close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2352

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2352
(13)
C1
6
(51) F 02B 75/28
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(21) Номер заявки: 2130
(22) 05.08.1994
(60) SU 93004864/06, 12.07.1991
(86) PCT/GB91/01151, 12.07.91
(31)9016123.3, 9103391.0, 9106219.0
(32) 23.07.1990, 19.02.1991, 23.03.1991
(33) GB
(46) 30.09.1998
(71) Заявители: ДАН
МЕРРИТТ,
КОВЕНТРИ
ЮНИВЕСИТИ (GB)
(72) Автор: ДАН МЕРРИТТ (GB)
(73) Патентообладатель: ДАН
МЕРРИТТ,
КОВЕНТРИ ЮНИВЕСИТИ (GB)
(57)
1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один блок первого и второго цилиндров,
причем первый цилиндр имеет больший по сравнению со вторым цилиндром рабочий объем, соответственно первый и второй поршни, выполненные с возможностью перемещения в указанных цилиндрах, воздуховпускное
средство, сообщающееся с первым цилиндром, выпускное средство, сообщающееся с первым цилиндром, первый
источник топливопитания для подачи топлива во второй цилиндр, камеру сгорания, образованную поршнями при их положении, по существу, во внутренней мертвой точке, причем камера сгорания сообщается с
Фиг. 1
BY 2352 C1
обоими цилиндрами в течение рабочего такта, и блокирующие средства, задерживающие доступ компонентов
горючей смеси в камеру сгорания до того, как второй поршень придет в положение внутренней мертвой точки
или будет находиться вблизи него, и где указанный первый источник топливопитания расположен так, чтобы
подавать топливо во второй цилиндр над головкой второго поршня, отличающийся тем, что второй поршень
имеет головку, смещенную от головки первого поршня и связанную с ней, и кромку, которая проходит, по
меньшей мере, над частью периферии головки и размер которой в осевом направлении относительно меньше
расстояния между головками первого и второго поршней в том же направлении, а камера сгорания образована
головками поршней и боковой стенкой второго цилиндра, и кромка головки второго поршня радиально смещена от смежной стенки второго цилиндра так, чтобы образовывать между ними зазор, который содержит указанные блокирующие средства, причем смещение имеет размер, который позволяет, по существу, задержать
проход газа между боковой стенкой и головкой второго поршня из второго цилиндра в камеру сгорания до конца такта сжатия.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка второго поршня постоянно находится во втором
цилиндре.
3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что головка второго поршня смещена от головки первого
поршня и связана с ней при помощи, по меньшей мере, одного центрального тела.
4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что центральное тело расположено, по существу, соосно головке второго поршня.
5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что центральное тело имеет криволинейную стенку, ограничивающую камеру сгорания.
6. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что он имеет несколько разнесенных по окружности выносных
корпусных стоек-перемычек, образующих составные части головки второго поршня с относительно малыми
поясковыми кромками в осевом направлении.
7. Двигатель по пп. 1-3 или 6, отличающийся тем, что второй поршень имеет цилиндрическую юбку, находящуюся между его головкой и первым поршнем и имеющую отверстия такого размера, который оставляет множество частей головки второго поршня с относительно малыми боковыми поясковыми кромками в
осевом направлении.
8. Двигатель по пп. 6 или 7, отличающийся тем, что на первом поршне ниже головки второго поршня
имеется выступающий элемент, завихряющий газ в камере сгорания.
9. Двигатель по пп. 1-8, отличающийся тем, что второй поршень расположен эксцентрично относительно первого поршня.
10. Двигатель по пп. 1-9, отличающийся тем, что на головке первого поршня выполнена выступающая
часть, входящая с рабочим зазором во второй цилиндр и, по существу, отсекающая камеру сгорания от первого цилиндра, когда поршни находятся в мертвой точке или вблизи этого положения.
11. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что размер выступающей части в осевом направлении равен
расстоянию, которое поршни проходят между положением начала доступа компонентов горючей смеси в
камеру сгорания и положением внутренней мертвой точки.
12. Двигатель по п. 10 или 11, отличающийся тем, что выступающая часть имеет радиально внешнюю
боковую образующую поверхность, которая скошена в направлении от стенки второго цилиндра.
13. Двигатель по п. 10 или 11, отличающийся тем, что указанная радиально внешняя боковая поверхность выполнена криволинейной относительно стенки второго цилиндра.
14. Двигатель по пп. 10-13, отличающийся тем, что на внешней боковой выступающей части выполнены
радиальные канавки, расположенные в направлении от головки первого поршня к верхнему торцу выступающей части.
15. Двигатель по пп. 1-14, отличающийся тем, что имеются канальные средства, связывающие пространство
над головкой второго поршня с первым цилиндром и обеспечивающие переход воздуха из первого цилиндра во
второй цилиндр, когда поршни находятся вблизи положения внутренней мертвой точки, усиливая доступ компонентов горючей смеси в камеру сгорания.
16. Двигатель по п. 15, отличающийся тем, что канальные средства выполнены во втором поршне.
17. Двигатель по пп. 1-16, отличающийся тем, что зазор представляет собой сплошной кольцевой зазор
между кромкой головки второго поршня и смежной стенкой второго цилиндра.
18. Двигатель по пп. 1-16 или 17, отличающийся тем, что зазор прерывается двумя или более радиальными выступами на головке второго поршня и/или стенке второго цилиндра, которые скользяще взаимодействуют друг с другом, образуя направляющую для второго поршня.
19. Двигатель по одному из пп. 3-5, отличающийся тем, что в выбранном месте в камере сгорания нанесен слой катализаторного материала.
20. Двигатель по пп. 1-19, отличающийся тем, что второй цилиндр снабжен на удаленном от первого цилиндра
конце средством, образующим первый обводной перепускной канал вокруг кромки головки второго поршня, когда
последний находится в положении внутренней мертвой точки.
2
BY 2352 C1
21. Двигатель по п. 20, отличающийся тем, что первое перепускное средство - байпас имеет в осевом
направлении размер больше толщины кромки головки второго поршня.
22. Двигатель по п. 20 или 21, отличающийся тем, что первое перепускное средство выполнено в виде
канавочного паза в стенке второго цилиндра, охватывающего, по меньшей мере, часть образующей окружности второго цилиндра.
23. Двигатель по одному из пп. 20-22, отличающийся тем, что первое перепускное средство - байпас
выполнено в виде ступенчатого или плавного уширения отверстия второго цилиндра.
24. Двигатель по п. 1-23, отличающийся тем, что, кроме того, он содержит средство, инициирующее
воспламенение топлива в камере сгорания.
25. Двигатель по п. 24, отличающийся тем, что воспламенительное средство представляет собой запальную искровую свечу, каталитический или другой запал.
26. Двигатель по п. 1-25, отличающийся тем, что второй цилиндр имеет на ближайшем к первому цилиндру конце дополнительное средство, образующее перепускной канал вокруг кромки головки второго
поршня, когда последний находится в положении внешней мертвой точки или вблизи него.
27. Двигатель по п. 26, отличающийся тем, что перепускное средство - байпас имеет в продольном направлении
размер, превосходящий ширину поясковой кромки головки второго поршня.
28. Двигатель по п. 26 или 27, отличающийся тем, что указанное средство - байпас представляет собой
канавочный паз, выполненный в стенке второго цилиндра и охватывающий, по меньшей мере, часть образующей окружности второго цилиндра.
29. Двигатель по одному из пп. 26-28, отличающийся тем, что дополнительное средство - байпас выполнено в виде ступенчатого или плавного уширения отверстия второго цилиндра.
30. Двигатель по пп. 1-29, отличающийся тем, что имеет средство обеспечения доступа компонентов горючей смеси в камеру сгорания, связанное с вторым цилиндром и предназначенное для впуска воздуха без
или с топливом или для впуска газообразного топлива без или с воздухом во второй цилиндр на протяжении
такта всасывания, при этом указанное средство доступа содержит первое канальное средство, выходящее во
второй цилиндр, и первое клапанное средство для регулирования рабочего состояния канального средства.
31. Двигатель по п.30, отличающийся тем, что первое канальное средство служит одновременно и как
впускное, и как выпускное отверстие второго цилиндра.
32. Двигатель по п. 30, отличающийся тем, что средство обеспечения доступа содержит второе выпускное канальное средство для второго цилиндра и второе клапанное средство, регулирующее второе канальное
средство.
33. Двигатель по п. 32, отличающийся тем, что второе выпускное канальное средство сообщается с первым канальным средством, обеспечивая рециркуляцию отработавшего газа.
34. Двигатель по пп. 30-34, отличающийся тем, что клапанное средство выполнено в виде подъемного
клапана, приводимого в действие механически или электрически.
35. Двигатель по пп. 30-34, отличающийся тем, что средство обеспечения доступа включает в себя первое клапанное средство с изменяемым проходным отверстием, находящееся по потоку перед фиксированным первым клапанным средством.
36. Двигатель по п. 35, отличающийся тем, что регулируемое клапанное средство выполнено в виде
дроссельного или заслоночного клапана.
37. Двигатель по пп. 30-36, отличающийся тем, что первый источник топливопитания расположен перед
первым клапанным средством.
38. Двигатель по пп. 27-37, отличающийся тем, что источником топливопитания служит жидкотопливный инжектор.
39. Двигатель по пп. 30-38, отличающийся тем, что он снабжен средством управления для контроля момента впрыска и длительности подачи топлива от первого источника топливопитания для ввода топлива в
двигатель в течение периода, когда первое клапанное средство либо открыто, либо закрыто.
40. Двигатель по пп. 1-39, отличающийся тем, что второе клапанное средство с изменяемым проходным
отверстием расположено перед воздуховпускным средством, сообщающимся с первым цилиндром с обеспечением ограничения воздухоподачи в первый цилиндр в режиме неполной нагрузки двигателя.
41. Двигатель по пп. 1-40, отличающийся тем, что он снабжен вторым источником топливопитания в виде
жидкотопливного инжектора высокого давления, расположенного таким образом, что, когда головка второго
поршня находится вблизи или в положении внутренней мертвой точки, этот источник осуществляет впрыск в
объем сгорания порции топлива под давлением в дополнение к топливу, подаваемому во второй цилиндр первым источником топливопитания.
42. Двигатель по п. 41, отличающийся тем, что имеется средство для управления первым источником
топливопитания и обеспечивающее подачу части от общего количества топлива во второй цилиндр, в пространство над головкой второго поршня с началом и окончанием подачи, когда второй поршень находится в
заданных положениях на удалении от внутренней мертвой точки, и кроме того, для управления вторым ис3
BY 2352 C1
точником топливопитания и обеспечивающее подачу дополнительной части от общего количества топлива в
объем сгорания, когда поршни находятся в положении внутренней мертвой точки или вблизи него.
43. Двигатель по пп. 1- 36 или пп. 38-40, отличающийся тем, что первым источником топливопитания
является топливоинжектор высокого давления, находящийся в боковой стенке второго цилиндра и осуществляющий подачу топлива прямо во второй цилиндр выше или ниже головки второго поршня.
44. Двигатель по пп. 30-40, отличающийся тем, что он снабжен вторым источником топливопитания,
смонтированным в воздуховпускном средстве первого цилиндра и осуществляющем подачу воспламеняемой
искрой топливовоздушной смеси, на которой двигатель работает в режиме принудительного зажигания.
45. Двигатель по пп. 30 или 32-44, отличающийся тем, что первое канальное средство для второго цилиндра и воздуховпускное средство первого цилиндра имеют общее воздухопитание.
46. Двигатель по пп. 1-45, отличающийся тем, что он является двигателем с зажиганием от сжатия,
имеющим степень сжатия, достаточную для осуществления воспламенения от сжатия, при этом под степенью сжатия понимается соотношение газовых объемов цилиндров двигателя при положениях поршней во
внешней и внутренней мертвых точках.
(56)
1. Патент Великобритании 2218153, МПК F02D 75/28, 1989.
Данное изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания могут быть классифицированы как двигатели раздельного и нераздельного действия. Во всех таких двигателях используется такт сжатия, который предшествует воспламенению и
сгоранию топлива, которое смешивается с воздухом.
В двигателях нераздельного топливопитания топливо смешивается с воздухом перед началом хода сжатия, это
касается, прежде всего, бензиновых двигателей с принудительным, искровым зажиганием, именуемых обычно
SIGE-двигатели. В некоторых SIGE-двигателях, известных как двигатели с чередующейся заправкой, которые не
нашли широкого применения, топливо вводится в воздух в процессе такта сжатия, но до момента воспламенения,
который инициируется искрой. Во всех двигателях нераздельного, смесевого топливопитания ограничено максимальное давление сжатия, поскольку заранее приготавливаемая газообразная горючая воздухотопливная смесь
может воспламениться от высокой температуры, создаваемой в процессе сжатия еще до появления искры.
Работа двигателей с искровым зажиганием требует достаточно точной дозировки компонентов горючей
смеси. Это ограничительное требование в сочетании с относительно низкой степенью сжатия и необходимостью дросселирования воздуховпуска при неполной нагрузке, что в целом предопределяется особенностями
устройства такой системы сжигания топлива, приводит к относительно низкому термическому КПД. Основным
преимуществом таких двигателей является достаточно быстрый процесс сгорания используемой газообразной
смеси топлива и воздуха, что предопределяет относительно высокую их быстроходность и достаточно большую
мощность.
В двигателе с раздельным топливопитанием происходит сжатие всего или большей части используемого
воздуха без топлива, которое вводится в воздух практически в конце такта сжатия в точке, когда должно начинаться воспламенение. По такому принципу работает дизельный двигатель, в котором жидкое топливо
впрыскивается в камеру сгорания под очень высоким давлением фактически в конце такта сжатия.
Двигатель с раздельным формированием горючей смеси имеет существенно более высокий тепловой
КПД по сравнению с двигателем с принудительным зажиганием, в особенности при неполной нагрузке. Давление сжатия в нем, повышающее термическую эффективность, не лимитировано опасностью преждевременного воспламенения. Кроме того, при частичной нагрузке не требуется заслоночное дросселирование,
что исключает потери на перекачку. При неполной нагрузке возможно полное сгорание смеси, что также повышает термический КПД.
Недостатком способа дизельного разделения топливосмешения и сжигания являются относительно длительное время, затраченное на впрыск жидкого топлива и перевод его в парообразное состояние, прежде чем
оно сможет воспламениться и быстро сгореть. Таким образом, дизельный двигатель, обладая более высоким
тепловым КПД по сравнению с двигателем с принудительным зажиганием, не способен работать с такой же
быстроходностью как последний, обладая меньшей мощностью при таких же размере и весе.
Известны различные типы двигателей раздельного формирования горючей смеси (см. патентные документы
автора данной заявки GB-A-2155546, GB-A-2186913, GB-A-2218153 и GB-A-2238830). Такие двигатели в настоящее время в технической литературе называют "двигателями Мерритта".
Двигатель Мерритта содержит: по меньшей мере, один блок из первого и второго цилиндров и, соответственно, первый и второй поршни, перемещающихся в указанных цилиндрах, причем в каждом блоке первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, воздуховпускной клапан и/или канал,
сообщающийся с первым цилиндром, выпускной клапан и/или канал, сообщающийся с первым цилиндром,
источник топливопитания для подачи топлива во второй цилиндр, техническое средство, образующее камеру
4
BY 2352 C1
или пространство сгорания топливовоздушной смеси, когда поршни находятся в положении внутренней
мертвой точки, причем камера сгорания сообщается с обоими цилиндрами по меньшей мере в начальной
части расширительного такта, и блокирующее средство, препятствующее доступу топливовоздушной смеси
из второго цилиндра в упомянутую камеру сгорания.
Двигатель Мерритта, подобно дизельному двигателю, является двигателем раздельного приготовления
горючей смеси с тем отличием, что некоторое малое количество воздуха подвергается сжатию вместе со
всем используемым топливом во втором рабочем цилиндре меньшего объема, в то время как основная часть
воздуха сжимается независимо в первом цилиндре большего объема. Предельно обогащенная топливовоздушная смесь во втором цилиндре не детонирует в процессе ее сжатия вследствие ее интенсивного насыщения топливом. Известно также, что в таком двигателе малое количество топлива может смешиваться без
детонации на протяжении такта сжатия вследствие чрезмерного обеднения.
На фиг. 1 в качестве примера показана типовая конструкция двигателя Мерритта, который изображен в
упрощенном виде продольным разрезом. Этот двигатель [1], являясь современной модификацией двигателей
внутреннего сгорания, является наиболее близким аналогом заявляемому двигателю. Подробно конструкция
такого двигателя-аналога рассматривается ниже.
Двигатель, обозначенный в целом позицией 1, включает в себя первый рабочий цилиндр 2 и второй цилиндр 3
меньшего объема. В первом цилиндре 2 перемещается первый поршень 4, стык между которым и стенкой цилиндра уплотнен с помощью поршневых колец 5. Меньший по размеру второй поршень 6 выступает от головки поршня 4, перемещаясь внутри цилиндра 3. Как уже отмечалось, цилиндр 2 имеет больший рабочий объем по
сравнению с цилиндром 3. Фактически оси двух вышеуказанных цилиндров параллельны, хотя в данном случае
цилиндр 3 показан в соосном положении относительно большего цилиндра 2, что является сугубо частным, упрощенным конструктивным решением. Ход первого поршня 4 в оптимальном варианте организуется таким образом,
что второй поршень 6 входит в цилиндр 3, даже при его нахождении во внешней мертвой точке. На фиг. 1 положение внешней мертвой точки головки поршня 4 показано штрих-пунктиром. Поршни 4 и 6 посажены на общий коленчатый вал С, имея формально по данному упрощенному чертежу единый соединительно-шатунный механизм,
хотя в описании изобретения [1], представляющей данный двигатель-аналог, говорится о двух отдельных поршнях
и двух отдельных коленчатых валах. Внутри второго поршня 6 имеется рабочий объем сжигания горючей смеси в
виде локализованной камеры (объема) сгорания 7, сообщающейся одновременно с первым и вторым цилиндрами
2 и 3 через два канальных отверстия 8 и 9. В канале 8 образовано вышеупомянутое блокирующее, изолирующее средство.
Канал 8, который связывает камеру сгорания 7 со вторым цилиндром 3 и который заполняется топливом,
о чем более подробно будет сказано ниже, блокирует или ограничивает доступ горючей смеси (это явление
известно под термином "ингрессия"), что, в свою очередь, влияет на синхронизацию зажигания. Применительно к двигателю Мерритта термин "ингрессия" определяет поступление топливовоздушной смеси из второго цилиндра в камеру сгорания.
Двигатель, представленный на фиг. 1, является четырехтактным вариантом двигателя Мерритта. При работе такого двигателя в основной (главный) цилиндр из впускного канала 10 через впускной клапан 11 поступает соответствующая, значительная порция воздуха. Часть этого воздуха входит во второй цилиндр 3
через отверстие 8 и отверстие 9 в процессе такта всасывания. Жидкое топливо подается во второй цилиндр 3
при помощи форсунки-инжектора 12, причем такая топливоподача может осуществляться на протяжении
такта всасывания или, при необходимости, на начальной стадии такта сжатия.
По сравнению с дизельным двигателем с раздельной подачей компонентов топливной смеси, при работе
которого топливо впрыскивается в двигатель в конце хода сжатия, принцип действия двигателя Мерритта
предусматривает возможность подачи топлива в течение существенно более продолжительной части рабочего цикла такого двигателя. Благодаря этому, топливу отводится больший отрезок времени для перевода из
жидкого в газообразное (парообразное) состояние, но при этом топливо не смешивается в полной мере с основной частью сжимаемого воздуха, заранее вводимого в первый цилиндр 2, до осуществления горения в
камере 7.
Было установлено, и, как известно по предыдущим заявкам автора данного изобретения, что при использовании различных по объему цилиндров, сообщающихся с общей камерой сгорания, и при условии, что топливо содержится в меньшем цилиндре, происходит т.н. процесс "газодинамического разделения"
(сегрегации).
По существу, газодинамическое разделение отличается от чисто механического разделения в подаче компонентов горючей смеси в дизельном двигателе, в котором специальное клапанное устройство (обычно - это
игольчатый клапан в топливном инжекторе) прерывает топливоподачу в двигатель до требуемого момента
возобновления подачи топлива. При реализации процесса газодинамического разделения (сегрегации) в двигателе Мерритта воздух, находящийся в первом цилиндре большего объема и в камере сгорания, как известно, переходит во второй цилиндр меньшего объема в течение большей части такта сжатия. В конструкции,
представленной на фиг. 1, это реализуется в виде потока воздуха, проходящего по каналу 8, который связы5
BY 2352 C1
вает камеру сгорания 7 со вторым цилиндром 6, где находится все (или большая часть) топлива, за счет чего
в конечном итоге блокируется перемещение топлива в указанную камеру. В конце такта сжатия происходит
реверсирование газового потока, поскольку давление во втором цилиндре 3 становится больше давления в
камере сгорания 7, и топливо, поступающее от инжектора 12 и переходящее в парообразное состояние в
меньшем по объему цилиндре 3 в смеси с относительно небольшой частью воздуха, принудительно вводится в
камеру сгорания 7.
Задачей настоящего изобретения является разработка усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания.
Данная задача решается в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один блок первого и
второго цилиндров, причем первый цилиндр имеет больший по сравнению со вторым цилиндром рабочий объем, соответственно первый и второй поршни, выполненные с возможностью перемещения в указанных цилиндрах, воздуховпускное средство, сообщающееся с первым цилиндром, выпускное средство, сообщающееся с первым цилиндром,
первый источник топливопитания для подачи топлива во второй цилиндр, камеру сгорания, образованную поршнями
при их положении, по существу, во внутренней мертвой точке, причем камера сгорания сообщается с обоими цилиндрами в течение рабочего такта, и блокирующие средства, задерживающие доступ компонентов горючей смеси в камеру сгорания до того, как второй поршень придет в положение внутренней мертвой точки или будет находиться вблизи
него, и где указанный первый источник топливопитания расположен так, чтобы подавать топливо во второй цилиндр
над головкой второго поршня.
Второй поршень имеет головку, смещенную от головки первого поршня и связанную с ней, и кромку, которая проходит, по меньшей мере, над частью периферии головки и размер которой в осевом направлении
относительно меньше расстояния между головками первого и второго поршней в том же направлении, а камера сгорания образована головками поршней и боковой стенкой второго цилиндра, и кромка головки второго поршня радиально смещена от смежной стенки второго цилиндра так, чтобы образовывать между ними
зазор, который содержит указанные блокирующие средства, причем смещение имеет размер, который позволяет, по существу, задержать проход газа между боковой стенкой и головкой второго поршня из второго
цилиндра в камеру сгорания до конца такта сжатия. Головка второго поршня постоянно находиться во втором цилиндре. Головка второго поршня смещена от головки первого поршня и связана с ней при помощи, по
меньшей мере, одного центрального тела, которое расположено, по существу, соосно головке второго поршня и имеет криволинейную стенку, ограничивающую камеру сгорания. При разнесении по окружности выносных корпусных стоек-перемычек, образующих составные части головки второго поршня, он имеет
относительно малые поясковые кромки в осевом направлении: второй поршень имеет цилиндрическую юбку, находящуюся между его головкой и первым поршнем и имеет отверстия такого размера, который оставляет множество частей головки второго поршня с относительно малыми боковыми поясковыми кромками в
осевом направлении. На первом поршне ниже головки второго поршня имеется выступающий элемент, завихряющий газ в камере сгорания. Второй поршень расположен эксцентрично относительно первого поршня.
На головке первого поршня выполнена выступающая часть, входящая с рабочим зазором во второй цилиндр и, по
существу, отсекающая камеру сгорания от первого цилиндра, когда поршни находятся во внутренней мертвой точке или вблизи этого положения. Размер выступающей части в осевом направлении равен расстоянию, которое
поршни проходят между положением начала доступа компонентов горючей смеси в камеру сгорания и положением внутренней мертвой точки. Выступающая часть имеет радиально внешнюю боковую образующую поверхность, которая скошена в направлении от стенки второго цилиндра. Радиально внешняя боковая поверхность
выполнена криволинейной относительно стенки второго цилиндра. На внешней боковой выступающей части выполнены радиальные канавки, расположенные в направлении от головки первого поршня к верхнему торцу выступающей части.
В двигателе имеются канальные средства, связывающее пространство над головкой второго поршня с
первым цилиндром и обеспечивающие переход воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, когда
поршни находятся вблизи положения внутренней мертвой точки, усиливая доступ компонентов горючей
смеси в камеру сгорания. Указанные канальные средства выполняются во втором поршне.
Зазор выполнен сплошным кольцевым между кромкой головки второго поршня и смежной стенкой второго цилиндра. Зазор прерывается двумя или более радиальными выступами на головке второго поршня и/или стенке второго
цилиндра, которые скользяще взаимодействуют друг с другом, образуя направляющую для второго поршня. В выбранном месте камеры сгорания нанесен слой катализаторного материала. Второй цилиндр снабжен на удаленном от
первого цилиндра конце средством, образующим первый обводной перепускной канал вокруг кромки головки второго поршня, когда последний находится в положении внутренней мертвой точки. Первое перепускное средство - байпас имеет в осевом направлении размер больше толщины кромки головки второго поршня. Первое перепускное
средство выполняется в виде канавочного паза в стенке второго цилиндра, охватывающего, по меньшей мере, часть
образующей окружности второго цилиндра. Первое перепускное средство выполняется и в виде ступенчатого или
плавного уширения отверстия второго цилиндра.
6
BY 2352 C1
Двигатель содержит средство, инициирующее воспламенение топлива в камере сгорания. Это средство
представляет собой запальную искровую свечу, каталитический или другой запал.
Второй цилиндр имеет на ближайшем к первому цилиндру конце дополнительное средство, образующее
перепускной канал вокруг кромки головки второго поршня, когда последний находится в положении внешней мертвой точки или вблизи него. Перепускное средство - байпас имеет в продольном направлении размер, превосходящий ширину поясковой кромки головки второго поршня. В другом случае указанное
средство - байпас представляет собой канавочный паз, выполненный в стенке второго цилиндра и охватывающий, по меньшей мере, часть образующей окружности второго цилиндра. Дополнительное средство байпас выполняется в виде ступенчатого или плавного уширения отверстия второго цилиндра.
Двигатель имеет средство обеспечения доступа компонентов горючей смеси в камеру сгорания, связанное
со вторым цилиндром и предназначенное для впуска воздуха без или с топливом, или для впуска газообразного
топлива без, или с воздухом во второй цилиндр на протяжении такта всасывания, при этом указанное средство
доступа содержит первое канальное средство, входящее во второй цилиндр, и первое клапанное средство для
регулирования рабочего состояния канального средства. Первое канальное средство служит одновременно и
как впускное, и как выпускное отверстие второго цилиндра. Средство обеспечения доступа содержит второе
выпускное канальное средство для второго цилиндра и второе клапанное средство, регулирующее второе канальное средство. Второе выпускное канальное средство сообщается с первым канальным средством, обеспечивая рециркуляцию отработанного газа. Клапанное средство выполнено в виде подъемного клапана,
приводимого в действие механически или электрически. Средство обеспечения доступа включает в себя первое
клапанное средство с изменяемым проходным отверстием, находящееся по потоку перед фиксированным первым клапанным средством. Регулируемое клапанное средство выполнено в виде дроссельного или заслончатого
клапана.
Первый источник топливопитания расположен перед первым клапанным средством, источником топливопитания служит жидкотопливный инжектор. Двигатель снабжен средством управления для контроля момента впрыска
и длительности подачи топлива от первого источника топливопитания для ввода топлива в двигатель в течение периода, когда первое клапанное средство либо открыто, либо закрыто. Второе клапанное средство с изменяемым
проходным отверстием расположено перед воздуховпускным средством, сообщающимся с первым цилиндром с
обеспечением ограничения воздухоподачи в первый цилиндр в режиме неполной нагрузки двигателя.
Двигатель снабжен вторым источником топливопитания в виде жидкотопливного инжектора высокого
давления, расположенного таким образом, что, когда головка второго поршня находится вблизи или в положении внутренней мертвой точки, этот источник осуществляет впрыск в объем сгорания порции топлива под
давлением в дополнение к топливу, подаваемому во второй цилиндр первым источником топливопитания.
В двигателе имеется средство для управления первым источником топливопитания и обеспечивающее подачу части от общего количества топлива во второй цилиндр, в пространство над головкой второго поршня с началом и окончанием подачи, когда второй поршень находится в заданных положениях на удалении от
внутренней мертвой точки, и, кроме того, для управления вторым источником топливопитания и обеспечивающее подачу дополнительной части от общего количества топлива в объем сгорания, когда поршни находятся в
положении внутренней мертвой точки или вблизи него. В одном из вариантов первым источником топливопитания является топливоинжектор высокого давления, находящийся в боковой стенке второго цилиндра и осуществляющий подачу топлива прямо во второй цилиндр выше или ниже головки второго поршня. Двигатель
снабжен вторым источником топливопитания, смонтированным в выпускном средстве первого цилиндра и
осуществляющем подачу воспламеняемой искрой топливовоздушной смеси, на которой двигатель работает в
режиме принудительного зажигания. Первое канальное средство для второго цилиндра и воздуховпускное средство первого цилиндра имеют общее воздухопитание.
Двигатель также является двигателем с зажиганием от сжатия, имеющем степень, достаточную для осуществления воспламенения от сжатия, при этом под степенью сжатия понимается соотношение газовых объемов цилиндров двигателя при положениях поршней во внешней и внутренней мертвых точках.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения в конструкции предложенного двигателя предусматривается средство, функционально связанное со вторым цилиндром и предназначенное для регулирования давления в этом
цилиндре на уровне ниже давления в первом цилиндре на протяжении начальной стадии такта сжатия, за счет чего
блокируется доступ ко второму поршню, когда он приходит в положение внутренней мертвой точки или находится
около него. Следует указать, что давление во втором цилиндре в конце такта сжатия влияет на распределение времени
доступа, которое может контролироваться таким образом, чтобы обеспечивалась оптимальная синхронизация зажигания. Упомянутый доступ должен быть организован таким образом, чтобы он осуществлялся где-то ближе к концу такта сжатия, например, в пределах 25° до прихода во внутреннюю мертвую точку.
Конструкция вышеупомянутого средства обеспечения доступа предпочтительно включает в себя первое
канальное средство, входящее во второй цилиндр, и первое клапанное средство, контролирующее рабочее
состояние (проходное отверстие) первого канального средства. Это канальное средство в предпочтительном
варианте открывается в начале такта впуска и перекрывается на протяжении начальной стадии такта сжатия.
7
BY 2352 C1
Время перекрывания непосредственно влияет на распределение (синхронизацию) времени доступа к поршням. В соответствии с этим предпосылочным обстоятельством, клапанное средство может быть выполнено в
виде подъемного клапана, приводимого в действие механически или электрически. В качестве такого клапана может быть использован стандартный клапан. Применение клапана с электрическим управлением позволяет реализовать высокоточное регулирование длительности его открытия и времени закрытия, т.е.
обеспечить высокоточный контроль впуска горючей смеси.
Средство обеспечения доступа, кроме того, может включать в себя первое клапанное устройство с изменяемым проходным отверстием, например, заслоночный или дроссельный клапан, который лучше всего расположить перед (по потоку) указанным первым клапаном. Используя такое регулируемое клапанное
средство, можно с высокой точностью регулировать поток (расход) воздуха, проходящий через клапан, повышая степень регулируемого по времени впуска (доступа). Воздух, в сочетании с топливом или без него,
или же газообразное топливо, в смеси с воздухом или отдельно, может впускаться во второй цилиндр через
упомянутое средство обеспечения доступа на протяжении такта всасывания.
Перед первым клапанным средством размещается источник топлива, который может содержать жидкотопливный инжектор (форсуночный впрыскиватель). В системе питания может использоваться соответствующее
средство для синхронизации впрыска и регулирования длительности топливоподачи от источника топливопитания, обеспечивая ввод топлива в двигатель в течение периода времени, когда клапанное средство либо открыто, либо закрыто. Функционирование средства обеспечения доступа в цилиндры может контролироваться
соответствующим средством управления (регулирования), к примеру, от системы управления двигателем.
В двигателе, показанном на фиг. 1, камера сгорания 7 образована внутри второго поршня 6, что при приемлемости во многих отношениях создает определенные технологические трудности в изготовлении. Эти
трудности можно устранить, используя конструкцию, в которой камера сгорания только частично находятся
во втором поршне 6. При таком конструктивном решении второй поршень может иметь головку, которая
смещена и связана с головкой первого поршня и которая имеет поясковую кромку меньшего размера в направлении оси поршня по сравнению с базой смещения первого поршня от головки второго поршня, при
этом, желательно, чтобы головка второго поршня постоянно находилась во втором цилиндре. Таким образом, можно создать камерный объем сгорания между головками двух поршней без необходимости полностью заключать камеру сгорания внутрь меньшего поршня.
Второй поршень может быть выполнен таким образом, чтобы при его функционировании реализовалась
характеристика ступенчатого или постепенного доступа (ингрессии) в рабочее пространство двигателя. К
примеру, второй цилиндр на его конце, удаленном от первого цилиндра, может быть снабжен средством, образующим обводной канал (байпас) вокруг кромки головки второго поршня, когда этот поршень находится
около или непосредственно в его внутренней мертвой точке. В этом случае образующая кромка головки второго поршня на протяжении основной части его хода может примыкать к стенке второго цилиндра. Но при
выходе указанной кромки в зону упомянутого обводного канала (байпаса) происходит резкое увеличение зазора между нею и стенкой второго поршня, за счет чего осуществляется ускоренный доступ (ввод) горючей
смеси через байпас. Обводной байпасный канал в осевом направлении имеет длину, превышающую толщину
поясковой кромки головки второго поршня. Байпас может проходить по всей образующей или по какой-то
ее части второго цилиндра.
Применение такого байпаса имеет то существенное преимущество, что в этом случае во втором цилиндре
образуется буферный зазорный объем для испаряющегося топлива и воздуха, который задерживает впуск
горючей смеси и, кроме того, образует направляющую траекторию для пламени из объема сгорания, что
способствует полному охвату горением всего топлива, остающегося над головкой первого поршня после
впуска (ингрессии). Далее, наличие указанного байпаса способствует выходу отработанных газов, оставшихся над оголовочной частью второго поршня, в конце такта выпуска.
Вышеупомянутый байпас может быть образован ступенчатым или плавным увеличением рабочего отверстия второго цилиндра: все зависит от того, какой впуск необходимо реализовать - резкоступенчатый или
поступенчатый.
Применение второго поршня с тонкокромочной поясковой головкой в сочетании с перепускным, обводным каналом (байпасом), используемым для инициирования впуска, доступа горючей смеси, позволяет резко
уменьшить зазор между упомянутой выступающей кромкой поршня и боковой стенкой второго цилиндра.
Реально этот зазор может быть сведен к минимуму и заменен скользящим уплотнением, закрепляемым на
кромке-пояске головки второго поршня, к примеру, в виде поршневого компрессионного кольца. От такого
уплотнения не требуется высокой степени пригонки: в принципе, в стыке может существовать какой-то достаточно малый зазор. При таком конструктивном решении применение средства обеспечения доступа (впуска) воздуха во второй цилиндр является необходимым, причем это средство может использоваться и для
удаления отработавшего газа из второго цилиндра.
Выполнение на головке второго поршня небольшой выступающей поясковой кромки позволяет реализовать
принцип локализованного по времени, триггерного впуска (доступа) компонентов горючей смеси через перепуск8
BY 2352 C1
ное средство -байпас, которое при взаимодействии с тонкой кромкой головки малого поршня образует обводной
канал для газа во втором цилиндре над головкой второго поршня поперечно указанной кромке, когда второй поршень подходит к положению внутренней мертвой точки. При такой конструктивной схеме представляется возможным использовать два альтернативных варианта блокирующего, перекрывающего средства, обеспечивающего
надежное распределение газов во втором цилиндре над головкой второго поршня и воздуха в объеме сгорания до
впуска (осуществления доступа в двигатель с образованием горючей смеси).
В первом варианте исполнения указанное блокирующее, задерживающее средство, как указывалось выше, представляет собой зазор определенной формы между кромкой - пояском головки второго поршня и
стенкой второго цилиндра, При наличии такого зазора необходимо регулировать давление газа во втором
цилиндре над головкой второго поршня так, чтобы оно оставалось ниже давления воздуха в объеме сгорания
с другой стороны указанной головки до наступления момента впуска, доступа компонентов смеси. Такое регулирование может осуществляться с помощью вышеупомянутого средства обеспечения доступа.
В этом же варианте блокирующему средству может быть придана прямолинейно-ступенчатая форма.
Кромка-поясок головки второго поршня может быть смещена в радиальном направлении от смежной стенки
второго цилиндра с образованием зазора, который собственно и служит указанным средством. Такой принцип конструктивного решения позволяет достаточно легко сформулировать блокирующее средство вокруг
кромки второго поршня и является в этом отношении предпочтительным.
Вторым вариантом блокирующего средства является вышеупомянутое скользящее уплотнение в стыке
между выступающей кромкой головки второго поршня и стенкой второго цилиндра. В этом случае менее
важно обеспечение перепада давлений на головке второго поршня для интенсификации процесса впуска,
доступа друг к другу воздуха и топлива. Доступ возможен, когда уплотняемая кромка головки и второго
поршня не перекрывается байпасом.
В одном из вариантов исполнения зазор представляет собой сплошной кольцевой промежуток между
упомянутой выступающей кромкой головки второго поршня и смежной стенкой второго цилиндра. В другом
варианте зазор прерывается двумя или более радиальными выступами на головке второго поршня. Такие выступы могут скользящим образом перемещаться по стенке (внутренней поверхности) второго цилиндра, выполняя функцию направляющей опоры второго поршня. В альтернативном варианте упомянутый зазор
может прерываться двумя или более удлиненным по осевому направлению радиальными выступами на стенке второго цилиндра, образуя скользящую опору, направляющую головку поршня в процессе его движения.
Конструкция поршня может быть реализована в самом различном виде.
К примеру, головка второго поршня может быть смещена относительно головки второго поршня при помощи, по меньшей мере, одной отводной, выступающей части или тела, например, единого центрального
выступающего тела.
Эта выступающая часть при соответствующем профиле образует стенку криволинейного камерного пространства или объема сгорания топливовоздушной смеси. Данная криволинейная стенка может быть профилирована таким образом, чтобы интенсифицировать завихрение воздуха, входящего в течение такта сжатия,
с целью усиления перемешивания этого воздуха со смесью "парообразное топливо-воздух" при впуске в камеру сгорания, что в практическом аспекте является крайне желательным.
Второй поршень в альтернативном варианте исполнения может иметь цилиндрическую юбку, находящуюся между его головкой и головкой первого поршня, при этом в рубашке выполняется набор отверстий
относительно большого размера, из которых выступает несколько частей головки второго поршня, имеющих
относительно тонкие кромки.
В практическом аспекте наиболее предпочтительно, чтобы топливовоздушная смесь сгорела как можно
полнее в указанном промежуточном объеме, прежде чем этот объем станет полностью сообщатся с первым
цилиндром на протяжении такта расширения. Для реализации этого, на головке первого поршня предусматривается выполнение выступающей вверх части или заглушки, которая входит с соответствующим рабочим
зазором во второй цилиндр, практически полностью отделяя объем сгорания от первого цилиндра, когда
поршень приближается или приходит в положение внутренней мертвой точки. Второй цилиндр не обязательно должен иметь цилиндрическую форму, поскольку второй поршень может находится в нем без использования уплотнительных колец, т.е. основание этого поршня может иметь форму, соответствующую
выбранному профилю поперечного сечения второго цилиндра.
При использовании вышеуказанной выступающей части в конструкции цилиндрового блока может быть
применено специальное канальное средство, взаимосвязывающее объем или пространство над головкой второго поршня с первым цилиндром и предназначенное для "проводки" воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, когда поршни находятся вблизи положения внутренней мертвой точки, что облегчает доступ
компонентов формируемой топливовоздушной смеси друг к другу.
При дизельном принципе раздельного топливопитания топливо воспламеняется в результате контакта с горячим сжатым воздухом в объеме сгорания. В свою очередь, возможен и такой вариант, когда воспламенение топлива стимулируется при помощи свечи зажигания, катализаторного или какого-то другого средства зажигания,
9
BY 2352 C1
которое связано или сообщается с пространством сгорания. При использовании средства зажигания катализаторного типа оно размещается в объеме сгорания, к примеру, снизу на головке второго поршня, но не на стенке второго цилиндра.
Второй цилиндр может быть оснащен с того конца, который примыкает к первому цилиндру, вторым обводным, перепускным средством, к примеру, пазовой канавкой, аналогичной той, что упоминалась выше при
рассмотрении первого байпасного средства. Второй байпас позволяет газам обходить головку второго
поршня при нахождении в положении внутренней мертвой точки, уравнивая давление с противоположных
сторон головки второго поршня в начале процесса выпуска на стадии, известной как "продувка".
Одним из преимуществ использования в конструкции заявляемого двигателя второго поршня с тонкой
поясковой образующей кромкой и промежуточного объема сгорания между головкой первого поршня и
тыльной, нижней стороной головки второго поршня является то, что в таком двигателе может сочетаться
принцип газоразделения, характерный для дизельного двигателя, и принципы сжигания горючей смеси, применяемые в двигателях внутреннего сгорания с принудительным искровым зажиганием, с реализацией положительных качеств, присущих обоим указанным типам двигателей при условии гибридного совмещения
их с двигателем Мерритта, являющимся прототипом для данного изобретения.
Такие дизельно-гибридные системы позволяют переводить в парообразное состояние часть топлива, отделенного по принципу двигателя Мерритта от воздуха, а затем воспламенять его с образованием факела
пламени, усиливающего испарение, и сжигать остальное топливо, впрыскиваемое в режиме работы дизельного двигателя.
Для ограничения подачи воздуха в упомянутый первый цилиндр, при работе двигателя в режиме неполной нагрузки, может быть применено дроссельно-заслоночное средство, располагаемое по потоку перед указанным воздуховпускным средством и сообщающееся с упомянутым первым цилиндром.
В БДИЗ-гибридной схеме (т.е. "двигатель с искровым зажиганием -двигатель Мерритта") свеча зажигания может быть установлена в стенку второго цилиндра: в этом случае, когда головка второго поршня будет
находится вблизи или точно во внутренней мертвой точке, указанная свеча будет усиливать воспламенение
топливовоздушной смеси в пространстве сгорания за головкой второго поршня.
В первом рабочем режиме указанный впускной клапан пропускает в первый цилиндр двигателя через клапан-заслонку дозированную смесь топлива и воздуха, способную воспламенятся от искры, создаваемой упомянутой свечей, когда поршни находятся вблизи положения внутренней мертвой точки, при этом указанный
источник топлива и воздухопитающие отключены от второго цилиндра. Во втором режиме, когда впускной
клапан пропускает в первый цилиндр только воздух, и при этом источник топлива и воздухопитающие действуют, т.е. топливо и воздух поступают во второй цилиндр, данный двигатель работает по принципу двигателя
Мерритта.
Когда топливо от первого источника топливопитания проходит, впускается через вышеупомянутое средство
обеспечения доступа, связанное со вторым цилиндром, двигатель может работать по двухходовому, двухтактному циклу. В качестве примера такой схемы следует указать на конструкцию, в которой упомянутое воздуховпускное средство используется для впуска только воздуха с давлением выше атмосферного в первый цилиндр,
который оснащается указанным средством выпуска, при этом на первом поршне смонтирован второй поршень,
причем воздух с давлением выше атмосферного подается также и во второй цилиндр через упомянутое средство обеспечения доступа, но вместе с топливом от указанного первого источника. При желании воздух может
подаваться в оба цилиндра от одного и того же источника, к примеру, через картер двигателя.
Двухтактный цикл наиболее приемлем по реализации применительно к принципу раздельного формирования горючей смеси в Мерритт-двигателях и может включать в себя все признаки конструктивного оформления системы регулируемой раздельной подачи компонентов горючей смеси, характерные четырехтактному циклу, также как наличие
первой и второй обводных канавок-байпасов, тонкокромочной головки у второго поршня, выступающей вверх части,
используемой для запирания промежуточного объема горения с приходом во внутреннюю мертвую точку, и использование средства обеспечения доступа во второй цилиндр, оснащенный рабочим клапаном, при наличии или отсутствии дополнительного дроссельно-заслоночного клапана. В таком двигателе:
(а) второй поршень достаточно легко может быть размещен соосно с первым поршнем, поскольку в данном случае отпадает необходимость оставлять пространство под какой-то клапан над первым поршнем;
(б) легко реализуется удаление отработавших газов из-под головки второго поршня в процессе двухходовой продувки, что обуславливается открытостью пространства сгорания;
(в) выход топлива, которое поступает во второй цилиндр, в выпускной канал практически исключается в
процессе газообмена в конце такта выпуска, поскольку этот цилиндр отделен от указанного канала головкой
второго поршня.
В еще одном варианте конструктивного исполнения изобретения первый поршень может приводиться в движение первым кривошипом, а второй поршень -вторым кривошипом, два этих кривошипа связаны кинематически
друг с другом, вращаясь полностью или частично синфазно. Блокирующее средство может быть представлено отверстием, взаимосвязывающим первый и второй цилиндры, при этом головка первого поршня вблизи указанного
10
BY 2352 C1
отверстия имеет углубление, которое образует объем сгорания. Предусматривается источник топливопитания для
впрыска топлива во второй цилиндр. В варианте дальнейшей модификации возможно применение дополнительного источника топлива типа дизельного инжектора, используемого в первом цилиндре для впрыска топлива в промежуточный объем сгорания. В этих вариантах, для стимулирования воспламенения топлива в указанном объеме,
первый цилиндр может быть оснащен свечей зажигания.
Далее приводится подробное описание конструкции двигателя внутреннего сгорания, являющегося объектом притязания данного изобретения. Это описание сопровождено чертежными иллюстрационными материалами, краткое содержание которых (за исключением фиг. 1, на которой показана конструкция двигателяпрототипа) сводится к следующему.
На фиг. 2 приведен упрощенно-схематизированный разрез части двигателя внутреннего сгорания, представляющего настоящее изобретение.
На фиг. 3 приведен схематизированный разрез двигателя другого исполнения согласно данному изобретению, в котором головки первого и второго поршней взаимосвязаны центральным выступом-целиком на
втором поршне.
На фиг. 4 в увеличенном масштабе показана схема движения газа в соответствующей части двигателя,
изображенного на фиг. 3.
Фиг. 5 является видоизмененным вариантом схемы фиг. 4.
На фиг. 6 приведен чертежный разрез конструкции двигателя такого типа, как показано на схеме фиг. 3.
На фиг. 7 приведен разрез двигателя, аналогичного в целом тому, что показан на фиг. 6, но в отличие от
последнего имеющего свечу зажигания для запуска и работы на холостом ходу и дроссельно-заслоночный
клапан.
На фиг. 8 показан разрез двигателя, аналогичного двигателю, изображенному на фиг. 6, но в отличие от
последнего реализованного в соответствии с настоящим изобретением, по первой гибридно-дизельной схеме.
На фиг. 9 разрезом показан видоизмененный вариант дизель-гибридного двигателя, входящего в объем
притязаний настоящего изобретения.
На фиг. 10 приведен продольный разрез, аналогичный в определенной степени фиг. 6, но с тем отличием,
что в данном случае - это гибридный двигатель с искровым зажиганием.
На фиг. 11 приведена принципиальная схема двигателя, изображенного на фиг. 10.
На фиг. 12 схематизированным местным разрезом показана выступающая вверх часть первого поршня и
канал во втором поршне двигателя согласно данному изобретению.
На фиг. 13 показан схематично видоизмененный вариант конструкции поршней, изображенный на фиг.
12.
На фиг. 14 показана верхняя часть видоизмененного меньшего поршня в его цилиндре.
На фиг. 15 приведено поперечное сечение второго цилиндра с конструкцией, несколько измененной по
отношению к тому, что показано на фиг. 14.
На фиг. 16 изображена проекция поршня фиг. 14 по стрелке XI, показанной на фиг. 14.
На фиг. 17 приведен еще один вариант конструктивного исполнения второго поршня.
На фиг. 18 показано поперечное сечение поршня, изображенного на фиг. 17, по секущей плоскости ХIIХII.
На фиг. 19 представлен еще один вариант исполнения конструкции второго поршня.
На фиг. 20 приведен схематизированный продольный разрез двигателя данного изобретения в двухтактном варианте.
На фиг. 21 в увеличенном масштабе показана часть двигателя, изображенного на фиг. 20.
На фиг. 22 приведен чертеж (продольный разрез) конструкции двигателя, схема которого представлена
на фиг. 20.
На фиг. 23 представлена схема заявленного двигателя внутреннего сгорания еще в одном варианте исполнения.
Далее по вышеупомянутым иллюстрационным материалам проводится подробный анализ многовариантного конструктивного решения заявляемого двигателя.
Двигатель, изображенный на фиг. 2, аналогичен в определенной степени двигателю-прототипу, показанному на фиг. 1, что проявляется в том, что второй поршень 6 выступает вверх от оголовка первого поршня 4,
и в поршне 6 образована камера сгорания 7, сообщающаяся со вторым цилиндром 3 через отверстие 8 и с
первым цилиндром 2 через канал 9. С одной из сторон двигатель оснащен впускным 11 и выпускным 13 каналами. Примечательно то, что второй поршень 6 располагается на первом поршне 4 с эксцентриситетом.
В конструкцию средства 14 обеспечения доступа в рабочий объем двигателя входят второй впускной клапан 15 и
клапан-заслонка 16 (дроссельный клапан с изменяемым проходным сечением). Клапан 15 осуществляет контролируемый впуск воздуха из воздухоприемного канала 17, оснащенного форсункой 18 жидкого топлива. В течение такта
впуска клапан 11 пропускает воздух только к первому цилиндру 2. Топливо от инжектора 18 поступает во второй впу11
BY 2352 C1
скной канал 17, либо в течение того периода, когда второй впускной клапан 15 открыт, либо когда он закрыт, и впрыскиваемое топливо и воздух поступают во второй цилиндр таким образом, чтобы текущее давление в большем по
объему первом цилиндре 2 превосходило или было равно давлению в меньшем втором цилиндре 3 в течение начальной стадии хода сжатия. Это условие в полной мере может быть реализовано при перекрытии клапана 15 после клапана 11 и/или при частичном закрывании клапана-заслонки 16.
Размещение топливного инжектора 18 перед клапаном 15 способствует его защите от действия продуктов
сгорания (давления и температуры), что является определенным практическим преимуществом.
В течение такта сжатия воздух, сжимаясь, вытесняется из большего по объему цилиндра 2, при этом некоторая часть воздуха входит в камеру сгорания 7 (в результате наличия перепада давлений). Топливо, поступающее в воздушном потоке в меньший цилиндр 3 через клапан 15, испаряется в течение тактов впуска и
сжатия, когда меньший поршень 6 уже находится вблизи его внутренней мертвой точки. Топливо и воздух,
входящие через второй впускной клапан 15, находятся в дозированной пропорции за пределами диапазона
воспламенения обогащенности, вследствие чего топливовоздушная смесь не будет воспламенятся самопроизвольно от температуры, возникающей при сжатии, в меньшем цилиндре 3 над поршнем 6. Давление испаряющегося топлива и воздуха со временем становится больше, чем давление воздуха в камере сгорания, в
результате чего топливовоздушная смесь входит в эту камеру через соединительно-задерживающее отверстие 8 и воспламеняется воздухом при той высокой температуре, которая создается в указанной камере 7.
Охлаждающее действие парообразного топлива во втором цилиндре над головкой находящегося в нем
поршня и результирующее пониженное давление на протяжении такта сжатия приводят к тому, что температура топливовоздушной смеси будет оставаться ниже, чем у воздуха, входящего в камеру сгорания 7 из
большего цилиндра 2. После того, как поршень пройдет его внутреннюю мертвую точку и в течение такта
расширения газы из камеры сгорания 7 входят в больший по объему цилиндр 2 через канал 9, выпускное отверстие 19 которого начинает резко увеличиваться по площади открывания по мере отхода от нижней кромки стенки второго цилиндра на ранней стадии такта расширения.
При необходимости внутренняя поверхность камеры сгорания 7 может быть покрыта тонким слоем платины или какого-то другого катализатора, который будет усиливать воспламенение смеси, входящей в камеру сгорания 7 после открытия (реализации условий) доступа в нее. В течение такта выхлопа отработанные
газы выводятся из большего цилиндра 2 через выпускной канал 20 и выпускной клапан 21.
Управляя работой средства обеспечения доступа 14, можно достаточно точно регулировать давление в
меньшем цилиндре 3 и реализовать оптимальное распределение времени или синхронизировать по доступу
(входу смеси) в камеру сгорания, а следовательно, и контроль зажигания с реализацией оптимизированных
рабочих характеристик двигателя во всем его диапазоне нагрузок и скоростей. Работа клапана-заслонки 16 и
инжектора 18 может контролироваться от системы управления двигателем М.
Клапан-заслонка 16 необходим, если клапан 15 не оснащен приводным средством для контролируемого
изменения его положения путем прямолинейного смещения и/или поворотно от какого-то кривошипа (к
примеру, это может быть клапан с кулачковым приводом). Необходимость в заслонке 16 отпадает, если количество воздуха, поступающего через клапан 15, может регулироваться непосредственно этим клапаном,
например, за счет применения в конструкции данного клапана электромагнитного исполнительного механизма.
Как отмечалось выше, выполнение камеры сгорания 7 внутри меньшего поршня 6 вызывает определенные трудности. В связи с этим в рамках данного изобретения предусматривается вариант исполнения двигателя, представленный на фиг. 3, с видоизмененным блоком поршней, применение которого облегчает
выполнение объема сгорания, давая ряд других преимуществ. Переходя к рассмотрению фиг. 3, следует обратить внимание на то, что большой и малый поршни, впускной и выпускной клапаны, средство обеспечения
доступа в камеру (объем) сгорания и другие детали и части данной сборки, соответствующие по функциональному предназначению деталям и частям на фиг. 2, обозначены теми же цифровыми позициями.
В варианте, представленном на фиг. 3, меньший поршень 6 располагается соосно с большим по размеру поршнем 4 (хотя такая соосность в общем случае не является обязательной, и, в принципе, поршень 6 может располагаться со смещением относительно оси поршня 4). Поршень 6 имеет отходящее вверх тело 22 и выступ-основание
23. Тело 22 связывает головку 24 поршня 6 с ниже расположенным поршнем 4. Соединение поршней может быть
нежестким, т.е. гибким или упругим, к примеру, в виде шарового шарнира. Хотя головки 24 и 25 в данном случае
плоские, в принципе, они (одна или обе) могут иметь криволинейный профиль, к примеру, куполообразный или
усеченно-конический с цилиндрическими переходными поверхностями. Как показано на фиг. 3, тело 22 меньшего
поршня имеет криволинейный профиль, что сделано для завихрения воздуха, входящего в камеру сгорания 7 из
большего цилиндра 2, а также для завихрения и перемешивания топливовоздушной смеси, поступающей в этот
объем (камеру) 7, после открытия доступа в него. Объем или пространство сгорания 7 образовано между телом 22
поршня 6 и стенкой 26 меньшего цилиндра 3. Форма и размеры тела или корпуса 22 поршня 6 подбираются таким
образом, чтобы сформировать необходимый объем сгорания с соответствующим размером и формой.
12
BY 2352 C1
Головка 24 поршня 6 имеет поясковую выступающую кромку или образующую грань 27 с толщиной " t " в
осевом направлении, которая существенно меньше промежутка между головками 24 и 25 поршней 6 и 4. Образующая кромка 27 головки 24 может иметь цилиндрическую или какую-то другую форму, эта кромка - ребро
несколько отходит от стенки 26 второго цилиндра, образуя блокирующее, задерживающее средство в виде
кольцевого зазора 28, который выполняет функцию, эквивалентную отверстию 8 в конструкции, изображенной
на фиг. 2, полностью или частично заменяя указанное отверстие. Из фиг. 3, 4 и 5 видно, что верхний конец
меньшего цилиндра 3 имеет образующий канавочный круговой паз 29, который создает байпасное, перепускное
действие, усиливающее доступ компонентов горючей смеси в камеру сгорания (более подробно этот процесс
рассматривается ниже). На верхнем конце меньшего цилиндра 3 имеется средство обеспечения доступа, обозначенное в целом позицией 14 и включающее в себя второй впускной клапан 15 и дроссельный клапанзаслонку 16. Здесь же предусмотрен инжектор 18 (как и в двигателе, показанном на фиг. 2) для впрыска жидкого топлива во впускной канал 17. Как и в предыдущем варианте двигателя, дроссельный клапан 16 регулирует
расход воздуха, проходящего через впускной канал 17, независимо от количества топлива, впрыскиваемого инжектором 18.
В течение такта всасывания двигателя воздух входит в большой цилиндр 2 через впускной канал 10. Одновременно воздух поступает и в меньший цилиндр 3 через открытый клапан 15 вместе с топливом, впрыскиваемым инжектором 18. Топливо от инжектора 18 поступает во впускной канал 17 либо в течении того периода,
когда второй впускной клапан 15 открыт, либо когда он закрыт, или же на протяжении обоих этих периодов.
Заслонка 16 регулирует массовый расход воздуха, входящего в меньший цилиндр 3, обеспечивая такой режим,
при котором в течение такта всасывания воздушнотопливная смесь, входящая в меньший цилиндр 3 через впускной клапан 15, будет иметь давление меньше, чем в большом цилиндре 2. В свою очередь, изменяя время закрывания клапана 15 после перекрытия впускного клапана 11 на начальной стадии (в течение части или всей
первой половины) такта сжатия, можно реализовать такой режим, когда давление во втором цилиндре 3, т.е. в
камере сгорания 7, будет ниже давления на головке 24 поршня 6 в течение такта сжатия, как и в двигателе на
фиг. 2. Этот перепад давления оказывает влияние на распределение времени (синхронизацию) доступа, входа
компонентов, находящихся в меньшем цилиндре 3, в камеру сгорания 7, когда поршень 6 будет находится
вблизи положения внутренней мертвой точки в конце такта сжатия. Это в свою очередь, предопределяет время
воспламенения (зажигания) парообразного топлива, к примеру, за счет сжатия, когда топливовоздушная смесь в
цилиндре 3 встречается с достаточно горячим воздухом, поступающим в пространство сгорания 7 под действием большего поршня 4 в течение такта сжатия.
Регулирование рабочего положения заслоночного клапана 16 и/или перекрытие клапана 15, которые могут осуществляться системой управления М двигателем, позволяет регулировать время зажигания (воспламенения горючей смеси) в двигателе во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Расход топлива в общем
случае определяется выходной мощностью, необходимой водителю, и следовательно, нет необходимости
для этого осуществлять контроль положения заслонки 16, как это имеет место в обычном двигателе с искровым зажиганием.
В течение тактов впуска и сжатия топливо, входящее во второй цилиндр через второй впускной клапан 15,
переводится в парообразное состояние в малом цилиндре 3. Вблизи положения внутренней мертвой точки,
ближе к концу такта сжатия, образующая поясковая кромка или грань 27 головки 24 приходит в положение, показанное штрих-пунктиром, располагаясь напротив перепускного канала 30, что резко увеличивает проходное
сечение блокирующего средства, при этом воздушнотопливная смесь с топливом в паровой фазе с большой
скоростью проходит через канал 30, огибая кромку 27, и входит в камеру сгорания 7. Также к концу такта сжатия плоскоопорное основание 23 входит во второй цилиндр 3, частично изолируя камеру сгорания 7 от объема
первого цилиндра 2. В камере сгорания происходит интенсивное сжатие воздуха и соответственно создается
достаточно высокая температура, под действием которой топливовоздушная смесь, находящаяся здесь, самовоспламеняется, при этом расширяющиеся в объеме газообразные продукты горения толкают поршни 4 и 6
вниз, начиная такт расширения. Процесс выхода, доступа топливовоздушной смеси в камеру сгорания 7 завершается в тот момент времени, когда меньший поршень 6 придет в положение внутренней мертвой точки. Следовательно, процесс горения смеси может начинаться до достижения внутренней мертвой точки, результатом чего
может быть преждевременное и крайне нежелательное увеличение давления на головке 25 большего поршня 2. В
этом смысле, применение основания 23 может создать задержку в росте давления на головке 25 большего поршня,
пока не будет пройдена внутренней мертвая точка. Более подробно конструкция этого основания и принцип его
действия рассматривается ниже. Как следует из фиг. 3А продольно-осевая длина (ширина) " L" канавочного паза
30 превосходит толщину (ширину) " t " головки 24 второго поршня, в результате чего образуется увеличенный зазор для прохода топливовоздушной смеси N, получающей доступ в камеру сгорания через перепускной паз 30.
Профиль поперечного сечения паза 30 может быть самым различным, таким, как показано в качестве
примера на фиг. 3 и 4, и таким, как показано в качестве примера на фиг. 5. В последнем случае паз 30 имеет
усеченно-коническую нижнюю стенку 31, которая, благодаря скосу исключает резкое увеличение зазора, когда поршень 6 приближается к его верхней мертвой точке. В варианте головки 24, показанном на фиг. 5, на
13
BY 2352 C1
этой головке имеется поршневое кольцо 29, которое используется для обеспечения необходимого компрессионного уплотнения стыка между поршневой головкой 24 и стенкой (внутренней поверхности) 26 цилиндра
до того, как головка достигнет перепускного паза 30.
Следует отметить, что паз 30 образует объем мертвого пространства во втором цилиндре 3, т.е. тот объем, который не уменьшается при перемещении поршня 6 во втором цилиндре. Этот мертвый объем эффективно увеличивает время доступа горючей смеси, являясь для нее дополнительным локализированным резервуаром в
цилиндре 2 в течение хода сжатия, но который сообщается с камерой сгорания 7 и открыт в нее во время впуска,
доступа смеси. Другим функциональным назначением паза 30 является то, что он способствует образованию дополнительного объема для распространения факела пламени при сгорании и увеличению зоны действия возникающего при этом давлении за счет того, что камера сгорания 7 на такте сгорания смеси сообщается с
пространством над головкой 24 второго цилиндра, даже при использовании поршневого кольца 29 (что необязательно). В конечном итоге это способствует полному выгоранию топлива, которое остается над головкой 24 после
впуска топливовоздушной смеси в камеру сгорания 7.
Для того, чтобы правильно сориентировать головку 24 второго поршня, когда она входит в байпасную, перепускную зону, канавочный паз 30 может быть разбит на сегменты, разделенные несколькими промежуточными направляющими выступами-перемычками 32 (см. фиг. 22), и естественно, такой объем создает меньшее
сопротивление выходу газообразных продуктов сгорания в первый цилиндр 2, чем при применении достаточно
замкнутой камеры в варианте на фиг. 2.
В течение такта выхлопа газы, находившееся над головкой 24 второго поршня, будут переходить в камеру сгорания 7 и первый цилиндр 2 через зазор 28 под действием поднимающегося вверх указанного второго
поршня. При наличии перепускного (обводного) канала 30 выход таких отработанных газов значительным
образом облегчается в конце такта выхлопа.
Если зазор 28 достаточно мал, к примеру, когда имеется поршневое кольцо 29, в рассматриваемой конструкции
для вывода отработанных газов из цилиндра 3 в течение такта выхлопа дополнительно может использоваться клапан
15. Это означает, что данный клапан в течение одного цикла должен открываться и закрываться дважды, сначала в течение такта всасывания и затем снова на такте выхлопа. Отработанные газы в цилиндре 3 могут содержать несгоревшее топливо, а следовательно, могут повторно впускаться в цилиндр 3 в течение следующего такта всасывания вместе
с новой порцией топлива. В этом случае несгоревшее топливо будет оставаться в двигателе и будет дожигаться.
Несмотря на то, что малый цилиндр 3 показан с обводным, перепускным пазом 30 на его верхнем конце, на практике размер стыкового зазора 28 может быть подобран таким образом, чтобы один этот зазор, без байпаса 30, функционировал одновременно и как блокирующее средство, и как средство, открывающее доступ топливовоздушной
смеси в пространство сгорания. В этом случае размер зазора 28 тщательно подгоняется так, чтобы обеспечить надежную изоляцию между пространством над верхней поверхностью головки 24 и камерой сгорания 7 в течение большей
части такта сжатия.
Целесообразно обратить внимание на то, что фиксированное отверстие 9, имеющееся в блоке, показанном на фиг. 2, в данном варианте, т.е. на фиг. 3, отсутствует. Оно вполне достаточным образом заменено
кольцевым газопропускным переменным отверстием 33 между головкой 25 первого поршня 4 и кромкой 34
нижнего торца второго цилиндра 3. При движении поршней вниз в течение такта расширения происходит
быстрое увеличение кольцевого отверстия 33 при нарастании выхода газов из камеры сгорания 7 в первый
цилиндр 2.
При работе рассматриваемого двигателя головка 24 охлаждается поступающим топливом и воздухом,
входящим через второй впускной клапан 15, что предопределяется эффектом испарения топлива в воздух в
процессе такта сжатия и теплоотводом через корпус поршня 22.
Эффективность процесса выхлопа повышается за счет применения на нижнем конце второго цилиндра
дополнительного перепускного канавочного паза-байпаса 35, рассматриваемого подробно в конструкции
двигателя, представленного на фиг. 20 и 21. Здесь следует только отметить, что данный паз обеспечивает
выход в первый цилиндр 2 и оттуда в выпускной клапан 21 на стадии продувки такта выхлопа во втором цилиндре 3. По завершении этой стадии выхлопные газы могут переходить через зазор 28 из пространства над
поршневой головкой 24 в выпускной канал 20 в течение большей части выхлопа (выпуска), а при условии,
что используется поршневое кольцо 29, выпускаемые газы могут либо оставаться над головкой поршня 24 на
протяжении большей части такта выхлопа до того, как они получат свободу выхода через обводной паз 30 в
конце указанного такта, либо выходить из цилиндра через клапан 15, который может открываться в течение
такта выхлопа, как это было рассмотрено выше. В таком случае впрыск топлива инжектором 18 начинается
по окончанию процесса выхлопа.
Преимуществом конструкции, в которой клапан 15 используется и для впуска и для выпуска, является то,
что несгоревшее топливо, остающееся в цилиндре 3 в конце такта выхлопа, не выходит из двигателя, за счет чего снижается вредность выхлопных газов для окружающей среды.
Далее рассматривается фиг. 6, на которой представлен реальный чертеж конструктивного варианта (наилучшего варианта) исполнения двигателя по принципиальной схеме фиг. 3. На фиг. 6 детали и узлы, соответ14
BY 2352 C1
ствующие по смыслу деталям и узлам фиг. 3, обозначены одинаковыми цифровыми позициями и подробно (в
силу вышесказанного) рассматриваться не будут.
Приступая к рассмотрению чертежа на фиг. 6, прежде всего следует обратить внимание на то, что блок цилиндров
36 данного двигателя имеет полости 37 охлаждающей рубашки и состоит из большего по объему первого цилиндра 2
и меньшего второго цилиндра 3. Основной впускной канал 10 открывается и перекрывается впускным клапаном 11,
который приводится в действие кулачком 38 на распределительном валу 39. Клапан 11 смонтирован на скользящей
посадке в самой обычной направляющей 40 и имеет на верхнем конце конусную упорную втулку 41, которая удерживает в необходимом рабочем положении возвратную пружину 42 клапана, показанную штрих-пунктиром.
Другим преимуществом использования "открытого" объема (камеры) сгорания 7 в рассматриваемой конструкции является то, что в этом случае можно разместить искровую запальную свечу или воспламенитель непосредственно в данном пространстве. Это обстоятельство отражено на фиг. 7, на которой конструкция двигателя
идентична двигателю фиг. 6, за исключением наличия запальной свечи 43, проходящей через стенку 26 второго
цилиндра 3. Назначением данной свечи является стимулирование воспламенения горючей смеси в начальной
фазе зажигания, в частности, во время холодного запуска двигателя или при его работе на холостом ходу.
При желании более крупный цилиндр 2 может быть оснащен расходорегулирующим устройством 44 типа клапана-заслонки или дроссельного затвора с фиксированным проходным сечением, что имеет целью уменьшить впуск
воздуха в большой цилиндр 2 в течение хода всасывания при неполной нагрузке. Может понадобиться аналогичное
ограничение воздухоподачи и во второй цилиндр 3: для этого используется заслоночный клапан 16, поддерживающий
определенный перепад давлений между цилиндрами, который усиливает, стабилизирует разделение компонентов горючей смеси по различным частям двигателя. Этот режим может быть также реализован путем соединения впускных
каналов 17 и 10. При данном количестве топлива, необходимом двигателю при неполной нагрузке, рассматриваемое
регулирование будет давать увеличение коэффициента "топливо/воздух" в меньшем цилиндре 3, что исключает самопроизвольное воспламенение в результате сжатия (в этом цилиндре), когда коэффициент избыточного воздуха близок
к пределу воспламеняемости. Эта мера (т.е. уменьшение подачи воздуха) одновременно понижает пиковое давление
сжатия и максимальную температуру, при этом в конечном счете может отпасть необходимость в стимулировании запальной свечой 43 воспламенения топливовоздушной смеси после допуска, впуска ее компонентов в объем сгорания.
К примеру, двигатель может быть переведен в режим холостого хода, когда соотношение компонентов топливовоздушной смеси в меньшем цилиндре 3 подобрано химически правильно, т.е. является стехиометрическим. Процесс
дроссельного регулирования может привести к положению давлений сжатия до такого низкого уровня, при котором
полностью исключается самовоспламенение от сжатия, в этом случае для воспламенения химически корректной смеси, поступающей в камеру сгорания 7 после открытия в него доступа, может использоваться запальная свеча.
Как показано на чертеже фиг. 7, на цилиндрическом конце запальной свечи 43 имеется полость 45. Для
того, чтобы эта полость не действовала как нежелательный паразитный перепускной канал для газа на головке 24 второго поршня, свеча 43 должна располагаться внутри меньшего цилиндра 3 вполне определенным образом. В альтернативе можно минимизировать объем полости 45, например, используя свечу
соответствующего, приемлемого типа.
Другим преимуществом использования "открытой камеры сгорания" является то, что такая конструкция
позволяет реализовать в рамках данного изобретения двигателя по гибридной схеме, обладающие всеми положительными качествами системы раздельной подачи компонентов смеси двигателя Мерритта.
Первая такая гибридная конструкция показана на фиг. 8, на чертеже которой детали, соответствующие
деталям двигателя, изображенного на фиг. 6, обозначены теми же цифровыми позициями, что и на фиг. 6. В
двигателе, представленном на фиг. 8, применен второй топливоисточник в виде инжектора 46, причем первый источник топливопитания (инжектор 18) подает топливо во впускной канал 17, как и в предыдущем варианте. Из сравнения фиг. 6 и 8, следует, что инжектор 18 в данном случае смещен в положение между
каналом 17 и крышкой коромысла распределителя двигателя.
В течение такта всасывания клапаны 11 и 15 открыты, впуская без заслоночного дросселирования воздух в больший по объему цилиндр 2 и, соответственно, топливо и воздух в меньший цилиндр 3 (через клапан 15). Однако, в то
время как в конструкции на фиг. 6 инжектор 18 дает практически все количество топлива, необходимое для сгорания в
двигателе, инжектор 18 двигателя на фиг. 8 подает только часть этого количества. Как только поршень приблизится к
положению его внутренней мертвой точки, которое показано на фиг. 8 штрих-пунктиром, головка 24 выходит за выпускной срез инжектора 46, и в этой точке или в этот момент инжектор впрыскивает положенную порцию топлива (в
дизельном варианте непосредственно в камеру сгорания 7 под поршневую головку 24).
При нахождении поршня 6 вблизи его внутренней мертвой точки смесь парообразного топлива и воздуха
над головкой 24 получает доступ и входит в объем или камеру сгорания 7 через зазор 28 между кромкой 27
поршня и стенкой 26 меньшего цилиндра, с усилением ее впуска через байпасный паз 30. Такой ингрессионный выход смеси в камеру сгорания возможен и при предельно малом зазоре 28, но при наличии обводного
паза 30. При такте сжатия воздух из большего цилиндра 2 входит в камеру сгорания 7, имея температуру,
достаточную для воспламенения впускаемой в этот объем топливовоздушной смеси. Инжектор 46 синхронизирован на впрыск соответствующей порции топлива под давлением в камеру сгорания 7 таким образом,
15
BY 2352 C1
чтобы обеспечить предельно быстрое его воспламенение при наличии в указанной камере сгорания горючей
смеси. В таком режиме двигатель объединяет в себе принцип раздельной подачи компонентов смеси, характерный для дизеля и реализуемый форсункой (инжектором) 46, так и принцип раздельного питания топливом, присущий двигателю Мерритта и рассматриваемый в данной части описания заявки. Такое сочетание
принципов действия дизельного двигателя и двигателя Мерритта позволит дизельному двигателю работать с
высокими скоростями, обеспечивая топливом и интенсивным топливопотреблением, при крайне низком (если не при практически полном отсутствии) дымообразовании. Кроме того, такие дизельные двигатели могут
функционировать при относительно низких степенях сжатия и более высокой скорости. Объединение указанных принципов значительно повышает скорость сгорания по сравнению со стандартным дизельным двигателем, что достигается не за счет самостоятельного вклада принципа Мерритта, а за счет нового технического
решения, составляющего настоящее изобретение.
Количество топлива, подаваемого инжекторами 18 и 46, и временное распределение их действия, контролируются при помощи системы управления двигателем с обеспечением корректного соотношения в расходе
топлива между инжекторами 18 и 46 для каждого конкретного режима работы двигателя и предъявляемых
требований, к примеру, в расчете на минимизацию дымосодержащих в выхлопных газах.
В конструкции двигателя, представленной на фиг. 8, и в ранее рассмотренных вариантах, в которых инжектор 18
располагается по потоку перед клапаном 15, рабочее давление топлива в магистрали питания указанного инжектора
может быть относительно низким, к примеру, менее 10 бар, в то время как для работы инжектора 46, являющегося типовой дизельной форсункой, требуется давление существенно большей величины, для того, чтобы скомпенсировать
давление сгорания смеси.
На фиг. 9 представлен чертеж второго дизель-гибридного двигателя. На этом чертеже детали, соответствующие по функциональному назначению деталям конструкции, показанной на фиг. 6, имеют аналогичное
цифровое обозначение и подробно ниже не будут рассматриваться. На фиг. 9 инжектор 18 отсутствует: в
этом случае все топливо подается в двигатель одним управляемым инжектором 47, располагающимся практически в том же месте, что и инжектор 46 в конструкции, представленной на фиг. 8. Инжектор 47 представляет собой дизельный форсуночный впрыскиватель высокого давления, способный выпускать топливо двумя
или более обособленными импульсами. Это может быть, к примеру, дизельный инжектор с соленоидным
управлением. Импульсы могут иметь различную длительность при различных поточных скоростях впрыска
топлива на протяжении каждого импульса. Предусматривается применение и такого инжектора, который
осуществляет непрерывный впрыск топлива, начиная с малой скорости струи (малого удельного расхода) и
кончая более высокой скоростью впрыска. В процессе всасывания воздух впускается в больший по объему
цилиндр 2 через впускной клапан 11, при этом второй впускной открыт, пропуская только воздух, одновременно с этим в малый цилиндр 3, в объем над головкой 24 поршня, инжектор 47 впрыскивает определенную
часть от общей порции топлива. К моменту, когда поршень 6 приближается к положению верхней мертвой
точки, показанному штрих-пунктиром, топливо в воздушнотопливной смеси над головкой 24, находясь уже в
парообразном состоянии, получает доступ и входит в камеру сгорания, где оно воспламеняется нагретым
воздухом, заполняющим эту камеру. Затем инжектор 47 осуществляет повторный импульсный впрыск, вводя
оставшуюся часть от общей порции топлива в горящую смесь в камеру сгорания 7, после чего происходит
быстрое сгорание топлива аналогично тому, как это имеет место в конструкции, показанной на фиг. 8. При желании топливо можно впрыскивать в пространство над поршневой головкой 24 по первому импульсу инжектора 47 в процессе такта сжатия вместо такта всасывания или же в течение обоих этих тактов.
Вместо инжектирования два раза за цикл предусматривается возможность осуществления непрерывного
и более длительного впрыска, причем по мере прохождения головки 24 малого поршня мимо инжектора
скорость топливоподачи может увеличиваться с той целью, чтобы больше топлива попало непосредственно
в объем сгорания. В таком режиме данный двигатель будет работать с теми же преимуществами, что и вышерассмотренные его варианты.
Сравнительный анализ двух вариантов дизель/Мерритт - гибридного двигателя, представленных на фиг. 8
и 9, с полной очевидностью свидетельствует об их конкурентоспособности.
В третьем гибридном (совмещенном) варианте двигателя, рассматриваемом ниже, система раздельной подачи
компонентов горючей смеси по принципу Мерритта объединена с принципом действия двигателя внутреннего
сгорания с принудительным зажиганием, в котором топливо и воздух смешиваются заранее в процессе такта сжатия с последующим воспламенением искрой и горением, дающим выход энергии и мощности. В такой гибридной
конструкции, представленной как вариант на фиг. 10, последовательно реализуются два принципа внутреннего
сгорания. Детали и узлы конструкции двигателя, изображенной на фиг. 10 и 11, соответствующие по функциональному назначению элементам конструкции, представленной на фиг. 6 и 7, имеют сквозную позиционную нумерацию и не рассматриваются подробно ниже. Двигатель, показанный на фиг. 10, по конструкции идентичен тому,
что представлен на фиг. 7, с дополнением системы 48 контролируемого дозирования топливовоздушной смеси,
стандартно применяемой в двигателях с искровым, принудительным зажиганием. В состав системы 48 входит топливораспределитель, в качестве которого в данном случае служат инжектор 49 низкого давления (в состав которо16
BY 2352 C1
го может входить топливо-воздухорегулирующее дозаторное устройство, такое, как карбюратор) и клапанзаслонка 50. Такая система обеспечивает эффективное искровое воспламенение.
В процессе эксплуатации при запуске двигателя и его прогрева система 48 с принудительным зажиганием, включая инжектор 18, отключается, а клапан-заслонка 16 во впускном канале перекрывается. При всасывании топливовоздушная смесь впускается через клапан 11 в больший цилиндр 2. На протяжении такта сжатия эта смесь сжимается в
камере сгорания 7 и воспламеняется искрой от запальной свечи 43, причем воспламенение по времени осуществляется при нахождении цилиндра вблизи внутренней мертвой точки, показанной штрих-пунктиром. Мощность двигателя
может быть увеличена при открывании заслонки 50 и увеличении подачи топлива. Однако, открывание клапаназаслонки 50, естественно, ограничено каким-то пределом, это же касается и количества топливовоздушной смеси, которое может подаваться в больший цилиндр 2, что предопределяется степенью сжатия двигателя, которая в режиме
Мерритта должна быть достаточно высокой так, чтобы обеспечить компрессионное воспламенение, в то время как в
режиме работы с принудительным искровым зажиганием такое воспламенение в цилиндре 2 должно полностью исключаться.
После прогрева двигателя инжектор 49 может быть отключен, заслонка 50 открыта, инжектор 18 задействован, при этом клапан-заслонка 16 функционирует в нормальном режиме, в результате чего двигатель будет
функционировать таким образом, как это было рассмотрено применительно к фиг. 6. Переключение из режима в режим может производиться постепенно за счет увеличения количества воспламеняемой свечей смеси, впускаемой через второй впускной клапан 15 во второй цилиндр 3 при одновременном уменьшении
количества смеси, впускаемой через клапан 11, под контролем от системы управления двигателем.
Обеспечивая эффективный запуск и прогрев, гибридная схема двигателя, показанная на фиг. 10 и 11, дает широкий выбор рабочих ходовых режимов. Ходовой режим Мерритта обладает неоспоримым преимуществом, когда необходима экономия топлива при неполной нагрузке двигателя, или когда необходимо или желательно работать на
топливе различных видов, например, спиртах, которые могут подаваться в инжектор 18, причем, что важно, режим
работы по схеме Мерритта менее чувствителен к неоднородности, изменению топлива и, в частности, к октановому
числу.
Для задержки опережающего нарастания давления в большем цилиндре 2 (после зажигания) основание 23
должно входить в меньший цилиндр 3 где-то во время допуска (ингрессии) смеси в камеру сгорания и оставаться в
этом цилиндре до начальной фазы такта расширения. Таким образом блокируется или ограничивается выход газов
из камеры сгорания в больший по объему цилиндр 2 до тех пор, пока не начнется его ход расширения, а основание
23 выйдет из второго цилиндра 3. Следует обратить внимание на то, что после того, как основание 23 войдет в
меньший цилиндр 3, между боковой стороной этого основания и стенкой 26 цилиндра 3 должен оставаться некоторый зазор, через который воздух, оставшийся в большем по объему цилиндре 2, мог бы переходить в объем (камеру) сгорания. Указанный зазор может быть сформирован за счет скоса кромки 51 основания в направлении от
стенки 26, как это показано на фиг. 12, или же за счет оставления достаточного промежутка между смежными параллельными поверхностями основания 23 и стенки 26.
При использовании скоса (фаски) он может изменяться в осевом направлении, к примеру, скошенная кромка
может быть криволинейной. Размер зазора, обозначенного позицией 52, выбирается, исходя из совмещенного
функционального назначения, во-первых, по блокированию, задержке в передаче давления к большему поршню
после начала такта расширения и, во-вторых, в том, чтобы достаточное количество воздуха могло войти в объем
сгорания 7 в конце такта сжатия.
Как показано на фиг. 12, на основании 23 может быть выполнена одна или более канавок 53, проходящих
непосредственно от головки 25 большего поршня 4 (или начинающихся где-то рядом с этой головкой) в направлении верха указанного основания. Канавки 53 могут быть наклонными, например, спиральными, как
показано на фиг. 12, и могут иметь тангенциальную составляющую для усиления циркуляции, завихрения газового потока, проходящего через эти канавки. Это положительным образом будет сказываться на сгорании
смеси.
При использовании приподнятой части типа основания-прилива 23 в теле второго поршня 6 может быть выполнен канал 54, соединяющий пространство над головкой 24 'этого поршня с первым цилиндром и обеспечивающей таким образом перепускание воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, когда основание 23
начинает изолировать объем сгорания от первого цилиндра. Такая мера обеспечивает более интенсивный выход
топливовоздушной смеси из пространства над головой 24 поршня в камеру сгорания 7. Канал 54 может проходить через второй поршень от его головки, выходя вниз на боковую поверхность основания 23 или вблизи головки 25 первого поршня, в принципе, указанный канал может быть выполнен в блоке двигателя, как это
показано позицией 55 на фиг. 13. Объем данного канала мал по сравнению с объемом сгорания. Любой (один
или несколько) из каналов 54, 55 или канавок 53 может быть использован для отвода воздуха из пространства
над поршнем 4, когда основание локализует его, в камеру сгорания.
В конструкциях, представленных на фиг. 3-10, основание присутствует, но на практике возможны и такие
случаи, когда необходимости в этом основании нет, например, когда задержка в зажигании создает задержку
в нарастании давления в цилиндре 2.
17
BY 2352 C1
На фиг. 13 показан измененный вариант основания 23 на головке поршня 25. Такое основание-прилив
служит для тех же целей, что и основание, показанное на фиг. 12, включая все элементы последнего, к примеру, фасочный скос, канавки и т.д.
На фиг. 14 и 16 меньший поршень 18 показан с четырьмя радиальными выступами 56, проходящими от его
головки 24 и образующими боковые упоры, находящиеся в скользящем контакте со стенкой 26 цилиндра 3. Зазор 28 допускается перекрывать такими выступами в минимальной степени, что накладывает на их размеры
вполне определенное требование. Поскольку данные выступы работают как сухие подшипники скольжения головки поршня, они должны выполнятся из соответствующего материала, способного выдерживать высокие
температуры.
На фиг. 15 стенка 26 второго цилиндра 3 имеет радиальные направленные внутрь выступы 57, ориентированные по длине параллельно оси цилиндра. Эти выступы служат в качестве направляющей опоры головки 24 поршня
6 вместо выступов на поршне на фиг. 14 и 16. В данном случае выступы значительным образом прерывают зазор
28. В принципе, такие выступы могут быть каким-то образом наклонены по отношению к оси цилиндра, но с продольно-осевой составляющей.
В конструкциях, изображенных на фиг. 3-16, меньший поршень имеет грибовидную форму с центральным телом и головкой на верхнем конце. На фиг. 17 и 18 показан альтернативный вариант конструкции, в котором головка 24 поршня опирается на несколько расположенных по окружности перемычек 58, которые отходят вверх от
головки 25 большего поршня 4. При необходимости поршень 6 может иметь основание 23, показанное штрихпунктиром. При таком конструктивном решении формируется практически полностью открытая камера сгорания
7, при этом на значительной своей части головка 24 имеет тонкую кромку 27, непосредственно образующую блокирующе-задерживающий зазор 28 относительно внутренней поверхности цилиндра, как это показано на фиг. 18,
или же оснащаемую уплотнением (поршневым кольцом) 29, как показано на фиг. 5.
Для завихрения воздуха, входящего в камеру сгорания 7 в течение такта сжатия, используется криволинейный выступающий элемент 59, размещаемый под головкой 24, к примеру, на основании 23, что показано
штрих-пунктиром. Этот элемент может включать лопатки для усиления ротации воздушного потока вокруг
оси поршня.
На фиг. 19 представлен еще один вариант конструкции меньшего поршня 6, в котором применена юбка 60, соединяющие головки 24 и 25 и имеющая набор вырезов 61. Эти вырезы, предпочтительно, имеют переменную ширину
(что собственно и показано), например, в виде перевернутых треугольников, что позволяет оформить на головке 24
максимально длинный по окружности тонкий кромочный поясок 27 с минимальными перемычками-промежутками.
Как и в конструкции, показанной на фиг. 17, в данном случае может быть применен выступающий элемент 59 и основание 23.
В вышерассмотренных вариантах двигатель работает по четырехтактному циклу. В отличие от этого, на
фиг. 20 показан вариант двигателя (входящий в объем притязаний данного изобретения), который способен
работать по двухтактному циклу.
В конструкции, представленной на фиг. 20, впускной и выпускной клапаны 11 и 21 (фиг.2, 3, 6 и 11) заменены впускным и выпускным каналами 62 и 63, соответственно, при этом на стенке 26 меньшего цилиндра 3 установлена искровая запальная свеча 64 или воспламенитель накаливания для запуска двигателя и/или
работы на холостом ходу. Данный двигатель оснащен средством обеспечения доступа 14, содержащим впускной клапан 15 с дроссельным клапаном-заслонкой 16 (последний может не использоваться). Впускной
клапан 15 может приводиться в действие кулачком или электромагнитным способом. Перед клапаном 15
расположен источник топливопитания в виде инжектора (форсунки) 18 низкого давления. Этот инжектор
подает топливо во впускной канал 17, когда клапан 15 либо закрыт, либо открыт.
Следует обратить внимание, что показанная грибовидная форма меньшего поршня 6 не является обязательной: этот поршень может иметь профиль и конструкцию, показанную на фиг. 17 и 18 или фиг. 19.
При работе двигателя (фиг. 20) воздух поступает от соответствующего источника 65, к примеру, картера
или внешнего насоса, в каналы 17 и 66, под давлением выше атмосферного. При желании канал 17 может
запитываться воздухом от отдельного источника. Когда впускное отверстие 62 (связанное с каналом 66) не
перекрыто поршневой головкой 25, что показано штрих-пунктиром, воздух под давлением входит в больший
цилиндр 2, в то время как выхлопные газы от предыдущего цикла вытесняются через выпускной канал 63.
Одновременно с этим открывается клапан 15, и воздух проходит из канала 17 в меньший цилиндр 3 в пространство над головкой 24. Некоторая часть этого воздуха будет вытеснять отработанные газы предыдущего
цикла через задерживающий зазор 28 вокруг головки 24. В нижнем конце стенки 26 меньшего цилиндра 3
могут быть выполнены один или несколько вырезов-пазов 35, служащих в качестве байпаса головки 24 второго поршня, когда она находится в положении верхней мертвой точки, показанной штрих-пунктиром. Пазы
35 способствуют переходу выхлопных газов из меньшего цилиндра 3 в больший цилиндр 2 и позволяют использовать поршневое кольцо - уплотнитель 29 и осуществить продувку в начале выхлопа.
В предпочтительном варианте исполнения пазы 35 не полностью охватывают окружность вокруг стенки
26, так что головка малого поршня, направляясь перемычками между этими пазами, остается в совпадающем
18
BY 2352 C1
с меньшим цилиндром 3 положении, когда она приходит во внутреннюю мертвую точку. Такое конструктивное решение достаточно наглядно отображено на чертеже фиг. 22, где показаны направляющие перемычки 67 между упомянутыми пазами-вырезами. Перемычки 67 являются предложением стенки 26 второго
цилиндра.
В осевом направлении пазы 35 имеют высоту "X" (см. фиг. 21), которая меньше толщины "у" основания 23, но
больше ширины (толщины) поясковой кромки головки 24 меньшего поршня 6.
Топливо может входить в меньший по объему цилиндр 3 вместе с воздухом при открытом клапане 15, но
альтернативно этому, начало топливоподачи может быть задержано до того, пока поршень 6 не поднимется,
несколько не доходя до его внутренней мертвой точки, и перекроет пазы 35, но до того, как выпускной канал
перекроется большим поршнем 4. Желательно произвести задержку во времени перекрытия клапана 15 до
того момента, когда давление в большем цилиндре начинает расти в начальной фазе такта сжатия после перекрытия выпускного канала 53. Такая мера позволяет реализовать принцип раздельной подачи компонентов
смеси по схеме Мерритта с использованием зазора 28. Если клапан 15 имеет электромагнитный привод,
варьирование времени его закрывания может быть использовано для управления процессом доступа смеси в
объем сгорания взамен, дроссельного клапана 16. Ближе к концу такта сжатия имеет место вход (доступ) топливовоздушной смеси через задерживающий (блокирующий) зазор 28, а возможно через перепускной паз
30, если он имеется, причем это происходит, даже если применен блокирующий (компрессионный) уплотнитель - поршневое кольцо 29, как это показано на фиг. 5. Воспламенение горючей смеси происходит в результате контакта с горячим воздухом в камере сгорания 7 с помощью или без помощи запальной свечи 64,
которая выходит непосредственно в камеру сгорания 7 ниже головки 24, когда последняя находится у верхней мертвой точки (показанной также штрих-пунктиром). В конце такта расширения выхлопные газы выходят из двигателя через выпускной клапан 63, при этом пазы обеспечивают уравнивание давлений на головке
24 малого поршня. На фиг. 20 различные положения поршня 6 показаны контурными и штрих-пунктирными
линиями.
Следует указать, что поршень 6 может иметь основание 23, которое будет располагаться над пазами 35, когда этот
поршень находится в положении его внутренней мертвой точки, или же вместо того, что показано на фиг. 13, поршневая головка 25 может иметь выступ 23. Двухтактный цикл для двигателя Мерритта может быть реализован в любой из
вышерассмотренных гибридных конструкций при работе как в дизельном, так принудительно-воспламенительном
режимах. В данном двигателе может быть использован байпас 30, показанный на фиг. 3, фиг, 4 или 5. В рассматриваемом варианте двигатель может иметь также блокирующе-задерживающее средство в виде зазора 28, как это показано на фиг. 20, или поршневое кольцо 29, как это показано на фиг. 5. В данном случае нет необходимости
использовать впускной клапан 15 совмещенно с функцией выпускного клапана.
На фиг. 22 приведен технический чертеж реальной конструкции двухтактного двигателя, принципиальная
схема которого представлена на фиг. 20, при этом соответствующие детали обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
Показанный на фиг. 22 блок цилиндров 36 двигателя имеет полости 37 рубашки охлаждения, аналогичные тем, которые показаны в конструкции на фиг. 6. Блок 36 включает в себя большой и малый цилиндры 2
и 3, соответственно, имеет впускной канал 62 и выпускной канал 63. Впускной клапан 15 приводится в действие кулачковым распределительным валом 39 и смонтирован на скользящей посадке в стандартной направляющей (корпусе) 40. Клапан 15 удерживается в закрытом положении пружиной 42, показанной штрихпунктирными линиями.
Подача воздуха во впускной канал 62 и канал 17 осуществляется от соответствующего источника, к примеру, через картер двигателя (не показан). В альтернативном варианте воздух может подаваться вентилятором или каким-то подобным питателем.
Поршни 4 и 6 подсоединены к коленчатому валу С.
В то время, как при рассмотрении предшествующих вариантов двигателя, в его конструкции использовалось средство 14 обеспечения доступа компонентов горючей смеси, включающее в себя дополнительный клапан 15, в варианте,
показанном на фиг. 23, это средство отсутствует, что может быть в случае, когда топливо имеет очень высокую теплоемкость (скрытую теплоту), что характерно, к примеру, для метанола, так как в этом случае топливо способно предельно эффективно охлаждать воздух в меньшем цилиндре над поршневой головкой 24, что само по себе,
способствует эффективной реализации принципа раздельной подачи компонентов без помощи упомянутого средства,
предназначаемого для контроля времени впуска компонентов горючей смеси в камеру сгорания.
В конструкции двигателя, представленной на фиг. 23, поршни 4 и 6, находящиеся в соответствующих цилиндрах 2 и 3, аналогичны тем, что были рассмотрены выше, например, поршням двигателя фиг. 3. В данном случае могут быть использованы либо клапаны впускной 11 и выпускной 21, либо каналы 62 и 63.
Меньший поршень 6 имеет грибовидную форму при всех тех особенностях конструкции, которые присущи
вышерассмотренным вариантам, к примеру, основания 23. В альтернативном варианте этот поршень может
иметь такое конструктивное решение, как на фиг. 14 и 16, 15, 17, и 18 или 19. В рассматриваемой конструкции применен топливный инжектор 68, способный выдерживать давления, развиваемые в пространстве сго19
BY 2352 C1
рания. Этот инжектор осуществляет впрыск топлива непосредственно в меньший цилиндр 3 в течение такта
всасывания, или же в течение такта всасывания и сжатия.
На такте всасывания в объем меньшего цилиндра, над головкой 24, через блокирующе-задерживающий зазор 28 входит некоторое количество воздуха. В данной конструкции может быть использован дополнительный
дроссельный канал 69 в виде отверстия в указанной поршневой головке. В это отверстие может вводиться, например, выступающая запально-искровая свеча 70, воспламенитель накаливания или форсунка дизельного типа,
когда поршень приближается к положению внутренней мертвой точки. Следует подчеркнуть, что в данном варианте блокирующим средством служит зазор 28 (или отверстие 69), дающий возможность воздуху входить в
цилиндр 3 в течение хода впуска, а также пропускающий отработанный газ.
В конце хода сжатия через блокирующий зазор 28 при помощи перепускного средства - байпаса 30 и зазора между свечей и поверхностью отверстия 30 и зазора между свечей и поверхностью отверстия 69 будет
происходить допуск (впуск) в общий объем парообразного впрыскиваемого топлива и воздуха. После этого
осуществляется воспламенение, принципы реализации которого были рассмотрены выше.
Под термином "клапан", использованным в данном описании, подразумевается контролируемое отверстие. В
свою очередь, термин "воздух" понимается как смесь кислорода с другими обычными составляющими воздушной
среды типа инертных газов, под этим же термином имеется в виду чистый кислород, используемый для сжигания
газообразного топлива. Воздух, применяемый в двигателе, может содержать рециркулирующие выхлопные газы,
картерные газы и с небольшой примесью углеводородов, присутствующих в утилизируемых в двигателе рецеркулирующих газах.
Термин "допуск" (ингрессия) означает переход топливовоздушной смеси из второго цилиндра в объем
(камеру) сгорания в положениях внутренней мертвой точки поршней или вблизи этой точки в конце такта
сжатия.
В заключение следует подчеркнуть, что двигатель, составляющий существо настоящего изобретения,
может быть двигателем внутреннего сгорания и с воспламенением от сжатия, и с геометрическими характеристиками, обеспечивающими необходимую высокую степень сжатия, при этом под "степенью сжатия" понимается отношение объемов газа в цилиндрах во внешней и внутренней мертвых точках поршней.
Специалистам в области двигателестроения со всей очевидностью понятна возможность взаимообмена
между рассмотренными вариантами конструкции заявляемого двигателя.
Фиг. 2
Фиг 3
20
BY 2352 C1
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг 6
Фиг 7
21
BY 2352 C1
Фиг. 8
Фиг. 9
Фиг. 10
Фиг. 11
22
BY 2352 C1
Фиг. 12
Фиг. 14
Фиг. 13
Фиг. 15
Фиг. 17
Фиг. 16
Фиг. 18
23
BY 2352 C1
Фиг. 19
Фиг. 20
Фиг. 21
Фиг. 22
24
BY 2352 C1
Фиг. 23
Cоставитель А.К. Карачун
Редактор В.Н. Позняк
Корректор Т.Н. Никитина
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
469 Кб
Теги
by2352, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа