Четырехтактный дизельный двигатель с самодействующим нормально открытым впускным тарельчатым клапаном

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к четырехтактным дизельным двигателям внутреннего сгорания, а именно к клапанам газораспределения, и может быть использована в качестве технического решения для увеличения наполнения цилиндра двигателя свежим зарядом воздуха и снижения ударных нагрузок на впускном клапане.
Известны четырехтактные дизельные двигатели внутреннего сгорания с приводом впускных и выпускных клапанов от механизма газораспределения (А.И. Колчин, В.П. Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003. - 496 с.: ил.). Недостатком известных двигателей с приводом впускных и выпускных клапанов от механизма газораспределения является низкая эффективность наполнения цилиндра двигателя на различных режимах работы из-за отсутствия возможности изменения фаз газораспределения.
Этот недостаток частично устраняется с заменой впускного клапана с приводом от кулачка на самодействующий (автоматический) впускной тарельчатый клапан. Известен двигатель внутреннего сгорания (варианты) (Патент на изобретение RU №2070642 С1 МПК F02B 29/08, 33/30, F01L 1/00, опубликовано 20.12.1996), принятый за прототип, который конструктивно состоит из: цилиндра, поршня, головки цилиндра, в которой размещены самодействующий (автоматический) впускной тарельчатый клапан с амортизирующе-буферным устройством и пружиной клапана, выпускного клапана с приводом от кулачка, топливной форсунки и турбонагнетателя. Амортизирующе-буферное устройство, в свою очередь, состоит из упругого эластичного кольца различных вариантов профиля: круглого, трапецеидального или шевронного из маслобензостойкого материала и двух прижимных колец или втулок с соответствующими профилем сечения: обратными конусами или шевронных из шумопоглашающего материала. Упорным элементом является втулка клапана. Для регулировки величины хода клапана применена гайка, а для ориентации пружины чашка.
Недостатком данного двигателя при его запуске и работе на различных режимах является повышенное гидравлическое сопротивление при такте впуска из-за необходимости преодоления усилий, создаваемых пружиной самодействующего впускного тарельчатого клапана в период открытия самодействующего впускного тарельчатого клапана, что влечет к увеличению насосных потерь, уменьшению наполнения цилиндра двигателя свежим зарядом воздуха, из-за сокращения продолжительности открытия самодействующего впускного тарельчатого клапана в процессе впуска. Кроме того, присутствуют ударные нагрузки на самодействующий впускной тарельчатый клапан в момент его закрытия при соприкосновении с седлом клапана.
Техническим результатом предложенной полезной модели является увеличение наполнения цилиндра четырехтактного дизельного двигателя с самодействующим впускным тарельчатым клапаном свежим зарядом воздуха на такте впуска и в момент продувки, а также снижение ударных нагрузок на самодействующий впускной тарельчатый клапан в момент его открытия и закрытия, соприкосновения с седлом клапана. Для достижения оптимального функционирования предложенной полезной модели необходимо иметь силу упругости дополнительной винтовой пружины меньше силы упругости винтовой пружины.
Указанный технический результат достигается тем, что четырехтактный дизельный двигатель внутреннего сгорания, имеющий впрыск топлива для каждого цилиндра и преимущественно нагнетатель воздуха, содержащий цилиндр, поршень, головку цилиндра, в которой размещены топливная форсунка, выпускной тарельчатый подпружиненный клапан с принудительным приводом от кулачка, самодействующий впускной тарельчатый клапан, отличается тем, что самодействующий впускной тарельчатый клапан выполнен нормально открытым, для чего шток клапана установлен в запрессованную в головке цилиндра направляющую втулку, на шток установлена винтовая пружина, упирающаяся в закрепленные на штоке демпфирующий элемент и стопорное кольцо с одной стороны, с другой стороны в демпфирующий элемент и полую втулку, ввернутую в головку цилиндра, шток клапана проходит через отверстие в полой втулке, а также на нем установлена дополнительная винтовая пружина, которая упирается через дополнительные демпфирующие элементы в полую втулку с одной стороны и чашку, закрепленную на штоке клапана регулировочной и стопорной гайками с другой стороны, кроме того на штоке клапана между направляющей втулкой и стопорным кольцом установлены резиновая втулка и маслоотражательный колпачок.
Предложение поясняется двумя фигурами.
На фигуре 1 приведена частная схема четырехтактного дизельного двигателя с самодействующим нормально открытым впускным тарельчатым клапаном, который содержит цилиндр 9, поршень 6, имеющий неразрывную кинематическую связь с коленчатым валом по средствам шатуна 8 и пальца 7, впускной канал 11, головку цилиндра 10 с направляющей втулкой 12 и размещенным в ней самодействующим нормально открытым впускным тарельчатым клапаном 1, топливную форсунку 2, выпускной тарельчатый клапан 4 с принудительным приводом от кулачка 3 и выпускной канал 5.
На фигуре 2 показана конструктивная схема предлагаемого самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана, состоящего из штока 25 и тарелки 24, где в фаске на штоке 25 установлено стопорное кольцо 21, на котором размещен демпфирующий элемент 20, выполненный в форме кольца (с высоким коэффициентом потерь изготовленный из металлического прессованного пористого сетчатого материала, во внутренней части которого размещено упругое эластичное кольцо 27, изготовленное из маслостойкого материала), на котором расположена винтовая пружина 28 вдоль оси штока 25. На противоположном основании винтовой пружины 28 относительно стопорного кольца 21 размещен демпфирующий элемент 19, выполненный в форме кольца (с высоким коэффициентом потерь изготовленный из металлического прессованного пористого сетчатого материала, во внутренней части которого размещено упругое эластичное кольцо 29, изготовленное из маслостойкого материала). Усилие винтовой пружины 28 регулируется посредством полой втулки 18, наружной резьбой вкрученной в головку цилиндра 10 (фиг. 1). Фиксация полой втулки 18 (фиг. 2) относительно головки цилиндра 10 (фиг. 1) осуществляется стопорной шайбой 17 (фиг. 2). На верхнем основании полой втулки 18 размещен дополнительный демпфирующий элемент 30, выполненный в форме кольца (с высоким коэффициентом потерь изготовленный из металлического прессованного пористого сетчатого материала, во внутренней части которого размещено упругое эластичное кольцо 31, изготовленное из маслостойкого материала), на котором установлена дополнительная винтовая пружина 16, на верхней части которой расположен дополнительный демпфирующий элемент 32, выполненный в форме кольца (с высоким коэффициентом потерь изготовленный из металлического прессованного пористого сетчатого материала, во внутренней части которого размещено упругое эластичное кольцо 33, изготовленное из маслостойкого материала). Для ориентации дополнительной винтовой пружины 16 и дополнительного демпфирующего элемента 32 в верхней части дополнительной винтовой пружины 16 размещена чашка 15, а изменение величины усилия дополнительной винтовой пружины 16 и фиксация составных элементов самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана осуществляется регулировочной гайкой 14. Положение регулировочной гайки 14 фиксируется стопорной гайкой 13. Запорным элементом самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана является тарелка 24 при посадке в седло клапана 23. Для ограничения величины максимального открытия самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана служит резиновая втулка 22, а для удаления излишков масла со штока 25 маслоотражательный колпачок 26.
Четырехтактный дизельный двигатель с самодействующим нормально открытым впускным тарельчатым клапаном работает следующим образом: полный цикл работы двигателя осуществляется за четыре такта (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск). В начале такта впуска самодействующий нормально открытый впускной тарельчатый клапан 1 (фиг. 1) находится в открытом положении относительно седла клапана 23 (фиг. 2), отжат винтовой пружиной 28, упирающейся торцами в демпфирующий элемент 20 со стопорным кольцом 21 на штоке 25 с одной стороны, а с другой в демпфирующий элемент 19 и нижний торец полой втулки 18. Дополнительная винтовая пружина 16 находится в сжатом состоянии, при этом выпускной тарельчатый клапан 4 (фиг. 1) закрыт. При движении поршня 6 (фиг. 1) вниз от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке через впускной канал 11 и самодействующий нормально открытый впускной тарельчатый клапан 1 в цилиндр 9 поступает свежая порция воздуха, происходит процесс наполнения цилиндра 9 свежим зарядом воздуха. При обратном движении поршня 6 вверх от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке происходит дальнейшее наполнение (дозарядка) цилиндра 9 свежим зарядом воздуха за счет кинетической энергии и повышенного давления движущегося потока через самодействующий нормально открытый впускной тарельчатый клапан 1 из впускного канала 11. Наполнение цилиндра 9 свежим зарядом продолжается до тех пор, пока давление в цилиндре 9 не превысит давление воздуха во впускном канале 11, и усилие, создаваемое винтовой пружиной 28 (фиг. 2), перестанет препятствовать закрытию самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана 1 (фиг. 1), при этом дополнительная винтовая пружина 16 (фиг 2), стремящаяся из сжатого состояния вернуться в исходное состояние, способствует закрытию самодействующего нормально открытого впускного клапана 1 (фиг. 1), а демпфирующие элементы 19, 20 (фиг. 2) обеспечивают плавное касание тарелки клапана 24 о седло 23, снимая ударную нагрузку с движущихся элементов. Такт сжатия начинается с момента закрытия самодействующего нормально открытого впускного клапана 1 (фиг. 1), при этом в цилиндре 9 происходит процесс сжатия свежего заряда воздуха. При подходе поршня 6 к верхней мертвой точке осуществляется впрыск топлива через форсунку 2, далее происходит воспламенение и сгорание топлива, что влечет за собой повышение давления в цилиндре 9. За счет повышенного давления продуктов сгорания в цилиндре 9 осуществляется рабочий ход, при этом поршень 6 совершает движение вниз от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. В этот момент самодействующий нормально открытый впускной тарельчатый клапан 1 и выпускной тарельчатый клапан 4 находятся в закрытом положении. В конце рабочего хода открывается выпускной тарельчатый клапан 4 (фиг. 1) посредством кулачка 3. Далее происходит выпуск продуктов сгорания через открытый выпускной тарельчатый клапан 4 в выпускной канал 5. Поршень 6 при движении вверх от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке вытесняет остатки продуктов сгорания. В конце такта выпуска скорость поступательного движения поршня 6 приближается к нулю, движущийся поток газов через открытый выпускной тарельчатый клапан 4 и выпускной канал 5, обладая кинетической энергией, создает в цилиндре 9 пониженное давление (разряжение). Поэтому еще до прихода поршня 6 в верхнюю мертвую точку самодействующий нормально открытый впускной тарельчатый клапан 1 усилием винтовой пружины 28 (фиг. 2) открывается, для поступления свежего заряда воздуха. При открытых нормально открытом впускном тарельчатом клапане 1 и выпускном тарельчатом клапане 4 (фиг. 1) осуществляется продувка цилиндра 9 от продуктов сгорания, тем самым осуществляется увеличение наполнение цилиндра 9 свежей порции воздушного заряда. В конце момента открытия самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана 1 к максимально открытому состоянию (фиг. 1) сила упругости дополнительной винтовой пружины 16 (фиг. 2) обеспечивают его торможение, где дополнительные демпфирующие элементы 30, 32 снимают ударные нагрузки с движущихся элементов в момент остановки клапана в открытом положении. Для увеличения наполнения цилиндра 9 (фиг. 1) на такте выпуска и улучшения продувки в конце такта выпуска необходимая задержка закрытия самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана 1 достигается изменением силы упругости (регулированием), поджатием или ослаблением винтовой пружины 28 (фиг. 2), посредством ввертывания, либо вывертывания соответственно полой втулки 18 (в период наладки дизельного двигателя). Полая втулка 18 при этом фиксируется от перемещения стопорной шайбой 17 для предотвращения разрегулировки. Изменение силы упругости (регулирование) дополнительной винтовой пружины 16, осуществляется поджатием или ослаблением посредством ввертывания, либо вывертывания соответственно регулировочной гайки 14 (в период наладки дизельного двигателя). Стопорная гайка 13 при этом фиксирует от перемещения регулировочную гайку 14 для предотвращения разрегулировки. Такт выпуска (фиг. 1) заканчивается в верхней мертвой точке с закрытием выпускного тарельчатого клапана 4 посредством кулачка 3, самодействующий нормально открытый впускной тарельчатый клапан 1 при этом останется открытым. Далее цикл работы двигателя повторяется. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала, моменты закрытия и открытия самодействующего нормально открытого впускного тарельчатого клапана будут оптимальны для всех режимов работы четырехтактного дизельного двигателя с самодействующим нормально открытым впускным тарельчатым клапаном.
По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет увеличить наполнение цилиндра четырехтактного дизельного двигателя с самодействующим нормально открытым впускным тарельчатым клапаном свежим зарядом воздуха на такте впуска и в момент продувки, а также снизить ударные нагрузки на самодействующий нормально открытый впускной тарельчатый клапан в момент его открытия и закрытия, соприкосновения с седлом клапана, способствуя тем самым увеличению показателя эффективной работы четырехтактного дизельного двигателя с самодействующим нормально открытым впускным тарельчатым клапаном.