Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: устройство позволяет повысить эффективность работы двигателя путем увеличения воздушного заряда цилиндров. В двигателе на кулачковом валу 18 закрепляют комбинированные кулачки , одни из которых 20 взаимодействуют с впускными 12 и перепускными 10 клапанами на режиме со всеми работающими цилиндрами 1-6, а другие 21-24 - в режиме с отключением цилиндров 4-6. Профили кулачков обеспечивают последовательное сжатие воздушного заряда в отключаемых цилиндрах с последующим перепуском его в работающие. Впускной ресивер 11 и перепускной коллектор 9 сообщены через обратный клапан 14. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l 9) (11) (si)s F 02 D 17/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4824314/06 (22) 08.05.90 (46) 15.04.92. Бюл. N 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский тепловозный институт (72) Б.В. Евстифеев и Ю.В. Соин (53) 621.432 (088,8) (56) Патент США N. 2676752, кл. 417-237, опублик. 1954. (54) Ч ЕТЫ Р ЕХТАКТН Ы Й ДВ ИГАТЕЛ Ь

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Сущность изобретения: устройство позволяет повысить эффективность работы двигателя путем увеличения воздушного заряда цилиндров. В двигателе на кулачковом валу 18 закрепляют комбинированные кулачки, одни из которых 20 взаимодействуют с впускными 12 и перепускными 10 клапанами на режиме со всеми работающими цилиндрами 1-6, а другие 21-24 — в режиме с отключением цилиндров 4-6. Профили кулачков обеспечивают последовательное сжатие воздушного заряда в отключаемых цилиндрах с последующим перепуском его в работающие. Впускной ресивер 11 и перепускной коллектор 9 сообщены через обратный клапан 14. 2 з. п. ф-лы. 3 ил. 4 о ,СО о ь

1)

1726816

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами.

Известен двигатель внутреннего сгорания, конструкция впускного и выпускного тракта которого обеспечивает циркуляцию воздуха по замкнутому циклу: цилиндры— выпускной тракт — впускной тракт — цилиндры.

Данный двигатель не обеспечивает перепуск сжатого воздуха между работающими и отключенными цилиндрами.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускные и перепускные клапаны в крышке цилиндра, впускной ресивер и перепускной коллектор, сообщенные с цилиндрами двигателя через соответственно впускные и перепускные клапаны, причем перепускным коллектором сообщены между собой цилиндры, смещенные. по фазе работы на угол, равный 360 поворота вала двигателя.

В этом двигателе не предусмотрено объединение перепускным коллектором всех цилиндров двигателя и сообщение между собой впускного ресивера и перепускного коллектора.

Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий отключаемые и неотключаемые цилиндры, каждый из которых посредством каналов и размещенных в них впускных, перепускных и выпускных клапанов сообщен соответственно с воздушным ресивером, перепускным коллектором и выпускным трактом, механизмы отключения топливоподачи и выпускных клапанов отключаемых цилиндров, привод клапанов, включаюший кулачковый вал, имеющий возможность осевого возвратно-поступэтел ьного перемещения, механизм осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулачковом валу, каждая из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль.

Привод перепускных клапанов ручной, а отбираемый сжатый воздух наполняет расходную емкость. Устройство для остановки выпускных клапанов в закрытом положении выполнено в виде набора кулачков на кулачковом валу, один из которых имеет цилиндрический профиль.

Известный двигатель не имеет сообщения воздушного ресивера с перепускным коллектором и привода перепускных клапанов от кулачкового вала, а профили выступающих частей кулачков не обеспечивают перепуск сжатого воздуха между отключаемыми и неотключаемыми цилиндрами, что не позволяет повысить воздушный заряд работающих цилиндров.

Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя путем увеличения воздушного заряда цилиндра.

Для достижения поставленной цели в известный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий отключэемые и неотключаемые цилиндры, каждый из которых посредством каналов и размещенных в них впускных, перепускных и выпускных клапанов сообщен соответственно с воздушным ресивером, перепускным коллектором и выпускным трактом, механизмы отклкчения топливоподачи и выпускных клапанов отключаемых цилиндров, привод клапанов, включающий кулачковый вэл, имеющий возможность осевого возвратнопоступательного перемещения, механизм осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулэчковом валу, каждый из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль, дополнительно кулачки второй группы выполнены таким образом, что кулачки, взаимодействующие с впускными клапанами, имеют кривизну выступающих частей идентичного профиля, у кулачков, взаимодействующих с перепускными клапанами отключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профилей имеют на

0...60 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки — отставание соответственно от конечных и начальных точек выступающих частей профилей кулачков, взаимодействующих с впускными клапанами отключаемых цилиндров, у кулачков, взаимодействующих с перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профиля имеют на 0...40 поворота кулэчкового вала опережение, а конечные точки имеют на 20...50 поворота кулачковогс вала отставание относительно конечных точек выступающих частей профиля кулачков., 1726816 на постоянно работающие(неотключаемые)

1-3 и отключаемые 4-6. Все цилиндры сообщены с выпускным трактом 7 через выпускные клапаны 8, с перепускным коллектором

9 — через перепускные клапаны 10 и с впускным ресивером 11 — через впускные кла35 паны 12. Патрубок 13 с обратным клапаном

14 сообщает впускной ресивер с перепускным коллектором, в которые свежий воздух поступает через воздушный фильтр 16. Клапаны 10 и 12 взаимодействуют через соеди40 нительные звенья 16 и 17 с кулачковым валом 18, соединенным с механизмом 19 осевого перемещения. На валу закреплены кулачки первой группы 20 и второй, состоящей из кулачков первой 21 и второй подгрупп

22, взаимодействующих соответственно с впускными и перепускными клапанами от-. ключаемых цилиндров, третьей 23 и четвертой 24 подгрупп, взаимодействующих 50 соответственно с впускными и перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, а также промежуточные шайбы 25. Привод выпускных клапанов отключаемых цилиндров содержит гидравлические механизмы

26 отключения. Стрелками показано направление движения газов.

Нап фиг. 2 обозначено: hxл — перемещение газораспределительных клапанов; <ругол поворота коленчатого вала двигателя;

55 взаимодействующих с впускными клапанами неотключаемых цилиндров.

Воздушный ресивер сообщен с перепускным коллектором через обратный клапан, обеспечивающий перепуск воздуха только в 5 направлении перепускного коллектора.

Кроме того, кулачковый вал снабжен промежуточной шайбой, которая имеет ци- . линдрическое сечение и размещена соосно валу между кулачками первой и второй 10 групп отключаемых цилиндров, а протяженность участка выступающей части профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами, на 10...50 поворота кулач кового вала меньше протяженности уча- 15 стка выступающей части профиля кулачков первой группы.

На фиг. 1 представлена схема двигателя с сечениями кулачков; на фиг. 2 — фазы работы клапанов: а) клапаны, взаимодейству- 20 ющие с кулачками первой группы в режиме всех включенных цилиндров; б) и в) клапаны соответственно неотключаемых и отключаемых цилиндров, взаимодействующие с кулачками второй группы в режиме с 25 отключением части цилиндров; на фиг. 3— схема работы четырехтактного 6-цилиндрового рядного дизеля с порядком работы цилиндров 1-5-3-6-2-4.

Цилиндры двигателя (фиг. 1) разделены 30

ВЫП, ВП, СЖ и P.Х. — такты работы двигателя соответственно: "Выпуск", "Впуск", "Сжатие" и "Рабочий ход", 20 — перемещение соединительных звеньев (толкателей) и соответствующих клапанов первой группы и подгрупп; 21 — первой, 22 — второй, 23— третьей и 24- четвертой.

Двигатель работает следующим образом.

На режиме номинальной и. средней мощности двигатель работает на всех цилиндрах, при этом кулачковый вал 18 находится в левом на фиг. 1 положении. Кулачки первой группы 20 через соединительные звенья 16 и 17 при вращении вала воздействуют как на перепускные клапаны 10, так и на впускные 12 всех цилиндров двигателя, В процессе наполнения цилиндровдвигателя свежий заряд (воздух) поступает через фильтр 15 в патрубок 13 и далее в воздушный ресивер 11 и одновременно, минуя обратный клапан 14, в перепускной коллектор

9, Иэ коллектора и ресивера воздух через открытые клапаны 10 и 12 заполняет цилиндры на тактах "Впуск". Затем в цилиндрах происходят процессы сжатия, расширения и выпуска — двигатель работает в обычном режиме четырехтактного дизеля. Выпускные клапаны 8 всех цилиндров работают в идентичном режиме, имея привод, например, от выпускных кулачков, размещенных на кулачковом валу (не показано). Механизмы 26 отключения выпускных клапанов 8, выполненные, например, в виде гидроштакг при этом включены и передают возвратнопоступательное перемещение от кулачков к клапанам. Кроме того, выпускные клапаны могут управляться QT злектрогидравлического привода, механического и т. и.

На режимах малых нагрузок и холостого хода для увеличения индикаторного КПД и, следовательно, экономичности двигатель переводят на работу с отключением части цилиндров. Механизм 26 отключают, и выпускные клапаны 8 отключаемых цилиндров останавливают в закрытом положении. Кулачковый вал 18 посредством механизма 19 перемещают в осевом направлении вправо, и он занимает положение, изображенное на фиг. 1.

В качестве механизма 19 перемещения может быть применено, например, устройство с ручным приводом либо механический привод перемещения кулачкового вала реверсивных двигателей.

После перемещения вала в работу вступают кулачки второй группы, а именно кулачки первой подгруппы 2 1 через соединительные звенья 16 при вращении воздействуют на впускные клапаны 12 от1726816 ключаемых цилиндров 4 — 6; кулачки второй подгруппы 22 через соединительные звенья

17 воздействуют на перепускные клапаны

10 отключаемых цилиндров; кулачки третьей подгруппы 23 и четвертой 24 воздействуют соответственно через звенья 16 и 17 на впускные 12 и перепускные 10 клапаны неотключаемых цилиндров 1 — 3.

Двойной зеркально расположенный профиль кулачков 21 обеспечивает заполнение воздухом каждого отключаемого цилиндра дважды за рабочий цикл: на тактах

"Впуск" и "Рабочий ход" (фиг, 2 и 3). Аналогичный, по меньшей продолжительности профиль кулачков 22 (фиг. 2) обеспечивает перепуск сжатого воздуха между отключаемыми цилиндрами и перепускным коллектором на тактах "Сжатие" и "Выпуск". Профиль кулачков третьей подгруппы 23 обеспечивает заполнение неотключаемых цилиндров 1 — 3 свежим зарядом на тактах "Впуск". Уменьшенная протяженность выступающей части профиля кулачков 23 по сравнению с кулачком 20 обеспечивает увеличение воздушного заряда цилиндра при пониженных частотах вращения за счет исключения выброса заряда в начале такта "Сжатие".

Профиль кулачков четвертой подгруппы

24 обеспечивает подачу сжатого воздуха из коллектора 9 в неотключаемые цилиндры в период такта "Сжатие".

Выпускные клапаны 8 неотключаемых цилиндров работают в прежнем режиме.

Так, например, в отключенном цилиндре 4 (фиг. 1 и 3) на такте "Рабочий ход" производят заполнение цилиндра свежим зарядом через открытый впускной клапан

12 и на такте "Выпуск" — сжатие го в этом цилиндре, В процессе сжатия открывают перепускной клапан 10 и сжатый в цилиндре

4 воздух по коллектору 9 направляют в отключенный 6-й цилиндр, где также открывают соответствующий перепускной клапан

10 и в котором закончился процесс наполнения на такте "Впуск" и начался процесс сжатия воздушного заряда.

Таким образом, в цилиндре 6 сжимают двойной воздушный заряд и в процессе сжатия направляют его в неотключаемый цилиндр

2 посредством открытия перепускного клапана 10 цилиндра 2, в котором закончился процесс наполнения и начинается процесс сжатия, т. е. неотключаемый (постоянно работающий) цилиндр 2 оказывается заполненным тройным воздушным зарядом.

Далее в цилиндре 2 осуществляют процессы расширения и выпуска, т. е. совершается обычный цикл четырехтактного дизеля.

Аналогично производят перепуск сжатого воздуха в других цилиндрах, а именно

55 иэ отключенного цилиндра 5, заполненного свежим зарядом на такте "Рабочий ход", воздух перепускают в отключенный цилиндр 4 и после добавочного сжатия — в работающий цилиндр 1. Иэ цилиндра 6 воздух направляют в цилиндр 5 и затем в цилиндр 3.

Таким образом, каждый работающий цилиндр оказывается заполненным тройным воздушным зарядом, который может быть использован для повышения мощности при увеличении цикловой подачи топлива либо для улучшения экономичности за счет увеличения коэффициента избытка воздуха при сгорании, либо для повышения эффективности работы двигателя от совместного действия этих двух факторов.

При работе с отключением части цилиндров выходу сжатого воздуха из перепускного коллектора 9 в воздушный ресивер 11 препятствует обратный клапан 14, перепускающий воздух только в сторону перепускного коллектора 9.

На режимах, когда включаются в работу все цилиндры, и впускные и перепускные клапаны всех цилиндров работают с одинаковыми фазами, соответствующими работе двигателя без отключения цилиндров, а поступающий по патрубку 13 воздух, разделяясь на два потока, заполняет воздушный. ресивер и перепускной коллектор, который в этом случае выполняет роль второго воздушного ресивера, Выпускные клапаны всех цилиндров работают также с одинаковыми фазами.

Идентичная крутизна выступающей части каждого профиля кулачков первой 21 и третьей 23 подгрупп обусловлена тем, что в соответствующие периоды в цилиндрах протекают однотипные процессы наполнения с той лишь разницей, что в отключаемых цилиндрах они повторяются с удвоенной частотой.

Опережение и отставание на 0...60 rioворота кулачкового вала начала и конца выступающих частей профиля кулачков второй подгруппы от соответственно конца и начала профилей кулачков первой подгруппы (фиг. 2) обусловлено тем, что в практике для уменьшения сопротивления в щели открывающегося (и закрывающегося) клапана, а также для использования скоростного напора потока, момэнты открытия и закрытия клапанов сдвигаются с определенным перекрытием. Так, например, перекрытие впускных и выпускных клапанов двигателя типа

ЧН21/21 составляет 67 поворота кулачкового вала.

Диапазон 0„.60 поворота кулачкового вала (0„.120 поворота коленчатого вала вы1726816

", так как частота вращения двигателя на имах при отключении части цилиндров остой ход, малые нагрузки) меньше часвращения при всех включенных цилинх (номинальная мощность, средние рузки), а профили впускных кулачков и, тветственно, протяженность выступаючасти (кулачки первой группы) рассчиаются для режима номинальной ности, По данным многочисленных исследоваугол закрытия впускных клапанов для има минимальной частоты вращения жен составлять 0...20 поворота кулачкоо вала за нижнюю мертвую точку такта атие". Для номинальной частоты вращеу большинства двигателей этот угол совляет 20...40 поворота кулачкового вала ..80 поворота коленчатого вала). Так намер, для двигателя 6ЧН21/21 названугол равен 45О поворота коленчатого а. Таким образом, требуемое уменьшение тяженности составляет 10...50 поворота ачкового вала. Более значительное н ьш ение и ротяжен ности (сверх 50 ), водит к закрытию впускных клапанов до ней мертвой точке такта "Впуск", что же уменьшает величину поступающего жего заряда, что без принятия специальмер (цикл Миллера) ухудшает экономичть двигателя.

Таким образом, предлагаемый двигаь внутреннего сгорания обеспечивает

ышение эффективности работы за счет личения воздушного заряда цилиндра ем организации перепуска сжатого воза между отключенными и постоянно раающими цилиндрами, что в результате валяет повысить мощность, улучшить номичность и снизить токсичность двиелей.

Предложенное устройство разрабатытся применительно к тепловозным двиелям типа ЧН21/21 и может быть ользовано на двигателях различного начения и иных размерностей.

Формула изобретения

1. Четырехтактный двигатель внутрено сгорания, содержащий отключаемые и тключаемые цилиндры, каждый из котах посредством каналов и размещенных в х впускных, перепускных и выпускных панов сообщен соответственно с возшным ресивером, перепускным коллектом и выпускным трактом, механизмы ключения топливоподачи и выпускных панов отключаемых цилиндров, привод апанов, включающий кулачковый вал, еющий возможность осевого возвратноступательного перемещения, механизм бран из статистического анализа существу- тие ющих двигателей с учетом их скоростного реж режима при отключении цилиндров и давле- (хол ния перепускаемого воздуха, причем при- тоты ближение угла к нулевому значению 5 дра характерно для более высоких скоростных наг режимов и давлений и в пределе к теорети- соо ческому процессу наполнения и сжатия беэ щей влияния сопротивлений и скоростных напо- ты в ров. Увеличение названного диапазона 10 мощ сверх 60 поворота кулачкового вала приводит к потере свежего заряда (обратному вы- ний бросу в воздушный ресивер) для реальных реж двигателей внутреннего сгорания. дол

Выбранное соотношение 0„.40 поворо- 15 вог та кулачкового вала между началом и концом иСж выступающих частей профиля соответствен- ния но четвертой и третьей подгрупп кулачков ста обусловлено указанными факторами, а раз- (40. ница в диапазоне объясняется большими 20 при значениями давления перепускаемого воз- ный духа. Выбор угла больше 40 поворота ку- вал лачкового вала приводит к забрасыванию про сжатого воздуха из перепускного коллекто- кул ра через цилиндр во впускной ресивер, что 25 уме ухудшает наполнение неотключаемых ци- при линдров свежим зарядом на такте "Впуск". ниж

Отставание на 20...50 поворота кулач- так кового вала концов профилей кулачков чет- све вертой подгруппы относительно третьей 30 ных определено из анализа процесса сжатия в нос цилиндре по индикаторным диаграммам с учетом различных начальных давлений сжа- тел тия, степени сжатия, скоростного режима, пов давления перепускаемого воздуха и ряда 35 уве других факторов. Выбор угла меньше 20 пут приводит к неполному использованию в ра- дух ботающих цилиндрах перепускаемого сжа- бот о того воздуха, а увеличение у.-ла сверх 50 - поз к обратному перетоку сжимаемого в цилин- 40 эко дре воздуха обратно в перепускной коллек- гат тор.

Промежуточная шайба 25 (фиг. 1), раэ- вае мещенная между кулачками первой и вто- гат рой групп отключаемых цилиндров за счет 45 исп цилиндрического сечения без выступающих зна частей позволяет останавливать в закрытом положении соответствующие клапаны при переходе с режима при всех работающих нег цилиндрах на режим с частично отключен- 50 нео ными цилиндрами. ры

Уменьшение на 10...50 поворота кулач- . ни кового вала протяженности участка высту- кла пающей части профиля кулачков второй ду группы, взаимодействующих с впускными. 55 ро клапанами относительно протяженности от участка выступающей части профиля кулач- кла ков первой группы, выполнено для умень- кл шения (исключения) обратного выброса им воздуха из цилиндра в начале такта "Сжа- ло

1726816

hen осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулачковом валу, каждая из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности работы путем увеличения воздушного заряда цилиндра, кулачки второй группы, взаимодействующие с впускными клапанами, имеют кривизну выступающих частей идентичного профиля, у кулачков второй группы, взаимодействующих с перепускными клапанами отключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профилей имеют на

0...60 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки — отставание соответственно от конечных и начальных точек выступающих частей профилей кулачков, взаимодействующих с впускными клапанами отключаемых цилиндров, у кулачков второй группы, взаимодействующих с перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профиля имеют на 0...40 поворота кулачкового вала опережение, а конечные

5 точки — на 20...50 поворота кулачкового вала отставание относительно конечных точек выступающих частей профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами неотключаемых цилиндров, 10 воздушный ресивер сообщен с перепускным коллектором через обратный клапан, установленный с возможностью перепуска воздуха в направлении перепускного коллектора, 15 2. Двигатель по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что кулачковый вал снабжен промежуточной шайбой, которая имеет цилиндрическое сечение и размещена соосно с валом между кулачками первой и второй групп от20 ключаемых цилиндров.

3. Двигатель по пп, 1 и 2, о т л и ч а юшийся тем, что протяженность участка выступающей части профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускны25 ми клапанами, на 10...50 поворота кулачкового вала меньше протяженности участка выступающей части профиля кулачков первой группы.

14

1726816 ряб gg дщ5ор и пост пление эаряда — нопрцбленое перепрс и

Составитель

Редактор Г.Лазоренко Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Э.Лончакова

Заказ 1264 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101