ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЕГО ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ Российский патент 2006 года по МПК F02B19/18 F02B23/04 F02F3/00 F16J1/02 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Тронковые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют разнообразные компоновочные схемы [1]. Такие ДВС содержат коленчатый вал, колено (кривошип) которого при помощи шатуна соединено с поршнем, размещенным в цилиндре. Цилиндр имеет впускные и выпускные или только впускные окна и накрыт крышкой, оснащенной выпускным клапаном и распределительным валом или без них, а также предкамерой (часть разделенной камеры сгорания) или не разделенной камерой сгорания [2]. Предкамера - тупиковый объем, размещенный в крышке цилиндра и каналами соединенный с основной камерой сгорания. Основная камера сгорания - объем между крышкой цилиндра и поршнем, размещенным в верхней мертвой точке. Поршень и верхняя головка шатуна совершают прямолинейное возвратно-поступательное перемещение, коленчатый вал - вращательное, нижняя головка и стержень шатуна - сложное. Крайние положения поршня называются мертвыми точками: верхней (ВМТ) и нижней (НМТ); расстояние между мертвыми точками называется ходом поршня S; ход поршня S равен двум радиусам кривошипа R_K. Цикл - процесс превращения теплоты в работу от начала впуска рабочего тела в цилиндр до конца выпуска отработанных газов из него; два хода поршня в цикле - двухтактный ДВС, четыре - четырехтактный.

Двухтактный двигатель имеет петлевую или прямоточную схему газообмена [2, с.65, рис.25]. При петлевой схеме впускные и выпускные окна выполнены в цилиндре и размещены так, что открываются поршнем, когда поршень приближается к НМТ. По открытии окон начинается процесс газообмена, который закончится после их перекрытия поршнем при его перемещении к ВМТ. В случае прямоточной продувки в цилиндре выполнены только впускные окна для впуска свежего заряда, выпуск производится через клапан и канал, выполненные в крышке цилиндра. Клапан (запорное устройство канала) установлен на уровне образующей объем цилиндра поверхности и приводится в действие кулачком распределительного вала. В четырехтактном ДВС газообмен производится через каналы и клапаны, выполненные в крышке цилиндра. Поршень имеет три пояса [1, с.118-119, рис.72, 73 и с.122, рис.79]: жаровой пояс оснащен камерой сгорания или без нее; уплотнительный оснащен кольцами; направляющий (юбка) - отверстиями для соединения с верхней головкой шатуна. Направляющий пояс - это продолжительная (высокая) направляющая часть поршня [1, с.129], которая, находясь в ВМТ, оставляет перекрытыми впускные и выпускные окна, находящиеся в нижней части рабочего объема цилиндра (нижняя часть, ближняя к оси коленчатого вала). Также направляющая часть поршня является устройством, удерживающим верхнюю головку шатуна в прямолинейном перемещении, а ее наружная поверхность и внутренняя поверхность цилиндра компенсируют нормальную (нормально действующую по отношению к оси цилиндра) силу N, возникающую в верхней головке шатуна [1, с.61, рис.32]. Охлаждение поршня производится разбрызгиванием смазочного масла на днище поршня с внутренней стороны путем подачи масла под давлением через стержень шатуна. Однако с увеличением диаметра поршня процесс охлаждения поршня усложняется. Ось цилиндра или ось перемещения верхней головки шатуна может быть смещена относительно оси коленчатого вала (дезаксиальный к.ш.м.). Нижняя кромка цилиндра установлена близко к размещенному в ВМТ кривошипу (колену) коленчатого вала, исключая их столкновение (задевание). Также исключено задевание шатуна за нижнюю кромку цилиндра при его максимальном отключении от оси цилиндра и задевание поршня за элементы коленчатого вала при его прохождении вблизи НМТ. Такое условие соблюдается, когда отношение радиуса кривошипа К.к к длине шатуна L_Ш меньше ноль целых трех десятых, т.е. λ<0,300, а отношение хода поршня к его диаметру S/D=0,8-1,3 [3]. Другие параметры цилиндра и кривошипно-шатунной группы при строительстве тронковых ДВС не применяются.

Вместе с тем известно, что наиболее прогрессивные ДВС - это двухтактные двигатели с большими значениями S/D и λ [1, с.361], [4]. Однако из-за плохой очистки цилиндра от продуктов сгорания тронковые двухтактные ДВС имеют низкую топливную экономичность и широкого распространения не получают. Топливная экономичность двухтактного цикла высокая у малооборотных крейцкопфных ДВС. Их экономичность достигается за счет высокого, часто двухступенчатого наддува и большого значения S/D.

Крейцкопфный ДВС [1, с.374, рис.331] содержит коленчатый вал, соединенный с размещенным в цилиндре поршнем при помощи штока и шатуна. Шатун и шток сочленены между собой посредством крейцкопфа, ползуны которого размещены в направляющих. Шток жестко соединен с поршнем и крейцкопфом. Отличается крейцкопфный ДВС от тронкового наличием штока и крейцкопфного узла. Такое устройство позволило повысить отношение S/D до двух и более единиц, т.е. в крейцкопфных ДВС S/D≥2 [1, с.372]. Крейцкопфный узел содержит поперечину, оснащенную ползуном (ползунами), размещенным в направляющих [1, с.175, рис.127]. Крейцкопфный узел выполняет функции, которые в тронковом двигателе выполняет направляющий пояс поршня, а именно удерживает верхнюю головку шатуна в прямолинейном перемещении, а поверхности ползуна и направляющих компенсируют нормальную силу N, возникающую в верхней головке шатуна. Такое устройство позволило применить более короткий шатун с длиной L_Ш, в 3,5-4 раза большей радиуса кривошипа R_K [1, с.174].

Поршень двигателя с петлевой схемой газообмена кроме головки (жаровой и уплотнительный пояс) имеет большую длину направляющей части H_H=(1,2-1,4)D, которая перекрывает впускные и выпускные окна в цилиндре при положении поршня в ВМТ. Охлаждение таких поршней производится смазочным маслом под давлением через шатун и шток с выбросом после охлаждения через юбку поршня [1, с.131]. Двигатели с прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена, а также петлевой схемой газообмена двигателя, на выпускном трубопроводе которого установлено золотниковое устройство [1, с.286, рис.252], имеют относительно короткий поршень, состоящий из головки с высотой H_Г=0,5D [16]. Его охлаждение осуществляется водой через шток с подводом и отводом через телескопические устройства [1, с.133]. Процесс газообмена в цилиндре ДВС в себе заключает [5]:

1. Свободный выпуск - это когда при движении поршня к НМТ в конце процесса расширения открывается выпускной клапан или выпускные окна, при этом отработанные газы, имея избыточное давление, свободно вытекают из цилиндра.

2. Продувка - наполнение и принудительный выпуск протекает для обеих схем газообмена одинаково; свежий заряд поступает в цилиндр через впускные окна, выталкивая отработанные газы через выпускные окна или выпускной клапан.

3. Дополнительный выпуск и дозарядка; для петлевой схемы без дополнительного выпуска не обойтись, т.к. поршень, перемещаясь к ВМТ, перекрывает вначале впускные окна (поступление свежего заряда прекратилось), затем выпускные (до их закрытия протекает дополнительный выпуск). Для прямоточной схемы газообмена момент закрытия клапана предусмотрен конструктивно. Клапан закрывается либо позднее впускных окон (будет дополнительный выпуск), либо до закрытия впускных окон при движении поршня к ВМТ (будет дозарядка цилиндра).

Камера сгорания образуется между крышкой цилиндра и поршнем при размещении поршня в ВМТ.

Двухтактные крейцкопфные ДВС имеют большой моторесурс и высокую топливную экономичность. Однако они нединамичные, малооборотные, имеют большой вес и высоту. Наличие продувочных окон в теле цилиндра на пути перемещения поршня предопределяет большой расход смазочного масла. Все это делает невозможным применение такого двигателя, например, на автомобильном транспорте.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является двигатель внутреннего сгорания, содержащий шатун, скрепленный с коленчатым валом, цилиндр, накрытый крышкой, оснащенной выпускным каналом и его запорным устройством, при закрытом запорном устройстве впускного канала часть канала является полостью, в которой скапливается и в верхней мертвой точке поршня сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело, а при открытом запорном устройстве впускного канала через данную полость в цилиндр поступает свежий заряд рабочего тела, причем выход из полости в цилиндр является каналом, который формирует и направляет поток свежего заряда (заявка Франции №2662745, МПК F 02 B 19/08, опубл. 06.12.1991).

Недостаток известного двигателя - малая эффективность его работы.

Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем шатун, скрепленный с коленчатым валом, цилиндр, накрытый крышкой, оснащенной выпускным каналом и его запорным устройством, согласно изобретению при закрытом запорном устройстве впускного канала часть канала является полостью, в которой скапливается и в верхней мертвой точке поршня сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело, при открытом запорном устройстве впускного канала через данную полость в цилиндр поступает свежий заряд рабочего тела, причем выход из полости в цилиндр является каналом, который формирует и направляет поток свежего заряда, а удерживающее верхнюю головку шатуна устройство в нижней мертвой точке является консолью в цилиндре, при этом ось соединения верхней головки шатуна с удерживающим ее устройством размещена на консоли, а на распределительном валу установлен всережимный регулятор числа оборотов.

Поставленная задача достигается также тем, что в нижней мертвой точке часть консоли удерживающего верхнюю головку шатуна устройства может занимать под цилиндром место, которое в верхней мертвой точке занимает колено (кривошип) коленчатого вала.

Таким образом:

1. В известном ДВС продолжительная направляющая часть поршня в нижней мертвой точке размещается в цилиндре консольно, при этом ось соединения верхней головки шатуна с поршнем находится на консольной части поршня, а оставшаяся в цилиндре направляющая часть поршня обеспечивает функциональные обязанности поршня известного ДВС, т.е. удерживает верхнюю головку шатуна в прямолинейном перемещении и компенсирует нормальную силу.

Известно, что большая величина S/D напрямую зависит от задевания стержня шатуна за нижнюю кромку цилиндра при отклонении от оси цилиндра в процессе вращения кривошипа. Следует отметить, чем больше расстояние между осью соединения верхней головки шатуна с поршнем и нижней кромки цилиндра, тем больше значение S/D можно получить.

Таким образом, за счет изменения расстояния между нижней кромкой цилиндра и осью соединения головки шатуна с поршнем в известном ДВС достигается желаемое отношение S/D, а отсутствие штока и крейцкопфа снижает вес и высоту двигателя, снижает массу поступательно движущихся частей к.ш.м., что открывает возможность форсирования ДВС по числу оборотов.

2. Консольная часть поршня имеет симметричные срезы боковой поверхности и в нижней мертвой точке размещается в зоне (на месте), периодически отчуждаемой кривошипом коленчатого вала в период размещения кривошипа в верхней мертвой точке.

Такое мероприятие проводится для известного ДВС с прямоточной или петлевой схемой газообмена, окна цилиндра которого перекрываются направляющей частью поршня с целью исключения перетекания отработанных газов или рабочего тела.

Известно, что, перемещаясь в подцилиндровом пространстве вблизи ВМТ, кривошип коленчатого вала отчуждает определенную зону, которую занимает периодически с каждым оборотом коленчатого вала. Поэтому закрепленные (неподвижные) детали двигателя не могут размещаться в этой зоне. Но, когда кривошип проходит вблизи НМТ, под цилиндром размещаются противовесы (щеки) коленчатого вала, которые отчуждают уже другую зону (зоны), параллельно с которыми (между которых) без задевания размещается консоль поршня, имеющая боковые срезы.

Таким образом, приближение нижней кромки цилиндра к коленчатому валу позволило сократить длину шатуна, а также сократить высоту и вес двигателя. В свою очередь, меньшая длина шатуна при прочих равных условиях увеличивает продолжительность продувки цилиндра за цикл.

3. В крышке цилиндра известного ДВС с прямоточной продувкой выполнен впускной канал, оснащенный впускным клапаном (либо другим запорным устройством) и полостью двойного назначения. Полость впускного канала при закрытом клапане является камерой сгорания, при открытом - впускным каналом направленного действия. Т.е. канал формирует поток поступающего в цилиндр свежего заряда и направляет его в сторону поршня. Выход из полости может иметь различную форму. Данное мероприятие организует петлевую схему газообмена в двухтактном двигателе. Так как в цилиндре отсутствуют окна, смазка цилиндра и охлаждение поршня осуществляется, как в тронковых ДВС.

Нижняя кромка цилиндра также максимально приближена к зоне, периодически занимаемой (отчуждаемой) в подцилиндровом пространстве кривошипом при прохождении вблизи ВМТ, а геометрическая форма удерживающего устройства (например [1, с.175, рис.127в]) позволяет ему в НМТ разместиться между противовесами (щеками) коленчатого вала без задевания. При этом удерживающее устройство размещено в одном цилиндре с поршнем и совместно с поршнем удерживает верхнюю головку шатуна на оси ее прямолинейного перемещения и компенсирует нормальную силу N.

Газообмен в цилиндре производится через клапаны, выполненные в крышке цилиндра, путем открытия (закрытия) клапанов или других запорных устройств, установленных в каналах. Срабатывают (открываются, закрываются) клапаны от воздействия кулачка распределительного вала.

4. На приводе распределительного вала установлен всережимный регулятор числа оборотов (например [6]).

Так как геометрия кулачка распредвала задается конструктивно и неизменна, то угол поворота коленчатого вала, отведенный на газообмен, будет неизменным (на фиг.4 и 5 обозначен «газообмен»). При этом на номинальном режиме работы двигателя угол поворота коленчатого вала, отведенный на сжатие и расширение, будет, например, одинаковым. При снижении нагрузки увеличится число оборотов распределительного и коленчатого валов. Тогда отреагирует всережимный регулятор, и углы, отведенные на сжатие и расширение, изменятся (фиг.7 и 8).

На фиг.1 изображена схема известного ДВС.

На фиг.2 - схема ДВС с консольным расположением поршня в цилиндре.

На фиг.3 - схема расположения консоли поршня между противовесами (щеками) коленчатого вала.

На фиг.4 - то же, продольный разрез.

На фиг.5 - схема размещенной в крышке цилиндра полости двойного назначения (камеры сгорания), схема продувки наполнения цилиндра, схема размещения крейцкопфа в одном цилиндре с поршнем.

На фиг.6 - разрез А-А на фиг.5.

На фиг.7 - схема зависимости размещения поршня от угла поворота кривошипа в начале открытия выпускного клапана.

На фиг.8 - то же, в конце открытия выпускного клапана.

На фиг.9-13 изображены варианты выполнения ДВС.

На фиг.14-17 представлены диаграммы фаз газораспределения заявленного двигателя.

Описываемый двигатель внутреннего сгорания содержит (см. фиг.2) размещенный в корпусе 1 коленчатый вал 2, кривошип 3 которого при помощи шатуна 4 соединен с поршнем 5, состоящим из головки и направляющей части (позиции не обозначены), в НМТ размещенным консольно в цилиндре 6, имеющем окна 7. При этом ось 8 соединения верхней головки шатуна 4 с поршнем 5 размещена на консольной части поршня 5.

Цилиндр 6 и поршень 5 приближены к коленчатому валу 2 (см. фиг.3 и 4). При этом длина шатуна 4 уменьшена, а в НМТ часть поршня 5 размещается между противовесами (щеками) 9 коленчатого вала 2, для чего на боковой поверхности этой части поршня выполнены срезы 10, при этом угол поворота кривошипа 3, отведенный на газообмен, увеличивается. (На фиг.3 пунктиром показан угол газообмена при длинном шатуне.)

В крышке 11 цилиндра (см. фиг.5) наряду с выпускным каналом 12 и выпускным клапаном 13 выполнен впускной канал 14 и впускной клапан 15. Канал 14 в своем составе имеет полость 16 двойного назначения, оснащенную на выходе в цилиндр каналом 17, обеспечивающим направление движения поступающему в цилиндр потоку свежего заряда.

Так как в цилиндре отсутствуют впускные и выпускные окна (см. фиг.5), направляющая часть поршня 5 выполнена короткой и при помощи штока (пластины, цилиндра и т.п.) 18 жестко соединена с устройством 19, удерживающим верхнюю головку шатуна в прямолинейном перемещении. При этом в НМТ поршень и небольшая часть (высота) удерживающего устройства размещены в цилиндре 6, а часть удерживающего устройства выступает консольно из цилиндра и размещается между противовесами 9. На консоли размещена ось 8 соединения устройства с верхней головкой шатуна 4. Высота расположенных в цилиндре 6 поршня 5 и части устройства обеспечивает их устойчивость к опрокидыванию в положении НМТ.

При этом общая высота короткого поршня, штока и удерживающего устройства не больше высоты поршня с высокой направляющей частью.

Под давлением газов, образовавшихся в цилиндре 6 после сгорания рабочей смеси, поршень 5 перемещается от ВМТ к НМТ. От поршня 5 через шатун 4 и кривошип 3 усилие передается на коленчатый вал 2, вращая его. С коленчатого вала 2 снимается мощность.

По достижении кривошипа 3 точки А (см. фиг.2 и 3) открываются выпускные, затем впускные каналы, в цилиндре протекает процесс газообмена, который закончится, когда кривошип пройдет НМТ и придет в точку В. При этом каналы газообмена закрываются, начинается сжатие рабочего тела. По достижении кривошипа 3 ВМТ в цилиндре 6 происходит сгорание рабочей смеси и цикл повторяется.

Для компоновочной схемы ДВС, изображенной на фиг.5, 12 и 13, газообмен производится через каналы и клапаны, выполненные в крышке цилиндра. Открытие и закрытие клапанов производится от воздействия кулачка распределительного вала (не изображен). По достижении кривошипа 3 точки А открываются вначале выпускной 13, затем впускной 15 клапаны. Между открытием выпускного и впускного клапанов происходит свободный выпуск отработанных газов.

Свежий заряд в цилиндр поступает через впускной канал 14 через открытый впускным клапаном 15 проход в полость 16, затем в канал 17, затем в цилиндр 6. Канал 17 направляет поток свежего заряда, например, в сторону поршня 5. После открытия впускного 15 клапана отработанные газы вытесняются из цилиндра 6 через открытый клапан 13 и канал 12. Осуществляется продувка и наполнение цилиндра. По прибытии кривошипа в точку В клапаны закрываются. Процесс газообмена закончился, и начинается сжатие свежего заряда (по необходимости может быть запаздывание или опережение закрытия выпускного клапана). Сжатый свежий заряд скапливается в канале 17 и в полости 16, которые при закрытом впускном клапане 15 создают единый объем и являются камерой сгорания. По достижении кривошипом ВМТ рабочая смесь сгорает, газы давят на поршень 5, который движется и через шатун 4 вращает коленчатый вал. Цикл повторяется.

Величина угла поворота кривошипа, отведенная на газообмен, задается конструктивно геометрией кулачка распределительного вала и остается постоянной, а угол поворота кривошипа, отведенный на сжатие и расширение, будет изменяться органами управления режимом работы ДВС (не показано). Если угол, отведенный на расширение, больше, значит меньше угол, отведенный на сжатие, и наоборот (см. фиг.7 и 8). Таким образом, создан двухтактный длинноходный двигатель внутреннего сгорания, газообмен которого не влияет на расход смазочного масла.

Источники информации

1. А.С.Орлин, М.Г. Круглов. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1984 г., с.9.

2. М.С.Ховах. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1977, с.330, рис.213, стр.158, рис.82.

3. А.И.Колчин, В.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1980, с.74 и с.115-117.

4. А.С. Орлин и др. Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1977, с.26.

5. А.С.Орлин, М.Г.Круглов. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983, с.50.

6 А.С.Орлин, М.Г.Круглов. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1985, с.394, параграф 4.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр с поршнем, связанным с коленчатым валом при помощи шатуна. Согласно изобретению при закрытом запорном устройстве впускного канала часть канала является полостью, в которой скапливается и сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело. При открытом запорном устройстве впускного канала через данную полость в цилиндр поступает свежий заряд рабочего тела. Выход из указанной полости в цилиндр является каналом, который формирует и направляет поток свежего заряда. Устройство поршня, удерживающее верхнюю головку шатуна в нижней мертвой точке, является консолью в цилиндре, а ось соединения верхней головки шатуна с удерживающим ее устройством размещена на консоли. 1 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания и его газораспределение, содержащие шатун, скрепленный с коленчатым валом, цилиндр, накрытый крышкой, оснащенной выпускным каналом и его запорным устройством, отличающийся тем, что при закрытом запорном устройстве впускного канала часть канала является полостью, в которой скапливается и в верхней мертвой точке поршня сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело, при открытом запорном устройстве впускного канала через данную полость в цилиндр поступает свежий заряд рабочего тела, причем выход из полости в цилиндр является каналом, который формирует и направляет поток свежего заряда, удерживающее верхнюю головку шатуна устройство в нижней мертвой точке является консолью в цилиндре, при этом ось соединения верхней головки шатуна с удерживающим ее устройством размещена на консоли, на распределительном валу установлен всережимный регулятор числа оборотов.2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в нижней мертвой точке часть консоли удерживающего верхнюю головку шатуна устройства занимает под цилиндром место, которое в верхней мертвой точке занимает колено (кривошип) коленчатого вала.