Двигатель внутреннего сгорания

(51) 02 75/32 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 2015/0918.1 03.08.2015 29.07.2016, бюл. 8 Хачатуров Владимир Иванович 2161258 1, 27.12.20002474707 2, 10.02.201321218 1, 27.12.20012055225 1, 27.02.19962012/021116 1, 16.02.201261149525 , 08.07.19861212322 , 31.03.1999(57) Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневому двигателестроению, и может быть использовано как силовая установка в различных транспортных средствах (катерах и кораблях, легковых и грузовых автомобилях,автобусах и пр.), а также в мобильных источниках энергии (дизель-электрогенераторы, компрессоры и пр.). Технический результат заключается в снижении трения деталей главной кинематической пары двигателя внутреннего сгорания - поршеньцилиндр, что ведет к увеличению срока службы,повышение механического КПД, топливной эффективности и мощности. Технический результат достигается тем, что предложен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания,включающий системы питания,охлаждения,зажигания,смазки,газораспределительный механизм, преобразователь возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала,отличающийся тем, что преобразователь возвратнопоступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала выполнен в виде четырехзвенного рычажного механизма,состоящего из симметрично расположенных в одной плоскости трех рычагов и кулисы,перпендикулярной плоскости рычагов, жестко соединенных в центре, свободные концы рычагов шарнирно соединены со штоками поршней,движущимися по оси цилиндра в неподвижных направляющих втулках, находящихся за пределами цилиндра, а для вращения рабочего вала выполнена кулиса, шарнирно соединенная с кривошипом рабочего вала, газораспределительный механизм выполнен в виде приводного вала, на котором жестко установлен диск привода выпускных клапанов, а ступица диска привода впускных клапанов выполнена с подвижным перемещением по ступице диска привода выпускных клапанов вдоль оси вала, для управления клапанами выполнены два сегмента, жестко закрепленные на каждом диске, за счет чего проходное сечение впускных и выпускных клапанов многократно увеличено, в ступице диска привода впускного клапана выполнен, рычаг, включающий в себя два вращающихся в подшипниках конуса,установленных в кольцевой проточке в ступице диска привода впускного клапана. Конструкция позволяет всех тактах работы предлагаемого двигателя практически на 100 использовать возможности рабочего объема цилиндров, особенно в такте расширения, когда максимально эффективно используется энергия расширяющихся газов, чего нет в двигателях с известным газораспределительным механизмом. Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневому двигателестроению, и может быть использовано как силовая установка в различных транспортных средствах (катерах и кораблях, легковых и грузовых автомобилях,автобусах и пр.), а также в мобильных источниках энергии (дизель-электрогенераторы, компрессоры и пр.). Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания Шкрабаков, содержащий блок цилиндров, поршень, вильчатый шатун-рейку,связанный через поршневой палец с поршнем, и вал с шестернями, размещенными между щеками шатуна рейки, причем внутренние поверхности щек,обращенные к валу двигателя, на длине,соответствующей величине хода поршней,выполнены в виде зубчатых реек-пластин,взаимодействующих с шестернями, последние размещены на пересечении геометрических осей цилиндра и вала двигателя, а число шестерен равно числу цилиндров, отличающийся тем, что наружные поверхности шатуна-рейки, обращенные к блоку цилиндров, выполнены в виде ласточкина хвоста,шестерни выполнены в виде шестерен-дисков,расстояние между щеками шатуна-рейки соответствует диаметру шестерен-дисков, причем диаметр шестерни-диска и величина длины окружности шестерни-диска, снабженной зубьями,выполнены в соответствии с циклом двигателя, так при осуществлении цикла двигателя за два оборота вала зубья размещены на половине длины окружности шестерни-диска, диаметр которой соответствует величине двойного хода поршня,деленной на 3,14, при осуществлении цикла двигателя за один оборот вала зубья выполнены двойными, а диаметр шестерни-диска равен величине учетверенного хода поршня, деленной на 3,14 ( патент на изобретение 2084664) Двигатель имеет следующие недостатки 1. В преобразователе возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала используется прерывистая передача зубчатой рейки с шестерней, существенным недостатком такой передачи является то, что в начале хода поршня из верхней мертвой точкой (ВМТ) или нижней мертвой точке (НМТ) первый зуб шестерни и рейки не находятся в полном зацеплении, а потому на эти зубья постоянно действуют повышенные нагрузки,что приводит их к преждевременному износу и резко снижается срок службы предложенного механизма. Кроме того, все детали данного механизма (шестерни, вильчатый шатун-рейка,ласточкин хвост) требуют очень высокой точности изготовления и монтажа, что увеличит затраты на этот двигатель. Еще один недостаток прерывистых зубчатых передач, особенно реечных - это более высокий уровень шума. 2. Из-за рядного расположения цилиндров возможно использование только традиционного газораспределительного механизма с кулачковым валом, эта сложная и дорогая деталь к тому же имеет серьезный недостаток, заключающийся в том,что кулачок распределительного вала может 2 открыть клапан на очень короткое время, которое не может обеспечить подачу достаточно большого заряда топливной смеси, а после ее сгорания полностью удалить продукты сгорания. Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из кривошипношатунного механизма, газораспределительного механизма с кулачковым распределительным валом,системы питания, охлаждения, зажигания и смазки Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания, кривошипношатунный механизм и газораспределительный механизм,выполненный с кулачковым распределительным валом (//). Недостатком устройства является недостаточно эффективный процесс использования энергии сгорающего топлива, в частности, от потерь на трение, которое ведет также к быстрому износу деталей. Известно, что на первом месте по потерям на трение, а значит и износу идет поршневая группа(кольца, поршни, гильзы), затем следует пара трения вкладыш - шейка коленвала, потом детали газораспределительного механизма. Кривошипношатунный механизм изначально обладает 2-мя серьезными недостатками 1 - наличие боковых усилий поршня на стенки цилиндра, 2 неравномерное движение поршня в цилиндре. При повороте вала на 90 градусов поршень, двигаясь от верхней мертвой точки (ВМТ), к нижней мертвой точке (НМТ) проходит более половины хода вместо половины. Это недостаток не только с точки зрения динамики, но и потери мощности, так как в этом положении поршня в такте расширения газы занимают более 50 рабочего объема цилиндра, что ведет к снижению среднего эффективного давления. Кроме того, конструкция коленчатого вала требует очень высокой точности изготовления,балансировки, обладает большой массой, что ведет к высокой стоимости этой детали. При использовании кривошипно-шатунного механизма известной конструкции к поршням предъявляются жесткие требования к допускам на размеры и форму, что приводит к удорожанию их производства, Чтобы увеличить время, в течение которого открыты клапаны, пришлось удлинить фазы газораспределения, что привело к двум недостаткам 1 - перекрытие клапанов, когда открыты оба клапана в конце такта выпуска 2 - досрочное (в среднем за 45 градусов до нижней мертвой точки) открытие выпускного клапана в такте расширения. Эти недостатки привели к снижению компрессии (мощности) и ухудшению топливной эффективности. Надежность двигателя является одним из важнейших параметров,определяющих его ценность. Одна из основных характеристик надежности - долговечность, которая определяется износостойкостью его деталей. Износные отказы являются одними из основных причин снижения надежности двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при этом ухудшаются практически все рабочие параметры падает мощность,ухудшаются экономичность и токсичность. Причиной всех этих отказов является увеличение рабочих зазоров. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является существенное увеличение срока службы(долговечности) главной кинематической пары двигателя внутреннего сгорания - поршеньцилиндр,повышение механического КПД,топливной эффективности и мощности. Технический результат заключается в снижении трения деталей главной кинематической пары двигателя внутреннего сгорания - поршеньцилиндр, что ведет к увеличению срока службы,повышение механического КПД, топливной эффективности и мощности. Технический результат достигается тем, что предложен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания,включающий системы питания,охлаждения,зажигания,смазки,газораспределительный механизм, преобразователь возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала,отличающийся тем, что преобразователь возвратнопоступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала выполнен в виде четырехзвенного рычажного механизма,состоящего из симметрично расположенных в одной плоскости трех рычагов и кулисы,перпендикулярной плоскости рычагов, жестко соединенных в центре, свободные концы рычагов шарнирно соединены со штоками поршней,движущимися по оси цилиндра в неподвижных направляющих втулках, находящихся за пределами цилиндра, а для вращения рабочего вала выполнена кулиса, шарнирно соединенная с кривошипом рабочего вала, газораспределительный механизм выполнен в виде приводного вала, на котором жестко установлен диск привода выпускных клапанов, а ступица диска привода впускных клапанов выполнена с подвижным перемещением по ступице диска привода выпускных клапанов вдоль оси вала, для управления клапанами выполнены два сегмента, жестко закрепленные на каждом диске, за счет чего проходное сечение впускных и выпускных клапанов многократно увеличено, в ступице диска привода впускного клапана выполнен, рычаг, включающий в себя два вращающихся в подшипниках конуса,установленных в кольцевой проточке в ступице диска привода впускного клапана. На фиг.1 показана общая кинематическая схема 4-х звенного рычажного механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала (РПД) и дискового газораспределительного механизма(ГРМ), на фиг.2 показана отдельная схема дискового газораспределительного механизма, на фиг.3 показана отдельная схема 4-х звенного рычажного механизма преобразования возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала, на фиг.4 показана диаграмма открытия впускного клапана прототипа,на фиг.5 показана диаграмма открытия впускного клапана заявляемого изобретения, на фиг.6 показаны фазы газораспределения прототипа, на фиг.7 показаны фазы газораспределения заявляемого изобретения Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания,включает в себя системы питания, зажигания,смазки, охлаждения, и два усовершенствованных механизма рычажный преобразователь возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала и дисковый газораспределительный механизм с приводом. Рычажный преобразователь возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала состоит из поршней 1,цилиндров 2, штоков 3, втулок 4, шарниров 5, рычагов 6, кулисы 7, кривошипа 8, рабочего вала 9, механизм привода дискового газораспределительного механизма включает шестерню 10, колесо 11,промежуточный вал 12, подшипники 13, цепную передачу 14, приводной вал 15, дисковый газораспределительный механизм,включает приводной вал 15, диск привода впускных клапанов 16, диск привода выпускных клапанов 17, шпонку 18, штифты 19, сегменты 20 и 21, рычаг 22, конусы 23, подшипники 24, стопорные кольца 25 и 26. Рычажный преобразователь возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала работает следующим образом поршень 1 под действием расширяющихся газов перемещается в цилиндре 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке(НМТ) и через шток 3, движущийся в неподвижной направляющей втулке 4, находящейся за пределами цилиндра 2, передает усилие через шарнир 5,соединяющий шток 3 с рычагом 6, на кулису 7,которая через кривошип 8 вращает рабочий вал 9,кулиса 7 вращается по окружности радиуса ,равного длине хода поршня, деленной на 3,14,цилиндры 2 расположены симметрично по окружности радиуса , рычажный преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение рабочего вала работает в четырехтактном цикле с 3-мя или 3-мя парами цилиндров по схеме 1-3-2. Дисковый газораспределительный механизм работает следующим образом от приводного вала 15 движение передается на диск 17, жестко связанный с валом 15 шпонкой 18, по ступице диска 17 вдоль оси вала 15 перемещается ступица диска 16, для предотвращения смещения диска 16 относительно диска 17 по окружности установлены штифты 19 (от 2-х до 4-х), которые в диске 16 закреплены жестко, а в отверстиях диска 17 могут свободно перемещаться вдоль оси вала 15, сегменты 20 и 21 управляют выпускными и впускными клапанами, например, через ролики коромысел,сегмент 20 имеет постоянную высотудля максимального открытия выпускных клапанов, а 3 сегмент 21 - 0,3 для пуска двигателя и работы его на холостом ходу, от любого привода рычаг 22 через вращающиеся конусы 23 передает усилие на ступицу диска 16, который, перемещаясь вдоль оси вала 15, сегментом 21 нажимает на ролик коромысла и открывает впускной клапан на любую величину,регулируя число оборотов двигателя в нужных пределах, сегмент 21 перемещается в специальной прорези в диске привода выпускных клапанов,таким образом, дросселирование производится самим впускным клапаном, а не заслонкой(карбюраторные ДВС) и это по разным источникам дает экономию топлива 8-15 и прирост мощности и момента 5-15. Рассмотрим работу газораспределительного механизма прототипа и дискового газораспределительного механизма. Для сравнительного анализа примем 6 мм, 1200 ММ,2244 ММ. На фиг.4 показана диаграмма открытия впускного клапана газораспределительного механизма прототипа. Величина проходного сечения открытого клапана зависит от длины линии контакта кулачка распределительного вала с исполнительным органом, например, коромыслом,открывающим клапан. Это сечение пропорционально площади диаграммы 1. С учетом того, что у прототипа впускной клапан открыт в течение поворота вала до 245 градусов длина линии контакта около 60 мм, этой длине соответствует площадь диаграммы 1190 На фиг.5 показана диаграмма открытия впускного клапана дискового газораспределительного механизма,которая представляет собой трапецию (именно такую форму имеют сегменты 20 и 21) с указанными размерами для фазы впуска 180 градусов. Площадь диаграммы 2762. мм, что в 4 раза больше, чем аналогичная для прототипа с распределительным валом, но при фазе впуска 245 градусов,известно, что топливная смесь, попадая в цилиндр,нагревается, что ведет к снижению ее плотности, а,значит, и мощности. Вывод дисковый газораспределительный механизм увеличивает мощность предлагаемого двигателя. Работа выпускного клапана характеризуется размерами сегмента 20, длина которого 191 мм, а площадь трапеции (фиг.5) при такой длине основания равна 966 кв. мм, что в 5 раз больше, чем у газораспределительного механизма прототипа, это означает, что в 5 раз уменьшаются потери мощности на вытеснение отработавших газов, что увеличивает механический КПД. Фазы газораспределения газораспределительного механизма прототипа с кулачковым распределительным валом показаны на фиг.6, они имеют 2 существенных недостатка 1 - примерно 3050 градусов поворота вала открыты оба клапана, это означает, что поршень, двигаясь от НМТ к ВМТ в такте выпуска, вынужден какую-то часть свежего топливного заряда вытолкнуть в выхлопную трубу,кроме того, снижается компрессия (падает мощность), происходит смешивание свежего 4 топливного заряда с отработавшими газами, что ухудшает работу двигателя 2 - при движении поршня от ВМТ к НМТ в такте расширения за 3070 градусов до НМТ открывается выпускной клапан и газы с достаточно высокими давлением и температурой устремляются в выхлопную трубу,что приводит не только к снижению топливной эффективности, но и потере мощности. Известно, что самый эффективный двигатель внутреннего сгорания - это тот, который использует расширение газов до конца,но с газораспределительным механизмом прототипа это невозможно. Этих недостатков лишен дисковый газораспределительный механизм. На фиг.7 показаны фазы газораспределения дискового газораспределительного механизма. Имея многократно увеличенные площади сечения открытых впускных и выпускных клапанов,дисковый газораспределительный механизм позволяет иметь идеальную диаграмму фаз газораспределения тактам впуска и выпуска соответствует поворот вала на 180 градусов, а это означает, что во всех тактах работы предлагаемого двигателя практически на 100 используются возможности рабочего объема цилиндров, особенно в такте расширения, когда максимально эффективно используется энергия расширяющихся газов, чего нет в двигателях с известным газораспределительным механизмом. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Двигатель внутреннего сгорания, включающий системы питания, охлаждения, зажигания, смазки,газораспределительный механизм, преобразователь возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала,отличающийся тем,что преобразователь возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала выполнен в виде четырехзвенного рычажного механизма,состоящего из симметрично расположенных в одной плоскости трех рычагов и кулисы,перпендикулярной плоскости рычагов, жестко соединенных в центре, свободные концы рычагов шарнирно соединены со штоками поршней,движущимися по оси цилиндра в неподвижных направляющих втулках, находящихся за пределами цилиндра, а для вращения рабочего вала выполнена кулиса, шарнирно соединенная с кривошипом рабочего вала, газораспределительный механизм выполнен в виде приводного вала, на котором жестко установлен диск привода выпускных клапанов, а ступица диска привода впускных клапанов выполнена с подвижным перемещением по ступице диска привода выпускных клапанов вдоль оси вала, для управления клапанами выполнены два сегмента, жестко закрепленные на каждом диске, за счет чего проходное сечение впускных и выпускных клапанов многократно увеличено, в ступице диска привода впускного клапана выполнен рычаг, включающий в себя два диска привода впускного клапана.