Двигун внутрішнього згорання

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий две отдельные камеры сгорания, выполненные с возможностью поочередного сообщения - разобщения с рабочей полостью общего для этих камер цилиндра двигателя (А.с. СССР №39474, кл. F02B19/02, 31.11.34). При этом всасывающий и выхлопной тарельчатые клапаны имеются отдельно на каждой из этих камер, а сообщение - разобщение каждой из этих камер с рабочей полостью цилиндра достигается благодаря установленным между каждой из этих камер и рабочей полостью цилиндра поворотным кранам. Недостатки этого двигателя заключаются в его конструктивной сложности и низкой надежности. Сложность конструкции заключается в наличии в нем удвоенного количества клапанов в сравнении с обычным двигателем. Поворотные пробки кранов, которые установлены между камерами сгорания и рабочей полостью цилиндра, подвержены в этом двигателе боковому воздействию сил перепада давления газов между взятой камерой сгорания и рабочей полостью цилиндра, что приводит к быстрому их износу, уменьшает надежность работы двигателя и усложняет механизм управления работой указанных поворотных кранов. Часть отмеченных недостатков отсутствует в поршневом двигателе внутреннего сгорания, в котором имеются две отдельные камеры сгорания, размещенные в корпусе головки цилиндра двигателя в стаканах, выполненных в виде цилиндрических каналов с одним заглушенным торцом (А.с. СССР №45463, кл. F02B19/06, 31.12.35). Причем через открытые торцы указанных стаканов в них вставлены подвижные элементы, которые выполнены в виде плунжеров, перемещение которых осуществляется с помощью кулачкового вала, кинематически связанного с валом двигателя. Сообщение - разобщение камер сгорания с рабочей полостью цилиндра осуществляется через боковые отверстия в стенках каждого из указанных стаканов, размещенные на промежутках перемещения передних торцевых стенок их плунжеров. Однако и у этого двигателя имеются существенные недостатки. Они заключаются в том, что при надежном перекрытии указанных боковых отверстий соответствующими плунжерами происходит вначале дополнительное сжатие рабочей смеси или чистого воздуха в соответствующи х камерах сгорания, а после сгорания топлива - непроизводительное расширение сгоревших газов в эти х камерах. Это ведет к нарушению нормальной работы двигателя и снижает его КПД. Воздействие сил давления газов в камерах сгорания на передние торцевые стенки плунжеров приводит к повышенному износу кулачкового вала их привода, что усложняет конструкцию двигателя и снижает надежность его работы. Задачей данного изобретения является такое усовершенствование известного двигателя, при котором путем изменения конструкции корпуса головки цилиндра двигателя, расположения и формы выполнения камер сгорания, а также конструкции подвижного элемента, обеспечивалось бы уравновешивание сил давления газов на подвижный элемент, достигалась нормальная попеременная работа обеих камер сгорания такого двигателя при наличии в корпусе головки цилиндра одного подвижного элемента, и, следовательно, упрощалась конструкция двигателя и повышалась надежность его работы. Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, включающем две отдельные камеры сгорания, размещенные в корпусе с возможностью сообщения - разобщения с рабочей полостью общего для этих камер цилиндра двигателя, а также подвижный элемент для осуществления указанного сообщения разобщения этих камер, который установлен в стакане, выполненном в корпусе, причем стакан боковым отверстием сообщен с рабочей полостью цилиндра, согласно изобретению, подвижный элемент установлен в стакане с возможностью поворота вокруг своей оси поворота и снабжен приводом этого поворота от коленчатого вала двигателя, каждая камера сгорания выполнена в виде отдельной полости в подвижном элементе, причем полость каждой камеры сгорания имеет два диаметрально противоположно расположенных входных отверстия, а центры входных отверстий первой и второй камер сгорания лежат в общей перпендикулярной оси поворота плоскости, в проекции на которую каждое входное отверстие одной камеры сгорания располагается между двумя входными отверстиями второй камеры сгорания. При этом продольная ось бокового отверстия лежит в указанной плоскости, а на стыке полостей камер сгорания каждая из них выполнена раздвоенной, причем входные отверстия каждой полости располагаются на концах образованных в результате указанного раздвоения ответвлений, а плоскость расположения ответвлений полости с центрами входных отверстий первой камеры сгорания расположена под прямым углом к плоскости ответвлений с центрами входных отверстий второй камеры сгорания. Кроме того, смежная стенка между полостями камер сгорания выполнена в форме седла, например, в форме гиперболического параболоида, который описывается уравнением где Z - ось координат, совпадающая с осью поворота подвижного элемента; x, y - оси координат, которые проходят через центры входных отверстий соответственно первой и второй камер сгорания; a - параметр гиперболического параболоида, значения которого устанавливаются по приведенному выражению исходя из геометрического размера d входных отверстий, взятого по оси поворота подвижного элемента, и диаметра D подвижного элемента в плоскости расположения центров входных отверстий. При этом смежная стенка между полостями камер сгорания выполнена в форме гиперболического параболоида, который, аппроксимирован плоскими участками трапецевидной, треугольной и прямоугольной формы. Кроме того, напротив бокового отверстия в стенке стакана выполнено углубление, периметр которого представляет собой повернутый на 180° вокруг оси поворота подвижного элемента периметр бокового отверстия. Причем механизм поворота подвижного элемента включает мальтийский механизм. Благодаря такому выполнению подвижного элемента удается обеспечить попеременную работу обеих камер сгорания одним подвижным элементом путем простого его поворота на 90°. При этом обеспечивается полное уравновешивание сил давления газов на стенки подвижного элемента при любых угла х его поворота относительно бокового отверстия и углубления в стенке стакана, а также достигается полное уравновешивание этого элемента от воздействия на него центробежных сил. При такой конструкции подвижного элемента стенки его камер сгорания легко могут быть футерованы термостойким материалом с низкой теплопроводностью, а распределение тепловых нагрузок между четырьмя входными отверстиями этих камер резко снижает пиковые тепловые нагрузки, приходящиеся на одно это отверстие. Применение мальтийского механизма для привода подвижного элемента позволяет осуществить быстрые переключения камер сгорания при работе двигателя. Все это ведет к упрощению конструкции двигателя и повышает надежность и долговечность его работы. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показан общий вид спереди корпуса головки цилиндра и примыкающей к нему части самого цилиндра и поршня двигателя в сложном осевом вертикальном сечении, которое проходит по оси входных отверстий и отверстия для подачи топлива первой камеры сгорания; на фиг.2 - общий вид сбоку корпуса головки цилиндра в его вертикальном сечении по оси подвижного элемента, когда горение топлива происходит в левой камере сгорания; на фиг.3 - общий вид сбоку корпуса головки цилиндра в его вертикальном сечении по оси подвижного элемента в положении, когда горение топлива происходит в правой камере сгорания; на фиг.4 - аксонометрическое изображение участка подвижного элемента, содержащего входные отверстия камер сгорания и разделяющую и х стенку, при ее выполнении в форме гиперболического параболоида; на фиг.5 аксонометрическое изображение участка подвижного элемента, содержащего входные отверстия камер сгорания и разделяющую их стенку, при ее выполнении в форме гиперболического параболоида, который аппроксимирован плоскими участками трапецевидной, треугольной и прямоугольной формы; на фиг.6 мальтийский механизм для привода подвижного элемента. Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором размещен поршень 2, связанный поршневым пальцем и шатуном с коленчатым валом двигателя (палец, шатун и вал на чертежах не показаны). В корпусе 3 головки цилиндра (фиг.1) имеется впускной 4 и выпускной 5 каналы с впускным 6 и выпускным 7 тарельчатыми клапанами. Со стороны рабочей полости цилиндра 1 поверхность корпуса 3 выполнена сужающейся кверху, например, конусной или пирамидальной, а гнезда клапанов 6 и 7 расположены на указанной поверхности (фиг.1). В корпусе 3 между клапанами 6 и 7 имеется стакан 8, в котором с плавающей посадкой установлен подвижный элемент 9. Стакан 8 и боковая поверхность подвижного элемента 9 могут быть выполнены цилиндрическими или с небольшой конусностью и качественно подогнаны друг к другу. Вокруг стакана 8 в корпусе 3 размещены каналы 10 рубашки охлаждения, которые заполнены охлаждающей жидкостью (фиг.1, 2, 3). В стакане 8 выполнены два верхних отверстия, в которые проходят форсунки 11 и 12 для подачи и распыла топлива, а также одно нижнее боковое отверстие 13, выполненное по оси цилиндра 1. Диаметрально противоположно отверстию 13 на внутренней стенке стакана 8 выполнено углубление 14, окружной периметр которого представляет собой повернутый на 180° вокруг оси поворота подвижного элемента 9 периметр бокового отверстия 13 (фиг. 1,2.3). В подвижном элементе 9 выполнены полости 15 и 16 первой и второй камер сгорания двигателя, каждая из которых имеет по два диаметрально противоположно расположенных входных отверстия. Так, полость 15 имеет два таких входных отверстия 17, а полость 16 - два отверстия 18. Центры и продольные оси всех эти х отверстий 17 и 18, а также бокового отверстия 13 в стакане 8 лежат в общей плоскости, которая перпендикулярна оси поворота подвижного элемента 9, совпадающей с его продольной осью. В проекции на эту плоскость каждое входное отверстие полости одной камеры сгорания расположены между двумя входными отверстиями полости второй камеры сгорания и наоборот. На стыке друг с другом каждая из полостей 15 и 16 выполнена раздвоенной, а входные отверстия каждой из этих полостей расположены на концах образованных в результате указанного раздвоения ответвлений (фиг. 2, 3). Причем плоскость расположения ответвлений полости 15 и центров ее входных отверстий 17 расположена под прямым углом к плоскости расположения ответвлений полости 16 и центров ее входных отверстий 18. При этом смежная стенка 19 между полостями 15 и 16 выполнена в форме седла, т.е. имеет седловидную форму, например, выполнена в форме гиперболического параболоида, который описывается уравнением где Z - ось координат, направленная по оси поворота подвижного элемента; x, y - оси координат, которые проходят через центры входных отверстий полостей первой и второй камер сгорания; a параметр, значения которого устанавливаются по приведенному уравнению исходя из значения диаметра D подвижного элемента в плоскости расположения центров входных отверстий и геометрического размера a этих отверстий, взятого по оси поворота подвижного элемента. Причем стенка 19 может также выполняться в форме гиперболического параболоида, который аппроксимирован плоскими участками трапецевидной, треугольной и прямоугольной формы (фиг.2, 3, 4, 5). В стенке полости 15 подвижного элемента 9 имеется также два диаметрально противоположно расположенных отверстия 20 для подачи топлива, а в стенке полости 16 два аналогичных отверстия 21. Они лежат в плоскостях, которые перпендикулярны оси поворота подвижного элемента и проходят через оси верхних боковых отверстий в стакане 8 под форсунки 11 и 12 (фиг.2, 3). Причем, ось отверстий 20 перекрещивается под прямым углом с осью входных отверстий 17 полости 15, а ось отверстий 21 перекрещивается под прямым углом с осью входных отверстий 18 полости 16. На торцевых стенках подвижного элемента 9 имеются полуоси 22, на одной из которых установлена ступица 23 (фиг.2,3).,К ступице 23 присоединяется ведомый диск т.е. крест 24 мальтийского механизма привода подвижного элемента 9 (фиг.6). Ведущий диск 25 мальтийского механизма привода подвижного элемента 9 имеет палец 26 и расположен на валу 27, который кинематически связан с валом двигателя. Причем передаточное отношение передачи между валом двигателя и валом -27 мальтийского механизма при взятом четырехтактном двигателе равно два к одному, т.е. на два оборота коленчатого вала двигателя приходится один оборот вала 27. Работает двигатель следующим образом. При вращении коленчатого вала двигателя поршень 2 совершает возвратно-поступательные движения от верхней к нижней мертвых точек и наоборот. Пусть подвижный элемент 9 занимает в данный момент времени положение, которое показано на фиг.2. Тогда при движении поршня 2 к нижней мертвой точке в такте всасывания впускной клапан 6 открывается, и чистый воздух через впускной канал 4 заполняет рабочую полость цилиндра 1 (фиг.1, 2). Клапан 7 при этом остается закрытым. По окончанию такта всасывания и движении поршня 2 к верхней мертвой точке клапан 6 закрывается, и свежий воздух сжимается в рабочей полости цилиндра 1. Поскольку в этом положении подвижного элемента 9 одно из входных отверстий 17 полости 15 сообщено с нижним боковым отверстием 13 в стакане 8 корпуса 3 головки цилиндра, сжимаемый воздух через отверстие 13 и соответствующее входное отверстие 17 будет проходить в полость 15, полностью заполняя ее. По мере приближения поршня 2 к верхней мертвой точке, палец 26 ведущего диска 25 мальтийского механизма войдет в прорезь на ведомом его диске 24, который установлен на ступице 23 подвижного элемента 9, и начнет все быстрее проворачивать подвижный элемент 9 в стакане 8 вокруг оси его поворота. При достижении поршнем 2 верхней мертвой точки подвижный элемент 9 быстро повернется в положение, при котором входные отверстия 17 полностью уйдут из просвета бокового отверстия 13 и углубления 14, а полость 15 полностью изолируется от рабочего пространства цилиндра 1. При этом, после быстрого поворота на 90° подвижный элемент 9 фиксируется мальтийским механизмом в положении, показанном на фиг.3, при котором одно из отверстий 20 для подачи топлива расположится напротив верхнего бокового отверстия в стакане 8 под форсункой 12. В этот момент через форсунку 12 в полость 15 первой камеры сгорания двигателя подается и распыляется дизельное топливо, которое самовоспламеняется и сгорает в ней при постоянном объеме. Одновременно с этим, после разобщения входных отверстий 17 с боковым отверстием 13 и углублением 14, входные отверстия 18 полости 16 второй камеры сгорания двигателя мгновенно сообщаются с ними, а, следовательно, и с рабочей полостью цилиндра 1. При этом, находящиеся в ней под высоким давлением сгоревшие газы, которые образовались в ней аналогичным образом при предыдущи х тактах двигателя, силой своего давления толкают поршень вниз, совершая таким образом рабочий ход двигателя. После его окончания клапан 7 открывается, и отработанные газы через выпускной канал 5 выбрасываются наружу. Движением поршня 2 к верхней мертвой точке рабочая полость в такте выхлопа полностью освобождается от отработанных газов, после чего клапан 7 закрывается, а клапан 6 открывается. При последующем движении поршня 2 вниз в такте всасывания, чистый воздух через впускной канал 4 заполняет рабочую полость цилиндра 1 (фиг.1, 3). По окончании такта всасывания клапан 6 закрывается и чистый воздух движением поршня 2 вверх сжимается в рабочей полости цилиндра 1. При этом, сжимаемый воздух через одно из входных отверстий 18 и боковое отверстие 13 проходит в полость 16 второй камеры сгорания и заполняет ее. По мере приближения поршня 2 к верхней мертвой точке, палец 26 ведущего диска 25 мальтийского механизма (фиг.6) снова войдет в соответствующую прорезь на его ведомом диске 24 и начнет через ступицу 23 (фиг.2, 3) все быстрее проворачивать подвижный элемент 9 вокруг его оси поворота. При достижении поршнем 2 верхней мертвой точки, подвижный элемент 9 поворачиваясь быстро пройдет положение, за которым входные отверстия 18 уйдут с просвета бокового отверстия 13 и углубления 8, а на их место быстро станут заходить входные отверстия 17 полости 15. После быстрого поворота на 90° подвижный элемент 9 зафиксируется мальтийским механизмом в положении, показанном на фиг.2. В результате этого, полость 16 второй камеры сгорания полностью разобщается от рабочей полости цилиндра 1, а полость 15 первой камеры сгорания сообщается с ней. После совмещения соответствующего отверстия 21 с верхним боковым отверстием в стакане 8 под форсункой 11, через нее в полость 16 (фиг.2) подается и распыляется дизельное топливо, которое самовоспламеняется и сгорает в ней при постоянном объеме. Одновременно с этим, после сообщения полости 15 с рабочей полостью цилиндра 1, находящиеся в полости 15 под большим давлением сгоревшие газы совершают рабочий ход поршня, толкая его от верхней и нижней мертвой точке. После завершения рабочего хода клапан 7 открывается и с движением поршня вверх отработанные газы через выпускной канал 5 выталкиваются наружу. Затем клапан 7 закрывается, а клапан 6 открывается, и с движением поршня 2 вниз снова совершается всасывание чистого воздуха в рабочую полость цилиндра 1 и т.д. Благодаря такому выполнению подвижного элемента он получается компактным, достаточно жестким и конструктивно простым, уравновешенным от воздействия центробежных сил и сил давления газов при любых угла х его поворота в стакане. Стенки его камер сгорания легко могут быть футерованы, термостойким материалом, упрощается его управление простыми его поворотами на 90° мальтийским механизмом. При этом происходит распределение тепловых нагрузок среди сравнительно большого количества его входных отверстий. При коническом выполнении стакана и подвижного элемента сохраняется их плотная подгонка друг к другу при износе их стенок. Все это упрощает двигатель и повышает надежность его работы.