Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к области поршневых двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в упрощении конструкции двигателя, снижении его массогабаритных показателей, повышении КПД и снижении расхода топлива. Согласно изобретению двигатель выполнен двухрядным с V-образным расположением цилиндров. Первый ряд образуют рабочие цилиндры малого диаметра, в которых происходит сгорание рабочей смеси. Второй ряд блока цилиндров состоит из вспомогательных цилиндров большого диаметра, которые служат для нагнетания чистого воздуха в рабочие цилиндры и для продолженного расширения выхлопных газов рабочих цилиндров. Рабочие и вспомогательные цилиндры соединены между собой перепускными патрубками. Двигатель имеет традиционные системы зажигания, питания и выхлопа. 14 ил.
Изобретение относится к области поршневых автомобильных и авиационных моторов, а также может применяться в качестве двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для различных транспортных средств.
Из технической литературы известен поршневой двигатель с двумя параллельно расположенными цилиндрами, камеры сгорания которых имеют соединительные каналы (см. кн. В.М.Кушуль. Двигатель нового типа. Л.: Судостроение, 1966 г., стр.91-106). Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности использования соседнего цилиндра в качестве нагнетателя чистого воздуха в рабочий цилиндр. Такое устройство не позволяет использовать выхлопные газы рабочего цилиндра во вспомогательном цилиндре для полного их расширения и снижения их токсичности.
Ближайшим техническим решением для предлагаемого изобретения является авт.св. SU №1494625, кл. F02B 41/06, где изложено устройство двигателя внутреннего сгорания с рядным расположением цилиндров. Причем цилиндры малого диаметра (рабочие) расположены между двумя цилиндрами большого диаметра (вспомогательными), что усложняет конструкцию двигателя, приводит к увеличению длины перепускных каналов, выхлопных и всасывающих патрубков.
Такой двигатель имеет длинный пятиопорный коленвал и длинный многоопорный распредвал, что увеличивает габариты двигателя и его вес.
Технической задачей для данного изобретения является упрощение конструкции двигателя, уменьшение его габаритов, веса, повышение его КПД и снижение расхода топлива двигателем.
Указанная задача решается следующим образом. Рабочие цилиндры малого диаметра расположены у выходного конца коленчатого вала рядом с маховиком - оба в одной плоскости параллельно ему, а второй ряд цилиндров образован вспомогательными цилиндрами, причем развал цилиндров первого и второго ряда находится в пределах 0-15°. Кроме того, расположенные рядом рабочие и вспомогательные цилиндры соединены между собой перепускными каналами, а удаленные друг от друга рабочие и вспомогательные цилиндры соединены между собой крестообразно расположенными перепускными каналами, а всасывающие патрубки рабочих цилиндров установлены в передней части головки цилиндров со стороны выходного вала (у маховика), а выхлопные патрубки вспомогательных цилиндров расположены с противоположной стороны блока в задней части головки их цилиндров.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:
- на фиг.1 показана схема газораспределения двигателя при виде сверху;
- на фиг.2 дан вид сбоку двигателя в разрезе по второму вспомогательному и третьему рабочему цилиндрам (по А-А);
- на фиг.3 показан распредвал с клапанным механизмом в разрезе по рабочим цилиндрам;
- на фиг.4 показано на схеме, как предлагаемый двигатель условно преобразован в рядный четырехцилиндровый мотор для последующего описания работы предлагаемого двигателя;
- на фиг.5; 6; 7 и 8 изображен двигатель в разрезе с условно расположенными вряд вспомогательными и рабочими цилиндрами. На этих четырех фиг. показаны все четыре такта работы предлагаемого двигателя в каждом из четырех цилиндрах;
- на фиг.9 показан вариант двигателя с развалом рабочих и вспомогательных цилиндров на угол 15°;
- на фиг.10 изображен стандартный шатун двигателя с параллельными или V-образно расположенными цилиндрами;
- на фиг.11 изображена круговая диаграмма фаз газораспределения вспомогательного цилиндра за два оборота коленвала;
- на фиг.12 изображена круговая диаграмма фаз газораспределения рабочего цилиндра за два оборота коленвала;
- на фиг.13 показана индикаторная диаграмма четырехтактного серийного автомобильного двигателя;
- на фиг.14 изображена индикаторная диаграмма предлагаемого двигателя в развернутом виде.
Двигатель внутреннего сгорания состоит из блока цилиндров 1, который имеет, например, четыре цилиндра. Причем цилиндры расположены попарно в ряд. Двигатель может иметь восемь и двенадцать цилиндров в блоке (число кратное четырем, не показаны).
Блок цилиндров снизу закрыт поддоном (2). Блок имеет рубашку охлаждения (3), внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. На коренных подшипниках (4) блока цилиндров установлен коленвал (5) стандартной конструкции с маховиком (6). На шатунных шейках (7) коленвала установлены шатуны (8). Шатуны выполнены сдвоенными (см. фиг.9 и 10). Они имеют стандартное устройство для шатунов V-образных двигателей. Один из шатунов (9) является главным, а другой шатун (10) является прицепным. Шатуны соединены между собой с помощью шарнира (11) и имеют общий шатунный подшипник (12), с помощью которого шатуны установлены на шатунных шейках (7) коленвала.
Шатуны с помощью поршневого пальца (13), вставленного в верхнюю головку (14) шатуна, соединены с поршнями (15). Таким образом, шатунно-поршневая группа имеет традиционное для ДВС устройство. Двигатель имеет обычную для серийных моторов систему смазки и систему охлаждения.
Двигатель имеет два рабочих (16) и два вспомогательных (17) цилиндра. Рабочие (активные) цилиндры имеют меньший диаметр. Они расположены параллельно или V-образно в первом ряду рядом с маховиком.
Параллельно рабочим цилиндрам во втором ряду от маховика параллельно или V-образно установлены вспомогательные цилиндры (17). Развал рабочих и вспомогательных цилиндров, таким образом, выполнен в пределах 0-15°. Диаметр вспомогательных цилиндров больше диаметра рабочих цилиндров. Диаметры принимают с таким расчетом, чтобы рабочий объем вспомогательных цилиндров был в 2-2,5 раза больше рабочего объема малых цилиндров.
Например, рабочие цилиндры имеют диаметр 52 мм, а вспомогательные - 79 мм. Второй вариант блока, когда диаметр рабочих цилиндров 76 мм, а вспомогательных - 108 мм. В указанных случаях вспомогательные цилиндры обеспечат наддув в рабочих цилиндрах 2,5-2,8 атм.
Поршни в рабочих и вспомогательных цилиндрах установлены в противофазе (сдвинуты на 180°, фиг.2). Поэтому, когда поршни рабочих цилиндров идут вверх, во вспомогательных поршни идут вниз и наоборот. Свечи зажигания (18) установлены только в рабочих цилиндрах, а система зажигания выполнена стандартной для двухцилиндровых моторов (типа ВАЗ-1111 «Ока» или мотоциклов М-67, М-68 и т.д.).
Газораспределительный механизм предлагаемого двигателя имеет типичное для ДВС устройство. Приводное зубчатое колесо (19), расположенное на коленвале, цепью (20) связано с зубчатым колесом (21) кулачкового вала (22), который установлен в подшипниках (23). Газораспределительный механизм заключен в головку (24) двигателя, в которой на шарнирах (25) установлены коромысла (26), одним концом опирающиеся на кулачок (27) кулачкового вала, а другим - на толкатель (28) клапана (29) (показан всасывающий клапан рабочего цилиндра).
В головке выполнены каналы (30) системы охлаждения и каналы маслосистемы (не показаны).
Двигатель имеет по три клапана на каждый цилиндр. Клапаны установлены в клапанных гнездах (31) всасывающих, перепускных и выхлопных патрубков, выполненных в головке двигателя.
На всасывающих патрубках (32) рабочих цилиндров установлен карбюратор (33). На всасывающих патрубках (34) вспомогательных цилиндров установлен воздушный фильтр (35). В них подается только чистый воздух. В коротком перепускном патрубке (36) между рабочим и вспомогательным цилиндрами установлен только один выхлопной клапан (37) в рабочем цилиндре.
В крестообразно расположенных перепускных патрубках (38) (для нагнетания чистого воздуха) клапан (39) установлен в рабочих цилиндрах, а клапан (40) - во вспомогательных цилиндрах.
В выхлопных патрубках (41) вспомогательных цилиндров установлен выхлопной клапан (42), а во всасывающих патрубках - клапан (43).
Управление оборотами двигателя осуществляется с помощью заслонок карбюратора (не показано), запуск двигателя производится стартером.
Предложенный двигатель имеет небольшой вес и малые габариты по сравнению с серийными ДВС.
Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Для наглядности принципа работы предлагаемого двигателя его V-образные цилиндры условно расположим параллельно друг другу и в один ряд (фиг.4). Это схематичное изображение двигателя сверху.
Сбоку в разрезе он будет выглядеть так, как показано на фиг.5 - фиг.8.
Теперь рассмотрим все четыре такта работы четырехцилиндрового двигателя. При включении зажигания стартер проворачивает коленвал (5) двигателя. Поршни, распредвал и клапаны совершают движение. В одном из рабочих цилиндров происходит воспламенение и совершается рабочий ход поршня.
На фиг.5 показано как после завершения рабочего хода в третьем (III) цилиндре поршень идет вверх, перепускной клапан (37) открыт и рабочие газы (при давлении более 10 атм и температуре более 1200°С) поступают через перепускной короткий патрубок (36) во вспомогательный четвертый (IV) цилиндр. Здесь они продолжают совершать работу (дорасширяться) и под их давлением поршень во вспомогательном цилиндре идет вниз.
Поршень во втором (II) вспомогательном цилиндре идет вниз и чистый воздух через воздушный фильтр (35) по всасывающему патрубку (34) поступает в этот цилиндр через открытый впускной клапан (43). Одновременно в первом (I) рабочем цилиндре поршень идет вверх (здесь все клапаны закрыты), происходит такт сжатия.
На фиг.6 поршень во втором вспомогательном цилиндре идет вверх, подходя к верхней мертвой точке (В.М.Т.), перепускной клапан (40) здесь открыт и чистый воздух через перепускной крестообразный патрубок (38) поступает в третий рабочий цилиндр через его открытый клапан (39). В третьем рабочем цилиндре при подходе его к нижней мертвой точке всасывающий клапан еще не полностью закрыт и через карбюратор по инерции потока продолжает засасываться рабочая смесь.
В первом рабочем цилиндре произошло воспламенение рабочей смеси и совершается такт - рабочий ход. В IV вспомогательном цилиндре поршень идет вверх и завершается такт - выхлоп. Выхлопной клапан (42) открыт, и выхлопные газы удаляются через выхлопной патрубок (41).
На фиг.7 показан третий такт работы двигателя во всех его цилиндрах. В первом (рабочем) цилиндре поршень идет вверх и происходит выхлоп во вспомогательный второй цилиндр через короткий перепускной канал (36). В третьем (рабочем) цилиндре все клапаны закрыты, поршень идет вверх и происходит сжатие рабочей смеси. В четвертом (вспомогательном) цилиндре поршень идет вниз, всасывающий клапан (42) открыт и происходит всасывание чистого воздуха.
На фиг.8 двигатель изображен в начале четвертого такта его работы. В первом рабочем цилиндре открыт всасывающий клапан и через него поступает рабочая смесь через карбюратор. Причем смесь поступает переобогащенная, с коэффициентом избытка воздуха - α всего 0,3-0,35, с таким расчетом, что после дополнительного нагнетания воздуха из вспомогательного цилиндра (2-3 объема рабочего цилиндра) топливовоздушная смесь в рабочем цилиндре будет нормальной или обедненной (α=1-1,1), которая является оптимальной для работы ДВС.
В третьем (рабочем) цилиндре в этом такте все клапаны закрыты, произошло воспламенение рабочей смеси и совершается рабочий ход поршня.
Во втором вспомогательном цилиндре поршень идет вверх, выхлопной клапан (42) открыт и догоревшие, расширенные газы до давления ниже критического (1,86 атм) удаляются через выхлопной патрубок (41).
В четвертом вспомогательном цилиндре в этом такте все клапаны закрыты, поршень идет вверх и происходит сжатие чистого воздуха.
Коленчатый вал двигателя совершил два оборота, после чего происходит повторение тактов в каждом цилиндре, как было рассмотрено выше.
Фазы газораспределения в зависимости от угла поворота коленвала показаны на фиг.11 для вспомогательных цилиндров и на фиг.12 для рабочих цилиндров.
На фиг.13 для сравнения с предлагаемым двигателем показана индикаторная диаграмма работы одного цилиндра стандартного ДВС с рабочим объемом 385,8 см3. На диаграмме видно, что выхлопной клапан открывается при давлении в цилиндре 6,7 атм и температуре газа более 1200°С. Выхлопные газы с такими высокими энергетическими параметрами вылетают в выхлопную трубу, а для снижения давления, температуры газа и подавления звуковой волны ставят резонатор и глушитель.
Чтобы снизить токсичность выхлопных газов нужен каталитический нейтрализатор с «λ - зондом», так как в выхлопных газах содержится много окислов и несгоревших остатков топлива. Это все происходит в обычном - серийном двигателе.
Развернутая индикаторная диаграмма рабочего цилиндра предлагаемого двигателя дана на фиг.14. Здесь выхлопной клапан открывается при давлении 10 атм и температуре газа 1300°, потому что в рабочий цилиндр нагнетается дополнительный воздух из вспомогательного цилиндра (3 атм), как показано в левой части диаграммы.
После завершения рабочего хода в рабочем цилиндре выхлопные газы выбрасываются во вспомогательный цилиндр, где они догорают полностью и расширяются до давления ниже критического (1,86 атм). В этом случае предлагаемому ДВС не нужен глушитель и каталитический нейтрализатор, а выхлопную трубу его можно выполнить из полиэтилена или бензомаслостойкого резинового шланга. Если учесть, что выхлопная система четырехцилиндрового двигателя весит около 60 кг, экономия веса на один автомобиль составит около 50 кг.
Так как во вспомогательном цилиндре площадь поршня в 2-2,5 раза больше, то выхлопные газы в 10 атм оказывают большее давление на днище поршня во вспомогательном цилиндре. В левой части диаграммы показано 20 атм.
Заштрихованные косой линией площади индикаторной диаграммы серийного ДВС (фиг.13) и предлагаемого двигателя (фиг.14) показывают, что на один рабочий ход расширяющиеся газы в рабочем цилиндре совершают в два раза большую работу, чем в цилиндре серийного мотора.
По сравнению с прототипом предложенный двигатель позволяет в два раза снизить расход топлива или при одинаковом расходе его на 50% повысить мощность мотора.
Предложенное устройство позволяет снизить массу двигателя и упрощает его конструкцию. У него проще система зажигания (всего две свечи), система питания и система выхлопа.
Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из блока цилиндров с двумя вспомогательными и двумя рабочими цилиндрами (меньшего диаметра), коленчатого вала с маховиком, соединенного посредством шатунов с поршнями, и газораспределительного механизма с системой выхлопных и всасывающих патрубков, а также перепускных между цилиндровых каналов, отличающийся тем, что рабочие цилиндры малого диаметра расположены у выходного конца коленчатого вала рядом с маховиком оба в одной плоскости параллельно ему, а второй ряд цилиндров образован вспомогательными цилиндрами, причем развал цилиндров первого и второго ряда находится в пределах 0-15°, кроме того, расположенные рядом рабочие и вспомогательные цилиндры соединены между собой перепускными каналами, удаленные друг от друга рабочие и вспомогательные цилиндры соединены между собой крестообразно расположенными перепускными каналами, всасывающие патрубки рабочих цилиндров установлены в передней части головки цилиндров со стороны выходного вала (у маховика), а выхлопные патрубки вспомогательных цилиндров расположены с противоположной стороны блока в задней части головки их цилиндров.
