Двигатель внутреннего сгорания - RU2100625C1

Чертежи

Показать все 21 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания могут классифицироваться на сегрегирующие или разделяющие и несегрегирующие или неразделяющие двигатели. Во всех таких двигателях используется такт сжатия, предшествующий воспламенению и сгоранию топлива, смешанного с воздухом.

В неразделяющем двигателе топливо смешивается с воздухом перед началом такта сжатия, как в случае с бензиновым двигателем с искровым зажиганием, обычно называемым двигателем SIGE или БДИЗ. В некоторых двигателях БДИЗ, известных как двигатели с зарядом топливной смеси с послойным распределением по составу, которые в настоящее время не распространены, топливо подается в воздух во время такта сжатия, но задолго до воспламенения, осуществляемого искрой. Во всех неразделяющих двигателях давление сжатия является ограниченным, поскольку предварительно смешанная воздушно-топливная газовая смесь может воспламеняться под действием высокой температуры, возникающей в процессе сжатия до возникновения искры.

Двигатели БДИЗ требуют того, чтобы топливно-воздушная смесь была почти химически правильной. Такое ограничение в сочетании с низкими степенями сжатия и необходимостью дросселирования подачи воздуха при частичной нагрузке, при этом все они связаны с этой системой сгорания, сказывается на относительно низком термическом к. п.д. для двигателя БДИЗ. Его главным преимуществом является быстрый процесс сгорания и, следовательно, более высокие скорость и мощность двигателя, обусловленные более быстрым сжиганием предварительно смешанной газообразной смеси из топлива и воздуха.

Разделяющий двигатель будет сжимать весь или почти весь воздух без топлива, подаваемого в воздух ближе к концу такта сжатия в точке, где должно начаться воспламенение. Хорошо знакомым разделяющим двигателем является дизельный двигатель, в котором жидкое топливо впрыскивается в камеру сгорания под очень большим давлением ближе к концу такта сжатия. Разделяющий двигатель может иметь значительно более высокий термический КПД по сравнению с двигателем БДИЗ, в частности при частичной нагрузке. Его давление сжатия, повышающее мощность, неограничено опасностью преждевременного воспламенения. Не требуется также дросселирование при частичной нагрузке, в результате чего устраняются насосные потери. Возможно сгорание бедной смеси при частичной нагрузке, что также улучшает термический КПД.

Недостатком дизельного способа разделения является относительно длительный период, требующийся для вспрыска топлива и его испарения прежде, чем оно может быть воспламенено и быстро сгорит. Поэтому дизельный двигатель является термически более эффективным, чем двигатель БДИЗ, но он не может работать на таких же высоких оборотах в минуту, как двигатель БДИЗ, и вырабатывает меньшую мощность при одних и тех же размерах и весе. При высоких нагрузках и больших скоростях сгорание хорошо переходит в такт расширения, оказывая существенное влияние на термический КПД дизельного двигателя.

Известны различные типы разделяющих двигателей, изобретенных заявителем, например, из G B-A-2155546, G B-A-2186913, G B-A-2218153, G B-A-2238830 и G B-A-2246394. Эти двигатели известны теперь в литературе как двигатели Мерритта.

Двигатель Мерритта имеет один или более компонентов первых и вторых цилиндров и соответствующих первых и вторых поршней, перемещающихся в цилиндрах. Первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, а клапан впуска воздуха и/или окно и выпускной канал и/или окно сообщаются с первым цилиндром. Источник топлива обеспечивает подачу топлива во второй цилиндр. Таковым является средство, образующее пространство камеры сгорания, когда поршни находятся по существу в положении внутренней мертвой точки, при этом пространство камеры сгорания сообщается с обоими цилиндрами в течение, по крайней мере, начального периода такта расширения, и сдерживающее средство, препятствующее поступлению, т.е. продвижению топливной-воздушной смеси из второго цилиндра в пространство камеры сгорания.

Поэтому, двигатель Мерритта является разделяющим двигателем как дизельный двигатель с тем отличием, что некоторое небольшое количество воздуха сжимается со всем топливом в меньшем втором цилиндре, тогда как большая часть воздуха сжимается в большем первом цилиндре. Очень богатая топливная/воздушная смесь во втором цилиндре не будет взрываться во время сжатия, поскольку она слишком богатая. Известно также, что небольшое количество топлива может также смешиваться с воздухом в первом цилиндре, не взрываясь во время такта сжатия, поскольку она слишком бедная.

По сравнению с разделяющим дизельным двигателем, в котором топливо впрыскивается в двигатель в конце такта сжатия, двигатель Мерритта позволяет подавать в двигатель в течение значительно более длительного периода цикла двигателя. Таким образом, топливо имеет больше времени для испарения из жидкости в газ, но не для полного смешивания с большей частью сжатого воздуха, обычно в первом цилиндре, до тех пор пока сгорание происходит в камере сгорания.

Было установлено и как стало известно из приведенных выше патентов, что у таких конструкций цилиндров с неодинаковым рабочим объектом, сообщающихся с общей камерой сгорания, и где топливо содержится в меньшем цилиндре, имеет место процесс, называемый в дальнейшем как процесс "динамического разделения (сегрегации) газа".

Динамическое разделение газа отличается от механического разделения дизельного двигателя, в котором механическое клапанное устройство (обычно игольчатый клапан в топливной форсунке) перекрывает подачу топлива в двигатель, пока не наступит момент подачи топлива. В процессе динамического разделения газа, создаваемом в двигателе Мерритта, воздух, содержащийся в большем первом цилиндре и камере сгорания, движется в меньший второй цилиндр в течение большей части такта сжатия. Это создает поток воздуха из камеры сгорания во второй цилиндр, где содержится все или почти все топливо, тем самым прекращая движение топлива в камеру сгорания. К концу такта сжатия поток газа реверсируется, так как давление во втором цилиндре становится больше, чем давление в камере сгорания, и топливо, испарившееся в меньшем цилиндре, вместе с небольшим количеством воздуха поступает в камеру сгорания.

Термический КПД поршневых двигателей внутреннего сгорания может быть существенно улучшен за счет обеспечения следующих признаков:
очень быстрого и полного сгорания или сгорания при постоянном объеме;
более низкой температуры газов после сгорания при частичной нагрузке с помощью сверхобедненных топливно-воздушных смесей;
высоких, но реалистичных величин степеней сжатия.

Настоящее изобретение ставит своей целью создание улучшенного двигателя внутреннего сгорания.

Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает двигатель внутреннего сгорания, содержащий:
по крайней мере один комплект из первого и второго цилиндров, при этом первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр;
соответствующие первый и второй поршни, перемещающиеся в цилиндрах;
средство впуска воздуха, сообщающееся с первым цилиндром;
средство впуска, сообщающееся с первым цилиндром;
первый источник топлива для подачи топлива во второй цилиндр;
средство, образующее камеру сгорания, когда поршни находятся по существу в положениях внутренней мертвой точки, при этом камера сгорания сообщается с обоими цилиндрами во время такта расширения;
сдерживающее средство, препятствующее поступлению топлива, как здесь определено, пока не завершится такт сжатия;
средство доступа, взаимодействующее со вторым цилиндром для обеспечения доступа топлива и/или воздуха во второй цилиндр во время такта впуска, при этом средство доступа содержит первое окно, входящее во второй цилиндр, и первый клапан для управления окном;
в котором второй поршень 18 не выполнен заодно с первым поршнем 16;
и в котором второй поршень имеет днище и корпусную часть, при этом днище удалено от и соединено с корпусной частью и имеет кромку, являющуюся относительно небольшой в осевом направлении по сравнению с расстоянием между днищем и корпусной частью и боковой стенкой второго цилиндра.

Термин "клапан", как он здесь используется, включает окно.

Термин "воздух", как он здесь используется, включает любую подходящую смесь из кислорода с другими, обычно инертными газами, а также по существу чистый кислород для сгорания с газообразным или жидким (т.е. испарившейся жидкостью) топливом. Он может включать рециркулирующие отработавшие газы, газы картера и небольшое количество углеводородных веществ, присутствующих в рециркулирующих газах двигателя внутреннего сгорания.

Термин "доступ и поступление", как он здесь используется, касается движения топливо/воздушной смеси из второго цилиндра в камеру сгорания во время или к концу такта сжатия.

В патенте G B-A-2246394, опубликованного 29.01.92, заявителем описывается двигатель внутреннего сгорания, имеющий такой тип поршня, который позволяет значительно легче образовывать камеру сгорания, а также дающий ряд других важных преимуществ. Пример такого поршня показан на фиг. 1.

В двигателе, показанном на фиг. 1, камера сгорания 20 только частично образована или ограничена вторым поршнем 18. В такой конструкции второй поршень может иметь днище 35, удаленное от и соединенное с днищем 36 первого поршня, которое имеет кромку 37, идущую в осевом направлении и являющуюся относительно тонкой по сравнению с удалением днища 36 первого поршня от днища 35 второго поршня в осевом направлении, причем днище второго поршня предпочтительно всегда остается во втором цилиндре. Таким образом, можно образовать камеру сгорания между двумя днищами поршней и стенкой 14а второго цилиндра, что устраняет необходимость иметь камеру сгорания 20, полностью находящуюся в самом меньшем поршне. Большой цилиндр 12 имеет впускной и выпускной клапаны 24, 26.

Меньший поршень 18 располагается концентрично с большим поршнем 16 и имеет стойку 234 и выступающую часть или основание, с помощью которого днище 35 поршня 18 соединяется с или представляет одно целое с поршнем 16. Из фиг. 1 видно, что стойка 234 имеет изогнутую форму, которая способствует завихрению воздуха, поступающего в камеру сгорания 20 из большего цилиндра 12, и завихрению топливно/воздушной смеси вслед за проникновением в камеру сгорания 20. Последняя образована между стойкой 234 и стенкой, обозначенной в общем позицией 14а, меньшего цилиндра 14. Форма и размер стойки выбираются так, чтобы создать подходящий объем сгорания, соответствующих размеров и форм.

Кромка 37 слегка удалена от стенки 14а второго цилиндра для образования содержащего средства в виде кольцевого зазора 128, который сдерживает ингрессию, пока поршень не будет в/или рядом с положением внутренней мертвой точки. Верхний конец меньшего цилиндра 14, как показано на чертеже, снабжен необязательно периферийной канавкой 39, которая, когда она есть, обеспечивает обходной путь, способствующий поступлению (ингрессии).

Верхний конец меньшего цилиндра 14 снабжен средством доступа, обозначенным в общем положении 30, содержащим второй впускной канал 31 и дроссельный клапан 32. Средство доступа позволяет регулировать давление во втором цилиндре до величины ниже давления в первом цилиндре на начальном этапе сжатия, тем самым сдерживая ингрессию, пока второй поршень не окажется в/или возле своего положения внутренней мертвой точки. Топливная форсунка 34 предусмотрена для подачи топлива во впускной патрубок 33, ведущий к впускному клапану 31. Дроссельный клапан 32 регулирует количество воздуха, проходящего через впускной патрубок 33 и осуществляет это по существу независимо от количества топлива, подаваемого топливной форсункой 34. За счет управления средством доступа 30 может достигаться точное регулирование давления в меньшем цилиндре 14, чтобы обеспечить оптимальную синхронизацию поступления (ингрессии), которая в свою очередь будет регулировать момент зажигания для получения оптимальных рабочих характеристик двигателя в диапазоне его полных скоростей и нагрузок. Работа дроссельного клапана 32, а также форсунки 34 предпочтительно управляется системой управления М двигателя.

Во время такта впуска двигателя воздух поступает в большой цилиндр 12 через впускной канал 25. Воздух также поступает в меньший цилиндр 14 через открытый клапан 31 вместе с топливом из форсунки 34. Дроссельный клапан 32 регулирует воздушную массу, поступающую в меньший цилиндр 14, и может гарантировать, что в процессе такта впуска двигателя воздушно-топливная смесь, поступающая в меньший цилиндр 14, впускной клапан 31, будет обычно под давлением, которое ниже давления в большем цилиндре 12. Синхронизация закрытия клапана 31 после закрытия впускного клапана 24 во время начального периода (во время части или всей первой половины) такта сжатия может гарантировать, что давление во втором цилиндре 14 ниже давления в первом цилиндре 12, когда клапан 31 закрывается. Перепад давлений на днище 35 поршня 18 во время такта сжатия будет влиять на синхронизацию ингрессии содержимого меньшего цилиндра 14 в камеру сгорания 20 возле положения внутренней мертвой точки поршня 18 в конце такта сжатия. Это в свою очередь регулирует синхронизацию воспламенения испарившегося топлива, например, за счет воспламенения от сжатия, когда топливно-воздушная смесь в цилиндре 14 встречается с относительно горячим воздухом, подаваемым в камеру сгорания 20 с большим поршнем 16 во время такта сжатия.

Во время тактов впуска м сжатия двигателя топливо, поступающее во второй цилиндр через второй впускной клапан 31, испаряется в меньший цилиндр 14. Возле положения внутренней мертвой точки, к концу такта сжатия, периферийная кромка 37 днища 35 достигает положения, показанного пунктирными линиями, находящегося рядом с перепускным каналом 39, который эффективно увеличивает размер сдерживающих средств, а воздушно-топливная смесь в виде пара создает стремительное движение вокруг периферийной кромки 37 через перепускной канал 39 и в камеру сгорания 20. Воздух в камере сгорания сжимается и находится при достаточно высокой температуре, чтобы вызвать самопроизвольное воспламенение топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания, а расширение газов в камере сгорания затем смещает поршни 16, 18 вниз, чтобы начать такт расширения. Осевая длина канавки 39 больше, чем толщина t днища второго поршня 35 для обеспечения большего зазора для топливно-воздушной смеси, чтобы она проходила вокруг днища через обводной канал 39.

Канал или канавка 39 образует также объем пространства сжатия во втором цилиндре 14, т.е. объем, который не уменьшается при перемещении поршня 18 во втором цилиндре. Объем пространства сжатия эффективно задерживает время ингрессии за счет обеспечения дополнительного объема для топливно-воздушной смеси в цилиндре 12 во время такта сжатия, но сообщающегося с камерой сгорания 20 в момент ингрессии. Другое назначение канавки 39 состоит в том, чтобы обеспечить проникновение пламени и результирующего повышения давления в пространство над днищем 35 второго поршня. Таким образом, пламя может сжигать любое топливо, оставшееся выше днища 35 второго вслед за ингрессией.

Хотя меньший цилиндр 14 показан с обводной канавкой 39, расположенной на его верхнем конце, размер зазора 128 может быть выбран таким, что он сам, т. е. без обводной канавки 39, обеспечивает целиком сдерживающие средства, формирующие проход для ингрессии. В этом случае размер зазора 128 тщательно выбирается, чтобы обеспечить адекватное разделение между верхней поверхностью днища 35 и камерой сгорания 20 в течение большей части такта сжатия.

Днище 35 охлаждается поступающим топливом и воздухом, входящим через второй впускной клапан 31, за счет испарения топлива в воздух во время такта сжатия и проводимости тепла через стойку 234.

Клапан 31 может использоваться в двойном назначении, как впускной и выпускной клапан, преимуществом которого является то, что любое несгоревшее топливо, оставшееся в цилиндре 14 в конце такта выпуска, может не покидать двигатель, уменьшая тем самым загрязнение выхлопных газов.

Для более полного ознакомления с описанием приведенного выше двигателя, изображенного на фиг. 1, следует обратиться к патенту G A-B-2246394; на фиг. 2 показан вид в частичном вертикальном разрезе части предпочтительного варианта двигателя внутреннего сгорания изобретения с двумя поршнями, находящимися в положениях внутренних мертвых точек или возле них; на фиг. 3 вид, аналогичный фиг. 2, но во время такта впуска двигателя; на фиг. 4 вид, аналогичный фиг. 2, с поршнями, находящимися в их положениях наружных мертвых точек или возле них; на фиг. 5 вид в плане с частичным сечением двигателя с фиг. 2; на фиг. 6 частичное сечение части двигателя с фиг. 2-5, показывающее его модификацию; на фиг. 7 вид в частичном сечении второго варианта двигателя изобретения; на фиг. 8 вид, аналогичный фиг. 7,А, показывающий поршни в их положениях наружных мертвых точках; на фиг. 9 вид сбоку с частичным сечением двигателя с фиг. 7 и 8, показывающий его модификацию; на фиг. 10 вид, аналогичный фиг. 9, показывающий другую модификацию двигателя с фиг. 7 и 8; на фиг. 11 вид сбоку с частичным сечением практического примера двигателя, изображенного на фиг. 7 и 8; на фиг. 12 вид, аналогичный представленному на фиг. 5, показывающий третий вариант двигателя настоящего изобретения; на фиг. 13 и 14 частичные сечения двигателя с фиг. 12, иллюстрирующие различные положения свечи зажигания двигателя; на фиг. 15 - вид, аналогичный представленному на фиг. 10, показывающий четвертый вариант двигателя настоящего изобретения; на фиг. 16 вид сбоку части модифицированного меньшего поршня в его цилиндре; на фиг. 17 вид в плане поршня с фиг. 16, если смотреть в направлении стрелки XIII; на фиг. 18 вид в поперечном сечении второго цилиндра, модифицированного для получения альтернативы конструкции, представленной на фиг. 16; на фиг. 19 показан другой вариант меньшего цилиндра; на фиг. 20 вид в поперечном сечении поршня с фиг. 19, выполненном по линии XIV-XIV; на фиг. 21 вид сбоку еще одного варианта конструкции меньшего поршня; на фиг. 22 вид в сечении двухтактного двигателя, изображенного на фиг. 2-5.

На фиг. 2-4 представлено схематичное поперечное сечение части предпочтительного варианта двигателя внутреннего сгорания 10 в соответствии с изобретением, аналогичного представленному на фиг. 1, где одинаковые детали имеют одинаковые цифровые обозначения. Однако главным отличием является то, что двигатель на фиг. 2-5 имеет раздельные поршни. Первый поршень 16 перемещается в первом цилиндре 12 и герметизирован в нем с помощью поршневых колец 16а, тогда как меньший второй поршень 18 перемещающийся во втором цилиндре 14, герметизирован в нем с помощью поршневых колец 18а. Оба поршня 16, 18 соединены с помощью соответствующих рычажных механизмов с общим коленчатым валом или, наоборот, с отдельными коленчатыми валами, имеющими механическую связь. Показанная конструкция такова, что поршни работают по существу в одной фазе, но они могут работать и с несколько отличающимися фазами.

Как показано на чертежах, оси цилиндра 14 и поршня 18 выполнены перпендикулярно к осям цилиндра 12 и поршня 16, при этом цилиндр 14 сообщается с цилиндром 12 через окно 29.

Поршень 18 содержит корпус 19 и концевую часть в форме катушки, образованную стойкой 234, с помощью которой днище 35 поршня соединяется с или объединено с корпусом 19. Камера сгорания или полость 20 образована между стойкой 234 и стенкой 14а меньшего цилиндра 14, аналогично тому, как показано на фиг. 1.

Меньший цилиндр 14 сообщается с большим цилиндром 12 через окно 29, расположенное так, чтобы сообщаться с камерой сгорания 20 в течение большей части хода второго поршня 18. Ход последнего делается таким, чтобы в его положении наружной мертвой точки периферийная кромка 37 поршня 18 предпочтительно пересекала окно 29 так, чтобы больший цилиндр 12 сообщался с камерой сгорания 20 и рабочим объемом меньшего цилиндра 14, тогда как в положении внутренней мертвой точки окно предпочтительно в основном закрыто корпусом 19 поршня 18. Поршневые кольца 18а установлены на корпусе 19 достаточно далеко от стойки 234, так что они не пересекают окно 29.

И наконец, больший поршень 16 может иметь выступ 100, который входит и по существу закрывает окно 29, когда поршень находится в своем положении внутренней мертвой точки.

Во время такта впуска топливо и воздух поступают в меньший цилиндр 14 через клапан 31, и в основном только воздух поступает в больший цилиндр 12 через клапан впуска воздуха 24. Дроссельный клапан 32 служит для регулирования давления в цилиндре 14, чтобы оно было немного ниже давления в цилиндре 12 в конце такта впуска. Во время ходов сжатия поршней оба впускных клапана 24 и 31 закрыты, а в процессе ингрессии ближе к концу ходов сжатия, топливо и воздух поступают вокруг кромки 37 днища поршня 18 в камеру сгорания 20, где топливо воспламеняется от контакта с горячим воздухом. В конце рабочего хода отработавшие газы удаляются из цилиндра 12 через выпускной клапан 26.

Конструкция двух поршней 16, 18 позволяет большему поршню 16 иметь ход, отличающийся от хода меньшего поршня 18, а также сохранять форму обычного поршня. Это позволяет значительно легче переделывать существующие картеры для использования в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на чертежах, меньший поршень 18 может размещаться в головке цилиндра двигателя с взаимодействующим коленчатым валом, расположенным параллельно коленчатому валу большего поршня 16. И наоборот, меньший поршень 18 может располагаться параллельно большему поршню 16 и приводиться в действие кулачком или другим подходящим механизмом.

Имея меньший поршень 18 отдельно от большего поршня 16, обеспечивается возможность выполнения хода меньшего поршня 18 относительно коротким, что в свою очередь позволяет получить камеру сгорания 20 с относительно короткой осевой длиной.

Для специалиста в данной области будет очевидно, что двигатель, описанный со ссылками на фиг. 2-5, может быть модифицирован путем включения в него любых подходящих признаков двигателей, описанных G B-A-2246394, которые будут описаны ниже.

Канавка 39 конструкции на фиг. 1 может быть включена в конструкцию, представленную на фиг. 2-5, а ее форма в поперечном сечении может отличаться от той, что изображена на фиг. 1. Так, например, как показано на фиг. 6, канавка может иметь нижнюю стенку 39в в форме усеченного конуса, обеспечивающую постепенное, а не резкое увеличение зазора, когда поршень 18 находится возле своего положения внутренней мертвой точки.

Конструкция дизельного смешанного двигателя в соответствии с настоящим изобретением выгодно отличается от системы разделения двигателя Мерритт (фиг. 7). Второй источник топлива в форме топливной форсунки 60A или 60B высокого давления предусмотрен в одном из двух предпочтительных мест, при этом первый источник топлива (форсунка 34) предназначен для подачи топлива во впускной канал 33, как раньше.

Во время такта впуска клапаны 24, 31 открыты, чтобы обеспечить доступ в основном недросселированного воздуха в больший цилиндр 12 и поступление топлива и воздуха в меньший цилиндр 14. Однако, тогда как на фиг. 2-5 форсунка 34 обеспечивает подачу по существу всего требуемого количества топлива для сгорания в двигателе, форсунка 34 в конструкции на фиг. 7A осуществляет подачу только части от этого количества. Когда поршень 18 находится возле своего положения внутренней мертвой точки, то форсунка 60A или 60B подает свой заряд топлива на манер дизельного двигателя прямо в камеру сгорания 20 под днищем 35 поршня или в окно 29.

Когда поршень 18 находится возле своего положения внутренней мертвой точки, то смесь испарившегося топлива и воздуха над днищем 35 поступает в камеру сгорания 20 через зазор 128, образованный между кромкой 37 поршня и стенкой 14а меньшего цилиндра, теперь увеличившегося за счет перепускной канавки 39. Такое поступление возможно также, если зазор 128 является очень маленьким, который имеет канавка 39. Во время такта сжатия воздух из большего цилиндра 12 будет поступать в камеру сгорания и будет при температуре, достаточной для воспламенения поступившей топливно-воздушной смеси. Форсунка 60A, 60B синхронизируется для подачи своего топливного заряда под давлением в камеру сгорания 20 так, чтобы обеспечить очень быстрое ее воспламенение в присутствии горящей поступившей смеси. Таким образом, двигатель использует как способ разделения топлива, характерный для дизельного двигателя, в виде форсунки 60A или 60B, так и способ разделения топлива, характерный для описанного выше двигателя Мерритт. Такое сочетание принципов дизельного двигателя и двигателя Мерритта позволяет дизельному двигателю работать с высокими скоростями подачи топлива при очень незначительном, если вообще без выделения дыма, а также позволяет дизельным двигателям работать с низкими степенями сжатия и высокими скоростями. Сочетание существенно увеличивает скорость сгорания по сравнению с дизельным двигателем, который не имеет принципов двигателя Мерритта.

Количества топлива, подаваемые форсунками 34 и 60A или 60B и их синхронизация будут контролироваться системой управления М двигателя с целью обеспечения правильных пропорций топлива между форсунками 34 и 60A для данных эксплуатационных требований с тем, чтобы, например, свести к минимуму выделение дыма в отработавшие газы. При такой конструкции небольшое (например 4% -10% от общего количества топлива) количество топлива может впрыскиваться форсункой 34 для испарения в цилиндре 14 и прохождения в камеру сгорания для воспламенения от сжатия. Это обеспечивает небольшие ход и осевую длину катушки. Топливо из форсунки 34 может подогреваться, чтобы способствовать испарению.

Стойка 234 показана более длинной, чем она на фиг. 2-5. Такое удлинение позволяет камере сгорания сообщаться с окном 29 в положении внутренней мертвой точки поршней, таким образом, окно 29 является частью камеры сгорания. Если используется форсунка 60A, то тогда выступ 100 будет заполнять только часть окна 29.

На фиг. 8 представлен вариант с фиг. 7, показывающий поршни в их положениях наружных мертвых точек. Как показано, отверстие 135 для газа образовано днищем 35 поршня, перемещающегося за кромку окна 29, обеспечивая продувку отработавших газов в начале такта выпуска.

На фиг. 9 представлен вид сбоку с частичным сечением двигателя с фиг. 7, показывающий форму окна 29 и выступа 100, когда используется форсунка 60A. Это может быть необходимо, когда катушка является небольшой и камера сгорания поэтому небольшая, чтобы обеспечить необходимый объем пространства сжатия. Как показано, выступ 100 может иметь удобную форму, чтобы способствовать созданию завихряющего движения газов в камере сгорания.

На фиг. 10 представлен вид, аналогичный приведенному на фиг. 9, показывающий конструкцию, в которой общий объем камеры сгорания увеличен за счет наличия полости 229 в верхней поверхности поршня 16, заменяющий выступ 100. Альтернативное положение для второй топливной форсунки показано позицией 60C.

На фиг. 11 представлен вид сбоку в частичном сечении практического варианта конструкции двигателя, изображенного на фиг. 8.

На фиг. 12 показан двигатель, аналогичный изображенному на фиг. 2, но с дополнительной свечей зажигания 52. Он раскрывает другой способ работы и управления регулировкой момента зажигания двигателя, начиная процесс воспламенения с помощью искры и обеспечивая возможность продолжения процесса воспламенения от сжатия, т.е. запускаемое искрой воспламенение сжатия (S TCI или ЗИВС).

Специалисты в данной области знают искровое зажигание, которое широко используется в двигателях с искровым зажиганием, известных как двигатели, работающие по циклу ОТТО или бензиновые двигатели с искровым зажиганием (SIDE или БДИЗ), в которых искра образует пламя, быстро продвигающееся в объеме предварительно смешанного газа из топлива и воздуха. ЗИВС является другим процессом. Воспламенение с помощью искры является первым из двух этапов процесса воспламенения, в частности искрового зажигания и воспламенения от сжатия. На первом этапе искровое зажигание только начинает локализованное пламя в парах топлива, начинающих поступать в камеру сгорания из цилиндра с управляемым расходом топлива, так как оно начинает смешиваться с воздухом камеры сгорания. Это воспламенение от искры происходит до завершения процесса поступления или ингрессии, другими словами, до того, как все топливо будет иметь время, чтобы перейти из цилиндра с регулируемым расходом топлива в камеру сгорания и смешаться со всем воздухом, необходимым для его сгорания, который присутствует в камере сгорания. Этап искрового воспламенения является процессом, аналогичным воспламенению с помощью искры струи газообразного топлива, в то время как оно смешивается с воздухом на периферии струи.

После того, как процесс искрового зажигания произошел, давление и температура газа в камере сгорания двигателя существенно увеличивается, что обеспечивает воспламенение от сжатия оставшегося испарившегося топлива, когда оно поступает в камеру сгорания под действием второго поршня. Процесс смешивания и сгорания паров топлива продолжается с дополнительным воздухом, который требуется для завершения процесса сгорания после момента искрового зажигания. В обычном двигателе с искровым зажиганием или БДИЗ процесс смешивания топлива и воздуха почти завершается перед появлением искры. Важным преимуществом использования ЗИВС является простота, с которой он может синхронизироваться для удовлетворения различным режимам работы двигателя. При использовании ЗИВС точность регулирования, требующаяся в течение синхронизации процесса ингрессии, может быть менее важной и может быть менее важной для работы двигателя.

Для достижения ЗИВС система двигателя должна работать со степенями сжатия, являющимися недостаточными для воспламенения от сжатия данного топлива, выбранного на ранних этапах ингрессии. Так, например, в случае с высокооктановым бензином степень сжатия может быть уменьшена до величины 10:1 для ЗИВС, тогда как в противном случае степень сжатия для такого топлива потребовалась бы порядка 16:1. Свеча зажигания также устанавливается в положение, где она встречает пары топлива, которые смешиваются с воздухом в камере сгорания на начальном этапе процесса ингрессии. Свеча зажигания образует искру в нужное время для начала процесса воспламенения от сжатия.

После воспламенения некоторого количества топлива, которое уже начало поступать в камеру сгорания, давление и температура в последней увеличиваются. Это приводит к тому, что оставшееся испарившееся топливо, продолжающее поступать в камеру сгорания и смешиваться с находящимся в ней воздухом, загорается в результате воспламенения от сжатия, даже первоначальное пламя, образованное искрой, не в состоянии воспламенить оставшееся топливо.

Как показано на фиг. 10, геометрическая степень сжатия двигателя может быть снижена до точки, в которой воспламенение от сжатия используемого топлива не будет происходить ниже, например, 12:1 для бензинов с очень высоким октановым числом и ниже 10:1 для бензина со средним октановым числом. Такой конструктивный признак гарантирует, что предварительно испарившееся топливо, поступившее из меньшего цилиндра 14 в камеру сгорания 20, не воспламенится самопроизвольно при контакте с воздухом в камере сгорания, а будет дожидаться появления искры на свече зажигания 52 с помощью внешней цепи управления. Свеча зажигания воспламеняет богатую смесь из предварительно испаренного топлива в некотором количестве воздуха в момент, когда она начинает смешиваться с дополнительным количеством воздуха и в таких условиях, когда искровое зажигание может быть надежно осуществлено.

Искровое зажигание влияет только на топливо, поступающее по днищу второго поршня в момент возникновения искрового зажигания. Повышение давления и температуры, связанное с горением, начавшимся под действием искры, подвергает оставшееся топливо, поступающее по днищу поршня, воспламенению от сжатия.

Главным преимуществом этого способа работы является более простое управление зажиганием за счет включения свечи зажигания. Точный момент ингрессии не является большим критическим и она может начинаться раньше, чем это возможно в чистых двигателях с воспламенением от сжатия, работающих без помощи искры.

Снижение степени сжатия только немного уменьшает термический КПД двигателя. Для уравновешивания этого явления увеличенный размер камеры сгорания уменьшает соответствующее влияние вредных объемов в других местах и обеспечивает лучшее продвижение газа во время сгорания. Управление свечой зажигания 52, форсункой 34 и дроссельным клапаном 36 может осуществляться системой управления М двигателя.

На фиг. 13, 14 показаны возможные места установки свечи зажигания 52. На фиг. 13 свеча зажигания показана установленной внутри канавки 39 в стратегическом месте, где пары топлива встречаются с воздухом, циркулирующим под днищем второго поршня. Направление потока воздуха показано схематично жирной стрелкой, а топлива тонкой стрелкой. На фиг. 14 свеча зажигания показана установленной непосредственно под канавкой 39. В этом случае искровое зажигание целесообразно рассчитывается по времени таким образом, чтобы оно происходило сразу же, как только днище второго поршня начнет открывать канавку 39.

На фиг. 15 показан другой вариант двигателя, в котором система разделения Мерритт может сочетаться с принципами БДИЗ, по которым топливо и воздух смешиваются, по крайней мере, во время такта сжатия для последующего воспламенения с помощью искры для выработки мощности. В такой комбинированной конструкции два принципа воспламенения работают последовательно.

Двигатель, показанный на фиг. 15, выполнен аналогично представленному на фиг. 2-5 с добавлением свечи зажигания 52 и системы управления подачей топлива/воздуха 80, типичной для двигателя с искровым зажиганием. Система 80 содержит топливный распределитель, являющийся в данном случае форсункой низкого давления 82 (но который может содержать устройство дозирования топлива/воздуха, например карбюратор) и дроссельный клапан 83. Такая система обеспечивает точное регулирование соотношения топлива/воздуха для обеспечения искрового зажигания.

При работе двигатель может запускаться и прогреваться как двигатель с искровым зажиганием, работающий с системой 80, у которой топливная форсунка 34 отключена, а дроссельный клапан 32 во впускном патрубке 33 закрыт. Во время впуска топливо-воздушная смесь проходит через впускной клапан 24 в больший цилиндр 12. Во время сжатия смесь сжимается в камеру сгорания 20, где она воспламеняется искрой, образуемой свечей зажигания 52, при этом воспламенение регулируется таким образом, чтобы оно происходило около внутренней мертвой точки. За счет открытия дроссельного клапана 83 и увеличения подачи топлива мощность будет увеличиваться. Однако существует ограничение на открытие дроссельного клапана 83 и на величину количества топливно-воздушной смеси, подаваемого в больший цилиндр 12, накладываемое степенью сжатия двигателя, которое в режиме Мерритт должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить воспламенение от сжатия, тогда как воспламенение от сжатия в цилиндре 12 должно быть устранено в режиме искрового зажигания. Если двигатель работает на принципе ЗИВС, используя ту же свечу зажигания, то дроссельный клапан 83 может быть полностью открыт при полной нагрузке.

После прогрева двигателя форсунка 82 может отключаться, дроссельный клапан 83 открывается, форсунка 34 включается и дроссельный клапан 32 работает обычным образом, в результате чего двигатель будет работать так, как описано со ссылками на фиг. 12. Переход может осуществляться постепенно путем подачи большего количества воспламеняемой искрой смеси через второй впускной клапан 31 во второй цилиндр 14, уменьшая при этом количество смеси, поступающей через впускной клапан 24 под контролем системы управления двигателем.

Помимо запуска и прогревания двигателя, комбинированная конструкция (фиг. 15) может обеспечивать двигатель с выбором рабочих режимов. Режим работы Мерритт является, в частности, целесообразным в случае, когда требуется экономия топлива при частичной нагрузке или когда хотят работать на различных топливных, например, алкогольных топливах, подаваемых к форсунке 34, поскольку режим Мерритт менее чувствителен к изменениям топлива и, в частности, к октановому числу. При работе на принципе ЗИВС режим БДИЗ может использоваться при полной нагрузке для достижения полного использования воздуха, когда требуется максимальная мощность.

На фиг. 16, 17 меньший поршень 18 показан с четырьмя радиальными выступами 90, идущими от его днища 35, для образования боковых опор, контактирующих со стенкой 14а цилиндра 14. Зазор 128 должен прерываться выступами 90, имеющими соответствующий размер, как можно меньше. Поскольку выступы в действительности выполняют функцию сухих подшипниковых элементов для днища поршня, то они должны изготавливаться из соответствующего материала, выдерживающего также высокие температуры.

На фиг. 18 стенка 14а второго цилиндра 14 снабжена радиальными внутренними, идущими в осевом направлении выступами 900, образующими опору для днища 35 поршня 18 вместо выступов 90, показанных на фиг. 16, 17. В этом случае выступы эффективно прерывают зазор 128. Выступы могут быть также наклонены относительно оси цилиндра, но с осевой составляющей.

На фиг. 2-18 меньший поршень имеет по существу грибовидную форму, включающую центральную стойку с днищем на ее верхнем конце. На фиг. 19 и 20 показана альтернативная конструкция, в которой днище 35 поддерживается несколькими, расположенными по окружности с интервалом, стойками 100, идущими от корпуса 19 поршня 18. Если требуется, то поршень 18 может иметь основание 84, показанное пунктирными линиями. Такая конструкция по-прежнему обеспечивает по существу открытую камеру сгорания 20, а также оставляет тонкую кромку 37 на значительной части днища 35 для облегчения формирования сдерживающего зазора 128, как показано на фиг. 20.

Чтобы способствовать завихрению воздуха, поступающего в камеру сгорания 20 во время такта сжатия, изогнутый выступающий элемент 101 может устанавливаться ниже днища 35, например на основании 84, как показано пунктирными линиями. Выступающий элемент может иметь лопатки для содействия образования вращающегося потока вокруг оси поршня.

Еще одна конструкция меньшего поршня 18 показана на фиг. 21, в которой юбка 110 соединяет днище 35 с корпусом 19 поршня 18 и которая снабжена большим числом отверстий 111. Последние имеют предпочтительно изменяющуюся ширину, как показано, например в виде перевернутой треугольной формы, чтобы максимально увеличить окружную длину тонкой кромки 37 днища 35. Как и на фиг. 19 могут предусматриваться выступающий элемент 101 и основание 84.

В предыдущих вариантах двигатель работает на четырехкратном цикле. На фиг. 22 представлена конструкция двигателя настоящего изобретения, работающего на двухтактном цикле.

На фиг. 22 впускной и выпускной клапаны 24 и 36 заменены впускным и выпускным окнами 124 и 126 соответственно. Свеча зажигания 52 может быть установлена на стенке 14а меньшего цилиндра 14 для запуска и/или работы на холостом ходу и/или работы в режиме ЗИВС. Двигатель снабжен средством доступа 30, содержащим впускной клапан 31 с/или без дроссельного клапана 32. Впускной клапан 31 может иметь кулачковый или электромеханический привод. Источник топлива, как, например, форсунка 34 низкого давления, установлен выше по течению от клапана 31 и может подавать топливо во впускной канал 33, когда клапан 31 или закрыт, или открыт. Двигатель может также работать как комбинированный дизель в двухкратном режиме с форсунками 60A или 60B, как описано со ссылками на фиг. 7-11.

Меньший поршень 18 имеет грибовидную форму, хотя он может быть типа, показанного на фиг. 20 или 21.

При работе воздух поступает из соответствующего источника 132 сжатого воздуха, например из картера или внешнего насоса, в каналы 33 и 133 под давлением выше атмосферного. Если нужно, то воздух в канал 33 может подаваться от отдельного источника. Когда впускное окно 124 (соединенное с каналом 133) не закрыто днищем 36, то воздух под давлением поступает в большой цилиндр 12 в то время, как отработавшие газы от предыдущего цикла удаляются через выпускное окно 126. Одновременно клапан 31 открывается и пропускает воздух из канала 33 в меньший цилиндр 14 над днищем 35. Часть этого воздуха будет удалять отработавшие газы предыдущего цикла через сдерживающий зазор вокруг днища 35, когда последнее находится в положении наружной мертвой точки. Зазор 135 способствует прохождению отработавших газов из меньшего цилиндра в больший цилиндр 12, обеспечивая продувку в начале процесса выпуска.

Топливо может поступать в меньший цилиндр 14 с воздухом, как только откроется клапан 31, или же начало подачи топлива может задерживаться до тех пор, пока поршень 18 немного не сместится из своего положения наружной мертвой точки, чтобы закрыть зазор 135, и предпочтительно до того, как выпускное окно 126 будет закрыто большим поршнем 16. Закрытие клапана 31 должно предпочтительно задерживаться до тех пор, пока давление в большем цилиндре не начнет повышаться в начальный период такта сжатия после закрытия выпускного окна 126. Таким образом достигается принцип разделения Мерритта, использующий зазор 128. Если клапан 31 имеет электромеханический привод, то изменение времени закрытия может использоваться для регулирования ингрессии вместо дроссельного клапана 32.

К концу такта сжатия ингрессия топливно-воздушной смеси происходит через сдерживающий зазор 128 и, возможно, через перепускную канавку 39, если она имеется. Воспламенение происходит в результате контакта с горячим воздухом в камере сгорания 20 с помощью или без помощи свечи зажигания, которая сообщается непосредственно с камерой сгорания 20 под днищем 35, когда последнее находится возле своего положения внутренней мертвой точки. В конце хода расширения отработавшие газы удаляются через выпускное окно 126, и зазор 135 будет способствовать выравниванию давления на днище 35 меньшего поршня.

Двухтактный цикл для двигателя Мерритта может функционировать в любой из вышеприведенных комбинированных конструкциях как в дизельных, так и в бензиновых двигателях с искровым зажиганием, включая конструкции с воспламенением от сжатия, запускаемым искрой.

Реферат

Использование: двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания имеет, по крайней мере, один комплект из первого и второго цилиндров 12, 14, при этом первый цилиндр 12 имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр 14, и соответствующие первый и второй поршни 16, 18, перемещающиеся в цилиндрах. Поршни соединены друг с другом так, что они перемещаются в цилиндрах циклически с одинаковой частотой. Впускное отверстие 24 для воздуха и выпускное отверстие сообщаются с первым цилиндром, а топливная форсунка 34 обеспечивает подачу топлива во второй цилиндр. Имеется также камера сгорания 20, сообщающаяся с обоими цилиндрами в течение, по крайней мере, части такта расширения. Второй поршень имеет днище 35 и корпусную часть 19, причем днище удалено от и соединено с корпусной частью и имеет кромку 37, которая является относительно небольшой в осевом направлении по сравнению с расстоянием между днищем и корпусной частью в осевом направлении. Камера сгорания 20 образована между днищем поршня, корпусной частью и боковой стенкой 14а второго цилиндра. Зазор 128 между кромкой 37 днища и стенкой 14а цилиндра служит для сдерживания доступа топлива в камеру сгорания 20 до конца такта сжатия. Средство доступа, взаимодействующее со вторым цилиндром для пропускания топлива и/или воздуха во второй цилиндр во время такта впуска, содержит окно, открывающееся во второй цилиндр, и клапан 31 для контроля за этим окном. 30 з.п. ф-лы, 22 ил.

Формула