ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Изобретение относится к области моторостроения, а именно к конструкциям двухтактных двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.
Известно, что корпус ДВС может состоять из следующих соединенных между собой деталей: цилиндры с вставными втулками (гильзами), картер, головка (крышка) цилиндров. В многоцилиндровых двигателях с жидкостным охлаждением цилиндры выполняют в виде общей отливки, т.е. в виде блока цилиндров, а вокруг цилиндров создают полость охлаждения (рубашку цилиндра).
Известен корпус ДВС жидкостного охлаждения с разъемом по оси коленчатого вала, в котором блок цилиндров отливают вместе с верхней частью картера, благодаря чему образуется общая монолитная деталь - блок-картер. При этом обеспечивается высокая прочность, жесткость, компактность, снижение массы. («Комбинированные двухтактные ДВС», Орлин А.С. и Круглов М.Т., Москва, Изд. «Машиностроение», 1968 г., с.86).
Известен способ крепления головки путем ее установки на торцевую поверхность цилиндра и закрепления с последним при помощи резьбового соединения, (патент РФ «Способ крепления головки и цилиндра поршневого двигателя» №2023191, F02F 1/00, 1/24, 7/00, опубл. 15.11.94 г., бюл. №21).
Недостатком известного способа является необходимость увеличения габаритов и массы головки и цилиндра из-за размещения по их периферии сравнительно большого количества элементов резьбового соединения, воспринимающих всю газовую нагрузку, а также необходимость установки между головкой и торцевой поверхностью цилиндра элементов уплотнения газового стыка, влияющих на величину отклонения значения степени сжатия двигателя от заданного.
Известно, что цилиндры двухтактных ДВС с воздушным охлаждением изготавливают всегда отдельно один от другого и отъемными от картера. Такой цилиндр из чугуна с отлитыми ребрами может представлять моноблок в виде общей отливки (из чугуна), состоящий из собственно цилиндра, головки, впускного и выпускного патрубков и охлаждающих ребер. (Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа
поршневых и комбинированных двигателей. В.П.Алексеев и др. под редакцией А.С.Орлина, Москва, «Машиностроение», 1990 г, с.79, рис.26а).
Известны сменные вставные «мокрые» гильзы, выполненные в виде цилиндрической втулки, которые устанавливаются сверху в блок цилиндров с образованием полости охлаждения цилиндров. Центрирование гильз в отверстии блока в этом случае достигается с помощью верхнего и/или нижнего цилиндровых поясов, причем опоры гильзы могут быть на разной высоте (а.с. СССР №823 615 «Цилиндр двигателя внутреннего сгорания», F02F 1/00, опубл. 23.04.81 г. в бюл. №15).
Такое, очень технологически сложное, снижение неравномерности прилегания опорных поверхностей и относительного углового смещения осей гильзы и рубашки цилиндра все равно является недостаточным для надежного уплотнения газового стыка.
Известна камера сгорания двухтактного ДВС полусферической формы с кольцевой или полукольцевой щелью, образующейся по краям камеры, когда поршень приближается к верхней мертвой точке. Горючая смесь выбрасывается из этой щели к центру камеры, где расположена свеча, что увеличивает скорость и полноту сгорания топлива («Проектирование мотоцикла», А.Т.Волков, М. «Машиностроение», 1978 г., с 102, рис.27)
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является двухтактный двухцилиндровый ДВС с горизонтальными осями цилиндров и жидкостным охлаждением, к алюминиевому блоку цилиндров которого на прокладке крепится головка, отлитая из алюминиевого сплава, в которой выполнены две камеры сгорания с отверстиями для свечей зажигания, а в блок цилиндров залиты чугунные гильзы. В верхней части блока цилиндров ДВС имеется водяная рубашка, сообщающаяся с полостью для прохода воды в головке блока цилиндров.
Со стороны выхлопных окон к блоку крепятся проставка и крышка, между которыми пропускается вода. Из водяной рубашки картера через канал в блоке цилиндров вода проходит сначала в водяную полость крышки выхлопа, откуда через сверления в блоке и головке цилиндров попадает в вертикальный канал на головке цилиндров, охлаждающий камеры сгорания и свечи. Затем вода проходит в нижнюю часть водяной рубашки головки и блока цилиндров и сливается из ее верхней части. («Лодочные моторы «Ветерок». Устройство, эксплуатация и ремонт. Справочник., Е.И.Фишбейн, Ленинград, «Судостороение», 1989 г., с.45, рис.31).
В конструкции прототипа недостаточная жесткость, а, следовательно, и прочность корпуса ДВС, а также герметичность соединения между его частями. Для охлаждения выхлопа ДВС необходимы дополнительные детали - проставка, которая на прокладке крепится болтами к крышке, а для охлаждения камер сгорания - канал в блоке цилиндров
и сверленый вертикальный канал в головке цилиндров, в который вода поступает после охлаждения выхлопа. Гильзы не могут заменяться, что, вероятнее всего, усложнит и увеличит цену ремонта.
Заявленная полезная модель «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением» решает задачу повышения надежности, долговечности и топливной экономичности ДВС.
Достигаемый при этом технический результат состоит в увеличении жесткости и механической прочности в сочетании с компактностью корпуса ДВС, снижении его массы, получении эффективного охлаждения и герметичности камер сгорания.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели обеспечивается в первую очередь общими с прототипом и известными из уровня техники признаками. Заявляемый двухтактный ДВС с жидкостным охлаждением содержит блок-картер и головку, можно сказать традиционно отливаемые у быстроходных ДВС из алюминиевых сплавов, а запрессованные в блоке гильзы, которые более всего подвержены циклическим нагрузкам и высокому температурному воздействию, отлиты из высокопрочного чугуна. Применение известных сменных вставных гильз позволяет увеличить срок службы блока путем замены изношенных гильз.
За счет соединения полости охлаждения головки цилиндров с полостью охлаждения прикрепленной к блоку крышки выхлопа, обеспечен слив воды с верхней части головки цилиндров, что исключает возникновение в ней паровых пробок.
Известные камеры сгорания компактной полусферической формы позволяют горючей смеси выбрасываться из кольцевой щели, образующейся по краям камеры, когда выпуклое днище поршня приближается к верхней мертвой точке, к центру камеры, где расположена свеча зажигания, увеличивая за счет этого скорость и полноту сгорания топлива.
Одна из существенных и определяющих особенностей заявляемого ДВС заключается в выполнении блок-картера, головки цилиндров и крышки выхлопа за одно целое, что исключает их взаимные смещения и односторонние деформации и отпадает необходимость компенсировать технологическую неточность их исполнения установкой прокладок.
Образованный благодаря этому монолитный корпус ДВС, в цилиндры которого гильзы запрессованы с натягом, вплоть до упора наружного цилиндрического бурта гильзы, причем площади плоскости бурта и соответствующей ей части правой стенки корпуса значительны, что приведет к восприятию нагрузки от сил инерции и давления газов и корпусом и гильзами с более равномерными деформациями. Отсутствие стыка с
элементами уплотнения по периферии головки и блок-картера, а значит и температурного порога, благоприятствует созданию также более равномерного температурного поля в верхней части корпуса.
Таким образом, высокая жесткость и прочность монолитного корпуса в сочетании с гильзой из высокопрочного чугуна обеспечат большую долговечность ДВС.
Жесткость гильзы обеспечена полу-коробчатой общей формой - отлита в виде закрытого стакана, а в днище шатровой формы полностью размещается камера сгорания простой полусферической, но эффективной формы. Отсутствие газового стыка гарантирует герметичность камеры сгорания, что, в свою очередь обеспечивает приближение реальной степени сжатия ДВС к заданной.
Предложенное взаимное расположение гильз в монолитном корпусе образует единую полость охлаждения камер сгорания, размещенную в этом случае между верхними частями соответственно наружной поверхности гильз и внутренней поверхности корпуса. В силу того, что охлаждающая жидкость в эту полость поступает непосредственно из напорной полости водяного насоса, т.е. под давлением, позволяет быстро снижать температуру наиболее горячей зоны гильз, что более эффективно, по сравнению с прототипом, охлаждает размещенные в гильзе камеры сгорания и свечи.
Полость охлаждения выхлопа отлита вместе с крышкой и соединена с единой полостью охлаждения камер сгорания кратчайшим образом. Обеспечивает это канал, который отлит в ближайшем к выхлопу цилиндре, в виде кругового сектора в пределах центрального угла 100-120° и закрыт наружной поверхностью гильзы после ее запрессовки.
Таким образом, предложена компактная и эффективная система охлаждения ДВС, в которой по сравнению с прототипом, исключены каналы охлаждения и сверления в блоке цилиндров, вертикальные и горизонтальные каналы и сверления в головке, усложняющие технологию изготовления и снижающие эффективность охлаждения.
Мало того, нет необходимости в дополнительных деталях - элементах крепления крышки выхлопа и проставке, между которыми в прототипе пропускается вода, так как в предлагаемой полезной модели полость охлаждения выхлопа отлита вместе с крышкой, а она заодно с корпусом. В результате нет крепежа, и не требуется его периодическая подтяжка при эксплуатации и техническом обслуживании.
Неподвижное соединение гильзы с правой стенкой корпуса предусмотрено для случая аварийного теплового заклинивания поршня, которое может повлечь вытягивание гильзы, запрессованной в корпус с натягом, в сторону коленчатого вала.
В дополнительном пункте формулы заявляемой полезной модели уточняется совокупность ее признаков применительно к частному случаю выполнения этого неподвижного соединения.
Предложено отверстие под верхний кольцевой прилив днища гильзы выполнить в продольной плоскости правой стенки корпуса, соосно каждому цилиндру. С двух сторон от этого отверстия заодно с корпусом отлить цилиндрические приливы и выполнить в них сквозные отверстия под болты. Для присоединения гильз этими болтами к правой стенке корпуса, в нижнем цилиндрическом бурте ее днища предлагается выполнить глухие отверстия.
Кроме того, в этом же пункте предлагается развитие совокупности признаков полезной модели, касающихся жесткости корпуса, применительно к частному случаю выполнения его правой стенки.
Предложено отлить заодно с корпусом в поперечной плоскости правой стенки корпуса ребра, примыкающие с обеих сторон к каждому из цилиндрических приливов крепления гильз.
Фиг.1 - Продольный разрез ДВС в сборе.
Фиг.2 - Поперечный разрез А-А корпуса.
Фиг.3 - Продольный разрез Б-Б корпуса.
Фиг.4 - Вид Г корпуса со стороны насоса.
Фиг.5 - Разрез Д-Д корпуса (показан канал для охлаждающей жидкости, соединяющий полость головки с полостью выхлопа)
Фиг.6 - Разрез В-В корпуса (полость выхлопа)
Фиг.7 - Вид Е корпуса в сборе с гильзами (со стороны крепления гильз)
Алюминиевый корпус 1 заявляемого двухтактного ДВС с трехканальной возвратно-петлевой продувкой и разъемом по оси коленчатого вала состоит из блока 2 цилиндров, который отлит вместе с верхней частью картера 3 и головкой 4 цилиндров. Со стороны выхлопных окон блока отлита крышка 5 с полостью 6 охлаждения, а в верхнем цилиндре отлит канал 7 в виде кругового сектора в пределах центрального угла 100-120° с отверстием 8 отвода охлаждающей жидкости в полость 6 крышки 5.
В цилиндры корпуса ДВС запрессованы чугунные сменные гильзы 9 в виде стакана, отлитые с окнами 10 газообмена в его цилиндровой части и толстым днищем 11 шатровой формы.
В этом днище выполнена камера сгорания 12 полусферической формы, которая слева ограничена выпуклым днищем поршня 13 с образованием кольцевой щели 14 по краям каждой камеры, а справа - центральным отверстием 15 под свечу зажигания.
Это отверстие 15 размещено в кольцевом приливе 16 и упорном цилиндрическом бурте 17, выполненных последовательно на наружной поверхности днища гильзы. Наружный контур бурта 17 в продольной плоскости гильзы включает цилиндрические приливы под глухие отверстия 18 крепления гильзы болтами 19 к правой стенке 20 корпуса 1.
Соответственно конструкции гильзы, в правой стенке 20 корпуса, соосно каждому цилиндру, выполнено отверстие 21 под кольцевой прилив 16 днища гильзы.
С двух сторон от этого отверстия 21 на правой стенке в продольной плоскости корпуса выполнены цилиндрические приливы 22 с примыкающими к ним с обеих сторон ребрами 23. Эти ребра взаимно параллельны и отлиты в поперечных плоскостях корпуса 1, а в симметричных цилиндрических приливах 22 выполнены сквозные отверстия 24 под болты 19 крепления гильзы.
После запрессовки гильз 9 в корпус 1:
- во-первых, образуется полость 25 охлаждения камер сгорания правыми частями соответственно наружной 26 поверхности гильз и внутренней 27 поверхности корпуса,
- во-вторых, наружная поверхность гильзы закрывает канал 7, по которому сообщаются полость 25 охлаждения камер сгорания с полостью 6 охлаждения выхлопа, которая отлита совместно с крышкой 5.
В полость 25 охлаждения камер сгорания вода через отверстие 26 в корпусе поступает непосредственно из напорной полости водяного насоса (не показан).
Корпус отлит из алюминия с использованием технологии литья по газифицируемым моделям («Технология литейного производства. Специальные виды литья.», Э.Ч.Гини, А.М.Зарубин, В.А. Рыбкин, - М.: Издательский центр «Академия», 2005 г., с.301-315).
Гильза отлита из чугуна по выплавляемым моделям («Технология литейного производства. Специальные виды литья.», Э.Ч.Гини, А.М.Зарубин, В.А. Рыбкин, - М.: Издательский центр «Академия», 2005 г., с.8-96.)
При работе ДВС предложенная конструкция монолитного алюминиевого корпуса 1, в котором отсутствует газовый стык, за счет стабилизации геометрической формы цилиндров и повышения его общей жесткости и прочности, существенно уменьшит неравномерность распределения динамических и термические нагрузок и напряжений но отдельным элементам и зонам такого корпуса, повышая, таким образом надежность его работы и всех сопряженных с ним деталей.
При работе ДВС гарантирована герметичность камеры сгорания, потому что она полностью размещена в днище 11 цельнолитой чугунной гильзы 9, что, улучшив процесс сгорания топливовоздушной смеси, позволит снизить удельные расходы топлива.
Гильза 9 запрессована с натягом в цилиндр, до упора ее наружного цилиндрического бурта 17 в правую стенку монолитного корпуса, что обеспечивает надежность ее установки при обычной работе ДВС.
Для исключения «стягивания» гильзы при аварийном заклинивании поршня, предложено дополнительное неподвижное крепление гильзы, например, двумя болтами, к правой стенке монолитного корпуса. При этом локальная жесткость крепления увеличена за счет выполнения взаимно параллельных ребер 23 в поперечных плоскостях корпуса, а крепежных отверстий в гильзе и на правой стенке корпуса - в продольной плоскости корпуса.