ГОЛОВКА ДЛЯ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С БЕСКЛАПАННЫМ МЕХАНИЗМОМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F01L7/02 

Изобретение относится к области машиностроения для ДВС и других нужд народного хозяйства.

Известен прототип изобретения (за N 1288551 Великобритания, 1972 г.). Золотниковый механизм газораспределения для ДВС, состоящий из корпуса головки, двух вращающихся пустотелых золотников, расположенных вдоль головки с окнами для впуска и выпуска топлива и отработанных газов, золотники снабжены уплотнительными кольцевыми элементами. Привод золотников осуществляется от коленчатого вала при помощи звездочки.

Недостатками этого механизма является то, что нет герметизации окон, соединяющих цилиндр ДВС с внутренней поверхностью золотникового вала, уплотнения установлены только для предотвращения попадания масла к окнам впускным и выпускным с наружной стороны золотника, остальная часть поверхности золотникового вала напротив окон ничем не защищена, и вырвавшаяся высокотемпературная смесь газов движется по всей окружности золотника, соприкасаясь со стенками уплотнительных колец, по этой причине невозможно к кольцам подвести смазку, вследствие большой температуры масло будет подгорать, будет происходить падение мощности, практически при этом устройстве уплотнительных элементов механизм газораспределения будет неработоспособен и недолговечен.

Известно также другое изобретение (патент США за N 3896781, опубл. 1975 г. ). Золотниковый механизм газораспределения состоит из головки, в которой расположен один золотниковый вал с двумя окнами впускными и выпускными напротив цилиндра и уплотнительными колодками двух типов, боковых, вынесенных из зоны высоких температур, и верхних колодок. Вал золотниковый установлен жестко на подшипниках, привод золотникового вала происходит от коленчатого вала через звездочку.

Недостатками этого механизма газораспределения является то, что нет возможности плавно изменять угловое положение золотникового вала при газоразделении фаз, т.к. впускные и выпускные окна находятся на одном валу, что делает этот механизм неперспективным. При этом устройстве уплотнения золотникового вала оно должно происходить по всей площади окружности, соприкасаясь с окнами, выходящими из цилиндров, что невозможно сделать без смазки, вследствие чего будут происходить частые задиры, и герметизацию практически будет трудно удержать. Золотниковый вал будет быстро изнашиваться и терять герметичность, т.к. он установлен жестко на подшипниках, то при износе трущейся поверхности приходится заменять весь золотниковый вал, долговечность в этих условиях высоких температур золотника не обеспечена.

Целью предлагаемого изобретения является ДВС, использующий головку для блока цилиндров с беcклапанным механизмом газораспределения, повышение надежности и долговечности деталей узлов механизма головки газораспределения и ДВС, исключение потери топлива, потери мощности ДВС в работе, увеличение герметичности механизма газораспределения, уменьшение выброса несгоревших отработанных газов.

Поставленная цель достигается тем, что ДВС использует головку для блока цилиндров с бесклапанным механизмом газораспределения, которая содержит корпус головки с внутренними канавками для охлаждения жидкостью и смазки, в корпусе головки имеются резьбовые отверстия под свечи зажигания и отверстия под болты крепления ее к блоку цилиндров, внутри корпуса головки продольно, поперечно расположены два и более сквозных отверстия, в которые вставлены неподвижные цилиндры пустотелые с окнами, расположенными напротив каждой камеры сгорания, наружная часть цилиндра охлаждается жидкостью, в цилиндры вставлены пустотелые вращающиеся распределительные валы с двойными стенками по всей длине окружности для прохождения жидкости с окнами, расположенными по периметру окружности этих валов, в местах соединения двух стенок в окнах по их периметру имеются перегородки, препятствующие попаданию жидкости охлаждения в наружную или внутреннюю часть распределительного вала, окна расположены на валах под определенным углом относительно друг друга напротив каждой камеры сгорания, один из распределительных валов является впускным, другой выпускным. На распределительных валах с наружной стороны, где расположены впускные и выпускные окна, по периметру окружности имеются канавки для кольцевых колец, отсекающих герметично одно окно от другого и смазки их, и канавки фигурные для двух кольцевых колец, соединенных жестко между собой поперечными перегородками и в то же время пружинящими по всему периметру окружности этих валов, окна, полученные поперечными перегородками, жестко связанные с двумя кольцами между собой, имеют размеры - первое окно по площади больше окон впускных и выпускных от их площади, остальные окна по размеру меньше этих окон, указанные поперечные перегородки расположены по периметру часто и являются заодно и ножами- отсекателями, которые при вращении распределительных валов счищают появившуюся смесь нагара на стенках окон при сгорании топлива, что делает поверхность этих окон и внутреннюю поверхность цилиндра головки зеркально чистой, при этом положении уплотнительных колец вырвавшаяся высокотемпературная смесь газов будет находиться в этих окнах и не сможет попасть к стенкам кольцевых колец, что дает возможность к ним подвести систему смазки, на концах распределительных валов имеются оси, на которые установлены звездочки для передачи вращения их от коленчатого вала. Скорость вращения распределительного вала в два раза меньше скорости вращения коленчатого вала, внутренний диаметр распределительных валов составляет 0,1 - 0,8 диаметра цилиндра двигателя, толщина стенки распределительных валов составляет 0,020 - 0,20 его наружного диаметра, к корпусу головки напротив впускного распределительного вала прикреплен механизм подачи топлива, а напротив выпускного распределительного вала закреплено начало выхлопной трубы.

Отличается тем, что внутри корпуса головки продольно или поперечно расположены два или более сквозных отверстия, в которые вставлены пустотелые цилиндры с окнами, расположенными напротив каждой камеры сгорания, в цилиндры вставлены пустотелые распределительные валы с двойными стенками по всей длине окружности для прохождения жидкости или другого компонента охлаждения с окнами, расположенными по периметру окружности этих валов, в местах соединения двух стенок в окнах по их периметру имеются перегородки, препятствующие попаданию жидкости охлаждения в наружную или внутреннюю часть распределительного вала, при этом на концах распределительных валов с торцов установлены уплотнительные фланцы с отверстием, через которое подается жидкость охлаждения и смазки, а также с торцов распределительных валов установлены уплотнения, препятствующие попаданию жидкости вовнутрь между цилиндром и распределительным валом по всему периметру, жидкость, попадая через отверстие торцевых флaнцев, проходит между двух стенок распределительных валов, отбирая тепло от наружной стенки этих валов, тем самым создавая нормальные температурные условия для работы уплотнительных кольцевых и фигурных колец с поперечными перегородками, в результате чего есть возможность подвести систему смазки не только для кольцевых колец, но и для фигурных кольцевых колец, жестко связанных между собой и отсекающих герметично одно окно цилиндра от другого, при этих условиях надежность, долговечность и герметичность деталей узлов механизма головки газораспределения обеспечена, отсюда исключаются потери топлива, подгорание масла, потери мощности ДВС, уменьшается выброс отработанных газов, загрязняющих атмосферу.

На фиг. 1 показан поперечный разрез предлагаемого двигателя внутреннего сгорания с головкой для блока цилиндров с бесклапанным механизмом газораспределения.

На фиг. 2 показана головка с цилиндрами и распределительными валами впуска топлива и выпуска отработанных газов, и фигурные канавки для двух кольцевых колец, соединенных жестко между собой поперечными перегородками.

На фиг. 3 показана развертка фигурного кольца, состоящая из двух кольцевых колец, соединенных между собой жестко поперечными перегородками и схема газораспределения фаз.

На фиг. 4 показана головка, продольный разрез.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания имеет головку для блока цилиндров с бесклапанным механизмом газораспределения, содержит корпус головки 3 (фиг. 1, 2, 4) с внутренними канавками для охлаждения и смазки 9 (фиг. 1). В корпусе головки имеются резьбовые отверстия под свечи зажигания 5 (фиг. 1) и отверстия под болты крепления ее к блоку цилиндров (не показано). Внутри корпуса головки продольно, поперечно, вертикально (поперечноe, вертикальноe расположение цилиндров с распределительными валами не показано) расположено два и более сквозных отверстия, в которые вставляются пустотелые цилиндры 8 (фиг. 1) с окнами 10 (фиг. 1, 4), расположенные напротив каждой камеры сгорания. В корпусе головки имеется промежуточное окно 4 (фиг. 1), соединяющее распределительный вал впускной с камерой сгорания и распределительный вал выпускной с камерой сгорания. Наружная часть цилиндра охлаждается жидкостью, в указанные цилиндры 8 (фиг. 1, 4) вставлены пустотелые распределительные валы 12 (фиг. 1, 2, 4) с двойными стенками по всей длине окружности для прохождения жидкости или другого компонента охлаждения с окнами 2, 13 (фиг. 1, 2, 4), расположенными по периметру окружности этих валов, в местах соединения двух стенок в окнах по их периметру имеются перегородки 15 (фиг. 1, 4), препятствующие попаданию жидкости охлаждения в наружную или внутреннюю часть распределительного вала, окна расположены на валах под определенным градусом относительно друг друга напротив каждой камеры сгорания 6 (фиг. 1), один из распределительных валов является впускным, другой выпускным, для подачи топлива и выпуска отработанных газов, на распределительных валах с наружной стороны, где расположены впускные и выпускные окна, по периметру окружности имеются канавки для кольцевых колец 16 (фиг. 2, 4), отсекающих герметично одно окно от другого, и смазки их, и канавки фигурные для двух кольцевых колец 5 (фиг. 2), соединенные жестко между собой поперечными перегородками и в то же время пружинящими по всему периметру окружности этих валов 5 (фиг. 2, 3), окна, полученные поперечными перегородками, жестко связанные с двумя кольцами между собой, имеют размеры: первое окно - внутренняя площадь больше на 40% наружной площади окон впускных и выпускных, остальные окна по периметру меньше этих окон, это видно на фиг. 2, 3, при этом на концах распределительных валов с торцов установлены уплотнительные флaнцы 17 и 18 (фиг. 4) с отверстием, через которое подается жидкость охлаждения и смазки 20 (фиг. 4), также с торцов этих валов установлены уплотнения 19 (фиг. 4), препятствующие попаданию жидкости охлаждения вовнутрь между цилиндром и распределительным валом по всему периметру, на концах распределительных валов имеются оси 4 (фиг. 2 и 4), на которые установлены звездочки 21 (фиг. 4) для передачи вращения их от коленчатого вала, к корпусу головки напротив впускного распределительного вала установлен механизм подачи воздуха и топлива непосредственно в камеру сгорания (не обозначено), напротив выпускного распределительного вала к корпусу головки крепится начало выхлопной трубы (не обозначено).

Предлагаемый ДВС, использующий головку для блока цилиндров с беcклапанным механизмом газораспределения, работает следующим образом.

При запуске в работу ДВС распределительные валы начинают вращаться через передачу от коленчатого вала, скорость вращения распределительного вала в два раза меньше скорости коленчатого вала.

При первом такте - впуск горючей смеси, при движении поршня 7 (фиг. 1) от в. м. т. к н.м.т. в цилиндре 11 (фиг. 1) создается разряжение в пределах 0,05 - 0,25 кгс/см² (5 - 25 кH/м²), в это время впускной распределительный вал 1 (фиг. 1, 2), вращаясь, открывает окно 13 (фиг. 1), которое находится внутри этого вала напротив камеры сгорания 6 (фиг. 1), воздух и топливо под большим давлением поступают в камеру сгорания через промежуточное окно 4 (фиг. 1) и дальше в цилиндр, давление воздуха в распределительном валу находится постоянно высоким 1 (фиг. 1), а топливо может быть подано в любое время такта (не обозначено), при этом окно выпуска газов 2 (фиг. 1) в распределительном выпускном валу 12 (фиг. 1, 2) закрыто. Температура горючей смеси при впуске за счет соприкосновения с нагретыми деталями ДВС и перемешивания с остатками продуктов сгорания повышается.

Второй такт - происходит сжатие горючей смеси. Поршень перемещается от н. м. т. к в.м.т., сжимая смесь при закрытых окнах в обоих распределительных валах, по мере уменьшения объема горючей смеси давление и температура в цилиндре повышается, со степенью сжатия 8 - 12, при подходе поршня 7 (фиг. 1) к в.м.т. давление достигает 7 - 15 кгс/см² (700 - 1500 кH/м²), а температура достигает 350 - 450^oC, в этот момент между электродами свечи 5 (фиг. 1) проскакивает искра и рабочая смесь воспламеняется.

Третий такт - сгорание рабочей смеси и расширение продуктов сгорания рабочий ход. Теплота, выделяющаяся при сгорании горючей смеси, резко повышает температуру до 1900 - 2400^oC и давление до 25 - 50 кгс/см² (2500 - 5000 кH/м²), под действием давления расширяющихся продуктов сгорания поршень 7 (фиг. 1) перемещается от в. м.т. к н.м.т. и с помощью шатуна 14 (фиг. 1) вращает коленчатый вал, совершая при этом механическую работу (не обозначено), в конце такта при подходе поршня 7 (фиг. 1) к н.м.т. открывается окно 2 (фиг. 1, 2) в выпускном распределительном валу 12 (фиг. 2), вследствие значительной разницы давления в цилиндре 11 (фиг. 1) и окружающей среды в момент открытия выпускного окна отработанные газы начинают выходить из цилиндра с большой скоростью, при этом давление газов в цилиндре резко падает до 1,05 - 1,15 кгс/см² (105 - 115 кH/м²).

Четвертый такт - выпуск отработанных газов - заключительный такт цикла. В этот период поршень 7 (фиг. 1) перемещается от н.м.т. к в.м.т. и продолжает выталкивать продукты сгорания рабочей смеси в окно 2 (фиг. 1, 2) в распределительном валу 12 (фиг. 1, 2), которые через выхлопную трубу попадают в атмосферу, среднее давление газов в этот момент составляет 1,05 - 1,15 кгс/см² (105 - 115 кH/м²), а температура 900 - 1100^oC, после чего процесс повторяется.

Преимущество предлагаемого ДВС, использующего головку для блока цилиндра с бесклапанным механизмом газораспределения, по сравнению с прототипом состоит в том, что в цилиндры вставлены пустотелые валы распределительные с двойными стенками по всей длине окружности для прохождения жидкости или другого компонента охлаждения, с окнами расположенными по периметру окружности этих валов, в местах соединения двух стенок в окнах по их периметру имеются перегородки препятствующие попаданию жидкости охлаждения в наружную или внутренную часть распределительного вала, при этом на концах распределительных валов с торцов установлены уплотнительные фланцы с отверстием, через которое подается жидкость охлаждения и смазки, также с торцов этих валов установлены уплотнения, препятствующие попаданию жидкости охлаждения вовнутрь между цилиндром и распределительным валом по всему периметру, жидкость, попадая через отверстия торцевых флaнцев, проходит между двумя стенками распределительных валов, отбирая тепло от наружной стенки этих валов, тем самым создавая нормальные условия для работы уплотнительных кольцевых и фигурных колец с поперечными перегородками, в результате чего есть возможность подвести систему смазки не только для кольцевых колец, но и для фигурных кольцевых колец, жестко связанных между собой и отсекающих герметично одно окно цилиндра от другого, долговечность и надежность которых этим условием обеспечена.

Отсюда исключаются потери топлива, подгорание масла, потери мощности ДВС также исключаются, уменьшается выброс несгоревших отработанных газов, загрязняющих атмосферу.

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет увеличить срок службы и повысить надежность механизма газораспределения. В головке блока цилиндров ДВС выполнены два сквозных отверстия, в которые вставлены неподвижные цилиндры с окнами. В цилиндрах размещены вращающиеся пустотелые распределительные валы (золотники), такие снабженные окнами. Неподвижные цилиндры снаружи охлаждаются жидкостью. Стенки золотников выполнены двойными и также имеют полости для прохода охлаждающей жидкости. На распределительных валах с наружной стороны выполнены канавки для колец герметизации и смазки, а с торцов установлены фланцы для подачи охлаждающей жидкости. На наружных поверхностях распределительных валов выполнены канавки под установку пружинящих колец, жестко соединенных поперечными перегородками. Один из распределительных валов является впускным, другой - выпускным, при этом внутренний диаметр распределительных валов составляет 0,1-0,8 диаметра цилиндра ДВС. 4 ил.

Головка для блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с бесклапанным механизмом газораспределения, содержащая корпус с внутренними канавками, для смазки и охлаждения жидкостью, внутри корпуса головки расположены два и более сквозных отверстия, в которые вставлены неподвижные цилиндры с окнами, расположенными напротив каждой камеры сгорания, наружная часть цилиндра охлаждается жидкостью, в цилиндры вставлены вращающиеся распределительные валы с окнами, расположенными по периметру окружности этих валов под определенным углом относительно друг друга напротив каждой камеры сгорания, один из распределительных валов является впускным, другой выпускным, на распределительных валах с наружной стороны имеются канавки для колец герметизации и смазки, на концах распределительных валов имеются оси, на которые установлены звездочки для передачи вращения их от коленчатого вала, скорость вращения распределительных валов в два раза меньше скорости вращения коленчатого вала, отличающаяся тем, что распределительные валы выполнены пустотелыми, с двойными стенками, образующими полости для прохода охлаждающей жидкости, между стенками в зоне расположения окон размещены вставки, размеры которых превышают размеры окна, препятствующие попаданию охлаждающей жидкости в наружную и внутреннюю части распределительного вала, на концах распределительных валов с торцов установлены фланцы с отверстием для подачи охлаждающей жидкости, а также размещены уплотнения, препятствующие попаданию охлаждающей жидкости в зазор между распределительным валом и цилиндром, цилиндр снабжен торцевыми крышками, в которых также выполнены отверстия для подвода охлаждающей жидкости, в наружной поверхности распределительных валов дополнительно выполнены канавки под установку пружинящих колец, жестко соединенных поперечными перегородками, которые препятствуют прорыву газов и нагарообразованию в зазоре между распределительным валом и цилиндром, при этом внутренний диаметр распределительных валов составляет 0,1 - 0,8 диаметра цилиндра ДВС.