СЕМЕЙСТВО УНИФИЦИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B23/00 F02B23/06 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно конструкции семейств унифицированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

В условиях массового производства перед автомобильными фирмами всегда остро стоит вопрос о наиболее полном удовлетворении запросов потребителей с одновременным требованием максимальной унификации автомобилей и двигателей к ним для снижения затрат производства.

В связи с этим появились семейства двигателей, состоящие из двигателей различных объемов, создаваемых благодаря использованию разных комбинаций рядов унифицированных диаметров и ходов поршней ДВС, например, семейство двигателей ВАЗ [1] Двигатели этого семейства имеют ряд унифицированных деталей и узлов, однако наиболее сложные и дорогие детали двигателей этого семейства, такие как блоки цилиндров, головки цилиндров, впускные и выпускные газопроводы, разунифицированы, что значительно усложняет и удорожает производство двигателей этого семейства.

Известно также семейство двигателей фирмы "Мерседес-Бенц" класса S, принятое за прототип [2] Двигатели этого семейства имеют одинаковые по высоте блоки цилиндров, что позволяет унифицировать впускные и выпускные газопроводы для разных моделей двигателей этого семейства и значительно снижает стоимость производства.

Однако необходимость обеспечения постоянной степени сжатия при различных рабочих объемах двигателей определяет различие объемов камер сгорания в головках цилиндров и, следовательно разунификацию головок цилиндров, являющихся сложными дорогостоящими деталями. Целью изобретения является создание семейства двигателей внутреннего сгорания с максимально возможной унификацией деталей и узлов, а значит, и с максимальным снижением затрат на производство двигателей различных моделей этого семейства.

Указанная цель достигается тем, что в семействе унифицированных двигателей внутреннего сгорания с различными рабочими объемами, образованными разными комбинациями рядов унифицированных диаметров и ходов поршней, имеющих одинаковые по высоте блоки цилиндров и унифицированные впускные и выпускные газопроводы, согласно изобретению головки цилиндров также унифицированы, а поршни имеют выемки в днищах, причем объем выемки в днище поршня равен разности между отношением рабочего объема цилиндра к степени сжатия, уменьшенной на единицу, и объема части камеры сгорания этого цилиндра, расположенной на головке цилиндров.

Если обозначить объем выемки в днище поршня за V_п, то он будет определяться по формуле:

где D диаметр цилиндра;
S -ход поршня;
ε степень сжатия;
V_r объем части камеры сгорания этого цилиндра ДВС, расположенной в головке цилиндров;
рабочий объем цилиндра;
общий объем камеры сгорания.

В частном случае, когда отношение рабочего объема цилиндра к степени сжатия, уменьшенной на единицу, будет равно объему части камеры сгорания, расположенной в головке цилиндров, объем сферической выемки в поршне будет равен нулю, что означает, что будет использоваться поршень с плоским днищем.

Двигатель с камерой сгорания, размещенной только в головке цилиндров, и поршнем с плоским днищем является базовым для создания семейства унифицированных двигателей.

На чертеже изображена схема образования семейства унифицированных двигателей. Двигатели имеют головку цилиндров 1 с камерой сгорания 2 на каждый цилиндр 3. Головка цилиндров 1 унифицирована для всех двигателей семейств. Поэтому часть камеры сгорания 2, расположенная в головке цилиндров 1, имеет постоянный объем V_r для всех двигателей семейства.

Цилиндр 3 базового двигателя имеет диаметр D и показан на чертеже сплошной линией. Поршень 4 базового двигателя имеет плоское дно, поэтому вся камера сгорания его 2 расположена в головке цилиндров 1 и имеет объем V_r.

Радиус кривошипа базового двигателя R и ход поршня S равен двум радиусам кривошипа.

Пунктирной линией на чертеже изображен цилиндр 3 для модификации двигателя с увеличенным диаметром цилиндра D₁. Рабочий объем этого двигателя увеличен по сравнению с базовым, а поршень 4 такой модификации двигателя имеет выемку 5 в днище, изображенную также пунктирной линией. Эта выемка составляет часть камеры сгорания двигателя, расположенную в поршне 4, что позволяет сохранить степень сжатия ε при увеличенном рабочем объеме двигателя.

Таких модификаций в семействе может быть несколько, однако предельный размер диаметра цилиндра D ограничен межцентровым расстоянием между цилиндрами, одинаковым для всех двигателей семейства и определяющим продольные габариты двигателя и почти полную унификацию блоков цилиндров, унифицированных также по высоте h.

Для получения в семействе двигателя еще большего рабочего объема увеличивается радиус кривошипа коленчатого вала двигателя до R₁ и соответственно ход поршня до S₁, равный двум R₁.

Для сохранения степени сжатия e в этой модели двигателя выемка 5 в поршне 4 еще увеличивается. Она изображена на чертеже штрих-пунктирной линией.

Вариантов двигателей с увеличенным рабочим объемом за счет увеличения радиуса кривошипа также может быть несколько, однако предельное увеличение радиуса кривошипа ограничено задеванием движущихся частей кривошипно-шатунного механизма за цилиндры и картер двигателя.

Увеличение рабочего объема двигателя происходит за счет изменения диаметра цилиндра D или за счет изменения хода поршня 4 или за счет того и другого вместе.

В любом случае это вызывает изменение объема V_п впадины в поршне 4, который вычисляется по указанной выше формуле.

При работе двигателей рабочая смесь сжимается, воспламеняется и сгорает в камере сгорания, которая в зависимости от рабочего объема двигателя расположена или только в головке цилиндров 1 и в головке цилиндров 1 и в поршне 4, причем объем V_п камеры сгорания в поршне 4 может меняться в зависимости от модели двигателя, т.е. его рабочего объема.

Заявка предусматривает также возможность изменения степени сжатия e двигателей также за счет изменения объема V_п впадины в поршне 4.

Применение поршней с выемками разного объема на днищах при постоянном объеме V_r в головках цилиндров позволяет обеспечивать постоянную степень сжатия в двигателях разного рабочего объема. При этом достигается полная унификация дорогих и сложных деталей головок цилиндров.

В то же время разунификация поршней, деталей более простых и дешевых, вызывает значительно меньшие затраты в производстве, тем более, что поршни могут быть уже разунифицированы при выпуске модификаций двигателей с изменением рабочего объема за счет изменения диаметра поршня.

Использование: двигателестроение, в частности конструкции семейств унифицированных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: семейство унифицированных ДВС содержит двигатели с различными рабочими объемами, образованными разными комбинациями рядов унифицированных диаметров и ходов поршней. Двигатели имеют одинаковые по высоте блоки цилиндров и унифицированные впускные и выпускные трубопроводы. Новым является то, что головки цилиндров двигателей семейства унифицированы, а поршни имеют выемки в днищах, причем объем выемки в поршне равен разности между отношением рабочего объема цилиндра к степени сжатия, уменьшенной на единицу, и объема части камеры сгорания этого цилиндра, расположенной в головке цилиндров. 1 ил.

Семейство унифицированных двигателей внутреннего сгорания с различными рабочими объемами, образованными различными комбинациями рядов диаметров и ходов поршней, имеющих одинаковые по высоте блоки цилиндров и унифицированные впускные и выпускные газопроводы, отличающееся тем, что головки цилиндров унифицированы, диаметры и ходы поршней в пределах семейства унифицированы, а поршни имеют выемки в днищах, причем объем выемки в днище поршня равен разности между отношением рабочего объема цилиндра к степени сжатия, уменьшенной на единицу, и объема части камеры сгорания этого цилиндра, расположенной в головке цилиндров.