Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель содержит первый и второй цилиндры, причем первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй, поршни, средства впуска, выпуска, общую камеру сгорания, второй объем камеры сгорания, воспрещающие средства, источник топлива, приводные средства, средство завихрения с препятствием между цилиндрами, имеющие отверстие, проходящее в направлении центра днища, когда второй поршень находится в верхней мертвой точке. Второй поршень имеет лопасть на днище. Изобретение обеспечивает улучшение сгорания в поршневых двигателях внутреннего сгорания. 7 з.п.ф-лы, 8 ил.

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания.

"Разделяющий двигатель" представляет собой двигатель, в котором топливо не начинает смешиваться с основной массой всасываемого двигателем воздуха почти до конца хода сжатия, непосредственно перед зажиганием, и различные двигатели внутреннего сгорания, которые можно отнести к классу разделяющих двигателей, известны, например, из GB-A-2155546, GB-A-2186913, GB-A-2218153, GB-A-2238830, GB-A-2246394, GB-A-2261028, GB-A-2268544 и GB-A-2279407. Эти двигатели известны теперь как двигатели Мерритта.

Дизельный двигатель является также разделяющим двигателем, в то время как в бензиновом двигателе с искровым зажиганием сжимается предварительно подготовленная смесь топлива и воздуха.

Важной характеристикой разделяющих двигателей, таких как дизельные двигатели и двигатели Мерритта, является отделение большей части топлива от большей части воздуха до момента времени, непосредственно предшествующего моменту зажигания, и быстрая подача топлива в камеру сгорания перед окончанием хода сжатия.

Двигатели Мерритта используют так называемую систему управления сгоранием Мерритта, которая представляет собой последовательность процессов, предназначенных для улучшения сгорания в поршневых двигателях внутреннего сгорания. В этом отношении она аналогична другим общим системам управления сгоранием, таким как в дизельных двигателях и в двигателях Отто, или бензиновых двигателях с искровым зажиганием. Система управления сгоранием Мерритта может работать с различными устройствами, которые указаны в описаниях предшествующих патентов, приведенных выше. Система управления сгоранием Мерритта характеризуется отделением, по меньшей мере, одной части подаваемого в двигатель топлива во втором, меньшем цилиндре, содержащим некоторый объем воздуха и имеющим меньший поршень, и введением топлива в меньший цилиндр во время хода выпуска, и/или впуска, и/или сжатия большего поршня. Топливо остается отделенным от основной массы воздуха пока не происходит доступ перед окончанием хода сжатия обоих поршней. Такое устройство обеспечивает достаточное время для испарения топлива в некотором объеме воздуха (который может содержать продукты сгорания предыдущего цикла) перед началом сгорания, в противоположность с дизельными разделяющими двигателями, в которых жидкое топливо впрыскивают в воздух непосредственно перед моментом зажигания. В системе управления сгоранием Мерритта меньший цилиндр используют в качестве испарительного цилиндра, а меньший поршень используют в качестве поршня подачи топлива. Поэтому меньший цилиндр можно назвать цилиндром управления топливом. Больший цилиндр получает воздух не через дроссельную заслонку и без топлива, а больший поршень используют для сжатия воздуха.

Задачей настоящего изобретения является создание улучшенного двигателя внутреннего сгорания.

В соответствии с этим настоящее изобретение предлагает двигатель внутреннего сгорания, который содержит: по меньшей мере, одну пару первого и второго цилиндров, при этом первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр; соответственно первый и второй поршни имеют возможность совершать возвратно-поступательные движения в указанных цилиндрах, при этом второй поршень имеет приводной шток и разделяет второй цилиндр на первый объем, содержащий приводной шток второго поршня, и на второй объем между двумя поршнями; средства впуска, сообщающиеся с первым цилиндром; средства выпуска, сообщающиеся с первым цилиндром; средства, образующие общую камеру сгорания между поршнями, когда поршни находятся, по существу, в их внутренних центральных мертвых точках, камера сгорания состоит из второго объема; средства передачи, обеспечивающие поток газа между первым и вторым объемами; воспрещающие средства для воспрещения перемещения существенного количества смеси топлива и воздуха из первого объема во второй объем до окончания хода сжатия второго поршня; первый источник топлива для обеспечения топливом первого объема; приводные средства для привода второго поршня;
и средства для создания завихрения в газе, протекающем из первого цилиндра во второй цилиндр;
при этом средства для создания завихрения содержат препятствие между цилиндрами, имеющее отверстие для направления струи потока газа в заданном направлении;
отличающийся тем, что отверстие проходит в направлении центра днища, когда второй поршень находится в верхней точке своего хода, для создания тороидального газового потока, тело которого образовано струей газового потока.

Предпочтительно, второй поршень имеет, по меньшей мере, одну лопасть на его днище для направления газа, сталкивающегося с днищем, в направлении оси второго цилиндра для обеспечения вращения тороидального потока газа.

Препятствие представляет собой, предпочтительно, перегородку между первым и вторым цилиндрами, при этом перегородка имеет отверстие для направления струи газового потока в заданном направлении.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения отверстие направляет струю газового потока для столкновения с днищем второго поршня. Отверстие проходит, соответственно, в направлении, в основном параллельном оси второго цилиндра. В предпочтительном варианте выполнения направление может быть совмещено с осью второго цилиндра.

Приводное средство включает, предпочтительно, средство для удержания второго поршня по существу в неподвижном состоянии во внутренней центральной мертвой точке или вблизи от нее в течение, по меньшей мере, части рабочего хода первого поршня.

Описание чертежей
Данное изобретение поясняется подробно на примере выполнения с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - частичный разрез части двигателя согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг. 2 - часть фиг. 2 в увеличенном масштабе;
фиг. 3 - второй вариант выполнения двигателя согласно настоящему изобретению в виде, аналогичном виду по фиг. 1;
фиг. 4 - вариант фиг. 2;
фиг. 5 - другой вариант фиг. 2;
фиг. 6 - вид сверху модифицированной формы поршня согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение является улучшением двигателя, раскрытого в патенте GB-A-2279407, на содержание которого здесь делается ссылка. В этом предшествующем описании дано полное описание двигателя и способов его работы.

Двигатель Мерритта, показанный на чертежах, имеет больший цилиндр 12 и меньший цилиндр 14, который является удлинением большего цилиндра. Меньший поршень 18 имеет возможность перемещения в меньшем цилиндре 14 и имеет днище 35 и цилиндрический приводной шток 234. Больший поршень 16 имеет возможность перемещения в большем цилиндре 12, имеет днище 36 и уплотнен с помощью поршневых колец обычным способом. Проход 25 работает как выход для выхлопных газов во время такта выпуска поршня 16. Проход 25 может также работать как впуск для воздуха для его подачи в цилиндр 12 во время такта впуска поршня 16. Оба поршня приводятся в движение с помощью отдельных механизмов, которые могут быть соединены вместе или быть управляемыми для совместной работы с помощью соответствующего механизма C. Например, больший поршень может приводиться в движение с помощью коленчатого вала и системы соединительных рычагов, а меньший поршень - с помощью кулачка 500, соединенного с коленвалом 600. Величина хода каждого поршня может быть различной. Больший поршень имеет, предпочтительно, больший ход.

Меньший поршень 18 разделяет второй цилиндр 14 на первый объем 15a позади днища 35 меньшего цилиндра, содержащий приводной шток 234, и на второй объем 15b, расположенный между двумя поршнями. Можно заметить, что этот объем изменяется при перемещении поршня 18.

Топливо подается в меньший цилиндр 14 с помощью топливного инжектора 34. Может иметься свеча зажигания 52 для обеспечения зажигания. Топливный инжектор и свеча зажигания могут управляться системой M управления двигателем.

Камера сгорания 20 образована между двумя поршнями 16, 18 и частично отделена от большего цилиндра 12 препятствием или пластиной 216, которая имеет отверстие 2161. Отверстие позволяет перемещаться газам между камерой сгорания 20 и большим цилиндром 12 и выполняет ряд функций. Оно создает вихревое движение в воздухе, перемещающемуся от большего цилиндра 12 в камеру сгорания 21 во время хода сжатия большего поршня 16. Оно обеспечивает также вытекание горячих газов из камеры сгорания во время ранних стадий сгорания в виде высокоскоростной струи. Эта струя может быть направлена в сторону клапанных углублений в цилиндре 12, которые содержат неиспользованный или паразитный воздух, который можно заставить участвовать в процессе сгорания. Размер отверстия 2161 можно изменять по выбору конструктора в зависимости от топлива и от используемой степени сжатия.

Отверстие проходит так, чтобы направлять струю воздуха из большего цилиндра 12 так, чтобы струя попадала на вогнутое днище 35 меньшего поршня 18. В результате этого воздух, нагнетаемый в меньший цилиндр 14 во время хода сжатия, отклоняется от вогнутого днища поршня наружу в направлении стенки 14A меньшего цилиндра, где он направляется вниз и затем внутрь с помощью поверхности пластины 216. Поверхность пластины 216 удобно вогнута соответствующим образом для поддержания движения газов.

Быстрое смешивание воздуха и испарившегося топлива способствует полному и быстрому сгоранию всего топлива в двигателе Мерритта, и настоящее изобретение предлагает наиболее преимущественный способ достижения этого в выполнении косвенного двигателя Мерритта.

Движение газа показано на фиг. 2, которая иллюстрирует ситуацию в камере сгорания 20 незадолго до окончания хода сжатия двигателя.

Воздух поставляется большим цилиндром 16 (не показан) через отверстие 2161, которое изображено в виде простого отверстия, но которое может иметь любую форму. Струя воздуха поднимается и ударяется в нижнюю поверхность днища меньшего поршня 35 вблизи его центра, где она отклоняется, образуя симметричный, направленный вниз "фонтан". Указанная нижняя поверхность показана на фиг. 2 вогнутой, однако она может быть плоской и выпуклой, как показано, соответственно, на фиг. 4 и 5. Движение воздуха внутри камеры сгорания начинается с началом хода сжатия большего поршня и образует тороидальное перемещение воздуха внутри камеры сгорания при поднимании меньшего поршня 18. Это тороидальное перемещение показано стрелками 420, 430 и 440 и оно постоянно усиливается дополнительным моментом, прикладываемым струей воздуха 410.

Можно видеть, что тороидальное перемещение отклоняет воздух мимо зазора 128 между днищем 35 и стенкой 14a, а также продувает свечу зажигания 52 в ее углублении.

Маленькая величина зазора 128 формирует запрещающие средства, которые запрещают перемещение топливно-воздушной смеси от первого объема 15a мимо днища 35 до конца такта сжатия.

Вблизи окончания хода сжатия смесь испарившегося топлива и газа, изображенная стрелками 510 и 520, начинает выходить из первого объема 15a и отклоняется на путь следования воздуха с помощью средств передачи в форме периферийной канавки 39. Эффект отчетливо показан для стрелки 520, представляющей топливо, встречающейся со стрелкой 420, представляющей воздух.

Такой способ смешивания очень эффективен и быстр, так как он смешивает топливо и воздух равномерно вокруг периметра днища 35 поршня 18.

Часть горючего газа попадает в углубление 53 свечи зажигания, которое соединяет полость 53 с периферийной канавкой 39 через щель 51 (фиг. 4), и это позволяет свече зажигания зажечь часть смеси и инициировать процесс вызванного искрой компрессионного сгорания остатка топлива.

Преимуществом этого особого "фонтанного" перемещения воздуха состоит в том, что когда меньший поршень 18 достигнет внутренней центральной мертвой точки или будет вблизи нее в конце хода сжатия, то смесь топлива с воздухом, которая выходит из-за меньшего поршня 18, вокруг кромки днища и в камеру сгорания 20, принимается воздухом, проходящим поперек зазора между кромкой поршня и стенкой цилиндра, обеспечивая тщательное смешивание выходящей смеси топливо/воздух с циркулирующим воздухом.

В идеальном случае отверстие 2161 аксиально выровнено с центром днища меньшего поршня 18, однако оно может быть также смещено, как показано на фиг. 3, при условии, что струя воздуха из большего цилиндра 12 направлена на поверхность днища меньшего поршня 18, а не на стенку цилиндра 14A или зазор между днищем поршня и стенкой цилиндра.

Как показано на фиг. 3, поверхность днища 35 может иметь центральную "пику" 21 или выступающую часть для обеспечения равномерного распределения воздуха в направлении кромки днища.

Поверхность днища 35 в периферийной области днища может быть также расположена под углом по отношению к оси цилиндра 14 для улучшения смешивания воздуха с выходящим топливом и направления воздуха в направлении свечи зажигания 52.

Поверхность днища 35 может быть вогнутой, как показано на фиг. 2, или плоской, как показано на фиг. 4, или выпуклой, как показано на фиг. 5, или представлять собой комбинацию двух или всех трех конфигураций в рифленой форме. Во всех этих случаях центральный, имеющий форму конуса выступ или пика 21 может быть предусмотрен на днище, как показано на фиг. 3, для обеспечения плавного отклонения воздуха в сторону периферии днища.

Форму поверхности днища выбирают для обеспечения оптимального направления потока воздуха во время хода сжатия, в частности потока воздуха на кромке днища 35 для обеспечения возможно полного смешивания топлива и воздуха. Например, выпуклая форма, показанная на фиг. 5, может эффективно удалять все топливо из канавки 39, однако может оказывать слегка неблагоприятное воздействие на тороидальное перемещение воздуха во время хода сжатия.

На фиг. 6 изображен вид сверху на днище 35 модифицированного поршня 18, которое снабжено одним или несколькими лопастями 700. Они служат для направления газового потока, сталкивающегося с днищем 35, в круговом направлении по отношению к оси меньшего цилиндра. Таким образом, вихревое движение в воздухе, впускаемом в камеру сгорания 20, после его столкновения с днищем поршня 18 имеет компоненту тороидального перемещения и круговую или спиральную компоненту движения вокруг оси второго цилиндра. Это помогает смешиванию топлива с воздухом. Как результат, эти лопасти приводят к вращению тороидального вихря вокруг оси второго цилиндра.

Наконец, как показано на фиг. 5, канавка 39 является необязательной для действия изобретения и от нее можно отказаться.

Геометрию и размеры второго цилиндра выбирают, соответственно, так, чтобы тороид, образованный перемещением газа, имел по возможности более круглое поперечное сечение.

Позиция свечи зажигания 52 находится вне главного потока быстро перемещающегося газа и таким образом обеспечивает ей некоторую защиту. Кроме того, искра может возникать поперек зазора между свечой зажигания 52 и кромкой поршня 18 при проходе поршня мимо свечи зажигания. Можно видеть, что при нахождении поршня 18 в его внутренней центральной мертвой точке свеча зажигания 52 частично закрыта кромкой поршня.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, одну пару первого и второго цилиндра, при этом первый цилиндр имеет больший рабочий объем, чем второй цилиндр, соответственно первый и второй поршни выполнены с возможностью совершать возвратно-поступательные движения в цилиндрах, при этом второй поршень имеет приводной шток и разделяет второй цилиндр на первый объем, содержащий приводной шток второго поршня, и на второй объем между двумя поршнями, средства впуска, сообщающиеся с первым цилиндром, средства выпуска, сообщающиеся с первым цилиндром, средства, образующие общую камеру сгорания между поршнями, когда поршни находятся, по существу, в их внутренних центральных мертвых точках, камера сгорания содержит второй объем, средства передачи, обеспечивающие поток газа между первым и вторым объемами, воспрещающие средства для воспрещения перемещения существенного количества смеси топливо/воздух из первого объема во второй объем до окончания хода сжатия второго поршня, первый источник топлива для обеспечения топливом первого объема, приводные средства для привода второго поршня и средства для создания завихрения в газе, протекающем из первого цилиндра во второй цилиндр, при этом средство для создания завихрения содержит препятствие между цилиндрами, имеющее отверстие для направления струи потока газа в заданном направлении, отличающаяся тем, что отверстие проходит в направлении центра днища, когда второй поршень находится в верхней точке своего хода, для создания тороидального газового потока в потоке газа в камере сгорания, тело которого образовано струей газового потока.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что второй поршень имеет, по меньшей мере, одну лопасть на своем днище для направления ударяющегося в днище газа в направлении вокруг оси второго цилиндра и для приведения во вращение тороидального газового потока.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем, что препятствие представляет собой перегородку между первым и вторым цилиндрами, при этом перегородка имеет отверстие для направления струи газового потока в заданном направлении.

4. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что отверстие направляет струю газового потока в направлении для соударения с днищем второго поршня.

5. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что отверстие проходит в направлении, по существу, параллельном оси второго цилиндра.

6. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что отверстие проходит в направлении, наклонном по отношению к оси второго цилиндра.

7. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что указанное отверстие проходит в направлении, совпадающем с осью второго цилиндра.

8. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что приводное средство имеет средство для удержания второго поршня по существу неподвижно во внутренней центральной мертвой точке или вблизи нее в течение, по меньшей мере, части рабочего хода первого поршня.

Приоритет по пунктам:
05.08.1995 по пп.1, 3 - 8;
27.09.1995 по п.2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8