ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВИГАТЕЛЬ БАСКАКОВА) Российский патент 2007 года по МПК F02D13/02 F16C7/02 F02B23/00 

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

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который имеет разнообразные компоновочные схемы [1] и содержит коленчатый вал, шатуном соединенный с поршнем, размещенным в цилиндре, накрытым крышкой. Поршень имеет жаровой, уплотнительный и направляющий пояса [2]. Направляющий пояс поршня удерживает поршневую головку шатуна в прямолинейном перемещении и компенсирует возникающую в ней боковую (нормальную) силу N [3]. Необходимо учитывать, что отношение хода поршня к его диаметру S/D увеличивается, если в нижнем поясе стенок цилиндра выполнена прорезь для прохода шатуна при отклонениях от оси цилиндра [4].

Известно, что ДВС с высоким значением S/D и λ экономичнее в топливном отношении [5], [6].

Известен крейцкопфный ДВС, который содержит коленчатый вал, при помощи шатуна и штока соединенный с поршнем, размещенным в цилиндре, накрытым крышкой. Шатун и шток сочленены с поперечиной, оснащенной ползуном, который размещен в направляющей [7]. Направляющая, ползун и поперечина образуют крейцкопфный узел, который удерживает поршневую (верхнюю) головку шатуна в прямолинейном перемещении и компенсирует боковую силу. Ползун имеет две поверхности скольжения. Одна опирается на закрепленную в корпусе направляющую, другая, соединенная с поперечиной, на две траверсы, скрепленные с направляющей. В таком ДВС отношение S/D достигает двух и более единиц [8], а длина шатуна Lш в 3,5÷4 раза больше радиуса кривошипа [9], что существенно повышает топливную экономичность двигателя.

Однако крейцкопфные ДВС-тихоходные имеют большую высоту и вес.

Известно изготовление коленчатого вала ДВС [10] таким образом, что он состоит из коренных шеек (оси), скрепленных со щеками, в свою очередь щеки скреплены между собой шатунной шейкой (кривошипом), при этом радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки меньше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек.

Такое устройство кривошипа и щек не позволяет приблизить к оси коленчатого вала нижнюю кромку цилиндра.

Шатун ДВС [11] состоит из стержня, оснащенного верхней (поршневой) и нижней (кривошипной) головками. Кривошипная головка имеет разъемную плоскосимметричную проушину и крепится к кривошипу коленчатого вала. В V-образном двигателе, цилиндры которого размещены в разных плоскостях, перпендикулярных оси коленчатого вала, шатуны размещены на одном кривошипе в разных плоскостях, или в одной плоскости, один из шатунов при этом вильчатый (внешний) и центральный (внутренний).

Известно устройство ДВС, где к кривошипной головке шатуна (основного шатуна) [12] подсоединяется прицепной шатун, соединенный с поршнем другого ряда цилиндров. Здесь оси цилиндров размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, однако имеются различия в кинематике движений поршней главного и прицепного рядов цилиндров.

В известных двухтактных ДВС газораспределение производится за счет разности давления на впуске в цилиндр и выпуске из него по каналам и окнам в стенке цилиндра [13]. Проделанные в цилиндре окна открываются и закрываются поршнем в результате его перемещения вблизи нижней мертвой точки (н.м.т.). При этом ход поршня, отведенный на перекрытие окон, отнимает от тактов расширения и сжатия часть хода поршня и часть поворота коленчатого вала. Качественную очистку цилиндра от продуктов сгорания обеспечивает геометрическая форма каналов и продувочных окон цилиндра, которые создают необходимое направление потоку поступающего в цилиндр свежего заряда.

Вместе с тем в продувочных окнах двухтактного ДВС скапливается, затем выбрасывается в выпускной канал и рабочий объем цилиндра смазочное масло, что увеличивает расход масла и снижает экологические показатели ДВС.

В известных четырехтактных ДВС газораспределение производится путем свободного выпуска и вытеснения поршнем продуктов сгорания и втягивания (всасывания) в цилиндр свежего заряда по выпускному и впускному каналам, которые выполнены в крышке цилиндра и оснащены запорными устройствами (клапанами). Здесь на газообмен затрачивается один оборот коленчатого вала, два хода поршня, а так же значительная часть хода поршня и поворота коленчатого вала от тактов «расширение» и «сжатие».

Данная организация газообмена ДВС эффективна, однако в два раза увеличивает число оборотов в цикле, что снижает литровую мощность, увеличивает износ и механические потери в сравнении с двухтактным ДВС.

Режим работы ДВС обеспечивается дополнительными приборами, входящими в систему питания двигателя.

В известных ДВС с внутренним смесеобразованием (дизельный процесс) режим работы обеспечивается путем изменения количества подачи топлива в цилиндр. Различное количество топлива в цилиндр подает топливный насос высокого давления, оснащенный регулятором прямого действия [14], причем количество подаваемого в цилиндр топлива регулируется и оператором, и автоматически.

Вместе с тем в ДВС с внутренним смесеобразованием количество поступающего в цилиндр воздуха в цикле остается неизменным, что отрицательно сказывается на протекании рабочих процессов, снижает технико-экономические показатели ДВС.

В известных ДВС с внешним смесеобразованием режим работы регулируется путем подачи в цилиндр меньшего количества рабочей смеси, при этом в цилиндре изменяется давление сжатия, что отрицательно сказывается на протекании рабочих процессов, снижает технико-экономические показатели ДВС.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в возможности создания ДВС с повышенными технико-экономическими показателями и сниженными массогабаритными параметрами.

Согласно изобретению ДВС включает в себя цилиндр, размещенный в нем поршень, крышку цилиндра, распределительный и коленчатый валы. Коленчатый вал выполнен таким образом, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки больше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек коленчатого вала. При этом в верхней мертвой точке часть шатунной шейки размещена в прорезанном поясе цилиндра. Шатун оснащен ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки коленчатого вала и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну, опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на одну шейку. В приводе распределительного вала установлено устройство управления при синхронном вращении распределительного и коленчатого валов, обеспечивающее смещение угла поворота распределительного вала относительно угла поворота коленчатого вала. Между распределительным валом и его приводом размещено устройство регулирования режима двигателя, обеспечивающее изменение угла поворота распределительного вала относительно своего привода, а следовательно, и относительно коленчатого вала.

Открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня. При этом закрытое запорное устройство либо впускного, либо выпускного канала отделяет часть этого канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

Сущность изобретения состоит в том, что:

1. В нижней мертвой точке уплотнительный пояс поршня размещен выше нижней кромки цилиндра, размещенной (образовавшейся) в прорези стенок цилиндра (выше нижней кромки цилиндра, размещенной в его прорези для прохода шатуна), а направляющий пояс - ниже той же кромки.

Прорезанный пояс цилиндра имеет такую высоту, которая обеспечивает устойчивость поршня от опрокидывания. Высота направляющего пояса поршня может быть как равной высоте прорезанного пояса цилиндра, так и более продолжительной (высокой). Продолжительный направляющий пояс поршня в нижней мертвой точке размещен в цилиндре консольно, при этом ось соединения верхней головки шатуна с поршнем размещена на консоли. Продолжительная (высокая) часть поршня необходима для получения большего отношения S/D, т.к. чем больше расстояние от оси поршневой головки шатуна, размещенной в н.м.т. до кромки цилиндра, за которую может задеть шатун при отклонении, тем больше отношение S/D достигается.

2. Радиус окружности, описанной удаленной от оси коленчатого вала поверхностью шатунной шейки, больше радиуса окружности, описанной удаленной от той же оси поверхностью щеки коленчатого вала. При этом в верхней мертвой точке (в.м.т.) удаленная от оси коленчатого вала часть кривошипа размещена в цилиндре (цилиндровой прорези для прохода шатуна). Такое мероприятие проведено для сокращения расстояния от верхней кромки цилиндра до оси коленчатого вала, что, в свою очередь, снижает массу поступательно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма и всего двигателя.

3. ДВС, имеющий более одного цилиндра, оси которых размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, имеет шатун, оснащенный ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну (наружная), опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает наружные поверхности всех ползунов, размещенных на данной (на одной) шатунной шейке.

Так шатуны закрепляются на шейке вала, при этом ось шатуна пересекается с осью шатунной шейки. Такое устройство шатуна и соединения шатун-кривошип позволяет разместить в одной плоскости два и более шатуна, т.е. получить схемы компоновки как V-образных, так и звездообразных ДВС.

4. При открытом клапане размещенный в крышке цилиндра впускной канал направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, закрытый клапан того же канала отделяет часть канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

Такое мероприятие позволяет организовать работу ДВС по двухтактному циклу без продувочных окон в цилиндре.

5. Установленное в крышке цилиндра на впускном канале запорное устройство в открытом положении направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, в закрытом положении данное запорное устройство является поверхностью рабочего объема цилиндра и какой-либо полости не образует. Закрытый клапан выпускного канала отделяет часть канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.

Устройство ДВС по пунктам 4 и 5 может иметь различное, в том числе нижнее расположение выпускного клапана (запорного устройства), при этом каналы и клапана могут быть выполнены как в блоке цилиндра (корпусе ДВС), так и в крышке цилиндра. При нижнем расположении клапана камера сгорания (начало выпускного канала) выполняется в крышке цилиндра и объединяет (накрывает) клапан и часть цилиндра. Таким образом, в крышке цилиндра увеличивается площадь для размещения впускного и других органов.

6. Устройство, регулирующее (устанавливающее) режим ДВС, размещено между распределительным валом и его приводом. При помощи данного устройства от воздействия оператора или автоматически при изменении числа оборотов коленчатого вала изменяется угол поворота распределительного вала относительно своего привода, что приводит к изменению моментов срабатывания запорных устройств впускного и выпускного каналов. Так в цилиндре заключается меньшее или большее количество свежего заряда, что изменяет или сохраняет режим ДВС.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее.

На фиг.1-3 изображена схема предлагаемого ДВС с отношением хода поршня к его диаметру S/D, равным 1,5 ед. и различным расположением кривошипно-шатунного механизма.

На фиг.4, 4а и 5 изображены схемы предлагаемого соответственно длинноходного и короткоходного ДВС с одинаковым диаметром цилиндра и отношением S/D, равным 2,2 и 0,67 ед., накрытых крышкой с различным расположением газораспределительных каналов и их запорных устройств.

На фиг.6 изображена схема предлагаемого соединения шатун-кривошип V-образного ДВС, имеющего расположение осей цилиндров в одной плоскости и отношение S/D=1,3 ед.

На фиг.7 и 8 изображена схема размещения на одном кривошипе соответственно трех и четырех шатунов в одной плоскости и наличием удерживающих муфт с одной и двух сторон от шатуна.

На фиг.9-11 изображена схема расположения кривошипа и поршня в момент срабатывания запорных устройств впускного и выпускного каналов при работе ДВС на различных режимах.

На фиг.12 изображена схема размещения кривошипа и поршня при смене фаз газораспределения двухтактного ДВС ЯМЗ-204, 206 (Ярославского моторного завода).

На фиг.13 изображена схема размещения кривошипа и поршня при смене фаз газораспределения четырехтактного двигателя ЗиЛ-130 (Московского завода им. И.А.Лихачева), развернутая по оси цилиндра относительно н.м.т.

На фиг.14 изображена диаграмма фаз газораспределения и хода поршня двигателя ЗиЛ-130 в процентах от цикла.

На фиг.15 изображена диаграмма фаз газораспределения и хода поршня предлагаемого двигателя в процентах от цикла.

ДВС содержит (см. фиг.2) коленчатый вал 1 (коренная шейка), в разрыве которой установлено две щеки 2, соединенные между собой кривошипом 3 (шатунная шейка). К шатунной шейке крепится шатун 4, верхняя головка которого соединена с поршнем 5, размещенным в цилиндре 6. Щеки коленчатого вала скреплены с шатунной шейкой так, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности кривошипа R_пк больше, чем радиус удаленной от той же оси поверхности щек R_пщ (см. фиг.3). На фигурах заштрихованная часть кривошипа является сечением места скрепления со щекой. Ось коленчатого вала и ось цилиндра могут быть смещенными относительно друг друга и лежать в разных плоскостях (дезаксиальный к.ш.м., см. фиг.4, 6, 7, 8 расстояние «а»). Стенки цилиндра в нижнем поясе оснащены прорезями для прохода шатуна (прорезью цилиндра, цилиндровая прорезь), что позволяет увеличить расстояние от оси коленчатого вала до нижней кромки цилиндра, за которую может задеть шатун при отклонениях. Наряду с известным размещением поршня в цилиндре в нижней мертвой точке, здесь поршень может размещаться так (фиг.1, 4, 5), что его уплотнительный пояс лежит выше нижней кромки цилиндра, которая в прорези, а направляющий - ниже той же кромки. При этом высота направляющего пояса поршня и высота прорезанного пояса цилиндра обеспечивают устойчивость поршня от опрокидывания. Устойчивость поршня сохраняется и тогда, когда ось соединения поршня с шатуном размещена под нижней кромкой цилиндра (фиг.4).

Сверху цилиндр накрыт крышкой 7 (см. фиг.2), оснащенной выпускным каналом 8 с запорным устройством (клапаном) 9 и впускным каналом 10, с запорным устройством (клапаном) 11. Запорное устройство 11 в закрытом положении отделяет от канала 10 камеру сгорания 12. Расположение впускного канала и его клапана в крышке цилиндра может быть различным и зависит от геометрической формы камеры сгорания. Вместе с тем форма камеры сгорания направляет поток свежего заряда в цилиндр, обеспечивая тем самым эффективную очистку цилиндра от продуктов сгорания.

В другом варианте организации газообмена (см. фиг.4 и 4а) впускной канал 10 оснащен запорным устройством 13, которое в закрытом положении не образует камеру сгорания, а в открытом положении направляет поток свежего заряда в цилиндр, обеспечивая тем самым эффективную очистку цилиндра от продуктов сгорания. При этом перед закрытым запорным устройством выпускного канала образуется полость (камера сгорания) 14.

Двигатель с числом цилиндров более одного в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала (см. фиг.6-8), имеет шатун 15, оснащенный ползуном 16. Ползун огибает часть поверхности кривошипа 3 и опирается на него. Прикрепленная к шатуну 15 поверхность ползуна 16 имеет обработанный для скольжения пояс, который опирается на муфту 17 и 18. Муфта состоит из двух частей (не показано) и в собранном виде охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на один кривошип. Муфта может размещаться с одной или с двух сторон от шатуна (см. фиг.7, 8 поз.17, 18). Так закрепляются шатуны на кривошипе. При этом ось шатуна пересекается с осью верхней головки шатуна и осью кривошипа. Такое устройство шатуна и соединения шатун-кривошип позволяет разместить в одной плоскости два и более шатуна, т.е. получить схемы компоновки как V-образных, так и звездообразных ДВС.

Для регулирования режима ДВС в двигателе между распределительным валом и его приводом установлено устройство (не изображено), обеспечивающее опережение или отставание момента срабатывания кулачка относительно привода распредвала. Таким устройством может быть устройство, идентичное автоматическому регулятору числа оборотов, установленному в топливных насосах высокого давления.

Под воздействием инерционных сил или внешних сил при запуске кривошип и поршень перемещаются от нижней мертвой точки к верхней (см. фиг.9-11 и 1-3). На фиг.9-11 точки А и В соответствуют началу и концу срабатывания запорных устройств впускного и выпускного каналов, а I, II, III, - повороту кривошипа и ходу поршня соответственно при сжатии, расширении и газообмене в цилиндре. По приходу кривошипа в точку А (см. фиг.9) закрываются сначала выпускной 9 (фиг.2), затем впускной 11 клапаны, начинается процесс сжатия рабочей смеси. После закрытия впускного клапана 11 в канале 10 образовалась камера сгорания 12, в которую поршень вытесняет заключенное в цилиндре рабочее тело. По достижении кривошипа и поршня пространства вблизи в.м.т. перемещенное в камеру рабочее тело сгорает, создавая избыточное давление газов. После прохода в.м.т. кривошип и поршень под давлением газов перемещаются к н.м.т. В точке В открывается выпускной 9, затем впускной 11 клапаны. При открытых клапанах из цилиндра по выпускному каналу 8 вытекают отработанные газы, а по впускному каналу 10 и камере сгорания 12 в цилиндр поступает свежий заряд. При этом геометрическая форма выхода из камеры сгорания в цилиндр формирует и направляет поток свежего заряда вдоль стенки цилиндра к поршню. Таким образом в цилиндре протекает свободный выпуск, затем продувка - наполнение свежим зарядом. Пройдя н.м.т. кривошип и поршень перемещаются к в.м.т. В точке А впускной и выпускной каналы закрываются, газообмен в цилиндре заканчивается, начинается сжатие свежего заряда и цикл повторяется.

В случае установки на впускном канале 10 запорного устройство 13 (например, золотник) камера сгорания 14 выполняется в выпускном канале (см. фиг.4 и 4а), при этом поток свежего заряда в цилиндр формирует и направляет запорное устройство 13. Срабатывание запорных устройств (открытие, закрытие) осуществляется кулачками распредвала. Золотниковое устройство, имея привод от распредвала, может качаться, а так же вращаться с числом оборотов вдвое меньше. Геометрическая форма кулачка определена конструктивно на необходимый угол действия. От воздействия оператора на устройство, регулирующее режим ДВС, изменяется угол поворота распределительного вала относительно своего привода (относительно коленчатого вала). Тогда в момент срабатывания клапанов будет меняться место расположения кривошипа и поршня. Так (см. фиг.9-11), если клапаны закроются, когда кривошип будет находиться в точке A₁, поршень разместится ближе к в.м.т., свежего заряда в цилиндре будет меньше, с коленчатого вала будет снято меньше мощности. Если клапаны закроются в точке А₂, то в цикле будет участвовать большее количество свежего заряда, с коленчатого вала будет снято больше мощности.

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 г., стр.9, Компоновочные схемы двигателей.

2. Книга 1, стр.118÷119, рис.72, 73 и стр.122, рис.79.

3. Книга 1, стр.61, рис.32.

4. Книга под редакцией А.Э.Симсона «Тепловозные двигатели внутреннего сгорания», Москва, «Транспорт», 1987 год, стр.306, рис.130.

5. Книга 1, стр.361, третья сноска на поля.

6. Книга под редакцией А.С.Орлина и др. «Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1977 г., стр.26, параграф «Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна», а также предыдущий параграф.

7. Книга 1, стр.175.

8. Книга 1, стр.372, последний абзац.

9. Книга 1, стр.174, первый абзац.

10. Книга 1, стр.200, рис.145.

11. Книга 1, стр.168, рис.118.

12. Книга 1, стр.169, рис.119.

13. Книга под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова «Двигатели внутреннего сгорания» «Теория поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1983 г., стр.74, рис.38.

14. Книга под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова «Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1985 год, стр.347, параграф 4.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат изобретения заключается в возможности создания ДВС с повышенными технико-экономическими показателями и сниженными массогабаритными параметрами. Согласно изобретению ДВС включает в себя цилиндр, размещенный в нем поршень, крышку цилиндра, распределительный и коленчатый валы. Коленчатый вал выполнен таким образом, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки больше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек коленчатого вала. При этом в верхней мертвой точке часть шатунной шейки размещена в прорезанном поясе цилиндра. Шатун оснащен ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки коленчатого вала и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну, опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на одну шейку. В приводе распределительного вала установлено устройство управления при синхронном вращении распределительного и коленчатого валов, обеспечивающее смещение угла поворота распределительного вала относительно угла поворота коленчатого вала. Между распределительным валом и его приводом размещено устройство регулирования режима двигателя, обеспечивающее изменение угла поворота распределительного вала относительно своего привода, а следовательно, и относительно коленчатого вала. Открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня. При этом закрытое запорное устройство либо впускного, либо выпускного канала отделяет часть этого канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень, крышку цилиндра, распределительный вал, отличающийся тем, что радиус удаленной от оси коленчатого вала поверхности шатунной шейки больше радиуса удаленной от той же оси поверхности щек коленчатого вала, при этом в верхней мертвой точке часть шатунной шейки размещена в прорезанном поясе цилиндра, шатун оснащен ползуном, одна трущаяся поверхность которого огибает часть шатунной шейки коленчатого вала и опирается на нее, другая, прикрепленная к шатуну, опирается на внутреннюю поверхность муфты, которая охватывает поверхности всех ползунов, опирающихся на одну шейку, в приводе распределительного вала установлено устройство управления при синхронном вращении распределительного и коленчатого валов, обеспечивающее смещение угла поворота распределительного вала относительно угла поворота коленчатого вала, между распределительным валом и его приводом размещено устройство регулирования режима двигателя, обеспечивающее изменение угла поворота распределительного вала относительно своего привода, а следовательно, и относительно коленчатого вала.2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, закрытое запорное устройство впускного канала отделяет часть этого канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что открытое запорное устройство впускного канала направляет поток поступающего в цилиндр свежего заряда в сторону поршня, закрытое запорное устройство выпускного канала отделяет часть выпускного канала, образуя камеру, в которой при движении поршня к верхней мертвой точке скапливается, а вблизи верхней мертвой точки сгорает заключенное в цилиндре рабочее тело.