четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с принудительной продувкой

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.