Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

Номер патента: 1726816

Авторы: Евстифеев, Соин

ZIP архив

Текст

(51)5 Е 02 О 17/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТВУ ТОРСКОМУ Мв 14уч но-исследо ватути Ю.В. Соин льскии 2676752,к. 1954. ЕЛЬ тво по- работы 15 10 9 1 г 1((21) 4824314/06 (22) 08.05.90 (46) 15.04.92. Бюл. (71) Всесоюзный н тепловозный инст (72) Б.В, Евстифее (53) 621,432 (088,8) (56) Патент США Ь кл. 417-237, опубл 54) Ч ЕТЫ Р ЕХТАКТН Ы Й ДВ ИВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ57) Сущность изобретения; устрозволяет повысить эффективност двигателя путем увеличения воздушного заряда цилиндров. В двигателе на кулачковом валу 18 закрепляют комбинированные кулачки, одни из которых 20 взаимодействуют с впускными 12 и перепускными 10 клапанами на режиме со всеми работающими цилиндрами 1-6, а другие 21-24 - в режиме с отключением цилиндров 4-6, Профили кулачков обеспечивают последовательное сжатие воздушного заряда в отключаемых цилиндрах с последующим перепуском его в работающие. Впускной ресивер 11 и перепускной коллектор 9 сообщены через обратный клапан 14. 2 з. п. ф-лы,3 ил.Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами.Известен двигатель внутреннего сгорания, конструкция впускного и выпускного тракта которого обеспечивает циркуляцию воздуха по замкнутому циклу: цилиндры - выпускной тракт - впускной тракт - цилиндры.Данный двигатель не обеспечивает перепуск сжатого воздуха между работающими и отключенными цилиндрами.Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускные и перепускные клапаны в крышке цилиндра, впускной ресивер и перепускной коллектор, сообщенные с цилиндрами двигателя через соответственно впускные и перепускные клапаны, причем перепускным коллектором сообщены между собой цилиндры, смещенные. по фазе работы на угол, равный 360 поворота вала двигателя.В этом двигателе не предусмотрено объединение перепускным коллектором всех цилиндров двигателя и сообщение между собой впускного ресивера и перепускного коллектора,Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий отключаемые и неотключаемые цилиндры, каждый из которых посредством каналов и размещенных в них впускных, перепускных и выпускных клапанов сообщен соответственно с воздушным ресивером, перепускным коллектором и выпускным трактом, механизмы отключения топливоподачи и выпускных клапанов отключаемых цилиндров, привод клапанов, включаюший кулачковый вал, имеющий возможность осевого возвратно-поступэтел ьного перемещения, механизм осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулачковом валу, каждая из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль.Привод перепускных клапанов ручной, а отбираемый сжатый воздух наполняет расходную емкость. Устройство для остановки выпускных клапанов в закрытом положении выполнено в виде набора кулачков на кулачковом валу, один из которых имеет цилиндрический профиль. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Известный двигатель не имеет сообщения воздушного ресивера с перепускным коллектором и привода перепускных клапанов от кулачкового вала, а профили выступающих частей кулачков не обеспечивают перепуск сжатого воздуха между отключаемыми и неотключаемыми цилиндрами, что не позволяет повысить воздушный заряд работающих цилиндров.Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя путем увеличения воздушного заряда цилиндра.Для достижения поставленной цели в известный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий отключэемые и неотключаемые цилиндры, каждый из которых посредством каналов и размещенных в них впускных, перепускных и выпускных клапанов сообщен соответственно с воздушным ресивером, перепускным коллектором и выпускным трактом, механизмы отклкчения топливоподачи и выпускных клапанов отключаемых цилиндров, привод клапанов, включающий кулачковый вэл, имеющий возможность осевого возвратно- поступательного перемещения, механизм осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулэчковом валу, каждый из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль, дополнительно кулачки второй группы выполнены таким образом, что кулачки, взаимодействующие с впускными клапанами, имеют кривизну выступающих частей идентичного профиля, у кулачков, взаимодействующих с перепускными клапанами отключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профилей имеют на 060 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки - отставание соответственно от конечных и начальных точек выступающих частей профилей кулачков, взаимодействующих с впускными клапанами отключаемых цилиндров, у кулачков, взаимодействующих с перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профиля имеют на 040 поворота кулэчкового вала опережение, а конечные точки имеют на 2050 поворота кулачковогс вала отставание относительно конечных точек выступающих частей профиля кулачков,35 40 45 взаимодействующих с впускными клапанами неотключаемых цилиндров.Воздушный ресивер сообщен с перепускным коллектором через обратный клапан, обеспечивающий перепуск воздуха только в 5 направлении перепускного коллектора.Кроме того, кулачковый вал снабжен промежуточной шайбой, которая имеет ци- . линдрическое сечение и размещена соосно валу между кулачками первой и второй 10 групп отключаемых цилиндров, а протяженность участка выступающей части профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами, на 1050 поворота кулачкового вала меньше протяженности уча стка выступающей части профиля кулачков первой группы.На фиг. 1 представлена схема двигателя с сечениями кулачков; на фиг. 2 - фазы работы клапанов; а) клапаны, взаимодейству ющие с кулачками первой группы в режиме всех включенных цилиндров; б) и в) клапаны соответственно неотключаемых и отключаемых цилиндров, взаимодействующие с кулачками второй группы в режиме с 25 отключением части цилиндров; на фиг. 3 - схема работы четырехтактного 6-цилиндрового рядного дизеля с порядком работы цилиндров 1-5-3-6-2-4.Цилиндры двигателя (фиг. 1) разделены 30 на постоянно работающие(неотключаемые) 1-3 и отключаемые 4-6. Все цилиндры сообщены с выпускным трактом 7 через выпускные клапаны 8, с перепускным коллектором 9 - через перепускные клапаны 10 и с впускным ресивером 11 - через впускные клапаны 12. Патрубок 13 с обратным клапаном 14 сообщает впускной ресивер с перепускным коллектором, в которые свежий воздух поступает через воздушный фильтр 16, Клапаны 10 и 12 взаимодействуют через соединительные звенья 16 и 17 с кулачковым валом 18, соединенным с механизмом 19 осевого перемещения. На валу закреплены кулачки первой группы 20 и второй, состоящей из кулачков первой 21 и второй подгрупп 22, взаимодействующих соответственно с впускными и перепускными клапанами от-. ключаемых цилиндров, третьей 23 и четвертой 24 подгрупп, взаимодействующих 50соответственно с впускными и перепускными клапанами неотключаемых цилиндров, а также промежуточные шайбы 25. Привод выпускных клапанов отключаемых цилиндров содержит гидравлические механизмы 26 отключения, Стрелками показано направление движения газов.Нап фиг, 2 обозначено: Ьл - перемещение газораспределительных клапанов; уугол поворота коленчатого вала двигателя; ВЫП, ВП, СЖ и Р.Х. - такты работы двигателя соответственно: "Выпуск", "Впуск", "Сжатие" и "Рабочий ход", 20 - перемещение соединительных звеньев (толкателей) и соответствующих клапанов первой группы и подгрупп; 21 - первой, 22 - второй, 23 - третьей и 24 - четвертой.Двигатель работает следующим образом.На режиме номинальной и. средней мощности двигатель работает на всех цилиндрах, при этом кулачковый вал 18 находится в левом на фиг. 1 положении. Кулачки первой группы 20 через соединительные звенья 16 и 17 при вращении вала воздействуют как на перепускные клапаны 10, так и на впускные 12 всех цилиндров двигателя, В процессе наполнения цилиндровдвигателя свежий заряд (воздух).поступает через фильтр 15 в патрубок 13 и далее в воздушный ресивер 11 и одновременно, минуя обратный клапан 14, в перепускной коллектор 9, Иэ коллектора и ресивера воздух через открытые клапаны 10 и 12 заполняет цилиндры на тактах "Впуск". Затем в цилиндрах происходят процессы сжатия, расширения и выпуска - двигатель работает в обычном режиме четырехтактного дизеля. Выпускные клапаны 8 всех цилиндров работают в идентичном режиме, имея привод, например, от выпускных кулачков, размещенных на кулачковом валу(не показано). Механизмы 26 отключения выпускных клапанов 8, выполненные, например, в виде гидроштакг при этом включены и передают возвратно- поступательное перемещение от кулачков к клапанам. Кроме того, выпускные клапаны могут управляться от злектрогидравлического привода, механического и т. и.На режимах малых нагрузок и холостого хода для увеличения индикаторного КПД и, следовательно, экономичности двигатель переводят на работу с отключением части цилиндров, Механизм 26 отключают, и выпускные клапаны 8 отключаемых цилиндров останавливают в закрытом положении, Кулачковый вал 18 посредством механизма 19 перемещают в осевом направлении вправо, и он занимает положение, изображенное на фиг. 1.В качестве механизма 19 перемещения может быть применено, например, устройство с ручным приводом либо механический привод перемещения кулачкового вала реверсивных двигателей.После перемещения вала в работу вступают кулачки второй группы, а именно кулачки первой подгруппы 2 1 через соединительные звенья 16 при вращении воздействуют на впускные клапаны 12 от 1726816ключаемых цилиндров 4 - 6; кулачки второйподгруппы 22 через соединительные звенья17 воздействуют на перепускные клапаны10 отключаемых цилиндров; кулачкитретьей подгруппы 23 и четвертой 24 воздействуют соответственно через звенья 16 и 17на впускные 12 и перепускные 10 клапанынеотключаемых цилиндров 1 - 3.Двойной зеркально расположенныйпрофиль кулачков 21 обеспечивает заполнение воздухом каждого отключаемого цилиндра дважды за рабочий цикл: на тактах"Впуск" и "Рабочий ход" (фиг, 2 и 3), Аналогичный, по меньшей продолжительностипрофиль кулачков 22 (фиг. 2) обеспечиваетперепуск сжатого воздуха между отключаемыми цилиндрами и перепускным коллектором на тактах "Сжатие" и "Выпуск". Профилькулачков третьей подгруппы 23 обеспечиваетзаполнение неотключаемых цилиндров 1 - 3свежим зарядом на тактах "Впуск". Уменьшенная протяженность выступающей частипрофиля кулачков 23 по сравнению с кулачком 20 обеспечивает увеличение воздушного заряда цилиндра при пониженныхчастотах вращения за счет исключения выброса заряда в начале такта "Сжатие".Профиль кулачков четвертой подгруппы24 обеспечивает подачу сжатого воздуха изколлектора 9 в неотключаемые цилиндры впериод такта "Сжатие".Выпускные клапаны 8 неотключаемыхцилиндров работают в прежнем режиме.Так, например, в отключенном цилиндре 4 (фиг. 1 и 3) на такте "Рабочий ход"производят заполнение цилиндра свежимзарядом через открытый впускной клапан12 и на такте "Выпуск" - сжатие го в этомцилиндре, В процессе сжатия открываютперепускной клапан 10 и сжатый в цилиндре4 воздух по коллектору 9 направляют в отключенный 6-й цилиндр, где также открывают соответствующий перепускной клапан10 и в котором закончился процесс наполнения на такте "Впуск" и начался процесссжатия воздушного заряда,Таким образом, в цилиндре 6 сжимаютдвойной воздушный заряд и в процессе сжатия направляют его в неотключаемый цилиндр2 посредством открытия перепускного клапана 10 цилиндра 2, в котором закончился процесс наполнения и начинается процесссжатия, т. е. неотключаемый (постоянно работающий) цилиндр 2 оказывается заполненным тройным воздушным зарядом,Далее в цилиндре 2 осуществляют процессырасширения и выпуска, т. е, совершаетсяобычный цикл четырехтактного дизеля,Аналогично производят перепуск сжатого воздуха в других цилиндрах, а именно5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 иэ отключенного цилиндра 5, заполненного свежим зарядом на такте "Рабочий ход", воздух перепускают в отключенный цилиндр 4 и после добавочного сжатия - в работающий цилиндр 1. Иэ цилиндра 6 воздух направляют в цилиндр 5 и затем в цилиндр 3.Таким образом, каждый работающий цилиндр оказывается заполненным тройным воздушным зарядом, который может быть использован для повышения мощности при увеличении цикловой подачи топлива либо для улучшения экономичности за счет увеличения коэффициента избытка воздуха при сгорании, либо для повышения эффективности работы двигателя от совместного действия этих двух факторов.При работе с отключением части цилиндров выходу сжатого воздуха из перепускного коллектора 9 в воздушный ресивер 11 препятствует обратный клапан 14, перепускающий воздух только в сторону перепускного коллектора 9.На режимах, когда включаются в работу все цилиндры, и впускные и перепускные клапаны всех цилиндров работают с одинаковыми фазами, соответствующими работе двигателя без отключения цилиндров, а поступающий по патрубку 13 воздух, разделяясь на два потока, заполняет воздушный, ресивер и перепускной коллектор, который в этом случае выполняет роль второго воздушного ресивера, Выпускные клапаны всех цилиндров работают также с одинаковыми фазами,Идентичная крутизна выступающей части каждого профиля кулачков первой 21 и третьей 23 подгрупп обусловлена тем, что в соответствующие периоды в цилиндрах протекают однотипные процессы наполнения с той лишь разницей, что в отключаемых цилиндрах они повторяются с удвоенной частотой.Опережение и отставание на 060 поворота кулачкового вала начала и конца выступающих частей профиля кулачков второй подгруппы от соответственно конца и начала профилей кулачков первой подгруппы (фиг. 2) обусловлено тем, что в практике для уменьшения сопротивления в щели открывающегося (и закрывающегося) клапана, а также для использования скоростного напора потока, момэнты открытия и закрытия клапанов сдвигаются с определенным перекрытием. Так, например, перекрытие впускных и выпускных клапанов двигателя типа ЧН 21/21 составляет 67 поворота кулачкового вала.Диапазон 0.60 поворота кулачкового вала (0.120 поворота коленчатого вала вы", так как частота вращения двигателя наимах при отключении части цилиндровостой ход, малые нагрузки) меньше часвращения при всех включенных цилинх (номинальная мощность, средниерузки), а профили впускных кулачков и,тветственно, протяженность выступаючасти (кулачки первой группы) рассчиаются для режима номинальнойности,По данным многочисленных исследоваугол закрытия впускных клапанов дляима минимальной частоты вращенияжен составлять 020 поворота кулачкоо вала за нижнюю мертвую точку тактаатие". Для номинальной частоты вращеу большинства двигателей этот угол совляет 20,40 поворота кулачкового вала80 поворота коленчатого вала). Так намер, для двигателя 6 ЧН 21/21 названугол равен 45 О поворота коленчатогоа, Таким образом, требуемое уменьшениетяженности составляет 1050 поворотаачкового вала. Более значительноеньшение протяженности (сверх 50 ),водит к закрытию впускных клапанов доней мертвой точке такта "Впуск", чтоже уменьшает величину поступающегожего заряда, что без принятия специальмер (цикл Миллера) ухудшает экономичть двигателя.Таким образом, предлагаемый двигаь внутреннего сгорания обеспечиваетышение эффективности работы за счетличения воздушного заряда цилиндраем организации перепуска сжатого воза между отключенными и постоянно раающими цилиндрами, что в результатеваляет повысить мощность, улучшитьномичность и снизить токсичность двиелей.Предложенное устройство разрабатытся применительно к тепловозным двиелям типа ЧН 21/21 и может бытьользовано на двигателях различного начения и иных размерностей.ф о р мул а изобретен ия1. Четырехтактный двигатель внутрено сгорания, содержащий отключаемые итключаемые цилиндры, каждый из котах посредством каналов и размещенных вх впускных, перепускных и выпускныхпанов сообщен соответственно с возшным ресивером, перепускным коллектом и выпускным трактом, механизмыключения топливоподачи и выпускныхпанов отключаемых цилиндров, приводапанов, включающий кулачковый вал,еющий возможность осевого возвратноступательного перемещения, механизм бран из статистического анализа существу- тие ющих двигателей с учетом их скоростного реж режима при отключении цилиндров и давле- (хол ния перепускаемого воздуха, причем при- тоты ближение угла к нулевому значению 5 дра характерно для более высоких скоростных наг режимов и давлений и в пределе к теорети- соо ческому процессу наполнения и сжатия беэ щей влияния сопротивлений и скоростных напо- ты в ров. Увеличение названного диапазона 10 мощ сверх 60 поворота кулачкового вала приводит к потере свежего заряда (обратному вы- ний бросу в воздушный ресивер) для реальных реж двигателей внутреннего сгорания. долВыбранное соотношение 0.40 поворо вог та кулачкового вала между началом и концом иСж выступающих частей профиля соответствен- ния но четвертой и третьей подгрупп кулачков ста обусловлено указанными факторами, а раз- (40. ница в диапазоне объясняется большими 20 при значениями давления перепускаемого воз- ный духа. Выбор угла больше 40 поворота ку- вал лачкового вала приводит к забрасыванию про сжатого воздуха из перепускного коллекто- кул ра через цилиндр во впускной ресивер, что 25 уме ухудшает наполнение неотключаемых ци- при линдров свежим зарядом на такте "Впуск". нижОтставание на 2050 поворота кулач- так кового вала концов профилей кулачков чет- све вертой подгруппы относительно третьей 30 ных определено из анализа процесса сжатия в нос цилиндре по индикаторным диаграммам с учетом различных начальных давлений сжа- тел тия, степени сжатия, скоростного режима, пов давления перепускаемого воздуха и ряда 35 уве других факторов. Выбор угла меньше 20 пут приводит к неполному использованию в ра- дух ботающих цилиндрах перепускаемого сжа- бототого воздуха, а увеличение угла сверх 50 - поз к обратному перетоку сжимаемого в цилин эко дре воздуха обратно в перепускной коллек- гат тор.Промежуточная шайба 25 (фиг. 1), раэ- вае мещенная между кулачками первой и вто- гат рой групп отключаемых цилиндров за счет 45 исп цилиндрического сечения без выступающих зна частей позволяет останавливать в закрытомположении соответствующие клапаны припереходе с режима при всех работающих нег цилиндрах на режим с частично отключен нео ными цилиндрами, рыУменьшение на 10.50 поворота кулач- ни кового вала протяженности участка высту- кла пающей части профиля кулачков второй ду группы, взаимодействующих с впускными, 55 ро клапанами относительно протяженности от участка выступающей части профиля кулач- кла ков первой группы, выполнено для умень- кл щения (исключения) обратного выброса им воздуха из цилиндра в начале такта "Сжа- ло12 1726816 Аот осевого перемещения кулачкового вала, две группы кулачков, закрепленных на кулачковом валу, каждая из которых имеет возможность поочередно взаимодействовать с клапанами, а профили кулачков имеют выступающую и цилиндрические части, причем у кулачков первой группы выступающие части имеют идентичный профиль, кулачки второй группы, взаимодействующие с клапанами отключаемых цилиндров, имеют двойной зеркально расположенный профиль, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности работы путем увеличения воздушного заряда цилиндра, кулачки второй группы, взаимодействующие с впускными клапанами, имеют кривизну выступающих частей идентичного профиля, у кулачков второй группы, взаимодействующих с перепускными клапанами отключаемых цилиндров, начальные точки выступающих частей профилей имеют на 060 поворота кулачкового вала опережение, а конечные точки - отставание соответственно от конечных и начальных точек выступающих частей профилей кулачков, взаимодействующих с впускными клапанами отключаемых цилиндров, у кулачков второй группы, взаимодействующих с перепускными клапанами неотключаемыхцилиндров, начальные точки выступающихчастей профиля имеют на 040 поворотакулачкового вала опережение, а конечные5 точки - на 2050 поворота кулачкового вала отставание относительно конечных точеквыступающих частей профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускными клапанами неотключаемых цилиндров,10 воздушный ресивер сообщен с перепускным коллектором через обратный клапан,установленный с возможностью перепускавоздуха в направлении перепускного коллектора,15 2. Двигатель по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что кулачковый вал снабжен промежуточной шайбой, которая имеет цилиндрическое сечение и размещена соосно с валоммежду кулачками первой и второй групп от 20 ключаемых цилиндров.3. Двигатель по пп, 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что протяженность участкавыступающей части профиля кулачков второй группы, взаимодействующих с впускны 25 ми клапанами, на 1050 поворотакулачкового вала меньше протяженностиучастка выступающей части профиля кулачков первой группы.1726816 14 Я- ал упленце эоряда нопрцбвенце перепуск Составитель актор Г.Лазоренко Техред М,Моргентал КоррЭ.Лончако за Производственно-издательский комбинат "Патент" ород ул Гагарина 1 аказ 1264 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5

Смотреть

Заявка

4824314, 08.05.1990

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕПЛОВОЗНЫЙ ИНСТИТУТ

ЕВСТИФЕЕВ БОРИС ВЛАДИМИРОВИЧ, СОИН ЮРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

МПК / Метки

МПК: F02D 17/02

Метки: внутреннего, двигатель, сгорания, четырехтактный

Опубликовано: 15.04.1992

Код ссылки

<a href="https://patents.su/7-1726816-chetyrekhtaktnyjj-dvigatel-vnutrennego-sgoraniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания</a>

Похожие патенты