Двигун внутрішнього згоряння

1. Двигун внутрішнього згоряння, що містить картер, який складається з двох частин, з'єднаних між собою, кривошипно-шатунний механізм, що містить колінчастий вал, який складається з переднього й заднього кривошипів, середньої щоки й двох кривошипних пальців, запресованих у наскрізні отвори кривошипів і середньої щоки, а також двох шатунів, і розташований у внутрішніх порожнинах картера, на бічних фланцях якого встановлені два поршневі циліндри, розташовані опозитно зі зсувом, а до переднього фланця кар 3 ками з утворенням робочої та підпоршневої камер змінного обсягу, колінчастий вал, встановлений у картері та пов'язаний з поршнями за допомогою шатунів, впускний і випускний канали та механізм газорозподілу. Втулки циліндрів виконані рухливими, їхні днища шарнірно з'єднані із шатунами. Кожний поршень жорстко пов'язаний із днищем втулки протилежного циліндра. При цьому поршень пов'язаний із днищем за допомогою пари штоків, розташованих в отворах днища іншої втулки. Опозитні втулки циліндрів встановлені з утворенням між їхніми днищами порожнини картера змінного обсягу. Впускний канал повідомлений з порожниною картера, втулки циліндрів виконані у вигляді золотників механізму газорозподілу з поясами впускних, продувних і випускних вікон, розташованих на циліндричній поверхні втулок, а в циліндрі виконані пропускні й випускні канали, причому впускні вікна розташовані з можливістю їхнього з порожниною картера при положенні поршнів у районі верхньої мертвої точки, а пропускні канали виконані з можливістю їхнього сполучення із впускними та продувними вікнами при положенні поршнів у районі нижньої мертвої точки. Головки та днища пов'язані з втулкою за допомогою роз'ємних з'єднань. Колінчастий вал містить одну середню та дві крайні шатунні шийки, які зміщені послідовно одна щодо іншої на 180°, щоки, які розташовані між шийками, і дві цапфи. При цьому середня та одна з крайніх шатунні шийки виконані заодно з розташованою між ними щокою, інша крайня шийка виконана заодно із другою щокою, на торцевих площинах крайніх шийок ексцентрично їхньої осі розташовані пальці, а в цапфах паралельно осі вала виконані ексцентричні отвори, в яких закріплені пальці шийок, при цьому в другій щоці виконані посадковий і наскрізний отвори. На торцевій площині середньої шийки виконані ексцентрично осі останньої торцевий отвір і циліндричний виступ, що встановлений у посадковому отворі другої щоки, а остання з'єднана із середньою шийкою за допомогою, щонайменше одного штифта, що запресований в торцевий отвір шийки через наскрізний отвір щоки. Щока вала з'єднана із середньою шийкою додатково за допомогою нарізного сполучення. У цапфі перпендикулярно до осі ексцентричного отвору виконаний радіальний отвір, на поверхні пальця шийки в районі розташування радіального отвору виконані лиски з утворенням між ними двогранного кута, вершина якого спрямована убік радіального отвору, в останньому розміщений стрижень, у торці якого виконаний двогранний кутовий виріз, а лиски пальця розташовані в останньому, причому стрижень обладнаний фіксатором його осьового переміщення щодо радіального отвору. Фіксатор виконаний у вигляді гайки, що вкручена в радіальний отвір і контактує зі стрижнем. У відомому опозитному двигуні внутрішнього згоряння колінчастий вал виконаний з одним розніманням, а також зі знімними цапфами, що дозволяє надалі розбирати частини вала без осьової пересувки та використовувати шатуни з нероз'ємними головками й, таким чином, трохи знизити 57254 4 габарити двигуна та поліпшити питомі, зокрема, вагові, показники двигуна. Однак забезпечення необхідної несучої здатності пресових посадок вимагає подовження конструкції колінчастого вала в осьовому напрямку, при цьому збільшується осьова відстань між шатунами, що веде до утворення зон концентрації напруг у місцях спряження елементів вала, а також збільшенню неврівноваженості двигуна, ваги й габаритів двигуна. При пресовій посадці, щонайменше, одного штифта, що запресований в торцевий отвір шийки через наскрізний отвір щоки, виникають небезпечні навантаження під час несподіваних зупинок двигуна. Спряження елементів вала у відомому опозитному двигуні додатково вимагають з'єднання щоки вала з середньою шийкою шляхом нарізного сполучення. У цапфі перпендикулярно до осі ексцентричного отвору виконаний радіальний отвір, на поверхні пальця шейки в районі розташування радіального отвору виконані лиски з утворенням між ними двогранного кута, вершина якого спрямована убік радіального отвору. В отворі розміщений стрижень, у торці якого виконаний двогранний кутовий виріз, а лиски пальця розташовані в останньому, причому стрижень обладнаний фіксатором його осьового переміщення щодо радіального отвору. Фіксатор виконаний у вигляді гайки, що вкручена в радіальний отвір і контактує зі стрижнем. Відомо, що при різьбовому кріпленні границя витривалості знижується. До того ж шатунні шийки виконані без порожнин, що збільшує вагу вала. Також відомий чотиритактний двоциліндровий двигун М-63 з горизонтальними протилежними циліндрами. Двигун М-63 має верхнє розташування клапанів із приводом за допомогою штанг, що штовхають. Розподільний вал обертається в шарикопідшипнику й бронзовій втулці. Колінчастий вал складається з п'яти частин, які з'єднані на пресових посадках. Від осьових переміщень він зафіксований у передньому корінному підшипнику. Система змащення - з односекційним насосом і запасом масла в піддоні картера. Циліндри двигуна розташовані під кутом 180° один до іншого. Так само розташовані кривошипні пальці. Корінні пальці виконані як одне ціле із крайніми щоками кривошипа й утворять цапфи колінчастого вала. Кожний кривошипний палець одним кінцем запресований в отвір середньої щоки, а іншим кінцем, що має дуже пологий конус (конусність 1:140), палець запресований в отвір цапфи з натягом, змінним по довжині конуса. У кривошипних пальцях з торцевої сторони крайніх щік кривошипа (цапф) висвердлені не наскрізні порожнини, які до того ж зменшують вагу. Порожнини усередині шийок служать каналами для підведення змащення. Шатун двигуна М-63 виготовляється з легованої сталі, ролики працюють безпосередньо по поверхні великої головки шатуна. Цементації й загартуванню піддають тільки більшу головку шатуна, а стрижень і мала головка з метою збереження в'язкості та підвищеної міцності захищають від цементації. У конструкції застосовують роликопідшипники з сепаратором. Ролики підшипників більших голо 5 вок шатунів працюють по поверхні кривошипних пальців, виготовлених із хромонікелевої сталі. На передньому корінному пальці розміщена шестерня привода газорозподілу. На кінці заднього корінного пальця закріплений маховик, у якому змонтоване зчеплення. На цапфах колінчастого вала є противаги. Цапфи виготовлені зі сталей, які мають високу межу пружності й в'язкістю. Колінчастий вал двигуна М-63 важко ремонтувати, тому що розбирання, підбір деталей і складання здійснюються тільки на заводі або у великих майстернях кваліфікованим персоналом. Центрування сепаратора, що виконують по великій головці шатуна, варто визнати більше вдалим, тому що в цьому випадку зношування рівномірне внаслідок розподілу відцентрової сили на великій поверхні. При пресовій посадці кривошипного пальця небезпечні навантаження виникають під час несподіваних зупинок двигуна, наприклад через заклинювання поршня, передчасного спалаху, поломки якої-небудь деталі в силовій передачі. У цьому випадку момент тертя, що виникає в місці запресовування пальця, повинен протидіяти обертальному моменту маховика. Значення останнього залежить від величин динамічного моменту інерції маховика й негативного прискорення при зупинці двигуна. [Иваницкий С.Ю., Карманов Б.С, Рогожин В.В., Волков А.Т. Мотоцикл. Теория, конструкция, расчет. - М.: Машиностроение, 1971. - С.148, 157158, 266-269]. Недоліком відомого двигуна є наявність пресових посадок кривошипних пальців, двох карбюраторів, що ускладнює регулювання, збільшує витрату палива, вагу та габарити двигуна, а також і загальну вартість мотоцикла. Через низьке розташування циліндрів і великої ширини двигуна зменшується прохідність мотоцикла по поганих дорогах, бродам і бездоріжжю, різко погіршується охолодження двигуна при русі по брудній дорозі внаслідок того, що бризки з-під переднього колеса потрапляють на циліндр і заповнюють простір між ребрами. Найбільш близьким за технічною сутністю та результатом, що досягається, щодо запропонованої корисної моделі є бензиновий двотактний модельний двигун ZDZ 160B2 RV-J обсягом 160 куб. см з процесорним режимом запалювання [Проспект компанії ZDZ, адреса: Чехія, http://zdzmodelmotor.cz/cs/16-zdz-160b2rv-j.html], який містить картер, що складається із двох частин, які з'єднаних між собою, кривошипно-шатунний механізм, що містить колінчастий вал, що складається з переднього та заднього кривошипів, середньої щоки та двох кривошипних пальців, які запресовані у наскрізні отвори кривошипів і середньої щоки, два шатуни, і розташований у внутрішніх порожнинах картера. На бічних фланцях картера встановлені два поршневих циліндри, що розташовані опозитно зі зсувом, а до переднього фланця картера кріпиться основа магнето й корпус сполучної коробки системи запалювання, при цьому на картері також встановлений карбюратор з вбудованим паливним насосом. 57254 6 У бензиновому двотактному модельному двигуні, обраному за прототип, колінчастий вал складається з переднього й заднього кривошипів, середньої щоки й двох кривошипних пальців, які запресованих у наскрізні отвори кривошипів і середньої щоки. Однак забезпечення необхідної несучої здатності пресових посадок вимагає подовження конструкції колінчастого вала в осьовому напрямку, що збільшує осьова відстань між шатунами та веде до утворення зон концентрації напруг у місцях спряження елементів вала, а також збільшенню неврівноваженості двигуна, ваги й габаритів двигуна. При пресовій посадці виникають небезпечні навантаження під час несподіваних зупинок двигуна. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача вдосконалення двигуна внутрішнього згоряння, у якому використання додаткових з'єднань, а також нове виконання відомих елементів, дозволили б запобігти утворенню зон концентрації напруг у місцях спряження елементів вала, що дало б значне підвищення міцності й твердості конструкції, а також дозволило б зменшити неврівноваженість, вагу й габарити двигуна. Поставлена задача досягається тим, що у двигуні внутрішнього згоряння, що містить картер, який складається з двох частин, з'єднаних між собою, кривошипно-шатунний механізм, що містить колінчастий вал, який складається з переднього й заднього кривошипів, середньої щоки й двох кривошипних пальців, запресованих у наскрізні отвори кривошипів і середньої щоки, а також двох шатунів, і розташований у внутрішніх порожнинах картера, на бічних фланцях якого встановлені два поршневі циліндри, розташовані опозитно зі зсувом, а до переднього фланця картера кріпиться основа магнето і корпус сполучної коробки системи запалювання, при цьому на картері також встановлений карбюратор з вбудованим паливним насосом, відповідно до корисної моделі, передній і задній кривошипи, середня щока й кривошипні пальці колінчастого вала додатково з'єднані за допомогою зварювання. При цьому у двигуні внутрішнього згоряння середня щока кривошипа може бути виконана асиметрично з потовщеннями в місцях кріплення кривошипних пальців. До того ж середня щока кривошипа може бути виконана з галтелями при сполученні з потовщеннями в місцях кріплення кривошипних пальців. Середня щока кривошипа може бути виконана також з отвором, співвісним осі колінчастого вала. Двигун внутрішнього згоряння, що заявляється, забезпечує запобігання утворення зон концентрації напруг у місцях спряження елементів вала, що дає значне підвищення міцності та жорсткості конструкції, а також зменшує неврівноваженість, вагу й габарити двигуна. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. З'єднання переднього і заднього кривошипів, середньої щоки та кривошипних пальців колінчастого вала за допомогою зварювання дозволяє за 7 побігти утворенню зон концентрації напруг у місцях спряження елементів вала. Виконання середньої щоки кривошипа асиметрично з потовщеннями в місцях кріплення кривошипних пальців знижує напругу в місці сполучення із шийкою у вхідного кута і, також, дозволяє зменшити габарити двигуна. Виконання середньої щоки кривошипа з галтелями при сполученні з потовщеннями в місцях кріплення кривошипних пальців підвищує міцність у місцях переходу шийок у щоки. Виконання середньої щоки кривошипа з отвором, співвісним осі колінчастого вала, дозволяє зменшити вагу й забезпечити більш просте та інтенсивне змащування. На Фіг.1 зображена загальна схема двигуна внутрішнього згоряння. На Фіг.2 зображена загальна схема кривошипно-шатунного механізму двигуна внутрішнього згоряння. Двигун внутрішнього згоряння містить картер 1, що складається із двох основних частин: передньої 2 і задньої 3 половин, з'єднаних між собою гвинтами 4, (Фіг.1). У внутрішніх порожнинах картера 1 розташований кривошипно-шатунний механізм 5, що містить колінчастий вал 6, а також два шатуни 7 (Фіг.2). На бічних фланцях картера 1 встановлені два поршневих циліндри 8, які розташовані опозитно зі зсувом. Кожний циліндр 8 прикріплений до картера 1 гвинтами 9. До переднього фланця картера 1 кріпиться основа магнето й корпус сполучної коробки системи запалювання (не наведені). При цьому на картері 1 встановлений карбюратор 10 з вбудованим паливним насосом (не наведений). Циліндри 8 двигуна виконані без гільз за схемою п'яти канальної продувки та обладнані свічами запалювання 11. Циліндри 8 відлиті з жароміцного алюмінієвого сплаву як одне ціле з головками. Поршні 12 також відлиті з жароміцного алюмінієвого сплаву. На дзеркало циліндра, у варіанті виконання, нанесене зносостійке покриття з пористого хрому. На верхній частині поршня 12, по зовнішній поверхні, виконана канавка для поршневого кільця 13, виготовленого зі спеціального чавуну, до складу якого входять легуючі присадки. Поршневий палець 14 виконаний у вигляді порожнього циліндричного валика, зовнішня поверхня якого є поверхнею кочення голок голчастого підшипника 15 шатуна 7. До переваг голчастого підшипника 15, в порівнянні з роликопідшипником, варто віднести малу вагу голки, що зменшує навантаження від відцентрової сили, а отже, і зношування, а також менші габарити нижньої головки шатуна, що важливо для двотактного двигуна, де необхідно зберегти обсяг кривошипної камери в можливо малих межах. Колінчастий вал 6 (Фіг.2) двигуна складається з п'яти основних частин: переднього 16 і заднього 17 кривошипів, середньої щоки 18 і двох кривошипних пальців 19, що з'єднуються за допомогою пресової посадки з наступним зварюванням, шов якого виконаний, наприклад, по контуру аргонно 57254 8 дуговим способом. Корінними опорами колінчастого вала 6 служать шарикопідшипники 20. При цьому середня щока 18 може бути виконана, у варіанті виконання, асиметрично з потовщеннями в місцях кріплення кривошипних пальців 19. До того ж середня щока 18 може бути виконана, у варіанті виконання, з галтелями при сполученні з потовщеннями в місцях кріплення кривошипних пальців 19. Середня щока 19 може бути виконана, у варіанті виконання, також з отвором 21, співвісним осі колінчастого вала 6. Частини колінчастого вала 6 виготовляються з поковок високолегованої сталі. На передньому 16 і задньому 17 кривошипах виконані противаги для зрівноважування моменту сил інерції мас, що рухаються поступально, який виникає через конструктивний зсув циліндрів один відносно одного. На вихідному кінці переднього 16 кривошипа, у варіанті виконання, може встановлюватися блок втулки повітряного гвинта з маховиком магнето системи запалювання, а на задньому 17 кривошипі - ротор електрогенератора або інших агрегатів (не наведені). Двигун внутрішнього згоряння працює наступним чином. Надлишковий тиск згорілої в циліндрах 8 паливо повітряної суміші надає поршням 12 циліндрів 8 поступальний рух, який за допомогою кривошипно-шатунного механізму 5 перетворюється в обертовий рух колінчастого вала 6 від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМТ). Поршні 12 через поршневі пальці 14 передають цей рух верхнім головкам шатунів 7. Верхні головки шатунів 7 через кривошипні пальці 19 приводять в обертання колінчастий вал 6. При русі поршнів 12 до НМТ паливо-повітряна суміш, що наповнила простір картера 1 у попередньому циклі стискується й після відкриття вихлопних вікон і пропускних каналів перетікає через пропускні канали в циліндри 8, витісняючи згорілі гази у вихлопні вікна й заповнюючи циліндри 8. Надалі при русі поршні 12 перекривають пропускні канали й вихлопні вікна циліндрів 8 й, рухаючись до ВМТ, створюють розрідження в просторі картера 1 й одночасно стискають паливо повітряну суміш у циліндрах 8. З появою розрідження в просторі картера 1 паливо повітряна суміш через пелюстковий клапан, що відкрився, заповнює простір картера 1. Перед ВМТ стиснута в циліндрах паливо повітряна суміш підпалюється свічами запалювання 11 й згоряє при досягненні поршнями ВМТ, створюючи надлишковий тиск у циліндрах 8. Починається наступний цикл. З'єднання основних елементів колінчастого вала за допомогою зварювання дозволяє запобігти утворенню зон концентрації напруг у місцях спряження елементів вала. Виконання середньої щоки кривошипа асиметрично зі стовщеннями в місцях кріплення кривошипних пальців з отвором дозволяє зменшити вагу і габарити двигуна. Таким чином, запропоноване технічне рішення дозволяє підвищити міцність і жорсткість конструкції, а також зменшити вагу та габарити двигуна. 9 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 57254 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601