Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах смазки ДВС. Двигатель содержит механизм газораспределения, кривошипно-шатунный механизм системы охлаждения, питания, зажигания и смазки. Система смазки включает масляный насос, картер с маслом, датчик контроля давления масла и баллон в виде сосуда Дьюара с размещенными в нем герметичными капсулами, содержащими изменяющий свое агрегатное состояние в интервале рабочих температур масла системы смазки теплоаккумулирующий состав. Баллон через запорное устройство соединен гидравлически со стороны донной части одним каналом с масляной магистралью, а вторым - с полостью картера. Изобретение позволяет уменьшить износ трущихся деталей двигателя во время его запуска и снизить его уязвимость при отрицательных температурах окружающего воздуха. 1 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), устанавливаемых на транспортных средствах, передвижных компрессорных или иных устройствах, эксплуатируемых в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из механизма газораспределения, кривошипно-шатунного механизма и систем охлаждения, питания, зажигания, смазки и может быть оснащен дополнительными устройствами, улучшающими его технические или эксплуатационные характеристики.

К числу недостатков существующих ДВС следует отнести: отсутствие на поверхностях трущихся деталей масла в момент запуска ДВС после длительного (6 ч и более) перерыва его работы; трудность запуска ДВС в холодное (ниже -20^oC) время года.

Отсутствие масла на поверхностях трущихся деталей в момент запуска ДВС обусловлено устройством его системы смазки. Как известно (Шестопалов К.С. Легковые автомобили. М.: Издательство ДОСААФ СССР, 1988), система смазки в основном включает в себя масляный насос, картер с маслом, масляную магистраль, фильтр, каналы подачи масла к трущимся деталям двигателя, маслоизмерительный стержень (щуп), датчик контроля давления масла и иные устройства, обеспечивающие надежность ее работы. При работе ДВС масло циркулирует по замкнутой схеме, включающей: картер - масляный насос - фильтр - масляная магистраль - каналы подачи масла к трущимся деталям - картер. При этом происходит непрерывное смазывание трущихся деталей. Однако при неработающем ДВС все масло за исключением небольшого количества в фильтре стекает обратно в картер, поэтому после очередного запуска ДВС трущиеся детали остаются на некоторое время (на время заполнения масляной магистрали, фильтра, каналов и других полостей системы маслом) без смазки.

Отсутствие смазки в различных устройствах ДВС приводит к износу трущихся деталей. Кроме того, в холодное время года по этой же причине и из-за густоты остывшего масла затрудняется или становится невозможным запуск ДВС, поскольку кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределения оказывают значительное механическое сопротивление стартеру или иному устройству запуска ДВС. Время выхода ДВС на номинальный тепловой режим увеличивается с понижением температуры окружающей среды, вследствие чего повышается содержание вредных примесей в выхлопных газах.

Перечисленные выше технические проблемы в отдельности или в комплексе находят решение различными способами. Необходимо отметить, что трудности запуска ДВС в холодное время года обусловлены не только уязвимостью системы смазки, но и нестабильной работой при этом систем охлаждения, питания и зажигания. Поэтому решение этой проблемы в принципе может осуществляться в различных направлениях.

Известен ДВС (Василенко Ю. С пол-оборота в любой мороз. Клаксон. - 1995, N 23-24), в котором осуществляется нагрев и испарение бензина во впускном коллекторе с помощью так называемых испарителей. Испаритель представляет собой специальный нагревательный элемент, питаемый от аккумулятора. Как правило, устанавливается он под карбюратором. Перед пуском холодного ДВС включают испаритель, а через 2-3 минуты - стартер. Поскольку испаритель топлива не позволяет подогревать масло, то по существу запускается холодный двигатель.

Известен ДВС (Норкин Д. Грелка для авто. Газета "Компас" от 19.12.95, Самарский государственный университет), снабженный электронагревателем для подогрева масла. При этом электронагреватель выполнен таким образом, чтобы его можно было устанавливать на место щупа и подключить к аккумулятору транспортного средства или внешнему источнику. Данное техническое решение отличается простотой, не требует доработки ДВС, позволяет запускать ДВС в холодное время года. Однако вероятность успешного запуска ДВС с понижением температуры окружающего воздуха также уменьшается, так как по существу запускается холодный двигатель. Кроме того, предлагаемое устройство практически не приводит к уменьшению износа трущихся деталей ДВС во время его запуска.

Известен ДВС (Воробьев А. Морозостойкие "Жигули". Газета "Деловой мир", от 13.10.94 г. , N 227), снабженный аккумулятором теплоты, установленным в системе охлаждения автомобиля. Данное техническое решение предназначено для облегчения запуска ДВС в холодное время года. Для этой цели в магистраль системы охлаждения ДВС, работающей на тосоле или другой морозостойкой охлаждающей жидкости, последовательно подключают аккумулятор теплоты (подробное описание см. материалы заявки N 93-035329 от 07.07.93, на которую выдан патент РФ). При работе ДВС аккумулятор теплоты накапливает тепло и сохраняет его на некоторое время (более 20 часов) без значительных потерь. Затем перед повторным запуском ДВС после стоянки транспортного средства тосол циркулирует через аккумулятор теплоты по малому кругу за счет работы электронасоса и подогревает ДВС. При этом происходит "разряд" аккумулятора теплоты и передача тепла сначала тосолу, а затем и деталям ДВС. Перечисленные операции значительно облегчают запуск ДВС в холодное время года. Кроме того, аккумулятор теплоты одновременно может быть использован для предварительного обогрева салона транспортного средства.

К числу недостатков предлагаемого технического решения следует отнести то, что с понижением температуры окружающего воздуха вероятность успешного запуска (неуязвимость) ДВС уменьшается, так как масло и кинематические пары коленчатого вала и распределительного вала находятся в холодном состоянии; эффективность использования данного устройства через некоторое время (около 20 ч) резко падает из-за технических трудностей сохранения тепла в применяемых конструкциях аккумулятора теплоты.

Известен ДВС (аналог, статья в рубрике "Клуб Клаксон" под редакцией М. Креля, журнал "Изобретатель и рационализатор", N 9, с. 32, 1994), оснащенный двухкамерным термосом для хранения горячего тосола и масла, компрессором для перекачки масла и тосола в термос, кранами для слива масла и тосола в соответствующие магистрали системы смазки и системы охлаждения. В течение 24 ч после остановки возможен гарантированный запуск ДВС в холодную погоду. При этом перед запуском тосол и масло сливаются в ДВС самотеком. Необходимо отметить, что тосол перетекает в рубашку блока двигателя, а масло собирается в специальный ванночке, а из нее попадает на распредвал и обильно смазывает его в момент пуска.

В данном техническом решении происходит улучшение характеристик двух систем, а именно системы охлаждения и системы смазки. По этой причине эффективность работы предлагаемого устройства весьма высока. Однако по-прежнему задача исключения износа трущихся деталей во время пуска ДВС полностью не решается. Время эффективной работы устройства при неработающем ДВС ограничивается 24 часами в лучшем случае, что на практике оказывается недостаточно. Кроме того, появляется необходимость эксплуатации компрессора, а также проведения сложных доработок моторного отсека ДВС.

Известен двигатель внутреннего сгорания (прототип, патент США N 5197424, F 01 M 5/00, 1993, на 5 листах), состоящий из механизма газораспределения, кривошипно-шатунного механизма, систем: охлаждения, питания, зажигания, а также системы смазки, включающей в себя масляный насос, картер с маслом, масляную магистраль, фильтр масляный с обратным клапаном, маслоизмерительный стержень, каналы подачи масла, причем двигатель снабжен баллоном, при этом баллон через запорное устройство соединен гидравлически со стороны донной части одним каналом с масляной магистралью. Данное техническое решение позволяет, используя энергию сжатого воздуха в баллоне, нагнетаемого масляным насосом ДВС, смазывать трущиеся детали перед пуском двигателя и значительно уменьшить их износ. Недостатком прототипа является то, что в холодную погоду подача масла к трущимся деталям значительно затрудняется из-за вязкости масла.

Цель изобретения - уменьшение износа трущихся деталей ДВС во время запуска и снижение его уязвимости при отрицательных температурах окружающего воздуха без ухудшения других технических и эксплуатационных характеристик.

Данная цель достигается тем, что система смазки ДВС дорабатывается: баллон выполнен в виде сосуда Дьюара с размещенными в нем герметичными капсулами, содержащими изменяющий свое агрегатное состояние в интервале рабочих температур масла системы смазки теплоаккумулирующей состав, при этом баллон вторым каналом соединен с полостью картера.

Заявляемая конструкция ДВС пояснена на чертеже и состоит из механизма газораспределения 1, кривошипно-шатунного механизма 2, систем охлаждения 3, питания 4, зажигания 5, а также системы смазки, включающий в себя картер с маслом 6, масляный насос 7, фильтр масляный 8, маслоизмерительный стержень 9, датчик контроля давления масла 10, масляную магистраль 11, баллон в виде сосуда Дьюара 12, герметичные капсулы, содержащие теплоаккумулирующий состав 13, масло 14 и воздух 15, находящиеся в баллоне, маслопроводы 16, обратный клапан 17, ручка управления 18, запорное устройство 19, канал соединения запорного устройства с масляной магистралью 20, канал соединения запорного устройства с полостью картера 21, предохранительный клапан 22, каналы подачи масла к трущимся деталям 23.

Заявляемая конструкция ДВС работает следующим образом. Нормальную работу ДВС обеспечивают: газораспределительный механизм 1, кривошипно-шатунный механизм 2 системы: охлаждения 3, питания 4, зажигания 5 и смазки (на чертеже отдельно не показано). После запуска ДВС масло системы смазки начинает циркулировать по замкнутому контуру и, отбирая тепло от горячих деталей, нагревается до номинальной температуры (около 100^oC). Циркуляция масла происходит под действием давления, возникающего при работе насоса 7, в штатной магистрали, а часть его (примерно 10%) по каналу 20 через открытое запорное устройство 19, и маслопровод 16 заполняет внутреннюю полость баллона 12. Затем масло 14 частично перетекает через второй маслопровод 18 в картер 6. Необходимо отметить, что движение масла 14 в баллоне 12 можно организовать с помощью одного маслопровода, т. е. маслопроводы 16 и 18 совмещать. В этом случае масло нагнетается насосом 7, а выталкивается избыточным давлением воздуха 15, когда давление воздуха больше давления, создаваемого насосом. В этом случае, когда масло двигается в баллон, маслопровод является первым каналом, когда двигается из баллона, то является вторым каналом.

Выбирая соответствующее гидравлическое сопротивление канала 21 и величину давления в системе смазки, можно выбрать режим, когда воздух 15 сжимается маслом 14 до определенного значения. Верхнее значение давления воздуха 15 ограничивается предельным давлением предохранительного клапана 22. С учетом потерь давления масла в канале 20 максимальное давление воздуха 15 не превышает 3-3,5 атм. Таким образом, в баллоне 12 происходит аккумулирование давления. При этом, если запорные устройства 19 закрыты, то давление воздуха 15 будет сохранено на длительное время.

Кроме функции аккумулятора давления баллон 12 выполняет функции аккумулятора теплоты. Для этой цели баллон 12 выполнен конструктивно в виде сосуда Дьюара и снабжен герметичной(ыми) капсулой(ами) 13, заполненными теплоаккумулирующим составом с высокой удельной энтальпией плавления. В качестве теплоаккумулирующего состава выбирается такое вещество, у которого температура фазового перехода ниже рабочей температуры системы смазки на 30-40 градусов.

При неработающем ДВС снижение температуры предварительно нагретого масла 14, с одной стороны, значительно замедляется сосудом Дьюара 12, а с другой стороны, полностью останавливается на длительное время на уровне Т_плав за счет отдачи маслу тепла теплоаккумулирующим составом при его фазовом переходе. Таким образом, предлагаемое техническое решение при неработающем ДВС и закрытых запорных устройствах 19 позволяет на длительное время (2 и более суток) сохранить теплое масло под избыточным давлением. Это обстоятельство может быть применено в системе предпусковой подготовки ДВС.

Перед запуском ДВС открывается запорное устройство 19, устанавливаемый со стороны канала 20, с помощью ручки управления 18. При этом горячее масло 14 под избыточным давлением воздуха 15 в импульсном режиме впрыскивается из баллона 12 в масляную магистраль 11, заполняет пустоты масляного фильтра 8, продавливается в каналы 23 и зазоры кинематических пар трения, через которые сливается в картер 6. Наличие обратного клапана 17 исключает попадание масла 14 в картер 6 через насос 7. Режим прогрева контролируется датчиком давления 10 - в начале режима сигнальная лампа гаснет, в конце - загорается (на чертеже сигнальная лампа не показана). При загорании сигнальной лампы ДВС готов к пуску. При первом и последующих оборотах коленвала (на чертеже не показан) горячее (теплое) масло 14 смазывает детали механизма газораспределения 1 и кривошипно-шатунного механизма 2. После этого может быть открыт второй кран (запорное устройство) 19. С целью исключения доработки ДВС каналы 20 и 21, выполненные в виде шланга, через специальные тройники (на чертеже не показаны) подключаются по месту подключения датчика давления 10 и по месту установки маслоизмерительного стержня 9 соответственно. При одноканальном варианте подключения 12 место установки маслоизмерительного стержня 9 не используется. Необходимо отметить, что трубопроводы (каналы) 20 и 21 могут быть установлены на торцевой части баллона 12 как сверху, так и снизу.

Предварительное расплавление теплоаккумулирующего состава, а значит запасание тепловой энергии, осуществляется циркулирующим горячим маслом системы смазки.

Применение предлагаемого ДВС позволяет: количественно уменьшить износ трущихся деталей ДВС; снизить уязвимость ДВС при пониженных температурах окружающего воздуха без ухудшения характеристик двигателя.

Уменьшение износа трущихся деталей ДВС достигается за счет их смазки горячим маслом при неработающем двигателе.

Снижение уязвимости ДВС при пониженных температурах окружающего воздуха достигается за счет смазки кинематических пар горячим маслом перед его запуском и как следствие уменьшение сопротивления механизма газораспределения и кривошипно-шатунного механизма к действию стартера или другого запускающего ДВС устройства. При этом другие технические и эксплуатационные характеристики не ухудшаются.

К числу других преимуществ следует отнести: снижение токсичности выхлопных газов при запуске ДВС; отсутствие дополнительных источников энергии; сокращение времени прогрева ДВС; комфортность применения и незначительные доработки ДВС.

Таким образом, применение предлагаемого ДВС позволяет уменьшить износ трущихся деталей и снизить уязвимость двигателя при пониженных температурах окружающего воздуха.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из механизма газораспределения, кривошипно-шатунного механизма, систем охлаждения, питания, зажигания, а также системы смазки, включающей в себя масляный насос, картер с маслом, масляную магистраль, фильтр масляный с обратным клапаном, маслоизмерительный стержень, каналы подачи масла к трущимся деталям, датчик контроля давления масла и баллон, который через запорное устройство соединен гидравлически со стороны донной части одним каналом с масляной магистралью, отличающийся тем, что баллон выполнен в виде сосуда Дьюара с размещенными в нем герметичными капсулами, содержащими изменяющий свое агрегатное состояние в интервале рабочих температур масла системы смазки теплоаккумулирующий состав, при этом баллон вторым каналом соединен с полостью картера.

РИСУНКИ

Рисунок 1