Дизельний двигун

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно, к двигателестроению и компрессоростроению, и может быть широко использовано в различных транспортных и технологических машинах и в стационарных и передвижных энергетических установках. Известен двигатель, снабженный точным кривошипно-ползунным передаточным механизмом с прямолинейной траекторией движения точек шатуна (Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Ма шиностроение, 1968. - С.5 - 20), содержащий блок цилиндров, кривошипный вал, вращающийся вокруг неподвижной оси, взаимодействующий с последним двуплечий шатун, выполненный в виде симметричного рычага, плечи которого равны по длине кривошипу и шарнирно взаимосвязаны с двумя крейцкопфами, поступательно перемещающимися в двух взаимно перпендикулярных направляющих блока, и два поршня, соединенных жестко посредством штоков с крейцкопфами. Однако у указанного двигателя, несмотря на ряд его общеизвестных достоинств, имеются и существенные недостатки, среди которых необходимо отметить следующие: крейцкопфы при сравнительно большом угле давления воспринимают значительные знакопеременные нагрузки, вредно действующие в поперечном (боковом) направлении со стороны шатуна и передающиеся на направляющие в блоке цилиндров, что требуе т создания особых условий их смазки, значительно повышает износ, нагрев, напряженность и усталостные явления в сопряженных элементах, существенно усложняет конструкцию шатунно-поршневой группы, требует чрезвычайно высокой точности ее изготовления при обязательном обеспечении строго определенных гарантийных (прецизионных) зазоров в элементах кинематических пар, в значительной мере усложняет технологию изготовления многих деталей и сборочных единиц, приводит даже к заклиниванию отдельных узлов при работе и возможных перегрузках или существенному снижению механического КПД вращательных и поступательных кинематических пар и их долговечности и надежности, а также в определенной степени ухудшает виброакустическую и динамическую характеристики тепловой машины в целом и существенно снижает ее несущую способность, функциональные возможности, общий технический ресурс и область практического применения в двигателестроении. Известна также поршневая машина-двигатель внутреннего сгорания (А.с. СССР №1613654, кл. F01B9/00, F02B75/26, 1988), содержащий корпус, цилиндр с клапанным газораспределительным механизмом, поршень, жестко связанный со штоком, и установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения и точный передаточный прямолинейно-направляющий механизм с соединенными шарнирно между собой кривошипом, коромыслом и У-образным симметричным шатуном, снабженным рычагами, расположенными под прямым углом друг к др угу и взаимодействующими со штоком и кривошипом, обеспечивая нулевой угол давления на поршень. Несмотря на то, что в этом двигателе обеспечен нулевой угол давления на поршень со стороны шатуна и устранены почти полностью конструктивные недоработки, присущие двигателю с передаточным механизмом Баландина, в ряде его узлов и систем можно отметить следующие основные недостатки: он обладает существенно ограниченными функциональными возможностями и недостаточной универсальностью использования, имеет сравнительно большие габариты и металлоемкость и конструктивно сложные трансмиссионные устройства привода вспомогательных механизмов, снабжен малоэффективной и сложной системой охлаждения, вал коромысла и другие составные элементы передаточного механизма рационально не используются для привода вспомогательных систем и отдельных узлов и в совокупности не обеспечивают совмещения их функций, система газообмена и газораспределения не снабжена эффективными компактными устройствами для продувки и наддува цилиндров, а шток и его манжетное уплотнение установлены в зоне высоких температур полости цилиндра, в результате чего снижаются удельноэнергетические показатели, повышается дымление и токсичность отработанных газов и существенно снижается надежность и моторесурс всех узлов и деталей тепловой машины и другие показатели. За прототип изобретения принят двухтактный комбинированный двигатель (А.с. №1758257, кл. F02B71/00, 1989), включающий многоступенчатый блок цилиндров с расположенным в нем ступенчатым комбинированным поршнем, малая ступень которого служит дизельным поршнем, а большая ступень - компрессорным поршнем двойного действия, систему газообмена и газораспределения с продувочными и выпускными окнами, выполненными в дизельной части блока цилиндров и сообщенными с ее полостью, впускные и нагнетательные самодействующие клапаны, установленные в торцах компрессорной полости блока цилиндров, продувочный ресивер, сообщенный с дизельной полостью блока цилиндров, рабочий ресивер сжатого воздуха, передаточный механизм, кинематически взаимосвязанный с комбинированным поршнем, механизм системы питания с центральной топливной форсункой, механизмы систем охлаждения и смазки, пусковое и другие вспомогательные устройства. Принятый за прототип двигатель отличается сравнительно большими габаритами и металлоемкостью, конструктивно весьма сложен и имеет сравнительно сложную громоздкую и недостаточно удобную в обслуживании компоновку основных узлов и механизмов, обладает существенно ограниченными функциональными возможностями и значительно ограниченной областью практического применения, так как может использоваться только в режиме свободнопоршневого генератора газа или свободнопоршневого компрессора и совершенно не приспособлен для передачи крутящего момента (мощности) непосредственно на вал исполнительной машины с вращающимся рабочим органом, имеет сравнительно конструктивно сложные системы смазки и питания топливом форсунок, снабжен несовершенным, громоздким и недостаточно надежным передаточным механизмом, взаимодействующим с комбинированными поршнями, обладает малоэффективной системой охлаждения блоков цилиндров и други х конструктивных элементов, снабженной сложными приводными механизмами, что в конечном результате отрицательно сказывается на его удельноэнергетических показателях, ухудшает е го виброакустические характеристики, существенно снижает его механический и тепловой КПД и другие те хнико-экономические показатели. Заявляемое изобретение направлено на решение комплексной задачи, предусматривающей достижение следующего технического результата: расширение функциональных возможностей и области практического применения двигателя за счет универсальности использования его основных узлов и систем, снижение его габаритов и металлоемкости посредством совмещения рабочих функций его отдельными конструктивными элементами, повышение удельно-энергетических показателей и эффективной мощности за счет улучшения наддува и продувки цилиндров и повышения эффективности воздушного о хлаждения, улучшение динамических показателей и обеспечение широкой возможности его форсирования по числу оборотов в минуту коленвала, существенное повышение механического КПД за счет почти полного устранения вредных боковых нагрузок на поршень со стороны шатуна, снижение дымления и токсичности отработанных газов за счет полноты сгорания топлива, улучшение условий смазки кривошипно-шатунной и поршневой группы, значительное снижение производственного шума и вибрации при его работе и повышение эксплуатационной надежности и долговечности. Указанный выше технический результат достигается тем, что цилиндропоршневая группа двигателя выполнена в виде двухступенчатого центрально-симметричного блока цилиндров с установленным в нем комбинированным двухступенчатым поршнем с возможностью совмещения в совокупности системы газообмена и газораспределения с системой воздушного охлаждения и обеспечения его функционирования в режиме двигателя или компрессора, а поршень компрессора посредством удлиненного трубчатого штока шарнирно соединен с концом рычага симметричного У-образного шатуна передаточного прямолинейно-направляющего механизма, выполненного на базе плоского шарнирного четырехзвенника, обуславливающего нулевой угол давления на комбинированный поршень со стороны шатуна, причем стенка дизельной части блока цилиндров снабжена воздушными каналами охлаждения, выполненными в виде сквозных продольных отверстий, сообщенных через воздухоочистительный элемент с примыкающей к дизельной полости компрессорной полостью цилиндра и атмосферой, а рабочая полость продувочного ресивера через регулируемое реле максимального давления сообщена с компрессорной полостью системы охлаждения. Кроме того, наружная сторона стенок блока цилиндров дизеля и компрессора снабжена ребрами жесткости и охлаждения с увеличенной поверхностью теплоотдачи, продувочный ресивер снабжен холодильником сжатого воздуха, универсальным регулятором давления и запорным краном, через который он сообщается с воздухосборником-гребенкой, обеспечивающей дополнительно эксплуатацию двигателя в режиме компрессора, а вал коромысла передаточного механизма кинематически взаимосвязан непосредственно с механизмами приводов насосов систем питания топливной форсунки и смазки двигателя. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид двигателя, представленный принципиально в виде конструктивной схемы; на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б - Б на фиг.1. Дизельный двигатель является комплексной универсальной машиной многоцелевого назначения и включает в себя центральносимметричный двухступенчатый блок 1 цилиндров с установленным в нем симметричным комбинированным поршнем 2, ступень малого диаметра которого служит дизельным поршнем 3, а ступень большого диаметра - компрессорным поршнем 4, дизельную полость 5 и компрессорные верхнюю 6 и нижнюю 7 полости, размещенные в блоке 1 цилиндров, продувочные (впускные) окна 8 и выпускные окна 9, выполненные в стенках блока 1 и сообщенные с дизельной полость 5, центральную топливную форсунку 10, вп ускной коллектор 11, сообщенный через окна 8 с дизельной полостью 5, выпускной коллектор 12, сообщенный через окна 9 с глуши телем 13, воздухофильтр 14, сообщенный через всасывающий (впускной) клапан 15 с компрессорной полостью 7, продувочный воздушный ресивер 16, сообщенный через нагнетательный (выпускной) клапан 17 с компрессорной полостью 7, воздушные каналы 18 охлаждения, выполненные в виде сквозных продольных отверстий в стенках дизельной части блока 1 цилиндров и сообщенные через воздухоочистительный элемент 19 внизу - с верхней компрессорной полостью 6, примыкающей к дизельной полости 5, и вверху - с атмосферой, и ребра 20 охлаждения и жесткости с увеличенной поверхностью теплоотдачи, которыми снабжена наружная сторона стенок дизельной и компрессорной части блока 1 цилиндров. Воздушный ресивер 16 снабжен холодильником 21 сжатого воздуха, универсальным регулятором 22 давления воздуха, запорным краном 23, через который он сообщается с воздухосборником-гребенкой 24, служащей для подачи и распределения сжатого воздуха к источникам потребления, и регулируемым реле 25 максимального давления, через которое его полость сообщается с компрессорной полостью 6, обеспечивающей охлаждение двигателя. Комбинированный поршень 2 двигателя посредством удлиненного трубчато го штока 26, жестко закрепленного в компрессорном поршне 4 и снабженного уплотнительной манжетой втулкой 27, шарнирно соединен с концом рычага У-образного шатуна 28 передаточного прямолинейно-направляющего механизма на базе плоского шарнирного четырехзвенника, обеспечивающего высокую точность прямолинейности движения сравнительно длинного двухступенчатого поршня 2 в блоке 1 цилиндров при нулевом угле давления в поступательной кинематической паре и минимальных потерях на трение в ней и содержащего шарнирно закрепленные в остове картера 29 кривошип 30 (коленчатый вал) и коромысло 31, которые в свою очередь шарнирно соединены с шатуном 28, а вал 32, жестко соединенный с коромыслом 31, кинематически взаимосвязан посредством соединительной муфты 33 с масляным насосом 34 системы смазки и при помощи другой муфты 35 - с топливным насосом 36 системы питания двигателя. Предложенная выше конструкция комбинированной цилиндропоршневой группы, содержащей блок 1 цилиндров и ступенчатый поршень 2 со всеми другими указанными конструктивными элементами, позволяет рационально совмещать систему газообмена и газораспределения с системой воздушного охлаждения двигателя и практически обеспечивать двухрежимную эксплуатацию тепловой машины, в режиме двигатель или компрессор, а удлиненный шток 30, шарнирно соединенный с шатуном 28, позволяет вынести из зоны высоких температур смещенный относительно оси блока 1 цилиндров передаточный механизм, обеспечить хорошие условия его смазки в картере 29 и существенно снизить дымление и токсичность отработанных газов двигателя. Прямолинейными стрелками на чертеже показаны направления движения воздушных потоков и газов в конструктивных элементах двигателя, а круговой стрелкой изображено направление вращения коленвала 30 (главного вала отбора мощности) двигателя. Двигатель работает следующим образом. В момент нахождения комбинированного поршня 2 в верхней мертвой точке топливная форсунка 10 распыляет жидкое топливо в горячий воздух, сжатый торцом поршня 3 в дизельной полости 5. Топливо при этом самовоспламеняется и сгорает, а давление газов в камере сгорания полости 5 резко возрастает. Под действием давления газов поршень 2 начинает двигаться вниз - к нижней мертвой точке. По мере движения поршня 3 открываются сначала выпускные окна 9, а затем продувочные окна 8 дизельной полости 5. Отработанные газы при этом через выпускные окна 9 и коллектор 12 поступают в глушитель 13, из которого удаляются в атмосферу, а после открытия впускных окон 8 сжатый и предварительно охлажденный в холодильнике 21 воздух из продувочного ресивера 16 через коллектор 11 проходит в полость 5 дизельной части блока 1 цилиндров. Ввиду избытка объема сжатого (продувочного воздуха), подаваемого компрессором, по сравнению с объемом дизельной полости 5 воздух быстро устремляется в нее и смешивается с остатками газов, вытесняя их, осуществляя продувку и наддув и частично охлаждая ее и поршень 3 по общеизвестному принципу функционирования двухтактного двигателя с петлевой продувкой цилиндра и золотниковым перекрытием окон. При движении компрессорного поршня 4 от верхней мертвой точки к нижней воздух из атмосферы засасывается по каналам 18 через воздухоочиститель 19 в полость 6 системы охлаждения, осуществляя эффективное охлаждение стенок дизельной части блока, цилиндров, поршней 3 и 4 и всех остальных конструктивных элементов цилиндропоршневой группы компрессорной части двигателя, а в нижней компрессорной полости 7 при этом происходит сжатие и вытеснение воздуха через автоматический нагнетательный клапан 17 в холодильник 21, а затем в продувочный ресивер 16. При обратном движении дизельного поршня 3, от нижней мертвой точки к верхней, завершается процесс газораспределения, продувки, наддува и газообмена и после перекрытия окон 9 начинается процесс сжатия воздуха, который завершается при подходе комбинированного поршня 2 к верхней мертвой точке, и далее цикл повторяется. При обратном движении компрессорного поршня 4 в вер хней полости 6 происходит вытеснение отработанного охлаждающего воздуха через воздухоочиститель 19 и каналы 18 в атмосферу и таким образом завершается полный цикл системы охлаждения, а в нижней полости 7 в это время полностью осуществляется процесс всасывания атмосферного воздуха и заполнения ее этим воздухом через воздухофильтр 14 и всасывающий автоматический клапан 15, и далее компрессорный цикл повторяется указанным выше способом. Возвратно-поступательное движение поршня 2, жестко связанного со штоком 26, преобразуется во вращательное движение коленвала 30 посредством взаимосвязанных звеньев плоского прямолинейно-направляющего передаточного механизма, шатун 28 которого при этом участвует в сложном (плоско-параллельном) движении, причем одна из его точек перемещается точно по прямой, а коромысло 31 вместе с валом 32 совершает возвратно-поступательное движение (качается). Угол давления шатуна 28 на поршни 3 и 4 составляет при этом 0°, что обуславливает минимальные потери на трение в цилиндропоршневой группе при сравнительно больших длинах комбинированного поршня 2 и удлиненного штока 26 и обеспечивает эффективную работу при максимальных оборотах кривошипа 30 и возможном форсировании двигателя. При работе тепловой машины в режиме двигателя перекрывается кран 23 и избыток сжатого воздуха из продувочного ресивера 16 через регулятор давления 22 удаляется в атмосферу, а при перегреве двигателя автоматически включается реле 25 максимального давления и отключается регулятор 22 и часть избыточного воздуха из ресивера 16 подается в полость 6 компрессора, усиливая при этом эффективность охлаждения его наиболее нагретых деталей и узлов. При работе двигателя в режиме компрессора полностью снимается рабочая нагрузка (крутящий момент сопротивления) с коленвала 30, открывается кран 23 и часть избыточного воздуха поступает в воздухосборник-гребенку 24 для использования его, например, в тормозной системе транспортной машины, питания вспомогательных пневмосистем и други х целей, а автоматическая блокировка запорного крана 23, регулятора 22 давления и реле 25 давления обеспечивает их оперативное включение и выключение в нужный момент времени (цикла) при работе всей пневмосистемы в том или ином режиме эксплуатации. Насосы 36 и 34 топливной системы и системы смазки двигателя приводятся от вала 32 коромысла 31 через свои передаточные механизмы возвратно-вращательного действия, кинематически взаимосвязанные и их исполнительными органами. Пуск предлагаемого двигателя осуществляется одним из известных способов, например, при помощи стартера, а все его другие вспомогательные системы работают как и в други х известных двигателях аналогичного функционального назначения, что, безусловно, не требует и х подробного описания в данной заявке. Предлагаемый комбинированный двигатель выгодно отличается от известных зарубежных и отечественных аналогов и принятого прототипа. Предложенная совокупность отличительных признаков данного технического решения, как показали предварительного проведенные инженерные расчеты и теоретические и экспериментальные исследования, позволяет повысить механический КПД двигателя до 90%, снизить его металлоемкость не менее чем на 18%, увеличить удельную эффективную мощность (на единицу массы машины) в 1,2 раза, повысить экономичность в 1,1 раза, почти полностью исключить механические потери на трение в цилиндропоршневой паре и повысить ее долговечность в 1,5 раза, позволяет обеспечить гарантированную возможность его скоростного форсирования в большом диапазоне (до 10000об/мин коленвала), снизить примерно в 1,5 раза массу маховика, существенно улучшить виброакустические характеристики двигателя (снизить примерно в 1,2 раза уровень производственного шума, вибрации и крутильных колебаний при работе в максимальных режимах эксплуатации), существенно улучши ть условия смазки коленвала и шатунно-поршневой группы, высокоэффективное воздушное охлаждение позволит выполнить надежные малогабаритные (микролитражные) дизельные двигатели для мотоциклов, мотоблоков, минитракторов и других легких транспортных машин, расширить возможности компоновочных решений двигателя (рядный, оппозитный, У-образный, X-образный и др.), за счет полноты сгорания при хорошей продувке и эффективном наддуве цилиндров снизить дымление и токсичность отработанных газов не менее чем на 30%, улучшить податливость (демпфирующие способности) и плавность его хода в различных режимах эксплуатации, обеспечив более низкий коэффициент неравномерности хода (менее 0,01), снизить рабочие нагрузки в подшипниковых опорах коленвала, коромысла и шатуна в 1,4 раза и повысить примерно в 1,3 раза надежность и долговечность (моторесурс) заявляемого двигателя по сравнению с базовой моделью двигателя с обычным кривошипно-шатунным передаточным механизмом. Проведенные стендовые испытания передаточного механизма двигателя показали, что он работоспособен и полностью соответствует техническим требованиям, предъявляемым к аналогичным устройствам. Область применения такого двигателя может быть существенно расширена, а затраты на его освоение могут сравнительно быстро окупиться. Следовательно, промышленное использование двигателя экономически выгодно и технически целесообразно.