Двигатель внутреннего сгорания и способ его работы - RU2136918C1

Чертежи

Показать все 27 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к двигателестроению внутреннего сгорания.

"Двигатель с разделением" представляет собой двигатель, в котором топливо не начинает перемешиваться с массой воздуха, всасываемого двигателем, почти до конца хода сжатия, как раз до зажигания, при этом известны различные двигатели внутреннего сгорания, которые можно классифицировать как двигатели с разделением, например, из патентов Великобритании GB-A-2155546, GB-A-2186913, GB-A-2218153, CB-A-2238830, GB-A-2246394 и GB-A-2261028. В настоящее время в литературе эти двигатели известны, как двигатели Мерритта.

Дизельный двигатель также представляет собой двигатель с разделением, в то время как бензиновый двигатель с электрозажиганием содержит предварительно перемешанную смесь топлива и воздуха.

Важным отличительным признаком двигателей с разделением, таких как дизельные двигатели и двигатели Мерритта, является изоляция топлива от воздуха непосредственно до момента зажигания и быстрая подача топлива в камеру сгорания почти в конце хода сжатия.

В двигателях Мерритта используется то, что называется системой управления сгоранием по Мерритту, которая представляет собой последовательность процессов, разработанных для содействия сгоранию в поршневых двигателях внутреннего сгорания. В этом случае одна подобна другим характерным системам управления сгоранием, таким как в дизельном двигателе, в двигателе, работающем по циклу Отто, или в бензиновом двигателе с электрозажиганием. Система управления сгоранием может работать посредством определенного количества устройств, которые раскрыты в описаниях более ранних патентов, упомянутых выше. Система управления сгоранием отличается изоляцией по меньшей мере части топлива, подаваемого к двигателю во второй, меньший цилиндр, содержащий некоторое количество воздуха и имеющий меньший поршень, и введением топлива в меньший цилиндр в течение ходов всасывания и/или сжатия большего поршня. Топливо остается изолированным от массы воздуха до тех пор, пока ближе к концу ходов сжатия обоих поршней не произойдет его втекание. Такое устройство обеспечивает заметное время для испарения топлива в некоторое количество воздуха перед началом сгорания, что противоположно дизельному двигателю с разделением, где как раз перед моментом зажигания первоначально происходит впрыск жидкого топлива в воздух. В системах управления сгоранием меньший цилиндр используется как испарительный цилиндр, а меньший поршень используется как поршень переноса топлива. Следовательно, меньший цилиндр можно называть цилиндром управления топливом. Больший цилиндр принимает воздух, причем недросселируемый и без топлива, а больший поршень используется для сжатия воздуха.

Приведенные ниже термины, которые используются в этом описании, имеют следующие смысловые значения.

Топливное отношение F
Отношение количества топлива, фактически подаваемого к двигателю, к количеству топлива, требуемому для использования всего кислорода в массе воздуха, необходимой для наполнения суммарных рабочих объемов большего и меньшего цилиндров, когда канал для впуска воздуха незадросселирован.

Воздух
Этот термин относится к любой приемлемой смеси кислорода с другими, обычно инертными газами, а также фактически чистому кислороду для сжигания с газообразным или жидким (то есть испаряющейся жидкостью) топливом. Он может содержать рециркулируемые выхлопные газы, картерные газы и небольшую часть углеводородных субстанций, имеющихся в рециркулированных газах двигателя внутреннего сгорания.

Бензиновые двигатели с электроискровым зажиганием
Обычные, работающие на бензине двигатели, в которых зажигание осуществляется искрой.

Воспламенение от сжатия, инициируемое искрой
Процесс воспламенения от сжатия частично испаренного топлива, смешиваемого с воздухом, который вызывается искрой.

Положение во внешней мертвой точке
Положение поршня, которое имеет место, когда поршень изменяет направление своего движения, оставляя наибольший объем внутри своего цилиндра.

Положение во внутренней мертвой точке
Положение поршня, которое имеет место, когда поршень изменяет направление своего движения, оставляя наименьший объем внутри своего цилиндра.

Ход покоя
Период, в течение цикла двигателя, когда меньший поршень остается неподвижным.

ВМЕР - среднее тормозное эффективное давление на больший поршень.

Приведенные ниже термины, которые используются в этом описании в отношении известного уровня техники, имеют следующие смысловые значения.

Втекание
Движение, осуществляемое под воздействием меньшего поршня, характерной для двигателя Мерритта смеси топлива и воздуха из второго цилиндра в пространство сгорания.

Разделение
Изоляция внутри меньшего цилиндра топлива, поданного к меньшему цилиндру, вплоть до начала втекания.

Описание известного уровня техники
Дизельный двигатель
В случае дизельного двигателя для впрыска топлива и облегчения перемешивания топлива и воздуха двигатель может быть сконструирован по трем схемам, которые хорошо известны и поясняются следующим образом:
1) дизельный двигатель с непосредственным впрыском (известен как D1), представленный на фиг. 1;
2) дизельный двигатель с непрямым впрыском (известен как IDI), представленный на фиг. 2;
3) дизельный двигатель с промежуточным впрыском или закупориваемым поршнем непрямым впрыском (упоминаемый как INI) показанный на фиг. 3.

Дизельный двигатель с непосредственным впрыском, показанный на фиг. 1, имеет открытую камеру сгорания 20, образованную в головке поршня 16. Воздух поступает в цилиндр 12 через впускной патрубок 25 и впускной клапан 24, где ему сообщается вихревое движение. Форсунка 60 впрыскивает определенное количество струй жидкого топлива в камеру сгорания, где совершающий вихревое движение воздух перемешивается с ним до и в течение процесса сгорания.

Дизельный двигатель с непрямым впрыском, показанный на фиг. 2, имеет отдельную полуогражденную камеру сгорания 20, которая сообщается с цилиндром 12 через отверстие 42. Отверстие завихряет воздух, поступающий в камеру сгорания в течение хода сжатия, и топливо впрыскивается в камеру посредством форсунки 60, которая представляет собой обычную форсунку игольчатого типа, при этом используются магистрали с давлением топлива порядка 100 бар (98,69 кГс/см²) или менее. В течение рабочего хода горячие газы выходят из отверстия 42 с высокой скоростью, а это способствует перемешиванию несгоревшего топлива с дополнительным воздухом, содержащимся в паразитных объемах, особенно в клапанных полостях 424 и в просвете над поршнем 16.

Схема дизельного двигателя с промежуточным впрыском или закупориваемым поршнем непрямым впрыском, показанная на фиг. 3, описана в патентах Великобритании GB-A-0241398, GB-A-0361202, GB-A-0523137, GB-A-2088952 и других патентах. В этой схеме используется выступ 116 на поршне 16, который входит в увеличенное отверстие в камере сгорания 20. Выступ включает в себя небольшое отверстие 161, которое служит для этой цели, что и отверстие 42 дизельного двигателя с непрямым впрыском согласно фиг. 2. При такой схеме двигатель ведет себя так, как и дизельный двигатель с непрямым впрыском, когда поршень достигает близости к его положению во внутренней мертвой точке, а во всех других случаях ведет себя как дизельный двигатель с непосредственным впрыском.

Двигатель Мерритта
Двигатель Мерритта в его простой основной форме представляет собой двигатель с разделением, подобный дизельному двигателю, но с весьма существенными отличиями. Некоторое небольшое количество воздуха перемешивается фактически со всем топливом в меньшем втором цилиндре на протяжении значительной части цикла двигателя, обеспечивая время для испарения топлива перед втеканием. Втекание в камеру сгорания происходит через большее отверстие, при этом сгорание происходит быстрее и начинается без задержки.

Если теперь обратиться к системе Мерритта для управления сгоранием, то она сама по себе может быть использована просто как система управления сгоранием для содействия высокой термической эффективности, особенно при частичной нагрузке, либо она может быть объединена совместно с системой управления бензинового двигателя с электрозажиганием. В последнем случае создается двигатель, который может сочетать как высокую мощность при полной нагрузке, так и высокую термическую эффективность при частичной нагрузке. Она также может быть объединена с дизельной системой управления сгоранием для создания двигателя, использующего дизельное топливо с повышенной удельной мощностью и пониженным уровнем выхлопных выделений по сравнению с дизельным двигателем.

Система сгорания Мерритта может значительно улучшить термическую эффективность двигателя, когда она используется на транспортных средствах, предназначенных для езды по городу, по сравнению с бензиновыми двигателями с электрозажиганием и обеспечивает уменьшение количества вредных выхлопных выделений от самоходных транспортных средств.

Пример известного двигателя Мерритта показан на фиг. 4 прилагаемых чертежей, которая представляет собой неполное поперечное сечение части двигателя, воспроизведенное из патента Великобритании GB-A-2246394. Ниже следует краткое описание двигателя, а в отношении более подробного описания читателю следует обратиться к патенту Великобритании GB-A-2246394.

На фиг. 4 двигатель Мерритта представлен в виде конструкции, которая обеспечивает работу гибридного двигателя Мерритта/бензинового двигателя с электрозажиганием, с использованием воспламенения от сжатия, инициируемого искрой.

Двигатель содержит меньший поршень 18, установленный на головке 36 большего поршня 16. Поршень 18 включает в себя стойку 234 и головку 35. Из фиг. 4 видно, что контур стойки 234 изогнут, при этом изгиб сталкивается с вихрем воздуха, поступающего в пространство сгорания 20 из большего цилиндра 12, и вихрь смеси топлива и воздуха втекает (т.е. движение смеси топлива и воздуха) в пространство сгорания 20. Пространство сгорания образовано между стойкой 234 и стенкой 14a меньшего цилиндра 14. Форма и размер стойки выбираются таким образом, чтобы создать надлежащий объем сгорания с соответствующими размерами и формой.

Можно заметить, головка 35 поршня 18 имеет кромку с толщиной в осевом направлении, которая значительно меньше расстояния по оси между головками 35 и 36 поршней 18 и 16. Головка 35 имеет цилиндрическую периферийную кромку 37, которая слегка отстоит от стенки 14a меньшего цилиндра, с тем чтобы образовать задерживающее средство в форме кольцевого зазора 128. Как видно на фигуре, верхний конец меньшего цилиндра 14 образован с периферийной канавкой 39, которая обеспечивает перепускной канал для содействия втеканию, что описывается ниже. Верхний конец меньшего цилиндра 14 снабжен вторым впускным клапаном 31 и дроссельным клапаном 32. Форсунка 24 установлена для подачи жидкого топлива во впускной канал 33. Дроссельный клапан 32 управляет количеством воздуха, следующего через впускной канал 33, и осуществляет это фактически независимо от количества топлива, подаваемого форсункой 34. Вторая форсунка 82 используется для режима бензинового двигателя с электрозажиганием, при этом дроссельный клапан 83 действует совместно со свечой зажигания 52, причем также в режиме бензинового двигателя.

В течение хода всасывания двигателя в режиме работы по Мерритту воздух поступает в больший цилиндр 12 через впускной патрубок 25. Воздух также поступает в меньший цилиндр 14 через открытый клапан 31 совместно с топливом из форсунки 34. НА разность давления поперек головки 35 поршня 18 в ранней части хода сжатия может быть оказано влияние посредством дроссельного клапана 32 и установки момента закрытия клапана 31. Это, в свою очередь оказывает влияние на момент втекания содержимого меньшего цилиндра 14 в пространство сгорания 20 вблизи от положения поршня 18 по внутренней мертвой точке к концу хода сжатия. В свою очередь, момент втекания может управлять моментом зажигания испаренного топлива посредством воспламенения от сжатия, когда смесь топлива и воздуха в цилиндре 14 встречается с более горячим воздухом, подаваемым к пространству сгорания 20 большим поршнем 16 в течение хода сжатия.

Длина канавки 39 в осевом направлении больше толщины кромки 37 головки 35 меньшего поршня для того, чтобы создать увеличенный зазор для течения смеси топлива и воздуха вокруг головки. Канавка 39 также обеспечивает объем пространства сжатия в меньшем цилиндре 14, причем этот объем может влиять на момент втекания посредством создания дополнительного объема в цилиндре 14 в течение хода сжатия.

Выпускной клапан и выпускное отверстие на фиг. 4 не показаны, но тем не менее они имеются в двигателе, сообщаясь с большим цилиндром 12. Сплошная линия положения поршней характеризует положение во внешней мертвой точке, а пунктирные линии показывают положения поршней во внутренней мертвой точке.

Устройство в виде "открытого" пространства сгорания согласно фиг. 4 обеспечивает доступ посредством свечи зажигания 52 непосредственно в пространство сгорания 20. Свеча зажигания проходит через стенку 14A меньшего цилиндра 14.

После того как топливо, которое уже начало втекать в пространство сгорания, воспламеняется искрой, давление, а следовательно и температура газа в пространстве сгорания увеличивается. Это приводит к тому, что остальная часть испаренного топлива, которая продолжает втекать в пространство сгорания и смешивается в нем с воздухом, воспламеняется посредством воспламенения от сжатия, даже если первоначальное пламя, возникающее посредством искры, не пересекает всего пространства сгорания. Этот процесс воспламенения упоминается как воспламенение от сжатия, инициируемое искрой.

Важное преимущество использования воспламенения от сжатия инициируемого искрой, заключается в легкости, с которой оно может быть синхронизовано, с тем, чтобы отвечать разным условиям работы двигателя. Когда используется воспламенение от сжатия, инициируемое искрой, точность управления, требуемая при установке времени процесса втекания, может быть менее важной и менее критичной для работы двигателя.

Для обеспечения воспламенения от сжатия, инициируемого искрой, система двигателя может работать с геометрическими соотношениями сжатия, которые недостаточны для того, чтобы вызвать воспламенение от сжатия в течение ранних моментов втекания конкретного выбранного топлива. Как вариант, для регулирования конечных давлений и температур при сжатии может быть использован дроссель 83. Так, в случае бензина степень сжатия может быть снижена, например, до величины порядка 10:1 для воспламенения от сжатия, инициируемого искрой. Однако, если при таком топливе предполагается использование самого по себе воспламенения от сжатия, то может потребоваться величина степени сжатия, например, составляющая 18:1. Второе требование заключается в установке свечи зажигания в том месте, где она встречается с парами топлива, в то время как топливо перемешивается с воздухом в пространстве сгорания на ранней части процесса втекания. Свеча зажигания обеспечивает искру в надлежащий момент времени, с тем чтобы начать процесс воспламенения от сжатия, инициируемого искрой.

В отличие от бензинового двигателя с электроискровым воспламенением или дизельного двигателя, в которых может быть использован только один способ воспламенения, в двигателе Мерритта могут быть использованы способы как искрового зажигания, так и воспламенения от сжатия, что зависит как от его конструкции, так и от используемого топлива.

Посредством испарения по меньшей мере части топлива перед его втеканием в двигателе Мерритта может быть использовано искровое зажигание, что описано выше. Посредством изоляции топлива от большей части воздуха в течение хода сжатия в двигателе Мерритта может быть использован процесс зажигания, известный как воспламенение от сжатия.

Двигатель Мерритта, поскольку он представляет собой двигатель с разделением, весьма пригоден для использования воспламенения от сжатия, с тем чтобы обеспечить зажигание приемлемого топлива. Это выполняется за счет того, что не происходит предварительного перемешивания топлива с достаточным количестве воздуха (то есть смесь весьма богата) для спонтанного зажигания в течение большей части процесса сжатия даже тогда, когда используются высокие степени сжатия. В дизельном двигателе, который также представляет собой двигатель с разделением, момент зажигания определяется моментом начала впрыска топлива в пространство сжатия. В известных двигателях Мерритта управление моментом зажигания осуществляется путем управления моментом начала процесса втекания или управлением моментом возникновения искры, с тем чтобы начать воспламенение от сжатия, инициируемого искрой. В двигателях Мерритта, использующих высокие степени сжатия и соответствующее топливо, воспламенение топлива может происходить без содействия искры в тот момент, когда парообразное топливо начинает поступать в пространство сгорания и встречается в нем с весьма горячим воздухом. В таком двигателе с разделением, как двигатель Мерритта, воспламенение также может осуществляться посредством катализатора, например, платины, размещенной на стенках камеры сгорания, что раскрыто в описаниях более ранних патентов Мерритта, касающихся двигателей, например в патентах Великобритании GB-A-2155546 и GB-A-2186913.

Выбор способа зажигания также обеспечивает выбор широкого диапазона топлив, включающего в себя бензин и дизельное топливо. Выбор топлива в сочетании с выбранной степенью сжатия может диктовать способ зажигания, используемый в двигателе Мерритта. Например, дизельное топливо или бензин с весьма низким октановым числом могут быть воспламенены посредством воспламенения от сжатия, когда выбирается высокая степень сжатия, в то время как бензин с высоким октановым числом в сочетании с более низкой степенью сжатия может быть воспламенен посредством искры. При искровом зажигании в двигателе Мерритта в случае процесса воспламенения от сжатия, инициируемого искрой, не требуется ждать завершения процесса перемешивания всего топлива и воздуха, поскольку необходимо воспламенить лишь часть топлива. В этом случае последующее воспламенение остального топлива осуществляется путем воспламенения от сжатия, когда оно втекает в пространство сгорания.

Технология двигателей Мерритта, известная из патента Великобритании GB-A-2246394, использует способ объединения с бензиновым двигателем с электрозажиганием для того, чтобы снять проблему соответствия разрешенному законом количеству NOX в выхлопных выделениях. Посредством добавления свечи зажигания в камеру сгорания, а также добавочной форсунки или карбюратора и дроссельного клапана во впускном коллекторе двигатель Мерритта согласно фиг. 4 может действовать либо как обычный, имеющий искровое зажигание стехиометрический бензиновый двигатель, который сопоставим с трухпутным каталитическим конвертером, при повышенном диапазоне среднего тормозного эффективного давления, или в качестве чистого двигателя Мерритта от среднего и до нижнего диапазона среднего тормозного эффективного давления с незначительным выхлопным выделением NOX.

Способ воспламенения от сжатия, инициируемого искрой, весьма привлекателен для двигателя, представляющего собой гибрид двигателя Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием, поскольку в камере сгорания уже имеется свеча зажигания. Переключение между режимами работы в качестве двигателя Мерритта и в качестве бензинового двигателя с электрозажиганием может осуществляться автоматически посредством использования электронной системы управления двигателем, так что при высоком среднем тормозном эффективном давлении или при высокой нагрузке на двигатель он работает как бензиновый двигатель с электрозажиганием, в то время как при среднем диапазоне и пониженном среднем тормозном эффективном давлении он работает как чистый двигатель Мерритта без выделения NOX и со значительно повышенной термической эффективностью.

Предыдущие разъяснения говорят о том, что система управления двигателя Мерритта при обычном использовании обеспечивает связь между двумя другими системами сгорания - дизельным двигателем и бензиновым двигателем с электрозажиганием. Подобно дизелю двигатель Мерритта представляет собой двигатель с разделением, но подобно бензиновому двигателю с электрозажиганием он позволяет топливу испаряться перед его поступлением в камеру сгорания. Подобно дизелю он может использовать воспламенение от сжатия или подобно бензиновому двигателю с электрозажиганием он может использовать воспламенение, инициируемое искрой, но в сочетании с высокими или низкими величинами степени сжатия. Он может использовать как бензин, так и дизельное топливо. Весьма важно то, что он может дейстововать с величинами термической эффективности, которые так же высоки, как и у дизельного двигателя, или даже выше, особенно при частичной нагрузке, но благодаря своему быстрому процессу сгорания он может ближе подойти к уровням удельной мощности бензинового двигателя с электрозажиганием, чем дизельный двигатель. Подобно дизельному двигателю он может использовать турбонаддув или иную подачу сжатого воздуха без необходимости снижения его геометрического соотношения сжатия. Это незадросселированный двигатель, но в отличие от дизельного двигателя он не требует системы впрыскивания топлива под высоким давлением, поскольку топливо поступает в меньший цилиндр двигателя Мерритта в течение части цикла, происходящей при низком давлении перед ходом сжатия и началом последующего процесса сгорания.

Ход сжатия бензинового двигателя с электрозажиганием выполняется на предварительно перемешанной смеси топлива и воздуха, при этом его способ искрового электрозажигания может воспламенять лишь смеси топлива и воздуха, имеющие почти стехиометрические пропорции. Процесс сгорания в бензиновом двигателе с электрозажиганием зависит от пламени, инициируемого искрой и перемещающегося в пространстве сгорания поперек всего объема смеси топлива и воздуха. Напротив, основное преимущество двигателя с разделением над бензиновым двигателем заключается в его способности сжигать топливо в течение процесса его перемешивания с воздухом независимо от количества вовлеченного топлива. Этим сильно объединяются предельные смеси топлива и воздуха, которые могут быть сожжены. Такая способность сжигания весьма бедных предельных смесей при среднем и до низкого диапазонов среднего тормозного эффективного давления способствует пониженным температурам газа в течение рабочего хода. Это, в свою очередь, приводит к повышенной термической эффективности двигателя и пониженным количествам вредных NOX газов в выхлопе, особенно при частичной нагрузке. Признанным фактом является то, что термическая эффективность поршневых двигателей внутреннего сгорания повышается, когда соотношение топлива и воздуха смещается в сторону обеднения смеси.

Два основных способа повышения термической эффективности поршневых двигателей внутреннего сгорания заключается в содействии весьма быстрому сгоранию в начале рабочего хода и в уменьшении осредненных температур газа при последующем выделении тепла. Последний применяется тогда, когда двигатель работает на большем поршне при давлении, которое ниже его максимального индикаторного давления.

Двигатели с разделением не могут соответствовать максимальным величинам среднего эффективного давления бензиновых двигателей, которые достигаются посредством почти полного использования всего кислорода, допускаемого в цилиндр в процессе сгорания. Двигатели с разделением не способны использовать воздух, скрытый в щелях и в паразитных объемах, но двигатели Мерритта, в которых происходит сжатие газифицированного топлива, могут выполнять это лучше, чем дизельные двигатели, которые сжигают топливо, сцентрированное в каплях жидкости.

Новое законодательство, касающееся контроля выхлопных выделений из двигателей транспортных средств, привело к использованию трехходового каталитического конвертера. Он завершает процесс окисления частично сожженного топлива, а также раскисляет вредные окислы азота (NOX), образуемые в течение процесса сгорания. Доступный в настоящее время каталитический конвертер может эффективно функционировать для снижения NOX, если только двигатель допускает подачу стехиометрической смеси воздуха и топлива, поскольку какое-либо избыточное количество кислорода, присутствующее в выхлопном газе, делает каталитический конвертер неэффективным для снижения NOX. Транспортные средства, использующие бензиновые двигатели с электрозажиганием, теперь действуют этим способом в пределах определенных законом ограничений по NOX. По этой причине транспортные средства, использующие дизельные двигатели, в настоящее время не могут соответствовать контрольным цифрам снижения NOX, касающимся бензиновых двигателей, причем чистый двигатель Мерритта также,вероятно, должен столкнуться с подобной проблемой, когда он работает при повышенном диапазоне среднего эффективного давления. Однако двигатель Мерритта потенциально может работать в среднем и нижнем диапазоне среднего эффективного давления, создавая незначительные количества NOX в течение процесса сгорания.

Обедненное сгорание в бензиновых двигателях создает максимальные количества NOX, если работа происходит на смесях топлива и воздуха, немного беднее стехиометрических, когда происходит наисильнейшее сгорание, например, при соотношениях топлива и воздуха в диапазоне от 16:1 до 20:1. Как разъяснялось ранее, это NOX не может быть уменьшено трехходовым каталитическим конвертером, поскольку в выхлопном потоке имеется избыточное количество кислорода. Однако, когда работа далее происходит в обедненном диапазоне, например, с соотношениями топлива и воздуха большими чем 20:1, приблизительно при 70% среднего тормозного эффективного давления и ниже, разжижение избыточным воздухом может оказаться достаточным для охлаждения газов и для прекращения образования NOX в течение сгорания.

Подобно другому двигателю с разделением - дизельному двигателю, двигатель Мерритта должен быть обеспечен средством для эффективного перемешивания топлива и воздуха непосредственно перед процессом сгорания и в течение этого процесса. В двигателе Мерритта это может выполняться, используя устройства, подобные устройствам дизельного двигателя в его формах как с непосредственным впрыском, так и с непрямым впрыском. В двигателе Марритта топливо поступает в камеру сгорания в течение процесса втекания к концу хода сжатия, причем по меньшей мере в частично испаренном состоянии. Параллельный процесс в дизельном двигателе называется впрыском топлива.

Приведенные ниже термины при их использовании в этом описании применительно к настоящему изобретению имеют следующее смысловое значение.

Соотношение рабочих объемов - E.

Это отношение рабочего объема первого объема в меньшем цилиндре к рабочему объему большего цилиндра.

Объемное отношение сжатия к втеканию -CIVR CIVR большего цилиндра
Отношение максимальной величины пространственного объема в большем цилиндре меду поршнями к величине пространственного объема между поршнями в начале втекания.

CIVR меньшего цилиндра.

Отношение максимальной величины первого объема меньшего цилиндра к величине первого объема в начале втекания.

Относительное объемное отношение сжатия к втеканию
Соотношение объемного отношения сжатия к втеканию большего цилиндра к тому же отношению меньшего цилиндра. Это отношение может быть равным или больше 1.

Втекание.

Движение, на которое оказывает влияние меньший поршень, смеси топлива и воздуха из первого объема второго цилиндра в пространство сгорания, которое происходит в конце или к концу хода сжатия.

Разделение.

Изоляция внутри первого объема меньшего цилиндра того топлива, которое подается к первому объему, до тех пор, пока не начнется втекание.

В настоящем изобретении сделана попытка создать усовершенствованный двигатель внутреннего сгорания.

Соответственно, в настоящем изобретении создан двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару первого и второго цилиндра, при этом рабочий объем первого цилиндра больше, чем у второго цилиндра; соответствующие первый и второй поршни, совершающие возвратно-поступательное движение в цилиндрах, при этом второй поршень имеет приводной шток и делит второй цилиндр на первый объем, содержащий приводной шток второго поршня, и второй объем между упомянутыми двумя поршнями; средство для впуска воздуха, сообщающееся с первым цилиндром; выпускное средство, сообщающееся с первым цилиндром; средство, образующее общее пространство сгорания между поршнями, когда поршни фактически находятся во внутренних мертвых точках; средство переноса для обеспечения возможности течения газа между первым и вторым объемами к концу хода сжатия в первом объеме; задерживающее средство для задержки движения смеси топлива и воздуха из первого объема во второй объем вплоть до конца хода сжатия второго поршня; первый источник топлива для обеспечения топливом первого объема; приводное средство для привода в движение второго поршня, при этом приводное средство включает в себя средство для удержания второго поршня по существу неподвижным во внутренней мертвой точке или вблизи от нее в течение по меньшей мере части рабочего хода первого поршня.

Одно из заметных преимуществ всех форм настоящего изобретения заключается в том, что согласно его принципу как дизельный, так и бензиновый двигатели могут быть преобразованы посредством изменения конструкции лишь головки цилиндра, не оказывая влияния на картер и трансмиссию в сборе.

При работе конструкции двигателя, показанной на фиг. 4, в режиме бензинового двигателя с электрозажиганием стойка 234 меньшего поршня 16 может потребовать эффективного охлаждения для удержания ее температуры у нижних значений, с тем чтобы не допустить предварительное воспламенение предварительно перемешанных воздуха и топлива, которые поступают в двигатель через впускной клапан 24. При работе в режиме бензинового двигателя такое охлаждение может быть обеспечено распылением масляной струи из поршневого пальца во внутреннюю полость стойки, однако проблема предварительного зажигания при работе в режиме бензинового двигателя может быть решена посредством конструкции двигателя, выполненной согласно настоящему изобретению. Конструкция согласно настоящему изобретению имеет и другие преимущества. Например, в случае объединения принципа двигателя Мерритта с дизельным двигателем, как описано в патенте Великобритании GB-2246394, удаление стойки 234 обеспечивает более легкое распределение топлива, распыляемого из дизельной форсунки в пространство сгорания 20.

Краткое описание чертежей.

Ниже изобретение описано посредством примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых на фиг. 1 представлено неполное сечение части известной формы дизельного двигателя с непосредственным впрыском; на фиг. 2 представлено неполное сечение части известной формы дизельного двигателя с непрямым впрыском; на фиг. 3 представлено неполное сечение части известной формы дизельного двигателя с промежуточным спрыском; на фиг. 4 представлено неполное сечение известного двигателя Мерритта в форме гибрида с бензиновым двигателем с электрозажиганием; на фиг. 5 представлено неполное сечение части первого варианта осуществления конструкции двигателя Мерритта - с непосредственным втеканием, выполненного согласно настоящему изобретению и показанного в конце хода всасывания; на фиг. 6 представлен вид двигателя согласно фиг. 5 в конце хода сжатия, на фиг. 7a, 7b, 7c и 7d представлен один полный цикл работы двигателя согласно фиг. 5 и 6; на фиг. 8a представлены кривые смещения угла поворота кривошипа для большего и меньшего поршней двигателя согласно фиг. 5 и 6 в течение кодов сжатия, иллюстрирующие способ управления процессом втекания; на фиг. 8b представлен фрагмент фиг. 8a, показывающий управление в течение процесса втекания; на фиг. 9 представлен подробный вид меньшего цилиндра и поршня двигателя согласно фиг. 5 и 6 непосредственно перед втеканием; на фиг. 10 представлен вид, подобный виду на фиг. 9, в течение втекания; на фиг. 11 представлен вид, подобный виду на фиг. 5, второго варианта осуществления двигателя Мерритта - с непрямым втеканием, выполненного согласно настоящему изобретению и показанного в конце хода всасывания; на фиг. 12 представлен вид, подобный виду на фиг. 5, третьего варианта осуществления двигателя согласно настоящему изобретению - с промежуточным втеканием, показанного в конце хода сжатия; на фиг. 13a, 13b, 13c и 13d представлены виды в плане четырех форм отверстий огневых пластин для головки цилиндра двигателей согласно настоящему изобретению; на фиг. 14 представлен вид, подобный виду на фиг. 9, иллюстрирующий модифицированное устройство, содержащее свечу зажигания, нижнюю канавку и ограничительное отверстие для варианта конструкции с непрямым втеканием; на фиг. 15 представлен вид, подобный виду на фиг. 5, показывающий четвертый вариант осуществления конструкции двигателя согласно настоящему изобретению - с непосредственным втеканием, выполненный в виде гибридного устройства с факельным сжиганием обедненной смеси и искровым зажиганием; на фиг. 16 представлен вид, подобный виду на фиг. 5, показывающий пятый вариант осуществления конструкции двигателя согласно настоящему изобретению - с непосредственным втеканием, в форме дизельного гибридного устройства с факельным горением; на фиг. 17 представлен вид, подобный виду на фиг 5, показывающий шестой вариант осуществления конструкции двигателя согласно настоящему изобретению - с непосредственным втеканием, в форме дизельного гибридного устройства с двумя форсунками для меньшего цилиндра, на фиг. 18a, 18b, 18c и 18d представлены виды, подобные видам на фиг. 7a по 7d, для двигателя согласно фиг. 17; на фиг. 19 представлен вид, подобный виду на фиг. 5, показывающий седьмой вариант осуществления конструкции двигателя согласно настоящему изобретению в форме дизельного гибридного устройства с одной форсункой для меньшего цилиндра; на фиг. 20a, 20b, 20c и 20d представлены виды, подобные видам на фиг. 7a по 7d для двигателя согласно фиг. 19; на фиг. 21 представлен вид модифицированной формы двигателя согласно фиг. 11 в начале хода выпуска большего поршня, которая пригодна для применения с бензиновым топливом, используя воспламенение от сжатия, инициируемое искрой; на фиг. 22 представлен вид, подобный виду на фиг. 9, иллюстрирующий возможные положения форсунок; на фиг. 23 представлен вид, модифицированной формы двигателя согласно фиг. 5 для работы в гибридном режиме бензинового двигателя с электрозажиганием; на фиг. 24a, 24b, 24c и 24d представлены виды, подобные видам на фиг. с 7a по 7d, двигателя согласно фиг. 23, действующего с продленным ходом всасывания меньшего поршня и с непосредственным втеканием; на фиг. 25a, 25b, 25c и 25d представлены виды, подобные видам на фиг. с 7a по 7d, для двигателя согласно фиг. 23, действующего в чистом режиме бензинового двигателя с электрозажиганием, причем с неподвижным меньшим поршнем; на фиг. 26 представлено неполное сечение двойного кулачкового механизма, который может быть применен для перемещения меньшего поршня двигателя при относительно больших ходах с использованием относительно малых подъемов кулачков.

Подробное описание чертежей.

Двигатель Мерритта может быть сконструирован по трем схемам, подобным дизельному двигателю.

1. Двигатель Мерритта с непосредственным втеканием.

2. Двигатель Мерритта с непрямым втеканием.

3. Двигатель Мерритта с промежуточным втеканием, или с закупориваемым поршнем непрямым втеканием.

В двигателе Мерритта с непосредственным втеканием, таком, который показан на фиг. 5 и 6, отверстие между большим цилиндром 12 и пространством сгорания 20 является наибольшим и может представлять собой полную расточку меньшего цилиндра 14.

В двигателе Мерритта с непрямым втеканием, например, таком, который показан на фиг. 11, отверстие 2161 может быть выполнено относительно небольшим, чтобы способствовать приемлемому вихревому движению воздуха, подаваемого к камере сгорания в течение хода сжатия большего поршня, а также сильной струе горячих газов в течение ранней стадии рабочего хода, причем способом, который подобен способу дизельного двигателя с непрямым впрыском.

В двигателе Мерритта с промежуточным втеканием или закупориваемым поршнем непрямым втеканием, пример которого показан на фиг. 12, больший поршень снабжен выступом 116, который частично закупоривает отверстие в течение последней стадии хода и ранней стадии рабочего хода.

Двигатель Мерритта с непосредственным втеканием, выполненный согласно фиг. с 5 по 7, имеет больший цилиндров 12 и меньший цилиндр 14, который является осевым продолжением большего цилиндра. Меньший поршень 18 может перемещаться в меньшем цилиндре 14 и имеет головку 35 в цилиндрический приводной шток 234. Больший поршень 16 может перемещаться в большем цилиндре 12, при этом он имеет головку 36 и уплотнен обычным образом с помощью поршневых колец. Два поршня перемещаются посредством отдельных механизмов, которые могут приводиться в движение или связываются совместно друг с другом, либо управляются так, чтобы действовать совместно посредством надлежащего механизма C. Например, больший поршень может перемещаться посредством устройства, состоящего из коленчатого вала и шатуна, а меньший поршень посредством кулачка 500, прикрепленного к кулачковому валу 600. Величина хода двух поршней может быть разной. Предпочтительно, чтобы больший поршень имел больший ход.

Меньший поршень 18 делит второй цилиндр 14 на первый объем 15a за головкой 35 меньшего поршня, содержащий приводной шток 234, и второй объем 15b, расположенный между двумя поршнями (фиг. 7a). Очевидно, что при движении поршня 18 эти объемы изменятся.

Рабочий объем меньшего цилиндра представляет собой пространство, ограниченное стенкой 14a цилиндра, задней поверхностью головки 35 меньшего поршня 18 и поверхностью штока 234 меньшего поршня 18. Это наилучшим образом видно на фиг. 5, где рабочий объем меньшего цилиндра имеет максимальное значение, когда меньший поршень находится во внешней мертвой точке. На фиг. 6 показан двигатель вблизи от конца хода сжатия, когда больший поршень и меньший поршень приближаются к их внутренним мертвым точкам. Теперь пространство, ограниченное стенкой 14a, становится пространством сгорания 20.

Головка 35 меньшего поршня 18 имеет кромку 37, толщина которой в осевом направлении значительно меньше хода поршня 18. Головка 35 показана с имеющейся у нее цилиндрической периферийной кромкой 37, которая слегка отстоит от стенки 14a меньшего цилиндра для формирования кольцевого зазора 128. Как видно на чертеже, верхний конец меньшего цилиндра 14 образован с периферийными канавками 39, хотя они и не обязательны, которые обеспечивают перепускной путь для содействия втеканию, что описано ниже, а также обеспечивают пространство сжатия в меньшем цилиндре.

На фиг. 5 и 6 головка 35 меньшего поршня 18 показана в упрощенной форме. Она может быть сконструирована разной по форме и некоторые из этих форм описаны ниже.

Меньший поршень 18 направляется и скользит в расточке 511 головки цилиндра двигателя. Расточка создает небольшой зазор вокруг штока 234 для обеспечения возможности его свободного движения, а также для обеспечения уплотнения с целью предотвращения чрезмерных утечек газа. Для уплотнения штока 234 и уменьшения дополнительных утечек газа могут быть последовательно расположены одно или больше уплотняющие кольца 510. Меньший поршень перемещается по действием кулачка 500, скорость вращения которого составляет половину скорости коленчатого вала. Пружина 501 содействует тому, чтобы поршень 18 оставался в контакте с кулачком. Кулачок 500 синхронизирован с механизмом коленчатого вала большого поршня 16 для гарантии того, что когда поршень 16 достигает своей внутренней мертвой точки в конце хода сжатия (фиг. 6), меньший поршень 18 также приходит во внутреннюю мертвую точку, как это и показано. При нахождении во внутренней мертвой точке нижняя поверхность головки 35 меньшего поршня 18 может уплотняться относительно уплотняющей поверхности 515, с тем чтобы фактически предотвратить утечки газа через расточку 511 вокруг штока 234.

Профиль кулачка 500 обеспечивает продленный ход всасывания меньшего поршня.

Движение меньшего поршня отличается от движения большего поршня не только по длине хода. Например, ход всасывания меньшего поршня может выполняться на протяжении хода выпуска, а также хода всасывания большего поршня. Кроме того, нет необходимости в том, чтобы начало и/или конец ходов двух поршней происходили в один и тот же момент.

Очевидно, что механизм, приводящий в движение меньший поршень, может отличаться от показанного кулачкового вала. Например, он может представлять собой коромысло, приводимое в действие кулачком, или стержень, приводимый в действие двумя кулачками, как показано на фиг. 26. Как вариант, он может быть выполнен посредством использования гидравлических или пневматических приводных систем, которые управляются сигналами от коленчатого вала большего поршня. При неисправностях такого управления неправильное движение меньшего поршня не может повредить больший поршень посредством нежелательного контакта.

Топливо в жидком виде подается в меньший цилиндр 14 посредством клапана для ввода топлива, например форсунки 34, в течение хода всасывания и/или хода сжатия меньшего поршня. Поэтому форсунка может быть сконструирована для подачи под относительно низким давлением и может обладать преимуществом, заключающимся в защите, обеспечиваемой головкой 35 меньшего поршня при уплотнении о поверхность 515 в течение периода сгорания или рабочего хода большего поршня. Жидкое топливо может быть распылено в некотором количестве воздуха.

Топливо в газообразном виде также может быть подано к цилиндру 14 через небольшой клапанный механизм (на чертежах не показан), который может быть приведен в действие механически или электрически и может подавать топливо, перемешанное с некоторым количеством воздуха.

В качестве альтернативы форсунке может быть использовано движение меньшего поршня 18 для нагнетания топлива через шток 234 и его впрыскивание в цилиндр 14 через отверстие в нижней поверхности головки 35 или вблизи от этой поверхности При таком устройстве (на чертежах не показано) форсунка 34 и ее топливный насос могут быть встроены в конструкцию меньшего поршня.

Больший цилиндр имеет выпускной клапан 26 и впускной патрубок 25, образованный с впускным клапаном 24 для подвода фактически незадросселированного воздуха в больший цилиндр 12.

Пространство сгорания может быть обеспечено свечой зажигания 52, с тем чтобы позволить ему работать по принципу бензинового двигателя с элеткрозажиганием. В таком случае степень сжатия двигателя может быть понижена, поскольку воспламенение богатой смеси (содержащей испаренное топливо) после того как она втекает через канавку 39 и зазор 128 в конце хода сжатия, первоначально вызывается искрой, возникающей несколько раньше момента, представленного на фиг. 6. После возникновения искры первоначальное сгорание повышает температуру и давление газов в пространстве сгорания 20, так что остальное топливо, которое продолжает втекать через зазор 128 и канавку 39, теперь загорается посредством воспламенения от сжатия.

Объем 20 пространства сгорания, показанного на фиг. 6, предпочтительно заключен внутри пространства, созданного для цилиндра 14 в головке цилиндра, но может быть продлен в больший цилиндр 12, например, в углубление 117, показанное пунктирной линией в головке большего поршня 16. Как вариант, пространство сгорания 20 может быть уменьшено посредством использования выступа 116, также показанного пунктирной линией на головке 36 большего поршня 16.

Каждый из поршней 16 и 18, либо они оба, могут иметь выступы или углубления например 116 или 117, которые могут содействовать направлению движения газа в пространстве сгорания, а также позволять регулировать объем пространства сгорания для обеспечения в двигателе желаемой степени сжатия. Если объем, выбранный для меньшего цилиндра 14, недостаточен для получения объема сжатия, требуемого в пространстве сгорания при заданной степени сжатия, дополнительный объем сжатия для сгорания может быть обеспечен или посредством полости 117 в головке большего поршня, или посредством углубления в головке цилиндра, которое может быть объединено с полостями для клапанных седел.

Объем меньшего цилиндра 14 может быть меньше или больше объема пространства сгорания 20. Двигатель Мерритта в его чистом виде требует, что все топливо, поступающее к двигателю, должно передаваться к меньшему цилиндру 14, причем такое устройство может выгодно отличаться от большего рабочего объема для меньшего цилиндра или большего отношения E рабочих объемов. В двигателе Мерритта гибридной формы могут использоваться меньшие значения E. Например, меньший цилиндр может быть выполнен более миниатюрным для захождения в него лишь незначительной части топлива, подаваемого к двигателю. Остальная часть топлива может быть подана либо непосредственно в пространство сгорания, как в случае гибридного режима работы двигателя Меррита/дизельного двигателя, либо во впускной патрубок 25 большего цилиндра, как в случае гибридного режима работы двигателя Мерритта/бензинового двигателя с электрозажиганием. В этом случае меньший цилиндр обеспечивает усилитель зажигания, который может значительно повысить энергию, допустимую для зажигания основного топливного заряда. Такие случаи применения могут улучшить процесс сгорания в дизельных двигателях или обеспечить воспламенение бедных, предварительно перемешанных смесей топлива и воздуха в бензиновых двигателях с электрозажиганием.

Кулачковый профиль 500 перемещает меньший поршень 18 из внутренней мертвой точки к внешней мертвой точке при повороте кулачка на 180^o или повороте кривошипа на 360^o. Этим обеспечивается продленный ход всасывания меньшего поршня, который происходит совместно с ходом выпуска и ходом всасывания большего поршня 16. Ход сжатия меньшего поршня может происходить при 90^o поворота кулачка, а в течение последних 90^o поворота кулачка меньший поршень остается во внутренней мертвой точке.

На фиг. с 7a по 7d схематически показана работа двигателя согласно фигурам с 5 по 7 в чистом режиме Мерритта при четырехтактном цикле. На фиг. с 7a по 7d представлены ход всасывания, ход сжатия, рабочий ход и ход выпуска большего поршня 16. На фиг. 7d и 7a представлен ход всасывания меньшего поршня 18, на фиг. 7b представлено начало хода сжатия обоих поршней, а на фиг. 7c представлен стационарный период или период остановки меньшего поршня.

Синхронизирующее устройство, представленное на фиг. с 7a по 7d, позволяет меньшему поршню 18 начать ход всасывания - перемещение из внутренней мертвой точки, когда больший поршень 16 начинает свой ход выпуска посредством перемещения из внешней мертвой точки (фиг. 7d). В этом случае скорость меньшего поршня 18 понижается по сравнению с большим поршнем 16, так что он достигает примерно лишь половины хода всасывания в тот момент, когда больший поршень 16 достигает внутренней мертвой точки в конце хода выпуска (фиг. 7a). Затем меньший поршень 18 продолжает ход всасывания, удаляясь от внутренней мертвой точки, при этом больший поршень 16' также перемещается от его внутренней мертвой точки в течение хода всасывание. После ходов всасывания как больший поршень 16, так и меньший поршень 18 могут примерно в одной время начать ход сжатия (фиг. 7b). Наконец, меньший поршень 18 остается стационарным в его внутренней мертвой точке, когда больший поршень выполняет рабочий ход (фиг. 7c). При таком устройстве первая часть хода всасывания меньшего поршня происходит в течение хода выпуска большего поршня, а вторая часть в течение хода всасывания большего поршня.

Важное преимущество такого устройства заключается в придании кулачковому валу длинной дуги для подъема, которая может доходить до 180 градусов. Этим обеспечивается возможность использования относительно больших подъемов кулачков без чрезмерных механических напряжений. Основная выгода повышения продолжительности хода всасывания меньшего поршня 18 заключается в обеспечении дополнительного времени для испарения топлива в первом объеме меньшего цилиндра.

Форсунка 34 может начать подачу топлива в начале хода всасывания меньшего поршня 18 (фиг. 7d), при этом подача может продолжаться в течение всего его хода всасывания и даже в течение его хода сжатия. Предпочтительно, чтобы впрыск топлива происходил по возможности раньше - в начале хода всасывания меньшего поршня, чтобы увеличить до максимума период времени, допускаемый для испарения жидкого топлива внутри меньшего цилиндра 14. В течение ранней части хода всасывания меньшего поршня выхлопные газы в большем цилиндре 12 поступают в первый объем 15a через зазор 128 вокруг головки меньшего поршня. Горячие газы способствуют испарению топлива, впрыскиваемого форсункой 34.

Меньший цилиндр 14 не обеспечен впускным или выпускным клапанами и в течение последней части хода всасывания меньшего поршня 18 свежий воздух в большем цилиндре течет через зазор 128, чтобы перемешиваться с содержимым меньшего цилиндра. Нижняя канавка 391 (фиг. 14), выполнение которой необязательно, может быть использована для увеличения количества воздуха, перемещаемого в меньший цилиндр посредством увеличения периферийного зазора вокруг головки 35 меньшего поршня, когда поршень достигает конца хода всасывания в его внешней мертвой точке. В одном из возможных устройств, пригодных для варианта с непосредственным втеканием или с промежуточным втеканием, головка меньшего поршня 35 может выходить из расточки меньшего цилиндра 14 в конце хода всасывания для содействия дополнительному всасыванию воздуха из большего цилиндра в меньший цилиндр.

Размер зазора 128 может быть выбран сознательно, с тем чтобы ограничить давление в меньшем цилиндре до величины, которая ниже давления в большом цилиндре в течение хода всасывания меньшего поршня. Зазор может быть выбран так, чтобы он соответствовал скоростному диапазону двигателя, используемому топливу, соотношению E рабочих объемов и другим параметрам. В том случае, когда используется верхняя канавка 39, зазор может быть весьма малым, приближаясь почти к зазору скользящего контакта, с тем чтобы предотвратить втекание до тех пор, пока край поршня 18 не достигнет канавки 39. Канавка 39 может и не выполняться, однако в этом случае зазор 128 должен быть выполнен достаточно большим, с тем чтобы обеспечить течение топлива через зазор в пространство сгорания 20 при втекании.

Когда размер первого объема 15a цилиндра 14 увеличивается в течение хода всасывания, перемещение газов в первый объем цилиндра 14 из цилиндра 12 осуществляется за счет увеличения давления в цилиндре 14 благодаря испарению топлива.

Как только первый объем цилиндра 14 начинает уменьшаться в течение хода сжатия (фиг. 7b), разделение сохраняется вплоть до конца хода сжатия меньшего поршня 18.

Когда разделение, наконец, заканчивается, смесь газов внутри первого объема 15a меньшего цилиндра 14 принудительно подается в пространство сгорания 20 в процессе втекания. Смесь содержит испаренное топливо, некоторое количество воздуха и некоторое количество выхлопных газов, а возможно и некоторое количество топлива все еще в жидком виде, но с недостаточным количеством кислорода, чтобы содействовать сжиганию посредством воспламенения от сжатия.

В течение этого процесса втекания нижняя сторона головки меньшего поршня быстро перемещается к концевой поверхности меньшего цилиндра 14. Это более четко показано на фиг. 9 и 10. На фиг. 9 представлен меньший поршень в его предпочтительной форме вблизи от конца хода сжатия как раз непосредственно перед началом втекания. В этот момент разделение все еще преобладает и, как показано, воздух перемещается из пространства сгорания 20 в первый объем 15a через зазор 128.

На фиг. 10 край 37 головки 35 поршня имеет непокрытую канавку 39 и посредством резкого удаления объема сжатия из меньшего цилиндра 14 и одновременного увеличения зазора 128 содержимое первого объема втекает в пространство сгорания 20, как показано стрелками. Профиль кулачка 500 может быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечить возможность достижения меньшим поршнем 18 своего седла 515 с некоторой скоростью. При этом газы втекают с ощутимым усилием. Втекающая смесь топлива и воздуха может быть направлена в пространство сгорания определенным образом посредством формы канавки, причем очевидно, что возможны некоторые изменения этой формы. Один из вариантов показан на фиг. 22, где как профилю канавки, так и профилю головки 35 меньшего поршня придана такая форма, чтобы обеспечить расходящийся канал для втекания смеси топлива и воздуха, как показано стрелками на фиг. 22.

Топливо, поступающее в пространство сгорания, смешивается с дополнительным кислородом и воспламеняется либо посредством воспламенения от сжатия, либо посредством искрового зажигания с использованием свечи зажигания 52. Однако все топливо не будет полностью сожжено до тех пор, пока не завершается процесс втекания и меньший поршень не сядет на седло 515, как показано на фиг. 22.

Какие-либо утечки газа через уплотнение 510 штока в течение хода сжатия или периода втекания могут быть собраны в небольшом коллекторе 5100 (фиг.9 и 10), из которого они могут быть поданы по каналу 5101 к патрубку 25 для впуска воздуха большего цилиндра 12.

В течение рабочего хода большего поршня 16 меньший поршень находится в остановленном состоянии и, таким образом, защищает уплотнение 510 штока и форсунку 34 от высокого давления и высоких температур. В течение периода сгорания головка 35 меньшего поршня нагревается и, таким образом, способствует испарению топлива при последующем цикле двигателя.

Остановка меньшего поршня в течение большей части периода сгорания и в течение рабочего хода. Это способствует улучшению процесса сгорания.

Фаза выпуска (фиг. 7d) большего поршня 16 совпадает с началом хода всасывания меньшего поршня 18, причем впрыскивание топлива в первый объем может быть начато в течение этого хода.

Начало и конец перемещений меньшего поршня 18 между внутренней и внешней мертвыми точками может, либо не может точно совпадать по времени с началом и окончанием перемещений большего поршня 16 между его внутренней и внешней мертвыми точками. Желательно установить по времени момент втекания, когда меньший поршень 18 приближается к его внутренней мертвой точке или как раз начинает открывать канавку 39, если это можно обеспечить, с тем чтобы способствовать установке момента зажигания в оптимальном положении кривошипа, когда больший поршень 16 приближается к внутренней мертвой точке. Воспламенение может быть начато в результате искры, создаваемой свечей 52, либо воспламенением от сжатия, если сочетание используемого топлива и степени сжатия двигателя выбираются таким образом, чтобы обеспечить воспламенение от сжатия.

Ход меньшего поршня 18 меньше хода большего поршня 16, а предпочтительно значительно меньше.

Во втором приемлемом синхронизирующем устройстве используется кулачок 506 согласно фиг. 25. Ходы всасывания малого и большого поршней начинаются приблизительно при одном угловом положении кривошипа, при этом ходы сжатия обоих поршней заканчиваются также при одном и том же угловом положении кривошипа. После этого больший поршень 14 продолжает работу выполнением рабочего хода, сопровождаемого ходом выпуска, в то время как меньший поршень 18 остается стационарным в течение обоих ходов, находясь в положении внутренней мертвой точки, достигнутом в конце хода сжатия. Возможны и иные устройства синхронизации перемещения поршней.

Нет необходимости в точной синхронизации перемещений двух поршней (показанных на фиг. 7). Предпочтительно, чтобы меньший поршень оставался на своей посадочной поверхности в течение большей части рабочего хода большего поршня 16. После этого он может начать свой ход всасывания либо почти в конце рабочего хода большего поршня 16, либо в начале или в течение хода выпуска большего поршня. Как вариант, он может начать свой ход всасывания в любой момент в течение хода выпуска большего поршня 16. Если меньший поршень начинает свой ход всасывания в течение выпускного хода большего поршня, он будет всасывать некоторое количество горячих газообразных продуктов сгорания в первый объем меньшего цилиндра 14. Когда топливо впрыскивается в него в течение хода всасывания, горячие газы будут содействовать испарению топлива.

В устройстве Мерритта с непрямым втеканием, показанном на фиг. 11, 14 и 21, пространство сгорания 20 частично отделено от большего цилиндра 12 посредством ограничителя или пластины 216, которая имеет отверстие 2161. Отверстие обеспечивает возможность движения газов между пространством сгорания 20 и большим цилиндром 12 и выполняет определенное количество функций. Оно содействует вихревому движению воздуха, перемещающегося из большего цилиндра 12 в пространство сгорания 20 в течение хода сжатия большего поршня 16. Оно также способствует потоку горячих газов, выходящему из пространства сгорания в течение ранних стадий сгорания, который имеет форму высокоскоростной струи. Эта струя может быть направлена к клапанным полостям в цилиндре 12, содержащим неиспользуемый или паразитический воздух, который может быть задействован в процессе сгорания. Размер отверстия 2161 может меняться соответственно выбранной конструкции в зависимости от топлива и степени сжатия. Схема смешения для непрямого втекания может быть применена в двигателях Мерритта, использующих бензин или дизельное топливо, либо какое-то иное топливо, воспламеняемое сжатием или воспламенение которого от сжатия инициируется искрой. Очевидным преимуществом двигателя Мерритта с непрямым втеканием является занижение требования к пространству для отверстия 2161 на огневой пластине двигателя. Этим обеспечивается меньшее влияние клапанного пространства, что можно видеть на фиг. 11 и 13a. Объем пространства сгорания может быть ограничен между пластиной 216 и головкой 35 меньшего поршня, либо он может частично продолен в больший цилиндр, например, в углубление 117 в большем поршне 16, как показано на фиг. 11.

В двигателе Мерритта с промежуточным втеканием, выполненном согласно фиг. 12, площадь пространства сгорания 20, которая выходит к цилиндру 12, временно блокируется сплошной границей 116. Эта граница содержит отверстие или отверстия 1161, которые выполняют функцию, подобную функции отверстия 2161 на фиг. 11. Отверстие может направлять воздух из цилиндра 12 в пространство сгорания 20 с тангенциальным и/или осевым компонентом скорости. Это способствует вращательному движению газа в воздухе, подаваемом к пространству сгорания 20 в течение последней части хода сжатия.

Сплошная граница может быть выполнена в форме пробки 116, образованной в виде выступа на поршне 16. Пробка 116 может с определенным зазором отстоять от стенки меньшего цилиндра 14, содержащего пространство сгорания 20, с тем чтобы избежать контакта в течение перемещения поршня. Эффективная высота H пробки 116 над головкой большего поршня 16 может быть относительно мала, например, находиться в диапазоне 10-20% хода большего поршня 16. Это делается ввиду того, что большая часть (например, от 50 до 70%) массы воздуха в цилиндре 12 перемещается за пробку в пространство сгорания 20 в течение по меньшей мере 10-20% перемещения большего поршня к концу хода сжатия. Кроме того, этот воздух имеет повышенную плотность, поскольку он находится в весьма сжатом состоянии.

Как можно видеть на фиг. 12, пробка 116 и поршень 18 имеют частично сферические поверхности, которые способствуют образованию вихревого движения воздуха в камере сгорания 20.

На фиг. с 13a по 13d представлены виды в плане четырех возможных форм огневой пластины двигателя. Огневая пластина содержит седла 24 и 26 клапанных головок, причем на фигурах показаны возможные формы отверстия между большим цилиндром 12 и меньшим цилиндром 14. Устройство, выполненное согласно фиг. 13d и 13c, обеспечивает четыре клапана на цилиндр. В двигателе с непосредственным втеканием два впускных клапана 24 и два выпускных клапана 26 окружают полностью открытый, расположенный по центру меньший цилиндр 14. Поперечное сечение меньшего цилиндра может иметь круглую форму, либо он может иметь иную приемлемую форму, например показанную на фиг. 13c, чтобы наилучшим образом использовать площадь, доступную на огневой пластине. Принудительное направление штока 234 меньшего поршня 18 гарантирует, что головка 35 может иметь любую форму поперечного сечения без опасности касания стенки 14a меньшего цилиндра. Четырехклапанное устройство симметрично и обеспечивает хороший поток газа. На фиг. 13a представлен пример двухклапанного устройства в двигателе с непрямым втеканием. В данном случае пространство сгорания сообщается с большим цилиндром 12 через отверстие 2161 (см. также фиг 11).

На фиг. 13b показаны клапанные полости 424 впускного клапана 24 и выпускного клапана 26, а также торцевой вид пространства сгорания 20 в двигателе с непрямым втеканием. Неглубокие каналы 360 вырезаны в головке цилиндра или, как вариант, могут быть вырезаны в головке большего поршня, с тем чтобы направлять газ в отверстие 2161 и из этого отверстия. Стрелка 369 показывает направление вращения воздуха, поступающего в камеру сгорания в течение последней части хода сжатия, в то время как стрелками 367 и 368 показано направление вращения сжигаемых газов, когда они выходят из каналов 360 в полости клапанов. При этом кислород, захваченный в паразитических объемах полостей клапанов, может быть вовлечен в процесс сгорания способом, подобным работе дизельного двигателя с непрямым впрыском посредством использования устройства Ricardo Comet.

Процесс разделения в двигателе Мерритта.

В двигателе согласно настоящему изобретению разделение представляет собой процесс удерживания смеси топлива и воздуха в первом объеме 15a меньшего цилиндра 14 отдельно от воздуха, допускаемого в больший цилиндр 12. Процесс основан на давлении, преобладающем в первом объеме, которое ниже или равно давлению во втором объеме 15b в течение хода всасывания и в течение большей части хода сжатия меньшего поршня 18. Это разделение достигается посредством использования одного или более из нескольких отличительных признаков:
1) зазора 128 между стенками меньшего цилиндра и головкой меньшего поршня, когда он достаточно велик для того, чтобы обеспечить течение газа через него при выбранных условиях;
2) зазора 128 между стенками меньшего цилиндра и головкой меньшего поршня, когда он весьма мал для обеспечения потока газа через него;
3) верхний канавки 39, объем которой обеспечивает объем сжатия меньшего цилиндра;
4) связи отношений объемов сжатия к втеканию;
5) взаимосвязи углового смещения кривошипа для меньшего поршня 18 по отношению к большему поршню 12, в частности, в течение кода сжатия. Этим определяется степень уменьшения объема в меньшем цилиндре 14 и в большем цилиндре 12 в течение большей части ходов сжатия двух поршней.

При использовании вышеуказанных отличительных признаков, по отдельности или при выбранном сочетании, обеспечивается задержка втекания до конца хода сжатия меньшего поршня 18. Например, использование отличительного признака 2 также потребует использование отличительного признака 3. Однако, использование отличительного признака 1 может потребовать, чтобы меньший поршень больше отставал от большего поршня (фиг. 5).

Использование отличительных признаков 2 и 3 представлено, например, на фиг. 9, на которой показано перемещение газа по головке 35 меньшего поршня 18 через зазор 128. В течение хода всасывания меньшего поршня, поскольку первый объем 15a цилиндра 14 увеличивается, топливо подается в первый объем, например, посредством форсунки 34. Когда топливо испаряется, оно создает дополнительное парциальное давление в первом объеме, и если давление остается ниже давления в большем цилиндре 12 в течение выпускного хода большего поршня, некоторое количество газов в большем цилиндре перемещается через зазор 128 для перемешивания с топливом. Ограничение, налагаемое размером зазора, может способствовать падению давления, которое сохраняет давление в первом объеме 15a меньшим давления в большем цилиндре, причем этот эффект может усиливаться с повышением скорости двигателя.

Для гарантии полного разделения в течение хода всасывания меньшего поршня количество топлива, подаваемое к первому объему 15a в меньшем цилиндре 14, должно соответствовать рабочему объему меньшего цилиндра для обеспечения того, чтобы полное давление в первом объеме было ниже давления в большем цилиндре в течение его хода всасывания. В случае более летучих топлив, например, бензина, может потребоваться больший рабочий объем меньшего цилиндра 14 по сравнению со случаем использования менее летучих топлив, которые могут неполностью испаряться в меньшем цилиндре перед началом процесса втекания. Все же менее летучие топлива могут быть использованы в двигателе Мерритта, поскольку процесс втекания может создать сильный выброс газа, как показано на фиг. 10, и этот газ может нести с собой некоторое количество неиспаренного топлива в форме мелких жидких капель, которые могут быть быстро сожжены в пространстве сгорания. Например, в чистом виде двигателя Мерритта может использоваться дизельное топливо, впрыскиваемое форсункой 34, работающей на низком давлении, в первый объем меньшего цилиндра 14, причем двигатель работает даже без полного испарения всего количества топлива, особенно при полной нагрузке. В этом случае лишь часть топлива испаряется в течение ходов всасывания и сжатия меньшего поршня, а остальное жидкое топливо распыляется при его выбросе совместно с горячими газами в течение процесса втекания.

Объем, заключенный внутри канавки 39, обеспечивает объем сжатия для меньшего цилиндра 14 до тех пор, пока головка 35 поршня не достигнет канавки к концу хода сжатия. Объем сжатия, например, в верхней канавке 39 меньшего цилиндра, может быть выбран с гарантией того, что соотношение объемов (а следовательно и соотношение давлений) при каждой последовательной стадии перемещения поршня 18 в течение его хода сжатия будет меньше для меньшего цилиндра 14, чем соответствующее объемное отношение в большем цилиндре 12 за тот же самый временной интервал перемещения. При этом повышение давления в первом объеме меньшего цилиндра 14 меньше повышения давления в большем цилиндре 12, даже если оба цилиндра начинают стадию сжатия при одинаковых давлениях. В этом случае разделение сохраняется в течение ходов сжатия обоих поршней до тех пор, пока меньший поршень не достигнет канавки 39. Затем резная потеря этого объема сжатия, которая происходит в тот момент, когда зазор 128 резко увеличивается, заставляет начать процесс втекания.

Отличительный признак 5 может быть разъяснен со ссылкой на фиг. 8a и 8b. Положения двух поршней 16, 18, когда они перемещаются при соответствующих ходах сжатия из внешней мертвой точки во внутреннюю мертвую точку, определяются на графике углами кривошипа двигателя, составляющими от 180^o до 360^o. Положение каждого поршня выражается в виде процентов длины его хода. Кривая 6000 демонстрирует типичное, почти синусоидальное перемещение кривошипного механизма для большего поршня, а кривые 6001 и 6002 представляют собой два примера, показывающих движение, сообщаемое меньшему поршню кулачковым профилем, с кулачковым валом, устанавливаемым по двум фазовым углам относительно коленчатого вала. Точки 6003 и 6004 представляют собой процесс втекания (его начало), когда кромка 37 головки меньшего поршня начинает открывать верхнюю канавку 39.

Может быть обеспечена кривая 6001, (6002), отстающая от кривой 6000, чтобы при большинстве угловых положений кривошипа до втекания в точке 6003 (6004) больший поршень 16 перемещался вперед в большей степени, чем меньшей поршень 18, и при этом создавалось бы большее повышение давления в большем цилиндре 12, чем повышение давления, имеющее место в первом объеме 15a меньшего цилиндра 14. Очевидно, что перемещения, представленные на фиг. 8a и 8b, показывают, что в течение хода сжатия больший поршень уменьшает объем в большем цилиндре пропорционально быстрее, чем соответствующее уменьшение первого объема меньшего цилиндра. Точка 6003 (6004) представляет собой точку всасывания вдоль остальной длины хода меньшего поршня. Относительное отставание меньшего поршня 18 от большего поршня 16 может быть достигнуто посредством профиля кулачка 500 (фиг. 5) и/или посредством перемещения углового положения кулачка, который приводит в действие меньший поршень, относительно коленчатого вала, который приводит в действие больший поршень.

Процесс втекания в двигателе Мерритта
Процесс втекания следует за процессом разделения и представляет собой перенос содержимого первого объема 15a меньшего цилиндра 14 в камеру сгорания 20 по краю 37 головки 35 меньшего поршня 18. Это происходит ближе к концу хода сжатия меньшего поршня 18 и разъясняется с помощью фиг. 10. В это время содержимое первого объема 15a меньшего цилиндра 14 включает в себя топливо, которое может быть испарено полностью или частично и, кроме того, некоторое количество воздуха, а возможно и какие-либо газообразные продукты сгорания. Эта смесь весьма богата топливом, но в ней не хватает кислорода, поэтому она не будет быстро сгорать даже в конце хода сжатия. Когда же она переносится в пространство сгорания 20, где содержится большая часть впущенного воздуха, после получения кислорода и зажигания может начаться быстрое сжигание топлива.

Когда кромка 37 головки 35 меньшего поршня 18 достигает края канавки 39, процесс разделения нарушается. После этого газы, содержащиеся в первом объеме 15a меньшего цилиндра, вытесняется в пространство сгорания 20 посредством дополнительного движения поршня 18. Богатый топливом газ отклоняется канавкой в радиальном нижнем направлении и перемешивается с воздухом, который вращается внутри пространства сгорания вокруг цилиндрической стенки. Когда поршень 18, наконец, наталкивается на седло 515, топливо выбрасывается в пространство сгорания 20, включая и какое-либо жидкое топливо, которое не испарилось в течение периода разделения.

Толщина T (фиг. 10) кромки головки 35 меньшего поршня влияет на положение поршня 18, при котором начинается втекание. Чем больше толщина T, тем позднее начинается втекание.

Выбор момента начала втекания может изменяться соответственно конструкции двигателя, особенно соответственно используемому способу зажигания. Если используется воспламенение от сжатия, то момент втекания определяет начало сгорания, однако, процесс сгорания не будет закончен до тех пор, пока меньший поршень не достигнет своего седла и не подаст все топливо в пространство сгорания, где имеется кислород. Если используется воспламенение от сжатия, инициируемое искрой, втекание может быть начало раньше - перед тем, как происходит искровое зажигание. В данном случае точность этого момента менее критична, поскольку теперь управление началом сгорания осуществляется искрой, которая должна быть создана после начала втекания.

Время начала втекания предшествует моменту зажигания, поскольку топливо должно быть перемешано с кислородом в пространстве сгорания с тем, чтобы обеспечить поддерживаемый процесс сгорания. Поскольку процесс втекания занимает определенное время, необходимо синхронизировать время процесса втекания с желаемым временем процесса сгорания применительно к положению большего поршня. Одно из предпочтительных решений заключается в содействии позднему втеканию короткой продолжительности.

Фиг. 8a и 8b, описанные ранее со ссылкой на процесс разделения, показывают, как может осуществляться управление синхронизацией и продолжительностью процесса втекания. Кривые 6001 и 6002 характеризуют два возможных перемещения меньшего поршня 18, используя один кулачковый профиль, и получается посредством изменения фазового угла между кулачковым валом (который приводит в движение меньший поршень) и коленчатым валом (который приводит в движение больший поршень). Точки 6003 и 6004 характеризуют начало процесса втекания, который физически может быть определен подходом меньшего поршня к началу верхней канавки, как показало на фиг. 10. Обе эти точки показаны лежащими на общей линии на расстоянии X от конца хода, при этом расстояние X характеризует положение начала канавки 39.

На фиг. 8a двойная стрелка 6005 демонстрирует влияние на начало процесса втекания изменения фазы между кулачковым валом и коленчатым валом. В результате втекание начинается при углах кривошипа 01 и 02 соответственно для кривых 6001 и 6002. Увеличение угла отставания между кривой 6000 и кривой 6001 образует кривую 6002. Кривая 6002 показывает, что при каждом положении кривошипа меньший поршень отстает на дополнительное расстояние от положения большего поршня по сравнению с кривой 6002. Эта величина отставания поршня представляет собой один из способов, посредством которого может контролироваться начало разделения, поскольку она управляет последовательным соотношением объемов для двух поршней 16, 18 в течение хода сжатия. Можно видеть, что отставание также влияет на положение меньшего поршня 18, при котором происходит начало втекания (показано в точке θ 1 или в точке θ 2). Это отставания также приводит к задержке конца процесса втекания.

На фиг. 8b в увеличенном масштабе показана часть фиг. 8a, с тем, чтобы проиллюстрировать управление на протяжении процесса втекания. Период втекания на кривой 6002 представлен угловым перемещением коленчатого вала от θ 2 до θ C2. Увеличение отставания меньшего поршня 18 от положения 6001 для положения 6002 приводит в задержке как начала (от θ 1 до θ 2), так и конца (от 1DC до θ C2) процесса втекания. Окончание в θ C2 показано на диаграмме перемещенным к началу рабочего хода большего поршня 16 и это может оказаться нежелательным последствием задержки начала процесса втекания. Для устранения этого недостатка профиль кулачка 500 может обеспечивать возможность резкого отсоединения от меньшего поршня 18 после достижения точки начала втекания в θ 2. Возможный профиль кулачка для такого устройства показан на фиг. 21. В случае использования этого кулачкового профиля пунктирные кривые от 6004 до θ C2a или от 6004 до θ C2b показывают положение меньшего поршня 18 в течение процесса втекания. Перед достижением точки 6004 движение меньшего поршня контролируется кулачковым профилем. После точки 6004, т.е. начала процесса втекания, меньший поршень 18 свободно ускоряется до наивысшей скорости, полученной в результате действия пружины 501 и силы газов, оказывающих воздействие на меньший поршень в таком положении. Это свободное движение зависит от времени, поэтому конец процесса втекания происходит при большем угле поворота кривошипа и более высоких скоростях двигателя (в точке θ C2b) по сравнению с меньшей скоростью двигателя (в точке θ C2a). Это не является недостатком, если процесс втекания в целом может происходить быстро, например, за 11 градусов угла поворота кривошипа с более высокой скоростью. Например, при скорости холостого хода порядка 600 об/мин процесс втекания может продолжаться в течение 2 градусов угла поворота кривошипа (от 10 градусов поворота кривошипа большего поршня 16 до внутренней мертвой точки и к 1 градусу поворота кривошипа после внутренней мертвой точки для большего поршня).

Перед началом свободного ускорения меньшего поршня 18 в точке 6004 меньший поршень будет перемещаться быстрее при скорости двигателя 6000 об/мин, чем при скорости 600 об/мин, а это способствует короткому процессу втекания при повышенной скорости двигателя.

В конце процесса втекания меньший поршень приходит в состояние покоя, когда головка поршня 18 приводит в соприкосновение со своим седлом 515. Удар смягчается газом, который быстро вытесняется из первого объема 15a меньшего цилиндра 14. Получающаяся высокая скорость втекающих газов (стрелка 5111 на фиг. 10) способствует перемешиванию топлива и воздуха в пространстве сгорания 20.

Описанное выше устройство способствует позднему втеканию весьма малой продолжительности. Этот процесс может оказаться весьма приемлемым для использования воспламенения, инициируемого искрой, в случае работы в чистом режиме Мерритта, когда все топливо вводится в меньший цилиндр 14. При таком устройстве зажигание может произойти, как только начинается втекание и период сгорания может быть коротким при всех скоростях двигателя, что способствует весьма высокой термической эффективности.

В альтернативном варианте устройства обеспечивается содействие процессу втекания при заданной продолжительности угла кривошипа под влиянием профиля кулачка, причем в течение всего времени. Это иллюстрируется протяженностью кривой 6001 к концу втекания во внутренней мертвой точке (положение коленчатого вала при 360^o). В этом случае может возникнуть необходимость в задержке момента зажигания до начала процесса втекания в точке θ 1, причем это может быть выполнено с помощью искры, создаваемой в определенное время, если сознательно не применяется воспламенение от сжатия. После того как происходит зажигание, богатая топливом смесь, которая все еще втекает, может зажигаться и воспламенять топливо, которое втекло ранее. Это ранее поступившее топливо образует обедненную смесь топлива и воздуха после перемешивания его с воздухом в камере сгорания 20. Если эта бедная смесь топлива и воздуха уже в пространстве сгорания 20 не может быть воспламенена подобным образом (например, когда двигатель работает на холостом ходу и использует небольшое количество топлива), патрубок 25 для впуска воздуха в больший цилиндр может быть частично задросселирован. Этим уменьшается количество воздуха в камере сгорания 20 во время зажигания, и, таким образом, в момент зажигания происходит обогащение смеси топлива и воздуха внутри пространства сгорания 20. Такой возможный дроссельный клапан 83 показан на фиг. 23, однако, следует свести к минимуму использование для этой цели дроссельного клапана, поскольку он может понизить термическую эффективность двигателя. Как вариант или в дополнение к сказанному богатая смесь топлива и воздуха, выходящая из первого объема 15a меньшего цилиндра 14 в течение втекания, может наслаиваться в тем, чтобы она оставалась воспламеняемой в камере сгорания 20 посредством искры.

При использовании двигателя Мерритта в виде гибрида двигателя Мерритта и дизельного двигателя с использованием воспламенения от сжатия втекание смеси топлива и воздуха в точке θ 2, показанной на фиг. 8b, будет инициировать зажигание меньшего количества топлива, которое поступает в меньший цилиндр по способу Мерритта. Это способствует возгоранию основного заряда топлива, которое отдельно и в определенное время поступает в камеру сгорания для содействия оптимальному периоду сгорания по отношению к угловым положениям поворота кривошипа. В таком двигателе воспламенение от сжатия лишь небольшого количества зажигающего топлива может происходить перед процессом впрыска основного топлива без получения ощутимой негативной работы в конце хода сжатия.

Процесс воспламенения в двигателе Мерритта
Двигатель Мерритта представляет собой двигатель, который подает газообразное топливо в камеру сгорания. Поэтому помимо использования воспламенения от сжатия, либо воспламенения от сжатия, инициируемое искрой, с тем чтобы начать процесс сгорания, в двигателе Мерритта также могут использоваться устройства для непрерывного зажигания, такие, как воспламенитель или слой каталитического материала, например, платины, расположенной на стенке камеры сгорания 20. Устройства для непрерывного воспламенения не могут быть использованы, если двигатель Мерритта представляет собой гибрид с системой сгорания бензинового двигателя с электрозажиганием.

Для использования воспламенения от сжатия двигатель Мерритта подобно дизельному двигателю должен соответствовать надлежащему топливу со степенью сжатия, достаточно высокой для воспламенения топлива от сжатия. В случае применения дизельного топлива чистые двигатели Мерритта, сконструированные в виде двигателей с непосредственным втеканием, могут использоваться со степенями сжатия, например, от 14:1 до 16:1. Степень сжатия, необходимая для воспламенения предварительно испаренного дизельного топлива, в двигателе Мерритта, может быть ниже степени сжатия, используемой в дизельном двигателе, где жидкое топливо воспламеняется только после того, как некоторая часть топлива извлечет тепло из горячего воздуха в течение процесса испарения. Двигатели Мерритта, сконструированные в виде двигателей с непрямым втеканием, могут потребовать более высоких степеней сжатия, например, от 18: 1 до 20:1. Это вновь величины, возможно, меньшие тех, которые требуются для типичного дизельного двигателя с непрямым впрыском.

В двигателе Мерритта возможно использование воспламенения от сжатия, инициируемого искрой, поскольку перед воспламенением топливо предварительно испаряется в первом объеме 15a меньшего цилиндра 14. Если используется воспламенение от сжатия, инициируемое искрой, необходимо избежать преждевременного воспламенения от сжатия, происходящего без какого-либо постороннего содействия. Поэтому степень сжатия двигателя должна соответствовать используемому топливу с тем, чтобы избежать воспламенения от сжатия без постороннего содействия. Например, если используется высококачественный бензин, может быть приемлема степень сжатия порядка 10:1.

Процесс воспламенения от сжатия, инициируемого искрой, требует наличия горючей смеси у электродов искры зажигания 52. Поэтому важно расположить искру зажигания в соответствующем месте, где топливо и воздух могут быть соединены друг с другом вблизи электродов.

Одно такое приемлемое устройство показано на фиг. 14, где электроды свечи зажигания в полости 1152 стенки 14a меньшего цилиндра. Полость показана в положении несколько ниже канавки 39 и выходит в канавку 39, чтобы обеспечить достижение богатым разнообразным топливом электродов свечи зажигания. Воздух, совершающий вихревое движение вокруг стенки пространства сгорания 20, направляется к электродам свечи зажигания посредством нижней части 1153 полости. Получающаяся в результате смесь может позволить создать пламя, которое затем может продолжить перемещение вокруг канавки 39. При надлежащем выборе степени сжатия двигателя, как только произойдет воспламенение от искры некоторого количества топлива, последующее повышение давления и температуры может оказаться достаточным, чтобы инициировать процесс воспламенения от сжатия для дальнейшего выхода газообразного топлива из первого объема 15a меньшего цилиндра в пространство сгорания 20. Процесс воспламенения от сжатия, инициируемый искрой, отличается от нормального искрового зажигания, используемого в бензиновом двигателе с электрозажиганием, где стехиометрическая смесь воздуха и топлива воспламеняется искрой, которая создает фронт пламени, способный пересекать всю смесь. В двигателе Мерритта, подобном дизельному двигателю, перемешивание топлива и воздуха происходит в течение процесса сгорания и не может быть завершено до тех пор, пока все топливо не будет подано в пространство сгорания.

Пространство сгорания двигателя Мерритта в его чистом виде может быть задействовано при более высоких температурах, чем в камере сгорания типичного бензинового двигателя с электрозажиганием, поскольку топливо не поступает в пространство сгорания, пока не возникнет необходимость в его зажигании.

Способность факельного зажигания в гибридных двигателях Мерритта
Процесс разделения, используемый в двигателе Мерритта, выполненного согласно этому изобретению, может быть применен для создания источника зажигания, обладающего высокой энергией, который воспламеняет топливо, подаваемое к пространству сгорания 20 от источников подачи топлива, отличающихся от средства подачи топлива к первому объему 15a меньшего цилиндра.

Два примера подобного применения показаны на фиг. 15 и 16.

Устройство согласно фиг. 15 приемлемо для использования с гомогенными смесями топлива и воздуха, которые обычно воспламеняется посредством свечи зажигания.

На фиг. 15 второй источник подачи топлива через форсунку 82, подает топливо непосредственно к большему цилиндру 12. Меньший цилиндр 18 имеет меньшее отношение E рабочих объемов, которое как раз достаточно для испарения небольшого количества топлива, например, составляющего 10% стехиометричного количества топлива (топливное отношение F = 10%). Количество топлива, подаваемое за цикл двигателя посредством форсунки 34, может быть постоянным, либо может изменяться соответственно энергии, необходимой для процесса воспламенения. Как показано, это топливо подается форсункой 34, работающей на низком давлении, однако могут использоваться и другие дозирующие устройства с низким давлением. Например, для нагнетания постоянного количества топлива может использоваться одно за цикл перемещения меньшего поршня. Топливо может представлять собой то же топливо, которое подается форсункой 82, либо оно может быть более летучим топливом или газоообразным топливом.

Меньший цилиндр обеспечен свечей зажигания 52, чтобы воспламенять смесь топлива и воздуха, втекающую в пространство сгорания 20. Пространство сгорания 20 показано сообщающимся с большей клинообразной камерой сгорания 220, которая сконструирована таким образом, чтобы она согласовывалась с требованиями, предъявляемыми к большему цилиндру 12. Газообразная топливная смесь в первом объеме 15a меньшего цилиндра может быть легко воспламенена искрой, при этом она может быть образована стехиометрической.

Вторая форсунка 82, работающая на низком давлении, подает топливо во впускной патрубок 25, подводящий воздух к большему цилиндру 12. Для управления выходной мощностью такого двигателя может оказаться необходимым дроссельный клапан 83. Количество топлива, подаваемое посредством форсунки 82, может быть меньше количества, необходимого для образования стехиометрической смеси в большем цилиндре 12 в течение ходов всасывания и сжатия. Следовательно, больший цилиндра 12 действует в качестве двигателя, работающего на обедненном топливе, при этом свеча зажигания 52 может оказаться неспособной создавать без постороннего содействия энергию, достаточную для воспламенения бедной смеси в конце хода сжатия. Однако смесь топлива и воздуха втекающая из первого объема 15a меньшего цилиндра может легче воспламеняться свечой зажигания 52, а после этого воспламенения созданное при этом пламя может воспламенять обедненную смесь, подаваемую к камере сгорания 220 посредством большего поршня 16. В случае такого устройства двигатель может работать на холостом ходу, используя лишь то топливо, которое подается форсункой 34, при этом форсунка 82 выключена. При пониженных частичных нагрузках может потребоваться дроссель 83, чтобы регулировать концентрацию обедненной смеси для ее воспламенения факельным пламенем из меньшего цилиндра. Как вариант, к меньшему цилиндру может подаваться дополнительное количество топлива посредством форсунки 34, пока не может быть задействована форсунка 82, с тем чтобы создать бедную смесь, имеющую концентрацию достаточную для зажигания факельным пламенем.

Зажигающее топливо может представлять собой нефтепродукт или газообразное топливо, например водород, либо самоиспаряющееся жидкое топливо, такое как пропан или бутан.

Устройство, показанное на фиг. 15, также пригодно для использования с почти гомогенными смесями топлива и воздуха, подаваемыми к большему цилиндру 12. Меньший цилиндр 14 выполняется по возможности наименьшим с небольшой свечой зажигания, чтобы вместо воспламенения обычной свечой зажигания прямого действия создавать плазму для воспламенения смести воздуха и топлива в пространстве сгорания 20. Вместо обычной свечи зажигания в головку цилиндра обычного бензинового двигателя с электрозажиганием может быть даже ввернут узел, состоящий из свечи зажигания, поршня и меньшего цилиндра. В случае такого устройства меньший поршень 18 может приводиться в действие электрически.

Устройство, показанное на фиг. 15, имеет также наклонную ось для движения меньшего поршня. Такое механическое устройство может обеспечить преимущество в отношении компоновки приводных механизмов для впускного и выпускного клапанов 24 и 26 и меньшего поршня 18.

На фиг. 16 представлено другое устройство для двигателя Меритта, используемое при гибридном способе факельного зажигания. Показанное устройство пригодно для использования с топливами, которые обычно могут воспламеняться посредством воспламенения от сжатия, например такими, как дизельное топливо. Сферическая камера сгорания 220, образованная частично в головке цилиндра и частично в головке большого поршня 16, отвечает требованиям, предъявляемым к большему цилиндру 12, и показана в качестве примера одного из возможных разнообразных устройств камеры сгорания. Первый объем меньшего цилиндра запитывается топливом, подаваемым форсункой 34, которая может представлять собой форсунку, работающую при низком давлении. Это топливо используется для факельного воспламенения дополнительного топлива, подаваемого к пространству сгорания посредством второй форсунки 60, работающей на высоком давлении. Такое устройство представляет собой типичное дизельное гибридное устройство для двигателя Мерритта, где форсунка 60 представляет собой типичную дизельную форсунку высокого давления, в то время как форсунка 34 может быть форсункой, работающей при низком давлении, подающей небольшое количество дизельного топлива или иного, более летучего топлива, либо газообразного топлива к цилиндру. В таком устройстве изолированное топливо, подаваемое форсункой 34, показано, как воспламеняемое посредством воспламенения от сжатия без использования свечи зажигания. Однако представляется возможным создавать факельное зажигание в дизельных двигателях посредством летучего топлива, например бензина, который подается форсункой 34 и воспламеняется искрой, используя процесс воспламенения от сжатия, инициируемого искрой, описанный применительно к фиг. 15. Однако из преимуществ такого гибрида двигателя Мерритта и дизельного двигателя заключается в уменьшении или даже исключении периода задержки зажигания, типичного для дизельного двигателя, до того момента, когда может исчезнуть стук, хорошо известный в отношении шумящих дизелей. Другое преимущество заключается в том уменьшении дыма или характерного выхлопа дизельного двигателя, а также в ускорении процесса сгорания и в увеличении при этом удельной мощности дизельного двигателя.

Двигатель Мерритта в его чистом виде и в гибридных формах
1. Режим работы двигателя Мерритта в его чистом виде.

При работе в режиме чистого двигателя Мерритта, например, при диапазоне топливного отношения F примерно от 10% (для холостого хода) до 80% при максимуме средней эффективной тормозной мощности, подвод для входа воздуха в больший цилиндр 12 может быть незадросселирован и не содержать какого-либо топлива. Маловероятно, что при работе в режиме чистого двигателя Меррита будет происходить полное сжигание при топливном отношении F = 100%, поскольку некоторое количество воздуха, имеющееся в большем цилиндре, не может смешиваться с топливом в течение процесса сгорания. Кроме того, сжигание топлива при отношении F от 80% до 90% может, например, создать нежелаемые окислы азота в выхлопных газах, хотя в этих газах также имеется некоторое количество кислорода. Это приведет к неэффективности обычного трехходового каталитического конвертера, используемого для обработки выхлопных газов. В случае меньшего топливного отношения, например, порядка 80%, наличие примерно 20% избыточного воздуха может оказаться достаточным для понижения температуры газообразных продуктов сгорания, с тем чтобы избежать образования окислов азота.

В чистом режиме двигателя Мерритта отношение E рабочего объема меньшего цилиндра доводится до максимума, с тем чтобы справляться с наибольшим количеством топлива. В варианте конструкции с непосредственным втеканием, показанным на фиг. 5, диаметр головки меньшего поршня 18 ограничивается необходимостью создания достаточной площади на огневой пластине для впускного и выпускного клапанов 24 и 26, хотя головка 35 может и не иметь круглую форму, которая показана на фиг. 13c. Первый рабочий объем 15a в меньшем цилиндре также может быть увеличен путем увеличения хода меньшего поршня 18, который контролируется приводным механизмом. Простой и оказывающий непосредственное воздействие кулачок верхнего расположения, показанный на фиг. 5, может обеспечивать величины хода, например, порядка 20 мм. Обычный, приводимый в действие кулачком качающийся механизм (не показан) может увеличить длину хода, например, до 30 мм. Двойной кулачок - стержневое устройство, показанное на фиг. 26, может значительно увеличить подъем кулачка, например, на коэффициент порядка пяти, причем при компактной схеме. На фиг. 26 два кулачка 500, соединенные друг с другом, например, посредством зубчатой передачи, создают качение стержня 519, который удерживается в соприкосновении с кулачками посредством пружин 501. Конец стержня 519 прикреплен к штоку 234 меньшего поршня 18 пальцем 236, а боковое усилие воспринимается манжетой 235.

На фиг. 7 представлен продленный период хода всасывания, выполняемый меньшим поршнем 18, длина которого может доходить до 360 градусов угла поворота кривошипа или 180 градусов угла поворота кулачка. Такая большая протяженность кулачкового подъема обеспечивается профилем кулачка 500, к которому предъявляются меньшие требования в отношении напряжения между кулачком и его направляющими для заданной длины хода по сравнению с кулачковым профилем 506, показанным на фиг. 25.

Объемное отношение E меньшего цилиндра, как вариант, может быть увеличено путем увеличения диаметра расточенного отверстия при использовании варианта конструкции с непрямым втеканием, показанного на фиг. 11. В этом варианте конструкции значительно меньше взаимное влияние впускного и выпускного клапанов и отверстия 2161, которое может быть расположено вблизи от круговой кромки огневой пластины, смежной с расточкой большего цилиндра. Поэтому диаметр меньшего поршня может быть увеличен, а для заданного рабочего объема ход меньшего поршня может быть уменьшен.

В таблице 1 посредством примера кратко охарактеризован режим работы по Мерритту в его чистом виде применительно к четырехтактному двигателю. Величины E и топливных отношений F приведены только в иллюстративных целях.

Чистый режим Мерритта - в варианте конструкции с непрямым втеканием, который представлен на фиг. 21, типичен для использования в пассажирском транспортном средстве для высокой экономии топлива при городском движении.

отношение E рабочих объемов - 12% - 5%
топливо - бензин (летучий);
степень сжатия - 10 : 1, короткий процесс втекания;
воспламенение от сжатия, инициируемое искрой.

Для типичного двигателя с отношением рабочих объемов E = 12% могут быть применены следующие значения:
рабочий объем (больший цилиндр) - 500 см³,
рабочий объем (меньший цилиндр) - 60 см³,
требуемый объем камеры сгорания - 60 см³.

2. Гибридные формы двигателя Мерритта и дизеля
На фиг. 17 показан двигатель Мерритта в виде гибрида с дизельным двигателем, а на фиг. 18 представлена четырехтактная последовательность операций такого двигателя. В случае такого устройства используются две топливных форсунки. Форсунка 34 представляет собой работающее на низком давлении устройство, осуществляющее подачу топлива в режиме двигателя Мерритта, а форсунка 69 является форсункой высокого давления, предназначенной для работы в режиме дизеля. Форсунка 34 подает топливо к первому объему 15a меньшего цилиндра в течение хода всасывания, выполняемого меньшим поршнем. Он начинается в течение выпускного хода, выполняемого большим поршнем. При работе в режиме Мерритта осуществляется подача лишь небольшого количества топлива, например, при топливном отношении F = 10%, причем его количество может оставаться постоянным или изменяться с нагрузкой или скоростью двигателя в зависимости от характеристик сгорания, присущих конкретной конструкции камеры сгорания. Вторая форсунка 60 (типичная дизельная топливная форсунка) располагается таким образом, чтобы подавать остальное количество топлива низкооктановое или высокоцетановое топливо, такое как дизельное, для его равномерного распределения внутри камеры сгорания 20. На фиг. 22 представлены надлежащие положения двух форсунок 34 и 60.

Двигатель, показанный на фиг. 17, представляет собой двигатель с воспламенением от сжатия.

Последовательность операции в этом двигателе, осуществляемая по четырехтактному циклу, описана с помощью фиг. 18a - 18d.

На фиг. 18d представлен ход выпуска, выполняемый большим поршнем 16, и начало хода всасывания, выполняемого меньшим поршнем 18. Меньшее количество дизельного топлива впрыскивается в первый объем 15a в меньшем цилиндре 14 посредством работающей на низком давлении форсунки 34. Небольшое количество выхлопных газов также поступает в меньший цилиндр через зазор 128 в течение ранней части всасывания.

В течение хода всасывания, выполняемого большим поршнем, (фиг. 18a), меньший поршень продолжает свой ход всасывания. Вблизи от конца ходов сжатия обоих поршней (фиг. 18b) испаренное топливо в меньшем цилиндре втекает в пространство сгорания 20, где оно воспламеняется посредством контакта с горячим воздухом в процессе, известном как воспламенение от сжатия. В этот момент вторая форсунка 60, которая представляет собой типичную дизельную форсунку, подает топливо так, как показано на фиг. 18b. Под действием факельного пламени или повышения температуры, создаваемого сгоранием топлива в режиме работы по Мерритту, топливо воспламеняется весьма быстро. В течение рабочего хода, показанного на фиг. 18c, меньший поршень 18 остается во внутренней мертвой точке и не нарушает процесс сгорания внутри пространства сгорания 20.

Гибридная форма двигателя Мерритта и дизельного двигателя представляет собой воспламеняющее устройство, в котором второй цилиндр используется для создания быстродействующего источника для воспламенения основного подаваемого дизельного топлива, что ранее описано применительно к фиг. 16.

Вторая схема гибрида двигателя Мерритта и дизельного двигателя представлена на фиг. 19, а последовательность его работы в качестве четырехтактного двигателя показана на фиг. 20. В этом случае одна топливная форсунка 6034, которая представляет собой форсунку высокого давления, выполняет двойное назначение - подает небольшое количество топлива, например, F = 10%, в течение хода всасывания, выполняемого меньшим поршнем 18 (фиг. 20d), и оставляет большее количество дизельного топлива вблизи от внутренней мертвой точки большего поршня 16 в течение втекания, как показано на фиг. 20b. Расположение этой форсунки 6034 таково, что она может подавать первое количество топлива в первый объем 15a в меньшем цилиндре 14 в течение хода всасывания, выполняемого меньшим поршнем, в то время как второе количество топлива позднее примерно на 500 градусов угла поворота кривошипа подается непосредственно в пространство сгорания 20 вблизи от конца хода сжатия большего поршня 16. Две подачи топлива за цикл, причем управление подачей может осуществляться автоматически. Такая система подачи дизельного топлива с электронным управлением введена недавно для использования с дизельным двигателем. Надлежащее положение форсунки 6034 дополнительно представлено на фиг. 22. Общее количество топлива может быть подано за две или более пульсаций, либо по существу непрерывно с постоянной или переменной скоростью потока.

На фиг. 20c представлен рабочий ход большего поршня 16, когда меньший поршень 18 остается во внутренней мертвой точке.

В случае устройства в виде гибрида двигателя Мерритта и дизельного двигателя, выполненного согласно фиг. 18 и 20, как очевидно, происходит одновременная работа двух систем сгорания.

В таблицах 2 и 3 посредством примера кратко охарактеризованы режимы работы гибрида двигателя Мерритта и дизельного двигателя. Приведенные в таблице топливные отношения F выбраны только в иллюстративных целях.

В случае устройства в виде гибрида двигателя Мерритта и дизельного двигателя в варианте конструкции с непосредственным втеканием используется одна двухимпульсная топливная форсунка высокого давления, которая показана на фиг. 19 и 20 и представляет собой типичную форсунку, использующуюся в пассажирском транспортном средстве:
отношение E рабочих объемов - 5%;
топливо - дизельное топливо;
степень сжатия - 16 : 1,
воспламенение от сжатия без постороннего воздействия
Для отношения рабочих объемов E = 5% применены следующие значения:
рабочий объем (больший цилиндр) = 500 см³;
рабочий объем (меньший цилиндр) = 25 см³;
дополнительный объем камеры сгорания (внутри меньшего цилиндра) = 8 см³ .

Гибрид двигателя Мерритта и дизельного двигателя с двойной подачей топлива - форсункой 60 высокого давления для дизельного режима и форсункой 34 низкого давления для режима Мерритта, как показано на фиг. 17, типичен для использования в транспортном средстве, предназначенном для перевозки тяжелых грузов:
отношение E рабочих объемов - 3%;
топливо - дизельное топливо для большего цилиндра;
топливо - бензин (или газ пропан) для меньшего цилиндра;
степень сжатия - 14:1;
воспламенение от сжатия, инициируемое искрой (на фиг. 17 не показано).

Для отношения рабочих объемов E=3% применены следующие значения:
рабочий объем (больший цилиндр) = 2000 см²;
рабочий объем (меньший цилиндр) = 60 см³;
дополнительный объем камеры сгорания (в головке большего поршня - не показана) = 94 см³.

Очевидно, что двигатель Мерритта в его чистом виде, когда в нем используется дизельное топливо, не представляет собой дизельный двигатель. В таком двигателе Мерритта (показанном на фиг. 11 в виде варианта с непрямым втеканием, а на фиг. 12 - в виде варианта с промежуточным втеканием) используется лишь один подвод топлива, который сообщается с первым объемом 15a в меньшем цилиндре и который подает топливо под низким давлением в течение хода всасывания, выполненного меньшим поршнем 18. Двигатель Мерритта в его чистом виде может работать на дизельном топливе как двигатель с воспламенением от сжатия и, тем не менее, не является гибридным дизельным двигателем, когда он работает в чистом режиме двигателя Мерритта. Например, двигатель Мерритта с непрямым втеканием, меньший цилиндр которого показан на фиг. 14, может использовать дизельное топливо, возможно, в сочетании с зажиганием, которому содействует искра, либо с воспламенением от сжатия, инициируемым искрой. Однако, поскольку все топливо подается к этому двигателю посредством форсунки 34 в течение хода всасывания, выполняемого меньшим поршнем, двигатель остается чистым двигателем Мерритта и не представляет собой гибридную форму дизеля.

3. Устройства в виде гибрида двигателя Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием.

Эти устройства позволяют двигателю Мерритта в его чистом виде работать последовательно с бензиновым двигателем с электрозажиганием или с бензиновым двигателем с зажиганием от искры в одной и той же конструкции двигателя. Такое устройство показано на фиг. 23.

На фиг. 23 показаны дополнительная форсунка 82 низкого давления и дроссельный клапан 83, расположенные во впускном патрубке большего цилиндра 12 в типичной схеме бензинового двигателя с электрозажиганием. Свеча зажигания 52 расположена в пространстве сгорания 20 и имеет двойное назначение. Она воспламеняет втекающее топливо в режиме Мерритта посредством воспламенения от сжатия, инициируемого искрой, или, как вариант, воспламеняет предварительно перемешанную стехиометрическую смесь в режиме чистого бензинового двигателя с электрозажиганием.

Гибридное устройство с бензиновым двигателем имеет преимущество, заключающееся в возможности использования стехиометрической смеси топлива и воздуха при более высоком диапазоне значений топливных отношений F, например, от 80% до 100%. При этом весь кислород удаляется из выхлопных газов с тем, чтобы обеспечить возможность использования трехходового каталитического преобразования. Значения F в диапазоне от 80% до 100% вызывают образование в выхлопных газах двигателя наибольшего количества окислов азота.

Гибрид двигателя Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием может быть описан как двигатель Мерритта, сконструированный таким образом, чтобы он также мог работать как бензиновый двигатель с электрозажиганием. В таком двигателе меньший цилиндр 14 выполнен достаточно большим, чтобы получать значительное количество топлива, например, до 80% максимального количества топлива, поступающего в двигатель при полной нагрузке. (F до 80%). Вообще говоря, чем больше меньший цилиндр 14, тем больше часть топлива, которая может быть допущена в него и в значительной степени испаряется перед втеканием. Меньший цилиндр 14 может иметь отношение E рабочих объемов, например, составляющее порядка 10% рабочего объема большего цилиндра 12, хотя относительные размеры двух цилиндров - это вопрос их выбора конструктором двигателя. Меньший цилиндр может содержать все пространство сгорания 20 и может быть сконструирован в виде вариантов конструкции с непосредственным втеканием, непрямым втеканием или промежуточным втеканием. Искровое содействие (воспламенение от сжатия, инициируемое искрой) с использованием свечи зажигания 52 применяется для воспламенения такого топлива, как бензин, в двигателях, работающих в режиме Мерритта с использованием умеренных степеней сжатия, находящихся в диапазоне от 8 : 1 до 12 : 1. Свеча воспламеняет небольшое количество топлива, когда оно втекает из первого объема 15a в меньшем цилиндре 14 в пространство сгорания 20. Первоначально возникающее пламя повышает температуру и давление в пространстве сгорания 20 для возможности воспламенения от сжатия остального топлива при продолжении процесса втекания, когда топливо перемешивается с воздухом, необходимым для сгорания. Важно отметить, что в случае такого устройства на точную установку времени процесса зажигания может влиять время процесса втекания, а также момент создания искры.

Гибридный двигатель будет работать по способу Мерритта в диапазоне топливного отношения F, составляющего, например, от 0% до 80%.

В случае работы с топливными отношениями F, большими, например, 80%, двигатель Мерритта в его чистом виде изменяется на обычный бензиновый двигатель с зажиганием от искры. Это может быть достигнуто посредством прерывания подачи топлива к меньшему цилиндру 14 через форсунку 34 и вместо этого началом подачи топлива к форсунке 82 впускного коллектора, показанной на фиг. 23. Эта форсунка подает топливо для по существу фактически стехиометрической горючей смеси во впускной патрубок 25 большего цилиндра 12. Теперь управление топливным отношением F в диапазоне от 80% до 100% осуществляется для того, чтобы оно оставалось стехиометрическим посредством использования дроссельной заслонки 83, которая была полностью открыта при работе в режиме Мерритта, но теперь она частично закрывается при топливном отношении F = 80% и полностью открывается при топливном отношении F=100%.

В чистом режиме бензинового двигателя с электрозажиганием форсунка 82 и дроссельная заслонка 83 создают в двигателе стехиометрическую смесь топлива и воздуха, в то время как в чистом режиме Мерритта форсунка 82 не задействована, а форсунка 34 находится в рабочем состоянии. Также практически возможно смешение необходимого стехиометрического количества топлива посредством одновременной работы форсунок 34 и 82.

На фиг. 24 показана четырехтактная последовательность работы гибрида двигателя Мерритта и бензинового двигателя в чистом режиме бензинового двигателя с электрозажиганием. Топливо подается во впускной коллектор посредством форсунки 82 в течение впускного хода, выполняемого большим поршнем 16 (фиг. 24a). Свеча зажигания 52 воспламеняет стехиометрическую смесь в конце хода сжатия (фиг. 24b). В течение рабочего хода (фиг. 24c) меньший поршень 18 остается во временно остановленном состоянии и не оказывает влияния на процесс сгорания. В течение выпускного хода (фиг. 24d) форсунка 34 может не быть задействована или, как вариант, она может подавать небольшое количество топлива, как это показано, если форсунка 82 предназначена для подачи несколько уменьшенного количества топлива. Подача некоторого количества топлива к меньшему цилиндру 14 может способствовать охлаждению головки меньшего поршня для того, чтобы избежать проблем предварительного зажигания.

В Таблице 4 посредством примера кратко охарактеризован режим работы гибрида двигателя Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием. Величины топливных отношений F, приведенные в Таблице, выбраны лишь в иллюстративных целях.

Типичное использование для пассажирского транспортного средства, обладающего высокой мощностью:
отношение рабочих объемов E = 10%;
топливо - бензин;
степень сжатия - 8:1;
режим Мерритта - воспламенение от сжатия, иницируемое искрой;
режим бензилового двигателя - обычное искровое зажигание, как показано на фиг. 23 и 24.

Для отношения рабочих объемов E = 10% могут быть использованы следующие величины:
рабочий объем (больший цилиндр) = 400 см³;
рабочий объем (меньший цилиндр) = 40 см³;
дополнительный объем камеры сгорания (внутри меньшего цилиндра) = 17 см³.

Очевидно, что двигатель Мерритта в его чистом виде, использующий бензиновое топливо с зажиганием, инициируемым искрой, не является бензиновым двигателем с электрозажиганием. Такой двигатель Мерритта в его чистом виде, показанный на фиг. 5 в варианте с непосредственными втеканием и на фиг. 21 в варианте с непрямым втеканием, использует только один топливный подвод 34, сообщающийся с первым объемом 15a в меньшем цилиндре, который подает топливо в течение хода всасывания, выполняемого меньшим поршнем. Двигатель Мерритта в его виде может работать с бензиновым топливом и использовать зажигание от искры и, тем не менее, не является гибридным бензиновым двигателем, когда он работает в чистом режиме Мерритта.

В случае гибридной схемы двигателя Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием, выполненной согласно фиг. 24 и 25, две системы сгорания работают последовательно.

4. Тип двигателя в виде гибрида двигателя Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием для сжигания обедненной смеси.

На фиг. 15 описана работа двигателя этого типа. В этом случае меньший цилиндр 14 может представлять собой цилиндр с небольшим объемным отношением E. Назначение этого гибрида двигателя Мерритта состоит в содействии воспламенению обедненных смесей, подаваемых в больший цилиндр через впускной клапан 24. В такой гибридной форме режиме Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием выполняются одновременно.

Отношение E рабочих объемов может, например, находиться в диапазоне Мерритта может составлять, например, порядка 10%. Поэтому в случае холостого хода двигатель может работать в чистом режиме Мерритта, но когда требование в отношении создаваемой мощности повышается, посредством форсунки 82 осуществляется подача некоторого количества бензина в основной подвод 25 воздуха к большему цилиндру.

При низких значениях среднего тормозного эффективного давления в случае частичных нагрузок весьма бедная смесь, создаваемая форсункой 82, не может быть воспламенена даже с помощью режима Мерритта. В таком случае может быть использована дроссельная заслонка 83 с тем, чтобы обогатить смесь, которая подводится к впускному клапану 24, пока не станет возможным такое воспламенение. Это состояние представлено посредством примера в приведенной ниже Таблице 5 при величине F от 20% до 60%.

Бензиновый двигатель со сжиганием обедненной смеси, с факельным воспламенением в режиме Мерритта:
отношение E рабочих объемом - 4%;
топливо - бензин;
степень сжатия - 9:1;
режим Мерритта - воспламенение от сжатия, инициируемое искрой, как показано на фиг. 15. Для отношения рабочих объемов E = 4% могут быть применены следующие величины:
рабочий объем (больший цилиндр) - 500 см³;
рабочий объем (меньший цилиндр) - 20 см³;
дополнительный объем камеры сгорания (в головке большего поршня) - 40 см³.

Плазменное зажигание
Если вновь обратиться к фиг. 15, то такое устройство пригодно еще для одного применения этого изобретения. Меньший цилиндр может быть использован в качестве мощного источника плазменного воспламенения, инициируемого искрой, как в случае бензинового двигателя с электрозажиганием, действующего стехиометрически, так и в случае дизельного двигателя, работающего на пониженных степенях сжатия. В случае такого устройства меньший цилиндр может иметь даже меньшее объемное отношение E, достаточное для испарения приемлемого минимального количества топлива. Топливная форсунка 34 может подавать либо весьма незначительное количество летучего топлива, либо, как вариант, газообразного топлива. Газообразное топливо может подаваться в течение хода всасывания, выполняемого меньшим поршнем, посредством небольшого клапана, приводимого в действие электрическими или пневматическими средствами. Такие газы, как, например, водород, пропан или бутан могут быть приемлемы при малом отношении рабочего объема меньшего цилиндра, составляющем 1% или менее. Работа двигателя в виде гибрида двигателя Мерритта и бензинового двигателя с электрозажиганием и сгоранием обедненной смеси, который показан на фиг. 15, или гибрида двигателя Мерритта и дизеля, который показан на фиг. 16, остается подобной процессам, описанным выше, однако, цель уменьшения размера цилиндра 14 состоит в обеспечении простейшего пути повышения энергии зажигания по сравнению с зажиганием от свечи без постороннего содействия. Системы, в которых, например, используются свечи зажигания с подачей водорода, известны как плазменные струйные воспламенители. Процесс разделения согласно Мерритту обеспечивает возможность введения, например, жидкого бутана в меньший цилиндр при низком давлении в течение хода всасывания, который остается изолированным здесь до тех пор, пока не воспламенится свечой зажигания после втекания. Полученная в результате плазменная струя воспламенит предварительно перемешанную смесь топлива и воздуха бензинового двигателя с электрозажиганием или, как вариант, будет в значительной степени содействовать процессу воспламенения и сгорания в дизельном двигателе. Для создания плазмы может быть использован бензин, а также другие приемлемые топлива. В случае миниатюрного меньшего цилиндра 14 потребуется меньший приводной механизм поршня 18, причем этот механизм может приводиться в действие электрически или пневматически.

Законченный узел, состоящий из меньшего поршня и меньшего цилиндра, может быть сконструирован таким образом, чтобы он крепился посредством ввинчивания в головку цилиндра для замены не обеспеченной содействием свечи зажигания в бензиновых двигателях с электрозажиганием или для содействия воспламенению в дизельных двигателях.

На фиг. 22 показаны некоторые возможные положения форсунок, предназначенных для подачи топлива в меньший цилиндр 14 или в камеру сгорания 20.

В таблицах 6 и 7 посредством примера представлена работа двигателей согласно фиг. 15 и 16 в дизельном и стехиометрическом режимах с использованием плазменного факельного воспламенения по способу Мерритта.

Плазменное зажигание, типичное для судовых дизельных двигателей с непосредственным впрыском:
отношение E рабочих объемов - 0,5%;
воспламеняющее топливо - бензин;
степень сжатия - 16:1;
воспламенение - воспламенение от сжатия, инициируемое искрой.

Для отношения рабочих объемов E = 0,5% могут быть использованы следующие величины:
рабочий объем (больший цилиндр) - 5000 см³,
рабочий объем (меньший цилиндр) - 25 см³,
дополнительный объем камеры сгорания (образована в головке большего цилиндра) - 305 см³.

Меньший поршень приводится в действие электроприводом.

Плазменное зажигание, типичное для транспортных средств, предназначенных для легких грузов, со стехиометрическим бензиновым двигателем:
отношение рабочих объемов - 1%,
воспламеняющее топливо - бензин,
степень сжатия - 10:1; воспламенение - воспламенение от сжатия, инициируемое искрой.

Для отношения рабочих объемов E = 1% могут быть использованы следующие величины:
рабочий объем (больший цилиндр) - 1000 см³,
рабочий объем (меньший цилиндр) - 10 см³,
дополнительный объем камеры сгорания - 100 см³.

Меньший поршень приводится в действие электроприводом.

Расположение топливных форсунок, сообщающихся с меньшим цилиндром, зависит от конструкции двигателя Мерритта и его предполагаемого использования. На фиг. 22 представлены различные положения.

Форсунка 34 располагается таким образом, чтобы обеспечить возможность подачи топлива форсункой низкого давления в режиме Мерритта. Это положение обладает преимуществом, заключающимся в том, что в течение периода рабочего хода и большей части процесса сгорания форсунка защищена головкой меньшего поршня.

Положение 6034 форсунки приемлемо как для ее работы в режиме Мерритта, так и в качестве дизельной форсунки с электронным приводом в дизельном гибридном устройстве, показанном на фиг. 19 и 20.

Если это положение используется для режима Мерритта, то топливная форсунка должна противостоять давлению и температуре, создаваемым при сгорании, хотя она должна подавать такое топливо, как бензин, только под низким давлением. Для такого применения пригодны форсунки игольчатого типа, которые выходя наружу, при этом они могут приводится в действие либо посредством насоса с пульсирующей подачей, либо электронным устройством. Если это положение используется в дизельном гибридном типе двигателя, форсунка должна обеспечивать подачу дизельного топлива под высоким давлением дважды в течение одного цикла двигателя.

Положение 60 форсунки обеспечивает равномерную подачу топлива по всему объему камеры сгорания 20, при этом оно наиболее пригодно для дизельной форсунки высокого давления, действующей в случае двигателя в виде гибрида дизеля/двигателя Мерритта, когда используются две форсунки, как показано на фиг. 17 и 18.

На фиг. 25 представлено устройство в виде гибрида бензинового двигателя с электрозажиганием и двигателя Мерритта, в котором используется кулачковый профиль 506, отличающийся от протяженного кулачкового профиля 500, показанного ранее. Кулачковый профиль 506 перемещает меньший поршень фактически синхронно с большим поршнем на протяжении хода всасывания. (фиг. 25a) и хода сжатия (фиг. 25b). В течение рабочего хода (фиг. 25c) и хода выпуска (фиг. 25d) большего поршня 16 кулачок обеспечивает возможность нахождения меньшего поршня во внутренней мертвой точке. Такой профиль кулачка может быть использован во всех формах двигателя Мерритта, включая его гибридные формы. Также возможны модификации, позволяющие начинать ход всасывания, выполняемый меньшим поршнем, в течение хода выпуска, выполняемого большим поршнем, что показано на фиг. 25d, и заканчивать его перед концом хода всасывания, выполняемого большим поршнем, что показано на фиг. 25a.

Кулачковый профиль 506 сообщает меньшему поршню в течение его хода всасывания более высокие скорости по сравнению с кулачковым профилем 500 и по этой причине более подходит для использования с большими, более тихоходными двигателями, либо при небольших значениях объемного отношения E.

На фиг. 25 также показано рабочее устройство, пригодное для двигателей в виде гибрида бензинового двигателя с электрозажиганием и двигателя Мерритта, в котором привод, обеспечивающий движение меньшего поршня 18, отсоединяется, когда двигатель работает в чистом режиме бензинового двигателя с электрозажиганием, и вновь подсоединяется когда двигатель должен работать в режиме двигателя Мерритта. Поэтому цикл работы, представленный на фиг. 25, является типичным циклом четырехтактного бензинового двигателя с электрозажиганием. Такое отсоединение может применяться с любым приемлемым кулачковым профилем или с любым приводным механизмом (например; электрическим, механическим или пневматическим), выбираемым для движения меньшего поршня, а также может быть применено к двигателю в виде гибрида дизеля и двигателя Мерритта.

Реферат

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит одну или более пары первого и второго цилиндров, при этом первый цилиндр имеет рабочий объем больший, чем у второго цилиндра, а также соответствующие первый и второй поршни, совершающие возвратно-поступательное движение в цилиндрах, второй поршень имеет приводной шток и делит второй цилиндр на первый объем, содержащий приводной шток второго поршня, и второй объем между двумя поршнями. Для первого цилиндра предусмотрены патрубок для выпуска воздуха и выпускной патрубок. Между двумя поршнями образуется общее пространство сгорания, когда поршни по существу находятся в положениях внутренней мертвой точки, при этом пространство сгорания содержит второй объем. Средства перемещения обеспечивают возможность течения газа между первым объемом и пространством сгорания к концу хода сжатия, в то время как задерживающее средство задерживает движение смеси топлива и воздуха из первого объема во второй объем до конца хода сжатия второго поршня. Форсунка обеспечивает топливо для первого объема в течение хода всасывания второго поршня. Двигатель также имеет приводное средство для привода в движение второго поршня, при этом приводное средство включает в себя средство для удержания второго поршня по существу в положении внутренней мертвой точки в течение по меньшей мере части рабочего хода первого поршня. Предложен также способ работы такого двигателя. Преимущество изобретения заключается в том, что согласно его принципу как дизельный, так и бензиновый двигатели могут быть преобразованы посредством изменения конструкции головки цилиндра, не оказывая влияния на картер и трансмиссию в сборе. 3 c и 72 з.п. ф-лы, 26 ил., 7 табл.

Формула