RU2776228C1

RU2776228C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2776228C1
Application number: RU2021129928A
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Захаров
Original assignee: Евгений Николаевич Захаров
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2022-07-14

Abstract

FIELD: internal combustion engines.

SUBSTANCE: internal combustion engine contains case (1), movable cylinder (2) and working piston. Movable cylinder (2) has head (3) and is placed in case (1) with the possibility of reciprocating movement. Working piston (6) with bottom (7) is placed in a working cavity of movable cylinder (2) with the possibility of reciprocating movement towards head (3). Head (3) of movable cylinder (2) is equipped with at least one additional cylinder (8), a cavity of which is connected to the working cavity of movable cylinder (2). Geometric axis (9) of additional cylinder (8) is at least parallel to the direction of reciprocating movement of movable cylinder (2). The cavity of additional cylinder (8) is made with a diameter smaller than the diameter of working piston (6). In the cavity of additional cylinder (8), there is cylindrical protrusion (12) with a bottom, connected to case (1) with the possibility of formation of combustion chamber (14) in the cavity of additional cylinder (8) before the combustion process. Combustion chamber (14) has the possibility of reduction in its volume in the extreme position of head (3) of movable cylinder (2) at the end of the expansion process.

EFFECT: improvement of the purification of the combustion chamber from exhaust gases.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с камерами сгорания, выполненными в виде углубления в головке цилиндра или в поршне, а также к предкамерным двигателям.The invention relates to the field of engine building, namely to internal combustion engines with combustion chambers made in the form of a recess in the cylinder head or in the piston, as well as pre-chamber engines.

Известны предкамерные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением заряда в предкамере и расширением продуктов сгорания в цилиндре (см. US 6557519B1, опуб. 06.05.2003).Known pre-chamber internal combustion engines with charge ignition in the pre-chamber and the expansion of combustion products in the cylinder (see US 6557519B1, pub. 05/06/2003).

Недостатком предкамерных двигателей является отсутствие процесса очистки предкамеры от продуктов сгорания при высокой эффективности сжигания заряда. Проблема усугубляется при реализации в двигателе двухтактного рабочего процесса из-за нехватки времени на очистку заглубленного в корпус объема предкамеры при продувке цилиндра.The disadvantage of pre-chamber engines is the absence of a process for cleaning the pre-chamber from combustion products with a high efficiency of charge combustion. The problem is exacerbated when a two-stroke workflow is implemented in the engine due to the lack of time to clean the volume of the prechamber buried in the housing when the cylinder is purged.

Технической задачей является обеспечение очистки камеры сгорания от отработавших газов. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.The technical task is to ensure the cleaning of the combustion chamber from exhaust gases. The technical result is to increase the efficiency of the engine.

Поставленная задача достигается тем, что в двухтактном предкамерном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, подвижный цилиндр, имеющий головку, размещенный в корпусе с возможностью, по меньшей мере, возвратно-поступательного движения и рабочий поршень с днищем, размещенный в рабочей полости подвижного цилиндра с возможностью, по меньшей мере, возвратно-поступательного движения навстречу головке, согласно изобретению, головка подвижного цилиндра снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным цилиндром, полость которого сообщена с рабочей полостью подвижного цилиндра, при этом геометрическая ось дополнительного цилиндра, по крайней мере, параллельна направлению возвратно-поступательного перемещения подвижного цилиндра, полость дополнительного цилиндра выполнена с диаметром, меньшим диаметра рабочего поршня, в полости дополнительного цилиндра размещен цилиндрический выступ с днищем, связанный с корпусом с возможностью образования камеры сгорания в полости дополнительного цилиндра перед процессом сгорания, а также уменьшения объема камеры сгорания в крайнем положении головки подвижного цилиндра в конце процесса расширения.The task is achieved by the fact that in a two-stroke prechamber internal combustion engine containing a housing, a movable cylinder having a head placed in the housing with the possibility of at least reciprocating motion and a working piston with a bottom placed in the working cavity of the movable cylinder with the possibility , at least reciprocating movement towards the head, according to the invention, the head of the movable cylinder is equipped with at least one additional cylinder, the cavity of which is in communication with the working cavity of the movable cylinder, while the geometric axis of the additional cylinder is at least parallel to the direction reciprocating movement of the movable cylinder, the cavity of the additional cylinder is made with a diameter smaller than the diameter of the working piston, in the cavity of the additional cylinder there is a cylindrical protrusion with a bottom connected to the body with the possibility of forming a combustion chamber in the cavity of the additional cylinder core before the combustion process, as well as reducing the volume of the combustion chamber in the extreme position of the head of the movable cylinder at the end of the expansion process.

Поставленная задача достигается также тем, что цилиндрический выступ дополнительного цилиндра может быть кинематически связан с корпусом с возможностью изменения своего положения для изменения величины объема камеры сгорания.The task is also achieved by the fact that the cylindrical protrusion of the additional cylinder can be kinematically connected with the housing with the possibility of changing its position to change the volume of the combustion chamber.

Поставленная задача достигается также тем, что на днище рабочего поршня может быть выполнена бобышка с возможностью ее вхождения в дополнительный цилиндр подвижного цилиндра.The task is also achieved by the fact that on the bottom of the working piston a boss can be made with the possibility of its entry into the additional cylinder of the movable cylinder.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.The invention is illustrated with the help of drawings.

На фиг. 1 показано положение подвижного цилиндра и поршня перед сгоранием в камере сгорания;In FIG. 1 shows the position of the movable cylinder and piston before combustion in the combustion chamber;

На фиг. 2 - то же, во время продувки рабочей полости подвижного цилиндра;In FIG. 2 - the same, during the purge of the working cavity of the movable cylinder;

На фиг. 3 - то же, промежуточное положение рабочего поршня и подвижного цилиндра;In FIG. 3 - the same, the intermediate position of the working piston and the movable cylinder;

На фиг. 4 показан вариант выполнения рабочего поршня с бобышкой.In FIG. 4 shows an embodiment of a working piston with a boss.

Описываемый двигатель содержит корпус 1, подвижный цилиндр 2, имеющий головку 3 с днищем 4, размещенный в корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательного движения и связанный с механизмом (на чертежах не показан) преобразования его движения во вращение вала (на чертежах не показан). В рабочей полости 5 подвижного цилиндра 2 размещен рабочий поршень 6 с днищем 7 с возможностью возвратно-поступательного движения навстречу днищу 4 головки 3 и также связанный с механизмом (на чертежах не показан) преобразования его движения во вращение вала. Головка 3 подвижного цилиндра 2 снабжена дополнительным цилиндром 8, полость которого сообщена с рабочей полостью 5 подвижного цилиндра 2, при этом геометрическая ось 9 дополнительного цилиндра 8 параллельна или соосна с направлением возвратно-поступательного перемещения подвижного цилиндра 2. Направление перемещения подвижного цилиндра 2 может задаваться цилиндрической расточкой корпуса 1, в которой он размещен, имеющей продольную геометрическую ось 10. Направление перемещения подвижного цилиндра 2 может задаваться крейцкопфом или плоской или криволинейной поверхностью полости корпуса 1 с многоугольным или некруглым поперечным сечением.The described engine includes a housing 1, a movable cylinder 2, having a head 3 with a bottom 4, placed in the housing 1 with the possibility of reciprocating motion and associated with a mechanism (not shown in the drawings) for converting its movement into shaft rotation (not shown in the drawings). In the working cavity 5 of the movable cylinder 2, a working piston 6 with a bottom 7 is placed with the possibility of reciprocating movement towards the bottom 4 of the head 3 and is also associated with a mechanism (not shown in the drawings) for converting its movement into shaft rotation. The head 3 of the movable cylinder 2 is provided with an additional cylinder 8, the cavity of which is connected with the working cavity 5 of the movable cylinder 2, while the geometric axis 9 of the additional cylinder 8 is parallel or coaxial with the direction of the reciprocating movement of the movable cylinder 2. The direction of movement of the movable cylinder 2 can be given by a cylindrical bore of the body 1, in which it is placed, having a longitudinal geometric axis 10. The direction of movement of the movable cylinder 2 can be set by a crosshead or a flat or curved surface of the cavity of the body 1 with a polygonal or non-circular cross section.

Полость 11 дополнительного цилиндра 8 выполнена с диаметром, меньшим диаметра рабочего поршня 6. В полости 11 размещен выступ 12 с днищем 13, связанный с корпусом 1 и установленный с возможностью образования камеры сгорания 14 в полости 11 дополнительного цилиндра 2 перед процессом сгорания, а также уменьшения объема указанной камеры сгорания 14 в крайнем положении головки 3 в конце процесса расширения при приближения днища 4 подвижного цилиндра 2 к днищу 13 выступа 12. Выступ 12 по существу выполнен в виде дополнительного поршня с уплотнительными кольцами.The cavity 11 of the additional cylinder 8 is made with a diameter smaller than the diameter of the working piston 6. In the cavity 11 there is a protrusion 12 with a bottom 13 associated with the housing 1 and installed with the possibility of forming a combustion chamber 14 in the cavity 11 of the additional cylinder 2 before the combustion process, as well as reducing volume of said combustion chamber 14 in the extreme position of the head 3 at the end of the expansion process when the bottom 4 of the movable cylinder 2 approaches the bottom 13 of the protrusion 12. The protrusion 12 is essentially made in the form of an additional piston with sealing rings.

Выступ 12 может быть кинематически связан с корпусом 1 с возможностью изменения своего положения в дополнительном цилиндре 8 во время работы двигателя для изменения величины объема камеры сгорания 14 и, соответственно, степени сжатия.The protrusion 12 can be kinematically connected with the body 1 with the possibility of changing its position in the additional cylinder 8 during engine operation to change the volume of the combustion chamber 14 and, accordingly, the compression ratio.

На днище 7 рабочего поршня 6 может быть расположена бобышка 15 с возможностью ее вхождения в камеру сгорания 14, то есть при нахождении подвижного цилиндра 2 и рабочего поршня 6 в районе внутренней мертвой точки.On the bottom 7 of the working piston 6, a boss 15 can be located with the possibility of its entry into the combustion chamber 14, that is, when the movable cylinder 2 and the working piston 6 are in the region of the inner dead center.

Описываемый двигатель работает следующим образом. Во время процесса сжатия свежего заряда в рабочей полости 5 подвижный цилиндр 2 и рабочий поршень 6 перемещаются навстречу днищами, соответственно, 4 и 7, приближаясь к внутренней мертвой точке. При этом уменьшается объем рабочей полости 5, ограниченный указанными днищами 4 и 7. Дополнительный цилиндр 8 перемещается вместе с подвижным цилиндром 2, увеличивая условный объем внутренней полости 11, ограниченной днищем 13 расположенного в нем выступа 12 и плоскостью днища 4 подвижного цилиндра 2. Скорость изменения объема в полости 11 меньше скорости изменения объема полости 5. Поэтому сжимаемый свежий заряд перетекает из полости 5 в образуемую в полости 11 камеру сгорания 14. Смесеобразование может осуществляться всеми известными способами с реализацией известных искрового или дизельного рабочих процессов. При этом в районе внутренней мертвой точки осуществляют либо зажигание, либо впрыск топлива под низким или высоким давлением. Большая часть заряда сгорает до заметного увеличения объема камеры расширения. Свежий заряд сжигают в камере сгорания 14, имеющей малую площадь поверхности. Давление сгорания действует на поверхность выступа 12 и меньшую часть площади днища 7 рабочего 6 поршня, так как расширение продуктов сгорания между близко расположенными днищами 7 и 4 затруднено, что снижает пиковые нагрузки в подшипниках механизма преобразования. При дальнейшем движении подвижного цилиндра 2 и поршня 6 от внутренней мертвой точки происходит расширение продуктов сгорания. При этом объем камеры сгорания 14 уменьшается до нулевого ее значения при совпадении поверхности днища 13 предкамерного поршня 12 и поверхности днища 4 головки 3.The described engine works as follows. During the process of compression of a fresh charge in the working cavity 5, the movable cylinder 2 and the working piston 6 move towards the bottoms, respectively, 4 and 7, approaching the internal dead center. This reduces the volume of the working cavity 5, limited by the indicated bottoms 4 and 7. The additional cylinder 8 moves together with the movable cylinder 2, increasing the conditional volume of the internal cavity 11, bounded by the bottom 13 of the protrusion 12 located in it and the plane of the bottom 4 of the movable cylinder 2. The rate of change The volume in the cavity 11 is less than the rate of change in the volume of the cavity 5. Therefore, the compressible fresh charge flows from the cavity 5 into the combustion chamber 14 formed in the cavity 11. The mixture formation can be carried out by all known methods with the implementation of known spark or diesel working processes. In this case, in the region of the inner dead center, either ignition or fuel injection at low or high pressure is carried out. Most of the charge burns out before a noticeable increase in the volume of the expansion chamber. Fresh charge is burned in the combustion chamber 14, which has a small surface area. The combustion pressure acts on the surface of the protrusion 12 and a smaller part of the area of the bottom 7 of the working piston 6, since the expansion of combustion products between closely spaced bottoms 7 and 4 is difficult, which reduces peak loads in the bearings of the conversion mechanism. With further movement of the movable cylinder 2 and piston 6 from the internal dead center, the combustion products expand. In this case, the volume of the combustion chamber 14 is reduced to its zero value when the surface of the bottom 13 of the pre-chamber piston 12 coincides with the surface of the bottom 4 of the head 3.

При проведении двухтактного рабочего процесса в двигателе в конце процесса расширения происходит выпуск продуктов сгорания через выпускные окна 16 и продувка полости 5 с подачей свежего заряда через продувочные окна 17. В предкамерных двухтактных двигателях, а также в двигателях с углубленной камерой сгорания для очистки заглубленных объемов необходимо применять специальные средства, например, подводить к предкамере дополнительный канал со свежим зарядом, что затруднительно технически. При этом появляются трудности с организацией направления подачи заряда для обеспечения полной очистки камеры сгорания или предкамеры, а также с дефицитом времени на дополнительную операцию.When carrying out a two-stroke working process in the engine, at the end of the expansion process, the combustion products are released through the exhaust windows 16 and cavity 5 is blown with a fresh charge supplied through the purge windows 17. In pre-chamber two-stroke engines, as well as in engines with a deep combustion chamber, it is necessary to to use special means, for example, to bring an additional channel with a fresh charge to the prechamber, which is technically difficult. In this case, difficulties arise with the organization of the charge supply direction to ensure complete cleaning of the combustion chamber or prechamber, as well as with a shortage of time for an additional operation.

В описываемом двигателе во время продувки полости 5 заглубленный объем отсутствует, то есть в продуваемом объеме нет полузамкнутых объемов, карманов, продувка которых была бы затруднительной. Кроме того, поверхность днища 13, ограничивавшая во время сгорания объем камеры сгорания 14, к началу продувки перемещается к омываемой свежим зарядом поверхности полости 5 и отдает тепло продувочному заряду со всей поверхности, повышая надежность работы двигателя.In the described engine, during cavity 5 purging, there is no deep volume, that is, there are no semi-enclosed volumes or pockets in the purged volume, which would be difficult to purge. In addition, the surface of the bottom 13, which limited the volume of the combustion chamber 14 during combustion, moves to the surface of the cavity 5 washed by a fresh charge by the beginning of the purge and gives off heat to the purge charge from the entire surface, increasing the reliability of the engine.

Изменение положения выступа 12 в камере сгорания 14 позволяет изменять степень сжатия двигателя, так как сила, действующая на поршень 12, мала, следовательно механизм привода может быть выполнен с высоким быстродействием, что позволит более эффективно реализовать процесс с самовоспламенением гомогенной смеси за счет обеспечения возможности регулирования двигателя.Changing the position of the protrusion 12 in the combustion chamber 14 allows you to change the compression ratio of the engine, since the force acting on the piston 12 is small, therefore, the drive mechanism can be made with high speed, which will more effectively implement the process of self-ignition of a homogeneous mixture by providing the possibility of regulation engine.

Наличие бобышки 15 на днище 7 поршня 6, входящей в камеру сгорания 14 (которая в таком выполнении уже является предкамерой) при положении в районе внутренней мертвой точки, позволяет задержать момент перетекания продуктов сгорания из камеры сгорания 14 в расширяющийся объем полости 5, что повышает полноту сгорания заряда и уменьшает теплонапряженность рабочих элементов двигателя и выпускных органов газораспределения.The presence of the boss 15 on the bottom 7 of the piston 6, which is included in the combustion chamber 14 (which in this embodiment is already a pre-chamber) at a position in the region of the inner dead center, allows you to delay the flow of combustion products from the combustion chamber 14 into the expanding volume of the cavity 5, which increases the completeness charge combustion and reduces the heat stress of the working elements of the engine and the exhaust gas distribution organs.

Механизм привода подвижного цилиндра 2 может быть выполнен кривошипно-шатунным или кривошипно-кулисным, обеспечивающим только возвратно-поступательное его перемещения. Но также может быть выполнен кривошипным с обеспечением как возвратно-поступательного его перемещения, так и возвратно-вращательного движения вокруг геометрической оси 10, например, подобного приводу гильзы Рикардо. Указанный механизм позволит уменьшить скорость увеличения объема при сгорании, а также обеспечить несимметричные фазы газораспределения и увеличить ресурс двигателя. Такой же тип механизма может быть использован и для привода рабочего поршня 6.The drive mechanism of the movable cylinder 2 can be made of a crank or crank-rocker, providing only its reciprocating movement. But it can also be made with a crank, providing both its reciprocating movement and reciprocating rotation around the geometric axis 10, for example, similar to the Ricardo sleeve drive. This mechanism will reduce the rate of increase in volume during combustion, as well as provide asymmetric valve timing and increase engine life. The same type of mechanism can be used to drive the working piston 6.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить эффективность работы предкамерного двигателя за счет лучшей очистки рабочей полости, а также его надежность за счет снижения теплонапряженности двигателя.Thus, the claimed invention improves the efficiency of the pre-chamber engine due to better cleaning of the working cavity, as well as its reliability by reducing the heat stress of the engine.

Claims

1. An internal combustion engine containing a housing, a movable cylinder having a head, placed in the housing with the possibility of at least reciprocating movement, and a working piston with a bottom placed in the working cavity of the movable cylinder with the possibility of at least reciprocating - translational movement towards the head, characterized in that the head of the movable cylinder is equipped with at least one additional cylinder, the cavity of which is connected with the working cavity of the movable cylinder, while the geometric axis of the additional cylinder is at least parallel to the direction of the reciprocating movement of the movable cylinder, the cavity of the additional cylinder is made with a diameter smaller than the diameter of the working piston; burning in the extreme position of the head of the movable cylinder at the end of the expansion process.

2. The engine according to claim. 1, characterized in that the cylindrical protrusion of the additional cylinder is kinematically connected to the housing with the possibility of changing its position to change the volume of the combustion chamber.

3. The engine according to claim 1, characterized in that a boss is made on the bottom of the working piston with the possibility of its entry into the additional cylinder of the movable cylinder.