ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B33/26 F02B33/30 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к четырехтактовым двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-камерным наддувом.

Известен двигатель внутреннего сгорания, работающий по четырехтактному циклу, содержащий картер, цилиндр с поршнем, механизм газораспределения. Поршень посредством шатуна связан с коленчатым валом. В цилиндре выполнены продувочные окна, а механизм газораспределения выполнен клапанным. Для заполнения цилиндра свежим зарядом используется нагнетатель [1].

Недостатком известного технического решения является необходимость использования нагнетателя для заполнения цилиндра двигателя свежим зарядом и наличие клапанного механизма газораспределения, снижающего механический КПД двигателя.

Известен четырехтактный двигатель, содержащий картер, закрепленный на нем цилиндр с головкой, поршень, размещенный в цилиндре с образованием камеры сгорания и картерной полости, установленный в картере коленчатый вал с шатунной шейкой, связанной с поршнем при помощи шатуна, впускной канал, соединенный с картерной полостью через первый запорный орган, выпускной канал, сообщенный с камерой сгорания через второй запорный орган, и перепускной канал с входным и выходным отверстиями, соединяющий картерную полость и камеру сгорания, причем входное отверстие расположено в картере и снабжено обратным клапаном, выходное отверстие расположено в камере сгорания и снабжено третьим запорным органом, а второй и третий запорные органы связаны с коленчатым валом [2].

Недостатком его являются сложность и большие габариты механизма газораспределения, а также худшая экономичность из-за больших потерь в механизме газораспределения.

Целью изобретения является повышение экономичности.

Поставленная цель достигается за счет выполнения второго и третьего запорных органов за одно целое и в виде цилиндрической золотниковой втулки, расположенной соосно с цилиндром и поршнем между стенками последних и связанной с дополнительным кривошипным валом, установленным в картере и связанным с коленчатым валом, причем кривошипный вал связан с втулкой при помощи шарового шарнира с втулкой с возможностью ее возвратно-поступательного перемещения вдоль оси цилиндра и возвратно-вращательного движения в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, а по окружности втулки выполнены пояс впускных окон с возможностью сообщения картерной полости с камерой сгорания перед тактом сжатия и пояс выпускных окон с возможностью сообщения камеры сгорания с выпускным каналом в конце расширения.

Положительный эффект, указанный в цели изобретения, достигается за счет снижения потерь на привод втулки по сравнению с потерями в механизме газораспределения с тарельчатыми клапанами, а также за счет упрощения и уменьшения габаритов механизма.

На фиг.1 показаны предлагаемый двигатель, продольный разрез; на фиг.2 - поперечный разрез двигателя с пластинчатыми клапанами во впускном и перепускном каналах; на фиг.3 - то же, с золотниковым клапаном во впускном канале и пластинчатым клапаном в перепускном канале; на фиг.4 - узел крепления цилиндра к картеру двигателя; на фиг.5 - узел кинематической связи золотниковой втулки с кривошипным валом; на фиг.6 - золотниковая втулка с хомутом; на фиг.7 - кривошипная шейка коленчатого вала в сборе.

Описываемый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит картер 1, закрепленный на нем цилиндр 2 с головкой 3, поршень 4, размещенный в цилиндре 2 с образованием камеры 5 сгорания и картерной полости 6, установленный в картере 1 коленчатый вал 7 с шатунной шейкой 8, связанной с поршнем 4 при помощи шатуна 9, впускной канал 10 с запорным органом 11, выполненным, например, в виде пластинчатого клапана (фиг.2) или золотника (фиг. 3), сообщенный с картерной полостью 6, выпускной канал 12, сообщенный с камерой 5 сгорания и перепускной канал 13 с входным 14 и выходным 15 отверстиями, соединяющий полость 6 и камеру 5. Входное отверстие 14 расположено в картере 1 и снабжено обратным клапаном 16, а выходное отверстие 15 расположено в камере 5. Выпускной канал 12 и выходное отверстие 15 снабжены запорным органом, выполненным в виде цилиндрической золотниковой втулки 17, расположенной соосно с цилиндром 2 и поршнем 4 между их стенками. По окружности втулки 17 выполнены пояс впускных окон 18 с возможностью соединения картерной полости 6 с камерой 5 сгорания перед тактом сжатия и пояс выпускных окон 19 с возможностью сообщения камеры 5 с выпускным каналом 12 в конце расширения. Втулка 17 соединена с дополнительным кривошипным валом 20 при помощи шарового шарнира 21, причем коленчатый вал 7 и кривошипный 20 валы связаны между собой.

Выходное отверстие 15 перепускного канала 13 может быть расположено тангенциально к окружности цилиндра 2, что позволит улучшить смесеобразование в двигателе с продувочными окнами без потерь заряда при его перепуске через окна в камеру сгорания.

Шаровой шарнир 21 может быть выполнен в виде втулки 22 с внешней сферической поверхностью, установленной в отверстии с внутренней сферической поверхностью 23, выполненном в кривошипном вале 20 эксцентрично оси его вращения, во внутреннем отверстии втулки 22 размещен тонкостенный цилиндрический вкладыш 24 с буртиком 25, в котором расположен палец 26, связанный с золотниковой втулкой 17.

Сопряженные между собой поверхности, например втулки 22, и вкладыша 24 могут быть снабжены уплотнениями 27.

Палец 26 может быть связан с золотниковой втулкой 17 при помощи закрепленного на ее цилиндрической поверхности хомута 28, в варианте палец 26 может быть выполнен за одно целое с хомутом 28. На цилиндрической поверхности втулки 17 в месте установки хомута 28 может быть выполнен кольцевой буртик 29, расположенный в кольцевой проточке 30, выполненной на внутренней поверхности хомута 28.

Коленчатый вал 7 может быть выполнен составным в виде щек 31, между которыми установлена шатунная шейка 8, входящая соосными с ней цилиндрическими выступами 32 меньшего диаметра в отверстия щек 31, а в шейке 8 соосно с ней со стороны одного выступа 32 выполнено резьбовое отверстие 33, сообщенное с конусной выточкой 34, выполненной со стороны противоположного выступа 32 с уменьшением ее диаметра внутрь шейки 8, причем в конусной выточке 34 установлена коническая втулка 35 с резьбовым отверстием 36, в резьбовые отверстия 33 и 36 соответственно шейки 8 и втулки 35 ввернут болт 37 с двумя участками 38 и 39 резьбы, резьба на которых выполнена с разным шагом.

Составной коленчатый вал 7 может быть снабжен уплотнениями, выполненными в виде подпружиненных шайб 40, установленных в цилиндрических выточках 41 во внутренних поверхностях щек 31 соосно с шатунной шейкой 8, с возможностью контактирования своими торцовыми поверхностями с торцовыми поверхностями кривошипной головки 42 шатуна 9, а шайбы 40 снабжены торцовыми и радиальными уплотнительными элементами 43 и 44 соответственно.

Соединение картера 1 с цилиндром 2 может быть выполнено в виде хомута 45, стягивающего кольцевые буртики 46 и 47 соответственно картера 1 и цилиндра 2, при этом поверхность по меньшей мере одного из буртиков 46 или 47, контактирующая с внутренней поверхностью хомута 45, выполнена конусной.

Цилиндр 2 и головка 3 могут быть снабжены элементами воздушного охлаждения, при этом элементы охлаждения цилиндра 2 могут быть выполнены в виде кольцевых ребер 48, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра 2, а элементы охлаждения головки 3 могут быть выполнены в виде конусных выступов 49, перпендикулярных ее поверхности.

Описываемый двигатель работает следующим образом.

Во время хода поршня 4 к верхней точке в камере 5 сгорания происходит сжатие заряда. В картерной полости 6 при этом за счет разрежения происходит всасывание свежего заряда через впускной канал 10 с запорным органом 11, например золотником. Во время рабочего хода поршня 4 в картерной полости 6 происходит сжатие и перепуск свежего заряда в перепускной канал 13, выходное отверстие 15 которого перекрыто золотниковой втулкой 17, а входное отверстие 14, в котором установлен обратный клапан 16, при перепуске открыто. В такте выпуска отработавших газов из камеры 5 сгорания при повороте золотниковой втулки 17 кривошипным валом 20 в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра 2, выпускные окна 19, выполненные в золотниковой втулке 17, совпадают с выпускным каналом 12. В картерной полости 6 в этом такте происходит повторное всасывание свежего заряда через впускной канал 10, и во время следующего такта заряд в картерной полости 6 сжимается и перепускается в канал 13, в котором находится также порция ранее сжатого заряда. При ходе поршня 4 к нижней мертвой точке (НМТ) во время повторного сжатия в кривошипной камере 6 все газораспределительные отверстия в камере 5 сгорания перекрыты золотниковой втулкой 17, в результате чего во время части хода поршня 4 к НМТ в камере 5 сгорания создается разрежение. При положении поршня 4 в районе НМТ впускные окна 18, выполненные в золотниковой втулке 17, во время ее поворота кривошипным валом 20 совпадают с выходными отверстиями 15 перепускного канала 13, в результате чего двойная порция сжатого заряда перетекает при большом перепаде давления в камеру сгорания, осуществляя такт впуска свежего заряда в камеру 5 сгорания. Сжатие заряда в камере 5 сгорания, воспламенение и расширение газов в цилиндре 2 происходит при перекрытых золотниковой втулкой 17 окнах газораспределения.

Таким образом, наличие обратного клапана во входном отверстии перепускного канала позволяет увеличить количество заряда, перепускаемого в цилиндр перед сжатием, при этом значительно снизить механические потери на привод механизма газораспределения за счет его выполнения в виде подвижной золотниковой втулки, связанной с кривошипным валом и улучшения условий работы трущихся поверхностей механизма за счет сложного движения втулки.

Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр, размещенный в нем поршень, связанный с коленчатым валом при помощи шатуна, картерную полость, сообщенную с атмосферой при помощи впускного канала с запорным органом, и перепускной канал с входным и выходным отверстиями, расположенный с возможностью соединения картерной полости с камерой сгорания при положении поршня в нижней мертвой точке, причем во входном отверстии установлен обратный клапан, а выходное снабжено запорным органом, выполненным в виде цилиндрической золотниковой втулки, связанной с кривошипным валом при помощи шарового шарнира, что позволяет накапливать в перепускном канале порцию сжатого заряда за один такт и перепускать в камеру двойную порцию заряда в следующем такте сжатия в картерной полости. 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий картер, закрепленный на нем по меньшей мере один цилиндр с головкой, поршень, размещенный в цилиндре с образованием камеры сгорания и картерной полости, установленный в картере коленчатый вал с шатунной шейкой, связанной с поршнем при помощи шатуна, впускной канал, соединенный с картерной полостью через первый запорный орган, выпускной канал, сообщенный с камерой сгорания через второй запорный орган, и перепускной канал с входным и выходным отверстиями, соединяющий картерную полость и камеру сгорания, причем входное отверстие расположено в картере и снабжено обратным клапаном, выходное отверстие расположено в камере сгорания и снабжено третьим запорным органом, а второй и третий запорные органы связаны с коленчатым валом, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, он снабжен кривошипным валом, установленным в картере и связанным с коленчатым валом, а второй и третий запорные органы выполнены заодно в виде цилиндрической золотниковой втулки, расположенной соосно с цилиндром и поршнем между стенками последних, причем кривошипный вал при помощи шарового шарнира связан с втулкой с возможностью ее возвратно-поступательного перемещения вдоль оси цилиндра и возвратно-вращательного движения в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, а по окружности втулки выполнены пояс впускных окон с возможностью сообщения картерной полости с камерой сгорания перед тактом сжатия и пояс выпускных окон с возможностью сообщения камеры сгорания с выпускным каналом в конце расширения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выходное отверстие перепускного канала расположено тангенциально к окружности цилиндра. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что шаровой шарнир связи кривошипного вала с золотниковой втулкой выполнен в виде втулки с внешней сферической поверхностью, выполненной в кривошипном вале эксцентрично оси его вращения, во внутреннем отверстии втулки шарнира размещен цилиндрический вкладыш с буртиком, в котором расположен палец, связанный с золотниковой втулкой. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что сопряженные поверхности элементов шарового шарнира снабжены уплотнениями. 5. Двигатель по пп. 1-4, отличающийся тем, что связь пальца с золотниковой втулкой выполнена в виде закрепленного на ее цилиндрической поверхности хомута. 6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что палец выполнен заодно с хомутом. 7. Двигатель по пп.5 и 6, отличающийся тем, что на цилиндрической поверхности втулки в месте установки хомута выполнен по меньшей мере один кольцевой буртик, расположенный в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности хомута. 8. Двигатель по пп.1-7, отличающийся тем, что коленчатый вал выполнен составным в виде щек, между которыми установлена шатунная шейка, входящая соосными с ней цилиндрическими выступами меньшего диаметра в отверстия щек, а в шейке соосно с ней со стороны одного выступа выполнено резьбовое отверстие, сообщенное с конусной выточкой, выполненной со стороны противоположного выступа с уменьшением ее диаметра внутрь шейки, причем в конусной выточке установлена коническая втулка с резьбовым отверстием, в резьбовые отверстия шейки и втулки ввернут болт с двумя участками резьбы, а резьба последних выполнена с разным шагом. 9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что во внутренних поверхностях щек соосно с шатунной шейкой выполнены цилиндрические выточки, в которые установлены уплотнения, выполненные в виде подпружиненных шайб с возможностью контактирования своими торцевыми поверхностями с торцевыми поверхностями кривошипной головки шатуна, снабженных торцевыми и радиальными уплотнительными элементами. 10. Двигатель по пп. 1-9, отличающийся тем, что на посадочных поверхностях цилиндра и картера выполнены кольцевые буртики, соединение цилиндра с картером выполнено в виде хомута, стягивающего буртики картера и цилиндра, а поверхность по меньшей мере одного из буртиков, контактирующая с внутренней поверхностью хомута, выполнена конусной. 11. Двигатель по пп. 1-10, отличающийся тем, что цилиндр и головка снабжены элементами воздушного охлаждения. 12. Двигатель по п.11, отличающийся тем, что элементы охлаждения цилиндра выполнены в виде ребер, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, а элементы охлаждения головки - в виде конусных выступов, перпендикулярных ее поверхности.