Двухтактный штокомаятниковый двигатель
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности увеличения мощности двигателя без увеличения его высоты. Согласно изобретению двухтактный дизельный двигатель, содержит качающийся цилиндр с поршнем, соединенным посредством штока с мотылевой шейкой коленвала. Двигатель оснащен прямоточно-клапанной системой продувки, нагнетателем заряда свежего воздуха, системой питания с форсунками и системой смазки. Заряд свежего воздуха при продувке цилиндра поступает из ресивера через нагнетательные клапаны с гидпроприводом. Выхлоп происходит через выхлопные окна с цилиндрической задвижкой, откуда выхлопные газы перед выбросом в атмосферу поступают в газовую турбину газотурбовентиляторного нагнетателя, подающего воздух в ресивер. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания /далее по тексту - ДВС/.
Известно, что все поршневые ДВС подразделяются на два типа, тронковые и крейцкопфные. Известно, что цилиндровая мощность поршневых ДВС при одинаковом диаметре цилиндра зависит от размера хода поршня, образовав понятие - литраж ДВС и равен произведению поперечного сечения цилиндра на размер хода поршня.
Известно, что у тронковых ДВС величина размера хода поршня зависят от длины шатуна, которая равна расстоянию от центра поршневого пальца до центра кривошипной шейки коленвала и представляет собой параметр шатуна по формуле:
где λш - параметр шатуна; r -радиус кривошипа коленвала; L - длина шатуна. Практически величина параметра находится в пределах 1/3,6...1/4,8 /См. книгу Судовые двигатели внутреннего сгорания, Ленинград, изд. Судостроение, 1989 г., стр.53, рис.2.8/
Не менее важным параметром ДВС является отношение величины размера хода поршня к диаметру цилиндра, /см. выше упомянутую книгу стр.119/. Известно, что длину шатуна ограничивает угол преломления нормальной силы, не допускающий соударения стержня шатуна о стенки цилиндра, поэтому практикой установлено, что этот угол не должен превышать значения - 13,5°. Таким образом образовалось родовое понятие длинно и короткоходность конструкции ДВС, у которых в обоих случаях ограничением является средняя скорость движения поршня, отсюда и число оборотов коленвало. Эти параметры определяю высоту ДВС. Известно, что короткоходные ДВС уменьшают высоту ДВС, но для сохранения одинаковой цилиндровой мощности, требуется увеличение числа оборотов коленвала, а последние увеличивают динамическую напряженность кривошипно-шатунного механизма /далее по тексту - КШМ/. Поскольку длинноходность является привлекательной, был изобретен крейцкопфный механизм, сохраняющий нормальную силу неизменной, переложив угол преломления на шатун, сочленный с ползуном, соединенным с паралелями крейцкопфа, однако новизна прибавила высоту ДВС, и тем не менее эта новизна увеличивает цилиндровую мощность.
Целью настоящего изобретения является существенное уменьшение высоты двигателя.
Согласно изобретению двухтактный дизельный двигатель содержит качающийся цилиндр с поршнем, соединенным посредством штока с мотылевой шейкой коленвала. Двигатель оснащен прямоточно-клапанной системой продувки, нагнетателем заряда свежего воздуха, системой питания с форсунками и системой смазки. Заряд свежего воздуха при продувке цилиндра поступает из ресивера через нагнетательные клапаны с гидпроприводом. Выхлоп происходит через выхлопные окна с цилиндрической задвижкой, откуда выхлопные газы перед выбросом в атмосферу поступают в газовую турбину газотурбовентиляторного нагнетателя, подающего воздух в ресивер. Система питания двигателя включает в себя насос-форсунки с безнасосным гидроприводом. Система смазки выполнена гравитационной и подает смазочную жидкость самотеком. При этом всас масляного насоса соединен с концом масляной магистрали, а нагнетание производится в масляную емкость, размещенную выше точек смазки. Качающиеся цилиндры могут быть параллельно спарены в единую конструкцию с общей камерой сгорания и их поршни соединены с одной мотылевой шейкой коленвала.
Таким образом, предложенный двигатель отличается от крейцкопфного ДВС тем, что из конструкции крейцкопфного ДВС исключено крейцкопфное устройство вместе с шатуном, а шток поршня оснащен устройством соединения штока с мотылевой шейкой коленвала, при этом цилиндру придается маятниковое качание. Цилиндр оснащается двумя цилиндрическими шипами, размещенными ниже соединения крышки цилиндра поперек оси коленвала. Каждый шип шарнирно соединяется с А-образной стойкой, при этом обе стойки параллельно друг другу устанавливаются на фундаментной раме, на которой в рамовых подшипниковых постелях размещен коленвал.
Таким образом, образована новая кинематическая связь ДВС, при которой нормальная сила давления газов на поршень передается непосредственно штоку поршня, а он уже мотылевой шейке коленвала. При этом диафрагма и сальник обеспечивают штоку поршня только возвратно-поступательное движение. А маятниковое качание цилиндра со штоком образует телескопический шатун переменной длины.
Известно, что все ДВС подразделяются по рабочему объему цилиндра на следующие основные классы: особо малый до 1,2 литра; малый от 1,2 до 1,8 литра; средний от 1,8 до 3,5 литра; большой свыше - 3,5. (см. краткий автомобильный справочник НИИАТ, М.: Транспорт, 1984 г., стр.7) В настоящем изобретении предлагается для подвески ДВС от особо малого до среднего класса использовать А-образные стойки, укрепляемые на фундаментной раме только жестко на одном шарнирном сочленении шипов маятникового цилиндра. При этом фундаментная рама оснащается одним шарнирным хомутом с лапами для крепления на несущей раме транспортного средства. Вторым шарниром является цилиндрический выступ-венец на коробке передач и кожух маховика. Два шарнира позволяют ДВС вместе с фундаментной рамой радиально качаться, гася крутильные колебания и опрокидывающий момент, при этом коробка передач жестко закрепляется на несущей раме, а ДВС получает плавающее состояние. Для подвески мощных судовых ДВС предлагается конструкция А-образной стойки с двумя шарнирами, на одном из которых подвешивается маятниковый цилиндр, а второй посредством разъема устанавливается на корпусе рамового подшипника, при этом каждая стойка опирается на двухсторонний амортизатор с тарельчатыми пружинами. Один конец амортизатора шарнирно закрепляется на фундаментной раме, а второй на А-образной ноге стойки, образуя мягкую податливость подвеске и одновременно гася опрокидывающий момент и крутильные колебания ДВС.
Маятниковый цилиндр предлагается оснастить прямоточной клапанной системой газообмена, в котором заряд свежего воздуха поступает в цилиндр через нагнетательные клапаны в крышке цилиндра. Клапаны открываются за счет работы безнасосного гидропривода, а закрываются под действием конусных пружин сжатия. Каждая пружина опирается на корпус цилиндровой крышки, ее второй конец упирается в плунжер со втулкой, образующей ведомый цилиндр безнасосного гидропривода. Стержень клапана и тарелка имеют внутреннюю полость жидкостного охлаждения за счет рабочей жидкости безнасосного гидропривода, конец стержня клапана оснащен резьбой для закрепления в центре плунжера. Крышка цилиндра закрывается кожухом, являющимся ресивером заряда свежего воздуха, вследствие чего отпадает необходимость в клапаных патрубках. Выхлопные газы из цилиндра выбрасываются через выхлопные окна напрямую в газовую турбину газотурбовентиляторного нагнетателя. С обоих концов турбинного вала установлены радиальные лопасти вентиляторного нагнетателя типа Сироко, газовая турбина активного типа и оснащена радиальными широкополосными лопастями, оба конца вала вращаются на подшипниках качения.
Выхлопные окна цилиндра перекрываются цилиндрической задвижкой золотником, постоянно подпружиненой конусной проволочной пружиной, опирающейся на диафрагму цилиндра.
Система охлаждения маятникового цилиндра может быть жидкостной или оребренной воздушной, поскольку маятниковый цилиндр находится в постоянном движении и свободно сбрасывает излучаемое тепло.
Системе смазки ДВС предлагается быть гравитационным самотеком, но при этом на конце магистрали устанавливается масляный насос всасом, его нагнетательная магистраль сообщена с масляной емкостью, в которую откачивается смазка, при этом на всех стыках магистрали образуется подсос воздуха, поэтому подтекание и утечки не могут возникать. Охлаждение поршня маятникового цилиндра может осуществляться за счет системы смазки от мотылевой шейки коленвала по каналам штока внутрь поршня и обратно в мотылевую шейку.
Привод механизма газораспределения и подачи топлива на сгорание может осуществлять один общий трансмиссионный вал, устанавливаемый параллельно коленвалу, его вращение может производить спарник-синхронизатор, размещенный между кривошипами на торге носка коленвала и торце трансмиссионного вала.
В качестве топливной аппаратуры предлагается использовать упрощенную конструкцию насос-форсунки с безнасосным гидроприводом, конструкция которой представлена в заявке на изобретение №2005131806/06/035657/, дата подачи заявки 13.10.2005 г. и находится в экспертизе по существу. Аналогичный безнасосный гидропривод может осуществлять работу клапанного механизма. Оба безнасосных гидропривода могут иметь блочную конструкцию, или отдельную на каждый цилиндр.
Предлагаемая конструкция ДВС судовых представляет собой реверсивный двигатель, у которого реверс осуществляется за счет симметричного профиля кулачка при пусковом моменте нужного направления электростартером. Для смазки стенок цилиндра предлагается фитильная масленка, размещенная в канавке поршня сообщенная радиальными сверлениями с внутренней полостью порсшня, через которые происходит подпитка фитиля.
Предлагаемая конструкции ДВС может иметь удвоение агрегатной мощности за счет параллельного спаривания маятниковых цилиндров в едину конструкцию с общей камерой сгорания и общим устройством соединения штоков с мотылевой шейкой коленвала, при этом базовая длина ДВС не изменяется, происходит лишь увеличение диаметров мотылевых и рамовых шеек коленвала. Подпоршневая полость цилиндра может использовать как компрессорная для образования свежего заряда воздуха.
Коленвал может иметь сборно-разборную конструкцию, состоящую из исцельных щек с мотылевой шейкой, соединяемой с рамовой шейкой посредством силовых шпилек, гайки у которых утапливаются в теле щек, при этом количество шпилек должно позволять смещать заклинку колен, исходя из количества колен,
Предлагаемую конструкцию ДВС при монтаже и демонтаже можно осуществлять крупными блоками-узлами заводской сборки, таких как маятниковые цилиндры и коленвалы, что значительно сократит их сроки.
Краткое описание прилагаемые чертежей.
Фиг.1 - разрез маятникового цилиндра по оси в масштабе 1:1
поз.1 - маятниковый цилиндр; 2 - поршень со штоком; 3 - диафрагма цилиндра; 4 - цилиндрическая золотниковая задвижка; 5 - конусная проволочная пружина поджатия задвижки; 6 - крышка цилиндра; 7 - насос-форсунка; 8 - нагнетательный клапан с плунжером и пружиной; 9 - шип цилиндра; 10 - А-образная стойка подвески цилиндра; 11 - мотылевая шейка коленвала; 12 - каналы проточного охлаждения поршня; 13 - фитильная масленка смазки стенок цилиндра.
Фиг.2 - Боковой вид маятного цилиндра и А-образной стойки с коленвалом;
поз. - 14 -рамовая шейка коленвала; 15 - фундаментная рама; 16 - газовая турбина; 17 - вентиляторные лопасти нагнания; 18 - устройство соединения штока с мотылевой шейкой; 19 - кожух цилиндровой крышки и она же ресивер заряда воздуха; 20 - выхлопная труба газовой турбины; 21 - несущая рама транспортного средства;.
Фиг.3 - Боковом вид сдвоенных маятниковых цилиндров.
поз. - 22 - тарельчатые пружины амортизаторов; 23 - корпус рамового подшипника; 24 - щека коленвала; 25 - общая камера сгорания; 26 - шарнирное соединение А-образной стойки с корпусом рамового подшипника; 27 - шарнирное соединение маятникового цилиндра с А-образной стойкой.
Работает двухтактный маятниковой двигатель следующим образом: пуск в работу производит стартер, под воздействием сгоревшего топлива, поршень 2 со штоком устремляется из версией мертвой точки в направлении нижней мертвой точки, на пути движения взаимодействует с цилиндрической золотниковой задвижкой 4, последняя открывает выхлопные окна, выхлопные газы по ним устремляются непосредственно в газовую турбину 16, у которой на концах вала смонтированы радиальные лопасти вентиляторного нагнетателя типа Сирокко 17, и далее по каналу в ресивер 19. Отработавшие выхлопные газы по трубе 20 выбрасываются в атмосферу. При достижении поршнем нижней мертвой точки цилиндровая полость освобождена от выхлопных газов. В момент открытия выхлопных окон происходит открытие нагнетательных клапанов 8, по которым из ресивера нагнетается заряд свежего воздуха, затем после закрытия выхлопных окон закрываются и нагнетательные клапаны, а в цилиндровой полости происходит сжатие свежего заряда воздуха, по окончании сжатия цикл повторяется.
В качестве примера приводятся параметры трех различных ДВС по цилиндровой и агрегатной мощности
| Параметры конструкции | ед. измер. | Марки по ГОСТ | |
| 4ДН 6/9 | 10 ДНР8/280 | ||
| Диаметр цилиндра | см | 6 | 80 |
| Площадь поршня | см2 | 28,27 | 5026 |
| Ход поршня | см | 9 | 280 |
| Отношение хода поршня к диаметру | разы | 1,5 | 3,5 |
| Сиднее эффективное давление | кг/см2 | 15 | 15 |
| Сала давления газов на поршень | кг с | 424 | 75390 |
| Работа одного хода поршня | кгс. м | 38,16 | 211092 |
| Средняя скорость движения поршня | м/сек | 9 | 8,4 |
| Число оборотов коленвала | п/мин | 2100 | 90 |
| -′′- -′′- -′′- | п/сек | 35 | 1,5 |
| Цилиндровая мощность | л.с. | 17,8 | 4220 |
| Число цилиндров | шт. | 4 | 10 |
| Агрегатная мощность | л.с. | 71,2 | 42200 |
| При удвоении цилиндров - 20 цил. агрегатная мощность составит 84400 л.c. |
1. Двухтактный дизельный двигатель, содержащий качающийся цилиндр с поршнем, соединенным посредством штока с мотылевой шейкой коленвала, оснащенный прямоточно-клапанной системой продувки, нагнетателем заряда свежего воздуха, системой питания с форсунками и системой смазки, отличающийся тем, что заряд свежего воздуха при продувке цилиндра поступает из ресивера через нагнетательные клапаны с гидпроприводом, а выхлоп происходит через выхлопные окна с цилиндрической задвижкой, откуда выхлопные газы перед выбросом в атмосферу поступают в газовую турбину газотурбовентиляторного нагнетателя, подающего воздух в ресивер.
2. Двухтактный дизельный двигатель по п.1, отличающийся тем, что система питания включает в себя насос-форсунки с безнасосным гидроприводом.
3. Двухтактный дизельный двигатель по п.1, отличающийся тем, что система смазки выполнена гравитационной и подает смазочную жидкость самотеком, при этом всас масляного насоса соединен с концом масляной магистрали, а нагнетание производится в масляную емкость, размещенную выше точек смазки.
4. Двухтактный дизельный двигатель по п.1, отличающийся тем, что качающиеся цилиндры параллельно спарены в единую конструкцию с общей камерой сгорания и их поршни соединены с одной мотылевой шейкой коленвала.
