ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F01L7/02 F02B67/06 F02P23/04 

Изобретение относится к области двигателестроения, конкретно касается механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания, например, по А.С. СССР №544759, МПК 2 E02B 27/00, содержащий систему газораспределения для двигателя внутреннего сгорания, например выпускную. Эта система содержит основной трубопровод и подвижно установленный на нем насадок, при этом с целью повышения эффективности использования волновых эффектов на трубопроводе и насадке выполнены окна и по крайней мере одна из сторон окна на трубопроводе ориентирована под углом к стороне насадка для измерения при относительном повороте положения совмещаемых частей окон. При этом основная часть механизма газообразования остается сложной и содержит клапана, пружины, толкатели и распределительный вал, кинематически связанный с коленчатым.

Известен двигатель внутреннего сгорания по А.С. СССР №1236128, МПК F02B 27/00. Этот двигатель содержит систему резонансного наддува, содержащую впускной трубопровод с двумя диаметрально противоположными продольными окнами, подсоединенными к цилиндрам с несовпадающими фазами впуска, и подвижный насадок, установленный на впускном трубопроводе и выполненный с двумя диаметрально противоположными отражательными окнами, первая сторона которых ориентирована под углом к стороне соответствующего продольного окна, а в месте наложения отражательных окон на продольные выполнено проходное отверстие, при этом с целью улучшения амплитудно-фазовых параметров колебаний давления и снижения насосных потерь, подвижный насадок выполнен с двумя дополнительными отражательными окнами, причем вторая сторона основных отражательных окон выполнена параллельно первой стороне, дополнительные отражательные окна совпадают по форме с основными отражательными окнами, а отношение суммарной площади сечений проходных отверстий к площади сечения впускного трубопровода равно 2…2, 5.

Недостатки такие же, что и у предыдущего аналога.

Известен также двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2008457, МКП 5 F02 и 27/00, который содержит выпускную систему, которая содержит выпускной трубопровод, подвижно установленный на трубопроводе насадок, причем выпускной трубопровод и насадок снабжены соответственно продольной и наклонной прорезями. В выпускном трубопроводе установлен поршень с возможностью осевого перемещения, причем в днище поршня выполнено углубление в виде конуса.

Известен двигатель внутреннего сгорания классической схемы, применяемый для автомобилей ВАЗ-2101, ВАЗ-2103 и т.п., описанный в книге Д.В. Кожейкина «Как самому починить автомобиль», «Фрегат», Челябинск, 1992, с. 8. Этот двигатель содержит коленвал, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси и систему выхлопа продуктов сгорания, по крайней мере один цилиндр с установленным в нем поршнем.

Недостатки: сложность конструкции и низкий КПД.

Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания из сайта Интернет http://www.motosvit/com, (прототип) в Приложении 1.

Недостатки прототипа: конструктивная сложность и низкая надежность газораспределительного механизма, содержащего большое количество деталей, в том числе распределительный вал, клапана, пружины, уплотнения клапанов, систему регулирования зазоров в клапанах. Это усложняет регулировку механизма газораспределения, приводит к износу деталей механизма. Износ штоков клапанов и их уплотнений, например, приводит к нарушению газораспределения, попаданию масла в камеру сгорания двигателя и дымному выхлопу при его сгорании и, как последствие, к ухудшению экологии окружающей среды.

Задачи создания изобретения, совпадающие с техническим результатом, - повышение КПД и его надежности, упрощение конструкции и улучшение экологии.

Решение указанных задач достигнуто в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем коленчатый вал с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа продуктов сгорания и, по меньшей мере, один цилиндр с установленным в нем поршнем и систему зажигания со свечой зажигания, установленной на каждом торце цилиндра, тем, что согласно изобретению система газораспределения выполнена в виде установленных в цилиндрических расточках в головке цилиндров и кинематически связанных цепью с коленчатым валом двух распределительных валов с ведомыми звездочками: первым и вторым с осевыми каналами и радиальными впускными и выпускными отверстиями, число которых соответствует числу цилиндров, против каждого поршня головке цилиндров выполнены по меньшей мере по одному впускному и выпускному окну, периодически сообщающие рабочую полость каждого цилиндра с системами впуска топливовоздушной смеси, которую выполняет первый распределительные вал, и системой выхлопа продуктов сгорания, которую выполняет второй распределительный вал, на боковом участке цепи установлен первый натяжитель цепи с ручной регулировкой ее натяжения, на участке цепи между распределительными валами - второй натяжитель цепи с управляемым приводом, а ведомые звездочки выполнены одинакового диаметра и в два раза больше диаметра ведомой звездочки.

Свечи зажигания могут быть выполнены лазерными, а в систему зажигания введен блок, соединенный оптическим волокном со свечой зажигания. Двигатель может содержать блок управления. Двигатель может содержать датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик угла поворота коленчатого вала, соединенные электрической связью с блоком управления. Оси распределительных валов могут быть выполнены параллельно между собой и оси коленчатого вала.

Распределительные валы могут быть выполнены керамическими. Распределительные валы могут быть установлены на керамических подшипниках скольжения.

Двигатель может содержать датчик углового положения первого распределительного вала и датчик углового положения второго распределительного вала. Датчик углового положения первого распределительного вала и датчик углового положения второго распределительного вала могут быть соединены электрическими связями с блоком управления.

Сущность изобретения поясняется на чертежах Фиг. 1…6, где:

на фиг. 1 приведен вид с торца,

на фиг. 2 приведен разрез А-А,

на фиг. 3 приведен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания по В-В, первое исполнение,

на фиг. 4 приведен продольный разрез двигателя по Б-Б, второе исполнение,

на фиг. 5 приведена схема двигателя с дополнительными датчиками, разрез С-С,

на фиг. 6 приведена циклограмма работы двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигатель) содержит (Фиг. 1…6) по меньшей мере один цилиндр 1 и установленный в нем поршень 2.

В дальнейшем приведен двухцилиндровый двигатель. Каждый поршень 2 имеет компрессионные и маслосъемные кольца 3 и 4 соответственно. Цилиндры 1 выполнены заодно с корпусом 5, имеющим поддон 6 для масла 7. Над цилиндрами 1 установлена головка цилиндров 8, между ними установлена прокладка 9.

Двигатель имеет коленчатый вал 10, систему газораспределения 11, выполненную в головке цилиндров 8.

Изобретение распространяет свои права и на одноцилиндровый двигатель, а также на двигатели с любым числом цилиндров и с любым их расположением, например с V-образным расположением цилиндров.

Система газораспределения 11 содержит систему впуска топливовоздушной смеси 12 и систему выпуска выхлопных газов 13, и два распределительных вала: первый распределительный вал 14 и второй распределительный вал 15. Валы 14 и 15 выполнены цилиндрической формы (без кулачков).

Оба распределительных вала 14 и 15 имеют одинаковую конструкцию и установлены параллельно между собой и с коленчатым валом 10. Оба распределительных вала выполнены с осевыми каналами 16, радиальными впускными и выпускными отверстиями, соответственно 17 и 18. Распределительные валы 14 и 15 выполняют функцию систем впуска топливовоздушной смеси 12 и выпуска выхлопных газов 13.

Кроме того, в систему впуска топливовоздушной смеси 12 входят впускные окна 19, выполненные в головке цилиндров 8 и выходящие в камеры сгорания 20, а в систему выпуска выхлопных газов 13 входят выпускные окна 21, выполненные в головке цилиндров 8.

Поршни 2 связаны с коленчатым валом 10 шатунами 22, в которых установлены пальцы 23. Шатуны 22 имеют шатунные подшипники 24. Коленчатый вал 10 установлен на коренных подшипниках 25 и уплотнен уплотнениями 26. Внутри коленчатого вала 10 выполнены маслоканалы 27.

В систему газораспределения 11 входят ведущая звездочка 28 и две ведомые звездочки 29 и 30, соединенные цепью (или ремнем) 31. Диаметр ведомых звездочек 29 и 30 в 2 раза больше диаметра ведущей звездочки 28. За два оборота коленчатого вала 10 распределительные валы 14 и 15 совершают всего один оборот. В связи с отсутствием толкателей отпадает необходимость их смазки, что уменьшает попадание масла в камеры сгорания 20 цилиндров 1 и улучшает экологические показатели двигателя.

Распределительные валы 14 и 15 следует выполнить из жаропрочной стали или из керамики и установить на керамических подшипниках 32.

Около бокового участка цепи 31 установлен первый натяжитель цепи 33, который имеет ручной привод 34, а на участке между распределительными валами 14 и 15 установлен второй натяжитель цепи 35 с управляемым приводом 36.

Кроме того, двигатель оборудован системой зажигания, которая содержит свечи зажигания 37 по числу цилиндров 1, соединенные оптическим волокном 38 с блоком накачки 39. Свечи зажигания 37 предпочтительно выполнить лазерными. Они при потреблении меньшей мощности дают кратковременные разряды огромной мощности (десятки кВт). Для этого свечи зажигания 37 соединены оптическим волокном 38 с блоком накачки 39.

Двигатель может быть оборудован блоком управления 40, который электрической связью 41 соединен с блоком накачки 39.

Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 и цилиндрами 1 выполнена полость 42 для охлаждения цилиндров 1. Свечи зажигания 37 могут иметь оребрение 43. Система впуска топливовоздушной смеси 12 содержит впускной патрубок 44 и дроссельную заслонку 45.

Система охлаждения двигателя содержит отводящий трубопровод 46, насос 47, промежуточный трубопровод 48, радиатор 49 и подводящий трубопровод 50.

Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения коленчатого вала 51, датчиком углового положения коленчатого вала 52, датчиком числа оборотов коленчатого вала 53 (для определения четного или нечетного оборота коленчатого вала) и датчиком углового положения первого распределительного вала 54, датчиком углового положения второго распределительного вала 55, соединенными электрическими связями 41 с блоком управления 40.

Применение систем лазерного зажигания, например на микрочип-лазере, позволит кратковременно развивать мощность разряда в десятки кВт при малом потреблении энергии, так как в них можно реализовать длительность импульса энергии в несколько нс.

Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком углового положения дроссельной заслонки 56 и датчиком разрежения за дроссельной заслонкой 57. Датчики 56 и 57 электрическими связями 41 соединены с блоком управления 40 (фиг. 5). Это позволит скорректировать опережение зажигания при работе с минимальной нагрузкой на высоких оборотах коленчатого вала 10 для экономии топлива.

Циклограмма работы двигателя показана на фиг. 6. Линией 58 показаны импульсы энергии свечи лазерного зажигания 37. Видно, что первый импульс подается в фазе сжатия до ее завершения, а потом периодически подаются импульсы во время фазы расширения и, возможно, до ее завершения.

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ

Работает двигатель следующим образом.

Топливовоздушная смесь подается из впускного патрубка 44 по системе впуска топливовоздушной смеси 12 (фиг. 3) через осевой канал 16, радиальные впускные отверстия 17 и спускные окна 19 первого распределительного вала 14. При этом первый поршень 2 находится в верхней мертвой точке ВМТ и начинает движение вниз, работая в режиме впуска топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания 20 первого цилиндра 1. Система выхлопа 13 первого цилиндра 1 в это время закрыта. В это же время для второго цилиндра 1 впускное окно 19 закрыто. Продукты сгорания из второго цилиндра 1 поступают в систему выхлопа 13 через выпускное окно 21 и радиальное выпускное отверстие 18. После того как коленчатый вал 10 совершит пол-оборота, произойдет сжатие топливовоздушной смеси в камере сгорания 20 и блок управления 40 по электрической связи 41 подает сигнал на блок накачки 39, в котором формируется лазерное излучение, которое по оптическому волокну 38 подает на свечу 37 первую серию импульсов для воспламенения топливовоздушной смеси.

Датчик частоты вращения коленчатого вала 51 контролирует частоту вращения коленчатого вала 10, датчик углового положения коленчатого вала 52 постоянно измеряет угловое положение коленчатого вала 10 и в зависимости от этих показателей блок управления 40 подает команды на блок накачки 39 для подачи импульса на свечи зажигания 37 (лазерного воспламенения).

Кроме того, датчик углового положения 54 и 55 соответственно распределительных валов 14 или 15 определяет истинное угловое положение коленчатых валов 14 и 15, которое может, во-первых, не соответствовать угловому положению коленчатого вала 10, во-вторых, расходиться и между собой, например, при вытяжке цепи 31 или ее проскальзывании относительно звездочек 28, 29 и 30 и блок управления 40 вносит коррекцию в угол опережения зажигания в соответствии с истинным положением распределительных валов 14 и 15, а не в соответствии с положением коленчатого вала 10. Кроме того, подав сигнал на управляемый привод 36 второго натяжителя 35 и перемещения его в сторону увеличения или уменьшения натяжения участка цепи 31 между распределительными валами 14 и 15, можно ввести рассогласование в работе этих распределительных валов для дальнейшей оптимизации фаз газораспределения и, следовательно, повышения КПД двигателя. Это значительно повысит КПД работы двигателя.

Предложенное техническое решение позволит более четко подавать импульсы на свечи зажигания 37 и корректировать опережение зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 10. Кроме того, при вытягивании цепи 31 или ее проскальзывании относительно ведомых звездочек 29 и 30 осуществляется коррекция момента опережения зажигания. При необходимости при помощи управляемого привода 36 воздействуют на второй натяжитель 35 по сигналу с блока управления 40. В этом случае происходит рассогласование работы распределительных валов 14 и 15, например в режиме малого газа.

Наличие системы лазерного зажигания позволит четко и многократно подавать импульсы на свечи зажигания 37, начиная с угла опережения зажигания (до ВМТ) и до полного завершения цикла расширения, что повысит полноту сгорания топлива и, как следствие, повысит КПД четырехтактного двигателя, и уменьшит эмиссию вредных веществ в атмосферу. Это поясняется на фиг. 6. Порядок работы цилиндров 1 следующий: Всасывание - Сжатие - Рабочий ход - Выпуск. Импульсы 58 на свечи зажигания 27 подают начиная с угла опережения зажигания (до ВМТ) и до полного завершения рабочего хода. Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД двигателя на 5…7% за счет более четкой работы механизма газораспределения.

2. Уменьшить затраты энергии, потребляемой системой зажигания, особенно при применении свеч лазерного зажигания.

3. Упростить систему газораспределения двигателя за счет уменьшения количества деталей, таких как клапана, толкатели, пружины.

4. Повысить надежность и ресурс системы за счет исключения влияния регулировок и износа деталей клапанного механизма. Применение двух распределительных валов и их использование как систем впуска топливовоздушной смеси и выпуска выхлопных газов позволит уменьшить циклические тепловые нагрузки на распределительные валы, так как они работают при постоянных тепловых нагрузках.

5. Повысить технологичность изготовления двигателя. Легко наладить массовое производство двигателей такой простой схемы.

6. Уменьшить габариты и вес двигателя за счет упрощения газораспределительного механизма.

7. Упростить и облегчить сборку двигателя.

8. Отказаться от смазки распределительного вала при выполнении его керамическим.

9. Повысить экологичность работы двигателя за счет исключения попадания масла в цилиндры через штоки клапанов (т.к. они отсутствуют) и более полного сжигания топлива при использовании свечей лазерного зажигания и подаче на них серии импульсов.

10. Обеспечить полную автоматизацию процесса впуска, выпуска и воспламенения топлива в камерах цилиндров блоком управления и корректировать зажигание в зависимости от режима работы двигателя за счет применения датчиков частоты вращения и углового положения коленчатого вала и углового положения двух распределительных валов. При работе на холостом ходу на больших оборотах коленчатого вала датчики разрежения за дроссельной заслонкой и датчик углового положения дроссельной заслонки позволят осуществлять экономию топлива. Управляемое рассогласование работы двух распределительных валов позволит дополнительно улучшить экономичность двигателя.

11. Обеспечить экономичность двигателя при его работе с малой нагрузкой на больших оборотах коленчатого вала.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит коленчатый вал 10 с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке (8) цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа продуктов сгорания по меньшей мере один цилиндр (1) с установленным в нем поршнем и систему зажигания со свечой зажигания (1), установленной на каждом торце цилиндра. Система газораспределения выполнена в виде установленных в цилиндрических расточках в головке (8) цилиндров и кинематически связанных цепью (31) с коленчатым валом (10) двух распределительных валов (14) и (15) с ведомыми звездочками (28) и (30). Первый и второй распределительные валы (14) и (15) выполнены с осевыми каналами и радиальными впускными и выпускными отверстиями, число которых соответствует числу цилиндров. Против каждого поршня в головке цилиндров выполнены по меньшей мере по одному впускному и выпускному окну. Окна периодически сообщают рабочую полость каждого цилиндра (1) с системой (12) впуска топливовоздушной смеси, которую выполняет первый распределительный вал (14), и системой (13) выхлопа продуктов сгорания, которую выполняет второй распределительный вал (15). На боковом участке цепи (31) установлен первый натяжитель (33) цепи с ручной регулировкой ее натяжения. На участке цепи (31) между распределительными валами (14) и (15) установлен второй натяжитель (35) цепи с управляемым приводом. Ведомые звездочки выполнены одинакового диаметра и в два раза больше диаметра ведущей звездочки. Технический результат заключается в упрощении конструкции. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа продуктов сгорания и по меньшей мере один цилиндр с установленным в нем поршнем, и систему зажигания со свечой зажигания, установленной на каждом торце цилиндра, отличающийся тем, что система газораспределения выполнена в виде установленных в цилиндрических расточках в головке цилиндров и кинематически связанных цепью с коленчатым валом двух распределительных валов с ведомыми звездочками: первого и второго с осевыми каналами и радиальными впускными и выпускными отверстиями, число которых соответствует числу цилиндров, против каждого поршня в головке цилиндров выполнено по меньшей мере по одному впускному и выпускному окну, периодически сообщающими рабочую полость каждого цилиндра с системой впуска топливовоздушной смеси, которую выполняет первый распределительный вал, и системой выхлопа продуктов сгорания, которую выполняет второй распределительный вал, на боковом участке цепи установлен первый натяжитель цепи с ручной регулировкой ее натяжения, на участке цепи между распределительными валами - второй натяжитель цепи с управляемым приводом, а ведомые звездочки выполнены одинакового диаметра и в два раза больше диаметра ведущей звездочки.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что свеча зажигания выполнена лазерной, а в систему зажигания введен блок, соединенный оптическим волокном со свечой зажигания.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит блок управления.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что он содержит датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик угла поворота коленчатого вала, соединенные электрической связью с блоком управления.

5. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что оси распределительных валов выполнены параллельно между собой и осью коленчатого вала.

6. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что распределительные валы выполнены керамическими.

7. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что распределительные валы установлены на керамических подшипниках скольжения.

8. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик углового положения первого распределительного вала и датчик углового положения второго распределительного вала.

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что датчик углового положения первого распределительного вала и датчик углового положения второго распределительного вала соединены электрическими связями с блоком управления.