ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известно устройство для воздушного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащее вентилятор, сообщенный с обдуваемыми поверхностями цилиндров при помощи кожуха (см. а.с. СССР №526717, F01P 5/02, опубл. 30.08.76, бюл. №32). Недостаток устройства состоит в использовании для охлаждения дополнительных устройств: вентилятора, его привода и его кожуха, что усложняет конструкцию двигателя, увеличивает его массу, габариты, затраты на изготовление и эксплуатацию.
Известен четырехтактный поршневой ДВС, содержащий картер цилиндрической формы, вал коленчатый с круглыми щеками, не менее чем одну пару шатунов, соединенных непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого или когда один из каждой пары шатунов, называемый прицепной, шарнирно соединен с другим главным шатуном, соединенным с шатунной шейкой, головку с впускным и выпускным клапанами, свечой зажигания или форсункой у дизеля. Количество головок с клапанами, свечой зажигания или форсунок у дизеля равно количеству пар шатунов, головки размещены внутри картера симметрично относительно его внутренней образующей между щек вала коленчатого. К каждому из каждой пары шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу, имеющему кинематическую связь с соответствующей головкой так, что клапаны и свеча зажигания или форсунка у дизеля находятся между шарнирами. Ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равна расстоянию между щеками вала коленчатого, а суммарная длина шатунов в каждой паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки (см. патент РФ на изобретение №2300002 C1, F02B 75/36, опубл. 27.05.2007, бюл. №15).
Недостаток двигателя состоит в неэффективной организации его охлаждения. Однако повысить эффективность охлаждения двигателя можно без дополнительного вентилятора, привода и кожуха, без увеличения габаритов двигателя, затрат на его изготовление и эксплуатацию.
Техническая задача улучшения эффективности охлаждения двигателя решается использованием его шатунов и коромысел в качестве лопасти вентилятора, коленчатого вала в качестве привода лопасти вентилятора, двух щек вала коленчатого в качестве двух поверхностей кожуха вентилятора и установкой в его картере между щек вала коленчатого U-образной пластины в качестве третьей поверхности кожуха вентилятора.
Согласно изобретению двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер цилиндрической формы, вал коленчатый с круглыми щеками, одну пару шатунов, соединенных непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого или когда один из пары шатунов, называемый прицепной, шарнирно соединен с другим, главным шатуном, соединенным с шатунной шейкой, головку с впускным и выпускным клапанами, свечой зажигания или форсункой у дизеля, размещенную внутри картера, к каждому из шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу, имеющему кинематическую связь с головкой так, что клапаны и свеча зажигания или форсунка у дизеля находятся между шарнирами, ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равна расстоянию между щеками вала коленчатого, а суммарная длина шатунов в паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки, отличается тем, что головка содержит ребра охлаждения, шатунные головки коромысел и кривошипные головки шатунов снаружи содержат радиальные уплотнения, длина которых равна расстоянию между щеками вала коленчатого, картер содержит U-образную пластину, размещенную внутри него между щек вала коленчатого, напротив головки, симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения вала коленчатого, ширина U-образной пластины равна расстоянию между щеками вала коленчатого, ее центральная часть выполнена по радиусу, центр которого совпадает с осью вращения вала коленчатого, а его величина равна радиусу вращения радиальных уплотнений кривошипных головок шатунов относительно оси вращения вала коленчатого, боковые поверхности коромысел, шатунов и U-образной пластины, обращенные к щекам вала коленчатого, содержат торцовые уплотнения, наружные стороны шатунов и коромысел содержат ребра охлаждения, картер содержит сверху с правой стороны от головки впускной канал, соединяющий воздухоочиститель с полостью для протекания тактов рабочего цикла и всасывающей полостью вентилятора, с левой стороны от головки выпускной канал, соединяющий нагнетательную полость вентилятора с атмосферой, а над головкой обводной канал с перепускным клапаном, соединяющий выпускной канал нагнетательной полости с впускным каналом всасывающей полости вентилятора.
Кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной рабочей полостью для протекания тактов рабочего цикла, у которого кривошипные головки шатунов совмещены, представлена на фиг.1 - 4.
На фиг.1 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя в исходном положении.
На фиг.2 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя после поворота вала коленчатого от исходного положения на четверть оборота.
На фиг.3 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя после поворота вала коленчатого от исходного положения на две четверти оборота.
На фиг.4 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя после поворота вала коленчатого от исходного положения на три четверти оборота,
где 1 - картер двигателя; 2 - головка; 3 - щека вала коленчатого; 4 - крышка торцовая; 5 - клапан впускной; 6 - свеча зажигания бензинового двигателя (форсунка дизеля); 7 - выпускной клапан; 8 - полость для протекания рабочего цикла; 9 - впускной канал; 10 - выпускной канал; 11 - U-образная пластина; 12 - всасывающая полость; 13 - нагнетательная полость; 14 - клапан перепускной; 15 - канал обводной; 16 - воздухоочиститель; 17 - центральная полость; 18 - радиальное уплотнение; О - ось вращения вала коленчатого; К - шатунная шейка вала коленчатого (кривошип); OK - радиус кривошипа; АБ, ДЕ, - коромысла; БК, ДК - шатуны; А, Б, Д, Е, К - шарниры.
Двигатель содержит неподвижный картер 1 цилиндрической формы (фиг.1). Вверху картера 1, между щек 3 вала коленчатого, размещена головка 2 с ребрами охлаждения. В центре картера 1 соосно установлен вал коленчатый с двумя круглыми щеками 3 и шатунной шейкой К, имеющий ось О вращения. Картер 1 с двух сторон закрыт двумя торцовыми крышками 4, служащими опорой валу коленчатому. Между щек 3 вала коленчатого установлены шатуны БК и ДК, шарнирно соединенные с шатунной шейкой К вала коленчатого. К противоположному шарниру Б шатуна БК шарнирно присоединено коромысло АБ, к противоположному шарниру Д шатуна ДК шарнирно присоединено коромысло ДЕ. Коромысло АБ соединено с головкой 2 шарниром А, а коромысло ДЕ соединено с ней шарниром Е. Ширина шатунов БК, ДК, коромысел АБ, ДЕ и длина головки 2 равна расстоянию между щек 3 вала коленчатого. Внутренние поверхности шатунов БК, ДК, коромысел АБ, ДЕ, двух щек 3 вала коленчатого и головки 2 образуют замкнутую полость 8 для протекания четырехтактного рабочего цикла. Объем полости 8 циклически изменяется по углу поворота вала коленчатого.
Между шарниром А коромысла АБ и шарниром Е коромысла ДЕ в головке 2 размещена свеча 6 зажигания бензинового двигателя (форсунка 6 дизеля), впускной клапан 5 и выпускной клапан 7. Кривошипные головки с шарниром К шатунов БК, ДК и шатунные головки с шарнирами Б и Д коромысел АБ и ДЕ снаружи, вдоль своей длины, содержат радиальные уплотнения 18. Длина радиальных уплотнений 18 равна расстоянию между щек 3 вала коленчатого. В картере 1, напротив головки 2, между щек 3 вала коленчатого, симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось О вращения вала коленчатого, размещена U-образная пластина 11. U-образная пластина 11 с двух сторон, обращенных к щекам 3 вала коленчатого, содержит торцовые уплотнения. Центральная часть U-образной пластины 11 выполнена по радиусу, центр которого совпадает с осью О вращения вала коленчатого. Радиус центральной части U-образной пластины 11 равен радиусу вращения радиальных уплотнений 18 кривошипных головок с шарниром К шатунов БК и ДК относительно оси О вращения вала коленчатого. Коромысла АБ, ДЕ и шатуны БК, ДК со стороны щек 3 вала коленчатого имеют торцовые уплотнения, а снаружи ребра охлаждения.
Две щеки 3 вала коленчатого, U-образная пластина 11, верхняя часть картера 1 и головка 2 являются кожухом вентилятора. Коромысла АБ, ДЕ и шатуны БК и ДК являются лопастью вентилятора. Шатуны БК, ДК и коромысла АБ, ДЕ уже имеют привод от вала коленчатого, поэтому лопасть вентилятора, функции которой выполняют коромысла АБ, ДЕ и шатуны БК, ДК, также уже имеет привод от коленчатого вала. Головка 2, коромысла АБ, ДЕ и шатуны БК, ДК с радиальными уплотнениями 18 делят объем кожуха вентилятора на всасывающую полость 12 и нагнетательную полость 13. Двигатель сверху картера 1 содержит воздухоочиститель 16. Картер 1 вверху, справа от головки 2, содержит впускной канал 9, соединяющий воздухоочиститель 16 с всасывающей полостью 12 вентилятора и полостью 8 для протекания четырехтактного рабочего цикла. Картер 1 вверху, слева от головки 2, содержит выпускной канал 10, соединяющий нагнетательную полость 13 вентилятора с атмосферой. Картер 1 сверху содержит обводной канал 15 с перепускным клапаном 14, который при открытом перепускном клапане 14 соединяет выпускной канал 10 с впускным каналом 9 вентилятора. При открытии клапана 14 теплый воздух, вытесняемый из нагнетательной полости 13 через открытый клапан 14, обводной канал 15 и впускной канал 9 поступает во всасывающую полость 12. Это используют для сокращения времени прогрева двигателя после пуска, поддержания оптимального теплового режима двигателя и т.д.
В исходном положении головка 2 в картере 1 находится вертикально вверху, а кривошип К вала коленчатого повернут относительно ее на половину оборота и установлен вертикально вниз (фиг.1). Выпускной клапан 7 и впускной клапан 5 головки 2 открыты. Объем полости 8 минимален, в ней заканчивается такт «выпуск» четырехтактного рабочего цикла, продукты сгорания через открытый выпускной клапан 7 вытекают в атмосферу.
При повороте вала коленчатого от исходного положения по ходу часовой стрелки на некоторый угол первой четверти оборота выпускной клапан 7 закрывают и завершают такт «выпуск» прежнего четырехтактного рабочего цикла.
В течение первой четверти оборота вала коленчатого коромысло АБ относительно шарнира А остается неподвижным, а коромысло ДЕ относительно шарнира Е поворачивается по часовой стрелке, что увеличивает объема полости 8. В полость 8, через открытый впускной клапан 5, поступает горючая смесь (воздушный заряд у дизеля), что обеспечивает протекание в ней такта «впуск», охлаждение головки 2, впускного клапана 5, выпускного клапана 7, коромысел АБ, ДЕ и шатунов БК, ДК изнутри. Радиальное уплотнение 18 кривошипной головки с шарниром К шатуна БК скользит по U-образной пластине 11, изолирует всасывающую полость 12 от нагнетательной полости 13, а радиальное уплотнение 18 кривошипной головки с шарниром К шатуна ДК отделяется от U-образной пластины. Объем всасывающей полости 12 вентилятора увеличивается. В нее, вдоль правой стороны головки 2, коромысла АБ и шатуна БК поступает воздушный заряд из воздухоочистителя 16, что обеспечивает их охлаждение снаружи (показано стрелками). Объем нагнетательной полости 13 уменьшается. Шатун ДК и коромысло ДЕ вытесняют из полости 13 воздушный заряд вдоль шатуна ДК, коромысла ДЕ, левой стороны головки 2, что охлаждает их снаружи.
К концу первой четверти оборота вала коленчатого поворот коромысла ДЕ относительно шарнира Е по часовой стрелке обеспечивает касание уплотнением 18 шатунной головки с шарниром Д U- образной пластины слева и дополнительную изоляцию нагнетательной полости 13 от всасывающей полости 12 (фиг.2). Радиальное уплотнение 18 кривошипной головки с шарниром К шатуна БК касается U-образной пластины 11 слева и изолирует нагнетательную полость 13 от всасывающей полости 12. Объем нагнетательной полости 13 уменьшен до минимального значения. Объем полости 8 увеличивается и достигает максимального значения, что обеспечивает ее заполнение горючей смесью (воздушным зарядом у дизеля), протекание такта «впуск» четырехтактного рабочего цикла и охлаждение коромысел АБ, ДЕ, шатунов БК, ДК и головки 2 изнутри.
При повороте вала коленчатого до некоторого угла второй четверти оборота горючая смесь (воздушный заряд у дизеля) под действием сил инерции продолжает поступать в полость 8, что обеспечивает ее подзарядку и охлаждение изнутри. После поворота вала коленчатого на некоторый угол второй четверти оборота вала коленчатого процесс подзарядки полости 8 прекращают, впускной клапан 5 закрывают, полость 8 изолируют от атмосферы и завершают в ней такт «впуск» четырехтактного рабочего цикла.
При повороте вала коленчатого на вторую четверть оборота коромысло ДЕ относительно шарнира Е останавливается и изолирует нагнетательную полость 13 от всасывающей полости 12. Коромысло АБ относительно шарнира А поворачивается против часовой стрелки, что уменьшает объем полости 8 и обеспечивает протекание в ней такта «сжатие» четырехтактного рабочего цикла. Радиальное уплотнение 18 кривошипной головки с шарниром К шатуна БК отделяется от левой стороны U-образной пластины 11. Коромысло ДЕ, левая сторона головки 2 охлаждаются воздушным зарядом нагнетательной полости 13. Правая сторона головки 2, коромысло АБ, шатуны БК и ДК охлаждаются снаружи воздушным зарядом, поступающим во всасывающую полость 12.
При некотором угле до завершения второй четверти оборота вала коленчатого свеча 6 зажигания бензинового двигателя воспламеняет горючую смесь в полости 8 (форсунка 6 дизеля впрыскивает в ее объем заданную порцию топлива).
Поворот коромысла АБ относительно шарнира А против часовой стрелки в конце второй четверти оборота вала коленчатого обеспечивает касание радиальным уплотнением 18 шатунной головки с шарниром Б U-образной пластины 11 справа, образование новой всасывающей полости 12 минимального объема и изоляции ее на следующую четверть оборота (фиг.3). Между шатунами БК, ДК, U-образной пластиной 11 и щеками 3 вала коленчатого образуется центральная полость 17. Шатуны БК и ДК охлаждают воздушным зарядом центральной полости 17, правая сторона головки 2 и коромысло АБ охлаждаются воздушным зарядом новой всасывающей полости 12, левая сторона головки 2 и коромысло ДЕ охлаждаются воздушным зарядом нагнетательной полости 13.
Сгорание топлива в полости 8 увеличивает в ней давление. Равнодействующая сила от давления газов передается через шатуны БК и ДК на шатунную шейку К вала коленчатого, которая, относительно оси О вращения вала коленчатого, имеет плечо, что вызывает появление на нем вращающего момента силы, поворачивающего его на третью четверть оборота.
При повороте вала коленчатого на третью четверть оборота коромысло АБ относительно шарнира А неподвижно, коромысло ДЕ относительно шарнира Е поворачивается против часовой стрелки, что увеличивает объем полости 8 и обеспечивает протекание в ней такта «расширение» (фиг.4). Шатунная головка с шарниром Д коромысла ДЕ отделяется от U-образной пластины 11 и нагнетательная полость 13 поглощает центральную полость 17. Правая сторона головки 2 и коромысло АБ охлаждаются воздушным зарядом всасывающей полости 12. Шатуны БК, ДК, коромысло ДЕ и левая сторона головки 2 охлаждаются воздушным зарядом нагнетательной полости 13. Перед завершением третьей четверти оборота в полости 8 завершают такт «расширение», открывают выпускной клапан 7 и обеспечивают начало такта «выпуск» данного рабочего цикла
При повороте вала коленчатого вблизи третьей четверти оборота радиальное уплотнение 18 кривошипной головки с шарниром К шатуна ДК касается U-образной пластины 11 справа, изолирует нагнетательную полость 13 от всасывающей полости 12. Увеличение объема полости 8 до максимального значения вытесняет часть воздушного заряда из полости 13 и охлаждает шатун ДК, коромысло ДЕ, левую сторону головки 2 снаружи.
Поворот вала коленчатого от три четверти оборота до завершения полного оборота сопровождается остановкой коромысла ДЕ относительно шарнира Е и поворотом коромысла АБ относительно шарнира А по часовой стрелке, что приводит к уменьшению объема полости 8, принудительному выталкиванию из нее отработавших продуктов сгорания в атмосферу и продолжению такта «выпуск» четырехтактного рабочего цикла (фиг.1). Радиальное уплотнение 18 кривошипной головки с шарниром К шатуна ДК скользит по U-образной пластине и изолирует нагнетательную полость 13 от всасывающей полости 12. За некоторый угол до завершения полного оборота открывают впускной клапан 5 головки 2, обеспечивают начало протекания такта «впуск» следующего рабочего цикла и охлаждение полости 8 изнутри. При повороте вала коленчатого на второй оборот закрывают выпускной клапан 7 и завершают такт «выпуск» этого рабочего цикла.
Преимущества предлагаемого двигателя:
- щеки вала коленчатого и U-образная пластина служат кожухом вентилятора;
- размещение U-образной пластины в картере не увеличивает габарит двигателя;
- шатуны и коромысла двигателя служат в качестве лопасти вентилятора;
- лопасть вентилятора уже имеет привод от коленчатого вала;
- воздухоочиститель очищает воздух для двигателя и вентилятора охлаждения;
- улучшение охлаждения двигателя достигнуто без увеличения его габаритов, массы, затрат на изготовление и эксплуатацию.