Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02D17/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами.

Известен двигатель внутреннего сгора- ния, конструкция впускного и выпускного тракта которого обеспечивает циркуляцию воздуха по замкнутому циклу: цилиндры - выпускной тракт - впускной тракт - цилиндры.

Данный двигатель не обеспечивает перепуск сжатого воздуха между работающими и отключенными цилиндрами.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускные и перепускные клапаны в крышке цилиндра, впускной ресивер и перепускной коллектор, сообщенные с цилиндрами двигателя через соответственно впускные и перепускные клапаны, причем перепускным коллектором сообщены между собой цилиндры, смещенные по фазе работы на угол, равный 360° поворота вала двигателя.

В этом двигателе не предусмотрено объединение перепускным коллектором всех цилиндров двигателя и сообщение между собой впускного ресивера и перепускного коллектора.

Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий отклю- чаемые и неотключаемые цилиндры, каждый из которых посредством каналов и размещенных в них впускных, перепускных и выпускных клапанов сообщен соответственно с воздушным ресивером, перепуск- ным коллектором и выпускным трактом, механизмы отключения топливоподачи и выпускных клапанов отключаемых цилиндров, привод клапанов, включающий кулачковый вал, имеющий возможность осевого возвратно-поступательного перемещения, механизм осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулачковом валу, каждая из которых имеет возможность поочередно взаимодейст- вовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимо- действующие с клапанами отключаемых ци- линдров, имеют двойной зеркально расположенный профиль.

Привод перепускных клапанов ручной, а отбираемый сжатый воздух наполняет расходную емкость. Устройство для остановки выпускных клапанов в закрытом положении выполнено в виде набора кулачков на кулачковом валу, один из которых имеет цилиндрический профиль.

Известный двигатель не имеет сообщения воздушного ресивера с перепускным коллектором и привода перепускных клапанов от кулачкового вала, а профили выступающих частей кулачков не обеспечивают перепуск сжатого воздуха между отключаемыми и неотключаемыми цилиндрами, что не позволяет повысить воздушный заряд работающих цилиндров.

Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя путем увеличения воздушного заряда цилиндра.

Для достижения поставленной цели в известный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий отключаемые и неотключаемые цилиндры, каждый из которых посредством каналов и размещенных в них впускных, перепускных и выпускных клапанов сообщен соответственно с воздушным ресивером, перепускным коллектором и выпускным трактом, механизмы отключения топливоподачи и выпускных клапанов отключаемых цилиндров, привод клапанов, включающий кулачковый вал, имеющий возможность осевого возвратно- поступательного перемещения, механизм осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулачковом валу, каждый из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль, дополнительно кулачки второй группы выполнены таким образом, что кулачки, взаимодействующие с впускными клапанами, имеют кривизну выступающих частей идентичного профиля, у кулачков, взаимодействующих с перепускными клапанами отключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профилей имеют на 0...600 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки -отставание соответственно от конечных и начальных точек выступающих частей профилей кулачков, взаимодействующих с впускными клапанами отключаемых цилиндров, у кулачков, взаимодействующих с перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профиля имеют на 0...400 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки имеют на 20,..50° поворота кулачкового вала отставание относительно конечных точек выступающих частей профиля кулачков,

взаимодействующих с впускными клапанами неотключаемых цилиндров.

Воздушный ресивер сообщен с перепускным коллектором через обратный клапан, обеспечивающий перепуск воздуха только в направлении перепускного коллектора.

Кроме того, кулачковый вал снабжен промежуточной шайбой, которая имеет цилиндрическое сечение и размещена соосно валу между кулачками первой и второй групп отключаемых цилиндров, а протяженность участка выступающей части профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами, на 10...50° поворота кулачкового вала меньше протяженности уча- стка выступающей части профиля кулачков первой группы.

На фиг. 1 представлена схема двигателя с сечениями кулачков; на фиг. 2 - фазы работы клапанов: а) клапаны, взаимодейству- ющие с кулачками первой группы в режиме всех включенных цилиндров; б) и в) клапаны соответственно неотключаемых и отключаемых цилиндров, взаимодействующие с кулачками второй группы в режиме с отключением части цилиндров; на фиг. 3 - схема работы четырехтактного 6-цилиндрового рядного дизеля с порядком работы цилиндров 1-5-3-6-2-4.

Цилиндры двигателя (фиг. 1) разделены на постоянно работающие (неотключаемые) 1-3 и отключаемые 4-6. Все цилиндры сообщены с выпускным трактом 7 через выпускные клапаны 8, с перепускным коллектором 9 - через перепускные клапаны 10 и с впу- скным ресивером 11 - через впускные клапаны 12. Патрубок 13 с обратным клапаном 14 сообщает впускной ресивер с перепускным коллектором, в которые свежий воздух поступает через воздушный фильтр 16. Кла- паны 10 и 12 взаимодействуют через соединительные звенья 16 и 17 с кулачковым валом 18, соединенным с механизмом 19 осевого перемещения. На валу закреплены кулачки первой группы 20 и второй, состоя- щей из кулачков первой 21 и второй подгрупп 22, взаимодействующих соответственно с впускными и перепускными клапанами отключаемых цилиндров, третьей 23 и четвертой 24 подгрупп, взаимодействующих соответственно с впускными и перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, а также промежуточные шайбы 25. Привод выпускных клапанов отключаемых цилиндров содержит гидравлические механизмы 26 отключения. Стрелками показано направление движения газов.

Нэп фиг. 2 обозначено: Ькл - перемещение газораспределительных клапанов; р- угол поворота коленчатого вала двигателя;

ВЫП, ВП, СЖ и Р.Х. - такты работы двигателя соответственно: Выпуск, Впуск, Сжатие и Рабочий ход, 20 - перемещение соединительных звеньев (толкателей) и соответствующих клапанов первой группы и подгрупп: 21 - первой, 22 - второй, 23 - третьей и 24 - четвертой.

Двигатель работает следующим образом.

На режиме номинальной и средней мощности двигатель работает на всех цилиндрах, при этом кулачковый вал 18 находится в левом на фиг. 1 положении. Кулачки первой группы 20 через соединительные звенья 16 и 17 при вращении вала воздействуют как на перепускные клапаны 10, так и на впускные 12 всех цилиндров двигателя. В процессе наполнения цилиндров двигателя свежий заряд (воздух) поступает через фильтр 15 в патрубок 13 и далее в воздушный ресивер 11 и одновременно, минуя обратный клапан 14, в перепускной коллектор 9. Из коллектора и ресивера воздух через открытые клапаны 10 и 12 заполняет цилиндры на тактах Впуск. Затем в цилиндрах происходят процессы сжатия, расширения и выпуска - двигатель работает в обычном режиме четырехтактного дизеля. Выпускные клапаны 8 всех цилиндров работают в идентичном режиме, имея привод, например, от выпускных кулачков, размещенных на кулачковом валу (не показано). Механизмы 26 отключения выпускных клапанов 8, выполненные, например, в виде гидроштанг при этом включены и передают возвратно- поступательное перемещение от кулачков к клапанам. Кроме того, выпускные клапаны могут управляться от электрогидравлического привода, механического и т. п.

На режимах малых нагрузок и холостого хода для увеличения индикаторного КПД и, следовательно, экономичности двигатель переводят на работу с отключением части цилиндров. Механизм 26 отключают, и выпускные клапаны 8 отключаемых цилиндров останавливают в закрытом положении. Кулачковый вал 18 посредством механизма 19 перемещают в осевом направлении вправо, и он занимает положение, изображенное на фиг. 1.

В качестве механизма 19 перемещения может быть применено, например, устройство с ручным приводом либо механический привод перемещения кулачкового вала реверсивных двигателей.

После перемещения вала в работу вступают кулачки второй группы, а именно кулачки первой подгруппы 21 через соединительные звенья 16 при вращении воздействуют на впускные клапаны 12 отключаемых цилиндров 4-6; кулачки второй подгруппы 22 через соединительные звенья 17 воздействуют на перепускные клапаны 10 отключаемых цилиндров; кулачки третьей подгруппы 23 и четвертой 24 воздействуют соответственно через звенья 16 и 17 на впускные 12 и перепускные 10 клапаны неотключаемых цилиндров 1-3.

Двойной зеркально расположенный профиль кулачков 21 обеспечивает заполнение воздухом каждого отключаемого цилиндра дважды за рабочий цикл: на тактах Впуск и Рабочий ход (фиг. 2 и 3). Аналогичный, по меньшей продолжительности профиль кулачков 22 (фиг. 2) обеспечивает перепуск сжатого воздуха между отключаемыми цилиндрами и перепускным коллектором на тактах Сжатие и Выпуск. Профиль кулачков третьей подгруппы 23 обеспечивает заполнение неотключаемых цилиндров 1-3 свежим зарядом на тактах Впуск. Уменьшенная протяженность выступающей части профиля кулачков 23 по сравнению с кулачком 20 обеспечивает увеличение воздушного заряда цилиндра при пониженных частотах вращения за счет исключения выброса заряда в начале такта Сжатие.

Профиль кулачков четвертой подгруппы 24 обеспечивает подачу сжатого воздуха из коллектора 9 в неотключаемые цилиндры в период такта Сжатие.

Выпускные клапаны 8 неотключаемых цилиндров работают в прежнем режиме.

Так, например, в отключенном цилиндре 4 (фиг. 1 и 3) на такте Рабочий ход производят заполнение цилиндра свежим зарядом через открытый впускной клапан 12 и на такте Выпуск - сжатие iro в этом цилиндре. В процессе сжатия открывают перепускной клапан 10 и сжатый в цилиндре 4 воздух по коллектору 9 направляют в отключенный 6-й цилиндр, где также открывают соответствующий перепускной клапан 10 и в котором закончился процесс наполнения на такте Впуск и начался процесс сжатия воздушного заряда.

Таким образом, в цилиндре 6 сжимают двойной воздушный заряд и в процессе сжатия направляют его в неотключаемый цилиндр 2 посредством открытия перепускного клапана 10 цилиндра 2, в котором закончился процесс наполнения и начинается процесс сжатия, т. е. неотключаемый (постоянно работающий) цилиндр 2 оказывается заполненным тройным воздушным зарядом. Далее в цилиндре 2 осуществляют процессы расширения и выпуска, т. е. совершается обычный цикл четырехтактного дизеля.

Аналогично производят перепуск сжатого воздуха в других цилиндрах, а именно

из отключенного цилиндра 5, заполненного свежим зарядом на такте Рабочий ход, воздух перепускают в отключенный цилиндр 4 и после добавочного сжатия - в

работающий цилиндр 1. Из цилиндра 6 воздух направляют в цилиндр 5 и затем в цилиндр 3.

Таким образом, каждый работающий цилиндр оказывается заполненным трой0 ным воздушным зарядом, который может быть использован для повышения мощности при увеличении цикловой подачи топлива либо для улучшения экономичности за счет увеличения коэффициента избытка возду5 ха при сгорании, либо для повышения эффективности работы двигателя от совместного действия этих двух факторов.

При работе с отключением части цилиндров выходу сжатого воздуха из перепуск0 ного коллектора 9 в воздушный ресивер 11 препятствует обратный клапан 14, перепускающий воздух только в сторону перепускного коллектора 9.

На режимах, когда включаются в работу

5 все цилиндры, и впускные и перепускные клапаны всех цилиндров работают с одинаковыми фазами, соответствующими работе двигателя без отключения цилиндров, а поступающий по патрубку 13 воздух, разделя0 ясь на два потока, заполняет воздушный, ресивер и перепускной коллектор, который в этом случае выполняет роль второго воздушного ресивера. Выпускные клапаны всех цилиндров работают также с одинако5 выми фазами.

Идентичная крутизна выступающей части каждого профиля кулачков первой 21 и третьей 23 подгрупп обусловлена тем, что в соответствующие периоды в цилиндрах

0 протекают однотипные процессы наполнения с той лишь разницей, что в отключаемых цилиндрах они повторяются с удвоенной частотой.

Опережение и отставание на 0...600 по5 ворота кулачкового вала начала и конца выступающих частей профиля кулачков второй подгруппы от соответственно конца и начала профилей кулачков первой подгруппы (фиг. 2) обусловлено тем, что в практике для

0 уменьшения сопротивления в щели открывающегося (и закрывающегося) клапана, а также для использования скоростного напора потока, момзнты открытия и закрытия клапанов сдвигаются с определенным пере5 крытием. Так, например, перекрытие впускных и выпускных клапанов двигателя типа ЧН21/21 составляет 67° поворота кулачкового вала.

Диапазон 0...600 поворота кулачкового вала (0... 120° поворота коленчатого вала выбран из статистического анализа существующих двигателей с учетом их скоростного режима при отключении цилиндров и давления перепускаемого воздуха, причем приближение угла к нулевому значению характерно для более высоких скоростных режимов и давлений и в пределе к теоретическому процессу наполнения и сжатия без влияния сопротивлений и скоростных напоров. Увеличение названного диапазона сверх 60° поворота кулачкового вала приводит к потере свежего заряда (обратному выбросу в воздушный ресивер) для реальных двигателей внутреннего сгорания.

Выбранное соотношение О...40° поворота кулачкового вала между началом и концом выступающих частей профиля соответственно четвертой и третьей подгрупп кулачков обусловлено указанными факторами, а разница в диапазоне объясняется большими значениями давления перепускаемого воздуха. Выбор угла больше 40° поворота кулачкового вала приводит к забрасыванию сжатого воздуха из перепускного коллектора через цилиндр во впускной ресивер, что ухудшает наполнение неотключаемых цилиндров свежим зарядом на такте Впуск.

Отставание на 20...50° поворота кулачкового вала концов профилей кулачков четвертой подгруппы относительно третьей определено из анализа процесса сжатия в цилиндре по индикаторным диаграммам с учётом различных начальных давлений сжатия, степени сжатия, скоростного режима, давления перепускаемого воздуха и ряда других факторов. Выбор угла меньше 20° приводит к неполному использованию в работающих цилиндрах перепускаемого сжатого воздуха, а увеличение угла сверх 50° - к обратному перетоку сжимаемого в цилиндре воздуха обратно в перепускной коллектор.

Промежуточная шайба 25 (фиг. 1), размещенная между кулачками первой и второй групп отключаемых цилиндров за счет цилиндрического сечения без выступающих частей позволяет останавливать в закрытом положении соответствующие клапаны при переходе с режима при всех работающих цилиндрах на режим с частично отключенными цилиндрами.

Уменьшение на 10...50° поворота кулачкового вала протяженности участка выступающей части профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами относительно протяженности участка выступающей части профиля кулачков первой группы, выполнено для уменьшения (исключения) обратного выброса воздуха из цилиндра в начале такта Сжатие , так как частота вращения двигателя на режимах при отключении части цилиндров (холостой ход, малые нагрузки) меньше частоты вращения при всех включенных цилиндрах (номинальная мощность, средние нагрузки), а профили впускных кулачков и, соответственно, протяженность выступающей части (кулачки первой группы) рассчитываются для режима номинальной

0 мощности.

По данным многочисленных исследований угол закрытия впускных клапанов для режима минимальной частоты вращения должен составлять 0...20° поворота кулачко5 во г о вала за нижнюю мертвую точку такта Сжатие. Для номинальной частоты вращения у большинства двигателей этот угол составляет 20...40° поворота кулачкового вала (40...80° поворота коленчатого вала). Так на0 пример, для двигателя 6ЧН21/21 названный угол равен 45° поворота коленчатого вала. Таким образом, требуемое уменьшение протяженности составляет 10...50° поворота кулачкового вала. Более значительное

5 уменьшение протяженности (сверх 50°), приводит к закрытию впускных клапанов до нижней мертвой точке такта Впуск, что также уменьшает величину поступающего свежего заряда, что без принятия специаль0 ных мер (цикл Миллера) ухудшает экономичность двигателя.

Таким образом, предлагаемый двигатель внутреннего сгорания обеспечивает повышение эффективности работы за счет

5 увеличения воздушного заряда цилиндра путем организации перепуска сжатого воздуха между отключенными и постоянно работающими цилиндрами, что в результате позволяет повысить мощность, улучшить

0 экономичность и снизить токсичность двигателей.

Предложенное устройство разрабатывается применительно к тепловозным двигателям типа ЧН21/21 и может быть

5 использовано на двигателях различного назначения и иных размерностей. Формула изобретения 1. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий отключаемые и

0 неотключаемые цилиндры, каждый из которых посредством каналов и размещенных в них впускных, перепускных и выпускных клапанов сообщен соответственно с воздушным ресивером, перепускным коллекто5 ром и выпускным трактом, механизмы отключения топливоподачи и выпускных клапанов отключаемых цилиндров, привод клапанов, включающий кулачковый вал, имеющий возможность осевого возвратно- поступательного перемещения, механизм

осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулачковом валу, каждая из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют вы- ступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы путем увеличения воздушного заряда цилиндра, кулачки второй группы, взаимодействую- щие с впускными клапанами, имеют кривизну выступающих частей идентичного профиля, у кулачков второй группы, взаимодействующих с перепускными клапанами отключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профилей имеют на 0...600 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки - отставание соответственно от конечных и начальных точек выступающих частей профилей кулачков, взаимодействующих с впускными клапанами отключаемых цилиндров, у кулачков второй группы, взаимодействующих с

перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профиля имеют на 0...400 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки - на 20...50° поворота кулачкового вала отставание относительно конечных точек выступающих частей профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами неотключаемых цилиндров, воздушный ресивер сообщен с перепускным коллектором через обратный клапан, установленный с возможностью перепуска воздуха в направлении перепускного коллектора.

2.Двигатель по п. 1, отличающий- с я тем, что кулачковый вал снабжен промежуточной шайбой, которая имеет цилиндрическое сечение и размещена соосно с валом между кулачками первой и второй групп отключаемых цилиндров.

3.Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что протяженность участка выступающей части профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами, на 10...50° поворота кулачкового вала меньше протяженности участка выступающей части профиля кулачков первой группы.

Сущность изобретения: устройство позволяет повысить эффективность работы двигателя путем увеличения воздушного заряда цилиндров. В двигателе на кулачковом валу 18 закрепляют комбинированные кулачки, одни из которых 20 взаимодействуют с впускными 12 и перепускными 10 клапанами на режиме со всеми работающими цилиндрами 1-6, а другие 21-24 - в режиме с отключением цилиндров 4-6. Профили кулачков обеспечивают последовательное сжатие воздушного заряда в отключаемых цилиндрах с последующим перепуском его в работающие. Впускной ресивер 11 и перепускной коллектор 9 сообщены через обратный клапан 14. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Фиг. 2

i - направление перепуска

фиг.З