двигатель внутреннего сгорания с пирамидальным поршнем и механизмом досжатия (дизель), механизм досжатия воздушно- топливной смеси

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, коленчатый вал, шатун, сквозной поршень, шток, цилиндры с пирамидальным поршнем, состоящим из поршня компрессора-стабилизатора хода и поршня, камеру сгорания, топливный насос, впускной клапан воздуха в камеру поршня компрессора-стабилизатора хода, выпускной клапан из камеры сгорания, впускной клапан воздуха и топлива, форсунку, находящуюся в подклапанном пространстве впускного клапана воздуха и топлива, отличающийся тем, что поршень пирамидального поршня выполнен "пальчиковым" и находится в соответствующем цилиндре, содержит сальник, подвод системы смазки для смазывания поршневых колец "пальчикового" поршня и сальника, общий отвод для отработанного масла с уловителем масла с масляным фильтром, через который отработанное масло попадет в картер, и для газов, которые частично проникают из камеры сгорания через поршневые кольца "пальчикового" поршня, механизм досжатия воздушно-топливной смеси с эксцентриком неправильной формы, находящимся в картере, содержащий также поршень досжатия воздушно-топливной смеси с верхней и нижней парами поршневых колец и трубчатой ножкой плунжерного типа, цилиндр с каналом отвода газов, вход которого совпадает с пространством между верхней и нижней парами поршневых колец при нахождении поршня досжатия воздушно-топливной смеси во внутренней (верхней) мертвой точке, выпускной клапан газов, частично проникающих в канал отвода газов из камеры сгорания через верхнюю пару поршневых колец поршня досжатия воздушно-топливной смеси, вставную тыльную часть поршня досжатия воздушно-топливной смеси, состоящую из малой цилиндрической части и большой цилиндрической части, пружину возврата, держатель с втулкой, через которую проходит трубчатая ножка плунжерного типа поршня досжатия воздушно-топливной смеси.

2. Механизм досжатия воздушно-топливной смеси двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что содержит эксцентрик неправильной формы, находящийся в картере, поршень досжатия воздушно-топливной смеси с верхней и нижней парами поршневых колец и трубчатой ножкой плунжерного типа со сквозными квадратными отверстиями, вставную тыльную часть поршня досжатия воздушно-топливной смеси, состоящую из малой цилиндрической части со сквозным квадратным отверстием, совпадающим со сквозными квадратными отверстиями в стенках трубчатой ножки плунжерного типа поршня досжатия воздушно-топливной смеси и большой цилиндрической части, по которой работает эксцентрик неправильной формы, Т-образный стопорный палец квадратного сечения, шпильку, шайбу-втулку, пружину возврата, шайбы, держатель с втулкой, через которую проходят трубчатая ножка плунжерного типа поршня досжатия воздушно-топливной смеси, цилиндр с каналом отвода газов, вход которого совпадает с пространством между верхней и нижней парами поршневых колец при нахождении поршня досжатия воздушно-топливной смеси во внутренней (верхней) мертвой точке.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий: картер, коленчатый вал, шатуны, поршень компрессор воздуха, который имеет камеру сжатия воздуха в компрессорном цилиндре, впускной клапан воздуха, канал подачи сжатого воздуха, другие цилиндры с двухцилиндровым поршнем, состоящим из поршня - стабилизатора хода и рабочего поршня меньшего диаметра, шток, камеру сгорания, впускной клапан воздуха и топлива, форсунку, топливный насос, выпускной клапан отработанных газов /патент Германии N 2509075, F 02 В 33/10, 1976/. Это изобретение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком изобретения является неэффективность использования горячих газов высокого давления.

Задачей изобретения является более эффективное использование горячих газов высокого давления.

Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания содержит двухцилиндровый пирамидальный поршень, состоящий из поршня компрессора и "пальчикового" поршня уменьшенного диаметра /рабочего поршня/, находящегося в цилиндре уменьшенного диаметра с соответственно уменьшенным рабочим объемом, который не позволяет создать в камере сгорания необходимую для воспламенения от сжатия величину степени сжатия воздушно-топливной смеси, для чего двигатель снабжен поршнем компрессором и механизмом досжатия воздушно-топливной смеси, эксцентрик которого находится в картере.

Из-за своего маленького диаметра "пальчиковый" поршень не может создать резкий перепад давления в камере сгорания, из-за чего невозможно достичь воспламенения воздушно-топливной смеси в камере сгорания в нужный момент.

Для устранения детонации двигатель снабжен механизмом досжатия воздушно-топливной смеси, эксцентрик которого находится в картере, который позволяет достичь воспламенения воздушно-топливной смеси в камере сгорания даже после прохождения внутренней /верхней/ мертвой точки /ВМТ/ "пальчиковым" поршнем уменьшенного диаметра.

Известен механизм досжатия воздушно-топливной смеси, содержащий поршень досжатия воздушно-топливной смеси с поршневыми кольцами, пружину возврата /патент СССР N 57485, F 02 B 75/04, 1940/.

Но этот механизм досжатия конструктивно не приспособлен к нормальному выполнению своей функции - досжатию воздушно- топливной смеси в камере сгорания до воспламенения.

Поставленная задача решается за счет применения более совершенной конструкции механизма досжатия воздушно-топливной смеси и нового способа сжатия воздушно-топливной смеси в камере сгорания до воспламенения. "Пальчиковым" поршнем, поршнем компрессора и поршнем досжатия воздушно-топливной смеси создают сжатие воздушно-топливной смеси в камере сгорания до достижения внутренней /верхней/ мертвой точки /ВМТ/ "пальчиковым" поршнем, а досжатие воздушно-топливной смеси до воспламенения создают поршнем досжатия воздушно-топливной смеси после прохождения ВМТ "пальчиковым" поршнем. И соответственно, за счет эффективной системы использования горячих газов высокого давления. Горячие газы высокого давления воздействуют на "пальчиковый" поршень в соответствующем цилиндре уменьшенного диаметра с соответственно уменьшенным рабочим объемом, что приводит к многократной экономии топлива, так как давление газов падает меньше на единицу пройденного пути "пальчиковым" поршнем уменьшенного диаметра из ВМТ к НМТ, чем в обычном двигателе.

Такой режим работы двигателя, с поздним воспламенением воздушно-топливной смеси в камере сгорания, задан с целью уменьшения механической нагрузки на коленчатый вал и шатунно-цилиндро-поршневую группу во время воспламенения воздушно-топливной смеси и гарантирует отсутствие детонации в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

В заявленном изобретении применен механизм досжатия воздушно-топливной смеси, находящийся в блоке цилиндров, имеющий конструкцию, отличную от прототипа, содержит эксцентрик неправильной формы находящийся в картере, поршень досжатия воздушно-топливной смеси с верхней и нижней парами поршневых колец и трубчатой ножкой плунжерного типа со сквозными квадратными отверстиями, вставную тыльную часть поршня досжатия воздушно-топливной смеси, состоящую из малой цилиндрической части со сквозным квадратным отверстием, совпадающим со сквозными квадратными отверстиями в стенках трубчатой ножки плунжерного типа поршня досжатия воздушно-топливной смеси и большой цилиндрической части, по которой работает эксцентрик неправильной формы, Т-образный стопорный палец квадратного сечения, шпильку, шайбу-втулку, пружину возврата, шайбу, держатель с втулкой, через которую проходит трубчатая ножка плунжерного типа поршня досжатия воздушно-топливной смеси, цилиндр с каналом отвода газов, вход которого совпадает с пространством между верхней и нижней парами поршневых колец, при нахождении поршня досжатия воздушно-топливной смеси во внутренней /верхней/ мертвой точке.

Режим работы механизма досжатия задает эксцентрик неправильной формы, находящийся в картере и работающий по вставной тыльной части поршня досжатия воздушно-топливной смеси. Эксцентрик неправильной формы, находящийся на осевой коленчатого вала, отличается тем, что вал вращения /осевая коленчатого вала/ имеет радиус R1 из эксцентра С - фиг.2, эксцентрик снабжен рабочей поверхностью вокруг вала вращения, состоящей из двух основных неравнозначных участков: участка поверхности A-B-K, образованного радиусом R2 из точки F, имеющим наименьшее удаление от центра вращения С в точке В, с увеличением удаления от центра вращения С по кривым от точки В к точкам A и K, и участка поверхности E-H-T, образованного радиусом R3 из центра вращения С, имеющим наибольшее удаление от центра вращения С, и двух участков перехода: K-E и T-A, которые соединяют два основных неравнозначных участка между собой.

Поршень называется пирамидальным, так как он состоит из двух поршней, находящихся в двух цилиндрах, поршни имеют разные диаметры, выполняют разные функции, но представляют из себя двухцилиндровый поршень, в устройстве которого соблюден принцип построения пирамиды: над поршнем большего диаметра расположен поршень меньшего диаметра.

Рабочий поршень пирамидального поршня называется "пальчиковым" поршнем, так как он имеет уменьшенный диаметр, находится в соответствующем цилиндре с уменьшенным диаметром и с соответственно уменьшенным рабочим объемом, который не позволяет самостоятельно создать необходимую /расчетную/ величину степени сжатия воздушно-топливной. смеси в камере сгорания для воспламенения воздушно-топливной смеси от сжатия.

На чертежах изображено:

на фиг. 1 - двигатель внутреннего сгорания с пирамидальным поршнем и механизмом досжатия /дизель/, пирамидальный поршень находится в положении - сразу после прохождения ВМТ, поршень досжатия воздушно-топливной смеси находится в положении максимального досжатия воздушно-топливной смеси.

На фиг. 2 - эксцентрик неправильной формы.

На фиг. 3 - механизм досжатия воздушно-топливной смеси.

На фиг. 4 - поршень досжатия воздушно-топливной смеси с трубчатой ножкой плунжерного типа и вставной тыльной частью.

Двигатель внутреннего сгорания с пирамидальным поршнем и механизмом досжатия /дизель/ содержит: картер 1, коленчатый вал 2, держатели 3 осевой коленчатого вала 2, колено 4, шатун 5, шток 6, сквозной шатунно-штоковый поршень 7 с шатунно-штоковым пальцем 8, цилиндр 9, поршень 10 - компрессор воздуха - часть пирамидального поршня 11, вторая часть которого - "пальчиковый" поршень 12, штоково-поршневой палец 13, поршневые кольца 14 поршня 10 компрессора воздуха, сальник 15, поршневые кольца 16 "пальчикового" поршня 12, подвод 17 системы смазки для смазывания сальника 15 и поршневых колец 16 "пальчикового" поршня 12, камеру 18 поршня 10 компрессора воздуха - стабилизатора хода, впускной клапан 19 воздуха, канал 20 поступления сжатого воздуха в камеру 41 сгорания, канал 21 отвода горячих газов и отработанного масла с уловителем 22 масла с масляным фильтром 23, выпускной клапан 24 отработанных газов из камеры 41 сгорания, головку 25 цилиндра, выпускной клапан 26 газов частично проникающих из камеры 41 сгорания через верхнюю пару поршневых колец 39 поршня досжатия 38 в канал 45 отвода, впускной клапан 27 воздуха и топлива в камеру 41 сгорания, эксцентрик 28 неправильной формы, вставную тыльную часть 29 поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси, Т-образный стопорный палец 30 квадратного сечения, шайбу-втулку 31, пружину 32 возврата, шайбу 33, восьмилучевой держатель 34 с впрессованной втулкой 35, через которую проходит трубчатая ножка 36 плунжерного типа поршня 38 досжатия, цилиндр 37, поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси с верхней парой поршневых колец 39 и нижней парой поршневых колец 40, камеру 41 сгорания, топливный насос 42, канал 43 поступления топлива, форсунку 44, находящуюся в подклапанном пространстве впускного клапана 27 воздуха и топлива, канал 45 отвода проникших газов из камеры 41 сгорания через верхнюю пару поршневых колец 39, цилиндр 46 "пальчикового" поршня 12, в котором так же находится подвод 17 системы смазки, находящийся между сальником 15 и НМТ поршневых колец 16 "пальчикового" поршня 12, как и канал 21 отвода.

Конструкция двигателя внутреннего сгорания с пирамидальным поршнем и механизмом досжатия /дизель/ работает в двухтактном режиме.

На фиг.1 - пирамидальный поршень 11 находится в положении - сразу после прохождения ВМТ, поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси находится в положении максимального досжатия воздушно-топливной смеси, т.е. объем камеры 41 сгорания является минимальным, эксцентрик 28 неправильной формы воздействует в этот момент на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой E - фиг. 2. Впускной клапан 19 воздуха открыт, выпускной клапан 24 отработанных газов закрыт, выпускной клапан 26 открыт, впускной клапан 27 сжатого воздуха и топлива закрыт, подвод 17 системы смазки закрыт. Пирамидальный поршень 11 перемещается к НМТ, воздух через впускной клапан 19 поступает в камеру 18 поршня 10 компрессора воздуха. Эксцентрик 28 неправильной формы в это время воздействует на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия поверхностью E-H-T - фиг. 2, удерживая объем камеры 41 сгорания минимальным, когда пирамидальный поршень 11 приблизится к НМТ, эксцентрик 28 неправильной формы будет воздействовать на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой Т - фиг. 2, откроется выпускной продувочный клапан 24 загазованной смеси из камеры 41 сгорания, следом закроется выпускной клапан 26 газов, проникших из камеры 41 сгорания через верхнюю пару поршневых колец 39. НМТ пирамидального поршня 11 соответствует воздействию эксцентрика 28 неправильной формы на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой А - фиг. 2, в этот момент открывается подвод 17 системы смазки, которая предназначена для смазки поршневых колец 16 "пальчикового" поршня 12 и сальника 15, расположенного вокруг "пальчикового" поршня 12 и разграничивающего объем рабочего цилиндра 46 и объем камеры 18 поршня 10 компрессора воздуха, закрывается впускной клапан 19 воздуха в камеру 18 поршня 10 компрессора воздуха. Пирамидальный поршень 11 начинает двигаться из НМТ к ВМТ, эксцентрик 28 неправильной формы воздействует в это время на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия поверхностью A-B-K - фиг. 2, открывается впускной клапан 27 и сжатый воздух из камеры 18 компрессора, через канал 20 поступления сжатого воздуха начинает продувать камеру 41 сгорания через выпускной клапан 24, который находится над "пальчиковым" поршнем 12, впускной клапан 27 воздуха и топлива находится над поршнем 38 досжатия, а камера 41 сгорания состоит из объема над поршнем 38 досжатия, из объема над "пальчиковым" поршнем 12 и объема, который соединяет эти два объема. Когда пирамидальный поршень 11 пройдет половину пути из НМТ к ВМТ, камера 41 сгорания полностью очистится и выпускной клапан 24 закроется, в это время эксцентрик 28 неправильной формы воздействует на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой В - фиг. 2, что соответствует НМТ поршня 38 досжатия, топливный насос 42 через канал 43 поступления топлива и форсунку 44, начинает подавать порцию топлива в камеру 41 сгорания, сжатый воздух, не перестававший поступать в камеру 41 сгорания, помогает топливу не задерживаться в подклапанном пространстве и мелкодисперсная воздушно-топливная смесь заполняет камеру 41 сгорания. Выход форсунки 44 находится в подклапанном пространстве впускного клапана 27 воздуха и топлива, практически на самом краю, а выход канала 20 сжатого воздуха также в подклапанном пространстве, но ближе к осевой впускного клапана 27 воздуха и топлива. Когда пирамидальный поршень 11 достигнет ВМТ, закрывается подвод 17 системы смазки сальника 15 и поршневых колец 16 "пальчикового" поршня 12, топливный насос 42 прекращает подачу топлива, впускной клапан 27 воздуха и топлива закрывается, в этот момент, эксцентрик 28 неправильной формы воздействует на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой К - фиг. 2. Объем камеры 41 сгорания становится близким к минимальному, степень сжатия воздушно-топливной смеси достигает величины более 10, но менее 12-14, т.е. является недостаточной для воспламенения. Когда пирамидальный поршень 11 пройдет ВМТ, эксцентрик 28 неправильной формы воздействует на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой E - фиг. 2, в этот момент степень сжатия воздушно-топливной смеси в камере 41 сгорания достигнет максимальной, т.е. более 12-14, и является достаточной для воспламенения. Происходят воспламенение и сгорание воздушно-топливной смеси в камере 41 сгорания, одновременно с воспламенением воздушно-топливной смеси открывается впускной клапан 19 воздуха и выпускной клапан 26, через который будут выходить газы, проникшие через верхнюю пару поршневых колец 39 поршня 38 досжатия из камеры 41 сгорания. Пирамидальный поршень 11 продолжает двигаться из ВМТ к НМТ, эксцентрик 28 неправильной формы удерживает объем камеры 41 сгорания минимальным, воздействуя на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия поверхностью E-H-T - фиг. 2. Горячие газы высокого давления, частично проникающие через поршневые кольца 16 "пальчикового" поршня 12 из камеры 41 сгорания, попадают в канал 21 отвода вместе с отработанным маслом, масло попадает в уловитель 22 масла и через масляный фильтр 23 попадает в картер 1. При подходе пирамидального поршня 11 к НМТ эксцентрик 28 неправильной формы воздействует на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой Т - фиг. 2, открывается выпускной продувочный клапан 24 отработанных газов из камеры 41 сгорания и следом закрывается выпускной клапан 26 газов, проникших из камеры 41 сгорания через верхнюю пару поршневых колец 39 в канал 45 отвода газов.

Рабочий цикл продолжается.

Мелкодисперсная топливная аэрозоль, распространяясь по камере 41 сгорания во время впрыска топлива, является также смазкой верхней пары поршневых колец 39 поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси. Нижняя пара поршневых колец 40 поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси постоянно работает по поверхности цилиндра, покрытой маслом, которое проникает через окна восьмилучевого держателя 34 из картера 1. Когда поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси находится в НМТ, что соответствует моменту воздействия эксцентрика 28 неправильной формы на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия точкой В - фиг. 2, верхняя пара поршневых колец 39 также соприкасается с поверхностью цилиндра, которая подвергается обработке маслом, что несомненно улучшает надежность работы механизма досжатия воздушно-топливной смеси, конструкция которого более подробно показана на фиг. 3 и содержит: эксцентрик 28 неправильной формы, вставную тыльную часть 29 поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси, Т-образный стопорный палец 30 квадратного сечения, шайбу-втулку 31, пружину 32 возврата, шайбу 33, восьмилучевой держатель 34 с впрессованной втулкой 35, через которую проходит трубчатая ножка 36 плунжерного типа поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси, цилиндр 37 блока цилиндров двигателя, поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси с верхней парой поршневых колец 39 и нижней парой поршневых колец 40, канал 45 отвода газов, проникших из камеры сгорания через верхнюю пару поршневых колец 39, корпус 47 двигателя /блок цилиндров/, гильзу 48 цилиндра, по которой работают верхняя пара поршневых колец 39 и нижняя пара поршневых колец 40 поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси, стопорную шпильку 49, которая стопорит стопорный палец 30 квадратного сечения.

На фиг. 4 более подробно показан поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси с трубчатой ножкой 36 плунжерного типа со сквозными квадратными отверстиями 51 в стенках трубчатой ножки 36 плунжерного типа, которые совпадают со сквозным отверстием в малой цилиндрической части вставной тыльной части 29, по которой работает эксцентрик 28 неправильной формы. Большая цилиндрическая часть тыльной вставной части 29, по которой работает эксцентрик 28 неправильной формы, имеет диаметр, равный диаметру трубчатой ножки 36 плунжерного типа, но может иметь и больший диаметр. Поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси имеет посадочные места 50 для верхней пары поршневых колец 39 и нижней пары поршневых колец 40. Количество поршневых колец поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси может быть другим.

Во время присутствия высокого давления горячих газов в камере сгорания эксцентрик 28 неправильной формы воздействует на тыльную часть 29 поршня 38 досжатия воздушно-топливной смеси поверхностью E-H-T - фиг. 2 и удерживает поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси на одном месте. Вход канала 45 отвода газов, проникших из камеры 41 сгорания, в это время совпадает с пространством между верхней парой поршневых колец 39 и нижней парой поршневых колец 40, поэтому газы, проникающие через верхнюю пару поршневых колец 39, свободно уходят через канал 45 отвода газов, т.е. горячие газы не создают давления на нижнюю пару поршневых колец 40 и не попадают в картер 1, что и обеспечивает противопожарную безопасность всего двигателя. Канал 45 отвода газов может совпадать с другим пространством между поршневыми кольцами, главное, чтобы горячие газы не проникали в объем цилиндра 37 с масляной средой и в картер 1.

Сборка механизма досжатия воздушно-топливной смеси производится в следующем порядке: на поршень 38 досжатия воздушно-топливной смеси ставят верхнюю пару поршневых колец 39 и нижнюю пару поршневых колец 40, трубчатую ножку 36 плунжерного типа вставляют через втулку 35 восьмилучевого держателя 34 закрепленного в цилиндре 37 корпуса 47 двигателя, на трубчатую ножку 36 плунжерного типа одевают шайбу 33, пружину 32 возврата, шайбу-втулку 31, с торца вставляют вставную тыльную часть 29, состоящую из большой цилиндрической части, по которой работает эксцентрик 28 неправильной формы и малой цилиндрической части, которая вставляется в трубчатую ножку 36 плунжерного типа. Малая цилиндрическая часть вставной тыльной части 29, как и трубчатая ножка 36 плунжерного типа, имеют сквозные отверстия квадратного сечения, при совпадении этих отверстий вставляют Т-образный стопорный палец квадратного сечения, который стопорится шпилькой 49. Т-образный стопорный палец 30 квадратного сечения является так же ограничителем для шайбы-втулки 31, которая, благодаря своей толщине, устойчиво держится на трубчатой ножке 36 плунжерного типа.

Конфигурация эксцентрика 28 неправильной формы показана на фиг. 2. Радиус R2 можно изменить таким образом, что участок поверхности эксцентрика 28 неправильной формы T-A-B-K-E - фиг. 2 можно будет выполнить одним этим радиусом R2 из центра F, но в этом случае участки перехода: K-E и T-A будут более плавными. Точка Т может быть расположена ближе к точке H по кривой T-H, это зависит от момента выпуска отработанных газов из камеры 41 сгорания, т. е. до какого момента необходимо удерживать объем камеры 41 сгорания минимальным. В этом случае участок перехода T-A увеличится и станет более плавным. Эксцентрик 28 неправильной формы имеет одну ось вращения с коленчатым валом 2.

Расположение впускного клапана 27 воздуха и топлива, а так же выпускного клапана 24 отработанных газов может быть иным.

Для преобразования поступательного движения пирамидального поршня 11 - фиг. 1 во вращательное движение комбинированного коленчатого вала 2 применен шатунно-штоковый механизм со сквозным шатунно-штоковым поршнем 7, штоком 6 и шатуном 5. Поршневые кольца 14 поршня 10 компрессора-стабилизатора хода и сквозной шатунно-штоковый поршень 7 работают по отдельным участкам поверхности цилиндра 9. Шатун 5 конструктивно усилен против воздействия сил на излом и выполнен из стали.