Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння

1. Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, що має силовий механізм двигуна, блок з чотирьох циліндрів, розташованих у два ряди по два циліндри в кожному ряді, впускний і випускний тракти, головку блока циліндрів з газорозподільним механізмом, що містить як мінімум по одному клапану на кожен циліндр, привод клапанів, який відрізняється тим, що в газорозподільний механізм уведений комутатор каналів у вигляді єдиного роторного золотника, що виконаний із двома по C2 1 3 випускні вікна великого розміру. Добуток час - перетин впускного і випускного трактів таких двигунів може бути значно збільшеним в порівнянні з чотиритактними двигунами внутрішнього згоряння з клапанним механізмом газорозподілу. У камері згоряння в такому випадку відсутні такі локально нагріті деталі, як випускні клапани, що сприяє деякому підвищенню порога детонації при іскровому запалюванні. Газорозподільний механізм з обертовим золотником відомий, наприклад, з патенту Великобританії №463412, МПК F01L 7/08, дата публікації 1937.03.23. Цей газорозподільний механізм містить у головці циліндра чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння конічний обертовий золотник з вікном, поміщений у сполучену з ним по розмірах конічну камеру, у стінці якої є вікна, що сполучені з впускним і випускним патрубками. Конічний золотник зв'язаний з колінчатим валом двигуна передачею з передаточним числом. Газорозподільний механізм працює в такий спосіб. Конічний золотник обертається з частотою обертання в два рази меншою від частоти обертання колінчастого вала. На початку такту випуску конічний золотник з'єднує порожнину циліндра з випускним трактом двигуна. Далі, вікно конічного золотника сполучається з вікном впускного тракту й у циліндр надходить свіжа суміш або повітря. По закінченні такту усмоктування конічний золотник ізолює камеру згоряння від впускного та випускного трактів і забезпечує проведення тактів стиску і робочого ходу. Принциповими недоліками газорозподільного механізму з золотником є складність збереження необхідних зазорів у парах, що рухаються, у робочому діапазоні температур і навантажень, підвищена складність і трудомісткість конструкції, надмірна витрата мастила, схильність до раптового заклинювання і задиркам. Це пояснюється великими площами сполучених компонентів рухомих пар в таких газорозподільних механізмах і їхньому контакті з гарячими газами, що викликає нерівномірне нагрівання. Особливо ці недоліки виявляються у високофорсованих двигунах, тоді як метою застосування таких газорозподільних механізмів є саме подальше підвищення питомої потужності і середнього індикаторного тиску двигунів внутрішнього згоряння. Існують і інші приклади реалізації золотникового газорозподільним механізму, однак перераховані вище недоліки характерні і для них. Існує можливість суміщення переваг клапанного і безклапанного газорозподільного механізмів при використанні розташованих у головках циліндрів однотипних клапанів, використовуваних для управління як впуском, так і випуском газів, у сполученні з золотниковими комутаторами каналів. Конструктивні особливості такого комбінованого газорозподільного механізму розкриті s наступному прикладі. Відомий механізм газорозподілу (далі ГРМ) чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння (заявка Російської Федерації 2003115388/06, дата подачі заявки 23.05.2003). ГРМ містить однотипні клапани, використовувані як для впуску, так і для випуску, а також роторні перемикачі каналів газо 86646 4 розподілу, розміщені між клапанами, впускним і випускним трактом двигуна. Конструкція клапанів і спосіб їх приводу від кулачкового розподільного вала традиційні. ГРМ чотиритактного двигуна працює таким чином. Однотипні клапани в кожнім циліндрі відкриваються на початку такту випуску відпрацьованих газів і закриваються наприкінці такту впуску паливної суміші (повітря в двигуні з безпосереднім упорскуванням). Роторні перемикачі каналів з'єднують циліндри з випускним або впускним трактом двигуна, у залежності від такту, що відбувається в даному циліндрі. Пропускна здатність цього ГРМ збільшена в два рази в порівнянні з традиційним ГРМ із тією же кількістю клапанів на циліндр. Знижено температуру клапанів за рахунок обдування їх холодною сумішшю (повітрям) під час такту усмоктування. Роторні комутатори каналів у цьому газорозподільному механізмі не здійснюють ущільнення камер згоряння циліндрів і працюють у полегшених умовах у порівнянні з компонентами безклапанних газорозподільних механізмів. Загальними ознаками рішення, що заявляється, і зазначеного аналога є наявність у ГРМ чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння однотипних клапанів, що відкриваються в момент початку такту випуску і, що закриваються при закінченні такту впуску і роторного комутатора каналів, що з'єднує клапани з випускним або впускним колектором двигуна, у залежності від такту, що відбувається в циліндрі. Реалізація чотиритактного двигуна згоряння з таким ГРМ, розглянутим як аналог, вимагає на додаток до традиційних компонентів, таким як клапани, пружини, коромисла, штовхальники, розподільний вал, також установки додаткових компонентів, що відносяться до роторних комутаторів каналів і їх приводу. Це збільшує загальне число компонентів двигуна, у тому числі частин, що рухаються. У результаті росте маса двигуна, трудомісткість його виробництва й імовірність відмовлення. Відомі й інші конструктивні рішення комбінованого ГРМ, що відрізняються один від іншого особливостями виконання і взаємодії компонентів. Загальним недоліком комбінованих ГРМ, що містять однотипні клапани в голівках циліндрів і роторні комутатори каналів газового тракту є велика складність конструкції. Цей недолік проявляється при використанні такого газорозподільного механізму у всіх розповсюджених конфігурацій чотиритактних двигунів згоряння з рядним, V- образним, опозитивним і радіальним розташуванням циліндрів. Як прототип вибрано чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, що застосовувався на мотоциклах Ariel, модель Square Four 1931-1959 (http://en.wikipedia.org/wiki/Ariel_Square_Four). Зазначений чотиритактний двигун внутрішнього згоряння містить силовий механізм двигуна, що має у своєму складі два колінчастих вали, зв'язані зубчастою передачею, блок з чотирьох циліндрів, розташованих у два ряди по два циліндра в кожнім ряді, впускний і випускний тракти, головку блоку циліндрів з газорозподільним механізмом. Відомі 5 два варіанти двигуна Ariel Square Four, що різняться виконанням ГРМ. Перший варіант містить розподільний вал у головці циліндрів (ГРМ ОНС), зв'язаний із силовим механізмом (одним із двох колінчатих валів) ланцюговою передачею. В другому варіанті розподільний вал, з'єднаний ланцюговою передачею, розташований у картері двигуна, над колінчатими валами і з'єднаний з коромислами клапанів штангами-штовхальниками. Особливості виконання ГРМ у названих двох варіантах двигуна Ariel Square Four непринципові з погляду взаємодії його компонентів. Конфігурація чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння Ariel Square Four, що розглядається як прототип, характеризується наступними особливостями. Розміщення чотирьох циліндрів чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння в двох рядах по два циліндра в кожнім ряді робить блок циліндрів компактним і дозволяє зробити впускні канали всіх чотирьох циліндрів гранично короткими і розмістити їх взаємно в центрально симетричній конфігурації. Двигун Ariel Square Four працює таким чином. Зв'язані зубчастою передачею колінчасті вали силового механізму обертаються в протилежних напрямках. Робочий процес у кожнім циліндрі протікає відповідно до чотиритактного циклу. Наприклад, спочатку такту усмоктування в одному з циліндрів відкривається впускний клапан і в циліндр починає надходити свіжа повітряно-паливна суміш. Потім впускний клапан закривається, поршень починає рухатися нагору і заряд суміші стискується. Далі, суміш займається від іскри і відбувається такт робочого ходу, наприкінці якого відкривається випускний клапан і відбувається такт випуску. При зазначеному взаємному розташуванні циліндрів кожний з тактів відбувається послідовно в наступному циліндрі в порядку їх розміщення в вершинах прямокутника, у яких названі циліндри розташовані. Така організація протікання тактів робочого процесу сприятлива для зниження вібрацій двигуна. Загальними ознаками названого прототипу і рішення, що заявляється, є силовий механізм двигуна, блок з чотирьох циліндрів, розташованих у два ряди по два циліндра в кожнім ряді, впускний і випускний тракти, головка блоку циліндрів з газорозподільним механізмом, що містить як мінімум по одному клапану на кожен циліндр, привод клапанів. Конфігурація двигуна-прототипу вигідно його відрізняє від інших типів двигунів з точки зору можливості істотного зменшення довжини сполучних патрубків впускного та випускного трактів, але застосування клапанного газорозподільного механізму приводить до значного збільшення рухливих деталей і кінематичних пар, в результаті чого росте тепловиділення в мастило, маса і габарити двигуна, трудомісткість його виготовлення й імовірність відмовлення в роботі. В основу винаходу поставлена задача скорочення кількості рухливих деталей і кінематичних пар у чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння, що дозволяє спростити конструкцію, змен 86646 6 шити тепловиділення в мастило, підвищити надійність двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що в чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння, що включає силовий механізм двигуна, блок з чотирьох циліндрів, розташованих у два ряди по два циліндра в кожнім ряді, впускний і випускний тракти, головку блоку циліндрів з газорозподільним механізмом, що містить як мінімум по одному клапану на кожен циліндр, привод клапанів, відповідно до винаходу, в газорозподільний механізм уведений комутатор каналів у вигляді єдиного роторного золотника, що виконаний із двома порожнинами, одна з яких з'єднана з впускним трактом, а інша - з випускним трактом двигуна, при цьому роторний золотник зв'язаний із приводним валом, розташованим вертикально між циліндрами і з'єднаним з силовим механізмом двигуна. Перераховані ознаки складають сутність винаходу. Доцільно роторний золотник виконати з кулачковим фланцем, а привод клапанів виконати у вигляді коромисел, установлених з можливістю їх взаємодії з кулачковим фланцем роторного золотника. Доцільно також кулачковий фланець виконати знімним з можливістю установки кулачкових фланців з різним профілем. Також доцільно роторний золотник виконати з торцевими ущільненнями у вигляді пакетів шайб, що включають ущільнюючі шайби і тарілчасті пружинні шайби. Істотні ознаки винаходу знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, виконання чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, що містить силовий механізм двигуна, блок з чотирьох циліндрів, розташованих у два ряди по два циліндра в кожнім ряді, впускний і випускний тракти, головку блоку циліндрів з газорозподільним механізмом, що містить як мінімум по одному клапану на кожен циліндр, привод клапанів, комутатор каналів, виконаний у вигляді єдиного роторного золотника, що зв'язаний із приводним валом, розташованим вертикально між циліндрами і з'єднаним із силовим механізмом двигуна кутовою зубчастою передачею, дозволяє, за рахунок раціонального взаємного розташування циліндрів і компонентів ГРМ зменшити кількість рухливих деталей і кінематичних пар у чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння, що дозволяє спростити конструкцію, зменшити тепловиділення в мастило, підвищити надійність двигуна. Відмітні ознаки запропонованого рішення (уведення в газорозподільний механізм комутатора каналів у вигляді єдиного роторного золотника, що виконаний із двома порожнинами, одна з яких з'єднана з впускним трактом, а інша - з випускним трактом двигуна, зв'язок роторного золотника із приводним валом, розташованим вертикально між циліндрами і з'єднаним з силовим механізмом двигуна) у сукупності з ознаками, загальними з прототипом, реалізують взаємодію компонентів чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, яка характеризується наступним. 7 Циліндри чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння компактно і симетрично розташовані щодо роторного комутатора каналів. При цьому для з'єднання клапанів з роторним комутатором каналів використовуються сполучні канали мінімальної довжини. Привод клапанів від кулачкового фланця, розташованого на верхньому торці роторного золотника можливо здійснити безпосередньо коромислами також мінімальних розмірів, скорочення кількість рухливих деталей і кінематичних пар значно зменшена в порівнянні з прототипом, що дозволяє спростити конструкцію, зменшити габарити і тепловиділення в мастило, підвищити надійність двигуна. Слід відмітити, що запропонована конфігурація чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, у залежності від конкретного застосування може забезпечити додаткові переваги. Наприклад, для комбінованого турбопоршневого чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, з'являється можливість підключити імпульсну турбіну до виходу комутатора каналів єдиним патрубком мінімальної довжини й уникнути звичайно необхідного в таких випадках громіздкого вихлопного тракту з багатьма патрубками складної форми. При цьому можливо додаткове зниження втрат енергії вихлопних газів. В можливих варіантах виконання, запропонована конфігурація дозволяє зробити впускний і випускний тракти, а також механізм привода клапанів більш компактними. Перелік креслень. Фіг. 1 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, розріз В-В на Фіг. 3, взаємне розташування циліндрів, клапанів і роторного комутатора каналів. Фіг. 2 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, механізм привода клапанів, вид зверху. Фіг. 3 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, розріз А-А на Фіг. 2, взаємне розташування одного з клапанів, роторного золотника, впускного і випускного каналів. Фіг. 4 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, розріз Б-Б на Фіг. 2. Взаємне розташування одного з клапанів, роторного золотника, впускного і випускного каналів, силового механізму. Фіг. 5 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, роторний золотник. Фіг. 6 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, вертикальний розріз роторного золотника. Фіг. 7 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, горизонтальний розріз роторного золотника. Фіг. 8 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, торцеве ущільнення роторного золотника. Фіг. 9 - Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, тарілчаста шайба. Свідчення, що підтверджують можливість здійснення винаходу. Нижче приводиться докладний опис чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з посиланнями на креслення, що додаються до опису. 86646 8 На Фіг. 1 показано в розрізі взаємне розташування циліндрів, клапанів і роторного комутатора каналів чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння містить чотири циліндри 1, 2, 3, 4, чотири клапани 5, 6, 7, 8, чотири сполучних канали 9, 10, 11, 12, роторний золотник 13 з випускною порожниною 14 і впускною порожниною 15. Вид зверху механізму привода клапанів чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння показаний на Фіг. 2. Цей механізм містить коромисла 16, 17, 18, 19, відповідним клапанам 5, 6, 7, 8 циліндрів 1, 2, 3, 4. На Фіг. 2 також показані отвір впускного тракту 20, кулачковий фланець 21 роторного золотника 13 і випускний патрубок 22. Більш докладно ГРМ чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння показано на Фіг. 3 і Фіг. 4. На торцях роторного золотника 13 з кулачковим фланцем 21 присутні торцеві ущільнення 23 і 24. На Фіг. 5 показаний роторний золотник 13, на верхньому торці котрого знаходиться кулачковий фланець 21. На Фіг. 6 і Фіг. 7 показане розміщення на роторному золотнику радіальних ущільнень 25, розташованих у пазах роторного золотника 13, і теплозахисної оболонки 26. Радіальні ущільнення 25 і теплозахисна оболонка 26 можуть бути відсутні на роторному золотнику при відповідному виборі матеріалів і точності його виготовлення. На Фіг. 8 показано одне з торцевих ущільнень 23, 24 роторного золотника 13. воно містить пари тертя 27 (сталь 95X18 - карбід вольфраму) і тарілчасті пружні шайби 28 (сталь 40X13). На Фіг. 9 показана тарілчаста пружна шайба 28. Роторний золотник 13 знаходиться на верхньому торці приводного вала 29, нижній кінець якого з'єднаний з кутовою зубчастою передачею 30, що входить до складу силового механізму 31. Можливе виконання чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з числом циліндрів, кратним чотирьом. При цьому можливе розташування в один ряд довільної кількості чотирьох циліндрових модулів, кожний з яких містить один роторний комутатор каналів на чотири циліндри. Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння в запропонованій конфігурації може бути виконаний з різними способами сумішоутворення і запалення горючої суміші. У зв'язку з цим потрібні компоненти, що відносяться до систем живлення і запалювання, можуть бути різними і на кресленнях не показані. Для визначеності надалі, описано дизельний варіант чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння працює таким чином. На початку такту випуску в циліндрі 1 відкривається клапан 5, а роторний золотник 13 своєю випускною порожниною 14 з'єднує циліндр 1 через сполучний канал 9 з випускним патрубком 22. Вихлопні гази виходять через клапан 5, сполучний канал 9, випускну порожнину 14 і випускний патрубок 22 в атмосферу. При завершенні такту випуску в циліндрі 1, роторний золотник 13, що приводить 9 ся в обертання приводним валом 29 через кутову зубчасту передачу 30 від силового механізму 31, починає з'єднувати циліндр 1 через відкритий клапан 5, сполучний канал 9, впускну порожнина 15 роторного золотника 13 і впускний патрубок 20 із впускною системою двигуна. У циліндр 1 починає надходити свіже повітря. Після закінчення періоду перекриття фаз впуску і випуску, роторний золотник є з'єднаний з сполучним каналом 9 тільки своєю впускною порожниною 15. По завершенні такту усмоктування, клапан 5 закривається й у циліндрі 1 послідовно відбуваються такти стиску, упорскування палива і робочого ходу, по закінченні якого вищеописаний процес повторюється. У цей проміжок часу клапан 5 закритий, роторний золотник не з'єднаний з циліндром 1 і здійснює комутацію ка 86646 10 налів в інших циліндрах, де робочий процес протікає аналогічно. Роторний золотник не виконує функцію ущільнення камер згоряння циліндрів, а тільки комутує впускні і випускні канали. Вплив гарячих газів на нього значно знижено, а також має місце охолодження його свіжим зарядом повітря. Деяке підвищення температури заряду, що має при цьому місце, не робить істотного впливу на коефіцієнт наповнення циліндрів і з надлишком компенсується підвищеною пропускною здатністю газового тракту. Описана конструкція є тільки прикладом реалізації чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Можливі й інші варіанти реалізації чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, що заявляється, у межах сутності винаходу. 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 86646 Підписне 12 Тираж 28 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