Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с принудительной продувкой

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в конструкциях четырехтактных ДВС. Технический результат заключается в возможности повышения мощности, эксплуатационной надежности и КПД, а также уменьшения вредного влияния на окружающую среду. Согласно изобретению четырехтактный ДВС включает в себя картер, цилиндр с кольцеобразной полостью, коленчатый вал с двумя эксцентриками, поршни, шатуны, головку цилиндра и газораспределительный механизм. На картере установлен цилиндр с кольцеобразной полостью и лепестковым клапаном во впускном канале. Коленчатый вал связан основным шатуном с рабочим поршнем, а на эксцентриках коленчатого вала установлены дополнительные шатуны, связанные с кольцеобразным продувочным поршнем. Впускной канал головки цилиндра соединен посредством соединительного канала с объемом, образованным кольцеобразной полостью цилиндра и кольцеобразным продувочным поршнем. 9 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в конструкциях четырехтактных ДВС.

Известна конструкция четырехтактного двигателя, содержащая ротативную систему принудительной подачи воздуха в цилиндры двигателя [1].

Недостатком такого ДВС является громоздкость, сложность, высокая точность изготовления, соответственно высокая стоимость, повышенный удельный расход топлива и повышенные требования к настройке системы.

Известна конструкция ДВС, содержащая для принудительной подачи воздуха поршневой нагнетатель [2].

Недостатком известной конструкции является ее громоздкость, сложность, невысокая надежность в эксплуатации, пониженный коэффициент полезного действия (КПД), повышенная материалоемкость.

Задачей заявляемого технического решения является повышение мощности за счет принудительно-управляемой организации газообменных процессов ДВС, уменьшение вредного влияния на окружающую среду за счет уменьшения токсичности отработавших газов, повышение эксплуатационной надежности из-за работы узлов и деталей в условиях улучшенной смазки трущихся поверхностей и повышение КПД в результате оптимизации конструктивных особенностей узлов и деталей ДВС.

Согласно заявленному изобретению четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит картер, цилиндр с кольцеобразной полостью, коленчатый вал с двумя эксцентриками, поршни, шатуны, головку цилиндра и газораспределительный механизм. На картере, снабженном маслом, установлен цилиндр с кольцеобразной полостью и лепестковым клапаном во впускном канале. Коленчатый вал связан основным шатуном с рабочим поршнем, а на эксцентриках коленчатого вала установлены дополнительные шатуны, связанные с кольцеобразным продувочным поршнем. Впускной канал головки цилиндра соединен посредством соединительного канала с объемом, образованным кольцеобразной полостью цилиндра и кольцеобразным продувочным поршнем. Указанный объем меняется от нуля до max, определяемого конструктивными параметрами, и удовлетворяет неравенству V(o-max) при max>0,5Vдв., при этом соединительный канал имеет следующие параметры Vск.>0,5...10Vдв.-Vг., где V(o-max) - меняющийся объем между кольцеобразными полостью цилиндра и продувочным поршнем, Vдв. - объем ДВС, Vск. - объем соединительного канала цилиндра, Vг. - объем впускного канала головки.

Указанная цель достигается тем, что в четырехтактном ДВС применен цилиндр с лепестковым клапаном во впускном канале, с кольцеобразной полостью и расположенным в ней кольцеобразным продувочным поршнем, установленным посредством двух шатунов на эксцентриках коленчатого вала. Эксцентрики расположены относительно пальца нижней головки шатуна на 180°, а постоянно меняющийся объем полости, расположенной между кольцеобразным продувочным поршнем и кольцеобразной полостью цилиндра, через обратный клапан соединен соединительным каналом с впускным каналом головки цилиндра, а кривошипная камера снабжена маслом, которое коленчатым валом разбрасывается по стенкам цилиндров. Таким образом, заявляемый четырехтактный ДВС соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлена конструкция четырехтактного ДВС.

На фиг.1 представлен общий вид четырехтактного ДВС в разрезе.

На фиг.2 - сечение А-А фиг.1 - "сжатие".

На фиг.3 - сечение А-А фиг.1 - "рабочий ход".

На фиг.4 - сечение А-А фиг.1 - "выпуск".

На фиг.5 - сечение А-А фиг.1 - "впуск".

На фиг.6 - вид Б фиг.2 - "пластинчатый клапан".

На фиг.7 - вид Б фиг.2 - "корпусное кольцо".

На фиг.8 - сечение Г-Г фиг.2.

На фиг.9 - сечение В-В фиг.2.

Четырехтактный ДВС содержит картер 1, состоящий из двух половин, коленчатый вал 2, масло 3, залитое в картер 1, цилиндр 4, установленный на картере 1, рабочий поршень 5, смонтированный посредством поршневого пальца 6 на шатуне 7 коленчатого вала 2, дополнительный кольцеобразный продувочный поршень 12, расположенный в кольцеобразной полости 13 цилиндра 4 и связанный через пальцы 14 и дополнительные шатуны 15 с эксцентриками 16 коленчатого вала 2. На цилиндре 4 смонтирована головка 8 со свечой зажигания 31, форсункой 24, узлами и деталями газораспределительного механизма (ГРМ) 9. Цилиндр 4 снабжен впускным каналом 20, в котором установлен лепестковый клапан 18 и соединительным каналом 22, соединяющим объем 17 кольцеобразной полости 13 через отверстия 29 корпусного кольца 10 кольцеобразного пластинчатого клапана 11 с впускным каналом 23 головки 8.

Четырехтактный ДВС работает следующим образом. Исходные условия - впускной 25 и выпускной 27 клапаны головки цилиндра 8 закрыты. Рабочий поршень 5 находится в нижней мертвой точке (НМТ). Рабочий объем 33 цилиндра 4 заполнен свежей топливовоздушной смесью. Кольцеобразный продувочный поршень 12 находится в верхней мертвой точке (ВМТ). Кольцеобразный пластинчатый клапан 11 перекрывает отверстия 29 корпусного кольца 10, а лепестки 19 лепесткового клапана 18 перекрывают впускной канал 20 цилиндра 4.

Начинается процесс сжатия. Рабочий поршень 5 начинает движение к ВМТ, сжимая топливовоздушную смесь в рабочем объеме 33 цилиндра 4. Одновременно начинает движение к НМТ кольцеобразный продувочный поршень 12. В результате этого движения появляется и начинает увеличиваться объем 17 кольцеобразной полости 13 цилиндра 4. В результате появления и увеличения объема 17 в нем появляется разряжение, которое одновременно плотнее прижимает клапан 11 к корпусному кольцу 10 и открывает лепестки 19 клапана 18, в результате чего в объем 17 начинает поступать чистый воздух. При достижении ВМТ рабочий поршень 5 заканчивает сжатие топливовоздушной смеси и происходит ее воспламенение, а при достижении НМТ кольцеобразным продувочным поршнем 12 объем 17 кольцеобразной полости цилиндра 4 заполняется чистым воздухом, в результате чего разряжение исчезает, а лепестки 19 клапана 18 под действием упругих сил материала перекрывают впускной канал 20 цилиндра 4.

Рабочий ход. При воспламенении топливовоздушной смеси рабочий поршень 5 начинает движение к НМТ, а кольцеобразный продувочный поршень 12 начинает двигаться к ВМТ, в результате этого движения объем 17 начинает уменьшаться. В результате уменьшения в нем начинает расти давление воздуха, а так как впускной канал 20 перекрыт лепестковым клапаном 18, то возросшее давление воздуха приподнимает клапан 11, открывая отверстия 29 корпусного кольца 10, и чистый воздух из уменьшающегося объема 17 поступает в соединительный канал 22. Профилированная поверхность 21 цилиндра 4 ограничивает высоту открытия клапана 11, предохраняя его от разрушения. При достижении рабочим поршнем 5 НМТ кольцеобразный продувочный поршень 12 придет в ВМТ, приведя, таким образом, объем 17 к нулю, то есть вытеснив весь объем воздуха в соединительный канал 22 цилиндра 4 и во впускной канал 23 головки 8 цилиндра 4. В данный момент давление воздуха на клапан 11 не действует и он под действием упругих сил материала перекрывает отверстие 29 опорного кольца 10.

Выпуск. Рабочий поршень 5 в результате действия инерционных сил из НМТ начинает движение к ВМТ, а кольцеобразный продувочный поршень 12 из ВМТ движется к НМТ. В результате работы ГРМ 9 кулачок 28 поворачивается, преодолевая усилие клапанной пружины 32, перемещая выпускной клапан 27, открывает выпускной канал 30 головки 8 и отработавшие газы, вытесняемые рабочим поршнем 5, покидают рабочий объем 33 цилиндра 4. При движении кольцеобразного продувочного поршня 12 к НМТ появляется увеличивающийся от нуля до max объем 17 кольцеобразной полости 13 цилиндра 4. Так как клапан 11 закрыт, возникает разряжение, которое открывает лепестки 19 клапана 18, и в результате чего чистый воздух через канал 20 заполняет объем 17, который становится max при нахождении кольцеобразного продувочного поршня 12 в НМТ. Поскольку разряжение исчезло, то лепестки 19 клапана 18 под действием упругих сил материала закрывают впускной канал 20 цилиндра 4.

Впуск. При окончании выпуска рабочий поршень 5 находится в ВМТ, кольцеобразный продувочный - в НМТ. В результате работы ГРМ 9 выпускной клапан 27 закрывает выпускной канал 30 головки 8. Одновременно ГРМ 9 через кулачок 26 открывает впускной клапан 25. В это время находившийся под избыточным давлением во впускном канале 23 головки 8 и соединительном канале 22 цилиндра 4 воздух начинает поступать в рабочий объем 33 цилиндра 4. Рабочий поршень 5 начинает движение к НМТ. Кольцеобразный продувочный поршень 12 движется к ВМТ. Впускной канал 20 цилиндра 4 закрыт. Объем 17 уменьшается, давление в котором возрастает и воздух приподнимает клапан 11. В результате открываются окна 29, через которые весь воздух объема 17 вытесняется в соединительный канал 22, далее во впускной канал 23 головки 8 и в рабочий объем 33 цилиндра 4. Во время наполнения цилиндра 4 воздухом через форсунку 24 происходит впрыск топлива, которое образует топливовоздушную смесь. При достижении рабочим поршнем 5 НМТ ГРМ 9 закрывает клапаном 25 впускной канал 23. Таким образом, в рабочем объеме 33 цилиндра 4 топливовоздушная смесь находится под избыточным давлением перед процессом сжатия.

При дальнейшем движении рабочего поршня 5 к ВМТ, а кольцеобразного продувочного поршня 12 - к НМТ начинается процесс сжатия, и цикл повторяется.

Применение в конструкции четырехтактного ДВС канала, соединяющего впускной канал головки цилиндра через клапан одностороннего действия с меняющимся объемом, образованным кольцеобразной полостью цилиндра и кольцеобразным продувочным поршнем, позволит значительно увеличить мощность ДВС за счет улучшения процесса очистки цилиндра и за счет наполнения цилиндра избыточным давлением топливовоздушной смеси. В результате возможности работы ДВС на обедненных смесях значительно снизится токсичность выхлопа. В результате упрощения конструкции двигателя, в сравнении с прототипом, применения известных проверенных и отработанных решений существенно повысится эксплуатационная надежность и возрастет КПД.

Источники информации

1. Ю. Мацкерле "Современный экономичный автомобиль" Москва, "Машиностроение", 1987 г., стр.174.

2. В.В. Бекман "Гоночные мотоциклы" Ленинград, "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1983 г, стр.212.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с маслом и установленным на нем цилиндром с кольцеобразной полостью и лепестковым клапаном во впускном канале, коленчатый вал с двумя эксцентриками с установленными на них дополнительными шатунами с кольцеобразным продувочным поршнем, рабочий поршень с основным шатуном, головку цилиндра, газораспределительный механизм, отличающийся тем, что впускной канал головки цилиндра соединен с меняющимся от нуля до max, определяемого конструктивными параметрами, объемом, образованным кольцеобразной полостью цилиндра и кольцеобразным продувочным поршнем и удовлетворяющим неравенству V(0-max) при max>0,5V_дв, соединительным каналом с параметрами V_ск>(0,5÷10)V_дв-V_г, где V(0-max) - меняющийся объем между кольцеобразными полостью цилиндра и продувочным поршнем, V_дв - объем ДВС, V_cк - объем соединительного канала цилиндра, V_г - объем впускного канала головки.