Газораспределительный механизм четырехтактного двигателя внутреннего сгорания
GAS DISTRIBUTION MECHANISM OF THE FOUR-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к автомобилестроению, к устройствам управления впуском-выпуском воздушно-топливной смеси и продуктов сгорания топлива в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, в частности к бесклапанным газораспределительным механизмам. Может быть применимо в любых двигателях внутреннего сгорания, работающих на любых видах топлива.
Известно устройство управления впуском-выпуском воздушно-топливной смеси двигателя внутреннего сгорания по заявке Германии на изобретение DE4138983, F01L 5/04, 1993. Главный цилиндр двигателя внутреннего сгорания и цилиндры управления впуском-выпуском имеют общую камеру сгорания, изменяемой формы. В дополнительных цилиндрах управления установлены дополнительные поршни, связанные шатунами с двумя распределительными валами, связанными с основным валом двигателя. Поршни дополнительных цилиндров попеременно открывают, закрывают впускные, выпускные отверстия двигателя. Недостатком является длительность открытия, закрытия впускных, выпускных отверстий из-за длительного частичного их перекрытия во время попеременного движения  дополнительных поршней, что не позволяет за короткое время определенного такта полностью очистить камеру сгорания от выхлопных газов. Расположение дополнительных поршней в камере двигателя внутреннего сгорания увеличивает потери двигателя из-за сложности герметизации дополнительных поршней и действия на них давления, образующегося в камере сгорания. Все это снижает эффективность двигателя.
Известен газораспределительный механизм четырехтактного двигателя внутреннего сгорания по патенту США №5596955, F01L 5/02, 1997. Бесклапанный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит впускной и выпускной цилиндры, прилегающие к камере сгорания, в которых открываются впускное и выпускное отверстие двигателя. В цилиндрах установлены впускной и выпускной поршни, совершающие возвратно-поступательные движения для открытия одного отверстия и закрытия другого отверстия в это время. Поступление горючей смеси топлива и воздуха, воспламенение и выпуск продуктов сгорания координируется возвратно-поступательным движением впускного и выпускного поршней. Время движения поршней регулируется с помощью коленчатого вала и кулачков. Недостатком является медленное и кратковременное открытие впускного и выпускного отверстий двигателя с постепенным частичным их открытием. Это объясняется тем, что в верхней точке поворота вала и в нижней точке поворота вала, когда происходит давление на тот или иной поршень, скорость толкателя равна нулю, кроме того, при использовании кулачков полное открытие от максимального усилия на поршень происходит только в нижней точке положения кулачка, когда усилие направлено по нормали, а не по касательной от боковой поверхности кулачка. В результате неполного и кратковременного открытия впускных-выпускных отверстий происходит неполное сгорание топлива, снижается КПД двигателя.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран двигатель Найта, www.drive.ru, «Техника. Что такое двигатель Найта». В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания газораспределение обеспечивается не клапанами, а концентрической парой подвижных гильз, вложенных в рабочий цилиндр. Каждая гильза снабжена крупными окнами с одного края. При смещении гильзы вверх и вниз эти вырезы периодически совпадают с впускным или выпускным окном в боковой стенке цилиндра. В движение гильзы приводятся кривошипно-шатунными механизмами и газораспределительным эксцентриковым валом. Недостатком является установка гильз внутрь рабочего цилиндра двигателя, что вызывает проблемы с обеспечением герметичности, через зазоры между поршневыми кольцами и поверхностями гильз происходит выход газов из камеры сгорания, в результате чего сгорает не все топливо, поступающее в камеру сгорания. Снижается эффективность работы двигателя. Вместе с газом через зазоры выходит смазочная жидкость, закачиваемая между подвижными внутренними гильзами. Кроме того, из-за особенностей конструкции двигателя Найта гильзы имеют достаточно большую длину и вес для обеспечения их достаточной прочности, т.к. при работе они испытывают внутреннее давление камеры сгорания, что увеличивает силы инерции возвратно-поступательных масс при их смещении и негативно влияет на КПД двигателя.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы бесклапанного газораспределительного механизма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат заключается в повышении КПД четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат достигается за счет того, что в газораспределительном механизме четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащем элементы открытия и закрытия отверстий, выполненных на боковой поверхности гильзы цилиндра двигателя, элементы открытия и закрытия связаны с распределительным валом, который связан с рабочим коленчатым валом двигателя, согласно изобретению элементы закрытия и открытия отверстий гильзы цилиндра двигателя выполнены в виде двух коаксиальных кольцевых затворов, установленных снаружи гильзы, связанных шатунами с распределительным валом, который выполнен в виде коленчатого вала, шейка шатуна внешнего кольцевого затвора повернута относительно шейки шатуна внутреннего кольцевого затвора на 90° вокруг оси распределительного коленчатого вала, по всему периметру внутреннего кольцевого затвора, в нижней его части, выполнен один ряд окон, на половине периметра внешнего кольцевого затвора выполнен нижний ряд окон, на второй половине периметра внешнего кольцевого затвора выполнен верхний ряд окон.
Технический результат обеспечивается тем, что кольцевые затворы расположены с наружной стороны гильзы цилиндра двигателя. Это позволяет избежать потерь, связанных с преодолением инерции массивных цилиндров двигателя Найта, находящихся внутри камеры сгорания, на которые действует внутреннее давление камеры, и увеличить эффективность двигателя.  Кольцевые затворы связаны шатунами с распределительным валом. Выполнение распределительного вала в виде коленчатого вала позволяет избежать открытия отверстий двигателя на недостаточно короткий период времени за счет отказа от использования кулачков, которые открывают клапаны в течение долгого интервала времени, а максимальное открытие достигается в очень узком промежутке времени. Увеличение времени максимального открытия отверстий достигается и за счет того, что на коленчатом валу шейка шатуна внешнего кольцевого затвора повернута относительно шейки шатуна внутреннего кольцевого затвора на 90° вокруг оси распределительного коленчатого вала. Это позволяет открывать отверстия двигателя в тот момент, когда шейка шатуна того, или иного кольцевого затвора находится в середине хода между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой. Угловая скорость шейки шатуна при этом максимальна по сравнению со скоростью в верхней и нижней точках, где скорость её вращения равна нулю. Линейное перемещение шатуна с затвором также максимально при прохождении шейкой срединного положения окружности её вращения. В результате происходит более быстрое открывание отверстий двигателя, а период их полного открытия увеличивается. Это позволяет увеличить количество топливной смеси, попадающей в камеру сгорания, а после такта рабочего хода обеспечить лучшую продувку и более полный выход продуктов сгорания, что позволяет увеличить КПД двигателя. Расположение окон на внутреннем затворе в один ряд, а на внешнем – в два ряда, с делением их на верхний и нижний на разных сторонах затвора, позволяет обеспечить полное и надежное открытие одних отверстий корпуса во время закрытия других. Происходит четкое разделение тактов, уменьшается время неполного открытия отверстий. Это обеспечивает более полное поступление топливной смеси, более полное её сгорание и более полный выход отработавших газов, что способствует повышению КПД двигателя.
На фиг. 1 представлен продольный разрез четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с газораспределительным механизмом.
На фиг. 2 представлен вид  внешнего кольцевого затвора.
На фиг. 3 представлен вид внутреннего кольцевого затвора.
На фиг. 4 представлен двигатель с кольцевыми затворами в начале такта впуска.
На фиг. 5 представлен двигатель с кольцевыми затворами в начале такта сжатия.
На фиг. 6 представлен двигатель с кольцевыми затворами в начале такта рабочего хода.
На фиг. 7 представлен двигатель с кольцевыми затворами в начале такта выпуска.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с газораспределительным механизмом содержит отверстия 1, выполненные в гильзе 2 цилиндра двигателя напротив камеры сгорания, корпус 3 двигателя с установленным в нем внешним кольцевым затвором 4 и внутренним кольцевым затвором 5. На внешнем кольцевом затворе 4 выполнены впускные окна 6 и выпускные окна 7, расположенные по периметру затвора 4 на разных его половинах. На внутреннем кольцевом затворе 5 выполнены окна 8, расположенные по его периметру. Кольцевые затворы 4 и 5 связаны шатунами 9 с распределительным коленчатым валом 10, кольцевой затвор 4 связан с шатуном 9 посредством шейки 11, кольцевой затвор 5 - посредством шейки 12. Шейки 11 внешнего затвора 4 отстают от шеек 12 внутреннего затвора 5 на 90° при вращении распределительного коленчатого вала 10. Распределительный коленчатый вал 10 связан с рабочим коленчатым валом 13 ременной или цепной передачей (не показана), соотношение их скоростей вращения 1:2. Шейки 11 внешнего затвора 4 повернуты вокруг оси распределительного коленчатого вала 10 относительно шеек 12 внутреннего затвора 5 на 90°. В гильзе 2 цилиндра выполнен канал 14 для охлаждающей жидкости. В корпусе двигателя 3 выполнен канал 15 для слива масла. В теле корпуса 3 двигателя, в теле кольцевых затворов 4 и 5, на поверхности гильзы 2 цилиндра выполнены канавки под уплотнительные кольца. Отверстия 1 предназначены для впуска топливовоздушной смеси, выпуска продуктов горения топлива и являются продувочными окнами.
Цилиндр четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с газораспределительным механизмом работает следующим образом.
При такте впуска распределительный вал 10, вращаясь вокруг оси, поднимает кольцевой затвор 5 так, что окна 8 оказываются напротив продувочных окон 1 на боковой части гильзы 2 цилиндра. Шейки 11 внешнего затвора 4 отстают от шеек 12 внутреннего затвора 5 на 90° при вращении распределительного коленчатого вала 10. Во время такта впуска впускные окна 6 внешнего кольцевого затвора 4 оказываются напротив части отверстий 1 гильзы 2 цилиндра двигателя, расположенных на половине периметра корпуса со стороны впуска топлива. Со стороны выпуска отработавших газов на второй половине гильзы 2 цилиндра двигателя отверстия 1 оказываются закрытыми стенкой внешнего затвора 4. Под действием поршня двигателя создается разрежение в камере сгорания, происходит впуск топлива в камеру сгорания.
Во время следующего такта - такта сжатия, происходит дальнейший поворот распределительного вала 10, опускание с помощью шатунов 9 внутреннего кольцевого затвора 5, перекрытие глухими стенками его удлиненной верхней части всех отверстий 1 двигателя. Внешний кольцевой затвор 4 достигает своего верхнего положения. Поршень двигателя внутреннего сгорания поднимается, создавая в камере сгорания давление, необходимое для воспламенения топливной смеси.
Во время такта рабочего хода происходит обратное движение поршня двигателя внутреннего сгорания под действием давления воспламенившихся газов. При этом внутренний кольцевой затвор 5, пройдя нижнюю точку, поднимается, продолжая перекрывать при этом глухими стенками своей удлиненной верхней части все отверстия 1 двигателя.
Во время следующего такта – такта выпуска, происходит дальнейшее поднимание шатунами 9 внутреннего кольцевого затвора 5. При этом окна 8 вновь оказываются напротив отверстий 1 на боковой части гильзы 2 цилиндра двигателя. А внешний кольцевой затвор 4, при отставании шеек 11 от шеек 12 на 90°, оказывается в нижнем положении, когда выпускные окна 7 располагаются напротив отверстий 1, расположенных на выпускной стороне гильзы 2 цилиндра двигателя. Отверстия 1 противоположной впускной стороны гильзы 2 цилиндра оказываются при этом перекрытыми глухой стенкой верхней части внешнего кольцевого затвора 4. Через часть отверстий 1 происходит выпуск отработавших газов из камеры сгорания. На этом четырехтактный цикл данного цилиндра двигателя внутреннего сгорания заканчивается.
За счет конструктивных особенностей бесклапанного газораспределительного механизма во время каждого рабочего такта двигателя происходит максимально полное открытие-закрытие отверстий 1 в гильзе 2 цилиндра двигателя за минимально возможный для открытия-закрытия период времени. Это обеспечивает поступление большого количества топлива в камеру сгорания, высокую степень полноты сгорания топлива и выхода отработанных газов.  За счет наружного расположения кольцевых затворов 4 и 5 исключены потери, связанные с выходом не отработавших газов. Данные потери для описываемого двигателя составляют не более 0,5%, что является допустимым количеством для обычных газораспределительных механизмов, использующих клапаны. Экспериментально установлено, что КПД двигателя внутреннего сгорания с предлагаемым газораспределительным механизмом составляет 42%, тогда как в двигателе Найта КПД в среднем составляет 37%. Кроме того, использование данного газораспределительного механизма позволяет значительно сократить расход смазывающей жидкости и увеличить его долговечность за счет наружного расположения кольцевых затворов 4 и 5.
Двигатель внутреннего сгорания, оснащенный заявляемым газораспределительным механизмом, обладает следующими преимуществами: упрощена конструкция газораспределительного механизма; уменьшены потери мощности двигателя на его (ГРМ) привод, т.к. нет пружин клапанов; улучшен газообмен двигателя; увеличена эффективная мощность двигателя; уменьшен удельный расход топлива; исключена встреча поршней с клапанами при обрыве ремня; возможность применения электропривода затворов (соленоида); возможность изменения степени сжатия двигателя в процессе его работы, так как камера сгорания освобождена от клапанов.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить КПД четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.