Двигун

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. F02B19/06 от 31.11.34). При этом, всасывающий и выхлопной клапаны имеются отдельно на каждой из камер, а сообщение-разобщение каждой из них с рабочей полостью цилиндра достигается благодаря установленным между каждой из 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 и поворотных кранов. Воздействие на пробки поворотных кранов боковых сил давления газов приводит к быстрому износу этих пробок и их гнезд, что уменьшает надежность работы двигателя и усложняет механизм управления работой указанных пробок. Часть отмеченных недостатков отсутствует в поршневом двигателе внутреннего сгорания, в котором имеются две отдельные камеры сгорания, размещенные в корпусе головки общего для эти х камер 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 свободные торцы указанных стаканов в них вставлены подвижные элементы в виде плунжеров, перемещение которых осуществляется от 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, размещенных на промежутках возможных перемещений передних торцевых стенок их плунжеров. Однако и у этого двига теля имеются существенные недостатки. Они заключаются в том, что при надежном перекрытии боковых отверстий соответствующими плунжерами вначале происходит дополнительное сжатие рабочей смеси или чистого воздуха в соответствующи х камерах двигателя, 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 на передние торцевые стенки плунжеров ведет к повышенному износу кулачкового вала их привода, что усложняет конструкцию двигателя и понижает 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, а также достигалась возможность попеременной нормальной работы обеих камер сгорания такого двигателя при наличии в его головке цилиндра одного подвижного элемента, одной свечи зажигания или форсунки, и, следовательно, тем самым упрощалась бы конструкция двигателя и повышалась надежность его работы. Поставленная задача решается тем, что в двигателе, 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, 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 и снабжен приводом такого поворота от коленчатого вала, каждая камера сгорания выполнена в виде отдельной полости в подвижном элементе с тремя входными отверстиями каждая, причем в каждой камере сгорания одно большее входное отверстие расположено по одну сторону от оси поворота, а два други х меньших - по противоположную и расположены по обе стороны большего входящего отверстия второй камеры сгорания. При этом большие входные отверстия камер сгорания лежат в плоскости, которая расположена перпендикулярно оси поворота подвижного элемента и проходит по оси бокового отверстия стакана, а меньшие входные отверстия расположены равноудаленно от этой плоскости и выполнены в виде смещенных по оси поворота подвижного элемента симметричных друг другу половинок большого отверстия своей камеры сгорания, полученных при делении большего отверстия указанной плоскостью и повороте на 180° вокруг оси поворота подвижного элемента указанных половинок этого отверстия. Кроме того, полость каждой камеры сгорания имеет по два ответвления, на концах которых расположены меньшие входные отверстия, а большее входное отверстие лежит у донной части этой полости. Согласно изобретению, с противоположной стороны от бокового отверстия на внутренней стенке стакана имеются углубления, периметры которых представляют собой симметрично друг другу половинки периметра бокового отверстия, полученные его делением указанной плоскостью с последующим их поворотом на 180° вокруг оси поворота подвижного элемента и удалением в противоположные стороны от этой плоскости так, чтобы при совмещении большего входного отверстия взятой камеры сгорания с боковым отверстием в стакане указанные углубления совмещались с ее меньшими входными отверстиями. Согласно изобретению, привод поворота подвижного элемента выполнен в виде мальтийского механизма. При таком выполнении подвижного элемента силы давления газов, действующи х на него со стороны большего и двух меньших входных отверстий взятой камеры сгорания, всегда взаимно уравновешивают друг др уга. Указанное выполнение углублений в стенке стакана обеспечивает упомянутое равновесие сил давления газов, действующи х на подвижный элемент при частичном перекрытии им бокового отверстия в стакане. Кроме того, подвижный элемент при таком его выполнении абсолютно симметричен относительно оси поворота, а, следовательно, полностью уравновешен от воздействия центробежных сил. Нормальная попеременная работа обеих камер сгорания двигателя, процесс воспламенения рабочей смеси или подача топлива в обеих камерах сгорания может осуществляться здесь с помощью одного подвижного элемента, одной свечи зажигания или одной форсунки. Выполнение привода поворота подвижного элемента в виде мальтийского механизма позволяет производить практически мгновенные переключения камер сгорания с полостью цилиндра двигателя. Все это упрощает конструкцию двигателя и повышает надежность его работы. На фиг.1 схематически показан общий вид прямо корпуса головки цилиндра и примыкающей к нему части самого цилиндра и поршня двигателя в осевом вертикальном сечении, перпендикулярном оси подвижного элемента; на фиг.2 - общий вид сбоку корпуса головки цилиндра в его сложном сечении по осям, расположенных к зрителю ответвлений камер сгорания в случае, когда принадлежащие к одной и той же камере сгорания ее ответвления располагаются по разные стороны от оси поворота подвижного элемента; на фиг.3 - общий вид сбоку корпуса головки цилиндра в его сложном сечении по осям, расположенных к зрителю ответвлений камер сгорания в случае, когда принадлежащие к одной и той же камере сгорания ее ответвления располагаются по одну сторону о т оси поворота подвижного элемента; на фиг.4 схематически показан мальтийский механизм для осуществления поворотов подвижного элемента; на фиг.5 - центральное перпендикулярное оси поворота сечение подвижного элемента и примыкающего к нему участка корпуса в положении, которое занимает подвижный, элемент непосредственно перед началом процесса переключения камер сгорания; на фиг.6 - центральное перпендикулярное оси поворота сечение подвижного элемента и примыкающего к нему участка корпуса в положении, которое занимает подвижный элемент непосредственно после окончания процесса переключения камер сгорания. Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором размещен поршень 2, связанный поршневым пальцем и шатуном с коленчатым валом двигателя (шатун, палец и вал на чертежах не показан). В корпусе 3 головки цилиндра имеются впускной 4 и выпускной 5 каналы с впускным 6 и выпускным 7 тарельчатыми клапанами. Со стороны рабочей полости цилиндра 1 поверхность корпуса 3 выполнена сужающей кверху, например, конусной или пирамидальной, а клапанные гнезда этих клапанов расположены на указанной поверхности. 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 выполняться цилиндрическими или с небольшой конусностью и качественно подгоняться друг к другу. Вокруг стакана 8 в корпусе 3 размещены каналы 10 рубашки охлаждения, которые заполняются охлаждающей жидкостью (фиг.1, 2, 3). В стакане 8 имеется верхнее боковое отверстие, в которое проходит форсунка 11 для подачи и распыла топлива, а также нижнее боковое отверстие 12, выполненное по оси цилиндра 1. На диаметрально противоположной стороне от нижнего бокового отверстия 12 на внутренней стенке стакана 8 выполнены два углубления 13 и 14. Они выполнены на равных расстояниях от верхнего бакового отверстия под форсункой 11, а их периметры представляют собой половинки периметра бокового отверстия 12, полученные делением последнего его плоскостью симметрии, перпендикулярной оси поворота подвижного элемента 9, и поворотом на 180° вокруг этой оси. В данном случае эта плоскость проходит по оси цилиндра 1 (фиг.2, 3). Подвижный элемент 9 установлен в стакане 8 с возможностью поворота вокруг своей продольной оси и выполнен в виде двух о тдельных жестко связанных друг с др угом пустотелы х сосудов. Причем, полость 15 первого сосуда и полость 16 второго сосуда являются соответственно первой и второй камерами сгорания двигателя, и имеют каждая по три входных отверстия, одно из которых больше двух др угих. Так полость 15 первой камеры сгорания имеет одно большее входное отверстие 17 и два меньших входных отверстий 18 и 19. Аналогично полость 16 имеет соответственно большее входное отверстие 20 и два меньших входных отверстий 21 и 22. Все эти отверстия лежат в общей плоскости, проходящей через ось поворота подвижного элемента 9. Как показано на фиг.2 и фиг.3, в каждом сосуде большее входное отверстие располагается по одну сторону от оси поворота подвижного элемента, а два други х меньших по другую диаметрально противоположную сторону от оси поворота и заключают между собой большее входное отверстие второго сосуда. Большие входные отверстия, а именно их центры, лежат в плоскости, которая расположена перпендикулярно оси поворота подвижного элемента 9 и проходит по оси бокового отверстия 12 в стакане 8. Меньшие входные отверстия расположены равноудаленно от этой плоскости и представляют собой смещенные по оси поворота подвижного элемента половинки большого отверстия своего сосуда, полученные делением этого большого отверстия указанной плоскостью, которая одновременно является его плоскостью симметрии, и поворотом на 180° вокруг оси поворота подвижного элемента этих половинок. Причем, удаление полученных таким образом половинок большего отверстия своего сосуда от указанной плоскости его симметрии равно удалению от этой плоскости углублений 13 и 14 на внутренней стенке стакана 8. В результате этого, при совмещении большего отверстия 17 или 20 соответствующего сосуда с боковым отверстием 12 меньше отверстия 18 и 19 или 21 и 22 этого же сосуда располагаются напротив углублений 13 и 14 и совмещаются с ними. При соединении входных отверстий взятого сосуда его полость образует два ответвления, на концах которых и располагаются меньшие входные отверстия, а большее входное отверстие расположено при этом у донной части своего сосуда. При этом указанные ответвления могут располагаться во взятом сосуде как по разные стороны от оси поворота подвижного элемента (фиг.2), так и по одну сторону от нее (фиг.3). Подвижный элемент 9 полуосями 23 и 24 опирается на крышки 25 и 26 на торцах стакана 8. Полости под крышками 25 и 26 сообщены с выхлопным коллектором двигателя через отверстия 27 и 28. На полуось 26 одета муфта 29, к которой присоединен ведомый диск 30 мальтийского механизма привода подвижного элемента (фиг.2, 3, 4). Ведущий диск 31 мальтийского механизма имеет палец 32 и расположен на валу 33, который кинематически связан с валом двигателя. Передаточное отношение передачи между валом двигателя и валом 33 мальтийского механизма при взятом четырехтактном двигателе равно один к одному. На фиг.5 показано положение подвижного элемента 9 в момент начала процесса переключения камер сгорания. На фиг.6 показано положение подвижного элемента 9 после окончания процесса переключения камер сгорания. При этом направление вращения подвижного элемента 9 принято за часовой стрелкой. 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 положение, представленное на фиг.2, 5 или на фиг.3, 5 (в обоих случаях работа двигателя будет осуществляться одинаково). Тогда при движении поршня 2 от верхней 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 к верхней мертвой точке клапан 6 закрывается, и свежий воздух сжимается поршнем 2 в рабочей полости цилиндра 1. Поскольку в этом положении подвижного элемента 9 входное отверстие 20 полости 16 второй его камеры сгорания сообщено с боковым отверстием 12 стакана 8, сжимаемый воздух через отверстие 12 и входное отверстие 20 будет заполнять полость 16. В верхней мертвой точке практически весь заряд сжатого чистого воздуха будет находиться в полости 16 второй камеры сгорания. При приближении поршня 2 к верхней мертвой точке палец 32 ведущего диска 31 мальтийского механизма (фиг.4) войдет в прорезь на ведомом его диске 30, который установлен на ступице 29 подвижного элемента 9, и начнет все быстрее поворачивать 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 входное отверстие 20 полностью уйдет из просвета бокового отверстия 12, а полость 16 полностью изолируется от рабочей полости цилиндра 1. Одновременно с этим, входное отверстие 17 полости 15 первой камеры сгорания быстро войдет в просвет бокового отверстия 12, а полость 15 первой камеры сгорания станет сообщаться с рабочей полостью цилиндра 1. После быстрого поворота на 90° подвижный элемент 9 фиксируется мальтийским механизмом в положение, показанном на фиг.6. При этом полости 15 и 16 камер сгорания поменяются местами (фиг.2, 3). В этот момент через форсунку 11 в полость 16 второй камеры сгорания двигателя подается и распыляется дизельное топливо, которое самовоспламеняется и сгорает в ней при постоянном объеме. Одновременно с этим, после сообщения полости 15 первой камеры сгорания двигателя с рабочей полостью цилиндра 1, находящиеся в ней под большим давлением сгоревшие газы, которые образовались в ее полости аналогичным образом при предыдущи х тактах двигателя, силой своего давления толкают поршень 2 вниз, совершая таким образом рабочий ход двигателя. После его окончания клапан 7 открывается, и отработанные газы через выпускной канал 8 выбрасываются наружу. Движением поршня 2 к верхней мертвой точке рабочая полость цилиндра 1 в такте вы хлопа полностью освобождается от отработанных газов. По окончании такта выхлопа клапан 7 закрывается, а клапан 6 открывается. Следует указать, что при приближении поршня 2 к верхней мертвой точке в такте выхлопа палец 32 ведущего диска 31 мальтийского механизма (фиг.4) снова войдет в прорезь на его ведомом диске 30, который установлен на ступице 29 подвижного элемента 9, и снова повернет его на 90°. После этого подвижный элемент 9 расположится относительно бокового отверстия 12 в стакане 8 аналогично представленному на фиг.5. Понятно, что камера 16 будет теперь на месте камеры 15 (фиг.5), т.е. сообщение камеры 15 с боковым отверстием 12 и разобщение камеры 16 с рабочей полостью цилиндра сохраняется при этом без изменений. Следовательно, при последующем движении поршня 2 к нижней мертвой точке в такте всасывания чистый воздух через впускной канал 4 станет заполнять рабочую полость цилиндра. По окончании такта всасывания клапан 6 закрывается, и чистый воздух движением поршня вверх сжимается в рабочей полости цилиндра 1. При этом, сжимаемый воздух через боковое отверстие 12 в стакане 8, а также сообщенное с ним входное отверстие 17 камеры сгорания 15 проходит в полость этой камеры и полностью заполняет ее. С достижением поршнем 2 верхней мертвой точки практически весь заряд свежего воздуха буде т находиться в камере сгорания 15, т.е. первой камере сгорания. При приближении поршня 2 к верхней мертвой точке палец 32 ведущего диска 31 мальтийского механизма (фиг.4) войдет в прорезь на ведомом его диске 30 и начнет через ступицу 29 все быстрее поворачивать подвижный элемент 9 в стакане 8 вокруг оси его поворота. При достижении поршнем 2 верхней мертвой точки подвижный элемент 9 повернется в положение, при котором входное отверстие 17 полностью уйдет из просвета бокового отверстия 12, и камера 15 полностью изолируется от рабочей полости цилиндра 1. Одновременно с этим, входное отверстие 20 полости 16 второй камеры сгорания быстро войдет в просвет бокового отверстия 12, и она практически мгновенно сообщается с рабочей полостью цилиндра 1. Находящиеся в ней под большим давлением сгоревшие газы толкают силой своего давления поршень 2 вниз, совершая рабочий ход двигателя. Что касается полости 15 первой камеры сгорания, то после ее изоляции от рабочей полости цилиндра 1 в нее через форсунку 11 впрыскивается топливо, которое сгорает в ней при постоянном объеме. Сам же подвижный элемент 9 после его быстрого поворота на 90° фиксируется в положении, показанном на фиг.6. Понятно, что полости 15 и 16 камер сгорания поменяются местами, т.е. полость 15 будет находиться на месте полости 16 и наоборот (фиг.6). После окончания такта рабочего хода и такта выхлопа поршень 2 снова подойдет к верхней мертвой точке и мальтийским механизмом (фиг.4) подвижный элемент 9 снова быстро повернется на 90° и зафиксируется в положении, которое в точности изображено на фиг.5, а также на фиг.2 и фиг.3, и т.д. Газы, которые прорвались через зазоры между подвижным элементом 9 и стенками стакана 8, выходят через отверстия 27 и 28 в выхлопной коллектор двигателя. Благодаря предложенной форме и расположению меньших входных отверстий 18 и 19 относительно большего входного отверстия 17 первой камеры сгорания 15, и аналогично меньших входных о тверстий 21 и 22 относительно большего входного отверстия 20 второй камеры сгорания 16, силы давления газов со стороны двух меньших входных отверстий взятой камеры сгорания всегда взаимно уравновешиваются такими же силами со стороны большего ее входного отверстия. С другой стороны, благодаря предложенной форме и взаимному расположению углублений 13 и 14 относительно бокового отверстия 12 в стенке стакана 8, силы давления газов, действующие на расположенные в их просветах части подвижного элемента 9, всегда взаимно уравновешивают друг др уга при любых угла х поворота подвижного элемента в стакане 8. Все это, вместе с отрывающейся при таком подвижном элементе возможностью нормальной работы двигателя с обычным топливным насосом и одной форсункой для распыла топлива на каждом цилиндре, а также увеличением скорости переключения камер сгорания двигателя, существенно увеличивает надежность работы двигателя и упрощает его конструкцию.