Крейцкопфний двигун внутрішнього згоряння
F16C5 - крейцкопф; конструкції жорстких з'єднань головок шатунів або поршневих штоків з крейцкопф (поршневі штоки, тобто штоки, жорстко з'єднані з поршнем F16J 7/00)
F02B75 / 18 - багатоциліндрові (з наддувом F02B 25/00)
F01L1 / 34 - з пристроями для зміни фаз розподілу без зміни тривалості відкриття
Винахід може бути використано в поршневих двигунах. Крейцкопфний двигун містить корпус, накритий кришкою з впускними вікнами і випускним клапаном, циліндр, поршень, розподільний вал з кулачком і колінчастий вал, коліно якого пов'язано шатуном з поперечиною повзуна. Відношення довжини шатуна до радіусу коліна колінчастого вала знаходиться в межах більше одиниці до двох. Кут дії кулачка розподільного вала змінюється по ширині кулачка. Момент закриття випускного клапана змінюється по відношенню до кута повороту колінчастого вала в процесі управління режимом двигуна. Спідниця поршня кріпиться до поперечини повзуна, а маслознімні кільця, огинаючи поршень, встановлені всередині циліндра. Технічний результат полягає в зменшенні висоти і ваги двигуна і поліпшення якості очищення циліндрів від продуктів згоряння. 4 мул.
Відноситься до галузі двигунобудування, зокрема до поршневих двигунів внутрішнього згоряння.
Тронкових двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) двох і чотиритактні містять корпус, циліндр і шатунно-кривошипний механізм, що перетворює поступально-зворотний рух шатунно-поршневої групи в обертальний рух колінчастого вала [1], [2]. Для забезпечення працездатності двигуни оснащуються клапанним, золотниковим або змішаним газорозподілом.
Основним недоліком чотиритактного двигуна є те, що лише один з чотирьох ходів поршня робочий, а три - підготовчі, що відбуваються зі споживанням енергії.
Більш вдале поєднання робочої і підготовчої частин циклу у двотактних двигунів. Разом з тим у двотактних ДВЗ менша економічність, що пояснюється гіршою очищенням циліндра від продуктів згоряння.
Двотактні крейцкопфні двигуни великої потужності по економічності наближаються до чотиритактним ДВС. Це досягається в основному за рахунок високоефективного (часто двоступеневого) наддуву, що збільшує коефіцієнт продування [3] і позитивно впливає на якість очищення циліндра від продуктів згоряння [4].
Крейцкопфний двигун внутрішнього згоряння [5] містить корпус, нерухомо закріплений і накритий кришкою циліндр, крейцкопфний вузол і шатунно-кривошипний механізм, що перетворює поступально-зворотний рух шатунно-поршневої групи в обертальний рух колінчастого вала.
Шатунно-кривошипний механізм крейцкопфний ДВС має розміщений в циліндрі поршень, оснащений компресійними і маслос'емниє кільцями, шток поршня, поперечину повзуна, шатун, закріплений в корпусі колінчастий вал. Все це кинематически пов'язано. Шатун такого двигуна в 3,5 і більше разів довше радіусу коліна колінчастого вала (радіусу кривошипа) [6], [7]. Поперечина в свою чергу оснащена повзунами (повзуном) і розміщується в напрямних, закріплених в корпусі двигуна, утворюючи крейцкопфний вузол.
Для забезпечення працездатності циліндр двигуна оснащений впускними вікнами, а кришка циліндра випускним клапаном [8] (змішане газорозподіл). Клапан приводиться в дію від розподільного валу, оснащеного кулачком, розміщеного в корпусі двигуна, кінематично пов'язаного з колінчастим валом. Момент відкриття-закриття клапана заданий конструктивно, в процесі роботи в кожному циклі повторюється і по відношенню до кута повороту колінчастого вала не змінюється. Профіль кулачка, при цьому, має однаковий кут дії по всій своїй ширині [9].
Як недолік крейцкопфні двигуни малодинамічними, тихохідні, мають велику висоту по осі циліндра, що збільшує вагу і робить неможливим їх застосування, наприклад, на сучасному автомобільному транспорті.
Суть винаходу полягає в тому, що відношення довжини шатуна до радіусу коліна колінчастого вала знаходиться в межах більше одиниці до двох.
Маслос'емноє кільце встановлено всередині циліндра і огинає поршень.
Момент закриття випускного клапана змінюється по куту повороту колінчастого валу в процесі управління режимом роботи двигуна.
Кут дії кулачка розподільного вала змінюється по ширині кулачка.
Спідниця поршня кріпиться до поперечини повзуна.
Відомо, що в двотактних ДВЗ процес наповнення циліндра свіжим зарядом здійснюється, коли кривошип колінчастого вала проходить віддалену від поршня (крейцкопфа) частина окружності. При цьому поршень відкриває впускні вікна і переміщається поблизу нижньої мертвої точки на відстані до 25 відсотків від загальної величини ходу поршня [10].
Пропоноване співвідношення довжини шатуна до радіусу кривошипа забезпечить більш тривалу затримку поршня поблизу нижньої мертвої точки.
Розміщення осі колінчастого вала на лінії переміщення осі крейцкопфний головки шатуна дає симетричне розташування кутів повороту колінчастого вала при стисненні і розширенні робочої суміші. При зміщенні осі колінчастого вала з цієї лінії дає асиметричне розташування кутів при стисненні і розширенні. Таким чином, можна отримати або більш швидке стиснення робочої суміші і повільне розширення, або зворотну дію.
Установка маслос'емного кільця не на поршні, а всередині циліндра дозволяє значно знизити висоту циліндра і висоту двигуна в цілому, а поршень може бути закріплений безпосередньо на поперечині повзуна без допомоги штока, або бути виконаним, як одне ціле з поперечиною.
У відомому ДВС з іскровим запалюванням регулювання режимом роботи проводиться за рахунок подачі кількості свіжого заряду в циліндр шляхом зміни прохідного перетину впускного тракту (каналу). У пропонованому двигуні кількість свіжого заряду в циліндрі регулюється шляхом запізнювання (випередження) моменту закриття випускного клапана.
Зміна моменту закриття випускного клапана може бути досягнуто з застосуванням різного пристрою газорозподільного механізму.
Наприклад: кулачок розподільного вала, що приводить в дію клапан, має рівномірно змінюється по ширині кулачка кут дії, а розподільний вал, встановлений в корпусі двигуна, переміщається уздовж своєї осі на ширину кулачка в прямому і зворотному напрямку під впливом органів управління. Штовхач клапана, ширина якого менше ширини кулачка, при цьому, копіює поверхню кулачка з тим кутом дії, який в даний момент перемістився і обертається в площині гойдання (переміщення) штовхача.
На фіг. 1 показана схема залежності кута повороту колінчастого вала для різної довжини шатуна при однаковій величині переміщення крейцкопфний головки шатуна поблизу нижньої мертвої точки. На фіг. 2, 3 і 4 схематично показаний загальний вид двигуна з клапанно-щілинним схемою газообміну і різним становищем шатунно-кривошипного механізму.
Коло, описане кривошипом колінчастого вала з радіусом R к (див. Фіг. 1) перетинає три дуги, радіус яких відповідає довжині шатуна. Величина h відповідає переміщенню крейцкопфний головки шатуна і дорівнює висоті продувних вікон, в даному випадку 20 відсотків від загальної величини ходу поршня.
При переміщенні поршня до нижньої мертвої точки (к.к.д.) в двигуні з довжиною шатуна на 1,12 більше радіусу кривошипа (схема зроблена з дотриманням зазначених розмірів) тобто (Lш = 1.12 Rк) поршень відкриє впускні вікна і вони залишаться відкритими, коли кривошип колінчастого вала буде переміщатися по колу від точки T (тут і далі точка - це перетин дуги і кола), пройде нижню мертву точку (H. М. Т. ) і впускні вікна закриються, коли кривошип переміститься в точку T1. Для двигуна з довжиною шатуна дорівнює двом радіусів кривошипа (Lш = 2Rk) впускні вікна будуть відкриті при переміщенні кривошипа по колу від точки P, через н.м.т. до P1. Для відомого двигуна з довжиною шатуна в 3,5 рази більше радіуса кривошипа (Lш = 3.5Rk) - від точки S, через н.м.т. до точки S1.
На схемі видно, що кривошип колінчастого вала з коротким шатуном опише велику дугу, ніж з довгим, а крейцкопфний головка довгого і короткого шатунів, при цьому пройде однаковий шлях. Отже, із застосуванням короткого шатуна, за інших рівних умов, тривалість продувки циліндра за цикл збільшиться.
Двигун містить корпус 1 (див. Фіг. 3), розміщений в ньому з можливістю обертання колінчастий вал 2, з коліном 3 якого шарнірно з'єднаний шатун 4, утворюючи кривошип колінчастого вала. Шатун 4 в свою чергу шарнірно з'єднаний з поперечиною 5, жорстко з'єднаної з повзуном 6, розміщеним в напрямних 7, закріплених в корпусі 1. (Повзун 6 і спрямовуюча 7 можуть бути з одного боку). До поперечині 5 жорстко кріпиться поршень 8. (Поршень може бути виготовлений заодно з поперечиною, а також може з'єднаються з поперечиною за допомогою штока, при цьому підпоршневу простір ізолюється від картерних газів). Поршень 8 розміщується в закріпленому в корпусі 1 циліндрі 9, оснащеним маслос'емниє кільцем (кільцями) 10 і впускними вікнами 11. Зверху циліндр накритий кришкою, оснащеної свічок запалювання або форсункою 12 і випускним клапаном 13.
При роботі двигуна, переміщаючись під тиском газів від верхньої мертвої точки до нижньої (див. Фіг. 2), поршень 8 передає зусилля поперечині 5, яка за допомогою повзунів 6 переміщається по напрямних 7 і через шатун 4 впливає на коліно 3, обертаючи колінчастий вал 2. Напрямні 7 утримують повзуни 6 і поперечину 5 в прямолінійній переміщенні і сприймають бокове навантаження, що виникає при нахилі шатуна під час проходження його кривошипної головки по колу Перед відкриттям поршнем 8 впускних вікон 11, відкривається випускний клапан 13 (див. фі . 2. Положення поршня, крейцкопфа і шатуна позначено пунктиром, положення кривошипа 3 позначено точкою D). Через відкритий випускний клапан 13 відпрацьовані гази вільно випливають з циліндра, їх тиск падає і по приходу кривошипа 3 в точку E відкриваються впускні вікна 11, (в циліндрі починається процес газообміну. Це положення шатунно-кривошипного механізму не показано). Процес газообміну триватиме, коли поршень 8 пройде нижню мертву точку (див. Фіг. 3), змінить напрямок руху на зворотне і перекриє впускні вікна 11. Кривошип 3 колінчастого вала 2 так само пройде нижню мертву точку і при перекритті поршнем 8 впускних вікон 11 буде знаходитися в точці K (див. фіг. 3. Зображено пунктиром). Разом з перекриттям впускних вікон 11 закриється випускний клапан 13. На цьому процес газообміну закінчився і в циліндрі почався процес стиснення, який протікає до приходу поршня у верхню мертву точку, після чого в камеру стиснення через форсунку 12 впорскується паливо, яке запалюється, згорає і під тиском газів поршень знову рухається до нижньої мертвої точки. Цикл повторюється.
Робота двигуна із запалюванням робочої суміші від іскри буде відрізнятися процесом регулювання режимом роботи двигуна, який проводиться за рахунок зміни моменту закриття випускного клапана по відношенню до кута повороту колінчастого вала. При ранньому закритті клапана 13 (див. Фіг. 4), коли поршень 8, переміщаючись до верхньої мертвої точки, ще не до кінця перекриє впускні вікна 11, відбудеться підпір свіжого заряду в циліндр, в роботі братиме участь більшу кількість свіжого заряду, на колінчастому валу буде отримана велика потужність. При пізньому закритті клапана 13 (див. Фіг. 4. Зображено пунктиром), поршень 8 витіснить частину нового заряду з циліндра, в роботі братиме участь менша кількість заряду, на колінчастому валу буде отримана менша потужність.
Процес регулювання режимом роботи відбувається при переміщенні кривошипа 3 (див. Фіг. 4) від точки H до точки M, при цьому колінчастий вал повернеться на кут p - кут регулювання режимом роботи.
Здійснивши дані заходи знизяться висота і вага двигуна, зменшиться вага шатунно-поршневої групи, що дозволить надати динамізм в роботі двигуна на змінних навантаженнях, а так само покращиться якість очищення циліндра від продуктів згоряння.
Джерела інформації 1. Книга під редакцією А.С. Орліна, М.Г. Круглова "Двигуни внутрішнього згоряння. Конструювання і розрахунок на міцність поршневих і комбінованих двигунів". Київ "Машинобудування", 1984 рік, стор. 9, розділ "Компановочние схеми двигунів".
2. Книга "Тепловозні двигуни внутрішнього згоряння". Київ "Транспорт", 1987 рік, стор. 204, перший абзац.
3. Книга під редакцією А.С. Орліна, М.Г. Круглова "Двигуни внутрішнього згоряння. Теорія поршневих і комбінованих двигунів." Москва "," Машинобудування ", 1983 рік, стор. 62, розділ" Коефіцієнт продувки ".
4. Книга "3", стор. 66 закінчення розділу "Коефіцієнт залишкових газів".
5. Книга 1. стор. 374, рис. 331.
6. Книга А. І. Колчин, В.П. Демидов "Розрахунок автомобільних і тракторних двигунів". Київ "Вища школа" 1980 рік, стор. 115-117 розділ "Загальні відомості".
7. Книга 1. стор. 174, перший абзац.
8. Книга 3. стор. 77, другий абзац зверху.
9. Книга 1, стор. 262, початок сторінки. Поняття "Кут дії кулачка".
10. Книга під редакцією М.С. Ховаха "Автомобільні двигуни". Київ, "Машинобудування", 1977 рік, стор. 66, останній абзац.
Крейцкопфний двигун внутрішнього згоряння, що містить корпус, прикріплений до корпусу і накритий кришкою циліндр з впускними вікнами і випускним клапаном, поршень, розміщений в циліндрі, маслознімні кільця, розподільний вал з кулачком і колінчастий вал, коліно якого пов'язано шатуном з поперечиною повзуна, що переміщається в направляючих , що відрізняється тим, що відношення довжини шатуна до радіусу коліна колінчастого вала знаходиться в межах більше одиниці до двох, кут дії кулачка розподільного вала змінюється по ширин е кулачка, момент закриття випускного клапана змінюється по відношенню до кута повороту колінчастого вала в процесі управління режимом двигуна, причому спідниця поршня кріпиться до поперечини повзуна, а маслознімні кільця, огинаючи поршень, встановлені всередині циліндра.