Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1988 года по МПК F01L1/28 

СО

СЫ

либо в едином клапанном элементе. СС может быть связано с управляющим запорным органом при помощи либо механического, либо гидравлического привода. Впускное и вьтускное уст- ва могут быть выполнены в виде либо вращающихся, либо тарельчатых клапанов . Регулирующий клапан 20 нажимается при контактировании коромысла с выступакицими участками кулачков и поднимается пружиной 30. Один из кулачков является фиксированным и служит только для нажатия клапана 20 с целью выпуска продуктов сгорания в заданной точке цикла двигателя. Положение другого.кулачка может меняться, он обеспечивает закрытие клапана 20 под действием пружины 30 в различных положениях в зависимости от числа оборотов двигателя или значения потребной мощности двигателя. 11 з.п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя. Камера 29 сгорания и продувочная камера 28 двигателя сообщены через управляющий запорный орган. Впускное и вьшускное устр-ва продувочной камеры связаны с управляющим запорным органом через синхронизирующее средство (СС). Управляющий запорный орган может быть размещен по оси камеры 29 и вьтолнен в виде единого клапанного элемента или нескольких клапанных элементов. Датчик режима работы, вьшолненный в виде регулирующего органа топливного насоса может быть связан с СС. во воспламенения может быть расположено либо в стенке камеры сгорания,

1

Изобретение относится к машиностроению, в частности к .двигателе- строению, а именно к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания.

Цель изобретения - повышение эффективности.

На фиг.1 представлена часть головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания, вид сверху;на фиг.2 - двигатель внутреннего сгорания, вертикальный разрез; на фиг.З - кулачковый механизм двигателя, продольный разрез; на фиг.4 - разрез-А-А .на фиг.З; на фиг.З - продувочная камера двигателя внутреннего сгорания, вид снизу; на фиг.6 - двигатель внутреннего сгорания, снабженный, средством синхронизации работы во времени клапанного устройства и топливного насоса, вид сверху; на фиг.7 - гидравлический привод синхронизирующего средства, разрез;на фиг.З - разрез Б-Б на фиг.7; на фиг.9 - разрез В-В на фиг.7; на фиг.10 - конец полого вала устройства, вид сбоку; на фиг.11 - вал, разрез;на фиг.12 - гильза устройства, вид сбоку; на фиг.13.- то же, разрез; на фиг.14 - двигатель при положении поршня в верхней мертвой точке; на фиг.15 - то же, при положении поршня 60° до нижней мертвой точки; на фиг.16 - то же, при положении поршня в нижней мертвой точке; на фиг.17 - то же, при положении поршня в верхней мертвой точке; на фиг.18 - то же,, при положении поршня бО за верхней мертвой точкой; на фиг.19 - то же, при

положении поршня 60 за нижней мертвой точкой; на фиг.20 - то же, при положении поршня 90° за нижней мертвой точкой; на фиг.21 - то же, при

положении поршня 30° перед верхней мертвой точкой; на фиг.22 - головка цилиндра, вариант, вид снизу; на фиг.23 - разрез Г-Г на фиг.22.

Головка цилиндра содержит вращающийся вал 1, соединенный с зубчатым колесом 2,которое непрерывно вращает вал при работе двигателя. Вал 1 содержит первую внутреннюю 3 и вторую наружную 4 части. Часть 4 охватывает часть 3, примыкая к торцу последней. Первый кулачок 5 крепится к внутренней части 3, а второй кулачок 6 - к нар.ужной части 4. Во внутренней части 3 вала имеется несколько продольных канавок 7, а в на- ружной части - соответствующий набор закругленных канавок 8. На наружной части 4 вала надет хомут 9, соединенный с управляющим штоком 10. Кроме того, хомут 9 может скользить по наружной части 4 вала с помощью штока 10. В хомуте 9 имеется несколько шариковых подшипников 11, расположенных в обойме 12. Число

шариков 11 соответствует числу канавок 7 и 8. Каждый шарик 11 покоится в канавке 8, а также в соответствующей канавке 7. Таким образом, когда хомут 9 скользит вдоль наружной

части 4 вала, последш1й вынужден по- ворачиваться относительно внутренней части 3 вала. Поэтому относительные положения кулачков 5 и 6, а также

3 144208

фазы газораспределения двигателя из- меняются. Управляющий шток 10 связан с газораспределительным,устройством, которое обеспечивает переме- с щение штока при изменении числа оборотов двигателя.

Коромысло 13 установлено на 14, закрепленном на опоре 15, которая удерживается в корпусе 16, и 10 имеет один конец с парой роликов 17, установленных на оси 18 с возможностью вращения. Каждый ролик 17 сцепляется с соответствующим кулачком 5 и 6. Другой конец коромысла 13 вы- 15 полнен в виде вилки 19, которая охватывает верхний конец клапана 20. Клапанный злемент 20 имеет фланец 21, находящийся на расстоянии от верхнего торца клапана, а вилка 19 20 коромысла 13 сцепляется с фпанцем

22,когда последние соединены между собой. Шток 10 может неподвижно со- 30 единяться с планкой 26, которая связана с хомутом 9 между фланцами 22

с помощью соответствующего устройства, например штифта, проходящего в промежутке между фланцами -- 22 сквозь планку 26. Клапан 20 имеет наружный кольцевой корпус 27. Корпус 27 проходит через отверстие в корпусе 16 и продувочную камеру 28, в которой имеются впускной и выпуск- 40 ной клапаны и входит в верхний торец камеры 29 сгорания. Корпус 27 клапана оттягивается вверх спиральной пружиной 30, установленной между фланцем 21 и корпусом 16. Снизу g корпус 27 клапана проходит через отверстие 31, расположенное по центру в своде 32 камеры 29 сгорания. Самый нижний конец корпуса 27 клапана скошен наружу, образуя головку 33 клапана. Кроме этого, в нижнем конце, примыкающем к камере 29 сгорания, в отверстии 31 образовано сед ло для клапана, поэтому в положении, показанном на фиг.2, головка клапана плотно примыкает к отверстию 31. В камере 29 сгорания имеются стенки 34, связанные с головкой 33. Поршенг 35 скользит по стенкам

50

55

- 0 g

0

5

1

На фиг.6 представлено устройство, аналогичное показанному на фиг.1-4 и предназначенное для перемещения штока 10 и изменения относительного расположения пары кулачков 5 и 6. На фиг.6 также показан топливный насос 53 с приводом от редуктора 54. Планка 55, закрепленная одним концом на шарнире 56, соединена другим цом с управляющим устройством 57 топливного насоса 53. Средней частью планка 55 соединена с планкой 26, которая связана с управляющим штоком 10 штифтом 58, который может пере

51

г е1иаться вдоль фланца 59 планки 55 по роликам 60..Поэтому при перемещении управляющего штока 10 вбок для изменения относительного расположе- ния кулачков 5 и 6 соответственно изменяется угол наклона планки 55. Это изменяет положение управляющего устройства 57 топливного насоса 53, изменяя расход топлива в каждом цик- ле двигателя в соответствии с перемещением управляющего штока 10. Пе j

ремеш.ением управляющего штока 10 можно управлять с помощью компьютера, измеряющего такие параметры, как 1агрузка двигателя, число оборотов, определяющего потребные расходы .топлива и воздуха, а также устанавливающего соответствующее положение управляющего штока 10.

Изобретение не ограничено применением двигателя, в котором имеется камера сгорания с одним впускным-выпускным клапаном, его можно применять и к другим типам двигателей, например с несколькими впускными-выпускными клапанами, работающими аналогично одному клапану. Вращающийся клапан в камере 28 можно заменить тарельчатыми или другими аналогичны- ми клапанами,

На представлен узел управления клапанами с 1 идроприводом, который можно использовать вместо механического узла, показанного на фиг.1-5 и предназначенного для изме нения положений кулачка.

На фиг.7-13 представлен узел 61 управления клапанами с гидроприводо м содержащий пару неподвижных цилиндри ческих гильз 62 и 63, в которых расположен узел 61 с возможностью вращения. В узел 61 входит первый конец 64, имеющий относительно узкую ци-- линдрическую часть 65, установленную в гильзе 62. В части 65 имеется несколько уплотнительных колец 66, находящихся на расстоянии- друг от друга. Также имеется кольцевая канавка 67, расположенная между первой па- рой уплотнений 66, а также вторая кольцевая канавка 68, расположенная между второй парой уплотнений 66. К каждой канавке 67 и 68 подходит соответствующая гидравлическая линия 69. Каждая канавка 67 и 68 имеет пару проходов. Первый проход 70 соединен с линией 71, которая ведет непосредственно в камеру 72. Второй про

8

16

ход 73 также ведет в камеру 72 по линии 74 через пружинный запорный клапан 75. На фигурах показан только проход 73 с элементами, предназначенными для канавки 68. Каналы 71 (фиг.8) заканчиваются в камере 72 отверстиями 76, а каналы 74 - отверстиями 77. Камера 72 образована кольцом 78, которое примыкает к концу 64 и второму концу 79 узла 61. У второго конца имеется относительно узкая цилиндрическая часть 80,расположенная внутри гильзы 63, а также удлиненная круглая часть 81, к которой примыкает кольцо 78, замыкая камеру 72. Концы 64 и 79, а также кольцо 78 соединяются между собой соответствующим устройством, позволяющим им совместно вращаться. Вращающийся полый кулачковый вал 82 входит в осевое отверстие в центре первого конца 64 узла 61 и проходит через камеру 72 в соответствующее осевое отверстие во BTopdM конце 79. Внутри второго конца 79 в кулачковом вале 82 имеется продольная щель с открытым концом 83. Цилиндрический управляющий элемент 84 смонтирован на валу 82, причем они вращаются сов местно. Управляющий элемент 84 расположен в камере 72, примыкая к соседним частям концов 64 и 78. В управляющем элементе 84 имеется пара противоположных канавок 85. Канавки 85 предназначены для помещения в них соответствующих цилиндрических роликов 86, которые могут вращаться между канавкой 85 и внутренней цилиндрической стенкой камеры 72, образованной кольцом 78. Кроме того, во внутренней стенке управляющей камеры 72 также имеется пара противоположных выемок 87, находящихся на расстоянии от выемок 85. В каждой выемке 87 размещается соответствующий цилиндрический ролик 88 между наружной цилиндрической стенкой управляющего элемента 84 и собственно выемкой. Ролики 86 и 88 совместно с управляющим элементом 84 делят камеру 72 на четыре отсека. Каждый отсек камеры 73 соединен с соответствующим каналом 76 или 77. Участок 81 второго конца 79 содержит четыре радиальных удлиненных выточки 89, соединяющих внутренними концами с соответствующими каналами 90. Каждая выточка 89 соответствует каналу

71

78 или 77. Поскольку выточки 89 выполнены удлиненными в радиальном направлении, то их наружные концы не затеняются управляющим элементом 84 поэтому связь с выточками 89 не прерывается управляющим элементом 84. Каждая выточка 89 соединяется с соответствующим каналом 90, как показано на фиг.7. Кроме того, второй полый вал 91 входит в осевое отверстие на участке 80 второго конца 79. Вал 91 охватывает вал 82. Штифт 92 проходит через передний конец вала 91 и расположен в щели 83. Таким обра- зом обеспечивается совместное вращение валов 82 и 9 Г. В валу 91 также имеется пара спиральных щелей 93, примыкающих к его переднему концу, как это видно на фиг.10 и 11. Спиральные щели 93 прорезаны в противоположных сторонах вала 91, iпричем одна щель больше другой.

В участке 81 также имеется цилиндрическая гильза 94, установленная с возможностью вращения от управляющего элемента 84. В цилиндрической гильзе 94 имеются две одинаковые пары спиральных щелей 95, вьтолненные противоположных сторонах стенки гиль зы (фиг.12 и 13). Пары спиральных щелей 95 прорезаны в гильзе, и кажда такая пара соответствует щели 93 и валу 91. Устройство имеет канал 96 через спиралевидные щели в вал 91.

Двигатель, показанньш на фиг.9 19имеет единственный управляющий клапан 20, кймеру 28, камеру 29 сгорания и поршень 35. В камере 28 имеются выходной проход 97, снабженный выходным тарельчатым клапаном 98,

а также входной проход 99, снабженный впускным тарельчатым клапаном 10 Единьш впускно-вьтускной клапан

20можно заменить несколькими клапа- нами 101 (фиг.22 и 23). Клапаны 101 установлены с возможностью одновременного задействования плечом коромысла 102, которое соприкасается со штоками всех четырех клапанов 101. В остальном клапаны 101 эквивалентны по принципу действия клапана 20. Однако применение нескольких клапанов позволяет расположить их симметрично в своде камеры сгорания во- круг центра, где размещена свеча

103 зажигания (фиг.2.2)..

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

8

Клапан 20. нажимается при контактировании коромысла 13 с выступающими участками кулачков 5 и 6, а поднимается пружиной 30. Кулачок 5 является фиксированным и служит только для нажатия клапана 20 с целью вьтуска продуктов сгорания в заданной точке цикла двигателя. Положение кулачка 6 может меняться, он обеспечивает закрытие клапана 20 под действием пружины 30 в различных положениях в зависимости от числа обо - ротов двигателя или значения потребной мощности двигателя.

Первоначально поршень 35 находится в своем втором положении, т.е. в верхней мертвой точке. Из этого положения поршень 35 перемещается в свое первое положение. При этом клапан 20 остается открытым начиная с предьщущего хода вьтуска при контактировании ролика 17 с кулачком. Одновременно впускной клапан в камере 28 открывается при совпадении отверстия 52 с входным проходом 45,при этом выпускной клапан в камере 28 закрыт. Таким образом, порции воздуха вводятся в камеру 29 сгорания через продувочную камеру 28 и отверстие 31 в своде камеры 29 сгорания.

В процессе перемещения поршня 35 в первое положение, т.е. в нижнюю мертвую точку, клапан 20 остается открытым. Положение закрытия определяется числом оборотов двигателя, а также требованиями к составу продуктов сгорания при таком числе оборотов. Например, при малом числе оборотов или когда требуется небольшая мощность от двигателя, расход горючей смеси относительно невелик. В этом случае положение кулачка 6 изменяется таким образом, чтобы клапан 20 оставался открытым, при этом после нижней мертвой точки некоторое количество воздуха, которое попало в камеру 29 сгорания, выводит- ся из нее перемещением поршня 35 вверх, к верхней мертвой точке. Этот холодный воздух проходит через выпускной клапан камеры 28, поскольку в этом процессе цикла двигателя отверстие 52 начинает совпадать с выходным проходом 46. Кулачки 5 и 6 перекрываются в некоторой точке цикла двигателя вблизи нижней мертвой точки в зоне впуска, при этом они оба действуют на клапан 20, в то вре

мя как до этого только кулачок 5 действует на него, а вслед за этим только кулачок 6 действует на клапан.

Пропускание холодного воздуха через клапан 20 и через выпускной клапан в продувочной камере охлаждает эти элементы, уменьшая образование окислов азота.

Когда поршень при движении вверх достигает положения, когда объем воздуха в камере сгорания составляет заданную величину, клапан 20 за- крьшается кулачком 6, а заряд воздуха начинает сжиматься. Вслед за закрытием клапана 20 производится впрыск топлива в камеру 29 сгорания по каналу 38, Таким образом, образу144208110

Кроме того, закрытие клапана 20 до впрыска топлива способствует тому, что значительное количество не- с сгоревших углеводородов не может быть удалено до воспламенения.

В положении,. показанном на фиг.14, поршень 35 находится в верхней мертвой, точке, вьшускной клапан 98 от- 10 крыт, впускной клапан 99 закрыт и управляющий клапан 20 закрыт.

В таком положении порция воздуха от впускного клапана 100 сжимается поршнем 35 в камере 29 сгорания, и 4 15 порция топлива впрыскивается в камеру 29 сгорания. В этом положении или около этого положения заряд сжатой топливовоздуптой смеси воспламеняет- . ся и быстро расширяется. Это расширеется заряд горючей смеси вблизи верх-20 ние толкает поршень 35 к нижней

него торца камеры сгорания. Этот заряд воспламеняется свечой 39 зажигания при положении поршня 35, соответствующем заданному числу оборотов двигателя.

Расположение свечи 39 зажигания по центру позволяет распространяться фронту пламени эффективно во все части камеры 29 сгорания над поршнем 35, способствуя эффективному его- зо клапан 44 и выходной клапан 122 остаются открытыми.

Поршень 35 затем возвращается к верхней мертвой точке и при этом выталкивает отработавший сгоревший за- 2g ряд через управляющий клапан 20 и выпускной клапан 98, которые остаются открытыми.

На фиг.17 поршень 35 снова находится в верхней мертвой точке, а от- 40 работанный сгоревший заряд удален. Выпускной клапан 98 закрывается после завершения удаления отработанного

ранию.

При воспламенении горючей смеси образуются горючие продукты сгорания, которые, быстро расщепляясь, толкают поршень 35 обратно в его первое положение. На этой части цикла двигателя клапан 20 полностью за- |крыт. Затем клапан 20 открывается фиксированным кулачком 5, обеспечивая выход газов через клапан 20 при ходе выхлопа поршня. Продукты сгорания также выходят через выпускной клапан в продувочной камере при совг падении отверстия 52 с выпускным каналом 46. Поршень возвращается в свое исходное положение в верхней мертвой точке. Таким образом,клапан 20 полностью открыт при ходе выхлопа, он остается полностью открытым в процессе хода всасывания воздуха и закрывается только тогда, когда требуется начать процесс сжатия, Охлаж- депие клапана 20 протекающим воздухом допускает использование при высокой степени сжатия поршня с выемкой, поскольку охлажденный клапан 20 предотвращает возникновение детонационного горения.

45

50

55

заряда, а впускной клапан 100 открывается. Теперь порщень 35 начинает возвращаться к нижней мертвой точке ;и при своем движении он протягивает заряд воздуха череЗ впускной клапан 100 и впускной проход 99. Как показано на-фиг. 18, при угле бО после верхней мертвой точки, впускной клапан 100 и управляющий клапан 20 открыты. В нижней мертвой точке или вблизи нее впускной клапан -100 закрывается, а выпускной клапан 98 открывается , при этом управляющий клапан 20 остается открытым. Таким образом, избыточный воздух удаляется через управляющий клапан 20 и выпускной клапан 98. Такое положение подмертвой точке.

В положении, показанном на фиг.15, поршень 35 находится под углом 60° к нижней мертвой точке, а управляющий 25 клапан 20 только- начинает открываться, при этом впускной клапан 98 остается открытым. В положении, показанном на фиг.16, поршень 35 достиг .нижней мертвой точки, а управляющий

5

0

5

заряда, а впускной клапан 100 открывается. Теперь порщень 35 начинает возвращаться к нижней мертвой точке ;и при своем движении он протягивает заряд воздуха череЗ впускной клапан 100 и впускной проход 99. Как показано на-фиг. 18, при угле бО после верхней мертвой точки, впускной клапан 100 и управляющий клапан 20 открыты. В нижней мертвой точке или вблизи нее впускной клапан -100 закрывается, а выпускной клапан 98 открывается , при этом управляющий клапан 20 остается открытым. Таким образом, избыточный воздух удаляется через управляющий клапан 20 и выпускной клапан 98. Такое положение под11

держивается в течение заданной пр о- тяженности обратного хода поршня 35 к верхней мертвой точке, которая зависит от таких факторов, как нагрузка двигателя и число его оборотов. Например, при полном открытии дроссельной заслонки управляющий кла- . пан 20 может закрываться при 60 после нижней мертвой точки, как по- казано на фиг.19, в то время как при половинной нагрузке управляющий клапан 20 может закрываться при 90° после нижней мертвой точки, как это показано на фиг.20, а на холостом ходу управляющий клапан может закрываться при 30°, не доходя до верхней мертвой точки, как это показано на фиг.21. После того, как управляющий клапан 20 закрылся, остаю- щийся заряд воздуха сжимается и впрыскивается соответств5пощее количество топлива в камеру 29 сгорания, как это описано выше, после чего происходит воспламенение.

Цикл, показанный на фиг.14-21 повторяется.

Гидропривод работает следующим образом.

При постоянном числе оборотов и при постоянной нагрузке, гильза 94 ориентирована таким образом, что широкая щель 93 на валу 91 расположена симметрично между соответствующей парой щелей 95 в гильзе 94. Другими словами, щирокая щель 93 проходит через промежуток между соответствующей парой щелей 95 таким образом, что равные площади широкой щели 93 перекрывают каждую щель 95 соответствующей пары щелей.

Аналогично, узкая щель 93 на валу 91 расположена между соответствующей парой щелей в гильзе 94, при это никакая часть ее площади не перекрывает никакую щель соответствующей пары.

В таком положении гидравлическая жидкость нагнетается по каналам 69 в кольцевые щели 67 и 68. Эта жидкость протекает через каждьй проход 70 по соответствующему каналу 71, а также через отверстие 76 в соответствующий отсек камеры 72. Оттуда I - жидкость проходит по соответствующему каналу 90 в одну из спиральных щелей 95 в гильзе 94, .совпадающей с широкой щелью 93 в валу 91. Поскольку имеется симметричный проход к каждой

Q 15 2025

208112

из щелей в гильзе 94, гидравлическая жидкость сливается в вал 91 и возвращается в насос без создания каких-либо усилий в камере 72.

Аналогично, масло протекает через проходы 73, соединенные с ними каналы 74 и отверстия 77, попадая в соответствующие отсеки камеры 72. Масло из этихчотсеков протекает через соответствующие каналы 90. Однако т этот проход запирается, поскольку узкая щель 93 в вале 91 располагается полностью между соответствующими щелями 95 в гильзе 94, при этом отсутствует какой-либо проход к соответствующей паре щелей 95. Кроме того, запорный клапан 75 препятствует обратному течению гидравлической жидкости. Поэтому отсеки камеры 72, соответствующие проходам 73, наполняются жидкостью которая не может выходить. Это удерживает управляющий элемент в статическом положении.

О

5

0

5

0

Однако, если изменяются нагрузка двигателя, число оборотов или другие параметры, вал 91 перемещается в продольном направлении, при этом проход к одной из щелей 95 в вале 94,

соответствующей широкий щели 93 в вале 91 увеличивается, а к другой - уменьшается. Аналогично проход от- крьшается к одной из щелей 95 в гильзе 94, соответствующей узкой щели 93 в вале 91. Поэтому теперь жидкость может протекать через отверстие 77 и соответствующему каналу 96 через спиральные щели в вал 91. Однако другой проток через отверстие 77 до сих пор блокирован. Поэтому управляющий элемент 84 и гильза 94 поворачиваются относительно вала 91, уменьшая гидравлический разбаланс, который теперь имеет место между отсеками камеры 72. Вращение прекращается, когда устанавливается равновесие,

N эквивалентное исходному состоянию.

- Кулачковьй вал 82 соединен с ynpjiB- ляюп(им элементом 84 и поэтому относительный поворот управляющего элемента 84 вызывает относительное перемещение кулачкового вала 82, изменяя синхронизацию клапана, управляемого кулачковым валом 82. Согласно изобретению, кулачковый вал 82 можно использовать для управления закрытием управляющего клапана 20.

Фиг.1

iO

26--H

Фи&.д

/t- /I

Фае. V

г.

56

J

yj

г

Фиг.6

: V

И Hill 1

16

76

88

ча ///, / / / / //

в

Фиг. 7

6-6

88 87

77

Фаг. 8

Фи9.3

9i 9д

Фив. fO

95

Фив. 12

90

92

92

-93

V///////////

91

Фиг. а

95

} Т 7 //////

9S

v////yf//r/y/

Фu8.fд

J5

0

«7V.rjt

29

toвО А.в.Я.С.

V «,-vi

- -Wх

гаjarа

Фиг.

QJut.fi

Оо

Л7 1АЛГЛ7 вГЛГ

bJj& Lljfc,

у

,:« ,«

IIМ

/7

Фиг. 10

-

фиг.п

0

.в.Я.С.

«,-vi

98

X

VZE-

х

гаJS

д

-н

QJut.fi

Фиг.И

Фив. 22 Г-ГiOl