двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный, как дизель, так и с искровым зажиганием, применяемый для автомобилей, тракторов и других промышленных объектов, преимущественно имеющий нагнетатель воздуха или горючей смеси и впрыск топлива для каждого цилиндра или впускного канала, содержащий цилиндр, поршень, головку цилиндра, в которой размещены топливная форсунка и/или свеча для искрового зажигания, впускной и выпускной тарельчатые подпружиненные клапаны, причем последний имеет принудительный привод от кулачкового вала, отличающийся тем, что впускной тарельчатый клапан выполнен самодействующим (автоматическим) и снабжен амортизирующе-буферным устройством в виде упругого эластичного кольца круглого, трапецеидального или шевронного профиля, изготовленного из маслобензостойкого материала, и двух прижимных колец или втулок с соответствующим профилем сечения: обратными конусами или шевронными, изготовленными из шумопоглощающего материала.

2. Двигатель внутреннего сгорания двухтактный с прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена, преимущественно имеющий нагнетатель воздуха или горючей смеси и впрыск топлива для каждого цилиндра, содержащий цилиндр, поршень, головку цилиндра, топливную форсунку и/или свечу для искрового зажигания, тарельчатый подпружиненный клапан в головке цилиндра и окна-щели в нижней части цилиндра, впускной и выпускной коллекторы, отличающийся тем, что клапан в головке цилиндра подключен к впускному коллектору и выполнен самодействующим (автоматическим) с амортизатором-буфером, ограничивающим величину перемещения клапана и скорость удара при его полном открытии, а окна-щели в нижней части цилиндра подключены к выпускному коллектору.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для нагнетания и продувки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), его механизмам газораспределения и может быть использовано в автомобильных, тракторных, мотоциклетных, судовых и других промышленных ДВС. Наибольшее преимущество реализуется на двигателях, имеющих нагнетатели воздуха или горючей смеси и впрыск топлива для каждого цилиндра или впускного канала в отдельности.

Известны четырехтактные ДВС с приводом впускных и выпускных клапанов от механизма газораспределения. В книге авторов: В.М. Архангельский, В.М. Вихерт, А.Н. Воинов, Ю.А. Степанов, В.И. Трусов, М.С. Ховах "Автомобильные двигатели", М. Машиностроение, 1977, на рис. 26, 27 и 287 (стр. 68, 69 и 487) приведены схемы рабочих органов двигателей и конструкции механизмов газораспределения. В зависимости от конструктивных особенностей отдельно взятой модификации двигателя подбираются свои фазы газораспределения. Весовое наполнение заряда в цилиндр двигателя за один цикл или один впуск в значительной степени зависит от величины и продолжительности открытия впускного клапана. Высота подъема клапана ограничивается силами инерции клапанного механизма, которые не должны быть излишне большими во избежание установки слишком сильных клапанных пружин. При газообмене в период перекрытия клапанов на определенных режимах работы двигателя имеет место обратное течение газов, т. е. отработавшие газы через выпускной клапан поступают обратно в цилиндр, а через впускной клапан происходит истечение газов из цилиндра в систему впуска.

Этот недостаток частично устраняется применением во впускной системе нагнетания воздуха или топливно-воздушной смеси. Однако, как без нагнетателя, так и с нагнетателем, на малой частоте вращения, особенно при запуске двигателя, когда инерция свежего заряда невелика, во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытесняет часть заряда из цилиндра во впускную систему, т. е. происходит обратный выброс.

Известны также двухтактные ДВС с прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена с приводом выпускных клапанов от механизма газораспределения. (Книга авторов А. С. Хачиян, К.А. Морозов, В.И. Трусов, В.И. Лукашин, А.К. Гаврилов, Д. Д. Багиров, Е. К. Корси "Двигатели внутреннего сгорания", М. "Высшая школа", 1978 г. стр. 36, рис. 11.7. стр. 51, рис. 11.16).

Недостатками клапанно-щелевой схемы газообмена являются: наличие больших сил инерции клапанного механизма для выпускного клапана или недостаточное время-сечение выпускных клапанов при их уменьшенных размерах; не полностью используется кинетическая энергия расширяющихся газов по одноименной направленности с движущимся из верхней в нижнюю мертвую точку поршнем; возможен затрудненный запуск двигателя из-за отсутствия всасывающего действия поршня.

С применением автоматического впускного клапана перечисленные недостатки, присущие ДВС с приводными клапанами, полностью исключаются, повышая мощностные, топливно-экономические, пусковые и экологические качества ДВС за счет использования кинетической энергии заряда в системе впуска. С целью возможности применения автоматического впускного тарельчатого клапана, для нормального его функционирования, в предлагаемых вариантах ДВС аннулируется привод к впускному клапану и вместо штатной пружины устанавливается пружина с усилием, немного превышающим вес клапана. Для ограничения величины перемещения клапана и затормаживания скорости удара в конце его хода устанавливается амортизатор-буфер.

В отличие от известного двухтактного ДВС с прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена, содержащего цилиндр, поршень, головку цилиндра, топливную форсунку и/или свечу зажигания, клапан в головке цилиндра, окна-щели в нижней части цилиндра и нагнетатель воздуха в цилиндр, с целью устранения перечисленных недостатков, а также улучшения его топливно-экономических, экологических, мощностных, динамических и пусковых качеств в представленном двигателе изменено направление потока газообмена и применен автоматический впускной тарельчатый клапан в головке цилиндра. На фиг. 1 приведена схема рабочих органов четырехтактного ДВС с автоматическим впускным тарельчатым клапаном и выпускным клапаном с приводом от кулачка. На фиг. 2 приведена схема рабочих органов двухтактного ДВС с прямоточной клапанно-щелевой продувкой. На фиг. 3 изображен тарельчатый клапан, предназначенный для двигателей в качестве автоматического, с амортизирующе-буферным устройством первый вариант. На фиг. 4 второй вариант амортизирующе-буферного устройства. На фиг. 5 третий вариант амортизирующе-буферного устройства.

Четырехтактный двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2, головку цилиндра 3, в которой размещены автоматический впускной тарельчатый клапан 4 с амортизирующе-буферным устройством 7 и пружиной клапана 6, выпускной клапан 8 с приводом от кулачка и топливная форсунка 5 и/или свеча зажигания 5, и предпочтительно турбонагнетатель 9. Амортизирующе-буферное устройство в свою очередь состоит из упругого эластичного кольца 11 различных вариантов профиля сечения: круглого, трапецеидального или шевронного из маслобензостойкого материала и двух прижимных колец или втулок 10 с соответствующим профилем сечения: обратными конусами или шевронных из шумопоглощающего материала. Упорным элементом является втулка 14 клапана. При изготовлении прижимных колец из металла необходимо устанавливать промежуточное кольцо 15 из шумопоглощающего материала. Для регулировки величины хода клапана применена гайка 13, а для ориентации пружины чашка 12.

Полный цикл работы двигателя осуществляется за четыре такта. При движении поршня 2 вниз в цилиндре 1 создается разряжение и впускной клапан 4 автоматически открывается, происходит такт впуска. После прохождения поршнем его нижней мертвой точки (НМТ) и его движении вверх в первоначальный момент происходит дозаполнение цилиндра зарядом за счет кинетической энергии движущегося потока воздуха или горючей смеси, а также предпочтительного давления нагнетаемого заряда. При уравнивании давлений в цилиндре и во впускном канале клапан автоматически закрывается за счет действия пружины и надвигающегося обратного потока заряда. Происходит такт сжатия. При подходе поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) осуществляется впрыск топлива из форсунки 5 для дизелей или подается искра на свечу зажигания 5 для двигателей с искровым зажиганием. Происходит сгорание и повышение давления в камере сгорания. При движении поршня вниз из ВМТ за счет давления расширяющихся газов осуществляется рабочий ход. В конце рабочего хода, не доходя до НМТ, открывается выпускной клапан 8 от привода механизма газораспределения и происходит выпуск отработавших газов. Затем движущийся от НМТ к ВМТ поршень выталкивает остатки отработавших газов. В конце хода поршня его скорость поступательного движения приближается к нулю, но движущийся поток газов, обладая кинетической энергией оставляет за собой разряжение. Поэтому еще до ВМТ поршня впускной клапан автоматически откроется, осуществляя продувку цилиндра и впуск свежей порции заряда. Далее цикл работы двигателя повторяется.

Действие амортизирующе-буферного устройства заключается в том, что при полном открытии клапана, в конце его перемещения, прижимные кольца или втулки сжимают упругое кольцо(а), которое в свою очередь создает силы нормального давления на клапан, затормаживая его движение.

Моменты открытия и закрытия впускного клапана изменяются в зависимости от режимов работы двигателя, т. е. частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, сопротивления на трассе впуска и других факторов производственного исполнения. При этом для любого режима или фактора фаза впуска будет оптимальной, создавая максимальные наполнение и давление сжатия заряда. При запуске двигателя будет создаваться максимальное давление сжатия, что облегчит его запуск, как в нормальных условиях, так и при отрицательных температурах окружающего воздуха. При наличии в двигателе наддува или нагнетания заряда моменты открытия и закрытия впускного клапана будут еще более благоприятными, повышая мощностно-экономические характеристики двигателя.

Двухтактный двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2, головку 3 цилиндра, в которой размещены автоматический впускной клапан 4, пружина 6 клапана и топливная форсунка 5 и/или свеча зажигания 5, выпускные окна-щели 8 в нижней части цилиндра и нагнетатель воздуха 9. Для ограничения хода клапана, его затормаживания в конце хода и герметизации служит амортизирующе-буферное устройство 7, различные варианты которого описаны выше.

Полный цикл работы второго варианта двигателя осуществляется за два такта хода поршня. При движении поршня из НМТ вверх после перекрытия выпускных окон 8 происходит сжатие воздуха или горючей смеси, находящихся в цилиндре 1. При подходе поршня 2 к его ВМТ с некоторым опережением осуществляется впрыск топлива из форсунки 5 для дизелей или подается искра на свечу 5 зажигания горючей смеси. За счет давления расширяющихся газов сгоревшего топлива осуществляется рабочий ход поршня вниз. После открытия кромки выпускного окна 8 отработавшие газы из цилиндра устремляются в выпускной тракт. При снижении давления газов в цилиндре ниже величины давления воздуха или горючей смеси во впускном тракте впускной клапан 4 автоматически открывается, преодолевая действие пружины. При дальнейшем движении поршня вниз до НМТ происходит одновременный выпуск отработавших газов и впуск свежей порции заряда. Фронт газообмена движется сверху вниз и его продвижение ускоряется за счет создающегося около выпускных окон разряжения. Таким образом осуществляется эффективная продувка цилиндра. После перекрытия выпускных окон происходит некоторое дозаполнение цилиндра свежим зарядом за счет давления нагнетания и кинетической энергии впускаемого заряда. В этот момент для двигателей с искровым зажиганием производится впрыск топлива в цилиндр, уменьшая вероятность выброса топлива в выпускной тракт. При уравнивании давлений в цилиндре и во впускном канале клапан автоматически закрывается под действием усилия пружины и обратного потока заряда. Далее цикл работы двигателя повторяется.

За счет всасывающего действия поршня при его движении вниз из ВМТ при запуске неработающего двигателя обеспечивается более легкий запуск ДВС по сравнению с аналогами.