на протяжении угла в пределах от 10 до 180^o.

В месте пересечения боковой и торцевой стенок меньшего цилиндра 2 выполнен соответствующей формы выступ 29, так что, когда поршни находятся в верхней мертвой точке, паразитный объем оказывается уменьшенным до минимума. Путь продувки здесь такой же, как в варианте, показанном на фиг. 3.

Как показано на фигурах 5a и 5в, в меньшем поршне 4 образованы две выемки 30, 31 подобные выемке 28, показанной на фиг. 4. Впускное и выпускное окно 11 и 12 проходят по заданным дугам в большем цилиндре 1 обычно 60^o на каждое окно, и выемки 30 и 31 расположены напротив соответственных впускного и выпускного окон 11, 12 или частично перекрывает дуги, на протяжении которых эти окна проходят. Впускное и выпускное окна, показанные в других описанных здесь вариантах, также проходят по аналогичным дугам.

В месте пересечения боковой и торцевой стенок цилиндра 2 образованы соответствующей формы выступы 32, 33, выходящие в выемке 30, 31, когда поршни находятся в верхней мертвой точке, в результате чего паразитный объем уменьшается до минимума. В этой конструкции свежий воздух из впускного окна может проходить одновременно по двум путям, один из которых проходит через камеру сгорания 5, как было описано ранее, а другой, более прямой путь проходит из меньшего цилиндра 2 в больший цилиндр 1 и далее к выпускному окну 12.

Каждая из выемок 30, 31, занимает днище поршня 4 длиною менее 180^o, как описано на фиг. 5в. Необходимо оставить на днище поршня 4 имеющую полный диаметр часть, чтобы сохранить сцепление поршня с цилиндром 2, когда поршни достигнут нижней мертвой точки.

В конструкции, показано на фигурах 6a и 6в, отверстие 6 сообщается с выемкой 34, выполненной в месте пересечения боковой стенки и днища поршня 4. На боковой стенке цилиндра 2 выполнен соответствующий выступ 35, полностью занимающий выемку 34, когда поршни находятся в верхней мертвой точке. Выемка 34 и выступ 35 также могут иметь любую подходящую форму и могут проходить по дуге в пределах от 10^o до 180^o.

Предусмотрены также, как было описано ранее, выступ 17 и выемка 44 в районе отверстия 7 или вблизи от него.

Конструкция позволяет продувочному воздуху из выпускного окна 11 течь непосредственно через камеру сгорания 5 и выходить через выпускное отверстие 12, а также течь через цилиндр 2.

Для надлежащего сцепления поршня 4 с меньшим цилиндром 2, когда поршень находится в нижней мертвой точке, также предусмотрена относительно большая непрерывная периферия днища поршня 4.

Поверхность большего поршня 3 может быть плоской или в форме усеченного конуса, как показано на фиг. 6а, или может иметь любую другую подходящую форму. Коническая или наклонная поверхность имеет преимущество, состоящее в том, что она обеспечивает направление продувочного воздуха из впускного окна 11 вверх, в направлении к меньшему цилиндру 2 и камере сгорания 5. Кроме того, форма днища большего поршня 3 может быть выбрана такой, чтобы она способствовала небольшому вращению продувочного воздуха либо одна, либо в сочетании с помощью от направления впускного окна 11.

Следует отметить, что вследствие направления потока воздуха во время такта сжатия меньший поршень 4 не требует поршневых колец для уплотнения его в отверстии цилиндра 4, и это обеспечивает возможность образования выемок в боковой стенке поршня 4.

На фиг. 7 показан еще один вариант двигателя, в котором предусмотрена помощь пуску двигателя. В выпуске 15 на стенке малого цилиндра 2 установлен электрод 36. Второй электрод 37 установлен в камере сгорания 5 вблизи отверстия 6, так что, когда поршня 5, 4 приближается к верхней мертвой точке, электроды сближаются друг с другом до тех пор, пока промежуток между двумя электродами не станет равным заданному минимуму. Электрод 37 замкнут на массу, а к электроду 36 подводят высокое напряжение, такое, чтобы напряжение в промежутке между двумя электродами в верхней мертвой точке было достаточно большим для генерирования искр между электродами.

Как было упомянуто ранее, топливная форсунка 9 подает заданное количество топлива в цилиндр, которое как раз достаточно для образования химически нормальной (или близкой к этому) топливовоздушной смеси, способной быть воспламененной посредством искры.

Через несколько циклов сгорания средство зажигания в камере сгорания берет процесс зажигания на себя, и подача напряжения на электрод 36 может быть прекращена.

Конструкция не требует распределительной системы для переключения напряжения между цилиндрами или для подвода напряжения к электроду 36 в определенный момент в течении цикла двигателя. Напряжение на электрод 36 может быть подано от конденсатора, перезаряженного во время работы двигателя.

Когда поршни движутся в направлении к верхней мертвой точке, топливовоздушная смесь в меньшем цилиндре 2, которая содержит испарившее топливо, начинает входить в камеру сгорания 5 через отверстие 6. Топливо, входящее в камеру, воспламеняют с помощью средства 8, обычно катализатора зажигания постоянного действия на стенке камеры сгорания, и в результате этого воспламенения происходит повышение давления в камере сгорания. Это повышение давления будет вызывать противодействие дальнейшему поступлению топливовоздушной смеси из цилиндра 2 в камере сгорания до тех пор, пока давление в цилиндре 2 опять не станет выше давления в камере сгорания. Повышение давления в цилиндре 2 может также вызвать утечку топливовоздушной смеси мимо поршня 4 в цилиндр 1.

Для предотвращения такой утечки отверстие 7 для воздуха расположено на заданном расстоянии выше днища поршня 3, в результате чего боковая стенка цилиндра 2 отсекает отверстие 7 до того, как поршни достигнут верхней мертвой точки.

В боковой стенке цилиндра 2 выполнена выемка 38, расположенная так, что она сообщается с отверстием 7, когда оно отсечено от цилиндра 1. Выемка 38 частично или полностью перекрывает отверстие 7 и в соответствии с предпочтительным вариантом выполнена в виде канавки, проходящей по части или всей окружности стенки цилиндра 2.

Когда поршни достигают верхней мертвой точки и отверстие 7 отсекается от цилиндра 1, давление оставшегося в цилиндре 1 воздуха быстро повышается. Кроме того, во время воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания 5 давление в отверстии 7 и, следовательно, в выемке 38 тоже быстро повышается. Первоначально, когда давление в камере сгорания противодействует дальнейшему вводу топливовоздушной смеси из цилиндра 2, повышенное давление в отверстии 7 и выемке 38 тоже противодействует утечке топливовоздушной смеси из цилиндра 2 между боковыми стенками поршня 4 и цилиндра 2.

Когда давление в цилиндре 2 становится выше давления в камере сгорания 5, быстро повышающееся давление воздуха в цилиндре 1 после того, как отверстие 7 было отсечено от цилиндра 1, также служит для предотвращения утечки топливовоздушной смеси в цилиндр 1.

Как показано на фиг. 8, поршень 4 снабжен головкой в форме усеченного конуса, которая выходит за пределы тела поршня, образуя уступ 39, который уплотняет пространство над поршнем 4 от цилиндра 1. Термин "уплотняет" использован здесь в том смысле, что зазор между уступом или другим "уплотнением" (таким, как боковая стенка поршня, которая может быть использована в других вариантах) достаточно велик, чтобы позволить свободное движение поршня 4 в цилиндре 2, но достаточно мал, чтобы ограничить поток газов из цилиндра 2 мимо поршня 4 в цилиндр 1 до минимума. Верхний торцевой стенке цилиндр 2 придана соответствующая форма.

Боковая стенка поршня 4 ниже уступа 39 снабжена двумя диаметрально противоположными выемками 40, 41, которые предпочтительно имеют сегментообразную форму, но могут иметь любую подходящую форму. Выемка 41 проходит от днища поршня 3 до уступа 39, а выемка 40 от отверстия 7 до уступа 39. Как и отверстие 7 на фиг. 7, здесь отверстие тоже расположено на заданной высоте выше днища поршня 3. Выемка 40 сообщается с периферийной канавкой 42, которая образована в поршне 4 ниже уступа 39. Канавка проходит не по всей периферии поршня 4 и не сообщается с выемкой 44. В месте уступа 39 поршень имеет цилиндрическую часть, которая проходит по всей окружности поршня и взаимодействует с боковой стенкой цилиндра 2, обеспечивая уплотнение между цилиндрами 2 и 1.

Отверстие 6, ведущее из камеры сгорания, выходит на самую верхнюю поверхность поршня 4.

Так же, как в варианте, показанном на фиг. 7, когда в камере сгорания 5 начинается горение, давление в камере повышается, и это давление поступает через отверстие 7 в выемку 40 и канавку 42, препятствуя утечке мимо цилиндрической части поршня 4.

Выемка 41и также имеет взаимодействующую с ней канавку 43, образованную в боковой стенке цилиндра 2. Эта канавка проходит по части или всей угловой длине выемки 41.

К концу татка сжатия, когда отверстие 7 отсекается от цилиндра 1, повышение давления в камере сгорания, вызываемое притоком воздуха из цилиндра 1, прекращается, а давление в цилиндре 2 продолжает повышаться, когда поршень 4 движется в направлении к верхней мертвой точке. В результате этого топливовоздушная смесь из цилиндра 2 начинает поступать в камеру сгорания через отверстие 6.

Когда отверстие 7 для воздуха отсечено от цилиндра 1, воздух, захваченный над поршнем 3 в "хлопающем пространстве", имеет возможность течь в выемку 41. Канавка 43 расположена так, что когда поршни приближаются к верхней мертвой точке, она перекрывает цилиндрическую уплотнительную часть цилиндра 4, позволяя воздуху, вытесненному в полость 41 из цилиндра 1, течь вокруг цилиндрической уплотнительной части цилиндра 4 в цилиндр 2 в пространство над поршнем 4. Это дополнительно повышает давление топливовоздушной смеси в цилиндре 2, способствуя перемещению топливовоздушной смеси через отверстие 6 в камеру сгорания 5. Канавка 43 может быть образована посредством одной или нескольких соединенных друг с другом выемок.

После воспламенения в верхней мертвой точке давление газа в цилиндре 2 может вызвать утечку из пространства над поршнем 4 через канавку 43, но эта утечка будет кратковременной и будет содержать только воздух (без топлива), прошедший через проходы 41 и 43 до воспламенения смеси.

Следует также отметить, что любой признак, раскрытый со ссылкой на любой из показанных вариантов, может быть использован в сочетании с любым другим признаком любого из вариантов /там, (где это возможно).

Реферат

Использование: в машиностроении, в частности в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания имеет первый и второй цилиндры, причем первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, и второй цилиндр выполнен в головке первого цилиндра. Первый и второй поршни установлены с возможностью возвратно-поступательного движения соответственно в первом и втором цилиндрах, причем второй поршень выполнен в виде выступа на днище (головке) первого поршня. Во втором поршне выполнена камера сгорания с отверстием для воздуха, сообщающимся с первым цилиндром, и вторым отверстием, сообщающимся со вторым цилиндром. Предусмотрено первое впускное средство во время хода (такта) впуска первого поршня, а также предусмотрено впускное средство для подачи топлива во второй цилиндр. Между первым и вторым цилиндрами имеется проход, обеспечивающий возможность перемещения воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр иным, чем через камеру сгорания, путем на протяжении заданного угла перемещения поршней относительно цилиндров с помощью перемещения газов из второго цилиндра в камеру сгорания. Предусмотрено также дополнительное средство для регулирования перемещения воздуха. Изобретение позволяет усовершенствовать двигатель внутреннего сгорания путем повышения экономичности двигателя. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула