Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области энергомашиностроения и предназначено для использования в качестве стационарной или передвижной силовой установки. Оно позволяет повысить эффективность и улучшить эксплуатационные возможности установки. ДВС "Бакань" представляет собой четырехтактный дизель, содержащий, по меньшей мере, одну пару цилиндров 1 и 2, сблокированных коаксиально (труба в трубе) с размещенными в них периферийным 3 и центральным 4 поршнями, посаженными на общий шатун 5. В головке цилиндров 6 размещен цилиндрический золотник 7, кинематически связанный с коленчатым валом и имеющий газоходы 8 и камеру сгорания 9. Во внутренней полости камеры сгорания движется возвратно-поступательно поршень 10, способный изменять рабочий объем камеры сгорания и регулировать степень сжатия двигателя в диапазоне от 1:7 до 1:20. Поршень 10 жестко контактирует с шаговой системой кулачкового механизма 11 с приводом от коленчатого вала. Поршни цилиндров осуществляют одновременное (параллельное) выполнение рабочих и подготовительных тактов цикла, а рабочий ход центральным поршнем совершается за каждый оборот коленчатого вала. Дизель "Бакань" имеет возможность увеличить весовое наполнение горючего заряда в 1,5-2 раза. Наличие отсекаемой камеры сгорания обеспечивает продолженное горение горючей смеси в избыточной воздушной среде, улучшает экологию отработанных газов, расширяет эксплуатационные возможности в части использования различных видов топлива, исключает детонацию и дымление на холостом ходу. Высокая степень сжатия увеличит индикаторный КПД и экономию топлива. Полное отсутствие клапанов уменьшит вибрацию. 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к дизельным двигателям внутреннего сгорания. Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями и головку, в которой размещен периодически сообщающийся с цилиндрами газораспределительный цилиндрический золотник, снабженный газоходами, камерой сгорания и зубчатым колесом, кинематически связанным с коленчатым валом (авт. свид. СССР N 828780, 1982).

Известны также 4-тактные двигатели, включающие цилиндры, поршни, шатуны, коленчатый вал, газораспределительную систему клапанов с приводом от коленчатого вала (патент России N 2002081, 1993 - прототип).

В известных двигателях: 1) чередование тактов рабочего цикла происходит последовательно в каждом цилиндре, а рабочий ход совершается за два оборота коленчатого вала; 2) весовое наполнение цилиндров горючими газами для рабочего хода ограничено рабочим объемом цилиндра; 3) творение топливного заряда происходит непосредственно в цилиндре над поршнем с вероятностью проявления детонации; 4) тип горючего топлива и степень сжатия в камере сгорания задаются при конструировании двигателя и остаются неизменяемыми на весь период эксплуатации; 5) тенденция к росту количества клапанов и массы их приводов с вибрирующими колебаниями (шумов), ограничивающих рост числа оборотов двигателя.

Цель изобретения - улучшить или исключить негативные моменты, отмеченные выше, повысить мощность двигателя, улучшить эксплуатационные возможности по экономии топлива и экологичности отходящих газов.

Для решения поставленной задачи двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, головку цилиндров, выполненную с каналами для пропуска газопродуктов, газораспределительный механизм с цилиндрическим золотником, размещенным на головке, выполненным с общей для пары цилиндров камерой сгорания и газоходами, снабженным корпусом и установленным на оси зубчатого колеса, кинематически связанного с коленчатым валом, при этом цилиндры установлены коаксиально (труба в трубе) с периферийным и центральным поршнями, посаженными за одно на общий шатун с возможностью периодического сообщения периферийного цилиндра с впускным газоходом, а центрального - с выпускным, а также с возможностью периодически находиться отсеченными или сообщающимися с камерой сгорания в соответствии с чередованием тактов рабочего цикла, поршни цилиндров движутся возвратно-поступательно и осуществляют одновременное (параллельное) выполнение рабочих и подготовительных тактов цикла, а рабочий ход центральным поршнем совершается за каждый оборот коленчатого вала, золотник выполнен составным, снабжен внутренним цилиндром, переходящим в камеру сгорания, в полости которого движется возвратно-поступательно поршень, способный изменять степень сжатия в отсеченной камере сгорания и посаженный жестко на толкатель, контактирующий с шаговой системой кулачкового механизма с переменными радиусами скольжения, кинематически связанного с коленчатым валом и механизмом фиксации и переключения (смены) кулачков с приводом от соленоидной катушки постоянного электротока.

В предложенном двигателе "БАКАНЬ" принципиально изменяются: чередование тактов рабочего цикла, способ смесеобразования, тип камеры сгорания и условия горения топливного заряда.

Для этого каждая пара цилиндров сблокирована коаксиально (труба в трубе) с периферийным и центральным поршнями, посаженными за одно на общий шатун с возможностью периодического сообщения периферийного цилиндра с впускным газоходом и центрального цилиндра с выпускным газоходом, а также с возможностью находиться периодически отсеченным или сообщающимся с камерой сгорания, в соответствии с чередованиями тактов рабочего цикла. Поршни цилиндра, двигаясь возвратно-поступательно, осуществляют одновременное (параллельное) выполнение рабочих и подготовительных тактов, а рабочий ход центральным поршнем совершается за каждый оборот коленчатого вала.

При этом для обеспечения избыточного весового наполнения рабочего хода рабочий объем периферийного цилиндра больше рабочего объема центрального цилиндра в 1,5-2,0 раза.

В головке цилиндров расположен общий для коаксиальных цилиндров газораспределительный золотник, включающий впускной (выпускной) газоход и камеру сгорания, способный совершать синхронное вращение с коленчатым валом и периодически отсекаться или сообщаться с цилиндрами в соответствии с чередованиями тактов рабочего цикла.

При этом для работы двигателя "БАКАНЬ" в режиме дизель золотник выполнен составным, снабжен внутренним цилиндром, переходящим в камеру сгорания, в полости которого движется возвратно-поступательно поршень, способный изменять степень сжатия в отсеченной камере сгорания.

Внутренний поршень посажен жестко на толкатель, контактирующий с шаговой системой кулачкового механизма с переменными радиусами скольжения, кинематически связанной с коленчатым валом и механизмом фиксации и переключения (смены) кулачков с приводом от соленоидной катушки постоянного электротока.

На фиг. 1 представлен двигатель "БАКАНЬ" в положениях поршней ВМТ и НМТ; на фиг. 2,а - разрез 2-2 золотника, на фиг. 2,б - тело золотника; на фиг. 3 - диаграмма фаз газораспределения; на фиг. 4 - общий вид в аксонометрии.

Двигатель "БАКАНЬ" включает, по меньшей мере, одну пару коаксиально расположенных цилиндров 1 и 2 с размещенными в них центральным 3 и периферийным 4 поршнями. В головке 5 цилиндров 1 и 2 размещен поворотный золотник 6 с установленным на его оси зубчатым колесом 7, снабженный общими для обоих цилиндров впускным (выпускным) газоходом 8 и камерой сгорания 9 во внутренней полости 9a, в которой свободно перемещается поршень 10, посаженный жестко на толкатель 11, контактирующий с кулачковым механизмом 12. Зубчатое колесо 7 и кулачковый механизм 12 кинематически связаны с коленчатым валом и синхронно вращаются в соответствии с чередованиями тактов рабочего цикла.

Переключение (смена позиций) кулачков 12а, b, c, d и механизм фиксации 13 обеспечивает привод от соленоидной катушки 14 постоянного электротока, при этом смена позиции кулачков (4 поз.) будет соответствовать определенному достижению степени сжатия (от 1:10 до 1:20) в камере сгорания.

Цилиндры включают центральную камеру 1а и две периферийные камеры - верхняя 2а и нижняя 2б (см. НМТ) с суммарным рабочим объемом в 1,5-2,0 раза больше объема камеры 1а. Камеры 1а и 2а, б разделены кольцеобразной перегородкой 15, а камеры 2а и 2б постоянно сообщаются между собой, для этого по периметру внутренней поверхности поршня 4 имеются перепускные каналы (вытачки) 16.

Центральный 3 и периферийный 4 поршни свободно перемещаются в камерах 1а и 2а, б соответствующих цилиндров. Поршень 3 сопряжен с кривошипом коленчатого вала через втулку 17, палец 18 и шатун 19, а с поршнем 4 связан резьбовым соединением 20.

Головка 5 включает корпус 21 с впускным патрубком 22 и окном 23, выпускным патрубком 24 и окном 25 и перепускными окнами 26 и 27, а также форсунку 28 для впрыска топлива.

Кулачковый механизм 12 снабжен кулачками с перемещенными радиусами скольжения выступающих частей, расположенными на кулачковом валу 29, способными принимать 4-е шаговые позиции a, b, c, d в контакте с толкателем 11, при этом каждая позиция кулачков соответствует заданной степени сжатия, так кулачок 12а 1:10, кулачок 12б - 1:13, кулачок 12с - 1:17, кулачок 12d - 1: 20.

Механизм переключения позиций кулачков 12а, b, c, d размещен на кулачковом валу 29, включает подпружиненный шариковый фиксатор 30, кольцеобразные желобки - вытачки 31, шлицевое соединение 32, шестерни 33, кинематически связанные с коленчатым валом, соленоидную катушку 34, внутри которой свободно перемещается продолжение кулачкового вала 29, источник постоянного электротока 35 для образования направленного магнитного поля в соленоидной катушке 14.

Двигатель "БАКАНЬ" работает следующим образом.

Поршни 3, 4 занимают положение ВМТ. Поршень 3 готовится совершать рабочий ход, а поршень 4 готов произвести всос воздуха. При этом золотник 6, а с ним камера сгорания 9 и газоход 8 продолжают разворачиваться (вращаясь синхронно с коленчатым валом) в сторону цилиндров окнами 9б и 8а.

Камера сгорания 9 пока находится в отсеченном от цилиндров состоянии, заполнена топливным зарядом, допрессованным поршнем 10 до степени сжатия воспламенения горючего.

В камеру сгорания 9 при переходе через ВМТ впрыскивается вторая порция топлива, продолжая фазу отсеченного горения до 34^o поворота коленчатого вала.

Камера 9 открывается к цилиндру 1 через пропускные окна 9а и 26, газы продолжают интенсивно расширяться (догорать) до 165^o поворота коленчатого вала, обеспечивая рабочий ход поршню 3 (ϕ = 145^o).

Диаграмму фаз газораспределения см. на фиг. 3. Одновременно параллельно двигаясь к НМТ от 0^o до 180^o поворота коленчатого вала в цилиндр 2 по газоходу 8 через пропускные окна 8а и 23, входной патрубок 22, поршень 4 всасывает очередную порцию воздуха, заполняя камеры 2а и 2б. При этом окна 25, 27, 9в и выпускной патрубок 24 перекрыты телом золотника, а внутренний поршень 10 под воздействием избыточного давления в камере сгорания возвратится в исходное положение с переходом его толкателя 11 на минимальный радиус скольжения по кулачку 12а.

Таким образом, за 1/2 оборота коленчатого вала совершились два такта: рабочий ход и всос воздуха.

Поршни 3 и 4 занимают положение НМТ. Камера сгорания 9 от 180^o до 230^o поворота коленчатого вала отсечена от цилиндров. В цилиндре 2 произойдет поджатие (ϕ = 50^o) воздуха, а с 230^o до 340^o поворота коленчатого вала открываются окна 27 и 9в и воздух из камер 2а и 2б поршнем 4 запрессуется в камеру сгорания до степени сжатия 1:7.

Камера сгорания 9 от 340^o до 360^o поворота коленчатого вала вторично переходит в отсеченное состояние от цилиндров.

В этот период (ϕ = 20^o) в камере сгорания произойдут следующие процессы:
1/ - впрыск форсункой 28 первой порции топлива и его испарение под воздействием температуры остаточных газов и стенок камеры сгорания (ϕ = 8-10^o),
2/ - почти одновременно поршень 10, ведомый толкателем 11, скользящим по максимальному радиусу кулачка 12а (ϕ = 10-12^o), продвинется внутрь камеры сгорания, сократив ее объем до степени сжатия самовоспламенения горючей смеси,
3/ - начнется первая фаза горения топливного заряда в избыточной воздушной среде, которая будет продолжаться с переходом через ВМТ.

На следующих от 0^o до 34^o поворота коленчатого вала в отсеченной камере происходит второе впрыскивание топлива и продолжение горения (ϕ = 35^o - 40^o).

Одновременно (параллельно) поршень 3 после выполнения рабочего хода при переходе через НМТ с 165^o до 360^o + 20^o поворота коленчатого вала вытолкнет сгоревшие газы через газоход 8 и перепускные окна 25, 8б, патрубок 24. При этом перепускные окна 23, 26, 9а и патрубок 24 будут перекрыты телом золотника.

Таким образом, за следующие 1/2 оборота коленчатого вала выполнены следующие два такта: выпуск отработанных газов и сжатие воздуха.

Рабочий цикл завершен "заряженная" камера сгорания с 34^o поворота коленчатого вала готова к рабочему ходу (ϕ = 130^o).

Механизм переключения со сменой кулачков 12 работает при вращении кулачкового вала 29 следующим образом.

Допустим, что камера сгорания 9 работает в режиме сжатия 1:10, толкатель скользит по кулачку 12а. Требуется перевести работу камеры сгорания на режим 1:13, для этого необходимо перевести скольжение толкателя на кулачок 12в.

Включением из кабины водителя подается напряжение постоянного электротока 3 на обмотку соленоидной катушки 14, при этом образуется направленное магнитное поле, способное вытолкнуть (или втянуть при смене полюсов электротока) соленоид 3 (часть кулачкового вала 29), который, преодолев сопротивления фиксатора 30, переместит кулачковый вал 29 на соответствующий желобок 31 с фиксацией 30. При этом включение электротока возможно только при прохождении толкателя 11 по наименьшему радиусу скольжения кулачков 12a, b, c, d за период ϕ = 150 - 160^o вращения кулачкового вала, что обеспечит беспрепятственное перемещение кулачкового вала 29 с участием шлицевого соединения 32.

Дизельный двигатель "БАКАНЬ" позволит повысить мощность двигателя, экономичность топлива, экологичность отходящих газов за счет совершенствования рабочего цикла, принципиально изменяя чередование тактов рабочего цикла, способ смесеобразования топливного заряда, тип камеры сгорания и условия горения.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, головку цилиндров, выполненную с каналами для пропуска газопродуктов, газораспределительный механизм с цилиндрическим золотником, размещенным на головке, выполненным с общей для пары цилиндров камерой сгорания и газоходами, снабженным корпусом и установленным на оси зубчатого колеса, кинематически связанного с коленчатым валом, при этом цилиндры установлены коаксиально (труба в трубе) с периферийным и центральным поршнями, посаженными заодно на общий шатун с возможностью периодического сообщения периферийного цилиндра с впускным газоходом, а центрального - с выпускным, а также с возможностью периодически находиться отсеченными или сообщающимися с камерой сгорания в соответствии с чередованиями тактов рабочего цикла, поршни цилиндров движутся возвратно-поступательно и осуществляют одновременное (параллельное) выполнение рабочих и подготовительных тактов цикла, а рабочий ход центральным поршнем совершается за каждый оборот коленчатого вала, отличающийся тем, что золотник выполнен составным, снабжен внутренним цилиндром, переходящим в камеру сгорания, в полости которого движется возвратно-поступательно поршень, способный изменять степень сжатия в отсеченной камере сгорания и посаженный жестко на толкатель, контактирующий с шаговой системой кулачкового механизма с переменными радиусами скольжения, кинематически связанного с коленчатым валом и механизмом фиксации и переключения (смены) кулачков с приводом от соленоидной катушки постоянного электротока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4