Двигун внутрішнього згоряння

1. Двигун внутрішнього згоряння, що включає камери згоряння, системи подачі і спалювання палива, установлені на камерах згоряння, і також поршні, гільзи, впускні та випускні клапани, високовольтні електроди, розміщені усередині камер згоряння, який відрізняється тим, що на внутрішніх поверхнях камер згоряння виконані термоелектроізоляційні покриття (типу кераміки), нанесені методом глибокого анодирування. 2. Двигун внутрішнього згоряння за п. 1, який відрізняється тим, що гільзи камер згоряння виконані з алюмінію із забезпеченням щільного контакту їхніх зовнішніх поверхонь із внутрішніми поверхнями корпуса блока циліндрів, при цьому гільзи в нижній мертвій точці (НМТ) обладнані, рівномірно розподіленими по окружності, отворами трикутної форми, C2 2 (19) 1 3 - відносно висока вага конструкції, пов'язана з застосуванням вузлів і деталей із завищеними ваговими характеристиками; - підвищений шум, зв'язаний з незадовільною динамікою викиду вихлопних газів; а також наявністю стрибка ущільнення, що виникає в зоні реверса поршня в нижній мертвій точці (НМТ) при викиді продуктів згоряння; - висока витрата палива, пов'язана з незадовільним процесом горіння палива в камері згоряння. Найближчим за технічною суттю результатом, що досягається, є чотиритактний двигун [2], що містить принаймні один циліндр, один поршень, впускний і випускний канали з клапанами, додатковий випускний отвір нижньої частини циліндра, забезпечений клапаном із приводом, при цьому розмір перерізу отвору визначається кутом випередження випуску даного двигуна і нижньою мертвою точкою поршня. Недоліки відомого винаходу [2] такі. Недостатня ефективність технічних вирішень проблеми, зв'язаних із підвищенням ККД двигуна, які не враховують термодинамічні характеристики у камері згоряння. Це пов'язано з конструктивним використанням процесу скидання вихлопних газів у нижній мертвій точці, що важливе для підвищення ККД і надійності роботи двигуна, особливо двигунів із повітряним охолодженням. Крім того, ККД і надійність роботи двигуна залежить від термостійкості стінок камери згоряння. Велике теплове навантаження несе нижня частина циліндра і поверхня поршня при перебуванні його в нижній мертвій точці й здійсненні реверса на виштовхування вихлопних газів. При реверсі поршня здійснюється гальмування продуктів згоряння, що призводить до виникнення стрибка ущільнення й перетворенню кінетичної енергії продуктів згоряння в тепло. Запропонована конструкція скидання газу в НМТ, винаходу [2], ускладнена й малоефективна через наявність клапана відсічення з приводом, установленим на каналі скидання вихлопних газів у НМТ. Використання одного каналу, виконаного з крутим поворотом витікання вихлопних газів, приведе до гальмування й турбулізації потоку, що погіршує динаміку скидання, а також збільшує гучність двигуна. Іншим близьким технічним рішенням є спосіб керування примусовим запалюванням двигуна внутрішнього згоряння [3] за заявкою ФРН. Спосіб призначено для керування примусовим запалюванням паливоповітряної суміші в камері згоряння двигуна внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням. Конструкція, що реалізує спосіб керування примусовим запалюванням, містить у кожній камері згоряння щонайменше один нерухомо встановлений електрод свічки, а також взаємодіючий з ним рухомий масовий електрод, нерухомо з'єднаний з відповідним поршнем. Для кожної частоти обертання двигуна напруга запалювання генерується до першого моменту запалювання. При першому значенні навантаження двигуна момент відповідає першій відстані між електродами. У другому значенні навантаження двигуна напруга генерується до другого моменту запалювання. 94874 4 Цей момент відповідає другій відстані між електродами, більш коротшій, ніж перша. Момент запалювання двигуна регулюється в межах усього діапазону навантажень двигуна. Недоліками конструкції примусового іскрового запалювання є: - низька надійність роботи системи іскрового запалювання, тому що вона залежить від режиму роботи двигуна внутрішнього згоряння (частоти обертання колінчатого вала, чистоти контактів і відстані між електродами); - неможливість регулювання системи запалювання двигуна на виключення робочого такту заданої кількості поршнів на холостому ходу роботи двигуна; - відносно висока витрата палива, зв'язана з процесом запалювання й згоряння палива. В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності роботи двигуна внутрішнього згоряння, переважно повітряного охолодження, шляхом поліпшення термодинамічних характеристик згоряння палива, підвищення термостійкості стінок камери згоряння, а також удосконалення систем подачі й запалювання палива. Поставлена задача вирішується таким чином. У двигуні внутрішнього згоряння, що включає камери згоряння, системи постачання і спалювання палива, установлені на камерах згоряння, а також поршні, гільзи, впускні та випускні клапани, високовольтні електроди, розміщені усередині камер згоряння, новим є те, що: - у ньому на внутрішніх поверхнях камер згоряння виконані термоелектроізоляційні покриття (типу кераміки), нанесені Методом глибокого анодирування; - гільзи камер згоряння виконані з алюмінію з забезпеченням щільного контакту їхніх зовнішніх поверхонь із внутрішніми поверхнями корпуса блока циліндрів, при цьому гільзи в нижній мертвій точці (НМТ) обладнані рівномірно розподіленими по окружності отворами трикутної форми, виходи яких уведені в колектор скидання частини вихлопних газів; - система подачі палива в камери згоряння обладнана швидкісними клапанами упорскування, виходи яких уведені в камеру згоряння, а входи з'єднані з колектором магістралі паливоподачі, яка має насос, при цьому електричні клеми керування клапанів упорскування з'єднані з позитивною й негативною клемами акумулятора, причому позитивні струмопроводи клапанів упорскування з'єднані з акумулятором через низьковольтний розподільних моменту упорскування палива, а негативний струмопровід з'єднаний з масою транспортного засобу, причому, на двох негативних струмопроводах двох клапанів упорскування двох камер згоряння двигуна встановлено вимикач, електрично і механічно зв'язаний з механізмом включення холостого ходу роботи двигуна; - система згоряння палива оснащена високовольтною котушкою Румкорфа (або електронним блоком), встановленої автономно, кінематично не зв'язаної з колінчатим валом двигуна, вхідні клеми якої з'єднані струмопроводами з акумулятором, а вихідні клеми з'єднані струмопроводами з елект 5 родами, розміщеними усередині камер згоряння, причому позитивні електроди встановлені нерухомо в центрі кришки камер згоряння, а негативні електроди встановлені в центрі поршнів і переміщаються разом з ними. Нанесення на внутрішні поверхні камери згоряння термостійкого термоелектроізоляційного покриття (типу кераміки) методом глибокого анодирування збільшило теплозахист та електроміцність поверхні камери згоряння, а також збільшило коефіцієнт корисної дії (ККД) двигуна внутрішнього згоряння за рахунок можливості підвищення температури згоряння палива. Термостійкість стінок камери згоряння забезпечено також заміною сталевої гільзи на алюмінієву, що дає більш високий тепловідвід у зовнішнє середовище через повітрообдувані зовнішні ребра корпуса блока двигуна. Особливо важливим заходом щодо підвищення термостійкості стінок камери згоряння є виконання випускних отворів трикутної форми в нижній мертвій точці (НМТ). Ефект підвищення термостійкості зв'язаний зі скиданням найбільш нагрітих продуктів згоряння з нижньої частини циліндра, перегрів яких відбувається в результаті реверса поршня й появи стрибка ущільнення у вихлопному газі через зміну напряму руху його у бік випускного клапана камери згоряння. Кінетична енергія загальмованого вихлопного газу супроводжується різким підвищенням температури в нижній частині циліндра, що може привести до прогару денця поршня або прилеглих поверхонь стінок циліндра двигуна. Для скидання частини перегрітого вихлопного газу забезпечують затримку відкриття випускного клапана. Виконання отворів трикутної форми поліпшило динаміку скидання вихлопного газу в момент реверса поршня. Максимальному скиданню (по витраті й тискові стрибка ущільнення) відповідає максимальна площа викиду вихлопного газу, що сприяє зниженню гучності роботи двигуна. Перекриття отворів здійснюється поршнем. Підключення клапанів упорскування до низьковольтного розподільника, кінематично зв'язаного з валом двигуна, забезпечує надійне упорскування палива в такті робочого ходу двигуна незалежно від джерела підпалу палива. Виконання джерела високовольтної напруги, не пов'язаного з колінчатим валом, на противагу системі з іскровим запалюванням, підвищило ефективність горіння палива в камері згоряння за рахунок: - іонізації повітря в процесі усмоктування й стиску його; - іонізації початку горіння палива з повітрям; - іонізації продуктів згоряння, при вихлопі їх в атмосферу, що сприяє більш глибокому допаленню палива і поліпшенню екологічної чистоти навколишнього середовища. Крім того, ефективності процесу згоряння палива в камері згоряння, сприяє каталітичний вплив стінок покриття камери згоряння. Електричний зв'язок двох клапанів упорскування з вимикачем, механічно зв'язаним із рукояткою переключення режиму роботи двигуна, дозволяє відключити робочий такт двох циліндрів 94874 6 двигуна при переході роботи двигуна на режим холостого ходу, що сприяє економії пального і поліпшенню екологічної чистоти навколишнього середовища, тому, що на холостому ходу роботи двох камер згоряння припиняється подача палива і в атмосферу викидається тільки чисте повітря. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 показана конструктивна схема камери згоряння, переважно повітряного охолодження. На Фіг.2 зображений загальний вид підключення до камери згоряння систем паливоподачі і запалювання паливоповітряної суміші. У камеру згоряння Фіг.1 входить корпус 1 блока циліндрів з оребренням 2. Усередину корпуса міцно встановлена гільза 3, виготовлена з алюмінію, внутрішня поверхня якої має термоелектроізоляційне покриття 4 типу кераміки, виготовлене електрохімічним способом. Аналогічне покриття 5 виконане на поршні 6. На денці поршня, поверненому в камеру згоряння, розміщено негативний електрод (маса) 7. Поршень має шатун 8, зв'язаний з поршнем віссю 9. Над поршнем у нижній мертвій точці (НМТ) виконані трикутні отвори 10. На кришці 11 блока циліндрів нанесене покриття 12 аналогічне гільзі. На кришці встановлений позитивний електрод 13, впускний 14 і випускний 15 клапани, а також клапан 16 упорскування. Виходи трикутних отворів уведені в колектор 17 скидання частини перегрітих продуктом згоряння в зоні h реверса поршня. Н - хід поршня 6; НТМ - нижня мертва точка; ВМТ - верхня мертва точка; k - зона утворення плазми при високовольтному розряді між електродами 7, 13. Система паливоподачі включає паливний насос 19, установлений на магістралі 18. Магістраль 18 зв'язана колектором і трубопроводами 16(І)Т, 16(ІІ)Т, 16(IIІ)Т, 16(IV)T з клапанами 16 упорскування палива. Позначення (І, II, III, IV) номера циліндрів, Т - символ магістралі паливоподачі. Система струмопроводів керування клапанами 16 упорскування включає позитивні струмопроводи 16(І)П, 16(ІІ)П, 16(III)П, 16(ІV)П, які зв'язано з клемами розподільника 20 (І, II, III, IV - номера циліндрів). Тут символ П - позитивний струмопровід. Для подачі позитивного заряду на клеми клапанів упорскування передбачений бігунок 21, що зв'язаний позитивним струмопроводом 22 із позитивною клемою акумулятора 23. Негативні струмопроводи із символом 16(I)О, 16(II)О, 16(III)О, 16(IV)O, з'єднані з масою двигуна струмопроводом 24, причому струмопроводи 16(I)О, 16(II)О мають вимикач 25, вбудований у рукоятку 26 керування режимом роботи двигуна. У систему підпалу палива входить джерело високовольтної напруги 27, виконане у вигляді котушки Румкорфа або з аналогічною функцією електронного блока. Джерело високовольтної напруги зв'язане з акумулятором 23 за допомогою струмопроводів 28, 29. Високовольтна вихідна позитивна клема 30 пов'язана з позитивними електродами 13 камер згоряння за допомогою струмопроводів 13(I)Э, 13(II)Э, 13(III)Э, 13(IV)Э, Тут символ "Э" позначає позитивні електроди камер згоряння. Негативна клема (-) високовольтного джерела 27 зв'язана з масою двигуна струмопроводом 31. Високовольтна напруга здійснюється за 7 допомогою вібратора, у який входить магнітопровід 32, плоска пружина 33 із сердечником 34 і поворотна пружина 35. Негативні електроди 7 поршня зв'язані з масою (-) двигуна. Робота камери згоряння двигуна внутрішнього згоряння відбувається таким чином. Стан двигуна перед пуском. Усі клапани упорскування 16 підключені трубопроводами 16(І)Т, 16(ІІ)Т, 16(III)Т, 16(IV)T до колектора подачі палива, постаченому магістраллю 18 подачі палива насосом 19. Електричні контакти (+) системи керування клапанами 16 упорскування зв'язані позитивними струмопроводами 16(I)П, 16(II)П, 16(III)П, 16(ІV)П з розподільником 20 низьковольтної напруги. Негативні струмопроводи (-) клапанів 16 упорскування зв'язані з масою двигуна 16(I)О, 16(II)0, 16(III)О, 16(IV)О. При цьому на струмопроводах 16(I)О й 16(II)О установлено вимикач 25. У такті впуску поршень 6 рухається від ВМТ до НМТ, при цьому у ВМТ впускний клапан 14 відкривається за допомогою розподільного механізму (на кресленні не зазначене) і при НМТ - закривається. При русі поршня вниз через відкритий впускний клапан у камеру згоряння надходить атмосферне повітря. Спочатку руху поршня в зоні "k" підтримується плазма між високовольтним електродом 13 (+) і електродом 7 (-) масою двигуна. Електричний розряд, у вигляді плазми, у зоні «k» створює джерело 27 (котушка Румкорфа), що працює автономно не залежно від обертання вала двигуна. Повітря, що надходить у циліндр, іонізується плазмою. У такті стиску повітря, поршень 6 рухається від НМТ до ВМТ, тобто знизу нагору. При такті стиску клапани 14 і 15 закриті, і повітря в камері згоряння 1 стискується. При проходженні поршнем 6 зони "k" стиснене повітря піддається впливу електричної плазми, у результаті чого воно іонізується. Наприкінці такту стиску бігунок 21 підключає клапан 16 упорскування палива, зв'язаний струмопроводом 16(І)П з позитивною клемою клапана 16, що впорскує паливо в стиснене повітря камери згоряння 1, при цьому суміш палива з повітрям запалюється в присутності плазми у зоні "k". 94874 8 У такті робочого ходу відбувається згоряння паливоповітряної суміші, при цьому в зоні "k" паливоповітряна суміш, у процесі горіння, піддається впливу плазми, що приводить до її іонізації й підвищення ефекту згоряння паливної суміші з повітрям. Після входу поршня 6 у зону "h" він відкриває трикутні отвори 10, при цьому частина продуктів згоряння викидається через них, що сприяє зниженню температури й тиску в камері згоряння при реверсі поршня в НМТ. Після завершення реверса поршня 6 і проходження їм зони "h" включається випускний клапан 15. У такті випуску й виштовхування відпрацьованих газів впускний клапан 14 закритий. При русі поршня від НМТ до ВМТ відпрацьовані гази, що залишилися в камері згоряння, виштовхуються поршнем 6 через випускний клапан 15 в атмосферу. При підході поршня 6 до зони "k" відбувається електричний розряд між електродом 13 і електродом 7, розміщеному на поршні. Плазма, що утворилася, підсилює процес догоряння палива у вихлопних газах, що приведе до поліпшення чистоти вихлопних газів, що викидаються. У роботі двигуна передбачене відключення двох камер згоряння двигуна на холостому ходу, для чого клапани упорскування цих камер відключаються за допомогою вимикача 25, вбудованого в рукоятку 26 переключення режимів робіт двигуна. Відключення двох циліндрів на холостому ходу передбачається тільки для наземного транспорту. Виконана таким чином камера згоряння двигуна, а також системи паливоподачі й спалювання паливоповітряної суміші, сприяють поліпшенню термодинамічних характеристик двигуна, підвищує ККД його роботи, надійність експлуатації, поліпшує екологічну чистоту навколишнього середовища. Джерела інформації: 1. С.А. Шейнин, Н.Н. Стрюк. Альбом "Двигатель МеМЗ автомобиля ЗАЗ-968М". - Москва: Машиностроение, 1973. 2. Патент RU №2163676, С2, МКИ F02В 27/06 "Двигатель внутреннего сгорания", А.В. Кузмин, опубл. 27.02.2001. Бюл. №6. 3. Заявка ФРГ (DE)N OS 3601299. F02P 15/04, 5/15, H01T 13/24, опубл. 24.07.86. 9 94874 10 11 Комп’ютерна верстка А. Рябко 94874 Підписне 12 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601