Двигатель внутреннего сгорания с фазовым смещением рабочего цикла

 

Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания с фазовым смещением рабочего цикла содержит цилиндр с размещенными в нем рабочим и вспомогательным поршнями, свечу зажигания, впускной и выпускной клапаны, установленные в стенке цилиндра, передаточные элементы, связанные с коленчатым валом, дополнительный вал, соединенный с одним из передаточных элементов, кулачок, присоединенный к одному из концов дополнительного вала, возвратную пружину и упор со штоком, соединенный со вспомогательным поршнем, причем один из концов пружины связан с упором, контактирующим с кулачком, а рабочий поршень соединен с коленчатым валом посредством кривошипно-шатунного механизма. С целью повышения эффективности передаточного элемента выполнены с коэффицентом передачи, равным единице. Привод вспомогательного поршня может осуществлятся также с помощью силового гидроцилиндра со штоком и маслораспределителя, обеспечивающего перемещение штока силового гидроцилиндра. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобильной промышленности и на транспорте.

Известен двигатель, содержащий цилиндр с поршнем, систему газораспределения, систему зажигания, коленчатый вал с маховиком, причем коленчатый вал соединен с поршнем через шатун, система газораспределения соединена с коленчатым валом посредством передаточных элементов в виде зубчатых колес или цепи.

Этому двигателю присущи такие недостатки, как низкий крутящий момент и большие динамические нагрузки на подшипники коленчатого вала вследствие того, что максимальное давление рабочего процесса приходится на малые углы поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя, равные 10-14^о, от верхней мертвой точки (ВМТ), где сила, создающая крутящий момент, невелика по отношению к силе, действующей нормально на коленчатый вал двигателя и приводящей к значительным потерям мощности и износу подшипников коленчатого вала. К недостаткам следует отнести необходимость использования дорогостоящего высокооктанового топлива для повышения мощности двигателя за счет увеличения степени сжатия и ухудшение массогабаритных характеристик двигателя при повышении крутящего момента двигателя за счет увеличения длины кривошипа коленчатого вала.

Известен двигатель с противофазно движущимися поршнями, причем каждый поршень имеет свой коленчатый вал, с которым соединен через шатун, коленчатые валы через систему зубчатых колес соединены с выходным валом двигателя и системой газораспределения.

По сравнению с однопоршневой такая конструкция обеспечивает повышение мощности, но она имеет те же недостатки, что и однопоршневая конструкция. Основным недостатком является низкое значение силы, создающей крутящий момент, по отношению к силе, вызывающей динамические нагрузки на валу двигателя и увеличивающей потери мощности на трение и износ при углах ПКВ вблизи ВМТ, где давление и температура рабочего процесса имеют максимальные значения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому двигателю является двигатель внутреннего сгорания с усовершенствованным процессом горения, содержащий цилиндр с основным и вспомогательным поршнями с впускным и выпускным клапанами, свечой зажигания, рычажную систему передачи движения вспомогательному поршню от толкателя, возвратную пружину, установленную между упором и толкателем, который через подшипник качения упирается в кулачок, соединенный посредством механической передачи с коленчатым валом двигателя.

Цель этого изобретения заключается в осуществлении рабочего процесса в ДВС после ВМТ без потери степени сжатия и мощности.

Поджиг рабочей смеси осуществляется при угле ПКВ 34^о после ВМТ основного поршня, причем вспомогательный поршень не двигается и находится в своей нижней мертвой точке (НМТ). Профиль кулачка управления вспомогательным поршнем обеспечивает нахождение вспомогательного поршня в НМТ в течение 43^о поворота своего вспомогательного вала после момента поджига.

Основные недостатки этого двигателя заключаются в следующем. В начале рабочего процесса при угле ПКВ 34^о от ВМТ основного поршня вспомогательный поршень находится в НМТ и происходит поджиг смеси. При этом скорость движения основного поршня в 2-2,5 раза больше, чем при угле ПКВ 3-7^о до ВМТ в обычном по конструкции двигателе, что определяется законом движения кривошипно-шатунного механизма. Коэффициент передачи движения от рабочего поршня к вспомогательному, который в данном двигателе принят равным 0,5, и большая скорость движения основного поршня приводят к значительной скорости увеличения объема камеры сгорания. Действие этого фактора совместно с тем, что процесс горения топливной смеси не происходит мгновенно, определяет рабочий процесс, в котором ухудшены условия как начальной фазы горения топлива, так и периода основного горения. Поэтому в рассматриваемом двигателе будут снижены максимальное и среднее эффективное давление и, как следствие, упадет эффективность работы по сравнению с двигателем обычной конструкции.

Цель изобретения заключается в повышении эффективности работы двигателя при осуществлении рабочего процесса после ВМТ рабочего поршня. Положительный эффект заключается в значительном увеличении крутящего момента на валу двигателя по сравнению с двигателем обычной конструкции при одинаковом рабочем объеме. В предлагаемом двигателе возможно повысить степень сжатия до максимальной возможной для конкретного типа топлива. Кроме того, обеспечивается "мягкая" работа двигателя и улучшается его пуск.

Сущность изобретения состоит в смещении рабочего процесса на участок движения рабочего поршня после его ВМТ с помощью вспомогательного поршня, движение которого происходит таким образом, что процесс горения топлива осуществляется при постоянном объеме. Это достигается за счет профиля кулачка и коэффициентом передачи движения от рабочего поршня к вспомогательному, равным единице. За счет этого повышается эффективность работы двигателя по сравнению с прототипом.

К отличительным от прототипа признакам относятся следующие: передаточные элементы привода вспомогательного поршня выполнены с коэффициентом передачи, равным единице, двигатель дополнительно содержит силовой гидроцилиндр со штоком и маслораспределитель, а последний выполнен с возможностью перемещения штока силового гидроцилиндра.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы двигателя с приводом вспомогательного поршня от кулачка и с помощью гидравлического привода; на фиг. 3 и 4 диаграммы движения рабочего и вспомогательного поршней.

Двигатель (фиг. 1) содержит цилиндр 1 с размещенными в нем рабочим 2 и вспомогательным 3 поршнями, свечу зажигания 4, впускной клапан 5, выпускные клапаны 6, установленные в стенке цилиндра передаточные элементы зубчатые колеса 7 и 8, цепь 9 с коэффициентом передачи, равным единице, связанные с коленчатым валом 10, дополнительный вал 11, соединенный с зубчатым колесом 7, кулачок 12, присоединенный к дополнительному валу 11, возвратную пружину 13 и упор 14 со штоком 15, соединенный со вспомогательным поршнем 3, причем один из концов пружины 13 связан с упором 14, контактирующим с кулачком 12, а рабочий поршень 2 соединен с коленчатым валом 10 посредством кривошипно-шатунного механизма 16.

В случае использования гидравлического привода вспомогательного поршня двигатель (фиг. 2) содержит силовой гидроцилиндр 17 со штоком 15, соединенным со вспомогательным поршнем 3, маслораспределитель 18, соединенный каналами с камерами силового гидроцилиндра 17, возвратную пружину 13, соединенную одним концом с маслораспределителем 18, а другим с упором 14 со штоком 19, кулачок 12, контактирующий с упором 14, зубчатое колесо 7, соединенное посредством дополнительного вала 11 с кулачком 12. Привод зубчатого колеса 7 осуществляется так же, как и на фиг. 1. Коэффициент передачи также равен единице.

Такты работы двигателя и диаграммы движения рабочего и вспомогательного поршней представлены на фиг. 3. В начале такта впуска оба поршня находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Вспомогательный поршень 3 находится в своей НМТ, а рабочий поршень 2 ниже на 60-70^о своей ВМТ.

При движении рабочего поршня 2 вниз открывается впускной клапан 5 и рабочая смесь поступает из карбюратора в цилиндр. Впуск продолжается до НМТ рабочего поршня 2. Затем начинается процесс сжатия. Рабочий поршень 2 и вспомогательный поршень 3 двигаются вверх. При угле ПКВ 300^о вспомогательный поршень 3 достигает свою ВМТ, рабочий поршень 2 продолжает движение до своей ВМТ. При угле ПКВ 360^о рабочий поршень 2 находится в своей ВМТ вспомогательный поршень 3 в своей ВМТ. Расстояние в этот момент между поршнями определяется расчетной или немного меньшей степенью сжатия для определенного вида топлива. Затем поршни двигаются вниз, причем скорость движения вспомогательного поршня 3 возрастает по отношению к скорости движения рабочего поршня 2. При угле ПКВ 60-70^о вспомогательный поршень 3 приходит в свою НМТ. В этот момент расстояние между поршнями минимальное и определяется максимальной степенью сжатия для определенного вида топлива. Поджиг рабочей смеси осуществляется за 10-15^о ПКВ до указанного момента. При этом, хотя и велика скорость движения поршней относительно стенок цилиндра, не происходит, в отличие от прототипа, резкого изменения объема камеры сгорания, уменьшения времени и ухудшения условий начальной фазы горения топлива. Максимальное давление в камере сгорания возникает при угле ПКВ, равном 70^о, когда плечо, на которое действует тангенциально направленная сила, приложенная к кривошипу, имеет максимальную величину. После этого угла ПКВ начинается рабочий ход. Рабочий поршень 2 движется вниз, а вспомогательный поршень 3 находится в своей НМТ. При угле ПКВ 180^о вспомогательный поршень 3 начинает двигаться вверх, после указанного угла ПКВ открываются выпускные клапаны 6 и начинается такт выпуска.

Формула изобретения

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ФАЗОВЫМ СМЕЩЕНИЕМ РАБОЧЕГО ЦИКЛА, содержащий цилиндр с размещенным в нем рабочим и вспомогательным поршнями, свечу зажигания, впускной и выпускной клапаны, установленные в стенке цилиндра, передаточные элементы, связанные с коленчатым валом, дополнительный вал, соединенный с одним из передаточных элементов, кулачок, присоединенный к одному из концов дополнительного вала, возвратную пружину и упор со штоком, соединенный со вспомогательным поршнем, причем один из концов пружины связан с упором, контактирующим с кулачком, а рабочий поршень соединен с коленчатым валом посредством кривошипно-шатунного механизма, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, передаточные элементы выполнены с коэффициентом передачи, равным 1.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит силовой гидроцилиндр со штоком и маслораспределитель, причем силовой гидроцилиндр соединен со вспомогательным поршнем, кулачок выполнен с возможностью управления работой маслораспределителя, а последний с возможностью перемещения штока силового гидроцилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4