Двигатель внутреннего сгорания с сообщающимися цилиндрами

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве силовой установки на автомобилях, тракторах, тепловозах и т.д. ДВС с сообщающимися цилиндрами содержит блок цилиндров со свечами зажигания, головку блока, распределительный вал, приводимый во вращение приводом. Кулачки распределительного вала установлены с возможностью взаимодействия с клапанами сообщающихся цилиндров на одновременное открывание впускных клапанов первого и второго цилиндров относительно ВМТ первого цилиндра и одновременное закрытие относительно НМТ второго цилиндра и одновременное закрытие выпускных клапанов первого и второго цилиндров относительно ВМТ второго цилиндра и одновременное открытие выпускных клапанов относительно НМТ первого цилиндра. Головка блока цилиндров снабжена впускными и выпускными коллекторами. Канал, соединяющий два сообщающихся цилиндра, выполнен в виде дросселя с регулируемой площадью проходного сечения. Коленчатый вал выполнен с попарно расположенными коленами со смещением их относительно друг друга на ϕ=3-10 градусов поворота коленчатого вала, а угол между парами колен равен 360°/п, где п - количество пар колен. Второй цилиндр снабжен форсункой. Изобретение обеспечивает повышение мощностных и экологических показателей, снижение тепловой напряженности и жесткости работы двигателя при устойчивой работе на всех нагрузочных и скоростных режимах. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве силовой установки на автомобилях, тракторах, тепловозах и т.д.

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС) со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием, содержащий блок цилиндров, цилиндры со свечой зажигания, цилиндры без свечей зажигания, головку блока, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм (КШМ) газораспределительный механизм (ГРМ), цилиндропоршневую группу (ЦПГ), впускной и выпускной коллекторы, картер и маховик, причем камеры сгорания цилиндров со свечами зажигания и камеры сгорания цилиндров без свечей зажигания образуют общие камеры сгорания смежно работающих цилиндров, в которых поршни достигают верхнюю мертвую точку (ВМТ) асинхронно со смещением 180 град. поворота коленчатого вала (п.к.в), впускной коллектор выполнен раздельным, обеспечивающим подачу рабочих тел в смежно работающие цилиндры, выпускной коллектор, осуществляющий выпуск отработавших газов только из второго цилиндра, канал между смежными цилиндрами, обеспечивающий передачу рабочего тела (чистого воздуха) из второго цилиндра в первый, в котором совершается рабочий ход, а затем, при такте выпуска, смешанного рабочего тела (отработавших газов) из первого цилиндра во второй при совершении в нем рабочего хода (пат. США №4159700, МПК F 02 В 75/20).

Недостатками данного изобретения являются:

1. Процесс сгорания в первом цилиндре растянут.

2. Низкие индикаторные и эффективные параметры работы.

3. Низкая эффективность работы второго цилиндра, т.к. расширение отработавших газов происходит при большом объеме и невысокой температуре, не обеспечивающей дожигание вредных примесей в газах и, как следствие, низкие экологические показатели работы данного ДВС.

Известна конструкция ДВС, содержащая два смежных цилиндра, в которых поршни достигают ВМТ асинхронно, со смещением 22-30 град. п.к.в. В первый цилиндр подают богатую рабочую смесь (α=0,6...0,7), а во второй - воздух. После воспламенения и сгорания рабочего тела в первом цилиндре из второго цилиндра в первый подают весь чистый воздух, осуществляя вторую стадию сгорания топлива в первом цилиндре. Расширение объединенного рабочего тела производят в обоих смежных цилиндрах, а затем из обоих цилиндров удаляют отработавшие газы (В.М.Кушуль. "Знакомьтесь - двигатель нового типа". Л.: Судостроение, 1966 г., с.120).

Недостатками данного ДВС являются:

1. Канал между смежными цилиндрами создает равные давления сгорания газов в этих цилиндрах.

2. Максимальное давление газов во втором цилиндре создают до ВМТ за 10-15 град. п.к.в., что вызывает чрезвычайно жесткую работу ДВС и его вибрацию.

3. Низкая надежность и долговечность ДВС.

4. Низкий индикаторный коэффициент полезного действия.

5. Отсутствие технической возможности создания во втором цилиндре степени сжатия, близкой к бесконечности.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ДВС со смежно работающими цилиндрами и искровым зажиганием, содержащий блок цилиндров, цилиндры со свечой зажигания, цилиндры без свечей зажигания, головку блока, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, цилиндропоршневую группу, впускной и выпускной коллекторы, картер и маховик, причем камеры сгорания цилиндров без свечей зажигания и камеры сгорания цилиндров со свечами зажигания образуют общие камеры сгорания смежно работающих цилиндров, впускной коллектор выполнен раздельным, обеспечивающим подачу рабочих тел в смежно работающие цилиндры, а коленчатый вал выполнен обеспечивающим асинхронное прохождение верхних мертвых точек поршнями смежно работающих цилиндров, при этом коленчатый вал обеспечивает нахождение поршней смежно работающих цилиндров в положении верхней мертвой точки асинхронно со смещением 10-30 град. поворота коленчатого вала. Двигатель снабжен шатунными шейками, задающими прохождение ВМТ поршнями в рядном четырехцилиндровом двигателе одновременно в цилиндрах со свечами зажигания и со смещением поршнями цилиндров без свечей зажигания. Камера сгорания образована камерами сгорания смежно работающих цилиндров, соединенных каналом. Впускной коллектор смежно работающих цилиндров снабжен карбюратором или инжектором, установленным в тракт обеспечения рабочим телом цилиндра со свечой зажигания и клапаном, установленным в тракт обеспечения рабочим телом цилиндра без свечи зажигания. Все каналы впускного коллектора снабжены карбюраторами и/или инжекторами. Шатун кривошипно-шатунного механизма смежно работающего цилиндра без свечи зажигания выполнен обеспечивающим ход, равный ходу поршня цилиндра со свечой зажигания, с зазором в положении ВМТ между поверхностью камеры сгорания в головке блока и днищем поршня 0,4...1,2 мм. Шатун кривошипно-шатунного механизма цилиндра без свечи зажигания выполнен удлиненным на 7,0...15,0 мм. Радиус кривошипа коленчатого вала кривошипно-шатунного механизма смежно работающего цилиндра без свечи зажигания выполнен увеличенным на 7,0...15,0 мм (положительное решение по заявке №9922944/06 (018654) F 02 B 41/06).

Недостатками данного ДВС являются:

1. Наличие общей камеры сгорания в смежных цилиндрах и большой объем перетекания рабочих тел из цилиндра в цилиндр вызывает потери индикаторного коэффициента полезного действия (к.п.д.).

2. Отсутствие свечи зажигания во втором цилиндре затягивает процесс сгорания и расширения рабочего тела.

3. Увеличивается тепловая напряженность второго цилиндра.

4. Высокая жесткость процесса сгорания во втором цилиндре.

5. На малых и средних нагрузках повышенный расход топлива и неустойчивая работа двигателя.

Задача изобретения - повышение мощностных и экономических показателей, снижение тепловой напряженности и жесткости работы двигателя при устойчивой его работе на всех нагрузочных и скоростных режимах.

Поставленная задача решается за счет того, что в двигателе внутреннего сгорания с сообщающимися цилиндрами, содержащем блок цилиндров со свечами зажигания, головку блока цилиндров, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, цилиндропоршневую группу, впускной и выпускной коллекторы, картер и маховик, коленчатый вал, выполненный обеспечивающим асинхронное прохождение верхних мертвых точек поршнями сообщающихся цилиндров, камеры сгорания сообщающихся цилиндров соединены каналом, при этом этот канал выполнен в виде дросселя с регулируемой площадью проходного сечения, кулачки распределительного вала установлены с возможностью взаимодействия с клапанами сообщающихся цилиндров на одновременное открытие впускных клапанов первого и второго цилиндров относительно верхней мертвой точки первого цилиндра и их одновременное закрытие относительно нижней мертвой точки (НМТ) второго цилиндра и одновременное закрытие выпускных клапанов первого и второго цилиндров относительно верхней мертвой точки второго цилиндра и одновременное открытие выпускных клапанов относительно нижней мертвой точки первого цилиндра, причем коленчатый вал выполнен с попарно расположенными коленами со смещением их относительно друг друга на 3-10 град. поворота коленчатого вала, а угол между парами колен равен 360°/п, где п - количество пар колен. Второй цилиндр ДВС снабжен форсункой высокого давления.

Новые существенные признаки:

1. Канал, соединяющий два сообщающихся цилиндра, выполнен в виде дросселя с регулируемой площадью проходного сечения.

2. Кулачки распределительного вала установлены с возможностью взаимодействия с клапанами сообщающихся цилиндров на одновременное открытие впускных клапанов первого и второго цилиндров относительно верхней мертвой точки первого цилиндра.

3. Одновременное закрытие впускных клапанов первого и второго цилиндров относительно нижней мертвой точки второго цилиндра.

4. Одновременное закрытие выпускных клапанов первого и второго цилиндров относительно верхней мертвой точки второго цилиндра.

5. Одновременное открытие выпускных клапанов первого и второго цилиндров относительно нижней мертвой точки первого цилиндра.

6. Коленчатый вал выполнен с попарно расположенными коленами со смещением их относительно друг друга на 3-10 град. поворота коленчатого вала.

7. Угол между парами колен равен 360°/п, где п - количество пар колен.

8. Второй цилиндр снабжен форсункой высокого давления.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получать технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Данное изобретение позволяет получить технический результат.

Выполнение канала, соединяющего два сообщающихся цилиндра в виде дросселя с регулируемой площадью проходного сечения, позволяет регулировать объем перетекаемого рабочего тела из первого цилиндра во второй и обратно во время такта сжатия и периодов сгорания до выравнивания давлений в первом и втором сообщающихся цилиндрах. В первом и втором цилиндрах снижается максимальное давление сгорания, скорость нарастания давления и жесткость рабочего процесса, что, в свою очередь, снижает максимальную температуру газов и тепловую напряженность деталей, образующих камеру сгорания, и повышает их долговечность.

Снижение максимального давления в первом цилиндре позволяет также увеличивать в нем конструктивную степень сжатия (до ε=9-13) и использовать низкооктановое топливо без угрозы детонации сгорания, что, в свою очередь, повысит индикаторный КПД, а за счет снижения механических потерь и эффективный КПД. Перетекание в форме направленной струи с высокой скоростью рабочего тела из второго цилиндра в первый обеспечит полное догорание топлива в первом цилиндре за счет направленного турбулизированного потока горящего тела и избытка кислорода в части, поступившей из второго цилиндра, что снизит до минимума содержание в отработавших газах СО и СН. Снижение максимальных температур сгорания топлива снижает содержание окислов азота в отработавших газах первого цилиндра.

Снижение максимального давления во втором цилиндре позволяет еще больше увеличить в нем конструктивную степень сжатия (до ε=10-15) и использовать низкооктановое топливо, поскольку перетекание рабочих тел из второго цилиндра в первый ограничивается только условием равенства в них давлений отработавших газов, что повысит индикаторный и эффективный КПД.

Перетекание в форме направленной струи с высокой скоростью части рабочего тела из первого цилиндра во второй в зону свечи зажигания и образование турбулентного потока топливовоздушной смеси во втором цилиндре позволяет использовать в качестве рабочего тела бедные или сверхбедные топливовоздушные смеси, что позволит свести к минимуму образование СО, СН, а снижение температур сгорания - свести к минимуму образования окислов азота во втором цилиндре.

Если рабочее тело во втором цилиндре не воспламенилось от свечи зажигания, то перетекание рабочего тела из первого цилиндра будет продолжаться до поступления во второй цилиндр горящего факела, который и воспламенит рабочее тело во втором цилиндре, что позволит использовать в качестве рабочего тела во втором цилиндре тяжелые топлива, топлива или смеси с малой скоростью сгорания, для чего второй цилиндр может быть снабжен форсункой высокого давления.

Продолжительность перетекания рабочих тел из одного цилиндра в другой и обратно может регулироваться за счет асинхронного смещения реализуемых тактов рабочего процесса в сообщающихся цилиндрах и площадью проходного сечения дросселя.

Организация процессов сгорания рабочего тела в сообщающихся цилиндрах стала управляемой путем поджига рабочих смесей свечами зажигания в обоих цилиндрах в необходимые моменты по углу поворота коленчатого вала. Оба сообщающихся цилиндра обеспечивают равнозначное получение полезной работы при сгорании и расширении рабочих тел в двигателе на тактах "рабочий ход".

Распределительный вал снабжен кулачками, задающими в соответствии с тактами рабочего цикла в сообщающихся цилиндрах одновременное открытие и закрытие впускных клапанов соответственно относительно верхней мертвой точки первого цилиндра (BMT-1) и нижней мертвой точки второго цилиндра (HMT-2) и одновременное закрытие и открытие выпускных клапанов соответственно ВМТ-2 и HMT-1, что позволяет выравнять давление в сообщающихся цилиндрах и препятствует перетеканию газов в момент наполнения цилиндров рабочими телами и улучшает их наполнение.

Для увеличения прочности увеличивают диаметр коренных шеек вала. Для сглаживания неравномерности крутящего момента увеличивают массу маховика.

На фиг.1 - схематично изображен четырехтактный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания в разрезе.

Фиг.2 - схематично изображен дроссель в головке цилиндра.

Фиг.3 - схема расположения кривошипов, обеспечивающих асинхронную работу со смещением на ϕ=3-10 град. п.к.в., и поршней в сообщающихся цилиндрах относительно а) ВМТ одной пары и б) НМТ другой пары кривошипов в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания с сообщающимися цилиндрами состоит из блока цилиндров 1 с установленным в нем подвижно с увеличенным диаметром коренных шеек коленчатым валом 2 КШМ, который приводит в возвратно-поступательное движение шатун 3 КШМ. Коленчатый вал 2 выполнен с попарно расположенными коленами со смещением их относительно друг друга на ϕ=3-10 градусов поворота коленчатого вала. У многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания попарное расположение колен осуществляется через угол, равный 360°/п, где п - количество пар колен или количество пар сообщающихся цилиндров. На блоке цилиндров неподвижно установлена головка блока цилиндров 4, где размещен на опорах распределительный вал 5, приводимый во вращательное движение приводом 6. Kyлaчки распределительного вала 5 установлены с возможностью взаимодействия с клапанами сообщающихся цилиндров на одновременное открывание впускных клапанов 8 первого 9 и второго 10 цилиндров относительно ВМТ первого цилиндра 9 и их одновременное закрытие относительно НМТ второго цилиндра 10 и одновременное закрытие выпускных клапанов первого 9 и второго 10 цилиндров относительно ВМТ второго цилиндра 10 и одновременное открытие выпускных клапанов 2 относительно НМТ первого цилиндра 9.

Головка блока цилиндров 4 снабжена впускными 12 и выпускными 13 коллекторами. На входе впускного коллектора 12 установлены заслонка 14 и карбюратор (или инжектор) 15. В камерах сжатия 16 расположены свечи зажигания 17. В сообщающихся цилиндрах 9 и 10 находятся поршни 18 и 19 соответственно. ДВС снабжен масляным картером 20 и маховиком увеличенной массы 21. Коленчатый вал 2 кривошипами 22 и 23 в сообщающихся цилиндрах 9 и 10 соответственно обеспечивает положение поршней 18 и 19 относительно BMT-1 и ВМТ-2. Угол ϕ=3-10 град. п.к.в. между кривошипами 22 и 23 обеспечивает асинхронное прохождение поршнями 18 и 19 ВМТ-1 и BMT-2. При использовании тяжелого топлива (дизельное топливо) во втором цилиндре 10 вместо свечи зажигания 17 установлена форсунка высокого давления, при этом впускной коллектор выполнен раздельным. В первый цилиндр 9 подается бензовоздушная смесь по пути: заслонка 14, карбюратор 15 в цилиндр 9. А в другой впускной коллектор (на чертеже не показан) подают частый воздух, проходящей через заслонку 14, а тяжелое топливо подают через форсунку высокого давления (на чертеже не показана) во второй цилиндр 10. В головке цилиндра 4 между камерами сжатия 16 сообщающихся цилиндров 9 и 10 установлен дроссель 24 с возможностью регулирования площади проходного сечения, например, при помощи регулируемой заслонки (на чертеже не показана).

Работа ДВС с сообщающимися цилиндрами. Рассмотрим вариант, когда первый 9 и второй 10 цилиндры снабжены свечами зажигания 17. При движении поршней 18 и 19 вниз на такте всасывания через заслонку 14 и карбюратор 15, установленные во впускном коллекторе 12 сообщающихся цилиндров 9 и 10, при открытии впускных клапанов 8 подают рабочее тела (бензовоздушную смесь). На такте сжатия при движении поршней 18 и 19 вверх в цилиндрах 9 и 10 сжимают рабочие тела. При подходе поршня 18 к BMT-1 на свече зажигания 17 проскакивает искра и рабочее тело первого цилиндра 9 воспламеняется. Во втором сообщающемся цилиндре 10 рабочее тело находится в сжатом состоянии. Из-за наличия асимметрии в работе поршней на ϕ=3-10 град. п.к.в. образуется перепад давлений между цилиндрами 9 и 10, что приводит к перетеканию части рабочего тела (обусловленного площадью поперечного сечения дросселя) из цилиндра 9 в цилиндр 10 через соединяющий их дроссель 24. При сгорании рабочего тела первого цилиндра 9 резко возрастает давление в цилиндре 9 и увеличивается интенсивность перетекания. Затем происходит воспламенение рабочего тела во втором цилиндре 10 и увеличение в нем давления газов. При движении поршней 18 и 19 вниз совершается рабочей ход. Давление в цилиндрах 9 и 10 выравнивается и перетекание рабочего тела прекращается из первого цилиндра 9 во второй цилиндр 10.

При дальнейшем повороте коленчатого вала 2 давление во втором цилиндре 10 превысит давление газов в первом цилиндре 9 и часть рабочего тела из второго цилиндра 10 будет перетекать в первый цилиндр 9. Перетекание будет происходить на всем такте рабочего хода при движении поршней 18 и 19 вниз к НМТ до выравнивания давлений. При движении поршней 18 и 19 вверх в сообщающихся цилиндрах 9 и 10 совершаются такты выпуска отработавших газов через выпускной коллектор 13.

На такте всасывания рабочих тел в сообщающихся цилиндрах 9 и 10 распределительный вал 5 своими кулачками 7 одновременно открывает впускные клапаны 8 первого и второго цилиндров 9 и 10 и одновременно закрывает выпускные клапаны 2 первого и второго цилиндров 9 и 10 относительно BMT-1. По завершению такта всасывания в сообщающихся цилиндрах 9 и 10 впускные клапаны 8 закрываются относительно НМТ-2. Совершаются такты сжатия и рабочего хода при закрытых клапанах 8 и 11. По завершении тактов "рабочий ход" в сообщающихся цилиндрах кулачки 7 распределительного вала 5 одновременно открывают выпускные клапаны 2 относительно HMT-1 и происходит удаление отработавших газов на такте выпуска при движении поршней 18 и 19 вверх. Затем процесс повторяется.

При установке во второй цилиндр 10 форсунки высокого давления используют тяжелое топливо (дизельное топливо). При этом рабочее тело в первом цилиндре 9 воспламеняется от свечи зажигания 17, а рабочее тело второго цилиндра 10 самовоспламеняется или поджигается частью рабочего тела, поступившего из первого цилиндра 9 через дроссель 24 в виде факела. Остальная работа аналогична.

1. Двигатель внутреннего сгорания с сообщающимися цилиндрами, содержащий блок цилиндров со свечами зажигания, головку блока цилиндров, устройство топливоподачи, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, цилиндропоршневую группу, впускной и выпускной коллекторы, картер и маховик, коленчатый вал, выполненный обеспечивающим асинхронное прохождение верхних мертвых точек поршнями сообщающихся цилиндров, а камеры сгорания сообщающихся цилиндров соединены каналом, отличающийся тем, что канал, соединяющий два сообщающихся цилиндра, выполнен в виде дросселя с регулируемой площадью проходного сечения, кулачки распределительного вала установлены с возможностью взаимодействия с клапанами сообщающихся цилиндров на одновременное открытие впускных клапанов первого и второго цилиндров относительно верхней мертвой точки первого цилиндра и их единовременное закрытие относительно нижней мертвой точки второго цилиндра и одновременное закрытие выпускных клапанов первого и второго цилиндров относительно верхней мертвой точки второго цилиндра и одновременное открытие выпускных клапанов относительно нижней мертвой точки первого цилиндра, причем коленчатый вал выполнен с попарно расположенными коленами со смещением их относительно друг друга на 3÷10° поворота коленчатого вала, а угол между парами колен равен 360°/п, где п - количество пар колен.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что второй цилиндр снабжен форсункой высокого давления.