ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B75/24 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к тракторостроению, и может быть применено в других отраслях техники, например в автомобилестроении.

Известен двигатель внутреннего сгорания, например, ЯМЗ-238НБ, содержащий блок цилиндров, головки блока цилиндров, масляный картер, цилиндры, поршни, шатуны, коленчатый вал, распределительный механизм, систему питания, систему охлаждения, систему смазки, систему очистки воздуха, систему очистки топлива, систему пуска, маховик [1].

Недостатками известного двигателя являются:
1. Двигатель с V-образным расположением цилиндров и с порядком их работы 1-5-4-2-6-3-7-8 (см. кн. Каталог деталей трактора К-700. - М., 1971, с.174).

При последовательной работе цилиндров коренные шейки коленчатого вала испытывают ударные нагрузки в моменты нахождения поршней в верхних мертвых точках и сгорании некоторой части впрыснутой порции топлива. В результате ухудшается смазка в подшипниках и усиливается трение, что приводит к ускорению их износа, а кроме того шейки вала изнашиваются неравномерно по окружности и приобретают овальную форму, что в свою очередь еще сильнее усиливает трение и износ.

2. Шатунные и коренные шейки коленчатого вала различны по размерам - по длине и диаметру, что затрудняет изготовление деталей кривошипно-шатунного механизма и выполнение ремонтных работ (см. тот же Каталог, с.180,181,186.).

Цель изобретения - уменьшить трение в коренных шейках коленчатого вала, их износ и повысить отдачу энергии на полезную работу.

Цель достигается путем применения большего числа цилиндров меньшего диаметра, расположения их в два ряда под углом 180^o друг к другу и синхронной работы каждой пары противолежащих цилиндров.

На чертеже показана схема устройства блока цилиндров и кривошипно-шатунного механизма предлагаемого двигателя (поперечный разрез).

Двигатель четырехтактный, многоцилиндровый, содержит блок цилиндров 1 с ребрами жесткости 9, цилиндры 2, поршни 3, поршневые пальцы 4, шатуны 5, коленчатый вал 6, масляный картер 7, упорный гребень 8 для крепления генератора, топливного насоса, подкачивающей помпы и других приборов и устройств. Двигатель содержит четное число цилиндров, расположенных в двух противолежащих друг к другу рядах под углом 180^o.

Блок цилиндров и верхняя часть масляного картера выполнены в одной отливке для придания большей жесткости конструкции. Для этой же цели блок имеет внутреннее и наружное оребрение стенок. Определенную жесткость придают и два верхних упорных гребня.

Цилиндры одного ряда смещены вдоль блока по отношению к цилиндрам другого ряда на расстояние между осями противолежащих цилиндров. Цилиндры обоих рядов могут быть расположены как в одной горизонтальной плоскости, так и в двух параллельных плоскостях, смещенных друг от друга по вертикали до размера диаметра коленчатого вала.

Коленчатый вал выполнен с таким расчетом, что каждые два рядом расположенных кривошипа находятся под углом 180^o друг к другу. Все шатунные и коренные шейки, кроме последней коренной, имеют одинаковые размеры по длине и диаметру, а последняя коренная шейка в два раза длиннее остальных шеек.

Все вкладыши коренных и шатунных подшипников одинаковы по размерам и потому взаимозаменяемы. На последнюю коренную шейку устанавливают два спаренных вкладыша.

Топливный насос имеет столько же насосных элементов (секций), сколько цилиндров содержит двигатель. Каждые два рядом расположенных кулачка на кулачковом валике находятся в одной плоскости, представляя как бы одно целое. Все топливопроводы от насосных элементов к форсункам цилиндров имеют одинаковые размеры по длине и диаметру.

Двигатель может быть и карбюраторным.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Рабочие циклы в цилиндрах совершаются так же, как и во всех четырехтактных двигателях. Но с одним существенным различием: в данном двигателе каждая пара противолежащих цилиндров работает синхронно, как одно целое.

В этих цилиндрах при перемещении поршней от верхних мертвых точек к нижним мертвым точкам (от периферии к центру), происходит засасывание воздуха в цилиндры через открытые впускные клапаны головок цилиндров - такт впуска.

В следующий ход поршней, т.е. от нижних мертвых точек к верхним мертвым точкам (от центра к периферии), происходит сжатие воздуха вместе с остаточными газами, перемешивание их при закрытых впускных и выпускных клапанах и быстрое нагревание - такт сжатия.

В конце такта сжатия при подходе поршней к верхним мертвым точкам в камеры сгорания головок цилиндров через их форсунки двумя рядом расположенными насосными элементами топливного насоса под высоким давлением впрыскивается одновременно в оба противолежащих цилиндра одинаковая порция дизельного топлива. При этом топливо встречает сильное сопротивление от сжатого воздуха, дробится на мельчайшие частицы, перемешивается с горячим воздухом, нагревается до температуры самовоспламенения и загорается. Небольшая часть топлива сгорает быстро, остальная часть сгорает в начале движения поршней от верхних мертвых точек к нижним мертвым точкам. Во время сгорания топлива выделяется много тепла, от которого резко повышаются температура и объем газов, что приводит к резкому повышению давления газов. В результате этого поршни перемещаются от верхних мертвых точек к нижним мертвым точкам и через шатуны поворачивают коленчатый вал - такт расширения.

В конце такта расширения до прихода поршней в нижние мертвые точки открываются выпускные клапаны и значительная часть отработавших газов под воздействием собственного избыточного давления выбрасывается из цилиндров с большой скоростью в окружающую среду. С переходом поршней на движение от нижних мертвых точек к верхним мертвым точкам происходит выталкивание ими отработавших газов из цилиндров - такт выпуска.

При подходе поршней близко к верхним мертвым точкам открываются впускные клапаны. После начала движения поршней от верхних мертвых точек к нижним мертвым точкам и поворота коленчатого вала на небольшой угол закрываются выпускные клапаны.

При вращении коленчатого вала все процессы рабочего цикла в каждой паре противолежащих цилиндров повторяются в такой же последовательности в соответствии с порядком их работы.

Порядок работы цилиндров устанавливают в зависимости от их числа в одном ряду. А в соответствии с этим порядком устанавливают и порядок работы каждой пары насосных элементов топливного насоса.

При синхронной работе двух противолежащих друг к другу цилиндров в момент нахождения поршней в верхних мертвых точках в такте расширения силы давления газов на днища поршней равны по величине и направлены в противоположные стороны. Эти силы оказывают ударное воздействие на шатунные шейки и щеки кривошипов, но не могут оказать такого же воздействия на коренные шейки коленчатого вала, т.к. они взаимно уравновешены и гасят друг друга.

Не оказывает существенного влияния на раскачивание двигателя в поперечной плоскости и возникающий обратный момент из-за малости величины, т.к. цилиндры находятся на близком расстоянии от рамы. В то время как у двигателей с вертикальным или наклонным расположением цилиндров величина обратного момента значительна и оказывает раскачивающее воздействие. В результате расшатываются крепления, различные сочленения, способствующие разрушению машины.

По мере перемещения поршней вверх-вниз возникают силы инерции возвратно-поступательно движущихся частей (поршней и верхних частей шатунов), центробежные силы инерции неуравновешенных вращающихся частей (кривошипов и нижних частей шатунов с крышками нижних головок) и моменты от этих сил. Все силы инерции и моменты от них левого и правого ряда цилиндров равны по величине, параллельны, лежат в одной плоскости, направлены в противоположные стороны, взаимно уравновешены и гасят друг друга. Поэтому все силы и моменты от них не могут оказывать существенного воздействия на коренные шейки коленчатого вала. Теоретически они равны нулю. Неравномерность вращения коленчатого вала сглаживается применением маховика с большей массой или двух маховиков.

При расположении противолежащих рядов цилиндров в разных плоскостях по вертикали, но не более чем на размер диаметра коленчатого вала, и нахождении поршней в верхних мертвых точках в такте расширения, силы давления газов находятся в разных плоскостях и создают моменты кручения коленчатого вала и тем самым смягчают ударную нагрузку на его коренные шейки. Кроме того, уменьшается и сила давления поршней о стенки цилиндров, так как при этом положении их угол наклона шатунов к осям цилиндров бывает очень малым, от которого зависит величина силы давления. В результате уменьшается сила трения поршней о стенки цилиндров, их износ, а также затрата энергии на единицу выполненной работы. Поэтому двигатель с расположением цилиндров в разных плоскостях по вертикали является самым эффективным по мягкости работы, экономичности, долговечности.

Сопоставление предлагаемого двигателя с двигателем ЯМЗ-238НБ позволяет сделать следующие выводы:
1. Предлагаемый двигатель обладает важными эксплуатационными качествами, значительно превосходящими аналогичные показатели двигателя с V-образным расположением цилиндров.

2. У предлагаемого двигателя коренные и шатунные шейки коленчатого вала имеют одинаковые размеры по длине и диаметру, кроме последней коренной шейки, которая вдвое длиннее остальных шеек. Такая конструкция вала значительно облегчает изготовление деталей кривошипно-шатунного механизма (вала, вкладышей и крышек подшипников) и выполнение ремонтных работ.

3. Двигатель многоцилиндровый, габаритный, поэтому применение его наиболее целесообразно на стационарных установках и большегрузных транспортных средствах (тракторах, автомобилях, автобусах).

Источник информации
1. Каталог деталей трактора К-700. - М., 1971.

Изобретение может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности в тракторостроении, и в других отраслях техники, например в автомобилестроении. Цилиндры двигателя расположены в двух противолежащих рядах с углом между цилиндрами, равным 180°. Коленчатый вал выполнен с углом между двумя противоположными друг к другу кривошипами, равным 180°. Шатунные и коренные шейки коленчатого вала равны между собой по длине и диаметру, кроме последней коренной шейки, которая в два раза длиннее остальных шеек и на которую устанавливают сдвоенные вкладыши подшипника. В каждой паре противолежащих друг к другу цилиндров рабочие циклы совершаются одновременно, как одно целое. В соответствии с порядком работы цилиндров, согласно которому выполнен и кулачковый валик топливного насоса, у которого каждая пара насосных элементов работает одновременно, как одно целое. Такой двигатель обладает важными эксплуатационными качествами, такими как мягкость работы, экономичность, долговечность, значительно превосходящими аналогичные показатели двигателя с V-образным расположением цилиндров. 1 ил.

Двигатель четырехтактный, многоцилиндровый, внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, головки блока цилиндров, масляный картер, цилиндры, поршни, шатуны, коленчатый вал, распределительный механизм, систему питания, систему охлаждения, систему смазки, систему очистки воздуха, систему очистки топлива, систему пуска, маховик, отличающийся тем, что цилиндры расположены в двух противолежащих рядах с углом между цилиндрами, равным 180^o, коленчатый вал выполнен с углом между двумя противолежащими друг к другу кривошипами, равным 180^o, шатунные и коренные шейки вала равны между собой по длине и диаметру, кроме последней коренной шейки, которая в два раза длиннее остальных шеек и на которую устанавливают сдвоенные вкладыши подшипника, в каждой паре противолежащих друг к другу цилиндров рабочие циклы совершаются одновременно, как одно целое, в соответствии с порядком работы цилиндров, согласно которому выполнен и кулачковый валик топливного насоса, у которого каждая пара насосных элементов работает одновременно.