УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГАЗООБМЕНА В ДВС (ВАРИАНТЫ).
INTERNAL COMBUSTION DEVICE GAS EXCHANGE ACTUATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания общего и специального назначения, а также в других устройствах, требующих распределения потоков жидкости или газа.
Существует газораспределительный механизм (ГРМ), представляющий собой устройство для реализации процесса газообмена в ДВС, содержащее закрывающий механизм ГРМ, состоящий из клапана, седла клапана, направляющей втулки, возвратных пружин, тарелки и сухарей, открывающий механизм, состоящий из распределительного вала, толкателя, штанги, коромысла с осью и устройством регулировки теплового зазора, и привод ГРМ - зубчатый, цепной или ременный [см. Автомобильные и тракторные двигатели (Теория, системы питания, конструкция и расчет). Под ред. И.М. Ленина. Учебник для вузов по специальности «Автомобили и тракторы». М.: «Высшая школа», 1969. - 656 с.].
Недостатками указанного устройства являются значительные нагрузки на двигатель, обусловленные необходимостью преодоления усилия пружин закрывающего механизма, а также значительные ударные нагрузки на рабочие кромки клапана и седла при закрытии, необходимость периодического регулирования тепловых зазоров при отсутствии гидрокомпенсаторов, низкая надежность механизма, обусловленная нарушением целостности элементов запирающего устройства «седло-клапан», и значительные временные и материальные затраты при восстановлении работоспособности ГРМ.
Кроме того, существует устройство для реализации процесса газообмена в ДВС, содержащее установленные над всасывающими и выхлопными отверстиями тороидальные камеры, внутренние полости которых двумя отверстиями соединены с полостью цилиндра, всасывающей трубой или выхлопным коллектором, а внутрь их помещены кольцевые поршни, имеющие полость для прохода газов, сидящие на общем валу и при вращении соединяющие полость цилиндра со всасывающей трубой или выхлопным коллектором через отверстия [см. патент RU 2177552 от 27 декабря 2001 г.].
Недостатками указанного устройства является сложность изготовления тороидальных камер с требуемым отклонением от формы, самих кольцевых поршней с полостями внутри, обеспечения при этом тепловых зазоров и герметичности. Кроме того, устройство, выполненное в данном варианте, не приемлемо для использования в двигателях внутреннего сгорания с дискретным изменением мощности за счет отключения части цилиндров.
Или устройство для реализации процесса газообмена в ДВС с бесклапанным механизмом газораспределения в виде каналов внутри корпуса головки, в которые вставлены неподвижные цилиндры с окнами, расположенными напротив каждой камеры сгорания, в цилиндры вставлены вращающиеся пустотелые распределительные валы с окнами, расположенными по периметру окружности этих валов под определенным углом относительно друг друга напротив каждой камеры сгорания, один из распределительных валов является впускным, другой выпускным, на распределительных валах с наружной стороны имеются канавки для колец герметизации и смазки, на концах распределительных валов имеются оси, на которые установлены звездочки для передачи вращения их от коленчатого вала, скорость вращения распределительных валов в два раза меньше скорости вращения коленчатого вала [см. патент RU 2121583 от 10 ноября 1998 г.].
Недостатком указанного устройства является его сложность, необходимость уплотнения трех разнородных тел, что приводит к низкой надежности, и, что самое важное, сложность регулирования по значению фаз газораспределения и невозможность использования в ДВС с дискретным изменением мощности за счет отключения части цилиндров.
Существует также устройство для реализации процесса газообмена в ДВС, содержащее вращаемые от коленчатого вала стаканы с окнами, устанавливаемые в центре кольцевой полости головок цилиндров, причем кольцевая полость головки цилиндров разделена перемычками на два канала, в блоке цилиндров компрессора по одному каналу происходит всасывание, а по второму каналу - нагнетание в камеру сгорания, в блоке цилиндров двигателя по одному каналу происходит подача газов после камеры сгорания, в по второму каналу - выхлоп [см. патент RU 2287712 от 20 ноября 2006 г.].
Или устройство для реализации процесса газообмена в ДВС, содержащее вращаемые от коленчатого вала золотники с впускными и выпускными сквозными диаметральными каналами, с глухими уплотнителями, контактирующими с золотником [см. описание к AC SU 1300160, A1 от 30 марта 1987 г.].
Недостатками указанных устройств является отсутствие возможности их использования в классических четырехтактных двигателях внутреннего сгорания.
Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Эта цель достигается тем, что используют устройство для реализации процесса газообмена в двигателе внутреннего сгорания, содержащее цилиндрические поворотные золотники, привод газораспределительного механизма (ГРМ), причем в цилиндрических поворотных золотниках выполняют канал, ось которого направлена по нормали к цилиндрической образующей, которым связывают полость камеры сгорания соответственно с впускным или выпускным каналом, на оси донной части цилиндрических поворотных золотников, с наружной их части, выполняют короткий шип, а на оси цилиндрических поворотных золотников, с наружной их части, выполняют длинный шип, при это цилиндрические поворотные золотники установлены в корпусах, выполненных в виде стаканов с отверстием в донной части и закрывающихся крышкой с центральным отверстием, смонтированных в гнездах головки блока цилиндров на выходе впускных и входе выпускных каналов, связывающих камеры сгорания с впускными и выпускными коллекторами, при этом в стенках корпусов в диаметрально противоположном направлении выполняют окна, одни из которых совпадают с впускными и выпускными каналами, выполненными в головке, а другие с расширяющимися каналами, ведущими в камеры сгорания, короткий шип вводят в посадочное отверстие, выполненное в донной части корпуса, длинный шип через центральное отверстие в крышке корпуса выводят в полости механизмов приводов, которые в виде отдельных корпусов с крышками прикрепляются по обе стороны головки и связывают с ведомым коническим зубчатым колесом привода ГРМ, ведущие конические колеса смонтированы на валах приводов, установленных на подшипниках в полостях приводов, выполненных в каждом из корпусов, на выходных концах валов устанавливают ведомые элементы привода ГРМ, при этом на краях цилиндрической образующей поворотных золотников выполняют канавки под уплотнительные элементы, выполненные, например, в виде набора из нескольких разрезных стальных колец, контактирующих с внутренней цилиндрической частью корпусов, между торцами золотника и донной частью корпуса и его крышкой, в кольцевых посадочных канавках устанавливают радиально-упорные подшипники, а с внешней стороны шипа между приливом с выходным отверстием под шип в полости приводов и ведомым коническим зубчатым колесом устанавливают аналогичный подшипник и там же в кольцевом углублении прилива устанавливают сальник, рабочая кромка которого взаимодействует с цилиндрической образующей шипа.
Как вариант исполнения может быть так, что в цилиндрических поворотных золотниках выполняют канал, которым связывают полость камеры сгорания соответственно с впускным или выпускным каналом, ось которого меняет направление по нормали к цилиндрической образующей, под углом, например под прямым.
А в стенках корпусов выполняют окна, одни из которых совпадают с впускными и выпускными каналами, выполненными в головке, а другие с расширяющимися каналами, ведущими в камеры сгорания, оси которых расположены под углом относительно друг к другу, например под прямым.
При этом в качестве привода используют электродвигатель.
Или в качестве привода используют гидроцилиндры двухстороннего действия с рычажным механизмом.
А еще в качестве привода используют электромагниты двухстороннего действия с рычажным механизмом.
Устройство для реализации процесса газообмена в двигателе внутреннего сгорания, содержащее поворотные золотники, выполненные в виде шара, корпус поворотных золотников, привод газораспределительного механизма (ГРМ), причем в поворотных золотниках выполняют канал, которым связывают полость камеры сгорания соответственно с впускным или выпускным каналом, на оси поворотных золотников выполняют короткий шип и длинный шип, при этом корпус поворотных золотников выполнен в виде двух цилиндров, смонтированных в гнездах головки блока цилиндров, с внутренних сторон цилиндров выполняют полусферы, переходящие в отверстия под шипы, при этом в стенках корпусов в диаметрально противоположном направлении выполняют окна, одни из которых совпадают с впускными и выпускными каналами, выполненными в головке, а другие с расширяющимися каналами, ведущими в камеры сгорания, короткий шип вводят в посадочное отверстие, выполненное в донной части корпуса, длинный шип через центральное отверстие в крышке корпуса выводят в полости механизмов приводов, которые в виде отдельных корпусов с крышками прикрепляются по обе стороны головки и связывают с ведомым коническим зубчатым колесом привода ГРМ, ведущие конические колеса которых смонтированы на валах приводов, установленных на подшипниках в полостях приводов, выполненных в каждом из корпусов, а на выходных концах валов устанавливают ведомые элементы привода ГРМ, при этом на краях образующей поворотных золотников выполняют канавки под уплотнительные элементы, выполненные в виде набора из нескольких разрезных стальных колец, контактирующих с внутренней цилиндрической частью корпусов, между торцами золотника и донной частью корпуса и его крышкой, в кольцевых посадочных канавках, устанавливают радиально-упорные подшипники, а с внешней стороны шипа между приливом с выходным отверстием под шип в полости приводов и ведомым коническим зубчатым колесом устанавливают аналогичный подшипник и там же в кольцевом углублении прилива устанавливают сальник, рабочая кромка которого взаимодействует с цилиндрической образующей шипа.
Как вариант исполнения может быть так, что в корпусе шаров выполняют канал, ось которого меняет направление по нормали в поперечной плоскости, под углом, например, под прямым и которым связывают полость камеры сгорания соответственно с впускным или выпускным каналом.
А в стенках цилиндрических элементов на стыке полусфер цилиндрических элементов по нормали к их цилиндрическим образующим выполняют окна, оси которых расположены под углом относительно друг к другу, например под прямым, одни из которых совпадают с впускными и выпускными каналами, выполненными в головке, а другие с расширяющимися каналами, ведущими в камеры сгорания.
При этом в качестве привода используют электродвигатель.
Или в качестве привода используют гидроцилиндры двухстороннего действия с рычажным механизмом.
А еще в качестве привода используют электромагниты двухстороннего действия с рычажным механизмом.
На фиг.1 представлен общий вид устройства с цилиндрическим поворотным золотником, на фиг.2 - общий вид устройства с шаровым поворотным золотником.
Основными элементами предлагаемого устройства для реализации процесса газообмена в ДВС, в котором в качестве закрывающего механизма используют цилиндрические поворотные золотники 1, установленные в корпусах 2, выполненных в виде стаканов с отверстием в донной части и закрывающихся крышкой 3 с центральным отверстием, смонтированных в специальных гнездах головки блока цилиндров 4, на выходе впускных и входе выпускных каналов, связывающих камеры сгорания с впускными и выпускными коллекторами, при этом в стенках корпусов 2 в диаметрально противоположном направлении выполняют окна, одни из которых совпадают с впускными и выпускными каналами, выполненными в головке, а другие с расширяющимися каналами, ведущими в камеры сгорания, а в цилиндрических поворотных золотниках 1 выполняют канал, ось которого направлена по нормали к цилиндрической образующей, которым связывают полость камеры сгорания соответственно с впускным или выпускным каналом для впускного или выпускного закрывающего механизма, а на оси донной части цилиндрических поворотных золотников 1 выполняют короткий шип, который вводят в посадочное отверстие, выполненное в донной части корпуса 2, а по оси цилиндрических поворотных золотников, с наружной их части, выполняют длинный шип, например, со шлицевым окончанием, который через центральное отверстие в крышке корпуса 3 выводят в полости механизмов приводов, которые в виде отдельных корпусов 5 с крышками 6 прикрепляются по обе стороны головки 4 и посредством шлицев и болта 7 связывают с ведомым коническим зубчатым колесом 8 привода открывающего механизма, ведущие конические колеса 9 которых смонтированы на валах приводов 10, установленных на подшипниках в полостях приводов, выполненных в каждом из корпусов 5, а на выходных концах валов 10 устанавливают ведомые элементы привода ГРМ (зубчатое колесо, звездочка, шкив), при этом на краях цилиндрической образующей поворотных золотников 1 выполняют канавки под уплотнительные элементы 11, выполненные в виде набора из нескольких разрезных стальных колец, контактирующих с внутренней цилиндрической частью корпусов 2, а между торцами золотника 1 и донной частью корпуса 2 и его крышкой 3 в кольцевых посадочных канавках устанавливают радиально-упорные подшипники 12, а с внешней стороны шипа между приливом с выходным отверстием под шип в полости приводов и ведомым коническим зубчатым колесом 8 устанавливают аналогичный подшипник 13 и там же, в кольцевом углублении прилива, устанавливают сальник 14, рабочая кромка которого взаимодействует с цилиндрической образующей шипа.
Во втором варианте устройства для реализации процесса газообмена в ДВС используют поворотные золотники 1, выполненные в виде шара с аналогичными шипами, который устанавливают в корпусе, выполненном в виде двух цилиндров 2 и 3, с внутренних сторон которых выполняют полусферы, переходящие в отверстия под шипы.
Предложенные устройства для реализации процесса газообмена в ДВС работают следующим образом. При запуске двигателя крутящий момент от коленчатого вала посредством зубчатого, цепного или ременного привода передается на вал привода 10. Зубчатые конические колеса 9, находящиеся в зацеплении с ведомыми зубчатыми коническими колесами 8, приводят во вращение цилиндрические поворотные золотники 1 и каналы устройств, установленных во впускном тракте, на такте впуска совпадают с впускными окном корпуса 2, а следовательно, через впускной канал, выполненный в головке 4 блока цилиндров, с впускным коллектором. В этом случае происходит наполнение полости цилиндра топливовоздушной смесью или воздухом. При этом при прохождении топливовоздушной смеси или воздуха в камеру сгорания через канал в виде конуса снижается скорость воздушного потока и повышается его давление, чем достигают увеличение коэффициента наполнения цилиндров.
На такте сжатия при дальнейшем повороте элементов привода цилиндрический поворотный золотник 1 перекрывает впускной канал и обеспечивает надежное запирание рабочего тела в камере сгорания за счет контакта трения скольжения между цилиндрическими поверхностями поворотного золотника 1 и корпуса 2. При этом за счет контакта уплотнительных элементов 11 с внутренней поверхностью корпуса 2 исключается прорыв рабочего тела. Аналогичный эффект достигается в процессе горения рабочей смеси и такта расширения.
На такте выпуска отработавших газов происходит совмещение канала цилиндрического поворотного золотника 1 и каналы устройств, установленных в выпускном тракте, на такте выпуска совпадают с выпускными окном корпуса 2, а следовательно, через выпускной канал, выполненный в головке 4 блока цилиндров, с выпускным коллектором. В этом случае происходит очищение полости цилиндра от отработавших газов. Далее процесс повторяется.
При использовании в качестве приводов электродвигателей, гидроцилиндров или электромагнитов (гибкие приводы) при необходимости перехода на дискретный режим отбора мощности путем поочередного отключения цилиндров поворотные золотники 1 могут находиться в другом положении при перемещении поршня отключаемого цилиндра от нижней мертвой точки к верхней. Например, могут соединять полость отключаемого цилиндра с впускным или выпускным коллекторами и тем самым могут обеспечивать подпор давления во впускном коллекторе и увеличение начального давления впуска в активных цилиндрах или снизить концентрацию вредных веществ в выпускном коллекторе от выпуска активного цилиндра.
Эффект от использования изобретения состоит в том, что повышается эффективность двигателя за счет уменьшения нагрузки, затрачиваемой на преодоление усилия пружин закрывающего механизма, обеспечивается увеличение коэффициента наполняемости цилиндров за счет снижения величины сопротивления потоку топливовоздушной смеси или воздуха в сечении «седло-клапан», а также появляется возможность управления фазами газораспределения и величиной сечения каналов.
Надежность функционирования повышается за счет того, что изобретение обеспечивает гарантированную надежность запирания рабочего тела на тактах сжатия и расширения.
Кроме того, эффект от использования изобретения состоит в том, что оно может быть реализовано в двигателях внутреннего сгорания с дискретным изменением мощности за счет поочередного отключения части цилиндров.