Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит поршень со штоком, имеющим посередине отверстие, в которое запрессован средней частью поршневой валик, имеющий на концах симметрично расположенные шаровые головки. Два кривошипа соединены с концевыми шаровыми головками поршневого валика. Поршень со штоком совершает возвратно-поступательное перемещение и возвратно-вращательное вокруг оси цилиндра. Каждая цилиндровая втулка снабжена впускными и выпускными окнами, расположенными друг напротив друга в нижней части по ходу поршня. На торце каждой жаропрочной головки поршня на одной половине круга выполнено по два спрофилированных скоса, один из которых примыкает к впускному окну. На торце второй половины круга жаропрочной головки выполнен гребень, примыкающий вплотную к другому скосу со стороны выпускного окна, а длина обоих спрофилированных скосов и гребня по внешнему диаметру головки поршня больше окружной ширины соответственно выпускного и впускных окон на 5-10%. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с оппозитным расположением цилиндров, отличающимся связями между поршнями и коренным валом, системой газораспределения, и предназначено для тепловозов, путевых машин, автомобилей, тракторов, электростанций и других энергетических установок.
Известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания с системой газораспределения: прямоточной щелевой и прямоточной клапанно-щелевой, которые обеспечивают все три фазы газораспределения: выпуск отработавших газов, продувку цилиндра свежим воздухом под давлением и наддув его, при котором происходит дозарядка цилиндра при закрытых выпускных окнах до давления, выше атмосферного (См.: Двигатель внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей./ Под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - М.: Машиностроение, 1984. С.282-284).
Недостатком этих двигателей является в первом случае наличие двух коленчатых валов и двух поршней в цилиндре, а во втором - наличие выпускных клапанов в крышке с соответствующим приводом, что усложняет конструкцию двигателей, снижает их механический к.п.д. и надежность работы.
Известны также бесклапанные двухтактные двигатели внутреннего сгорания с поперечно-щелевой (петлевой) продувкой цилиндра (См.: Шафрановский С.А. и др. Тепловозы. - М.: Транспорт, 1964. С.17, 19, 20, рис.6, 9, 11).
Недостатком этих двигателей является то, что эта система продувки цилиндра не способна обеспечить наддув, так как впускные окна закрываются раньше, чем выпускные, вследствие чего эта система применяется в двигателях малой мощности, используемых на мотоциклах, лодочных моторах, бензопилах, культиваторах, газонокосилках и др.
Известен двигатель внутреннего сгорания, принятый за прототип, содержащий остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установленными друг к другу оппозитно; в каждом отсеке остова в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках размещен один сдвоенный составной поршень с двумя корпусами, соединенными между собой штоком, имеющим посредине утолщение с цилиндрическим отверстием, в которое посредством антифрикционных вкладышей шарнирно установлен своей центральной шаровой головкой поршневой валик, имеющий на концах симметрично расположенные концевые шаровые головки, по два коренных вала, выполненные цилиндрической формы и соосно расположенные одними концами в верхней и нижней половинах остова по его центру разъема на подшипниках, а на других их концах со стороны цилиндровых втулок консольно выполнены по два пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренных валов, и два качающихся кривошипа, один конец каждого кривошипа шарнирно соединен посредством поперечно разрезных сферических антифрикционных вкладышей с концевой шаровой головкой поршневого валика, а другой его конец соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников, при этом на корпусах сдвоенного составного поршня укреплены жаропрочные головки, а на коренных валах между подшипниками соответственно установлено большое и малое зубчатые колеса, аналогичные зубчатые колеса установлены на распределительном вале, смонтированном параллельно коренным валам, причем большие зубчатые колеса коренного и распределительного валов сцеплены между собой непосредственно, а их малые зубчатые колеса сцеплены между собой посредством промежуточного зубчатого колеса, на внутренних концах коренных валов со стороны цилиндровых втулок и на внешних концах коренных валов непосредственно на зубчатых колесах для привода вспомогательных агрегатов расположены противовесы, предназначенные для динамического уравновешивания инерционных сил и моментов подвижных деталей двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания снабжен системой впуска и выпуска, в нем установлены впускные и выпускные клапана с приводными к ним кулачковым механизмом.
При выполнении двигателя из отсеков более одного коренные валы каждого отсека механически связаны между собой зубчатыми колесами, которые предназначены и для привода вспомогательных агрегатов (RU, патент №2209325. Двигатель внутреннего сгорания, 27.07.2003 г., июль, №21).
Недостатком известного двигателя внутреннего сгорания является наличие сложной цилиндровой крышки с впускными и выпускными каналами, а также наличие клапанов и кулачкового привода к ним, что усложняет двигатель, снижает его технический ресурс и увеличивает трудоемкость в обслуживании и ремонте.
Техническим результатом изобретения является повышение мощности, надежности, моторесурса, упрощение конструкции и снижение эксплуатационных расходов двухтактного двигателя внутреннего сгорания за счет поступательно поворотного движения совмещенного поршня в оппозитно расположенных цилиндровых втулках, организации выпуска, продувки и наддува через окна этих цилиндровых втулок посредством профильных скосов и буртика на жаропрочных головках совмещенного поршня, а также за счет применения новых неразрезных компрессионных колец.
На фиг.1 показан двигатель внутреннего сгорания в разрезе по осевым линиям двух цилиндров и связанных с ними двух коренных валов, на фиг.2 - разрез фиг.1 по А-А, на фиг.3 - разрез фиг.1 по Б-Б, на фиг.4 - разрез фиг.1 по В-В, на фиг.5 - положение совмещенного поршня в цилиндре в момент открытия выпускного окна, на фиг.6 - разрез фиг.5 по Г-Г, на фиг.7 - положение поршня в цилиндре в момент открытия впускного окна, на фиг.8 - разрез фиг.7 по Д-Д, на фиг.9 - положение поршня в нижней мертвой точке (НМТ), на фиг.10 - разрез фиг.9 по Е-Е, на фиг.11 - положение поршня в цилиндре в момент закрытия выпускного окна, на фиг.12 - разрез фиг.11 по Ж-Ж, на фиг.13 - диаграмма газораспределения.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) состоит (фиг.1 и 2) из левой 1 и правой 2 половин остова, образующих не менее одного отсека и соединенных между собой болтами 3. Обе половинки остова 1 и 2 отливаются из алюминиевого сплава или из высокопрочного чугуна.
В каждом отсеке остова в соосно цилиндрических расточках левой 1 и правой 2 половин остова установлены оппозитно расположенные цилиндровые втулки левая 4 и правая 5, левая 6 и правая 7 (в нашем случае изображен ДВС с двумя отсеками). Все цилиндровые втулки 4, 5, 6, и 7 по конструкции одинаковы, отлиты из антифрикционного чугуна, соответствующим образом обработаны и уплотнены в цилиндрических расточках обеих половин остова 1, 2 резиновыми кольцами 8. Каждая цилиндровая втулка 4, 5, 6 и 7 имеет впускное 9 и выпускное 10 окна, которые расположены на их боковых стенках напротив друг друга. С наружных торцов цилиндровые втулки 4 и 6, 5 и 7 закрыты объединенными на два цилиндра крышками 11 и 12. Крышки 11 и 12 прикреплены к цилиндровым втулкам 4 и 6, 5 и 7 и к левой 1 и правой 2 половинам остова шпильками 13 и уплотнены по разъему омедненными прокладками 14. В крышках 11 и 12 по осевым линиям цилиндров установлены форсунки 15.
В каждых двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках 4 и 5, 6 и 7 установлен один совмещенный поршень 16 с двумя корпусами 17 и 18, которые соединены между собой штоком 19. Корпуса 17 и 18 вместе со штоком 19 отлиты из алюминиевого сплава или из высокопрочного чугуна. К корпусам 17 и 18 каждого совмещенного поршня 16 прикреплены жаропрочные головки 20. На торце каждой жаропрочной головки 20 (фиг.5-12) совмещенного поршня 16 на одной половине круга выполнены два спрофилированных скоса. Один 21 примыкает к выпускному окну 10 и другой 22 примыкает к впускному окну 9 цилиндровых втулок 4 и 5, 6 и 7, а на второй половине торца круга жаропрочной головки 20 выполнен гребень 23, примыкающий вплотную к скосу 21 со стороны выпускного окна 10. Длины обоих спрофилированных скосов 21 и 22 и гребень 23 по внешнему диаметру жаропрочной головки 20 совмещенного поршня 16 больше окружной ширины соответственно выпускного 10 и впускного 9 окон цилиндровых втулок 4 и 5, 6 и 7 на 5-10%.
Углубление определенной формы в жаропрочных головках 20 вместе с крышками 11 и 12 образуют в первом отсеке с внешних торцов цилиндровых втулок 4 и 5 камеры сгорания 24 и 25.
В стыках жаропрочных головок 20 с корпусами 17 и 18 совмещенного поршня 16 установлена проставка 26. В образованных ею двух поршневых канавках расположены по три неразрезных компрессионных кольца 27, прижимаемых на дуге не менее 140° к стенкам цилиндровых втулок 4 и 5, 6 и 7 балочными пружинами 28 в двух местах со сдвигом области контакта каждого следующего неразрезного кольца 27 по отношению к предыдущему на 120°. Рабочая поверхность колец 27 выполнена из бронзографита с примесью олова и никеля с пористостью 20-25%, которые заполнены моторным маслом в вакуумной камере (на фиг.5-12 не показано). Вблизи внутренних торцов корпусов 17 и 18 совмещенного поршня 16 установлено по одному разрезному компрессионному кольцу 29 и одному разрезному маслосъемному кольцу 30. Количество этих колец может быть и больше чем по одному.
В средней части штока 19 имеется в утолщении цилиндрическое отверстие 31, в который запрессован поршневой валик 32 с концевыми шаровыми головками 33 и 34 на концах, которые посредством антифрикционных вкладышей 35, крышек 36 и болтов 37 подвижно соединены с качающимися кривошипами 38 (фиг.3).
Аналогично устроен совмещенный поршень 16 и во втором отсеке двигателя внутреннего сгорания.
В каждом отсеке двигателя установлены по два коренных вала: левый 39 и правый 40, выполненные цилиндрической формы и соосно расположенные одними концами в левой 1 и правой 2 половинах остова по его центру разъема на роликовых 41 и шариковых 42 подшипниках качения. На других концах коренных валов 39 и 40 со стороны их цилиндровых втулок 4 и 5, 6 и 7 консольно выполнены по два пальца 43 (фиг.1 и 3), оси которых перпендикулярны к продольной оси коренных валов 39 и 40. С пальцами 43 коренных валов 39 и 40 соединены посредством стаканов 44 и игольчатых подшипников 45 качающиеся кривошипы 38, снабженные противовесами 46 (см. фиг.3). Дополнительно противовесы 47 расположены на внутренних концах коренных валов 39 и 40 со стороны цилиндровых втулок 4 и 5, 6 и 7. На внешних концах коренных валов 39 и 40 противовесы 48 объединены с двойными зубчатыми колесами 49.
В промежутках между подшипниками качения 41 и 42 на коренных валах 39 и 40 установлены большое 50 и малое 51 зубчатые колеса. Аналогичные зубчатые колеса - большое 52 и малое 53 - установлены на распределительном вале 54 (см. фиг.2), смонтированном в остове 1 и 2 параллельно коренным валам 39 и 40, причем большое зубчатое колесо 52 распределительного вала 54 и зубчатое колесо 50 коренного вала 39 сцеплены между собою непосредственно, а малое зубчатое колесо 51 коренного вала 40 сцеплено с аналогичным малым зубчатым колесом 53 распределительного вала 54 посредством промежуточного зубчатого колеса 55 (см. фиг.4)
Двойные зубчатые колеса 49 служат для привода вспомогательных агрегатов - объемного роторного нагнетателя 56 через зубчатое колесо 57, а также других агрегатов, например генератора, центробежного насоса жидкостного охлаждения двигателя, вентилятора и т.д. (на чертеже не показано). Кроме того, малая шестерня двойного зубчатого колеса 49 служит для сцепления с аналогичной шестерней другого коренного вала при многоцилиндровом исполнении двигателя.
Предложенный двигатель внутреннего сгорания выполнен с двухтактным рабочим циклом и внутренним смесеобразованием. Он может работать как на легком топливе (бензин) с эжекторным впрыском и системой зажигания топлива, так и на тяжелом топливе (солярка) самовоспламенением в дизельном варианте. В нашем дизельном варианте двигатель снабжен четырьмя топливными насосами 58 высокого давления, приводимыми в действие кулачками 59, установленными на распределительном вале 54. Насосы высокого давления 58 соединены с форсунками 14 трубками 60.
Впускные окна 9 в обеих половинах остова 1 и 2 и в цилиндровых втулках 4 и 5, 6 и 7 соединены трубопроводами (на чертежах не показаны) с выходным отверстием 61 объемного роторного нагнетателя 56, а выпускные окна 10 - с трубопроводом 62 глушителя шума.
Если проектная мощность двигателя внутреннего сгорания больше 100 кВт, то последовательно с объемным роторным нагнетателем 56 устанавливается турбокомпрессор (на фиг.1-2 не показан), который, используя энергию выхлопных газов, повышает давление наддува, а следовательно, мощность и экономичность работы двигателя.
Описанный выше двигатель внутреннего сгорания, как и любой другой, имеет систему смазки трущихся деталей, систему жидкостного охлаждения, систему пуска и регулирования частоты вращения, систему фильтрации воздуха и масла и др. Эти системы устроены точно также, как и у любого другого современного двигателя внутреннего сгорания, вследствие чего описание этих систем здесь не приводится.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Предположим, что совмещенный поршень 16 находится в крайнем левом положении, как показано на фиг.1. Качающиеся кривошипы 38 обоих коренных валов 39 и 40 направлены налево, а ось поршневого валика 32 - параллельно осям коренных валов 39 и 40. Угол поворота ϕ качающихся кривошипов 38 вместе с коренными валами 39 и 40 вокруг своих осей будем отсчитывать от принятого исходного положения. В данный момент времени в камере сгорания 24 левого цилиндра, который состоит из цилиндровой втулки 4 и крышки 11, догорает дизельное топливо, впрыснутое накануне форсункой 15, в результате чего резко повышаются температура и давление сжатого воздуха. В правом цилиндре в это время происходит его продувка, и там давление газов низкое. Под действием разности давлений слева и справа на совмещенный поршень 16 последний начнет перемещаться слева направо. При этом коренные валы 39 и 40 вместе с качающимися кривошипами 38 начнут поворачиваться в противоположных направлениях, увлекая за собою шаровые головки 33 и 34 поршневого валика 32, запрессованного в цилиндрическое отверстие штока 19 совмещенного поршня 16, следовательно, и последний начнет поворачиваться вокруг своей оси вместе с поршневым валиком 32 против часовой стрелки. Максимального значения угол поворота αп max совмещенного поршня 16 достигнет, когда поршень займет среднее положение в цилиндре. При этом угол поворота коренных валов 39 и 40 вместе с качающимися кривошипами 38 будет равен ϕ=90°, и кривошипы 38 будут направлены в противоположные стороны. Начиная с этого момента, при дальнейшем движении совмещенного поршня 16 слева направо он начнет поворачиваться в цилиндре уже по часовой стрелке. При ϕ=180° продольная ось поршневого валика 32 будет снова параллельна осям коренных валов 39 и 40, а при ϕ=270° угол поворота совмещенного поршня 16 вместе с поршневым валиком 32 будет равен αп max. Значение αп max зависит от радиуса качающихся кривошипов 38 и длины поршневого валика 32. Поступательно поворотное движение совмещенного поршня 16 в цилиндре используется для организации газораспределения в двигателе внутреннего сгорания.
На фиг.5 и 6 показано положение совмещенного поршня 16 в левом цилиндре в момент начала открытия выпускного окна 10 в цилиндровой втулке 4. В этот момент профильный скос 21 на жаропрочной головке 20 располагается на уровне верхней кромки выпускного окна 10 и при дальнейшем движении совмещенного поршня 16 слева направо окно 10 откроется и начнется фаза выпуска отработанных газов. За это время давление газов в цилиндре резко уменьшается.
На фиг.7 и 8 показано положение совмещенного поршня 16 в левом цилиндре в момент начала открытия впускного окна 9. В этот момент торец жаропрочной головки 20 располагается на уровне верхней кромки впускного окна 9 и при дальнейшем движении совмещенного поршня 16 слева направо открывается впускное окно 9 и начинается фаза продувки цилиндра сжатым воздухом, поступающим от объемного роторного нагнетателя 56.
На фиг.9 и 10 показано положение совмещенного поршня 16 в нижней мертвой точке (НМТ) в левом цилиндре, при котором открыты впускное 9 и выпускное 10 окна. В этой фазе впускной профильный скос 22 на жаропрочной головке 20 в процессе ее поворачивания по часовой стрелке наползает на впускное окно 9, изменяя направление входного потока воздуха так, что при этом обеспечивается качественная очистка цилиндра от остатков отработанных газов. С этого момента совмещенный поршень 16 начинает перемещаться справа налево, продолжая интенсивно поворачиваться по часовой стрелке.
На фиг.11 и 12 показано положение совмещенного поршня 16 в левом цилиндре в момент закрытия выпускного окна 10 гребнем 23 на жаропрочной головке 20. Впускное же окно 9 остается открытым благодаря профильному скосу 22, которое в данный момент располагается напротив впускного окна 9. В течение этой фазы происходит наддув левого цилиндра, то есть наполнение его сжатым воздухом из объемного роторного нагнетателя 57. С момента закрытия впускного окна 9 начинается такт сжатия воздушного заряда в левом цилиндре.
Еще нагляднее видны фазы газораспределения на круговой диаграмме (см. фиг.13) в зависимости от угла поворота ϕ качающего кривошипа 38, обозначенного буквами АВ вместе с коренным валом 40, вращающихся против часовой стрелки. На диаграмме цифрой 1 обозначен момент открытия выпускного окна 10, цифрой 2 - момент открытия впускного окна, цифрой 3 - момент закрытия выпускного окна 10 и цифрой 4 - момент закрытия впускного окна 9, а между этими цифрами показаны фазы газораспределения. Таким образом, поступательно поворотное движение совмещенного поршня 16 вместе с жаропрочными головками 20, которые снабжены двумя профильными скосами 21 и 22 и гребнем 23, обеспечивает все три фазы газораспределения: выпуск отработанных газов, продувку цилиндра и его наддув. Описанная система газораспределения намного проще, чем у известных двигателей внутреннего сгорания, и, следовательно, эта система будет надежнее работать в эксплуатации.
В правом цилиндре точно такие же фазы газораспределения будут происходить со смещением по углу ϕ поворота качающегося кривошипа 38 на 180°. При работе двигателя внутреннего сгорания продольная сила инерции совмещенного поршня 16 компенсируется газовыми силами на этапе сжатия свежего воздушного заряда в оппозитном цилиндре и она не передается на антифрикционные вкладыши 35 качающихся кривошипов 38, а следовательно, и на подшипники качения 41 и 42 коренных валов 39 и 40. Таким образом, новый приводной механизм, состоящий из совмещенного поршня 16, поршневого валика 32, качающихся кривошипов 38 и коренных валов 39 и 40, не только исключает боковое давление совмещенного поршня 16 на стенки цилиндровых втулок 4 и 5, 6 и 7, но и не ограничивает частоту вращения коренных валов 39 и 40, в то время как в двигателях с кривошипно-шатунным приводным механизмом допустимую частоту вращения коленчатого вала, а следовательно, и среднюю скорость поршня в цилиндре, ограничивают инерционные силы шатунно-поршневой группы, воспринимаемые непосредственно шатунной шейкой коленчатого вала. Применение в двигателе неразрезных компрессионных колец 27 с рабочей поверхностью из бронзографита позволяет снизить коэффициент трения пары "кольцо - цилиндровая втулка" и повысить среднюю скорость движения совмещенного поршня 16 в цилиндре при одновременном уменьшении интенсивности ее износа.
Все это вышеперечисленное позволит повысить мощность двигателя внутреннего сгорания без увеличения его размеров, увеличить надежность его работы, упростить конструкцию и в конечном счете значительно снизить расходы на обслуживание и ремонт двигателя.
1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установленными друг другу оппозитно, в каждом отсеке остова установлены в двух оппозитно расположенных втулках один совмещенный поршень с двумя его корпусами, соединенными между собой штоком, имеющим посередине утолщение с цилиндрическим отверстием, в которое запрессован средней утолщенной частью поршневой валик, имеющий на концах симметрично расположенные шаровые головки, по два коренных вала, выполненных цилиндрической формы и соосно расположенных одними концами в половинах остова по его центру разъема на подшипниках, а на других их концах со стороны цилиндровых втулок консольно выполнены по два пальца, оси которых перпендикулярны продольной оси коренных валов, по два качающихся кривошипа, один конец каждого кривошипа шарнирно соединен посредством поперечно разрезных сферических антифрикционных вкладышей с концевой шаровой головкой поршневого валика, а другой его конец соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников, при этом на корпусах совмещенного поршня укреплены жаропрочные головки, а на коренных валах между подшипниками соответственно установлены большое и малое зубчатые колеса, аналогичные зубчатые колеса установлены на распределительном вале, смонтированном параллельно коренным валам, причем большие зубчатые колеса коренного и распределительного валов сцеплены между собой непосредственно, а их малые зубчатые колеса сцеплены между собой посредством промежуточного зубчатого колеса, отличающийся тем, что каждая цилиндровая втулка снабжена впускными и выпускными окнами, которые расположены на их боковых стенках напротив друг друга в нижней части по ходу поршня, на торце каждой жаропрочной головки совмещенного поршня на одной половине круга выполнено по два спрофилированных скоса - один - примыкающий к впускному окну цилиндровой втулки, а на торце второй половины круга жаропрочной головки выполнен гребень, примыкающий вплотную к другому скосу со стороны выпускного окна цилиндровой втулки, длина обоих спрофилированных скосов и гребня по внешнему диаметру жаропрочной головки поршня больше окружной ширины соответственно выпускного и впускных окон цилиндровой втулки на 5-10%.
2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в стыках жаропрочных головок с корпусами совмещенного поршня установлены проставки, в образованных ими двух поршневых канавках расположены по три неразрезных компрессионных кольца, прижимаемых к стенкам цилиндровых втулок по дуге 130-140° балочными пружинами в двух местах со сдвигом области контакта каждого следующего нарезного кольца по отношению к предыдущему на 120°, рабочая поверхность неразрезных компрессионных колец выполнена из бронзографита с примесью олова и никеля с пористостью 20-25% и пропитана в вакуумной камере моторным маслом, а вблизи внутренних торцов корпусов совмещенного поршня установлено не менее чем по одному разрезному компрессионному кольцу и одному разрезному маслосъемному кольцу.
