RU2121587C1

RU2121587C1 - Compression ignition internal combustion engine

Info

Publication number: RU2121587C1
Application number: RU97113414A
Authority: RU
Inventors: С.А. Аникин; С.Н. Девянин; В.Н. Осауленко; Б.Е. Поликер; Е.Г. Пономарев
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Агродизель"
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 1998-11-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; axial - piston two-stroke internal combustion engines with compression ignition. SUBSTANCE: axial - piston diesel engine has housing with cylinders and oppositely moving pistons mechanically coupled with main shaft, combustion chambers and fuel feed devices driven by cam. Main shaft has splines, ring stop with spring and sleeve with flyweights. Fuel feed device drive cam is arranged on splines between spring and sleeve for engagement with the latter and axial translation displacement along shaft. Fuel feed devices are located in space of housing between cylinders and are made in form of unit-injectors driven from one cam by means of bell cranks installed on axles in housing. One arm of bell cranks is furnished with roller for engagement with cam, and the other is mated with unit-injector tappet. EFFECT: increased efficiency, simplified design of engine, provision of interchangeability of cylinders at increased service life of engine. 4 cl, 3 dwg

Description

Предполагаемое изобретение относится к области двигателестроения, в частности к аксиально-поршневым двухтактным двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, а также к приводам топливоподающей аппаратуры, соединенным с коренным валом двигателя посредством соединительных муфт, и может быть использовано на автомобилях и тракторах. The alleged invention relates to the field of engine engineering, in particular to axial-piston push-pull internal combustion engines with compression ignition, as well as to fuel-supplying equipment drives connected to the engine main shaft by means of couplings, and can be used on automobiles and tractors.

Уже известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащие корпус с параллельно расположенными по меньшей мере двумя цилиндрами и встречно движущимися в них поршнями, кинематически связанными с коренным валом, являющимся осью симметрии цилиндров. Камеры сгорания ограничены стенками цилиндров и днищами поршней. Топливные форсунки установлены в них посередине цилиндра, перпендикулярно его оси. Two-stroke compression ignition internal combustion engines are already known, comprising a housing with at least two cylinders parallel to each other and counter-moving pistons kinematically connected to the main shaft, which is the axis of symmetry of the cylinders. Combustion chambers are limited by cylinder walls and piston bottoms. Fuel nozzles are installed in them in the middle of the cylinder, perpendicular to its axis.

Привод топливных форсунок осуществлен от кулачков распределительного вала, который посредством редуктора связан с коренным валом /Заявка РСТ N W 86/06136, F 02 B 75/26, опубл. 1986./. The fuel injector is driven from the camshaft cams, which is connected via a gearbox to the main shaft / PCT Application N W 86/06136, F 02 B 75/26, publ. 1986./.

Указанный двигатель наиболее близок к предлагаемому решению как по существенным признакам, так и по техническому результату, и характеризуется эффективным рабочим процессом, однако привод топливной аппаратуры в нем громоздок и мало эффективен, потери мощности достаточно велики, а кроме того двигатель проблематичен в эксплуатации на тяжелонагруженной наземной технике. The specified engine is closest to the proposed solution both in terms of essential features and technical result, and is characterized by an efficient working process, however, the drive of the fuel equipment in it is cumbersome and inefficient, power losses are quite large, and in addition, the engine is problematic to operate on heavily loaded ground technique.

Задачей изобретения является увеличение механического КПД двигателя путем сокращения числа передаточных механизмов, упрощение конструкции двигателя путем обеспечения взаимозаменяемости цилиндров и повышение ресурса двигателя. The objective of the invention is to increase the mechanical efficiency of the engine by reducing the number of gears, simplifying the design of the engine by ensuring the interchangeability of the cylinders and increasing engine life.

Для достижения поставленной задачи в известном двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащем корпус с размещенными в нем по меньшей мере двумя цилиндрами и встречно движущимися в них поршнями, кинематически связанными с коренным валом, ось вращения которого параллельна оси симметрии цилиндров, камеры сгорания, ограниченные стенками цилиндра и днищами обоих поршней, и снабженные топливоподающими устройствами с распыливающими соплами и приводом от кулачка, согласно изобретению коренной вал снабжен шлицами, выполненными напротив места установки топливоподающих устройств, кольцевым буртом и пружиной, на него опирающейся, и муфтой с центробежными грузами, а кулачок привода топливопроводящих устройств размещен между пружиной и муфтой на шлицах коренного вала с возможностью осевого поступательного перемещения по нему путем взаимодействия с пружиной и муфтой, причем топливоподающие устройства размещены в пространстве корпуса между цилиндрами и выполнены в виде насосов-форсунок, привод которых осуществлен от одного кулачка посредством двуплечих коромысел, установленных на осях с возможностью поворота относительно последних. Одно плечо коромысел снабжено роликом для взаимодействия с кулачком, а другое примыкает к нагруженному пружиной толкателю насоса-форсунки. To achieve the task in a known internal combustion engine with compression ignition, comprising a housing with at least two cylinders placed therein and counter-moving pistons kinematically connected to the main shaft, the axis of rotation of which is parallel to the axis of symmetry of the cylinders, the combustion chamber is limited the cylinder walls and the bottoms of both pistons, and equipped with fuel supply devices with spray nozzles and a cam drive, according to the invention, the main shaft is provided with splines flax opposite the installation site of the fuel supply devices, an annular collar and a spring resting on it, and a clutch with centrifugal loads, and a cam of the fuel-conducting devices is placed between the spring and the clutch on the splines of the main shaft with the possibility of axial translational movement along it by interacting with the spring and clutch, moreover, the fuel supply devices are placed in the space of the housing between the cylinders and are made in the form of pump nozzles, the drive of which is carried out from one cam by means of a two-arm rocker arm mounted on the axles to turn relative to the latter. One shoulder of the rocker arm is equipped with a roller for interaction with the cam, and the other is adjacent to the spring-loaded pusher of the pump nozzle.

Шлицы на поверхности сопряжения кулачка и коренного вала могут быть выполнены косыми. The slots on the mating surface of the cam and the main shaft can be made oblique.

Место закрепления на наружной стенке цилиндра или на корпусе двигателя оси двуплечевого коромысла, а следовательно, и место установки насоса-форсунки выбирается из условия достижения взаимозаменяемости цилиндров. Так, для двухцилиндрового двигателя и угла между плечами коромысел, равного 90^o, такая компоновка достигается поворотом одного цилиндра с закрепленным на оси коромыслом на 180^o относительно оси коренного вала. Для трехцилиндрового двигателя с цилиндрами, равноудаленными от оси коренного вала, величина этого угла составляет 120^o, т.е. величина угла поворота цилиндра относительно оси вращения коренного вала выражена зависимостью

где n- число цилиндров двигателя.The place of fastening on the outer wall of the cylinder or on the engine housing of the axis of the two-arm rocker arm, and therefore the installation location of the pump nozzle, is selected from the condition of achieving interchangeability of the cylinders. So, for a two-cylinder engine and an angle between the shoulders of the rocker arm equal to 90 ^o , this arrangement is achieved by rotating one cylinder with a rocker arm 180 ^o fixed to the axis relative to the axis of the main shaft. For a three-cylinder engine with cylinders equidistant from the axis of the main shaft, the value of this angle is 120 ^o , i.e. the angle of rotation of the cylinder relative to the axis of rotation of the main shaft is expressed by the dependence

where n is the number of engine cylinders.

Для двухцилиндрового двигателя оси насосов-форсунок расположены параллельно между собой, а распыливающие сопла ориентированы в противоположные стороны, причем оси коромысел и приводимые каждым из них насос-форсунки размещены диаметрально противоположно по обе стороны плоскости, проходящей через оси цилиндров и коренного вала. For a two-cylinder engine, the axes of the nozzle pumps are parallel to each other, and the spray nozzles are oriented in opposite directions, with the rocker arms and the pump nozzles driven by each of them being diametrically opposed on both sides of the plane passing through the axes of the cylinders and the main shaft.

При неравномерном угловом расположении цилиндров относительно оси коренного вала последующий цилиндр относительно предыдущего повернут вокруг своей оси на угол, образованный лучами, исходящими от оси коренного вала к осям обоих цилиндров. With an uneven angular arrangement of the cylinders relative to the axis of the main shaft, the subsequent cylinder relative to the previous one is rotated around its axis by an angle formed by the rays emanating from the axis of the main shaft to the axes of both cylinders.

Ширина кулачка выбирается из условия постоянного контакта с роликами коромысел. Для достижения этого соотношение ширины кулачка и длины ролика выполнено равным по меньшей мере 1,5-10:1. The width of the cam is selected from the condition of constant contact with the rocker arms. To achieve this, the ratio of the width of the cam and the length of the roller is made equal to at least 1.5-10: 1.

Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с заявленной совокупностью признаков. The analysis of patent and scientific literature did not reveal compression-ignition internal combustion engines with the claimed combination of features.

Сущность изобретения поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 схематично показан: а) продольный разрез двигателя и б) его поперечное сечение по А-А. In FIG. 1 schematically shows: a) a longitudinal section of the engine and b) its cross-section along AA.

На фиг.2 показан узел двигателя, содержащий муфту и кулачок, взаимодействующий с роликом на коромысле. Figure 2 shows an engine assembly comprising a clutch and a cam cooperating with a roller on the beam.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия содержит корпус 1 с размещенными в нем, например, двумя рабочими цилиндрами 2 и встречно движущимися в них поршнями 3, механически через механизм преобразования 4 связаны с коренным валом 5. Каждый рабочий цилиндр 2 содержит продувочные 6 и выпускные 7 окна. Камера сгорания 8 двигателя ограничена днищами 9 обоих поршней 3 и стенками цилиндра 2. Коренной вал 5 двигателя расположен параллельно цилиндрам 2, а его ось 10 является осью симметрии обоих цилиндров 2. На коренном валу 5, посередине его установлен кулачок 11 с возможностью его осевого перемещения по валу 5, для чего на поверхности сопряжения кулачка 11 и коренного вала 5 предусмотрены шлицы 12, возможно косые. Шлицы 12 выполнены напротив места установки насосов-форсунок 13, привод которых осуществляют от одного кулачка 11 посредством роликов 14 и двуплечих коромысел 15, ось 16 качания которых закреплена на наружной поверхности последующего, а для двухцилиндрового двигателя противолежащего цилиндра 2. Возможно крепление оси 16 и на корпусе 1. Оба насоса-форсунки и привод их размещены в пространстве корпуса 1 между цилиндрами 2. Распыливающее сопло 17 насосов-форсунок 13 ориентировано в камеру сгорания 8 посередине рабочего цилиндра 2. Ось 18 насосов-форсунок 13 пересекает ось 19 цилиндра 2 под углом 90^o, а с плоскостью, проходящей через ось 10 вращения коренного вала 5 и оси 19 цилиндров 2 составляет угол, например, равный 45^o. Ролик 14 размещен на плече 20 коромысла 15, другое плечо 21 коромысла 15 примыкает к толкателю 22 насосов-форсунок. Оси 18 насосов-форсунок 13 обоих цилиндров 2 в двухцилиндровом двигателе параллельны между собой, а их сопла 17 ориентированы в противоположные стороны.A compression-ignition two-stroke internal combustion engine comprises a housing 1 with, for example, two working cylinders 2 and pistons 3 counter-moving in them, mechanically connected via a conversion mechanism 4 to the main shaft 5. Each working cylinder 2 contains a purge 6 and an exhaust 7 windows. The combustion chamber 8 of the engine is limited by the bottoms 9 of both pistons 3 and the walls of the cylinder 2. The main shaft 5 of the engine is parallel to the cylinders 2, and its axis 10 is the axis of symmetry of both cylinders 2. On the main shaft 5, in the middle of it, a cam 11 is mounted with axial movement on the shaft 5, for which purpose, slots 12, possibly oblique, are provided on the mating surface of the cam 11 and the main shaft 5. Slots 12 are made opposite the installation site of the pump nozzles 13, the drive of which is carried out from one cam 11 by means of rollers 14 and two-arm rockers 15, the swing axis 16 of which is fixed on the outer surface of the subsequent cylinder, and for the two-cylinder engine, the axis 16 can be mounted on case 1. Both pump nozzles and their drive are located in the space of the housing 1 between the cylinders 2. The spray nozzle 17 of the pump nozzles 13 is oriented into the combustion chamber 8 in the middle of the working cylinder 2. The axis 18 of the nozzle pumps to 13 intersects the axis 19 of the cylinder 2 at an angle of 90 ^o , and with a plane passing through the axis of rotation 10 of the main shaft 5 and the axis 19 of the cylinders 2 is an angle, for example, equal to 45 ^o . The roller 14 is placed on the arm 20 of the rocker arm 15, the other arm 21 of the rocker arm 15 is adjacent to the plunger 22 of the nozzle pumps. The axis 18 of the pump nozzles 13 of both cylinders 2 in a two-cylinder engine are parallel to each other, and their nozzles 17 are oriented in opposite directions.

Коренной вал 5 снабжен кольцевым буртом 23, пружиной 24, на него опирающейся, и муфтой 25 изменения опережения впрыска топлива, соединенной с центробежным чувствительным элементом - подпружиненными грузиками 26. Кулачок 11 расположен на валу 5 между пружиной 24 и муфтой 25. Пружина 24, и ширина кулачка 11 и длина ролика 14 привода насоса-форсунки подобраны таким образом, чтобы кулачок 11 и ролик 14 при любых нагрузках двигателя оставались во взаимодействии. The main shaft 5 is provided with an annular collar 23, a spring 24 resting on it, and a fuel injection advance change clutch 25 connected to a centrifugal sensing element - spring loaded weights 26. A cam 11 is located on the shaft 5 between the spring 24 and the clutch 25. The spring 24, and the width of the cam 11 and the length of the roller 14 of the drive of the pump-nozzle are selected so that the cam 11 and the roller 14 in interaction with any engine loads.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

При вращении коренного вала 5 в одном цилиндре 2 поршни 3 сходятся, двигаясь к ВМТ. Происходит процесс сжатия воздушного заряда, поступившего через продувочные окна 6. Кулачок 11 набегает на ролик 14 и через коромысло 15 действует на насос-форсунку 13, который подает топливо в камеру сгорания 8 двигателя. Топливо, поданное в камеру сгорания, воспламеняется, поршни 3 проходят ВМТ и начинают расходиться. Происходит процесс сгорания и расширения, при котором горячие газы действуют на поршень 3, усилие от которых передается на механизм преобразования 4, преобразуясь в крутящий момент коренного вала 5. В конце такта расширения один из поршней 3 открывает выпускные окна 7, через которые поступает свежий воздушный заряд в цилиндр 2. После того, как поршни 3 дойдут до ВМТ, начинается следующее сближение поршней 3, при котором происходит вначале перекрытие выпускных 7 и продувочных окон 6, а затем начинается процесс сжатия воздушного заряда. В дальнейшем таким же образом цикл в данном цилиндре повторяется. When the main shaft 5 is rotated in one cylinder 2, the pistons 3 converge, moving towards the TDC. There is a process of compression of the air charge received through the purge windows 6. The cam 11 runs on the roller 14 and through the rocker 15 acts on the pump nozzle 13, which delivers fuel to the combustion chamber 8 of the engine. The fuel supplied to the combustion chamber ignites, the pistons 3 pass through the upper dead center and begin to diverge. The combustion and expansion process takes place, in which hot gases act on the piston 3, the force from which is transmitted to the conversion mechanism 4, being converted to the torque of the main shaft 5. At the end of the expansion stroke, one of the pistons 3 opens the outlet windows 7 through which fresh air flows charge into cylinder 2. After the pistons 3 reach TDC, the next approach of the pistons 3 begins, at which the outlet 7 and the purge windows 6 first overlap, and then the air charge compression process begins. Subsequently, in the same way, the cycle in this cylinder is repeated.

В других цилиндрах двигателя в той же последовательности происходят такие же процессы, но со смещением по углу поворота коренного вала 5 на то значение угла, на котором находится ось 19 следующего цилиндра от рассматриваемого относительно оси 10 коренного вала в направлении вращения. In other engine cylinders, the same processes occur in the same sequence, but with a shift in the angle of rotation of the main shaft 5 by the value of the angle at which the axis 19 of the next cylinder from the main shaft considered relative to the axis 10 in the direction of rotation is located.

При увеличении частоты вращения коренного вала под действием центробежных сил грузики 26 начинают расходиться и двигать через муфту 25 кулачок 11, преодолевая усилие пружины 24 при ее сжатии. Кулачок 11 имеет такую ширину и такое соотношение размеров ширины кулачка и длины ролика 14, что при своем движении по шлицам 12 вдоль коренного вала 5 постоянно находится в контакте с роликами коромысла 15. With an increase in the rotational speed of the main shaft under the action of centrifugal forces, the weights 26 begin to diverge and move the cam 11 through the clutch 25, overcoming the force of the spring 24 when it is compressed. The cam 11 has such a width and a ratio of the width of the cam to the length of the roller 14 so that when it moves along the slots 12 along the main shaft 5 it is constantly in contact with the rollers of the rocker arm 15.

При уменьшении частоты вращения усилие пружины 24 становится больше центробежных сил грузиков 26 и кулачок 11 движется в обратном направлении вдоль коренного вала 5. With a decrease in the rotational speed, the force of the spring 24 becomes greater than the centrifugal forces of the weights 26 and the cam 11 moves in the opposite direction along the main shaft 5.

Если шлицы 12 на коренном валу 5 выполнены не вдоль оси, а под углом /косыми/, то при своем движении вдоль оси кулачок 11 также поворачивается относительно вала 5 и тем самым изменяет момент набегания ролика 14 на кулачок 11 и, следовательно, момент подачи топлива в каждый цилиндр 2 в зависимости от частоты вращения вала 5. If the slots 12 on the main shaft 5 are made not along the axis, but at an angle / oblique /, then during its movement along the axis the cam 11 also rotates relative to the shaft 5 and thereby changes the moment of rolling of the roller 14 on the cam 11 and, therefore, the moment of fuel supply in each cylinder 2, depending on the frequency of rotation of the shaft 5.

Если профиль кулачка 11 по длине оси 10 вала 5 переменный, то при своем движении вдоль оси 10 кулачок 11 работает с роликом 14 по другому закону и тем самым изменяет характер и величину подачи топлива в каждый цилиндр 2 в зависимости от частоты вращения вала. Так как все насосы-форсунки 13 приводятся от одного кулачка, то характер изменений для них идентичен. If the profile of the cam 11 along the length of the axis 10 of the shaft 5 is variable, then when it moves along the axis 10, the cam 11 operates with the roller 14 according to a different law and thereby changes the nature and amount of fuel supply to each cylinder 2 depending on the speed of the shaft. Since all nozzle pumps 13 are driven from a single cam, the nature of the changes is identical for them.

Изменение угла поворота кулачка 11 и его профиля от частоты вращения вала выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемые характеристики двигателя. The change in the angle of rotation of the cam 11 and its profile from the rotational speed of the shaft is selected in such a way as to provide the required engine characteristics.

В предложении конкретизирована величина угла поворота цилиндра с установленными насосами-форсунками и их приводом относительно своей оси этот угол образован двумя прямыми, исходящими из оси 10 коренного вала 5 до пересечения с осями обоих цилиндров. The proposal specifies the value of the angle of rotation of the cylinder with installed pump nozzles and their drive relative to its axis, this angle is formed by two straight lines emanating from the axis 10 of the main shaft 5 to the intersection with the axes of both cylinders.

Заявляемая совокупность признаков представляет собой оптимальное техническое решение компактного эффективного взаимодействия приводных и топливоподающих устройств для аксиально-поршневых двухтактных двигателей. По сравнению с прототипом в предложении отсутствует топливный насос высокого давления, длинные топливопроводы, снижающие давление впрыска, отсутствует редуктор, связывающий коренной вал с распределителем. Вместе с тем установка кулачка на коренном валу позволяет совместить функцию коренного и распределительного валов, т. е. снизить число передаточных механизмов и повысить КПД двигателя. The claimed combination of features is an optimal technical solution for compact efficient interaction of drive and fuel supply devices for axial piston two-stroke engines. Compared with the prototype, the proposal does not have a high-pressure fuel pump, long fuel lines that reduce injection pressure, there is no gearbox connecting the main shaft to the distributor. At the same time, installing the cam on the main shaft allows you to combine the function of the main and camshafts, i.e., reduce the number of gears and increase engine efficiency.

Осевое перемещение кулачка относительно ролика позволяет увеличить рабочую поверхность кулачка, а следовательно, увеличить ресурс двигателя. The axial movement of the cam relative to the roller allows you to increase the working surface of the cam, and therefore increase the engine resource.

Установка кулачка на косых шлицах и при осевом его перемещении возможность поворота относительно коренного вала реализует функции муфты опережения впрыска топлива, при одновременном использовании кулачка для привода насосов-форсунок. Installing the cam on slanting slots and when axially moving it, the ability to rotate relative to the main shaft realizes the functions of the fuel injection advance clutch, while using the cam to drive nozzle pumps.

Использование грузиков, установленных на коренном валу для привода кулачка, позволяет исключить промежуточные шестрени и обеспечить автоматическое перемещение кулачка при изменении частоты вращения вала. The use of weights mounted on the main shaft to drive the cam eliminates the intermediate gears and allows the cam to automatically move when the shaft speed changes.

Таким образом, в предлагаемом решении достигается:
- компактная компоновка, позволяющая снизить габариты и массу двигателя,
- взаимозаменяемость цилиндров, снабженных насосами-форсунками и их приводом,
- сокращение длины трубопроводов подвода топлива и идентичность работы всех насосов-форсунок при высоком давлении впрыска, приводящие к улучшению характеристик двигателя, в том числе экологических и экономических.Thus, in the proposed solution is achieved:
- compact layout, allowing to reduce the size and weight of the engine,
- interchangeability of cylinders equipped with pump nozzles and their drive,
- reducing the length of the fuel supply pipelines and the identity of the operation of all pump nozzles at high injection pressures, leading to improved engine performance, including environmental and economic ones.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, особенно целесообразно его использовать на тяжелых тракторах и автомобилях. The proposed technical solution is industrially applicable, it is especially advisable to use it on heavy tractors and cars.

Claims

1. An internal combustion engine with compression ignition, comprising a housing with at least two cylinders placed therein and counter-moving pistons kinematically connected to the main shaft, the axis of rotation of which is parallel to the axes of the cylinders, combustion chambers bounded by the cylinder walls and the bottoms of both pistons and equipped with fuel supply devices with spray nozzles, characterized in that the main shaft is provided with splines, an annular collar with a spring resting on it, and a clutch with weights, and a cam the drive of the fuel supply devices is placed on the slots between the spring and the clutch with the possibility of interaction with them and axial translational movement along the shaft, and the fuel supply devices are placed in the space of the housing between the cylinders and are made in the form of pump nozzles, the drive of which is carried out from one cam by means of axes of two-arm rockers, one shoulder of which is equipped with a roller for interaction with the cam, and the other is associated with a pusher of the pump nozzle.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the slots on the mating surface of the cam and the main shaft are made oblique.

3. The engine according to claims 1 to 3, characterized in that the ratio of the width of the cam and the length of the roller is at least 1.5 to 10: 1.

4. The engine according to claims 1 to 3, characterized in that when assembling the cylinders with installed pump nozzles and their drive, the angle of rotation around its axis of each subsequent cylinder relative to the previous one is taken equal to the angle formed by the intersection of the lines connecting the axis of the main shaft with the axes both cylinders.