Система смазки двигателя внутреннего сгорания с "сухим" картером

 

Использование: машиностроение, в двигателях внутреннего сгорания с "сухим картером" и расходным масляным баком, расположенным выше двигателя. Изобретение позволяет повысить надежность системы смазки путем предотвращения вытекания масла из расходного бака при остановке двигателя. Сущность изобретения: система смазки двигателей внутреннего сгорания с сухим картером 1 содержит расходный масляный бак 2, откачивающий насос 3, нагнетательный насос 4 и маслопрокачивающий насос 5. Система снабжена установленным на картере 1 запорным клапаном 6, в корпусе 13 последнего выполнена полость 14, в которой соосно размещены направляющая втулка 15 с подпружиненным запорным шариком 17, подвижным поршнем 18 со сквозным осевым отверстием и посадочной поверхностью для шарика 17, и стержневой упор 20. Полость 24 соединена с дренажным каналом 25, причем дренажный 25 и впускной 29 каналы подключены к полости со стороны шарика, а диаметры поршня и его осевые отверстия выполнены в соответствии с соотношением D²-d² больше 4F_1пр/ΠP_мн ; D²-d² меньше 4F_1пр/Πγh , где D-наружный диаметр поршня; d-внутренний диаметр поршня; 4F_1пр усилие пружины, поджимающей поршень; P_мн -давление нагнетающего масляного насоса; γ -удельный вес масла; h-высота уровня масла в баке над клапаном. 1 з.п. ф-лы,2 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может применяться в двигателях внутреннего сгорания с "сухим" картером и расходным масляным баком, расположенным выше двигателя.

Известна система смазки двигателя внутреннего сгорания, содержащая масляный картер, заполненный маслом, и бак с дополнительной смазкой, установленный выше уровня масла в картере, насос, предназначенный для подачи смазки из масляного картера в бак и трубопровод подачи смазки из бака в масляный картер и запорный клапан, предотвращающий перетекание смазки из бака в масляный картер при остановке двигателя [1].

Эта система смазки позволяет размещать бак с дополнительной смазкой выше уровня масла в картере.

Однако эта система смазки имеет ряд существенных недостатков: система смазки должна иметь два резервуара для масла, где один из них находится в поддоне двигателя, а другой вспомогательный - отдельно от двигателя. Наличие резервуара для масла в поддоне значительно увеличивает габариты двигателя; система смазки требует обеспечения герметичности дополнительного бака. При нарушении его герметичности все масло перетечет в основной бак, что может привести к выходу двигателя из строя. Обеспечение герметичности дополнительного бака усложняет его конструкцию.

Эта система смазки затрудняет применение ее в транспортных двигателях, когда уровень масла в основном резервуаре постоянно меняется (при подъеме в гору, спускания с уклона).

Наиболее близкой по техническому решению предлагаемой системы смазки является масляная система двигателя внутреннего сгорания с "сухим" картером, содержащая расходный масляный бак, откачивающий насос, вход которого сообщен с картером двигателя, а выход с расходным масляным баком, нагнетающий насос, вход которого сообщен с расходным масляным баком, и выход с двигателем и предпусковой маслопрокачивающий насос со входом, сообщенным с расходным масляным баком и выходом [2].

Такая масляная система применима в транспортных двигателях. Обеспечивается надежная работа при крутых наклонах двигателя. Отсутствие резервуара с маслом в поддоне позволяет снизить габариты двигателя по высоте.

Однако указанная масляная система имеет существенный недостаток: при установке расходного масляного бака выше двигателя возможно перетекание масла из этого бака в картер в то время, когда двигатель остановлен. Пуск двигателя, заполненного маслом, перетекающим при остановке двигателя из расходного бака в картер, может привести к выходу двигателя из строя, а именно: к гидроудару, нарушению герметичности картера.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности за счет предотвращения вытекания масла из расходного масляного бака, размещенного выше двигателя при его останове.

Поставленная цель достигается тем, что в системе смазки двигателя внутреннего сгорания с "сухим" картером, содержащей расходный масляный бак, откачивающий насос, вход которого сообщен с картером двигателя, а выход - с расходным масляным баком, нагнетающий насос, вход которого сообщен с расходным масляным баком, а выход - с двигателем, и маслопрокачивающий насос - с входом, сообщенным с расходным масляным баком и выходом, установлен запорный клапан, размещенный на картере.

В корпусе этого клапана выполнены полость, в которой соосно размещены направляющая втулка с подпружиненным запорным шариком, подвижный поршень со сквозным осевым отверстием и посадочной поверхностью для шарика и стержневой упор, между торцем которого и шариком имеется зазор и связанные с полостью каналы - выпускной, два впускных, связанных соответственно с выходами, маслопрокачивающего и нагнетающего насосов, дренажный для сообщения с полостью картера двигателя, причем дренажный и впускной канал, связанный с выходом маслопрокачивающего насоса, подключены к полости со стороны шарика, а диаметры поршня и его осевое отверстие выполнены в соответствии с соотношением D²-d²> , D²-d²< , где D - наружный диаметр поршня; d - диаметр осевого отверстия в поршне; F_1пр - усилия пружины, поджимающей поршень; Р_мн - давление нагнетающего масляного насоса; γ - удельный вес масла; h - высота уровня масла в баке под клапаном.

В корпусе запорного органа выполнен соединительный канал, подключенный к впускному каналу, связанному с выходом маслопрокачивающего насоса, и к полости со стороны упора, в канале установлен обратный клапан, а диаметр дренажного канала меньше диаметра каждого из упомянутых каналов.

Новые существенные признаки предлагаемой масляной системы не присущи известным решениям (аналогу и прототипу) той же задачи.

В итоге цель, поставленная предлагаемым изобретением - повышение надежности за счет предотвращения вытекания масла из расходного бака, размещенного выше двигателя при останове последнего не решается ни прототипом, ни другими известными решениями в науке и технике.

В связи с указанным и тем, что у заявляемого решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, а также есть отличия в существенных признаках, заявляемая масляная система ДВС обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображена предлагаемая масляная система двигателя; на фиг. 2 - разрез запорного клапана.

Предлагаемая масляная система состоит из "сухого" картера 1, расходного масляного бака 2, расположенного выше двигателя, откачивающего насоса 3, нагнетающего насоса 4, маслопрокачивающего насоса 5, размещенного на масляном баке 2, а также из запорного клапана 6, расположенного на картере 1. Вход откачивающего масляного насоса 3 соединен с картером двигателя при помощи трубопровода 7, а выход этого насоса соединен при помощи трубопровода 8 с расходным масляным баком 2. Вход нагнетающего масляного насоса 6 соединен с расходным масляным баком 2 при помощи трубопровода 9, а его выход соединен с картером 1 через запорный клапан 6 при помощи трубопровода 10.

Вход маслопрокачивающего насоса 5 соединен с расходным масляным баком 2 при помощи трубопровода 11, а выход насоса 5 соединен с картером 1 через запорный клапан 6 трубопроводом 12.

Уровень масла в расходном масляном баке 2 поднят относительно запорного клапана 6 на высоту h.

Запорный клапан 6 состоит из корпуса 13 (фиг. 2), в котором выполнена полость 14, в которой соосно размещены направляющая втулка 15 с подпружиненным пружиной 16 запорным шариком 17.

Со стороны, противоположной пружине 16, в полости корпуса 13 расположен подвижный поршень 18 с наружным диаметром D и со сквозным осевым отверстием диаметра d, и посадочной поверхностью для шарика 17.

Со стороны, противоположной пружине 16, в полости 19 установлен стержневой упор 20, закрепленный в крышке 21, закрывающей с торца полость 18. Между шариком 17 и торцем стержневого упора 20 имеется зазор "а". В полости 19 расположена пружина 22, поджимающая подвижный поршень 18 в сторону шарика 17. Усилие пружины 16 слабее, чем усилие пружины 22, и поршень 18 за счет разности этих усилий упирается в торец 23 полости 19.

Полость 24 за шариком 17, в которой расположена пружина 16, соединена дренажным каналом 25 с полостью картера 1.

Полость 14 соединена каналом 26 с выходом нагнетающего масляного насоса 4 через трубопровод 10. Полость 19 за шариком 17, в которой расположена пружина 22, соединена каналом 27 с главной масляной магистралью 28 двигателя.

Полость 24 со стороны шарика 17 соединена впускным каналом 29, который подключен к выходу маслопрокачивающего насоса 5 при помощи трубопровода 12.

В корпусе 1 запорного клапана выполнен соединительный клапан 30, связывающий полость 19 с впускным каналом 29. В соединительном канале установлен обратный клапан 31, состоящий из шарика 32, поджатого пружиной 33 в сторону впускного канала 29.

Диаметр дренажного канала 25 гораздо меньше, чем диаметры каналов 29 и 30.

Система смазки работает следующим образом.

Перед началом работы двигателя требуется создание давления в главной масляной магистрали 28. Для этого включается предпусковой маслозакачивающий насос 5, установленный на расходном масляном баке 2 и приводимый от электродвигателя.

Из расходного масляного бака 2 через маслопрокачивающий насос 5 по трубопроводу 12 масло поступает в корпус клапана 13 через впускной канал 29. Из него одновременно поступает в полость 24 и соединительному каналу 29 через клапан 30 в полость 19. Часть масла из полости 24 сливается по дренажному каналу 25 в картер двигателя. Но из-за того, что проходное сечение этого канала гораздо меньше, чем проходное сечение впускного канала 29, потери масла через дренажный канал 25 незначительные. В полости 24 и в полости 18 создается одинаковое избыточное давление. Шарик 17 прижимается к поршню 18 усилием пружины F_пр.2. Дополнительно на шарик действуeт со стороны полости 24 усилие, равное F_1мзн= P , а со стороны полости 19 на шарик действует сила F_2мзн= P , где Р_мзн - давление, создаваемое маслозакачивающим насосом, d_ш - диаметр шарика, d - внутреннее отверстие поршня.

Вследствие того, что диаметр шарика 17 больше диаметра отверстия поршня 18, то дополнительно к усилию пружины 16 шарик прижимается к поршню 18 усилием разности сил, действующих на шарик от давления в полости 24 и в полости 19, равное P - P = P_мзн(d²_ш-d²).

Общее усилие, прижимающее шарик 17 к поршню 18, равно
F = F_2пр + Р_мзн(d_ш² - d²).

Обеспечивается надежная герметизация по разъему "шарик-поршень".

Масло из впускного канала 29 начинает идти по соединительному каналу 30 через клапан 31 в полость 19, а из нее по каналу 27 в главную масляную магистраль 28 двигателя.

После закачки масла в двигатель, предпусковой маслозакачивающий насос отключается и запускается двигатель. Масло из расходного масляного бака 2 поступает по трубопроводу 9 в нагнетающий масляный насос 4, а из него масло нагнетается в клапан 6, в который оно поступает через канал 26.

Под давлением масла поршень 18 с шариком 17, преодолевая усилие пружины 22, начинает двигаться вправо. Зазор "а" выбирается и шарик 17 натыкается на торец стержня 23, а поршень продолжает двигаться вправо. Открывается внутреннее отверстие поршня 18 и через него масло начинает поступать в полость 19. Когда давление масла в полости 19 становится больше давления пружины 16, шарик 17, сжимая пружину 16, отходит влево до упора. Поршень 18 под действием пружины 22 перемещается влево до упора в торец 23 корпуса 13. Масло из канала 26 через внутреннее отверстие поршня 18 поступает в полость 19 и из нее через канал 27 поступает в главную магистраль 28.

Поступлению масла в канал 30 препятствует клапан 31. Просачивающееся масло между шариком 17 и его направляющей 15 попадает в полость 24, а из нее по каналу 25 сливается в картер двигателя.

Для того, чтобы клапан открылся и масло начало перетекать из канала 26 в полость 19, требуется, чтобы сила, с которой масло давит на поршень 18, была больше усилия пружины 22, т.е., чтобы соблюдалось условие
πP - >F₂,
т.е.

(D²-d²)>F₂, где Р_мн - давление, создаваемое нагнетающим масляным насосом,
D - наружный диаметр поршня 18,
d - диаметр отверстия в поршне 18, закрываемое шариком 17,
F₂ - усилие пружины 22, когда выбран зазор "а".

Первоначально из-за наличия мощной пружины 22 сопротивление в клапане высоко, но когда шарик 17 отжимается влево, а поршень 18 возвращается под действием пружины 22 в свое исходное положение (до упора в торец 23), сопротивление в клапане резко снижается, так как усилие пружины 16 незначительное и полость 24 за шариком соединена с полостью низкого давления (полостью картера), где давление близко к атмосферному.

Когда двигатель остановлен, тогда на клапан воздействует давление столба масла высотой h. Этот столб масла воздействует на шарик 17 и на поршень 18. При этом возникает сила, стремящаяся сместить шарик 17 влево, которая равна:
F_шh= h - , т.е. F_шh= (d²_ш-d²), где h - уровень масла в расходном баке 2 над клапаном 6;
γ - удельный вес масла;
d_ш - диаметр шарика;
d - диаметр отверстия в поршне 18.

Так как разница между d_ш и d незначительная, то сила, стремящаяся сместить шарик 11 влево, тоже невелика. Поэтому достаточно незначительного усилия пружины 16, чтобы противостоять этой силе. Со стороны столба масла действует также сила, стремящаяся отодвинуть поршень 18 вправо, которая равна
F_nh=h - ,
т.е.

F_nh= (D²-d²).

Чтобы обеспечить герметичность клапана при стоянке двигателя нужно, чтобы соблюдалось следующее условие: F_nh < F_1пр, где F_1пр - усилие пружины 22 при выбранном зазоре "а", т.е. (D²-d²)<F , при этом (D²-d²)< , а чтобы обеспечивалось открытие клапана требуется, чтобы соблюдалось условие
, при этом (D²-d²) > .

Отсюда следует, что > , из этого следует > P_мн>hγ , т. е. давление в нагнетающем масляном насосе 4 должно быть выше, чем давление столба в масляной системе над уровнем клапана 6.

Наружный диаметр поршня, а также диаметр его внутреннего отверстия, закрываемого шариком 17, должны быть выбраны с таким условием, чтобы было сохранено условие
_>(D2_-d2_{) >} .

При этом условии обеспечивается открытие клапана при работе нагнетающего масляного насоса 4 и обеспечивается надежное его запирание при неработающем двигателе.

Перетекание масла из расходного масляного бака 2 через предпусковой маслозакачивающий насос 5 по трубопроводу 12, а затем через клапан 6 в картер двигателя практически не происходит.

Это объясняется следующим:
обеспечивается хорошая герметичность между рабочими шестернями и корпусом этого насоса, так как предпусковой маслозакачивающий насос 5 работает лишь эпизодически и короткое время и износ шестерен и корпуса за весь период эксплуатации двигателя практически не наблюдается в отличие от нагнетающего масляного насоса 4, работающего постоянно и под большими нагрузками.

Перетекание масла из бака 2 в картер 1 двигателя по трубопроводу 12 можно устранить, предотвратив открывание клапана 31 под напором столба масла, установив в нем жесткую пружину 33, увеличив при этом сопротивление в этом клапане. При этом механический КПД двигателя практически не уменьшается, так как клапан 31 открывается только при работе насоса 5 при запусках двигателя.

Установка клапана 6 в масляной системе двигателя позволяет устранить перетекание масла из масляного бака 2 в картер двигателя при условии, когда масляный бак 2 по конструктивным, компоновочным или другим соображениям установлен выше двигателя и при этом не увеличивает сопротивление в масляной системе двигателя.

Перетекание масла в картер двигателя может привести к следующим последствиям, которые могут произойти в эксплуатации:
масло заполняет весь объем картера и вытекает из различных уплотнений из двигателя, например, из-под уплотнений коленвала;
пуск двигателя с переполненным маслом картером может привести к гидроудару из-за движения поршней и разрушению картера или других деталей двигателя;
перед пуском двигателя механик, проверив уровень масла в баке 2, замечает, что масла в баке не хватает (оно все перетекло в картер) и доливает дополнительное количество масла в бак.

При пуске двигателя все масло из картера откачивается откачивающим масляным насосом и разрывает масляный бак.

Установка предлагаемого клапана в масляной системе двигателя позволит устранить все эти возможные последствия и получить значительный экономический эффект в народном хозяйстве.

Формула изобретения

1. СИСТЕМА СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С "СУХИМ" КАРТЕРОМ, содержащая расходный масляный бак, откачивающий насос, вход которого сообщен с картером двигателя, а выход - с расходным масляным баком, нагнетательный насос, вход которого сообщен с расходным масляным баком, а выход - с двигателем, и маслопрокачивающий насос со входом, сообщенным с расходным масляным баком, и выходом, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности путем предотвращения вытекания масла из расходного бака, размещенного выше двигателя, при остановке последнего, система снабжена установленным на картере двигателя запорным клапаном, в корпусе последнего выполнена полость, в которой соосно размещены направляющая втулка с подпружиненным запорным шариком, подвижный поршень со сквозным осевым отверстием и посадочной поверхностью для шарика и стержневой упор, между торцами которого и шариком имеется зазор, и связанные с полостью каналы выпускной, два впускных, связанных соответственно с выходами маслопрокачивающего и нагнетательного насосов, дренажный для сообщения с полостью картера двигателя, причем дренажный канал и впускной канал, связанный с выходом маслопрокачивающего насоса, подключены к полости со стороны шарика, а диаметры поршня и его осевого отверстия выполнены в соответствии с соотношением
D²-d²> ;
D²-d²< ,
где D - наружный диаметр поршня;
d - внутренний диаметр поршня;
F_iпр - усилие пружины, поджимающей поршень;
P_мн - давление нагнетающего масляного насоса;
γ - удельный вес масла;
h - высота уровня масла в баке над клапаном.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе запорного органа выполнен соединительный канал, подключенный к впускному каналу, связанному с выходом маслопрокачивающего насоса, и к полости со стороны упора, в канале установлен обратный клапан, а диаметр дренажного канала меньше диаметра каждого из вышеупомянутых каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2