ДВС СО СМЕЖНО РАБОТАЮЩИМИ ЦИЛИНДРАМИ И ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК F02B41/06 

Настоящее техническое решение относится к конструкциям двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным зажиганием, в цилиндрах которых реализуются различные рабочие процессы, и с серийно выпускаемыми деталями и узлами.

Известен принцип организации рабочего процесса и устройство для его осуществления, изложенные в работе В.М. Кушуля "Знакомтесь - двигатель нового типа". Л., "Судостроение", 1966, где даны конструкторские решения, обеспечивающие подачу дополнительного объема воздуха в работающие цилиндры другими, дополнительными цилиндрами, работающими параллельно основным. Двигатель имеет спаренную головку блока параллельно расположенных цилиндров и один коленчатый вал. Привод поршней цилиндро-поршневых групп (ЦПГ) дополнительных цилиндров осуществляется прицепными шатунами кривошипно-шатунного механизма (КШМ), а фазы газораспределения реализуются вторым дополнительным, газораспределительным механизмом (ГРМ).

Данное решение сложно в конструкторском исполнении, требует ряд оригинальных и сложных в техническом исполнении деталей и узлов - блок цилиндров, деталей привода ГРМ, привода шатунов КШМ. Оно очень металлоемко и требует специальной технологии изготовления большого числа узлов и деталей.

Известен двигатель внутреннего сгорания со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием, содержащий блок цилиндров, цилиндры со свечой зажигания, цилиндры без свечей зажигания, головку блока, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, цилиндро-поршневую группу, впускной и выпускной коллектор, картер и маховик, причем камера сгорания цилиндров без свечей зажигания и камеры сгорания цилиндров со свечами зажигания образуют общие камеры сгорания смежно работающих цилиндров, впускной коллектор выполнен раздельным, обеспечивающим подачу рабочих тел в смежно работающие цилиндры, а коленчатый вал выполнен обеспечивающим асинхронное прохождение верхних мертвых точек поршнями смежно работающих цилиндров (см. патент США N 4159700 МПК F 02 B 75/20, опубл. 1979).

Существенными недостатками данного решения являются: экологическое несовершенство рабочего цикла, жесткие требования к топливам, низкие индикаторные и эффективные параметры работы, невозможность использовать топлива широкого фрикционного состава и топлив альтернативного происхождения без серьезных конструкторских переделок.

Задачей, на решения которой направлено настоящее техническое решение, является реализация двухэтапного сгорания рабочего тела в ДВС, описанного и обоснованного в вышеприведенной работе В.М. Кушуля, обеспечивающая многотопливность, экономичность, экологичность и повышение мощностных параметров в хорошо отработанных конструкторских решениях и технологиях серийно выпускаемых ДВС с сохранением их габаритных размеров.

Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием, содержащий блок цилиндров, цилиндры со свечой зажигания, цилиндры без свечей зажигания, головку блока, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, цилиндро-поршневую группу, впускной и выпускной коллекторы, картер и маховик, причем камеры сгорания цилиндров без свечей зажигания и камеры сгорания цилиндров со свечами зажигания образуют общие камеры сгорания смежно работающих цилиндров, впускной коллектор выполнен раздельным, обеспечивающим подачу рабочих тел в смежно работающие цилиндры, а коленчатый вал выполнен обеспечивающим асинхронное прохождение верхних мертвых точек поршнями смежно работающих цилиндров, согласно изобретению коленчатый вал обеспечивает нахождение поршней смежно работающих цилиндров в положении верхней мертвой точки асинхронно со смещением 10...30 градусов поворота коленчатого вала (п.к.в.)
Кроме того, двигатель может быть снабжен шатунными шейками, задающими прохождение верхних мертвых точек поршнями в рядном четырехцилиндровом двигателе одновременно в цилиндрах со свечами зажигания и со смещением поршнями цилиндров без свечей зажигания.

Камера сгорания может быть образована камерами сгорания смежно работавших цилиндров, соединенных каналом.

Впускной коллектор смежно работающих цилиндров может быть снабжен карбюратором или инжектором, установленным в тракт обеспечения рабочим телом цилиндра со свечой зажигания, и клапаном, установленным в тракт обеспечения рабочим телом цилиндра без свечи зажигания.

Все каналы впускного коллектора могут быть снабжены карбюраторами и/или инжекторами.

Шатун кривошипно-шатунного механизма смежно работающего цилиндра без свечи зажигания может быть выполнен обеспечивающим ход, равный ходу поршня цилиндра со свечой зажигания, с зазором в положение верхней мертвой точки между поверхностью камеры сгорания в головке блока и днищем поршня 0,4...1,2 мм.

Шатун кривошипно-шатунного механизма цилиндра без свечи зажигания может быть выполнен удлиненным на 7,0...15,0 мм.

Радиус кривошипа коленчатого вала кривошипно-шатунного механизма смежно работающего цилиндра без свечи зажигания может быть выполнен увеличенным на 7,0...15,0 мм.

Следует отметить, что в настоящем техническом решении камеры сгорания смежно работающих цилиндров соединяются между собой каналом и образуют одну общую камеру сгорания, снабженную одной свечой зажигания. Канал обеспечивает протекание первой стадии сгорания рабочего тела при постоянном объеме и подачу дополнительного рабочего тела из смежно работающего цилиндра на второй стадии горения в цилиндр, где процесс горения идет с недостатком кислорода, чем активизируется процесс догорания рабочего тела. После этого рабочее давление посредством канала распространяется в надпоршневое пространство смежно работающего цилиндра без свечи зажигания и оба поршня совершают рабочие ходы.

Вышеприведенный рабочий процесс требует раздельной подачи рабочих тел в каждый из смежно работающих цилиндров. Например, смесь топлива и воздуха в один, и только воздуха - в другой. Это предопределило изменения в конструкции впускного коллектора - он выполнен раздельным, обеспечивающим рабочим телом каждый из смежно работающих цилиндров. Принцип образования рабочего тела может быть карбюраторным, инжекторным или их комбинацией, а также с использованием как чистого атмосферного воздуха, так и его смеси с различными ускорителями и катализаторами процесса сгорания.

Для реализации двухстадийного процесса горения шатун КШМ цилиндра без свечи зажигания выполнен удлиненным на 7,0- 15 мм. Удлинение в 7,0 мм используется при диаметре цилиндров 70...76 мм, а при диаметре цилиндра 90... 105 мм шатун удлиняют на 15,0 мм. Удлиненный шатун позволяет поршню при заданном его ходе вытеснить максимально возможное количество рабочего тела в смежно работающий цилиндр. Эта задача может быть решена и удлинением кривошипа коленчатого вала КШМ на соответствующую величину. Однако в этом случае увеличивается ход поршня и объем подачи рабочего тела. Возможно комбинированное решение с изменением длины как шатуна, так и кривошипа. Решение принимается в связи с предназначением ДВС и характеристик используемых в нем топлив.

Удлинение шатуна (или кривошипа) сопровождается уменьшением зазора между днищем поршня и головкой блока цилиндров, который должен находиться в пределах 0,4...1,2 мм. Величина зазора зависит от материалов поршня, головки блока, конструкции блока цилиндров. При головке блока из алюминиевых сплавов, поршня и блока цилиндров из такого же сплава - зазор 1,2 мм. При чугунной головке блока, чугунном блоке и чугунном поршне - зазор может составлять 0,4 мм.

Кулачковый вал ГРМ обеспечивает работу клапанов согласно асинхронному прохождению верхней мертвой точки (ВМТ) поршнями ЦПГ смежно работающих цилиндров. Вал используется один с изменением расположения кулачков друг относительно друга.

В графических материалах представлены: фиг.1 - схема продольного сечения ДВС со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием, фиг. 2 - схема поперечного сечения ДВС со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием, фиг. 3 - схема компановки оппозитного ДВС со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием.

Техническая реализация представленного технического решения поясняется следующими примерами конкретного выполнения.

ДВС со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием состоит из блока цилиндров 1 (фиг. 1) с установленным в нем подвижно коленчатым валом 2 КШМ, который приводит в возвратно-поступательное движение шатун 3 КШМ. На блоке цилиндров 1 неподвижно установлена головка блока 4, где размещен на опорах кулачковый вал 5 ГРМ, приводимый во вращательное движение приводом 6. Головка блока 4 снабжена также выпускными 7 и впускными 8 и 9 коллекторами. Второй и третий цилиндры двигателя снабжены свечами зажигания 10. Впускной коллектор цилиндров со свечами зажигания снабжен карбюратором 11, а впускной коллектор цилиндров без свечей зажигания имеет воздушную заслонку 12. Цилиндры со свечами зажигания снабжены впускными клапанами 12 и выпускными клапанами 14. Коленчатый вал снабжен маховиком 16. Цилиндры без свечей зажигания имеют впускные 16 и выпускные 17 клапаны. КШМ соединен подвижно с поршнями 18 ЦПГ цилиндров без свечей зажигания и поршнями 19 ЦПГ цилиндров со свечами зажигания. Камеры сгорания 20 цилиндров без свечей зажигания и камеры сгорания 21 цилиндров со свечами зажигания посредством канала 22 образуют общие камеры сгорания. Снизу блока цилиндров установлен картер 23 для смазки деталей, узлов и механизмов. Коленчатый вал 2 (фиг. 2) выполнен с кривошипами 24, обеспечивавшими прохождение ВМТ поршнями ЦПГ смежно работающих цилиндров асинхронно, со смешением по базе в 10...30 град п.к.в. Шатунные шейки 25 коленчатого вала 2 цилиндров без свечей зажигания расположены в одной продольной плоскости и направлены в одну сторону. Шатунные шейки 26 цилиндров со свечами зажигания тоже расположены в одной плоскости и направлены в ту же сторону, что и первые.

Кулачковый вал 6 ГРМ снабжен кулачками, открывающими и закрывающими клапана 13, 14, 16 и 17 в соответствии с фазами газораспределения, представленными в вышеприведенной работе В. М. Кушуля. Впускной коллектор выполнен раздельным, обеспечивающим подачу рабочего тела - топливо-воздушной смеси в камеры сгорания 21 и рабочего тела - воздуха, - в камеры сгорания 20, которые соединены каналами 22. При этом в коллектор 9 установлен карбюратор 11, а в коллектор 8 воздушная заслонка 12, регулирующая подачу воздуха.

Работа ДВС происходит путем его пуска стандартным способом запуска ДВС с искровым зажиганием. При этом рабочее тело по коллектору 9 и коллектору 8 поступает в цилиндры, где сжимается до заданных степеней сжатия; и в цилиндре со свечами зажигания - 6,5 ед, в цилиндре без свечей зажигания - 25 ед. В заданный момент п.к.в. происходит искрообразование между контактами свечи зажигания 10 и рабочее тело воспламеняется, а в цилиндре без свечи зажигания сжатие рабочего тела происходит до величин, соразмерных давлению горящих газов в смежном цилиндре. При прохождении поршнем 19 ВМТ процесс горения происходит только в камере 21. При прохождении поршнем 18 ВМТ по каналу 22 сжатое рабочее тело перетекает в цилиндр со свечой зажигания, обеспечивая при избытке кислорода активное догорание несгоревшей топливно-воздушной смеси. После этого поршни 18 и 19 совершают одновременно рабочий ход в двух смежно работающих цилиндрах. После чего осуществляется стандартный процесс выпуска отработавших газов по коллектору 7. Через 360 град п.к.в. осуществляется наполнение другой пары смежно работающих цилиндров, а процесс сгорания и рабочий ход - аналогичен вышеприведенному.

Все детали и узлы использованы от двигателя M-21 с габаритными размерами 690х740х490 мм. Двигатель рядный, четырехцилиндровый с искровым зажиганием, четырехтактный, с "мокрыми" гильзами. Порядок работы цилиндров 1-й и 2-й через 360 град. п.к.в. - 3-й и 4-й. Верхнее расположение клапанов по два на цилиндре, направление вращение - правое. Рабочий объем 2,5 литра с диаметром цилиндров 92 мм и ходом поршня - 92 мм. Поршни и головка блока из алюминиевых сплавов с зазором в 1-м и 4-м цилиндрах между головкой блока и поршнем в ВМТ - 1,2 мм. Межцентровое расстояние между верхней и нижней головками шатунов: во втором и третьем цилиндрах - 170 мм, в первом и четвертом - 185 мм. Двигатель оснащен карбюратором К-133 и воздушной заслонкой во впускном тракте 1-го и 4-го цилиндров. Двигатель изготовлен, обкатан и опробован на различных видах топлива - бензина, дизельном топливе и скипидаре.

Вторым вариантом реализации настоящего технического решения служит аналогичный двигатель, но с головкой блока и поршнями из серого чугуна, что позволяет уменьшить зазор между днищем поршня и головкой блока до 0,4 мм. Это достигается изменением межцентрового расстояния в шатунах до 177 мм в 1 и 4 цилиндрах. Все остальные решения аналогичны вышеприведенному.

При работе настоящего двигателя на бензинах оптимальным выявлен угол смещения прохождения ВМТ смежно работающими поршнями в 10 град п.к.в., а при работе на скипидаре - 30 град п.к.в. Возможны вариации в функции скоростного и нагрузочных режимов.

На фиг. 3 представлен вариант реализации настоящего технического решения в виде восьмицилиндрового оппозитного двигателя, камеры сгорания 20 которого образованы блоком цилиндров 1, головкой блока 4 и поршнями 18 и 19 соответствующих цилиндров. Коленчатый вал 2 выполнен с шатунными шейками, обеспечивающими вышезаданный порядок работы смежных цилиндров.

Вышеприведенные примеры являются схематичным описанием реально выполненных конструкций, проходящих лабораторные испытания.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием содержит блок цилиндров, цилиндры со свечой зажигания, цилиндры без свечей зажигания, головку блока, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, цилиндропоршневую группу, впускной и выпускной коллекторы, картер и маховик. Камеры сгорания цилиндров без свечей зажигания и камеры сгорания цилиндров со свечами зажигания образуют общие камеры сгорания смежно работающих цилиндров. Впускной коллектор выполнен раздельным, обеспечивающим подачу рабочих тел в смежно работающие цилиндры. Коленчатый вал выполнен обеспечивающим асинхронное прохождение верхних мертвых точек поршнями смежно работающих цилиндров. Нахождение поршней смежно работающих цилиндров в положении верхней мертвой точки выполнено асинхронным, со смещением 10 - 30 град поворота коленчатого вала. Технический результат заключается в реализации двухэтапного сгорания топлива, повышении экономичности, а также в улучшении экологических и мощностных параметров. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием, содержащий блок цилиндров, цилиндры со свечой зажигания, цилиндры без свечей зажигания, головку блока, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, цилиндропоршневую группу, впускной и выпускной коллекторы, картер и маховик, причем камеры сгорания цилиндров без свечей зажигания и камеры сгорания цилиндров со свечами зажигания образуют общие камеры сгорания смежно работающих цилиндров, впускной коллектор выполнен раздельным, обеспечивающим подачу рабочих тел в смежно работающие цилиндры, а коленчатый вал выполнен обеспечивающим асинхронное прохождение верхних мертвых точек поршнями смежно работающих цилиндров, отличающийся тем, что коленчатый вал обеспечивает нахождение поршней смежно работающих цилиндров в положении верхней мертвой точки асинхронно со смещением 10 - 30 град. поворота коленчатого вала. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен шатунными шейками, задающими прохождение верхних мертвых точек поршнями в рядном четырехцилиндровом двигателе одновременно в цилиндрах со свечами зажигания и со смещением поршнями цилиндров без свечей зажигания. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания образована камерами сгорания смежно работающих цилиндров, соединенных каналом. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что впускной коллектор смежно работающих цилиндров снабжен карбюратором или инжектором, установленным в тракт обеспечения рабочим телом цилиндра со свечой зажигания, и клапаном, установленным в тракт обеспечения рабочим телом цилиндра без свечи зажигания. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что все каналы впускного коллектора снабжены карбюраторами и/или инжекторами. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шатун кривошипно-шатунного механизма смежно работающего цилиндра без свечи зажигания выполнен обеспечивающим ход, равный ходу поршня цилиндра со свечой зажигания, с зазором в положение верхней мертвой точки между поверхностью камеры сгорания в головке блока и днищем поршня 0,4 - 1,2 мм. 7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что шатун кривошипно-шатунного механизма цилиндра без свечи зажигания выполнен удлиненным на 7,0 - 15,0 мм. 8. Двигатель по пп.1 и 6, отличающийся тем, что радиус кривошипа коленчатого вала кривошипно-шатунного механизма смежно работающего цилиндра без свечи зажигания выполнен увеличенным на 7,0 - 15,0 мм.