КРЕЙЦКОПФНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B75/18 F16C5/00 F01L1/34 

Относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Тронковые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) двух и четырехтактные содержат корпус, цилиндр и шатунно-кривошипный механизм, преобразующий поступательно-возвратное перемещение шатунно-поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала [1], [2]. Для обеспечения работоспособности двигатели оснащаются клапанным, золотниковым или смешанным газораспределением.

Основным недостатком четырехтактного двигателя является то, что лишь один из четырех ходов поршня рабочий, а три - подготовительные, совершающиеся с потреблением энергии.

Более удачное сочетание рабочей и подготовительной частей цикла у двухтактных двигателей. Вместе с тем у двухтактных ДВС меньшая экономичность, что объясняется худшей очисткой цилиндра от продуктов сгорания.

Двухтактные крейцкопфные двигатели большой мощности по экономичности приближаются к четырехтактным ДВС. Это достигается в основном за счет высокоэффективного (часто двухступенчатого) наддува, что увеличивает коэффициент продувки [3] и положительно влияет на качество очистки цилиндра от продуктов сгорания [4].

Крейцкопфный двигатель внутреннего сгорания [5] содержит корпус, неподвижно закрепленный и накрытый крышкой цилиндр, крейцкопфный узел и шатунно-кривошипный механизм, преобразующий поступательно-возвратное перемещение шатунно-поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала.

Шатунно-кривошипный механизм крейцкопфного ДВС имеет размещенный в цилиндре поршень, оснащенный компрессионными и маслосъемными кольцами, шток поршня, поперечину ползуна, шатун, закрепленный в корпусе коленчатый вал. Все это кинематически связано. Шатун такого двигателя в 3,5 и более раз длиннее радиуса колена коленчатого вала (радиуса кривошипа) [6], [7]. Поперечина в свою очередь оснащена ползунами (ползуном) и размещается в направляющих, закрепленных в корпусе двигателя, образуя крейцкопфный узел.

Для обеспечения работоспособности цилиндр двигателя оснащен впускными окнами, а крышка цилиндра выпускным клапаном [8] (смешанное газораспределение). Клапан приводится в действие от распределительного вала, оснащенного кулачком, размещенного в корпусе двигателя, кинематически связанного с коленчатым валом. Момент открытия-закрытия клапана задан конструктивно, в процессе работы в каждом цикле повторяется и по отношению к углу поворота коленчатого вала не изменяется. Профиль кулачка, при этом, имеет одинаковый угол действия по всей своей ширине [9].

Как недостаток крейцкопфные двигатели малодинамичные, тихоходные, имеют большую высоту по оси цилиндра, что увеличивает вес и делает невозможным их применение, например, на современном автомобильном транспорте.

Сущность изобретения состоит в том, что отношение длины шатуна к радиусу колена коленчатого вала находится в пределах больше единицы до двух.

Маслосъемное кольцо установлено внутри цилиндра и огибает поршень.

Момент закрытия выпускного клапана изменяется по углу поворота коленчатого вала в процессе управления режимом работы двигателя.

Угол действия кулачка распределительного вала изменяется по ширине кулачка.

Юбка поршня крепится к поперечине ползуна.

Известно, что в двухтактных ДВС процесс наполнения цилиндра свежим зарядом осуществляется, когда кривошип коленчатого вала проходит удаленную от поршня (крейцкопфа) часть окружности. При этом поршень открывает впускные окна и перемещается вблизи нижней мертвой точки на расстоянии до 25 процентов от общей величины хода поршня [10].

Предлагаемое соотношение длины шатуна к радиусу кривошипа обеспечит более длительную задержку поршня вблизи нижней мертвой точки.

Размещение оси коленчатого вала на линии перемещения оси крейцкопфной головки шатуна дает симметричное расположение углов поворота коленчатого вала при сжатии и расширении рабочей смеси. При смещении оси коленчатого вала с этой линии дает асимметричное расположение углов при сжатии и расширении. Таким образом, можно получить либо более быстрое сжатие рабочей смеси и медленное расширение, либо обратное действие.

Установка маслосъемного кольца не на поршне, а внутри цилиндра позволяет значительно снизить высоту цилиндра и высоту двигателя в целом, а поршень может быть закреплен непосредственно на поперечине ползуна без помощи штока, либо быть выполненным, как одно целое с поперечиной.

В известном ДВС с искровым зажиганием регулирование режимом работы производится за счет подачи количества свежего заряда в цилиндр путем изменения проходного сечения впускного тракта (канала). В предлагаемом двигателе количество свежего заряда в цилиндре регулируется путем запаздывания (опережения) момента закрытия выпускного клапана.

Изменение момента закрытия выпускного клапана может быть достигнуто с применением различного устройства газораспределительного механизма.

Например: кулачок распределительного вала, приводящий в действие клапан, имеет равномерно изменяющийся по ширине кулачка угол действия, а распределительный вал, установленный в корпусе двигателя, перемещается вдоль своей оси на ширину кулачка в прямом и обратном направлении под воздействием органов управления. Толкатель клапана, ширина которого меньше ширины кулачка, при этом, копирует поверхность кулачка с тем углом действия, который в данный момент переместился и вращается в плоскости качания (перемещения) толкателя.

На фиг. 1 показана схема зависимости угла поворота коленчатого вала для различной длины шатуна при одинаковой величине перемещения крейцкопфной головки шатуна вблизи нижней мертвой точки. На фиг. 2, 3 и 4 схематично показан общий вид двигателя с клапанно-щелевой схемой газообмена и различным положением шатунно-кривошипного механизма.

Окружность, описанная кривошипом коленчатого вала с радиусом R_к (см. фиг. 1) пересекает три дуги, радиус которых соответствует длине шатуна. Величина h соответствует перемещению крейцкопфной головки шатуна и равна высоте продувочных окон, в данном случае 20 процентов от общей величины хода поршня.

При перемещении поршня к нижней мертвой точке (Н.М.Т.) в двигателе с длиной шатуна на 1,12 больше радиуса кривошипа (схема сделана с соблюдением указанных размеров) т.е. (L_ш = 1.12 R_к) поршень откроет впускные окна и они останутся открытыми, когда кривошип коленчатого вала будет перемещаться по окружности от точки T (здесь и далее точка - это пересечение дуги и окружности), пройдет нижнюю мертвую точку (H. М. Т.) и впускные окна закроются, когда кривошип переместится в точку T₁. Для двигателя с длиной шатуна равной двум радиусам кривошипа (L_ш=2Rk) впускные окна будут открыты при перемещении кривошипа по окружности от точки P, через Н.М.Т., до P₁. Для известного двигателя с длиной шатуна в 3,5 раза больше радиуса кривошипа (L_ш=3.5Rk) - от точки S, через Н.М.Т., до точки S₁.

На схеме видно, что кривошип коленчатого вала с коротким шатуном опишет большую дугу, чем с длинным, а крейцкопфная головка длинного и короткого шатунов, при этом пройдет одинаковый путь. Следовательно, с применением короткого шатуна, при прочих равных условиях, продолжительность продувки цилиндра за цикл увеличится.

Двигатель содержит корпус 1 (см. фиг. 3), размещенный в нем с возможностью вращения коленчатый вал 2, с коленом 3 которого шарнирно соединен шатун 4, образуя кривошип коленчатого вала. Шатун 4 в свою очередь шарнирно соединен с поперечиной 5, жестко соединенной с ползуном 6, размещенным в направляющих 7, закрепленных в корпусе 1. (Ползун 6 и направляющая 7 могут быть с одной стороны). К поперечине 5 жестко крепится поршень 8. (Поршень может быть изготовлен заодно с поперечиной, а также может соединятся с поперечиной при помощи штока, при этом подпоршневое пространство изолируется от картерных газов). Поршень 8 размещается в закрепленном в корпусе 1 цилиндре 9, оснащенным маслосъемным кольцом (кольцами) 10 и впускными окнами 11. Сверху цилиндр накрыт крышкой, оснащенной свечей зажигания или форсункой 12 и выпускным клапаном 13.

При работе двигателя, перемещаясь под давлением газов от верхней мертвой точки к нижней (см. фиг. 2), поршень 8 передает усилие поперечине 5, которая при помощи ползунов 6 перемещается по направляющим 7 и через шатун 4 воздействует на колено 3, вращая коленчатый вал 2. Направляющие 7 удерживают ползуны 6 и поперечину 5 в прямолинейном перемещении и воспринимают боковую нагрузку, возникающую при наклоне шатуна во время прохождения его кривошипной головки по окружности
Перед открытием поршнем 8 впускных окон 11, открывается выпускной клапан 13 (см. фиг. 2. Положение поршня, крейцкопфа и шатуна обозначено пунктиром, положение кривошипа 3 обозначено точкой D). Через открытый выпускной клапан 13 отработанные газы свободно вытекают из цилиндра, их давление падает и по приходу кривошипа 3 в точку E открываются впускные окна 11, (в цилиндре начинается процесс газообмена. Это положение шатунно-кривошипного механизма не показано). Процесс газообмена будет продолжаться, когда поршень 8 пройдет нижнюю мертвую точку (см. фиг. 3), сменит направление движения на обратное и перекроет впускные окна 11. Кривошип 3 коленчатого вала 2 так же пройдет нижнюю мертвую точку и при перекрытии поршнем 8 впускных окон 11 будет находиться в точке K (см. фиг. 3. Изображено пунктиром). Вместе с перекрытием впускных окон 11 закроется выпускной клапан 13. На этом процесс газообмена закончился и в цилиндре начался процесс сжатия, который протекает до прихода поршня в верхнюю мертвую точку, после чего в камеру сжатия через форсунку 12 впрыскивается топливо, которое воспламеняется, сгорает и под давлением газов поршень вновь движется к нижней мертвой точке. Цикл повторяется.

Работа двигателя с воспламенением рабочей смеси от искры будет отличаться процессом регулирования режимом работы двигателя, который производится за счет изменения момента закрытия выпускного клапана по отношению к углу поворота коленчатого вала. При раннем закрытии клапана 13 (см. фиг. 4), когда поршень 8, перемещаясь к верхней мертвой точке, еще не до конца перекроет впускные окна 11, произойдет подпор свежего заряда в цилиндр, в работе будет участвовать большее количество свежего заряда, на коленчатом валу будет получена большая мощность. При позднем закрытии клапана 13 (см. фиг. 4. Изображено пунктиром), поршень 8 вытеснит часть нового заряда из цилиндра, в работе будет участвовать меньшее количество заряда, на коленчатом валу будет получена меньшая мощность.

Процесс регулирования режимом работы происходит при перемещении кривошипа 3 (см. фиг. 4) от точки H до точки M, при этом коленчатый вал повернется на угол ϕ_p - угол регулирования режимом работы.

Осуществив данные мероприятия снизятся высота и вес двигателя, уменьшится вес шатунно-поршневой группы, что позволит придать динамизм в работе двигателя на переменных нагрузках, а так же улучшится качество очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Источники информации
1. Книга под редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова "Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей". Москва "Машиностроение", 1984 год, стр. 9, раздел "Компановочные схемы двигателей".

2. Книга "Тепловозные двигатели внутреннего сгорания". Москва "Транспорт", 1987 год, стр. 204, первый абзац.

3. Книга под редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова "Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. "Москва", "Машиностроение", 1983 год, стр. 62, раздел "Коэффициент продувки".

4. Книга "3", стр. 66 окончание раздела "Коэффициент остаточных газов".

5. Книга 1. стр. 374, рис. 331.

6. Книга А. И. Колчин, В.П. Демидов "Расчет автомобильных и тракторных двигателей". Москва "Высшая школа" 1980 год, стр. 115-117 раздел "Общие сведения".

7. Книга 1. стр. 174, первый абзац.

8. Книга 3. стр. 77, второй абзац сверху.

9. Книга 1, стр. 262, начало страницы. Понятие "Угол действия кулачка".

10. Книга под редакцией М.С. Ховаха "Автомобильные двигатели". Москва, "Машиностроение", 1977 год, стр. 66, последний абзац.

Изобретение может быть использовано в поршневых двигателях. Крейцкопфный двигатель содержит корпус, накрытый крышкой с впускными окнами и выпускным клапаном, цилиндр, поршень, распределительный вал с кулачком и коленчатый вал, колено которого соединено шатуном с поперечиной ползуна. Отношение длины шатуна к радиусу колена коленчатого вала находится в пределах больше единицы до двух. Угол действия кулачка распределительного вала изменяется по ширине кулачка. Момент закрытия выпускного клапана изменяется по отношению к углу поворота коленчатого вала в процессе управления режимом двигателя. Юбка поршня крепится к поперечине ползуна, а маслосъемные кольца, огибая поршень, установлены внутри цилиндра. Технический результат заключается в уменьшении высоты и веса двигателя и в улучшении качества очистки цилиндров от продуктов сгорания. 4 ил.

Крейцкопфный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, прикрепленный к корпусу и накрытый крышкой цилиндр с впускными окнами и выпускным клапаном, поршень, размещенный в цилиндре, маслосъемные кольца, распределительный вал с кулачком и коленчатый вал, колено которого соединено шатуном с поперечиной ползуна, перемещающегося в направляющих, отличающийся тем, что отношение длины шатуна к радиусу колена коленчатого вала находится в пределах больше единицы до двух, угол действия кулачка распределительного вала изменяется по ширине кулачка, момент закрытия выпускного клапана изменяется по отношению к углу поворота коленчатого вала в процессе управления режимом двигателя, причем юбка поршня крепится к поперечине ползуна, а маслосъемные кольца, огибая поршень, установлены внутри цилиндра.