Изобретение относится к машиностроению, точнее к двигателестроению, и может быть использовано в конструкциях поршневых двигателей транспортных и других машин.
Известны [1] двигатели внутреннего сгорания (ДВС) четырехтактные и двухтактные. Известные четырехтактные двигатели затрачивают на рабочий цикл два оборота коленчатого вала и потому имеют малую удельную мощность.
Недостатками двухтактных двигателей являются высокая тепловая напряженность и низкий КПД ввиду удвоения числа рабочих циклов относительно четырехтактного ДВС при той же частоте вращения вала.
Известны [2, 3] ДВС изменяемой тактности, которые при малой и средней скоростях вала работают по четырехтактному циклу, а при дальнейшем повышении скорости автоматически изменяют тактность и переходят на двухтактный рабочий цикл.
Основными недостатками известных ДВС изменяемой тактности являются снижение мощности при уменьшении скорости от среднего значения, что снижает коэффициент приспособляемости по крутящему моменту и требует применения в трансмиссии коробки передач с увеличенным числом ступеней, снижение КПД на малых оборотах холостого хода и при работе по регуляторной ветви скоростной характеристики, что обусловлено работой всех цилиндров без отключений топливоподач и, следовательно, при малых значениях индикаторного КПД, и сложность конструкции, связанная с использованием особой системы управления тактностью, выполненной на основе электронных устройств.
Для устранения указанных недостатков можно использовать наддув с объемным приводным нагнетателем, аккумуляторную систему топливоподачи, топливовпрыскивающую систему с эмульсионной насос-форсункой, гидропривод насос-форсунки и клапанов газораспределения, отключение цилиндров и подач топлива в отдельных циклах, автоматическое регулирование скорости, моноблочную конструкцию ДВС с встроенным продувочным насосом и др. Однако в отдельности предлагаемые технические решения не имеют органической связи между собой, их одновременное использование недопустимо усложняет конструкцию, а систем многофункциональных по нашим сведениям не имеется.
В качестве прототипа, имеющего наибольшее число общих признаков с заявленным двигателем, принят известный [2] ДВС изменяемой тактности, который содержит полый корпус с закрепленными цилиндрами, камеру сгорания цилиндра, коленчатый вал, установленный в корпусе подвижно, кулачковый вал, кинематически связанный с коленчатым валом, системы впуска и выпуска, соединенные каналами с цилиндрами, продувочный насос, установленный в системе впуска, выпускной клапан, выполненный тарельчатым подпружиненным и взаимодействующий с системой выпуска, систему топливоподачи с устройством для впрыскивания топлива в камеру сгорания, привод, соединяющий выпускной клапан с кулачковым валом, и систему регулирования, снабженную органом управления, взаимодействующую с системой топливоподачи и обеспечивающую изменение тактности.
Основными недостатками известного ДВС изменяемой тактности являются снижение мощности при уменьшении скорости от среднего значения из-за перехода на четырехтактный цикл и снижение подачи воздуха продувочным насосом эжекционного тина, что также связано с четырехтактным циклом, снижение КПД на малых оборотах холостого хода, поскольку подача топлива производится во всех рабочих циклах, цикловые дозы невелики и теплоиспользование ухудшается, снижение КПД при работе в области максимальной скорости, ограничиваемой регулятором, по упомянутой причине работы всех цилиндров, высокая тепловая напряженность на этом режиме, что связано с двухтактным циклом, и сложность конструкции, обусловленная применением электронных и других устройств для регулирования и изменения тактности.
Желателен двигатель с высокими значениями мощности, приспособляемости и КПД и простой конструкции.
Целью изобретения является повышение мощности, приспособляемости и КПД и упрощение конструкции путем использования устройств многоцелевого назначения.
Поставленная цель достигается следующим образом.
Система топливоподачи выполнена аккумуляторной и содержит неуправляемую насос-форсунку, дозатор золотникового типа и аккумулятор топлива стабилизированного давления, последовательно соединенные между собой топливопроводами, привод выпускного клапана и насос-форсунки выполнен гидромеханическим с плунжерными насосом и гидроцилиндрами, образующими секцию привода, и числом секций по числу цилиндров двигателя, кулачковый вал соединен с коленчатым валом при передаточном отношении равном 2 и имеет для каждой из секций привода кулачковую шайбу с четырьмя кулачками, из которых по меньшей мере один кулачок отличается от других профилем поверхности, а система регулирования выполнена гидравлической и содержит ванну и насос рабочей жидкости, приводимый от коленчатого вала, орган управления золотникового типа, у которого имеются рычаг управления, связанный с золотником, вход, соединенный трубопроводом с насосом рабочей жидкости, и два выхода, соединенные порознь с ванной и дозатором, при этом насос-форсунка имеет подпружиненный плунжер и вход, взаимодействующий с плунжером, аккумулятор топлива имеет на выходе запорный орган, дозатор имеет гидравлическую камеру, к которой подключен один из выходов органа управления, вход, соединенный топливопроводом с запорным органом аккумулятора топлива, выходы, выполненные по числу цилиндров, распределенные по окружности и соединенные порознь с насос-форсунками, и подпружиненный золотник, у которого один конец выходит в гидравлическую камеру, другой конец через шлицевое подвижное соединение кинематически связан с коленчатым валом при передаточном отношении 1:1, а на цилиндрической поверхности выполнена канавка переменной вдоль окружностей ширины, соединенная каналами с входом и взаимодействующая с выходами, в каждой из секций привода плунжер насоса подпружинен и взаимодействует с кулачковой шайбой через роликовый толкатель, насос имеет впускное и нагнетательное окна, взаимодействующие с плунжером и нагнетательный канал, из которых первые соединены каналами, соответственно, с насосом рабочей жидкости и гидроцилиндром привода выпускного клапана, гидроцилиндр привода насос-форсунка выполнен двухступенчатым и через плунжер большей ступени связан с плунжером насос-форсунки, в стенках большей ступени и гидроцилиндра привода выпускного клапана выполнены окна, взаимодействующие с плунжерами и соединенные между собой перемычкой, меньшая ступень и перемычка соединены каналами с нагнетательным каналом насоса, а выход органа управления, соединенный с ванной рабочей жидкости, взаимодействует с золотником с образованием переменного дросселя.
Поставленная цепь достигается также тем, что гидроцилиндры секции привода имеют в стенках кольцевые проточки, которые взаимодействуют с плунжерами и перекрывают окна, соединенные перемычкой, большая ступень и гидроцилиндр привода выпускного клапана имеют в стенках дренажные окна, взаимодействующие с плунжерами, насос-форсунка выполнена эмульсионной, для чего распылитель выполнен открытым и снабжен внутренним посадочным конусом, а плунжер имеет на конце запирающий конус, соединение коленчатого и кулачкового валов выполнено с помощью пары зубчатых некруглых колес, взаимодействующих между собой в зацеплении.
Поставленная цель достигается также тем, что: двигатель имеет циркуляционную систему смазывания, объединенную с системой регулирования через насос и ванну рабочей жидкости, двигатель имеет два кулачковых вала, из которых один вал снабжен кулачковой шайбой с разрезными по профилю кулачками, а другой кинематически связан с коленчатым валом с помощью пары зубчатых некруглых колес, находящихся между собой в зацеплении, продувочный насос выполнен роторным с лопаточносоосными роторами, которые установлены в полости, выполненной в корпусе, взаимодействуют лопатками с корпусом с образованием рабочих камер, соединенных каналами с системой впуска, и демпфера переменного сопротивления, расположенного между смежными лопатками роторов в объеме мертвого пространства, причем один из роторов через соединительную муфту связан с кулачковым валом, приводимым через передачу с некруглыми зубчатыми колесами, а другой ротор установлен свободно, двигатель внутреннего сгорания выполнен двухцилиндровым Y-образным с осями цилиндров, скрещивающимися между собой под углом 90o, двумя кулачковыми валами, расположенными в развале между цилиндрами и связанными между собой через зубчатую передачу с некруглыми колесами, и упомянутым продувочным насосом, у которого один из ротор имеет привод от ведомого кулачкового вала, причем, корпус выполнен в виде моноблока, включающего в себя цилиндры и имеющего полость продувочного насоса, выпускной клапан и насос-форсунка имеют нижнее расположение и взаимодействуют непосредственно с плунжерами секции привода, камера сгорания выполнена боковой и расположена над тарелью выпускного клапана и распылителем насос-форсунки, коленчатый вал выполнен неполно опорным с двумя кривошипами, имеющими относительное смещение 90o и разделенными промежуточной щекой, а последняя несет зубчатый венец, кинематически связанный с некруглыми колесами.
Поставленная цель достигается также тем, что двухцилиндровый Y-образный двигатель имеет механизм уравновешивания в виде зубчатого некруглого колеса с подвижной осью, снабженной направляющими и подпружиненной относительно корпуса, причем, центр тяжести колеса расположен на оси его вращения, колесо находится в зацеплении с зубчатым венцом, расположенным на промежуточной щеке коленчатого вала, а направляющие закреплены на корпусе, размещены перпендикулярно коленчатому валу и под углами 45o и 135o к плоскостям, проходящим через ось коленчатого вала и оси цилиндров, и расположены по сторонам от колеса, моноблок включает в себя головку цилиндра, в головке выполнен монтажный проем, ведущий в камеру сгорания, который расположен над тарелью выпускного клапана и закрыт закрепленной снаружи крышкой, крышка монтажного проема выполнена неохлаждаемой из жаростойкого материала, в частности, из металлокерамики, крышка монтажного проема выполнена ребристой со стороны камеры сгорания.
Поставленная цель достигается также тем, что аккумулятор топлива выполнен двухсекционным в виде топливного бака и аккумулятора давления, которые снабжены герметизированными крышками и соединены между собой через дополнительный запорный орган, а аккумулятор давления содержит сжиженный газ при критическом давлении, аккумулятор давления содержит сжиженный горючий газ и имеет дополнительный выход из придонной части, который выполнен в виде трубки, присоединенной к дополнительному запорному органу, выполненному трехпозиционным аккумулятор давления содержит пропан-бутановую смесь при критическом давлении.
Проведенный анализ технического решения показал, что заявленные технические признаки существенные и обеспечивают единство изобретения.
Аккумуляторная система топливоподачи стабилизирует на высоком уровне давление впрыскивания и обеспечивает улучшение смесеобразования, повышение мощности и КПД. Предлагаемая аккумуляторная система с новыми признаками - насос-форсунка и дозатор топлива обеспечивает эти качества иным путем, за счет улучшения закона топливоподачи и эмульсирования топлива, а дополнительно обеспечивает автоматические изменения цикловой подачи по скорости вала и приближает характеристику крутящего момента к таковой для ДВС постоянной мощности. Кроме того, обеспечивается многотопливность.
Применение в аккумуляторе топлива аккумулятора давления, содержащего горючий газ, в частности пропан-бутановую смесь, решает проблему резервного топлива.
Предложенная неуправляемая непроточная насос-форсунка проще, технологичнее, надежнее аналога из аппаратуры PI фирмы Каминс.
Соединение дозатора с коленчатым валом при передаточном отношении 1:1 необходимо для обеспечения двухтактного цикла, а использование в соединении шлицевой подвижной муфты позволяет изменению цикловой подачи осевыми смещениями золотника дозатора. Использование гидравлической системы регулирования и подключение ее к системе смазывания ДВС служит уменьшению износа дозатора при работе на топливе малой вязкости.
Гидромеханический привод выпускного клапана и насос-форсунки обеспечивает нежесткую кинематическую связь их с кулачковым валом, возможность пропусков срабатывания и автоматического изменения тактности в зависимости от уровня скорости коленчатого вала. Применение кулачковой шайбы с разнопрофильными кулачками и некруглых зубчатых колес обеспечивают эту возможность. Подключение дозатора и органа управления к системе смазывания с изменяющимся давлением обеспечивает автоматический прирост цикловой подачи с уменьшением скорости вала в связи с увеличением перепада дозирования, благодаря которому увеличиваются крутящий момент и коэффициент приспособляемости.
Применение продувочного насоса объемного типа с приводом от коленчатого вала служит улучшению воздухоснабжения по сравнению с эжектором, имеющимся у прототипа, а насос роторный с соосными роторами компактный, хорошо вписывается в межцилиндровое пространство Y-образного двигателя, а смещение оси роторов в сторону одного из цилиндров двухцилиндрового двигателя позволяет рационально использовать пространство, образующееся перед этим цилиндром в результате относительного смещения его вдоль вала, для увеличения диаметра и осевого размера роторов. Расположение шестерни привода на промежуточной щеке вала обеспечивает упрощение конструкции и уменьшение габаритной длины ДВС, размещение продувочного насоса и секции привода по разные стороны от зубчатой передачи, что снижает нагрузки валов, и возможность создания уравновешивающего механизма в виде некруглой шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней коленчатого вала, у которой масса и некруглость заданы из расчета уравновешивания сил первого и второго порядков. Поскольку развал цилиндров под углом 90o, а кривошипы тоже смещены один от другого на 90o, то эти силы действуют в горизонтальной плоскости, точнее под углом 45 и 135o к плоскостям осей цилиндров и могут быть полностью уравновешены. При этих условиях и смещении рабочих процессов в цилиндрах по фазам на 180o двигатель имеет равномерное чередование рабочих ходов при двухтактном цикле. Высокие уравновешенность и равномерность хода снижают колебания двигателя, что дополнительно повышает мощность и КПД. Объединение гидросистем привода регулирования и смазывания упрощает конструкцию.
Особо обращаем внимание на многоцелевое использование элементов заявленного ДВС: плунжерный насос секции служит для привода клапана и насос-форсунки, плунжер гидроцилиндра привода клапана служит клапаном, обеспечивающим перепуск масла при несрабатывании привода насос-форсунки, маслонасос системы смазывания действует в системе регулирования, аккумулятор давления содержит запас резервного топлива, привод распредвалов сопряжен с механизмом уравновешивания, моноблок служит корпусом ДВС и продувочного насоса, привод продувочного насоса и кулачкового вала выполнены через одну шестерню коленчатого вала, плунжер нерегулируемой насос-форсунки участвует в работе по изменению тактности, а специальной системы изменения тактности в ДВС не имеется. Такое комплексное использование устройств многоцелевого назначения обеспечивает упрощение конструкции и повышение показателей работы двигателя.
Отмеченная взаимосвязь частных технических решений также характеризует единство изобретения, позволяющее наиболее полно использовать весь комплекс признаков для многостороннего и значительного улучшения потребительских качеств ДВС. Для малолитражных машин наиболее перспективен двухцилиндровый Y-образный двигатель нижнеклапанный, не имеющий промежуточных элементов в приводе выпускного клапана и насос-форсунки, отъемной головки цилиндра и уплотнительной прокладки. Возможность монтажа тарельчатого клапана обеспечивает сквозной проем, снабженный отъемной крышкой, а некоторое ухудшение газовой динамики выпускной системы с нижнеклапанным газораспределением с избытком компенсируется применением более эффективного продувочного насоса роторного типа и улучшением смесеобразования. Поэтому представляется, что рассмотрение изобретения в наиболее развернутом виде повышает его технико-экономические преимущества и коммерческую ценность.
Заявленное изобретение не известно из уровня техники и является новым. К числу абсолютно новых признаков, отсутствующих у прототипа, аналогов и в машинах смежных отраслей, относятся гидропривод разнородных элементов от одного плунжерного насоса, привод кулачкового вала при передаточной отношении 2: 1 при двухтактном рабочем цикле, перемычка между гидроцилиндрами привода клапана и насос-форсунки, двухступенчатый гидроцилиндр привода насос-форсунки, четырехкулачковая шайба, эмульсионная насос-форсунка с одним выходом через распылитель, некруглые колеса в приводе кулачкового вала, двухполостной аккумулятор топлива, сжиженное газовое топливо в аккумуляторе давления и др.
Изобретение имеет изобретательский уровень, поскольку для специалиста явным образом не следуют из уровня техники те взаимосвязи элементов и процессов, благодаря которым достигается поставленная цель.
Изобретение промышленно применимо, в частности, в автомобилестроении, в производстве ДВС для мотоциклов, самолетов, катеров, минитракторов, тракторов промышленного и с/х производства, дорожных машин и компрессоров, передвижных электростанций, насосных установок и др. машин. Эффект от использования изобретения возникает и в производстве, и при эксплуатации машин.
Сущность изобретения поясняется на примерах его выполнения.
На фиг. 1 показан общий вид двигателя внутреннего сгорания изменяемой тактности; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. З секция привода (разрез); на фиг.4 кинематическое соединение коленчатого и кулачкового валов с помощью некруглых зубчатых колес; на фиг.5 общий вид двухцилиндрового варианта двигателя на фиг. 1 при Y-образном расположении цилиндров и продувочном насосе роторного типа; на фиг.6 то же, разрез В-В на фиг. 5; на фиг. 7 механизм уравновешивания, разрез Б-Б на фиг. 6; на фиг.8 крышка монтажного проема.
Двигатель внутреннего сгорания изменяемой тактности содержит (фиг.1) полый корпус 1 с закрепленными цилиндрами 2, камеру 3 сгорания, коленчатый вал 4, установленный в полости корпуса подвижно, кулачковый вал 5, снабженный кулачковой шайбой 6 и кинематически связанный с коленчатым валом, систему впуска с установленным в ней продувочным насосом 7, соединенным каналами с цилиндрами 2, выпускной клапан 8 тарельчатого типа, который подпружинен и взаимодействует с системой выпуска, систему топливоподачи с устройством 9 для впрыскивания топлива в камеру 3 сгорания и систему регулирования, снабженную органом управления 10, взаимодействующую с системой топливоподачи и обеспечивающую изменение тактности.
Система топливоподачи выполнена аккумуляторной, что обеспечивает стабилизацию давления на заданном уровне простыми средствами, и содержит в качестве устройства 9 для впрыскивания топлива насос-форсунку. Это служит повышению давления впрыскивания и качества смесеобразования, что целесообразно для повышения КПД. Система топливоподачи содержит также дозатор 11 золотникового типа и аккумулятор 12 топлива. Аккумулятор, дозатор и насос-форсунка топливопроводами последовательно соединены между собой.
Выпускной клапан и насос-форсунка приводятся от кулачкового вала, привод их выполнен гидромеханическим (фиг. 2) с плунжерными насосом 13 и гидроцилиндрами 14, 15, образующими секцию 16 привода, и числом секций привода по числу цилиндров двигателя. Применение гидромеханического привода позволяет оптимизировать фазы газораспределения и впрыскивания топлива и, главное, необходимо для изменения тактности. С этой целью соединение коленчатого и кулачкового валов выполнено при передаточном отношении 2:1, а кулачковая шайба 6 имеет 4 попарно противоположно направленных кулачка, из которых по меньшей мере один кулачок отличается от других профилем поверхности и выполнен вогнутым. Три остальных кулачка выпуклые или тангенциальные, т.е. с меньшей крутизной профиля на первом участке. В примере приняты выпуклые.
Плунжер 17 насоса взаимодействует с кулачковой шайбой через роликовый толкатель по условию работы с вогнутым кулачком и подпружинен.
Система регулирования выполнена гидравлической и содержит ванну 18 и насос 19 рабочей жидкости, в качестве которой служит минеральное масло, а размещены ванна и насос в полости корпуса. Насос 19 имеет привод от коленчатого вала, что необходимо для автоматического регулирования цикловой подачи топлива и увеличения коэффициента приспособляемости по крутящему моменту. Для упрощения конструкции двигатель имеет циркуляционную систему смазывания, объединенную с системой регулирования через насос 19 и ванну 18 и снабженную устройствами (не показаны) для очистки и охлаждения масла.
Орган управления 10 имеет золотник 20, рычаг 21 управления, жестко связанный с золотником, вход 22 с неизменяемым отверстием, калиброванным лишь в случае использования насоса 19 повышенной производительности в системе смазывания, и два выхода 23, 24, соединенные маслопроводами 25, 26, соответственно, с ванной 18 и дозатором 11. При этом золотник органа управления взаимодействует с выходом 23 с образованием переменного дросселя, что необходимо для регулирования давления в маслопроводе 26.
В отличие от известных аналогов гидропривода [4, 5] в каждой из секций привода насос имеет спускное 27 и нагнетательное 28 окна, взаимодействующие с плунжером, и нагнетательный канал 29, из которых первые соединены каналами, соответственно, с насосом 19 рабочей жидкости и гидроцилиндром 14 привода выпускного клапана, гидроцилиндр 15 привода насос-форсунки выполнен двухступенчатым и через плунжер 30 большей ступени связан с плунжером 31 насос-форсунки. В стенках гидроцилиндра большей ступени и гидроцилиндра привода выпускного клапана выполнены окна 32, 33, взаимодействующие с плунжерами и соединенные между собой перемычкой 34, меньшая ступень 35 и перемычка соединены каналами 36, 37 с нагнетательным каналом 29 насоса, а окна 38, 39, которые выполнены в стенках упомянутых гидроцилиндров и соединены каналами с полостью корпуса, дренажные, служат для удаления газов из гидросистемы и могут быть заменены винтом, используемым периодически при прокачке системы. Применение дренажных окон вместо винта предпочтительнее, поскольку частичный перепуск рабочей жидкости в каждом цикле повышает надежность гидропривода и улучшает фазы впрыскивания и газораспределения. Заметим, что плунжеры большей и меньшей ступеней могут быть выполнены зацело или, для упрощения технологии, по отдельности, а в соединениях плунжеров гидроцилиндров с производимыми клапаном и плунжером могут быть промежуточные звенья. Для надежной работы окна 27, 28 насоса 13 одной высоты, а плунжеры гидроцилиндров взаимодействуют с окнами 32,33 по всей высоте последних, с полным перекрытием окружающих окна поверхностей.
Плунжер 31 насос-форсунки подпружинен в осевом направлении и взаимодействует с входом 40 боковой поверхностью. Распылитель 41 может быть закрытым, как например, у насос-форсунки АР 20 дизеля ЯАЗ-204, при этом необходим плунжер с плоским торцом. В примере насос-форсунка выполнена эмульсионной для улучшения распыливания, в связи с чем распылитель выполнен открытым и снабжен внутренним посадочным конусом (см. фиг. 2), а плунжер имеет на конце запирающий конус 42, аналогичный конусу у насос-форсунки типа PI фирмы Камминс. В отличие от последней, полость заявленной насос-форсунки не проточная, т. е. не имеет иного выхода, кроме отверстий распылителя. Это упрощает конструкцию, повышает надежность, служит равномерному распределению топлива по рабочим циклам.
Аккумулятор 12 топлива стабилизированного давления снабжен трехпозиционным запорным органом 43 преимущественно дистанционного управления и выполнен, в частности, двухполостным в виде топливного бака 44, герметизированного крышкой 45 заливной горловины, и аккумулятора давления 46, с герметичным ниппелем 47, баки соединены между собой каналом, в котором установлен дополнительный запорный орган 48, причем аккумулятор давления имеет дополнительный выход из придонной части, выполненный в виде трубки 49, присоединенной к трехпозиционному запорному органу 43, и содержит сжиженный горючий газ при критическом давлении. Этим газом является, в частности, пропан-бутановая смесь, у которой критическое давление около 1,6 мПа. По сравнению с аналогами такой аккумулятор топлива стабилен в работе, надежен и содержит резервное топливо в аккумуляторе давления.
Дозатор 11 топлива имеет гидравлическую камеру 50, к которой через маслопровод 26 подключен орган управления 10, вход 51 с калиброванным отверстием, соединенный топливопроводом с запорным органом 43 аккумулятора топлива, выходы 52, выполненные по числу цилиндров, распределенные по окружности и соединенные порознь с насос-форсунками топливопроводами, и золотник 53, у которого один конец выходит в гидравлическую камеру 50, другой конец шлицевой и через шлицевое подвижное соединение 54 кинематически связан с носком коленчатого вала, а на цилиндрической поверхности выполнена канавка 55 переменной вдоль окружностей ширины, соединенная внутренними каналами (не показаны) и через кольцевую проточку 56 с входом 51 и взаимодействующая с выходами 52. Выполнение входа 51 калиброванным целесообразно для задания расходной характеристики системы топливоподачи и упрощения технологии, сложнее, например, делать калиброванными входы 40 насос-форсунок, как у аналога. Золотник 53 имеет на конце фланец 57, размещенный в гидравлической камере, с которым через упорный подшипник 58 взаимодействует пружина 59, действующая в осевом направлении. В общем случае соединение золотника 53 с коленчатым валом возможно через промежуточный вал при условии сохранения передаточного отношения 1:1. Секция 16 привода закреплена на корпусе 1.
В примере двигатель с воспламенением от сжатия и наддувом от приводного продувочного насоса типа Рут. Аналог с принудительным зажиганием имеет дополнительно систему зажигания (не показана), работающую по известной схеме.
Работает ДВС изменяемой тактности следующим образом.
Вращение коленчатого вала 4 (фиг. 1) передается продувочному насосу 7, насосу 19 рабочей жидкости, золотнику 53 дозатора 11 и кулачковому валу 5, В аккумуляторе 12 топлива давление из аккумулятора давления 46 передается через запорный орган 48 в топливный бак 44. Через запорный орган 43, вход 51, кольцевую проточку 56 и внутренние каналы золотника 53 давление передается в канавку 55.
В конце рабочего хода в цилиндре 2 в соответствии с фазами выпуска толкатель плунжера 17 насоса 13 взаимодействует с вогнутым кулачком кулачковой шайбы 6. Перемещение плунжера насоса происходит в сторону окон 27, 28 и вызывает уменьшение их проходных сечений, перепуск через впускное окно 27 и замедленный рост давления в каналах, ведущих к гидроцилиндрам 15, 14. Рост давления определяется дросселированием перепуска, ускоряется с ростом скорости плунжера насоса и обеспечивает высокий уровень давления, достаточный для срабатывания гидроцилиндра 4 до того, как завершится перекрытие нагнетательного окна 28. Ввиду малой активной площади плунжера 35 меньшей ступени срабатывания гидропривода насос-форсунки 9 не происходит, а гидроцилиндр 14 сообщается с нагнетательным каналом 29 через нагнетательное окно 33, перемычку 34 и канал 37. Поэтому насосный ход плунжера насоса сопровождается открытием выпускного клапана 8. Скорость его задается профилем кулачка. Когда плунжер гидроцилиндра открывает дренажное окно 39, происходит перепуск и выстойка клапанам, что целесообразно для надежности (по удалению газа) и увеличения время-сечения. Далее происходят сбег толкателя с кулачка, закрытие выпускного клапана при вытеснении масла под действием пружины клапана и компенсация перепуска за счет подачи через впускное окно из системы смазывания.
В пределах периода действия выпускного клапана системы впуска и выпуска обеспечивают газообмен в цилиндре, а канавка 55 золотника дозатора взаимодействует с выходом 52, замыкая соединение бака 44 с входом 40 соответствующей насос-форсунки. При заданных постоянных значениях давления в баке и проходного сечения калиброванного входа 51 доза топлива, нагнетаемого в полость распылителя 41, определяется временем взаимодействия канавки с выходом. Отсечка выхода цилиндрической поверхностью золотника означает конец процесса дозирования с устранением возможности обратного тока через вход 40. Отсутствие в насос-форсунке дренажа уменьшает количественные расхождения последовательно отмеряемых доз, что полезно для равномерности работы цилиндра и увеличения мощности.
В период сжатия в цилиндре в полость распылителя поступает из цилиндра нагретый газ и эмульсирует топливо. В конце сжатия очередной кулачок, соответствующий приводу насос-форсунки, взаимодействует с роликовым толкателем, перемещая плунжер 17 насоса. Происходит перепуск и дросселирование через окно 27, как рассмотрено выше. Но в этом случае скорость плунжера меньше примерно в 2 раза, поскольку профиль кулачка выпуклый, что уменьшает прирост давления от дросселирования, а давление на тарель выпускного клапана примерно в 10 раз выше, чем в предыдущем случае. Поэтому гидропровод выпускного клапана не срабатывает до полного закрытия нагнетательного 28 и впускного 27 окон, образуется волна высокого давления, воспринимая лишь одним подвижным элементом плунжером 35 меньшей ступени, и он быстро перемещается, вызывая смещение плунжера 30 большей ступени и плунжера 31 насос-форсунки, открытие окна 32 и нагнетание через канал 29 и перемычку 34. В насос-форсунке сначала плунжер перекрывает вход 40, затем поджимает эмульсию при малом истечении через отверстие распылителя, а затем создает высокое давление, при котором впрыскивает ее в камеру 3 сгорания. В конце впрыскивания запирающий конус 42 садится на внутренний конус распылителя, что обеспечивает резкое окончание процесса, как у аналога, что благоприятно для уменьшения догорания и повышения КПД. При этом плунжер 30 открывает дренажное окно 38, перепуск ограничивает рост давления в гидроприводе и распылителе и механические нагрузки на распылитель получаются ниже, чем у аналога с механическим приводом. Благодаря насос-форсунке, эмульсированию топлива в насос-форсунке и благоприятному закону топливоподачи качество процессов смесеобразования и сгорания повышается, предел рационального обогащения смеси снижается, а мощность и КПД возрастают.
Далее следует сбег толкателя с кулачка, обратное движение плунжеров 30, 35 и вытеснение масла под действием пружины насос-форсунки и восполнение убыли масла, аналогичные рассмотренным. Но есть особенность, состоящая в том, что в момент перекрытия плунжером 30 окна 32 под плунжером создается замкнутый объем, соответствующий малой части его активного хода. Вытеснение масла из этого объема происходит через зазор вокруг плунжера и потому замедляется.
Рассмотренные процессы в гидроприводе насос-форсунки происходит в течение процесса расширения в цилиндре, к концу расширения вход 40 открыт и насос-форсунка гитова к очередному циклу.
В конце расширения в соответствии с фазами выпуска толкатель плунжера 17 взаимодействует с кулачком выпуклого профиля, который на кулачковой шайбе диаметрально противоположен вогнутому кулачку, работавшему в рассмотренном цикле. Это обстоятельство обусловлено заданной величиной передаточного отношения привода кулачкового вала. Поскольку выпуклый кулачок обеспечивает на первом участке лишь около 50% скорости, задаваемой вогнутым кулачком, то скорость перепуска через окна 27 мала, нарастание давления от дросселирования замедлено, а уровень давления, передаваемого через окно 28, недостаточен для срабатывания гидроцилиндра 14. В результате в момент перекрытия этого окна срабатывает гидропривод насос-форсунки по схеме, рассмотренной выше, вход 40 оказывается закрытым в период взаимодействия канавки 55 с выходом 52 дозатора, подачи топлива в полость под запорным конусом нет, а выпуска и газообмена в цилиндре 2 не происходит. Далее кулачковый вал приводит гидропривод в исходное состояние, при котором вход 40 открыт. Но несоответствие этой фазы фазам работы дозатора вызывает неготовность насос-форсунки к очередному впрыскиванию. Как следствие, приведение в действие гидропривода насос-форсунки очередным четвертым кулачком выпуклого профиля по схеме, рассмотренной выше, не приводит к впрыскиванию и сгоранию, а в цилиндре двигателя к двум рабочим тактам добавились два такта холостых. Это соответствует четырехтактному циклу традиционному по энергопроизводительности. Отличие в том, что дополнительные такты совершаются при несменяемом рабочем теле, имеющем повышенную температуру, что благоприятно для сохранения температурного состояния цилиндра на высоком уровне, необходимом для высокого теплоиспользования в очередном рабочем цикле.
В многоцилиндровых ДВС аналогичные четырехтактные циклы,только они имеют фазовый сдвиг относительно рассмотренного рабочего цикла, с учетом которого размещены выходы 52 дозатора, кулачки на кулачковых шайбах. Так, например, у двухцилиндрового двигателя имеются две кулачковых шайбы, у которых кулачки с вогнутым профилем имеют относительное смещение 90o.
При уменьшении скорости коленчатого вала, вызванном увеличением тормозной нагрузки, снижается подача насоса рабочей жидкости и давление, передаваемое в гидравлическую камеру 50 дозатора. Пружина 59, действуя через упорный подшипник 58 и фланец 57, смещает золотник дозатора в сторону гидравлической камеры. Подвижное шлицевое соединение 54 позволяет такое смещение, а сдвиг канавки 55 к выходу 52 более широкой частью увеличивает время дозирования. В этом же направлении влияет спад скорости вращения золотника, а совокупное увеличение длительности периода дозирования приводит к существенному приросту цикловой подачи и замедлению снижения скорости вала. Поэтому по характеристике крутящего момента и коэффициенту приспособляемости двигатель приближается к ДВС постоянной мощности.
Снижение скорости вала до критического значения, при котором вогнутый кулачок не обеспечивает срабатывание гидропривода выпускного клапана, вызывает срабатывание гидропривода насос-форсунки от действия каждого кулачка кулачковой шайбы. Тогда каждому периоду дозирования в дозаторе соответствует закрытое состояние входа 40 насос-форсунки и топливоподача прекращается. Минимальное устойчивое значение скорости несколько выше этого критического значения скорости и не зависит от нагрузки. Причем, при работе на холостом ходу с цикловой подачей, установленной для холостого хода, эта скорость автоматически поддерживается: падение и прирост скорости действуют на цикловую подачу в сторону сохранения заданной скорости по причинам, рассмотренным выше. Это исключает потребность в регуляторе холостого хода. Отключение топливоподачи при запредельном снижение скорости, т.е. при остановке двигателя, благоприятно сказывается на сокращении расхода топлива в условиях работы ДВС с частыми остановками. Этим свойством не обладают современные двигатели и потому оборудуются специальной системой с электрическим управлением.
При переходе к средней и более высоким скоростям возрастает скорость плунжера 17 и при действии выпуклого кулачка она становится достаточной для срабатывания гидропривода выпускного клапана. Тогда выпуск и продувка в цилиндре, дозирование и нагнетание топлива в насос-форсунку происходят по одному разу за каждые два такта и в результате двигатель автоматически изменяет тактность, превращаясь из четырехтактного в двухтактный. Такому переходу соответствует вполне определенное значение скорости, постоянное при прочих неизменных условиях, например, транспортного процесса. Но переход на двухтактный цикл не вызывает скачкообразное возрастание мощности, из-за уменьшения цикловой подачи с приростом скорости, вызванным приростом мощности. Относительно большое увеличение мощности в диапазоне высоких скоростей приводит к росту мощности номинальной. Как видно, обеспечивается возможность прироста мощности по всему рабочему диапазону скорости, а приводной продувочный насос обеспечивает это значительно лучше, чем эжекторный.
Повышение скорости вала до наибольшего критического значения приводит к тому, что при действии каждого из кулачков кулачковой шайбы рабочему ходу плунжера 17 соответствует срабатывание только привода насос-форсунки.
Причина этого состоит в том, что упомянутое выше замедление посадки плунжера 30 в связи с образованием замкнутого объема отдаляет окончание процесса посадки от начала примерно на одно и то же время, длительность рабочего цикла сокращается и завершения посадки не происходит. Тогда импульса давления от насоса достаточно для передачи давления через малую щель в окне 32 к плунжеру 30 и форсунка срабатывает.
По рассмотренным причинам внеочередные срабатывания насос-форсунки вызывают пропуски топливоподачи и ограничение максимальной скорости на пределе, соответствующему такому самовыключению. Причем, максимум скорости определяется свойствами гидропривода и не зависит от нагрузки.
Для изменения мощности путем принудительного изменения цикловой подачи поворачивают рычаг 21 и связанный с ним золотник 20 органа управления 10. При этом изменяется сопротивление и расходная характеристика выхода 23, ведущего в маслопровод 25 и ванну 18 рабочей жидкости, давление, передаваемое через выход 24 и маслопровод 26 в гидравлическую камеру 50 дозатора. Для достижения существенных изменений передаваемого давления служит постоянный дроссель на входе 22, соединенном с маслонасосом системы смазывания, который ограничивает расход на входе. При автономном насосе рабочей жидкости он выполнен маломощным, что автоматически обеспечивает малый расход. Поэтому при увеличении золотником 20 проходного сечения выхода 23 расход через него возрастает, а давление, передаваемое по маслопроводу 26 в камеру 50, уменьшается. Это вызывает сдвиг золотника 53 действием пружины 59 и цикловая подача возрастает. И наоборот, поворот рычага 21 в сторону уменьшения проходного сечения переменного дросселя служит приросту давления в гидравлической камере и уменьшению цикловой подачи.
Переход на резервное топливо сжиженный газ, находящийся в аккумуляторе давления, целесообразен при работе ДВС с большой мощностью, когда внутрицилиндровые температурные условия благоприятны для воспламенения низкоцетановой рабочей смеси. Для такого перехода действуют запорным органом 43, отключая топливный бак 44 и соединяя вход 51 дозатора с дополнительным выходом 49 аккумулятора давления. При этом дозирование газового топлива происходит по рассмотренной схеме и обеспечивается работа ДВС по двух или четырехтактному циклу в зависимости от скоростного режима.
Для останова двигателя закрывают запорный орган 43, прекращая топливоподачу. Заправку аккумулятора газом производят через ниппель 47 при закрытом дополнительном запорном органе 48. Для заправки топливного бака 44 с помощью запорного органа 48 сообщают газовую полость бака с атмосферой и снимают избыточное давление, а затем открывают бак, снимая крышку 45 заливной горловины.
Для запуска прокручивают коленчатый вал известными средствами. Запорным органом 43 подключают топливный бак 44. Ввиду малости избыточного давления в полости 50 при пусковых оборотах золотник 53 дозатора сдвинут до упора в положение, при котором канавка 55 взаимодействует с выходом 52 наиболее широкой частью. Ширина этой части такова, что фаза дозирования с избытком перекрывает фазу действия гидропривода насос-форсунки. По рассмотренным выше причинам на пусковом скоростном режиме каждому ходу плунжера насоса 13 соответствует срабатывание гидроцилиндра привода насос-форсунки, а выпускной клапан бездействует. При этом из-за указанного перекрытия фаз топливо поступает на вход 40 насос-форсунки в начале сжатия, а в конце сжатия производится впрыскивание, как рассмотрено выше. В начальных циклах возможны пропуски воспламенения и, соответственно, сохранение пусковой скорости и пропуски выпуска. Это приводит к повторному впрыску топлива в то же рабочее тело, обогащение смеси и надежное воспламенение в конце очередного сжатия. После сгорания и рабочего хода скорость вала становится выше критического значения и начинает срабатывать гидропривод выпускного клапана. Управляя рычагом 21, устанавливают режим холостого хода или прогрева.
Рабочий диапазон изменения скорости коленчатого вала и скорость, при которой происходит изменение тактности, зависят от свойств гидромеханического привода, определяемых конструктивно: соотношение размеров плунжеров, окон 27,28, соотношение профилей кулачков, величина монтажных зазоров в зоне окон 32, сила упругости предварительно сжатой пружины приводимого звена, диаметр и длина соединительных каналов секции 16 привода. В связи с этим целесообразно выполнение секции привода в виде моноблока гидроцилиндров, имеющего внутренние каналы и перемычку малой длины. Кроме того, влияют вязкость рабочей жидкости, с учетом которой выбирают упомянутые характеристики элементов гидропривода. Ожидается что по рабочему диапазону ДВС изменяемой тактности заявленного типа аналогичен ДВС традиционных типов.
В связи с приростом крутящего момента и КПД его мощность будет выше, чем у аналогов. Применение секции привода с одним плунжерным насосом упрощает конструкцию. Размещение кулачкового вала в корпусе 1 вблизи секции привода упрощает привод.
В варианте ДВС, рассмотренном на фиг. 3, гидроцилиндры 14, 15 секции привода имеют в стенках кольцевые проточки 60, 61, которые взаимодействуют с плунжерами и перекрывают окна 33, 32, соединенные между собой перемычкой 34.
Работает ДВС этого варианта аналогично рассмотренному, при этом кольцевые проточки 60,61 заполнены маслом из перемычки 34 и при срабатывании гидроцилиндров образуют проходные сечения по всему периметру плунжеров. Благодаря этому происходит быстрое увеличение проходных сечений и сокращение длительности переходного периода с дросселированием потоков в неполностью открытых окнах. Кроме того, кольцевые канавки исключают возможность дополнительного дросселирования, связанного с перекосами плунжера 30 (в пределах диаметрального зазора) в период разгрузки замкнутого объема, упомянутого выше. В результате повышения быстродействия и стабилизации гидравлических характеристик гидроцилиндров расширяется рабочий диапазон изменений скорости и повышается номинальная мощность двигателя.
В варианте (фиг. 4) кинематическое соединение кулачкового и коленчатого валов выполнено с помощью пары зубчатых некруглых колес 62, 63, взаимодействующих между собой в зацеплении. Колесо 63 установлено на кулачковом валу, а другое колесо выполнено в блоке с круглым промежуточным колесом, кинематически связанным через другое промежуточное колесо с коленчатым валом.
Работает ДВС аналогично рассмотренным при передаче вращения кулачковому валу через зубчатые колеса 62, 63. Благодаря некруглости колес одной пары вращение кулачкового вала происходит с циклически изменяющейся скоростью. Максимум и минимум скорости соответствуют периодам взаимодействия с толкателем плунжера 17 кулачков привода выпускного клапана, благодаря разнице скоростей в период перекрытия окон 27, 28 происходят пропуски срабатывания выпускного клапана и насос-форсунки, как показано выше, и ДВС работает по четырехтактному циклу. С ростом скорости вала переход на двухтактный цикл происходит аналогично рассмотренному. Поскольку разности скоростей, получаемые при разнопрофильных кулачках шайбы и при некруглых колесах привода не всегда одинаковы по величине, то не одинаковыми получаются скорости вала, соответствующие изменению тактности. Причем, для повышения этой скорости целесообразно кулачковый вал, приводимый с помощью некруглых колес, снабжать кулачковой шайбой с разнопрофильными кулачками. В этом случае экстремальные значения скорости плунжера в период взаимодействия с окнами 27, 28 более всего отличаются от средней скорости и есть условия для использования теплонапряженного двухтактного цикла лишь для увеличения номинальной мощности. Это повышает ресурс ДВС.
В варианте ДВС изменяемой тактности имеет два кулачковых вала 5 и 64 (см. фиг. 5), из которых вал 64 снабжен кулачковой шайбой (не показана) с разными по профилю кулачками, а другой вал 5 кинематически связан с коленчатым валом с помощью пары зубчатых некруглых колес 62,63, взаимодействующих между собой в зацеплении. Вариант пригоден для двигателя, имеющего, по меньшей мере, два цилиндра, и наиболее целесообразен для y-образных ДВС с расположением кулачковых валов в развале между рядами цилиндров. В примере (фиг. 5) принят наиболее перспективный вариант двухцилиндровый Y-образный с углом развала 90o. При этом в приводе кулачковых валов использован упомянутый ранее блок круглого и некруглого 62 зубчатых колес. Секции привода 16 левого и правого цилиндров взаимодействуют порознь с кулачковыми шайбами валов 5 и 64.
Работает ДВС аналогично рассмотренным с той особенностью, что вследствие отличия кинематических характеристик гидроприводов, обеспечиваемых кулачковой шайбой с разнопрофильными кулачками и с помощью вала 64 и зубчатых некруглых колес 62, 63, скорости перехода на двухтактный цикл для левого и правого цилиндров получаются не одинаковыми. В результате этого при переходе с четырехтактного на двухтактный сначала (при меньшей частоте) этот процесс совершается в одном из цилиндров, например, в левом, и в каком то диапазоне скорости вала цилиндры работают при разных тактностях. При дальнейшем росте скорости на двухтактный цикл работы переходит на правый цилиндр. Обратный переход происходит также последовательно. В результате повышается плавность изменения мощности на переходном участке скоростной характеристики, исключаются существенные колебания скорости на этих режимах. Кроме того, выключение цилиндров из работы при малых и высоких оборотах также не одновременное, что благоприятно сказывается на регуляторных ветвях скоростных характеристик, делает их более пологими.
В варианте (фиг. 5, 6, 7) продувочный насос выполнен роторным с лопаточными соосными роторами 65, 66, которые установлены в полости 67, выполненной в корпусе 1 в развале между цилиндрами со стороны носка коленчатого вала, взаимодействуют лопатками с корпусом с образованием рабочих камер 68.71, соединенных каналами 72.75 с системой впуска, и демпферов переменного сопротивления (не показаны), расположенных между смежными лопатками роторов в объеме мертвого пространства (не показано), причем ротор 65 через соединительную муфту 76 (фиг. 6) связан с кулачковым валом 5, приводимым через передачу с некруглыми зубчатыми колесами 62, 63, а другой ротор 66 установлен свободно. Полость 67 закрыта крышкой 77, взаимодействующей с лопатками роторов. Выполнение продувочного насоса в отдельном корпусе возможно, но усложняет конструкцию.
Работает ДВС (фиг. 5, 6, 7) с продувочным насосом роторного типа и соосными роторами аналогично рассмотренным вариантам, использующим приводной нагнетатель Рут, но с отличиями в действии продувочного насоса. Вращение от кулачкового вала 5 через соединительную муфту 76 передается ротору 65, установленному в полости 67 и взаимодействующему лопатками с корпусом и каналами 73, 74 корпуса. Благодаря зубчатой паре колес 62, 63, вращение вала и ротора 65 неравномерное, с циклически изменяющейся скоростью. Заметим, что органически необходимое сродство принципов движения ротора насоса и кулачкового вала позволяет использование для них одного привода, что существенно упрощает конструкцию. Свободно установленный второй ротор 66 вращается в попутном ротору 65 направлении неравномерно за счет энергии, передаваемой от ротора 65 в период его ускорения через рабочее тело, сжимаемое в рабочих камерах 68.71. Сжатое рабочее тело выпускается через каналы 74 в каналы 75 системы впуска. В конце выпуска в каждой из рабочих камер лопатка ротора перекрывает канал 74 и между смежными лопатками роторов образуется демпфер переменного сопротивления в виде замкнутой полости, рост давления в которой препятствует соударению лопастей. Поскольку утечки газа из демпферов через зазоры в сопряжениях неустранимы, то количество рабочего тела в демпфере изменяется и он имеет переменное сопротивление. Одновременно с выпуском в смежных камерах происходит увеличение объема и впуск через каналы 72, 73, соединенные с системой впуска. Далее ротор 65 начинает замедление, а ротор 66 по инерции движется с большей скоростью, вызывая сжатие и выпуск в другой паре рабочих камер и сжатие газа в демпферах. При этом свободно установленный ротор вращается с переменной скоростью, но с относительным сдвигом фаз скорости, что и производит насосное действие лопаток роторов, периодически изменяющих объемы рабочих камер. При прочих равных условиях момент инерции ротора 66 прямо пропорционален массе, поэтому для увеличения напора и подачи целесообразно увеличивать массу этого ротора, например, за счет увеличения окружной ширины лопаток, как показано на фиг. 6.
В отличие от аналогов, описываемый свободнороторный продувочный насос имеет вогнутую характеристику по подаче: на повышенных оборотах подача возрастает вследствие роста инерции, приводящей к уменьшению минимального объема демпфера и росту рабочего объема и подачи на пониженных оборотах возрастает наполнение рабочих камер, обусловленное снижением потерь давления в каналах 72.75. Такой закон благоприятен и согласуется с работой системы топливоподачи. При снижении скорости от средней прирост подачи воздуха и топлива служит увеличению крутящего момента и приспособляемости. Прирост подачи воздуха на повышенных оборотах при снижении цикловой подачи топлива замедляет рост тепловой напряженности, повышает надежность и ресурс двигателя.
Крышка 77 служит при монтажно-демонтажных работах.
В варианте (фиг. 5, 6, 7) двигатель выполнен двухцилиндровым Y-образным с осями цилиндров 2, скрещивающимися между собой под углом 90o, двумя кулачковыми валами 5, 64, расположенными в развале между цилиндрами и связанными между собой через зубчатую передачу с некруглыми колесами 62, 63, и продувочным насосом с двумя соосными лопаточными роторами 65, 66, приводимыми от ведомого кулачкового вала 5, причем корпус выполнен в виде моноблока, включающего в себя цилиндры и имеющего полость 67 продувочного насоса, выпускные клапаны и насос-форсунки имеют нижнее расположение и взаимодействуют непосредственно с плунжерами секций 16 привода, камера сгорания 3 выполнена боковой и расположена над тарелью выпускного клапана и распылителем 41 насос-форсунки, коленчатый вал выполнен неполноопорным с двумя кривошипами 78, 79, имеющими относительное смещение 90o и разделенными промежуточной щекой 80, а последняя несет зубчатый венец 81, кинематически связанный с некруглыми колесами.
Работает двигатель (фиг. 5, 6, 7) аналогично рассмотренным при передаче движения кулачковым валам 5, 64 через промежуточную щеку 80 и закрепленной на ней зубчатый венец 81, при передаче движения ротору 65 продувочного насоса через соединительную муфту 76. Выполнение двигателя двухцилиндровым Y-образным обеспечивает компактность силовой установки, размещение кулачковых валов в развале между цилиндрами сокращает размеры соединяющих их некруглых зубчатых колес 62, 63, продувочный насос с соосными роторами и приводом от кулачкового вала 5, смещенного от плоскости симметрии двигателя, хорошо вписывается в габаритный объем двигателя, поскольку размещен рядом с цилиндром, взаимодействующим с кривошипом 79, больше смещенным от крышки 73, моноблок и выполнение в нем полости 67 облегчают остов двигателя при сохранении высокой жесткости, выполнение камеры сгорания боковой позволяет нижнее расположение выпускного клапана и насос-форсунки и непосредственный привод их от плунжеров секции привода, что упрощает конструкцию, неполноопорный вал сокращает межосевое расстояние цилиндров вдоль оси вала, относительное смещение кривошипов 78,79 на 90o при указанном развале цилиндров позволяет равномерное чередование рабочих входов при двухтактном цикле, что повышает равномерность хода и КПД, а привод через зубчатый венец, размещенный на промежуточной шейке вала, служит сокращению длина двигателя и уменьшению нагрузки на кулачковый вал при неравномерном вращении связанного с ним ротора продувочного насоса. В сочетании с другими свойствами, обеспечиваемыми за счет гидравлических систем привода, регулирования, это особенно улучшает ДВС.
В варианте (фиг. 7) двухцилиндровый Y-образный двигатель имеет механизм уравновешивания в виде зубчатого некруглого колеса 82 с подвижной осью 83 вращения, взаимодействующей с направляющими 84 и подпружиненной относительно корпуса 1 полукруглой листовой пружиной 85 двустороннего относительно колеса 82 расположения, причем центр тяжести колеса 82 расположен на оси его вращения, колесо находится в зацеплении с зубчатым венцом 81, расположенном на промежуточной щеке 80 коленчатого вала, а направляющие 84 оси закреплены на корпусе, размещены перпендикулярно коленчатому валу и под углами 45 и 135o к плоскостям проходящим через ось коленчатого вала и оси цилиндров, расположены по сторонам от колеса и взаимодействуют с его ступицей (не показана).
Работает ДВС (фиг. 7) аналогично рассмотренному с той особенностью, что движение колеса 82, приобретаемое через зацепление его зубчатого венца с венцом 81, преобразуется в возвратно-поступательное движение вдоль направляющих 84 благодаря некруглости колеса и пружины 85, воздействующей на невращающуюся ось 83. При заданной ориентации направляющих сила инерции масс колеса 62, оси 83 и части массы пружины 85, движущихся с переменным ускорением, находится в плоскости действия силы инерции суммарной, образуемой силами первого и второго порядков двух цилиндров, и действует в противоположном ей направлении, а то, что колесо 82 движется в плоскости, проходящей между кривошипами, осями цилиндров, обеспечивает действие указанных сил по одной линии. Некруглость колеса 82 и массы сопряженных с ним подвижных элементов задают из условия полного уравновешивания двигателя по суммарной силе инерции. Размещение центра тяжести на оси вращения колеса устраняет возможность возникновения других неуравновешенных сил. Этот новый метод уравновешивания двухцилиндрового Y-образного с развалом под 90o двигателя в сочетании с традиционным методом уравновешивания центробежных сип КШМ с помощью противовесов на продолжениях щек кривошипов (не показаны) обеспечивает высокий уровень уравновешенности, превосходящий таковой для трех- и четырехцилиндровых ДВС. Чтобы не снижать этот уровень, некруглые колеса 62, 63, связанные с кулачковыми валами, целесообразно выполнить динамически уравновешенными. Заметим, что в механизме уравновешивания и в приводе кулачковых валов и продувочного насоса работают промежуточная щека 80 и зубчатый венец 81, что сокращает потребное число подвижных элементов. Это служит достижению поставленной цели по упрощению конструкции и повышению КПД, снижает массу и повышает надежность двигателя. Как видно, такой двухцилиндровый двигатель предпочтительнее четырехцилиндрового традиционной конструкции.
В варианте (фиг. 8) моноблок двигателя включает в себя головку цилиндра, в которой выполнен монтажный проем 86, ведущий в камеру 3 сгорания. Проем расположен над тарелью выпускного клапана 8 и закрыт закрепленной снаружи крышкой 87. В варианте последняя изготовлена из жаростойкого материала, в частности, металлокерамики, выполнена неохлаждаемой и установлена на теплоизоляционной прокладке (не показана). В варианте крышка 87 выполнена оребренной со стороны камеры сгорания, имеет ребра 88, размещенные в проеме.
В процессе сборки двигателя при снятой крышке 87 выпускной клапан вводится через монтажный проем 86, устанавливается по месту и подпружинивается известным способом. Затем устанавливают и закрепляют крышку 37. Монтаж насос-форсунки производят со стороны кулачкового вала, а шатунно-поршневой группы через кривошипную полость обычным для двухтактных ДВС способом с использованием конуса на входе в цилиндр.
Моноблок такой конструкции не только упрощает сборку, но не имеет толстостенных привалочных участков и потому легче, не имеет разъема у головки и потому жестче, а высокая жесткость остова служит улучшению условий работы валов и подшипников и повышению ресурса.
Работает ДВС (фиг. 8) по рассмотренной выше схеме. Крышка 67 аккумулирует тепло в процессах расширения и выпуска и отдает тепло рабочему телу в процессе сжатия. Прирост температуры газа в проеме 86 служит улучшению условий воспламенения и сгорания, повышению КПД и мощности. Теплоизоляция крышки, применение металлокерамики и ребер 88 интенсифицирует тепловые процессы и повышает регенерацию тепла от ОГ и КПД двигателя. При этом мягкая работа дизеля достигается и в случае работы на газе из аккумулятора давления. Это обеспечивает многотопливность по качеству сгорания.
В вариантах ДВС изменяемой тактности имеет принудительное зажигание и работает по рассмотренным схемам с той особенностью что в конце сжатия система зажигания обеспечивает искрообразование в камере сгорания, которое не имеет связи с рассмотренными особенностями.
В заключение отмечаем, представленное техническое решение выражает авторскую концепцию перспективной силовой установки с такими главными идеями: изменяемая тактность, смешанное регулирование с использованием пропусков подач в части циклов, адаптация к условиям работы, многотопливность, простота и легкость конструкции за счет многоцелевого использования системы, механизмов и деталей, высокие удельные мощностные, экономические и экологические показатели за счет наддува и улучшения организации сгорания, высокие равномерность хода и уравновешенность. Наиболее полно они реализованы в двухцилиндровке: впрыск и эмульсирование топлива, быстрая отсечка топливоподачи запирающим конусом боковая вихревая камера сгорания, регенерация тепла ОГ через крышку проема головки, стабилизация температуры цилиндров при пропусках в цилиндре сгорания, автоматическое регулирование цикловой подачи на всех режимах и др. Применен новый принцип решения комплексной проблемы комплексное использование образующих ДВС механизмов и систем при многоцелевом использовании их элементов. К важнейшим из таких технических решений относятся: гидропривод выпускного клапана и насос-форсунки, обеспечивающий дополнительно изменение тактности, отключение топливоподачи при останове двигателя, отключение топливоподачи при запредельной скорости вала, плавность нарастания мощности при переходе на двухтактный цикл, система регулирования, выполняющая дополнительно (без специальных устройств типа всережимного регулятора) автоматическое регулирование на всех режимах, приближение характеристики крутящего момента к таковой для двигателя постоянной мощности, двухцелевое использование сжиженного горючего газа из аккумулятора давления, привод с некруглыми колесами, служащий и в гидромеханическом приводе, и в продувочном насосе, и в механизме уравновешивания, система смазывания, действующая дополнительно в гидромеханическом приводе, в системе регулирования и для обеспечения многотопливности, крышка, как регенератор тепла и др.
Источники информации.
1. Автомобильные двигатели. /Под ред. М.С.Ховаха, М. Машиностроение, 1977, с.579.
2. Патент США N 5154141, кл. F 02 B 5/10 (прототип), РЖ ДВС, 1994, N 1.
3. Патент США N 5158041, кл. F 02 B 69/10 опубл. 27.10.90.
4. Патент ПНР N 61791, кл. F 02 B 9/00 опубл. 10.12.70.
5. Заявка PCT N 93/11345, кл. F 02 B 9/02 опубл. 10.06.93.
Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания, работающий по четырехтактному циклу при пониженных и средних скоростях коленчатого вала и автоматически, переходящий на двухтактный цикл при скорости выше средней. Двигатель содержит продувочный насос, выпускной тарельчатый клапан, аккумуляторную систему топливоподачи с золотниковым дозатором и насос-форсункой эмульсионного типа, кулачковый вал, вращающийся вдвое медленнее коленчатого вала и имеющий кулачковую шайбу с четырьмя кулачками разных профилей, гидромеханический привод выпускного клапана И насос-форсунки с одним плунжерным насосом, приводимым от кулачковой шайбы, и систему регулирования, выполненную гидравлической и имеющую орган управления. Автоматическое изменение тактности обеспечивает гидромеханический привод. Приведены варианты конструкции основных систем и элементов, обеспечивающие повышение мощности и КПД, упрощение конструкции и многотопливность. 15 з.п.ф-лы, 8 ил.
| US, патент, 5154141, кл | |||
| Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
