МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ Российский патент 1998 года по МПК F02B33/30 F02B33/14 F01L7/00 F02B75/26 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к газораспределению в двигателях внутреннего сгорания с нагнетателями для продувки и наполнения цилиндров.

Известен механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащий распределитель, размещенный в блоке цилиндров с возможностью вращения вместе с выходным валом двигателя (патент США N 4497284, кл. 123-41.47, 1985).

Известный механизм газораспределения с распределителем в виде пробкового золотника осуществляет лишь сообщение и разобщение рабочих полостей цилиндров двигателя с турбиной турбонагнетателя, не предназначен для управления впуском рабочего тела в рабочие полости цилиндров и впуском и выпуском рабочего тела в нагнетатель.

Известен механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащий распределитель, размещенный в блоке цилиндров и кинематически связанным валом двигателя. Распределитель выполнен в виде пробкового золотника и предназначен для управления впуском рабочего тела в рабочие полости цилиндров двигателя и компрессорные полости нагнетателей и выпуском рабочего тела из упомянутого полостей нагнетателей (заявка ФРГ N 2838477 кл. F 01 L 7/12, 1980).

Недостатками известного механизма газораспределения, присущими и другим известным золотниковым механизмам, является неудовлетворительная надежность работы, трудности смазки и обеспечения уплотнений и необходимых зазоров. Возникают также сложности с обеспечением необходимых проходных сечений для рабочего тела в распределителе. Известный механизм обладает и достаточными эксплуатационными возможностями, поскольку он управляет впуском и выпуском рабочего тела в нагнетателе, имеющем только одну компрессорную полость.

Задачей изобретения является создание обладающего повышенной надежностью и обеспечивающего необходимые проходные сечения для рабочего тела компактного механизма газораспределения для двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в котором для каждого цилиндра поршень двигателя и поршень нагнетателя выполнены в виде одного ступенчатого поршня, а нагнетатель для каждого цилиндра имеет две компрессорные полости. Создаваемый механизм газораспределения должен обеспечить управление впуском рабочего тела из атмосферы в компрессорные полости нагнетателей, впуском сжатого рабочего тела из компрессорных полостей нагнетателей, в аккумулятор и впуском сжатого рабочего тела из аккумулятора в рабочие полости цилиндров.

Эта задача решается тем, в механизме газораспределения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащем распределитель, размещенный в блоке цилиндров и кинематически связанный с выходным валом двигателя, распределитель установлен в гильзе, закрепленной в блоке цилиндров, и выполнен в виде пакета размещенных на валу и выполненных с торцевыми окнами дисковых шиберов, обращенных своими торцевыми поверхностями с торцевыми окнами к торцевым поверхностям втулок для отвода рабочего тела, в каждой из которых выполнена внутренняя полость радиальными и торцевыми окнами с числом, равным числу цилиндров. Упомянутые гильза, шиберы и втулки расположены соосно упомянутому валу, а втулки скреплены с гильзой. Упомянутые шиберы установлены на шлицах вала газораспределения, соосного выходному валу и связанного с ним, и зафиксированы в осевом направлении посредством распорных втулок, установленных на валу между шиберами с возможностью обеспечения минимального гарантированного зазора между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями шиберов и втулок для подвода и отвода рабочего тела. Упомянутый пакет содержит шиберы для сообщения и разобщения рабочих полостей цилиндров с аккумулятором сжатого рабочего тела и сообщения и разобщения компрессорных полостей нагнетателей с атмосферой и аккумулятором, при этом шибер для сообщения и разобщения рабочих полостей цилиндров с аккумулятором размещен между втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к рабочим полостям цилиндров, и втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к аккумулятору, шибер для сообщения и разобщения одноименных компрессорных полостей нагнетателей с атмосферой размещен между втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к упомянутым полостям нагнетателей и втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к атмосфере, а шибер для сообщения и разобщения одноименных полостей нагнетателей с аккумулятором размещен между втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к упомянутым полостям нагнетателей, и втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к аккумулятору.

При таком выполнении механизм газораспределения, обладая компактностью и повышенными эксплуатационными возможностями, обеспечивает достаточно развитые проходные сечения для рабочего тела при минимальных износах или вообще без износа сопряженных элементов механизма и, как следствие, повышенную надежность его работы и достижение высокого эффектного КПД двигателя.

На чертеже изображен двигатель внутреннего сгорания, в котором установлен предлагаемый механизм газораспределения, продольный разрез).

Устройство и работа предлагаемого механизма газораспределения рассматриваются при его использовании на двухтактном четырехцилиндровом аксиально-поршневом дизеле, в котором для каждого цилиндра поршень двигателя и поршень нагнетателя выполнены в виде одного ступенчатого поршня.

Дизель содержит блок 1 ступенчатых цилиндров 2, оси которых параллельны оси коленчатого (выходного) вала 3. Ступенчатый поршень 4, связанный с валом 3 посредством шатуна 5, качающейся шайбы и сферических подшипников (не показаны), имеет рабочую 6 и компрессорную 7 ступени. В цилиндре 2 перед рабочей ступенью поршня, имеющей меньший диаметр, образована рабочая полость 8, за компрессорной ступенью первая компрессорная полость 9, а между ступенями вторая компрессорная полость 10. Полость 10 отделена от полости картера (не показан) перегородкой 11. В головке 12 цилиндров установлена форсунка (не показана) для подачи жидкого топлива в рабочую полость 8, а на боковой поверхности цилиндра последовательно вдоль его высоты в направлении движения поршня от верхней мертвой точки к нижней выполнены два окна: впускное 13 и выпускное 14 для рабочей полости 8 и два окна 15 и 16 для компрессорных полостей соответственно 10 и 9. Механизм газораспределения, устройство которого описано ниже, обеспечивает сообщение (через окно 13) и разобщение продувочного канала 17 и полости 8 каждого цилиндра 2 с аккумулятором 18 сжатого рабочего тела, в данном случае воздуха, и сообщение (через окна 15 и 16) и разобщение компрессорных полостей 10 и 9 каждого цилиндра с тем же аккумулятором 18 и воздухоочистителем, установленным на выходе во впускную систему дизеля (не показано). Окно 14 служит для отвода продуктов сгорания горючей смеси из полости 8 в выпускную систему (не показана).

Механизм газораспределения содержит размещенный в блоке 1 распределитель 19, выполненный в виде пакета шиберов 20 24 и втулок 25 30 для подвода и отвода рабочего тела (воздуха). Шиберы установлены на шлицах 31 вала 32 газораспределения, установленного в подшипнике в передней части блока 1 соосно валу 3 и связанного с ним посредством шлицевого соединения 33.

Каждый из дисковых шеберов выполнен с торцевым окном 34 и обращен своими торцевыми поверхностями 35 и 36 к торцевым поверхностям 37 и 38 втулок для подвода и отвода воздуха, между которыми рассматриваемый шибер установлен. В каждой втулке выполнена внутренняя полость 39 с радиальными 40 и торцевыми 41 окнами, число каждых из которых равно числу цилиндров двигателя. Одна из втулок втулка 26 выполнена сдвоенной. Шиберы 20 24 и втулки 25 30 размещены в закрепленной в блоке 1 гильзе 42, охватывающей шиберы и втулки по их периферии. Крайняя втулка 25 упирается в крышку 43 масляного насоса 44. Гильза, шиберы и втулки расположены соосно валу 32, шиберы установлены с зазором (0,2.0,02 мм) относительно внутренней цилиндрической поверхности гильзы 42, причем втулки 25-30 жестко соединены с ней посредством резьбовых штифтов. В гильзе 42 напротив радиальных окон 40 втулок выполнены окна 45. Шибер 20 размещен между втулкой 25, подключенной своей полостью через радиальные окна к аккумулятору 18, и сдвоенной втулкой 26, подключенной одной из своих полостей через ее радиальные окна к рабочим полостям 8 цилиндров. Шибер 21 размещен между втулкой 26, подключенной второй своей полостью через ее радиальные окна к воздухоочистителю (атмосфере), и втулкой 27, подключенной своей полостью через радиальные окна к компрессорным полостям 10 нагнетателей. Шибер 22 размещен между той же втулкой 27 и втулкой 28, подключенной совей полостью через радиальные окна к аккумулятору. Шибер 23 размещен между втулкой 28 и втулкой 29, подключенной своей полостью через радиальные окна к компрессорным полостям 9 нагнетателей. Шибер 24 размещен между втулкой 29 и втулкой 30, подключенной своей полостью через радиальные окна к воздухоочистителю (атмосфере). Объемы полостей во втулках и проходные сечения окон задают исходя из условия обеспечения необходимого расхода рабочего тела через них. Расположение торцевых окон на торцевых поверхностях втулок и угловая протяженность торцевых окон во втулках и шиберах определяются в соответствии с принятыми порядком работы цилиндров и фазами газообмена в рабочих и компрессорных полостях цилиндров. Шиберы, установленные на шлицах вала 32, зафиксированы в осевом направлении посредством распорных втулок 46, установленных на этом валу между шиберами. Толщина втулок 46, а также вся размерная цепь в осевом направлении элементов пакета, размещенных в гильзе 42, задаются из условия обеспечения минимального гарантированного зазора (0,02 0,03 мм) между обращенными друг к другу торцевыми 35 и 36 шиберов и торцевыми поверхностями 37 и 38 втулок для подвода и отвода воздуха. Упомянутый зазор устанавливается с помощью прокладок в процессе сборки распределителя, которые удаляются перед установкой гильзы с пакета шиберов и втулок в блок цилиндров. При выборе материала для изготовления упомянутых элементов механизма газораспределения учитывают, чтобы упомянутый зазор сохранялся неизменным (или изменялся не более, чем на 0,005.0,01 мм) в процессе деформаций при работе дизеля в эксплуатации.

Механизм газораспределения дизеля работает следующим образом.

При движении поршня 4 в цилиндре 2 от верхней мертвой точки к нижней, когда рабочая смесь воспламенилась, а компрессорная полость 9 через окна 16 заполнена воздухом, образовавшейся в рабочей полости продукты сгорания расширяются, совершая механическую работу, при этом компрессорная ступень 7 поршня сжимает воздух, находящийся в полости 9, а торцевое окно в шибере 23, вращающемся вместе с коленчатым валом 3, в соответствии с выбранными фазами газораспределения совмещается с торцевыми окнами на обращенных к нему торцевых поверхностях втулок 28 и 29. В результате сжатый в полости 9 воздух поступает из этой полости через окно 16 и далее через полости во втулках 29 и 28 в аккумулятор 18 сжатого воздуха. В этот же период торцевое окно в шибере 21 совмещается с торцевыми окнами на обращенных к нему торцевых поверхностях втулок 26 и 27. Воздух, поступающий из атмосферы через воздухоочиститель, проходит в полость втулки 26, затем в полость втулки 27 и через окно 15 поступает в компрессорную полость 10 нагнетателя. По мере движения поршня вдоль боковой поверхности цилиндра он сначала открывает впускное окно 13, которое со стороны распределительного механизма перекрыто шибером 20, а затем начинает открывать запускное окно 14, что обуславливает начало свободного выпуска продуктов сгорания из рабочей полости 8 в выпускную систему двигателя. За 2.12^o поворота коленчатого вала до прихода поршня в нижнюю мертвую точку шибер 20 при совмещении его окна с торцевыми окнами на обращенных к нему торцевых поверхностях втулок 25 и 26 начинает сообщать рабочую полость через окна 13 с аккумулятором 18. Поступающий из аккумулятора 18 сжатый воздух осуществляет продувку рабочей полости 8 и, таким образом, вытеснение продуктов сгорания в выпускную систему и наполнение рабочей полости свежим зарядом. Продувка полости 8 сжатым воздухом продолжается по мере дальнейшего движения поршня до нижней мертвой точки и далее на части хода поршня в обратном направлении до полного перекрытия поршнем выпускного окна 14. При движении поршня от нижней мертвой точки торцевое окно в шибере 24 совмещается с торцевыми окнами на обращенных к нему торцевых поверхностях втулок 30 и 29, в результате чего компрессорная полость 9 через окно 16 сообщается с воздухоочистителем, и свежий заряд из атмосферы засасывается в эту полость. Одновременно компрессорная ступень 7 поршня сжимает воздух, находящийся в полости 10, а окно в шибере 22, совмещенное с торцевыми окнами на торцевых поверхностях втулок 27 и 28, обеспечивает поступление сжатого воздуха из полости 10 в аккумулятор 18, что способствует повышению давления продувки и последующего после перекрытия окна 14 наддува полости 8 цилиндра. После перекрытия окна 13 поршень сжимает находящийся в полости 8 заряд, форсунка впрыскивает в эту полость топливо, около верхней мертвой точки в полости 8 происходит воспламенение, и цикл работы в рассматриваемом цилиндре повторяется.

Аналогичные циклы осуществляются и в трех других цилиндрах в соответствии с порядком их работы.

Шиберы смазываются масляным туманом, который образуется при разбрызгивании масла, подводимого к подшипникам силового механизма двигателя. Туман проникает в компрессорные полости нагнетателей, откуда вместе с воздухом проходит до рабочих полостей цилиндров, вмазывая по пути шиберы и способствуя надежному уплотнению воздушных полостей в распределителе. Отсутствие непосредственного контакта между торцевыми поверхностями шиберов и втулок обеспечивает повышенный ресурс и надежность предлагаемого механизма.

Таким образом, прелагаемый механизм газораспределения с упомянутым пакетом дисковых шиберов и втулок, компактно размещенных на центральном валу многоцилиндрового дизеля с наддувом, обеспечивает управление газообменом в рабочих полостях всех его цилиндров, а также компрессорных полостях нагнетателей, каждый из которых имеет две компрессорные полости, что свидетельствует о повышенных эксплуатационных возможностях механизма. При этом отсутствуют трудности, присущие другим известным золотниковым механизмам и связанные с повышенными износами контактирующих поверхностей, с осуществлением эффективной смазки и уплотнения, а также с обеспечением достаточно развитых проходных сечений для рабочего тела. Отсутствие трения между торцевыми поверхностями шиберов и втулок для подвода и отвода воздуха способствует дополнительному повышению надежности работы механизма.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: механизм газораспределения содержит распределитель, который установлен в гильзе, закрепленной в блоке цилиндров, и выполнен в виде пакета размещенных на шлицах вала, связанного с выходным валом двигателя, и выполненных с торцевыми окнами дисковых шиберов, обращенных своими торцевыми поверхностями с торцевыми окнами к торцевым поверхностям втулок для подвода и отвода рабочего тела в каждой из которых выполнена внутренняя полость с радиальными и торцевыми окнами по числу цилиндров. Гильза, шиберы и втулки расположены соосно упомянутому валу, а втулки скреплены с гильзой. Шиберы зафиксированы в осевом направлении посредством распорных втулок, установленных на валу между шиберами с возможностью обеспечения минимального гарантированного зазора между обращенными друг к другу торцевымb поверхностями шиберов и втулок для подвода и отвода рабочего тела. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащий распределитель, размещенный в блоке цилиндров и кинематически связанный с выходным валом двигателя, отличающийся тем, что распределитель установлен в гильзе, закрепленной в блоке цилиндров, и выполнен в виде пакета размещенных на валу и выполненных с торцевыми окнами дисковых шиберов, обращенных своими торцевыми поверхностями с торцевыми окнами к торцевым поверхностям втулок для отвода и подвода рабочего тела, в каждой из которых выполнена внутренняя полость с радиальными и торцевыми окнами с числом, равным числу цилиндров. 2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что упомянутые гильза, шиберы и втулки расположены соосно упомянутому валу, а втулки скреплены с гильзой. 3. Механизм по пп.1 и 2, отличающийся тем, что упомянутые шиберы установлены на шлицах вала газораспределения, соосного выходному валу и связанного с ним, и зафиксированы в осевом направлении посредством распорных втулок, установленных на валу между шиберами с возможностью обеспечения минимального гарантированного зазора между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями шиберов и втулок для подвода и отвода рабочего тела. 4. Механизм по пп.1 3, отличающийся тем, что упомянутый пакет содержит шиберы для сообщения и разобщения рабочих полостей цилиндров с аккумулятором сжатого рабочего тела, сообщения и разобщения компрессорных полостей нагнетателей с атмосферой и аккумулятором, при этом шибер для сообщения и разобщения рабочих полостей цилиндров с аккумулятором размещен между втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к рабочим полостям цилиндров, и втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к аккумулятору, шибер для сообщения и разобщения одноименных компрессорных полостей нагнетателей с атмосферой размещен между втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к упомянутым полостям нагнетателей, и втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к атмосфере, а шибер для сообщения и разобщения одноименных полостей нагнетателей с аккумулятором размещен между втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к упомянутым полостям нагнетателей, и втулкой, подключенной своей полостью через радиальные окна к аккумулятору.