СИСТЕМА ВОЗДУШНЫХ КЛАПАНОВ, КОМБИНИРОВАННЫХ С РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАМЕРОЙ Российский патент 1999 года по МПК F01L3/20 F02B25/06 

Изобретение касается системы воздушных клапанов, комбинированных с распределительной камерой, служащей для них посадочным местом. Данное изобретение касается также камеры, которая может располагаться в картере двигателя, в цилиндре этого двигателя или между ними. И наконец, данное изобретение касается двигателя внутреннего сгорания, в частности, двухтактного двигателя внутреннего сгорания, оснащенного устройством впуска через отверстия, управляемые предлагаемой системой клапанов.

Предлагаемое изобретение находит применение в области двигателей внутреннего сгорания, в частности в области двухтактных двигателей внутреннего сгорания.

Цель предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы достигнуть наилучшего заполнения цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Цель этого изобретения состоит также в том, чтобы достигнуть заполнения, превышающего 1, благодаря двойному всасыванию в процессе каждого цикла.

Для достижения поставленных целей упомянутые впускные клапаны в соответствии с предлагаемым изобретением располагаются весьма близко от впускных отверстий.

На существующем уровне техники современные двухтактные двигатели внутреннего сгорания обычно оборудованы блоком клапанов, установленным в картере или в корпусе двигателя.

В данном случае обычно используются клапаны пластинчатого типа. Они закрепляются на картере для того, чтобы облегчить механическую обработку посадочных мест клапанов, их герметичность и монтаж. Их отверстия только с одной стороны ограничены упорной пластиной.

Такое расположение клапанов в картере приводит к тому, что они оказываются сильно удалены от переходных или передаточных отверстий и открываются в достаточно большой объем который выступает в роли буфера и который исключает всякую чувствительность к клапанам. Переход газов в блок клапанов не является легким.

Предлагаемое изобретение устраняет недостатки, характерные для существующего уровня техники в данной области. Действительно, данное изобретение касается системы клапанов для устройства впуска двигателя внутреннего сгорания. Это изобретение характеризуется, в частности, тем, что каждый клапан содержит специальный ложемент, предназначенный для размещения в нем конца возвратной пружины, причем упомянутый ложемент располагается на задней стороне пластины перекрытия и упомянутая пластина выполнена и располагается таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную площадь впускного проходного сечения, тем, что упомянутый клапан смонтирован на некоторой цилиндрической поверхности, общей для всей системы клапанов, которая служит им посадочным местом, а также тем, что вершина упомянутого ложемента 3 служит упором открытия клапана.

Предлагаемое изобретение касается также камеры двигателя внутреннего сгорания, которая располагается в картере, в цилиндре или между ними и в которой располагается система клапанов, установленных на отверстиях.

И наконец, предлагаемое изобретение касается двигателя внутреннего сгорания, в частности, двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Двигатель в соответствии с данным изобретением отличается тем, что он содержит систему клапанов, располагающихся в распределительной камере, имеющей в соответствии со сказанным выше впускные отверстия и передаточные отверстия, открывающиеся в ту же самую камеру.

Другие преимущества и характеристики предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примера его практической реализация, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
- фиг. 1-3 представляют собой схематические виды в различных разрезах и проекциях клапана системы в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг. 4 представляет собой частичный схематический вид кольцевой камеры, служащей посадочным местом для системы клапанов в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг. 5 представляет собой схематический вид в частичном разрезе двухтактного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг. 6 представляет собой схематический вид в вертикальном разрезе варианта исполнения цилиндра двигателя внутреннего сгорания, показанного на фиг. 5;
фиг. 7 представляет собой схематический вид с торца лопастей, выполненных на стенке цилиндра, показанного на фиг. 6.

В соответствии с первым аспектом предлагаемого изобретения упомянутые клапаны располагаются на окружности. На фиг. 4 схематически представлен только один клапан 20 вместе со своим ложементом 21, предназначенным для размещения в нем конца возвратной пружины (не показанной на фиг. 4), двумя соединительными ребрами жесткости 22 и 23 на пластине перекрытия 25 в отверстии 26 внутренней окружности 27, выполненном в цилиндрической пластине, общей для всех клапанов данной системы клапанов, образованной здесь кольцевой камерой распределения, представленной на фиг. 4 только одной своей половиной, в данном случае предусмотрена совокупность, состоящая из восьми клапанов (из которых один клапан и четыре отверстия представлены на фиг. 4). Вершина ложемента 21 служит упором открытия для данного клапана. Позиционирование и выдерживание направления перемещения упомянутых клапанов обеспечиваются:
- с одной стороны, при помощи пружины, которая служит соединительным элементом между двумя располагающимися друг против друга ложементами: ложементом пружины клапана и ложементом 13 (смотри фиг. 5) позиционирования;
- и с другой стороны, при помощи одной из продольных поверхностей клапана, которая скользит с гибкостью пружины на опорной поверхности ложемента 13.

Такое предпочтительное расположение элементов системы клапанов позволяет обеспечить наибольшую возможную поверхность впуска в соответствии со ступенью давления на разворачивающемся цикле функционирования данного двигателя.

Кроме того, такое расположение позволяет уменьшить высоту клапанов, что дает выигрыш в потребном объеме, габаритных размерах и весе системы.

В соответствии со вторым аспектом данного изобретения ложемент клапанов располагается (см. фиг. 4) в кольцевой камере относительно небольшого объема (см. фиг. 5), причем передаточные отверстия (поз. 7 на фиг. 5) составляют часть этой камеры. Такое расположение обеспечивает в предпочтительном варианте реализации возможность реакции клапанов на меньшее разрежение и с минимальной задержкой. Упомянутая пластина перекрытия закрывает посадочное место над впускным отверстием распределительной камеры на некотором предварительно определенном расстоянии, обеспечивающем герметичность клапана.

В соответствии с третьим аспектом данного изобретения форма клапанов представляет собой часть цилиндра на уровне пластины перекрытия 25 (см. фиг. 4) впускного отверстия кольцевой распределительной камеры. Такая форма придает клапанам высокую жесткость и прочность, что позволяет изготавливать их из технической пластмассы. А вследствие этого вес клапана оказывается весьма малым (в пределах от 0,5 до 1 грамма). Такой малый вес клапанов в соответствии с предлагаемым изобретением благоприятствует их подвижности при том, что они, как известно, могут срабатывать с частотой до 100 раз в секунду.

В соответствия с четвертым аспектом данного изобретения направляющая система клапана содержит поверхность упора и позиционирования при помощи ложементов единственной возвратной пружины 10 (см. фиг. 5), облегчает монтаж системы клапанов и уменьшает стоимость этой системы и производимый ею акустический шум. Упомянутая возвратная пружина прежде всего монтируется в данный клапан, который после этого вместе со своей пружиной устанавливается на свое посадочное место. Там эта возвратная пружина разжимается, входя в соответствующий ложемент 13, когда она оказывается против этого ложемента.

На фиг. 1 схематически представлен вид сзади клапана в соответствии с предлагаемым изобретением перед его установкой в кольцевую камеру.

Этот клапан содержит ложемент, выполненный в цилиндрической части 3, и два ребра жесткости 2, которые соединяют наружную стенку цилиндрического ложемента 3 с задней поверхностью пластины перекрытия 1 впускного отверстия в кольцевой камере.

На фиг. 2 схематически представлен разрез по линии B-B, показанной на фиг. 1, клапана в соответствии с предлагаемым изобретением, где хорошо видна пластина перекрытия 1 отверстия кольцевой камеры, не показанной на фиг. 2, и ложемент с цилиндрическим корпусом 3, в который входит возвратная пружина 10, схематически показанная на фиг. 5.

На фиг. 3 схематически показан разрез по линии А-А, обозначенной на фиг. 1, клапана в соответствии с предлагаемым изобретением, где можно отчетливо видеть форму в виде участка цилиндрической поверхности, которую имеет пластина перекрытия 1. Радиус закругления этой цилиндрической поверхности пластины перекрытия равен внутреннему радиусу R внутренней окружности кольцевой камеры, на отверстиях которой располагаются клапаны, прижимаемые к этим отверстиям своими возвратными пружинами 10 (см. фиг. 5).

Таким образом, пластина перекрытия позволяет обеспечить закрытие надлежащим образом в зависимости от избыточного давления или разрежения, имеющих место во внутренней полости цилиндра двигателя в процессе осуществления рабочего цикла поршня 5 (фиг. 5), отверстия впуска, плотно прилегая к внутренней поверхности кольцевой распределительной камеры. Вершина ложемента 3, предназначенного для размещения возвратной пружины 10, служит упором максимального открытия клапана. Распределительная камера двигателя внутреннего сгорания в соответствии с предлагаемым изобретением имеет кольцевую форму, причем ее высота мала по сравнению с радиусом R этой камеры. Такой же радиус закругления имеют и цилиндрические пластины перекрытия клапанов. На своем наружном диаметре упомянутая кольцевая распределительная камера содержит впускные отверстия, а на своем внутреннем диаметре она содержит передаточные отверстия.

На фиг. 5 схематически представлен частичный разрез двухтактного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с предлагаемым изобретением, который в данном случае содержит:
- картер 16, в котором смонтирована остальная часть данного двигателя и в котором располагается система кривошипно-шатунного преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала данного двигателя;
- по меньшей мере, один цилиндр 6, смонтированный над упомянутым картером или в его верхней части над соответствующим отверстием в нем и снабженный на, по меньшей мере, одной поверхности двигателя ребрами охлаждения 17, который определяет величину рабочего хода поршня, причем выхлопные газы удаляются при помощи выпускного патрубка, схематически показанного без обозначения какой-либо позицией в верхней части фиг. 5;
- поршень 5, который совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре;
- направляющий подшипник 30 штока поршня;
- систему клапанов типа клапана 11.

Поршень 5 схематически представлен на фиг. 5 в своей нижней мертвой точке (Р. М.В.). Передаточные отверстия 7 при этом находятся в открытом положении.

В схематически представленном на фиг. 5 положении упомянутые впускные клапаны могут открыться второй раз на протяжении одного и того же цикла.

В соответствии с предлагаемым изобретением система клапанов 10, 11, 13 (см. фиг. 5) сопряжена со ступенчатой системой распределения, управляемой двухступенчатым поршнем 5 (см. фиг. 5).

В соответствии с такой конструкцией двигателя внутреннего сгорания предусмотрены выпускные отверстия на окружности второй ступени поршня и на той же высоте. Таким же образом предусмотрены передаточные отверстия 7 (см. фиг. 5) на первой ступени поршня и по всей окружности кольцевой распределительной камеры 8. Эти выпускные и передаточные отверстия открываются одновременно или с небольшим сдвигом во времени в нижней мертвой точке поршня. Позади этих передаточных отверстий располагается кольцевая распределительная камера 8 и против них находятся упомянутые впускные клапаны 11, показанные в разрезе на фиг. 5.

Эта кольцевая распределительная камера и опорные поверхности впускных клапанов находятся в картере 18, точнее говоря, в цилиндрической части этого картера, служащей для опоры и центрирования данного цилиндра двигателя. Такая конструкция является предпочтительной, поскольку в этом случае путь, проходимый воздухом на участке от воздушного фильтра до передаточных отверстий, уменьшен до минимума. В схематически представленном здесь примере реализации двухтактного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с предлагаемым изобретением этот путь имеет длину всего лишь примерно 15 мм. Такое уменьшение расстояния, проходимого воздухом, обеспечивает очень высокую чувствительность упомянутых впускных клапанов, которые вследствие этого могут реагировать на меньшее разрежение.

В соответствии с возможным вариантом реализации упомянутые впускные клапаны имеют опорную поверхность в виде участка цилиндрической поверхности. Эти клапаны устанавливаются в картере данного двигателя между цилиндром и подшипником жесткого крепления 30, который закрывает и изолирует эту часть картера, от остальной заполненной смазочным маслом части этого картера.

Здесь следует отметить, что в реализациях, соответствующих существующему на сегодняшний день уровню техники в данной области, впускные клапаны находятся в смазываемой части картера.

По всем упомянутым выше соображениям и в соответствии с предлагаемой конструкцией объем предварительного сжатия воздуха оказывается относительно небольшим и располагается вокруг передаточных отверстий. Упомянутые выпускные отверстия могут быть отрегулированы таким образом, чтобы они открывались раньше открытия передаточных отверстий 7. В этом случае, когда выпускные отверстия 31 закрываются, газы, которые поступают в данный цилиндр с большой скоростью, сжимаются на дне цилиндра, создавая разрежение позади них.

Упомянутые выпускные отверстия 31 вырезаны во второй ступени поршня 5 и на ее конце. Герметичность обеспечивается на поршне с использованием внутренней полости специального статического сегмента.

Поскольку передаточные отверстия 7 в этот момент еще открыты, разрежение вызывает открытие клапанов 11 второй раз в том же цикле и дополнительное заполнение цилиндров.

Когда передаточные отверстия 7 в свою очередь закрываются поршнем 5, давление в цилиндре превышает атмосферное давление перед началом фазы сжатия.

Такая конструкция является примечательной, поскольку открытие выпускных отверстий 31 и впускных отверстий производится одновременно или с небольшим сдвигом во времени при использовании отверстий небольшой высоты и в нижней мертвой точке поршня. Это именно тот момент, когда линейная скорость перемещения поршня является наименьшей. Это обстоятельство оставляет время для прохода газов и, при расположении отверстий по всей окружности, произведение площади отверстий на количество градусов оборота выходного вала, в течение которых они остаются открытыми, представляет весьма большое открытие. Это обстоятельство допускает очень небольшой ход двигателя при максимальном его полезном ходе.

Система кольцевых клапанов в соответствии с предлагаемым изобретением сочетается со ступенчатой системой распределения, обеспечиваемой двухступенчатым поршнем 5. Выпускные отверстия 31 располагаются на второй ступени поршня и на одной и той же высоте. Передаточные отверстия располагаются на рубашке первой ступени и на одной и той же высоте.

Открытие выпускных отверстий и передаточных отверстий осуществляется одновременно или с небольшим сдвигом по времени. В том случае, когда закрытие выпускных отверстий осуществляется перед закрытием передаточных отверстий 7, происходит сжатие газов в цилиндре и разрежение в камере впуска, которое вызывает открытие впускных клапанов два раза в течение одного и того же цикла. В результате перед циклом сжатия получают давление, превышающее атмосферное давление.

В том случае, когда поршень 5 поднимается в цилиндре 6, он создает разрежение в пространстве между подшипником жесткого соединения и днищем поршня.

Этот объем соединен с упомянутыми впускными клапанами при помощи передаточных отверстий, которые обеспечивают сообщение с кольцевой распределительной камерой 8, где располагаются упомянутые впускные клапаны.

Под действием упомянутого разрежения впускные клапаны открываются и пропускают некоторый объем воздуха, всасываемый через впускные отверстия 12, причем этот объем воздуха соответствует объему разрежения, создаваемому перемещением поршня вплоть до его верхней мертвой точки 9 (это положение поршня показано на фиг. 5 штрихпунктирной линией).

В том случае, когда поршень 5 опускается, упомянутое разрежение прекращается и упомянутые впускные клапаны закрываются. Система находится в состоянии или в фазе предварительного сжатия. Объем всасанного воздуха сжимается под поршнем 5 и в кольцевой распределительной камере 8 вплоть до открытия упомянутым поршнем 5 передаточных отверстий 7 и выпускных отверстий 31, располагающихся на другой ступени поршня.

Объем сжатого воздуха в кольцевой камере после этого поступает в камеру сгорания, и цикл работы данного двигателя возобновляется.

Другие варианты реализации предлагаемого изобретения также возможны при помощи указаний, содержащихся в данной заявке, и доступны для специалиста в данной области техники. Все они охвачены приведенной ниже формулой изобретения.

На фиг. 6 и 7 схематически представлен в качестве варианта реализации предлагаемого изобретения цилиндр 6 двигателя внутреннего сгорания, нижняя часть которого механически обработана таким образом, чтобы содержать на всей своей периферийной части зубцы 32, формирующие между собой пространства, которые соответствуют передаточным отверстиям. Стойки этих зубцов (см. фиг. 7) профилированы таким образом, чтобы образовать лопасти с двойным профилированием для того, чтобы ориентировать потоки свежего газа по вращательному движению вокруг цилиндра, по которому движется поршень. В конце цикла сжатия, для дизельного двигателя, одна или несколько форсунок 33, ориентированных в том же направлении, что и вращение упомянутых газов, впрыскивают топливо по направлению, которое облегчает наиболее однородное смешивание этого топлива с воздухом.

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет улучшить наполнение цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Согласно настоящему изобретению клапан (20) содержит цилиндрический корпус (21) для приема одного конца возвратной пружины, при этом конец находится в контакте с корпусом. Клапан также включает в себя два ребра (22,23) для соединения с уплотняющей пластиной (25), находящейся в контакте с внутренней поверхностью кольцеобразной камеры (27) над ее отверстием (26). Кольцеобразная камера расположена так, чтобы уменьшить расстояние между клапаном и соответствующим передающим каналом. Воздушный клапан, в соответствии с настоящим изобретением, предназначен для двигателей с зажиганием от свечи, в частности для двухтактных двигателей. 3 с. и 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Система клапанов для устройства впуска двигателя внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что каждый клапан (1 - 3) содержит ложемент (3), в котором расположен конец возвратной пружины (10) и который установлен на задней стороне пластины перекрытия (1), выполненной и расположенной так, чтобы создавать наибольшую возможную площадь поверхности впуска, причем клапан (1 - 3) установлен на цилиндрической поверхности (27), общей для всех клапанов данной системы клапанов и служащей для них посадочным местом, при этом вершина ложемента (3) служит упором открытия для клапана. 2. Система клапанов по п.1, отличающаяся тем, что клапаны расположены на окружности цилиндрической поверхности, выполненной в виде посадочного места для клапанов и имеющей кольцевую форму. 3. Система клапанов по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ложемент возвратной пружины (10) в клапане, имеющий цилиндрический корпус (3), прикреплен к пластине перекрытия (1) при помощи по меньшей мере одного ребра жесткости (2). 4. Система клапанов по одному из пп. 1 - 3, отличающаяся тем, что форма клапанов на уровне пластины перекрытия (1) выполнена в виде участка цилиндра для обеспечения плотного прилегания к цилиндрической поверхности. 5. Система клапанов по п.4, отличающаяся тем, что клапаны изготовлены из технической пластмассы. 6. Камера с клапанами двигателя внутреннего сгорания, содержащего картер, на котором установлен по меньшей мере один цилиндр, отличающаяся тем, что она расположена в картере, в цилиндре или между ними, причем в камере расположена система клапанов в соответствии с любым из пп. 1 - 5, установленных на отверстиях (26). 7. Камера по п.6, отличающаяся тем, что она выполнена кольцевой формы, имеет малую высоту по отношению к своему радиусу (R) для образования небольшого объема и содержит на своем наружном диаметре впускные отверстия, а на своем внутреннем диаметре - передаточные отверстия. 8. Камера по п.6 или 7, отличающаяся тем, что для обеспечения позиционирования и выдерживания направления перемещения клапанов предусмотрены: с одной стороны пружина, выполненная в виде элемента связи между ложементом (3) клапана и ложементом (13) позиционирования, и с другой стороны - одна из двух продольных поверхностей клапана, которая скользит с гибкостью пружины на опорной поверхности ложемента (13). 9. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр (6), внутри которого установлен с возможностью перемещения поршень (5), и картер (16), содержащий устройство преобразования движения, соединенное с поршнем (5), отличающийся тем, что двигатель содержит камеру с клапанами (8) по п.7 или 8, причем передаточные отверстия (7) связывают камеру с клапанами (8) с внутренней полостью цилиндра (6). 10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что цилиндр (6) содержит в своей верхней части выпускное отверстие, перекрываемое поршнем или некоторым клапаном, а в своей нижней части передаточные отверстия (7), перекрываемые поршнем, и содержит против этих передаточных отверстий впускные отверстия (12), перекрываемые клапанами, открытие которых обеспечивается при помощи разрежения. 11. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что в нижнем положении поршня (5) в цилиндре (6) передаточные отверстия (7) и выпускные отверстия открываются одновременно или с небольшим сдвигом по времени, обеспечивая тем самым возможность выпуска сгоревших газов и подачу предварительно сжатых газов, содержащихся в кольцевой распределительной камере с клапанами (8). 12. Двигатель по п.11, отличающийся тем, что в процессе подъема поршня (5) в цилиндре (6) выпускное отверстие закрывается перед закрытием передаточных отверстий (7), вызывая тем самым сжатие газа в цилиндре (6) на уровне выпускного патрубка и разрежение на уровне передаточных отверстий (7) и камеры с клапанами (8), которое вызывает второе открытие впускных воздушных клапанов (11) в том цикле функционирования данного двигателя. 13. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что передаточные отверстия (7) образованы зубьями, выполненными в торце цилиндра (6), причем стойки этих зубьев профилированы в виде направляющих лопаток с двойной кривизной для обеспечения быстрого вращательного движения предварительно сжатым газом вокруг пути продвижения поршня (5). 14. Двигатель по п.13, отличающийся тем, что он содержит в верхней части цилиндра по меньшей мере одну форсунку впрыска топлива, ориентированную в направлении вращения чистого воздуха вокруг пути продвижения поршня (5).