CZ289670B6 - Spalovací motor s vnitřním spalováním s vratným pohybem pístu a s proměnným kompresním poměrem - Google Patents

Abstract

Kompresn pom r je variabiln t m, e je p°estaviteln² zdvih p stu, proto e ojnice (9) je na stran klikov ho h° dele ulo ena na v²st°edn m klikov m epu (1). V²st°edn² klikov² ep (1) je za chodu motoru ° dic mi prost°edky p°estaviteln² okolo sv osy (2) ot en . dic prost°edky zahrnuj ozuben kolo (3), kter je soust°edn oto n a pevn spojeno s osou ot en (2) v²st°edn ho klikov ho epu (1). Toto ozuben kolo (3) p sob v ozuben m kole (4) s vnit°n m ozuben m v t ho pr m ru, v jeho vnit°ku se odvaluje. Ozuben kolo (4) je ulo eno soust°edn okolo osy (8) kliky klikov ho h° dele (14) a jeho poloha nato en je p°estaviteln . Ozuben kolo (3) s vn j m ozuben m vykon p°i sv m odvalov n v ozuben m kole (4) s vnit°n m ozuben m b hem jednoho ob hu p°esn jednu ot ku.\

Description

Oblast techniky

Tento vynález se týká spalovacího motoru s vnitřním spalováním s vratným pohybem pístu a s proměnným kompresním poměrem, u něhož je zdvih pístu nastavitelný, protože ojnice je na straně klikového hřídele uložena na výstředném klikovém čepu, přičemž tento výstředný klikový čep je za chodu motoru řídicími prostředky přestavitelný okolo své osy otáčení.

Dosavadní stav techniky

U dnes používaných spalovacích motorů naprosto převažují motory typu pístového motoru. U kompresního poměru takového pístového motoru jde o poměr mezi volným spalovacím prostorem při horní úvrati pístu a celkovým objemem válce při spodní úvrati pístu. Spalovací procesy v takových pístových motorech nebo zcela všeobecně ve spalovacích motorech jsou velmi komplexní a jsou ovlivňovány mnoha parametry. To platí stejně pro benzinové jako pro Dieselový motory nebo i pro takové, které jsou poháněny ještě jinými pohonnými látkami. Optimální spalování pohonné látky, a tím i nejvyšší účinnost spalovacího motoru, je ovládána množstvím nasávaného nebo přiváděného vzduchu, jeho teplotou, vlhkostí a kompresí, druhem a kvalitou vstřikované pohonné látky, jakož i způsobem jejího míšení se vzduchem a zapalování směsí. Svou úlohu hraje též homogennost promíšení pohonné látky se vzduchem stejně jako přesný okamžik a způsob jejího zážehu během pohybu pístu. Rovněž průběh tlaku během spalování hraje podstatnou úlohu, stejně jako časový průběh spalování samého. Běží-li motor pod vysokou zátěží, jsou spalovací tlaky vyšší nežli při volnoběhu. Běží-li motor rychle, je pro spalování k dispozici podstatně méně času nežli při nízkých otáčkách. K těmto na provozních stavech motoru závislým proměnným veličinám přistupují vnější klimatické podmínky, které ovlivňují chod motoru a účinnost spalování. Není tedy lhostejné, zda motor je provozován v nulové nadmořské výšce nebo ve vysokých polohách, v nichž je tlak vzduchu nízký. Venkovní teplota a na počasí závislá vlhkost vzduchu rovněž hrají jistou úlohu.

V posledních letech bylo v optimalizaci spalovacích procesů v motorech dosaženo významných úspěchů umožněných v podstatě na jedné straně stále většími možnostmi mikroprocesorových řízení, která jsou k dispozici, jednak pokrokem v technice materiálů. Tak je dnes u mnoha motorů příprava směsi řízena mikroprocesorem. Měří se například množství nasávaného vzduchu, jeho teplota a vlhkost a pro každý jednotlivý vstřik pohonné látky se podle těchto parametrů vždy znovu vypočte a optimalizuje množství pohonné látky, které má být vstříknuto. Mikropočítač mimoto též pokaždé znovu vypočte bod zážehu a délku doby vstřiku, přičemž přihlédne též k otáčkám motoru. Zdokonalené materiály umožňují též vstup čtyřventilové techniky do motorů pro běžnou potřebu, kdežto dříve byla tato nákladná technika vyhrazena motorům o velkém výkonu. Zlepšené pohonné látky, zejména zlepšené druhy benzinu a lepší materiály umožňují vyšší spalovací teploty a tlaky a vyvolaly tudíž tendenci k vyššímu kompresnímu poměru u moderních motorů oproti dřívější době. Rovněž komprese hraje pro spalování pohonné směsi, a tím i pro koeficient účinnosti motoru, rozhodující úlohu. Čím vyšší je kompresní poměr, tím lepší je v zásadě účinnost spalování. Horní hranice komprese je dána antidetonační stálostí, neboť při příliš vysoké kompresi se pohonná směs samočinně zapaluje, čímž dochází v nesprávném okamžiku k nekontrolovanému spalování. Motor pak klepe a poškozuje se.

Všechny výše uvedené parametry působí ve složité souhře. Motor vozidla je v provozu s neustále se měnícími otáčkami a s rozdílnými zátěžemi. K tomu přistupují rozdílné vnější podmínky, totiž kolísání hodnot teploty, tlaku a vlhkosti vzduchu. Běžný motor s konstantním kompresním poměrem proto nemůže nikdy běžet ideálně nebo optimálně. Nanejvýš v jednotlivém pracovním bodu

-1 CZ 289670 B6 lze do jisté míry optimalizovat spalování, které v něm probíhá. Variabilní kompresí lze spalovací procesy v celém rozsahu režimu motoru dále optimalizovat.

Předkládaný vynález vychází z poznatku, že při optimalizaci spalovacích procesů sice může být komprese optimalizována na konstantní hodnotu, že však její variabilní přizpůsobování provozním poměrům bylo při optimalizování ponecháno stranou. Zvolený pevný kompresní poměr tvoří při dnešní technice motorů vždy jemně zvolený kompromis pro celou škálu provozních stavů motoru. Čím vyšší je komprese, tím vyšší je hustota výkonu neboli měrný výkon motoru, avšak tím problematičtější je antidetonační stálost a tedy i životnost motoru.

V minulosti se vyskytla řada návrhů pro realizaci variabilní komprese spalovacího motoru. Tak například se klikový hřídel nadzvedne vůči válci nebo se pracuje s válci proměnlivé délky. Ve známost vešel též systém, u něhož lze měnit délku pístu. V německém odborném časopisu Automobil-Industrie 4/85 je referováno o pokusu firmy Volkswagen, při němž byl vůz VW Golf se vstřikovacím motorem o objemu 1,6 litru vybaven variabilní kompresí. To bylo realizováno vedlejší komorou uspořádanou v hlavě válce. Objem této vedlejší komory, a tím i kompresní poměr, byl měněn pomocí pístu uloženého v této vedlejší komoře, takže bylo možné elektromechanicky měnit kompresní poměr v závislosti na zatížení motoru mezi e = 9,5 ae=15,5.

V oblasti dílčího zatížení (městský cyklus ECE) byla naměřena úspora pohonných látek až do 12,7 % vůči optimalizovanému motoru ze sériové výroby. V trojkombinovaném provozu činila úspora stále ještě 9,6 %. Ve variabilní kompresi je tedy potenciál značných úspor pohonné látky. Konstrukční náklady variabilní komprese však dosud byly příliš velké pro zavedení do sériové výroby. Nevýhodou výše uvedeného řešení s vedlejší komorou je též to, že při nízké kompresi již spalovací prostor není kompaktní, což má nepříznivý vliv na spalovací procesy a na spaliny. Další návrh na realizaci variabilní komprese pochází od Louise Damblanca z Paříže podle říšského patentu čís. 488.059 z 5. prosince 1929: Na klikovém čepu nasazené výstředné ložiskové pouzdro ojnice je diferenciálním ústrojím přestavitelné od klikového hřídele. Toto diferenciální ústrojí obsahuje hřídel uložený soustředně s klikovým hřídelem uvnitř klikového hřídele. Klikový hřídel pohání kolo s vnitřním ozubením, jímž jsou opět poháněna tři uvnitř umístěná satelitní ozubená kola rozmístěná po jeho obvodu na čepech na kotouči působícím jako ozubený sektor, která všechna jsou v záběru se středovým ozubeným kolem, které je nasazeno na uvedeném, vnitřkem klikového hřídele probíhajícím hřídeli. Ozubený sektor je přestavitelný dalším ozubeným kolem působícím na jeho obvodu. Toto diferenciální ústrojí je nákladné, především kvůli nutnosti umístit hřídel uvnitř klikového hřídele. Tato konstrukce pro úpravu kompresního poměru se v žádném případě nedočkala rozšíření.

Další zařízení pro změnu komprese běžícího motoru je navrženo v DE, C, 379'257 (ROHRBACH) ze dne 17. ledna 1922. Toto zařízení obsahuje výstředný klikový čep, který je možno nastavovat kolem osy jeho otáčení. Tento klikový čep je propojen s kolem s vnějším ozubením, které se odvaluje uvnitř ozubeného kola s vnitřním ozubením o větším průměru. Vždy, když se kliková hřídel otočí o 360°, tento výstředný klikový čep by absolvoval několik otáček a způsobil by nerovnoměrný pohyb pístu. Aby se zabránilo takovémuto nerovnoměrnému pohybu, je otáčení vnitřního ozubeného kola o větším průměru řízeno speciálním pohonem. Nutnost otáčení zmíněného ozubeného kola s vnitřním ozubením o větším průměru má za důsledek komplikovanou konstrukci zvláštního řízení a pohonu tohoto ozubeného kola. Dále pak není možno aplikovat tento jednodílný výstředník na moderní klikové hřídeli, která bývá odlévána jako monolitický celek.

Patentové spisy FR, A 1’031*314 (BERNARD) ze dne 22. srpna 1952 aFR, A 861,611 (BERNARD), 21. února 1941 popisují podobné konstrukce s výstředným klikovým čepem, který je nastavitelný kolem osy svého otáčení. Tento klikový čep je propojen s kolem s vnějším ozubením, jež se odvaluje uvnitř ozubeného kola s vnitřním ozubením o větším průměru. U takovýchto konstrukcí je zjevně nutné, aby se ozubené kolo s vnitřním ozubením o větším průměru otáčelo s otáčením klikového hřídele, dokud nedojde ke změně nastavení komprese. V tomto

-2CZ 289670 B6 případě je opět speciální pohon zmíněného ozubeného kola s vnitřním ozubením komplikovaný. A navíc není možno aplikovat tento jednodílný výstředník na moderní klikové hřídeli, která bývá odlévána jako monolitický celek.

FR, A 2'03 Γ014 (BONETTO) ze dne 13. listopadu 1970 popisuje výstředný klikový čep pro proměnu komprese. Čelní kolo výstředného čepu se otáčí v dutém kole, které je stacionárně upevněno k bloku motoru a nastavuje se pro pevný kompresní poměr. Připevněním dutého kola do různých stacionárních poloh může být při vypnutém motoru kompresní poměr sice měněn, avšak zůstane již stále ve stejném nastavení. Průběžná změna komprese na běžícím motoru zde není možná.

FR, A 0*184'042 8 (POLITECHNIKA WARSZAWSKA) ze dne 11. června 1986 popisuje jiný výstředný klikový čep pro změnu komprese. Nebylo zde ale myšleno na to, aby se klikový čep otáčel přesně jednou za jednu otáčku klikového hřídele, což by způsobilo, že by spodní konec ojnice, která je uložena na výstředném klikovém čepu, opisoval dráhu elipsy.

Vynález si proto klade za úkol vytvořit spalovací motor, který vykazuje kompresní poměr variabilní pomocí výstředného klikového čepu, takže kompresní poměr, přizpůsobený aktuálnímu provoznímu stavu motoru, je optimalizovatelný v celé škále jeho režimu a přispívá tak k celkovému zvyšování účinnosti motoru a k jeho klidnému chodu.

Podstata vynálezu

Tento úkol je řešen spalovacím motorem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že výstředný klikový čep je tvořen nejméně dvěma jednodílnými pouzdry, která jsou uspořádána okolo hřídele ramena kliky klikového hřídele, přičemž jej obepínají, a že každé z těchto pouzder má jeden ozubený segment, kteréžto ozubené segmenty rovněž obepínají hřídel ramena kliky klikového hřídele, přičemž těmito segmenty tvořené ozubené kolo s vnějším ozubením je uloženo uvnitř ozubeného kola o větším průměru s vnitřním ozubením, které je uloženo soustředně okolo osy kliky klikového hřídele a jehož poloha natočení je nastavitelná, a přičemž vnější obvod ozubeného kola s vnějším ozubením má poloviční délku vzhledem k délce vnitřního obvodu ozubeného kola s vnitřním ozubením.

Přitom je výhodné, když ozubené kolo s vnitřním ozubením je na své ploché vnější straně soustředně spojeno s čelním kolem, které je v záběru s řídicím ozubeným kolem.

Podle jiné varianty provedení je výhodné, když ozubené kolo s vnitřním ozubením má na svém vnějším obvodu ozubení, které je v přímém záběru s řídicím ozubeným kolem.

Pro zajištění svého natáčení je řídicí ozubené kolo je spřaženo se samostatným servomotorem, sloužícím kjeho natáčení, a tím k měnění kompresního poměru motoru změnou délky kliky, přičemž servomotor je spřažen s mikroprocesorem obsahujícím prostředky pro elektronické zpracování alespoň jednoho zjištěného provozního parametru motoru.

Servomotorem přitom s výhodou je elektrický krokový motor, s nímž je přes pastorek v záběru řídicí ozubené kolo, neboje servomotorem elektrický krokový motor, s nímž je pomocí ozubeného řemene spřaženo řídicí ozubené kolo nebo jeho hnací osa.

K zajištění ovládání je servomotor spřažen s mikroprocesorem, který je opatřen vstupy k přijímání jednoho nebo několika signálů odpovídajících zátěži motoru zjišťované v hnacím ústrojí, zjišťovaným otáčkám motoru, zjišťovanému množství nasávaného nebo vháněného vzduchu, a též signálu od senzoru klepání motoru, a obsahuje prostředky pro zpracování zmíněných signálů do řídicího signálu pro servomotor.

-3 CZ 289670 B6

V případě motoru s několika válci jsou řídicí ozubená kola pro jednotlivé válce s výhodou uspořádána pevně na společném stranovém hřídeli.

Řídicí ozubené kolo má s výhodou poloměr nejméně dvakrát větší nežli čelní kolo.

Pro nucené sdílení pohybu klikového hřídele je ozubené kolo s vnitřním ozubením soustředně s osou kliky volně otočně uloženo na klikovém hřídeli, přičemž však jeho vzájemná poloha natočení vůči klikovému hřídeli je přestavitelná, a to tak, že účinná délka ramena kliky na celou 10 otáčku kliky je vždy stejná.

Přehled obrázků na výkresech

Spalovací motor podle vynálezu je jako příklad provedení vynálezu znázorněn na vyobrazeních a bude v dalším popisu popsán podrobně, přičemž bude vysvětlena funkce tohoto provedení vynálezu podle jednotlivých výkresů, kde značí obr. 1 schéma principu pístového motoru s mechanickou regulací kompresního poměru, přičemž píst s nastavením maximálního kompresního poměru je právě v horní úvrati, obr. 2 dvoudílný dílec tvořící ozubené kolo a výstředník, 20 obr. 3 dvoudílný dílec v perspektivním pohledu, obr. 4 schéma principu s nastavením maximálního kompresního poměru, přičemž píst je právě uprostřed mezi homí a spodní úvrati, obr. 5 schéma principu s nastavením maximálního kompresního poměru, přičemž píst je právě ve spodní úvrati, obr. 6 schéma principu s nastavením minimálního kompresního poměru, přičemž píst je právě v homí úvrati, obr. 7 schéma principu s nastavením minimálního kompresního 25 poměru, přičemž píst je právě uprostřed mezi homí a spodní úvrati, obr. 8 schéma principu s nastavením minimálního kompresního poměru, přičemž píst je právě ve spodní úvrati, obr. 9 eliptické pohybové křivky, které opisuje střed výstředně uspořádaného klikového čepu při různých nastaveních kompresního poměru, obr. 10 bokorysný pohled na konstrukci pro přestavování kompresního poměru.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn spalovací motor na základě schématu principu, zde na příkladu jednotli35 vého válce. Celý princip lze bez dalšího realizovat na víceválcových motorech nezávisle na tom, zda válce jsou uspořádány v řadě, do V nebo navzájem protiběžně. Je zde znázorněn válec 10 se sacím ventilem 11 a výfukovým ventilem 12 na hlavě válce, dále ve válci 10 uložený píst 7, který je ojnicí 9 spojen s klikovým hřídelem 14. Vztahovou číslicí 8 je označena pevná osa klikového hřídele 14. Na klikovém hřídeli 14 je setrvačná hmota 13. která je pevně spojena s klikovým 40 hřídelem 14 a tvoří vyvažovači hmotu vůči hmotě kliky. Klika 25 sama obsahuje zcela speciální výstředný klikový čep 1. U tradičního (běžného) motoru probíhá klikový čep kolmo k rovině otáčení ramena kliky a opisuje při běžícím motoru soustřednou kružnici. Má tedy definovanou a proto stále neměnnou vzdálenost od osy 8 klikového hřídele, to je od osy 8, která pohání kliku. Naproti tomu výstředný klikový Čep 1 podle vynálezu je vůči obvyklé ose 2 klikového čepu 45 vytvořen jako výstředník. Tento výstředník se může otáčet okolo obvyklé osy 2 klikového čepu.

Ke klikovému hřídeli přivrácený konec ojnice 9 obepíná tento výstředný klikový čep 1 ojničním ložiskem, takže výstředný klikový čep 1 je v ojničním ložisku otočný. Konstrukčně je uspořádání tohoto výstředníku ve znázorněném příkladu řešeno tak, že výstředný klikový čep J je tvořen dvěma pouzdry 26, 27 uspořádanými okolo hřídele 15 ramena kliky klikového hřídele 14 tak, že 50 jej obepínají a tak vytvářejí výstředný klikový čep 1. Každé z těchto pouzder 26. 27 je spojeno vždy s jedním z ozubených segmentů 28. 29. kteréžto segmenty 28, 29 rovněž obepínají hřídel 15 ramena kliky klikového hřídele 14. Těmito segmenty 28, 9 tvořené ozubené kolo 3 s vnějším ozubením obíhá v ozubeném kole 4 s vnitřním ozubením o větším průměru, které je soustředně s osou 8 kliky volně otočně uloženo na klikovém hřídeli 14 a jehož poloha natočení je nastavi

-4CZ 289670 B6 telná. Je-li ozubené kolo 4 s vnitřním ozubením stacionární, provádí v jeho dutině uložené ozubené kolo 3 s vnějším ozubením při odvalování během jednoho oběhu přesně jednu otáčku okolo sebe samého.

Na obr. 2 je tento dílec tvořící ozubené kolo 3 s vnějším ozubením a výstředný klikový čep 1, znázorněn v úseku a) v nárysu a v úseku b) v půdorysu spodní části. Ozubené kolo 3 je kruhové, avšak uprostřed je rozříznuto na dva segmenty 28, 29, které nesou na své čelní straně pouzdra 26, 27, které společně vytvářejí výstředný klikový čep 1 vůči ose otáčení ozubeného kola 3. Obě tyto části dílce jsou spojeny okolo osy hřídele kliky, tedy okolo běžného klikového čepu klikového hřídele a ojnice je vytvořena okolo nyní vytvořeného výstředného klikového čepu L Spodní ojniční ložisko přidržuje oba díly zalícovaně k sobě.

Obr. 2b) znázorňuje spodní část dílce v půdorysu přičemž rovina plochy řezu je vyšrafována. Dílec je zhotoven z vhodně zakalené slitiny oceli, jak je to pro namáhaná ozubená kola obvyklé. Jeho vnitřní plocha je potažena povlakem z bílého ložiskového kovu a je zakalena a zbroušena, aby se zabránilo odírání. Tato vnitřní strana totiž běží na hřídeli 15 kliky, který sestává z ocelové litiny. Vnější strana dílce, to je vnější strana pouzder 26, 27 je potažena tvrdochromem. Tyto vnější strany pouzder 26, 27 jsou totiž obepnuty ojničním ložiskem. Ojnice jsou zpravidla z hliníku a v takovém případě je tvrdochromový povlak vnějších stran pouzder 26, 27 postačující k zamezení otěru.

Na obr. 3 je uvedený dvoudílný dílec znázorněn ještě v perspektivním pohledu. Je vidět obě pouzdra 26, 72 i oba ozubené segmenty 28, 29. Společně tvoří tyto segmenty ozubené kolo 3 s vnějším ozubením, a pouzdra 26, 27 tvoří společně výstředný klikový čep 1, který je výstředný vůči ose ozubeného kola 3. Otáčí-li se tedy toto ozubené kolo 3, otáčí se rovněž výstředný klikový čep 1 okolo osy ozubeného kola. Přitom se spodnímu ojničnímu ložisku obepínajícímu výstředný klikový čep 1 udílí vratný pohyb v závislosti na poloze výstředného klikového čepu 1. To místo na výstředném klikovém čepu 1, které má vůči jeho ose otáčení největší poloměr, je označeno číslicí 16 a tvoří svým způsobem vrchol výstředníku. V alternativním provedení by tento dílec mohl být vytvořen namísto ze dvou též z více částí, například ze tří segmentů po 120°.

Na obr. 1 je tento vrchol 16 výstředníku orientován vzhůru. Píst 7 proto v této poloze zaujímá nejvyšší možnou polohu atomu úměrně malý je objem spalovacího prostoru. Při této poloze výstředného klikového čepu 1 je komprese nejvyšší. Ozubené kolo 3 je vytvořeno jako kolo s vnějším ozubením, a svým ozubeným obvodem se otáčí v dutém ozubeném kole 4 s vnitřním ozubením. Toto ozubené kolo 4 sestává z kotouče 17 uloženého otočně okolo klikového hřídele 14. Na vnějším okraji kotouče 17 se nachází výstupek 18 opatřený na vnitřní straně vnitřním ozubením 19. Ozubené kolo 3 běží proto podél vnitřního okraje tohoto výstupku 18 po vnitřním ozubení 19, přičemž vnější zuby 20 ozubeného kola 3 jsou v záběru s vnitřním ozubením 19 ozubeného kola 4. Poměr mezi obvodem vnitřního ozubení 19 ozubeného kola 4 a obvodem ozubení ozubeného kola 3 je 2:1. Proto vnější kolo vykoná jednu otáčku o 360° při oběhu okolo celého obvodu vnitřního ozubení 19 ozubeného kola 4, a tedy pouze o 180° při oběhu okolo pouze poloviny obvodu vnitřního ozubení 19 ozubeného kola 4 kola. Ve vztahu k výstřednému klikovému čepu 1, který je pevně spojen s ozubeným kolem 3, to znamená, že z polohy znázorněné na obr. 1, při níž vrchol 16 výstředníku směřuje vzhůru a tedy komprese je maximální, tento vrchol 16 výstředníku při otočení klikového hřídele 14 o jednu otáčku svou polohu mění takto: Ozubené kolo 3 jako celek a s ním hřídel klikového čepu se otáčí vůči klikovému hřídeli 14 okolo něho například ve směru pohybu hodinových ručiček, přičemž ozubené kolo 3 samo se otáčí proti směru pohybu hodinových ručiček. Po takovém pootočení klikového hřídele o 90° směřuje vrchol 16 výstředníku doleva směrem k ose klikového hřídele. Ozubené kolo 3 se tedy spolu s výstředným klikovým čepem 1 otočilo o 90° proti směru pohybu hodinových ručiček. Tato nová situace po takovém pootočení o 90° je znázorněna na obr. 4. Rameno kliky 25 je nyní orientováno horizontálně a jeho efektivní účinná délka je ve srovnání s délkou, kterou mělo ve výchozí poloze podle obr. 1, zkrácena. Po dalším pootočení o 90° dospělo rameno kliky 25 dolů

-5CZ 289670 B6 a vrchol 16 výstředníku směřuje dolů. Tato situace je znázorněna na obr. 5. V této poloze jsou ojnice 9 a píst 7 ve srovnání s obvyklým motorem přesunuty směrem dolů. Za chodu motoru je tím i sací zdvih pístu 7 vůči dosavadní konstrukci prodloužen, což má rovněž kladný vliv na kompresní poměr. Po dalším pootočení o 90° směřuje vrchol 16 výstředníku opět k ose klikového hřídele a po ještě dalším pootočení o 90°, tedy po provedené otáčce o 360°, směřuje opět vzhůru, jak je znázorněno ve výchozí poloze podle obr. 1. Střed výstředného klikového čepu 1 opisuje skutečně účinnou dráhu kliky, protože výstředný klikový čep 1 je obepnut spodním ojničním ložiskem.

Jak je patrno z obr. 1, na němž je střed výstředného klikového čepu 1 označen číslicí 21. je tento střed 21 vůči ose 2 hřídele 15 klikového čepu tvořené osou otáčení ozubeného kola 3 přesunut nahoru. Přiměřeně tomu je zvednuta i ojnice 9 kloubově připojená k výstřednému klikovému čepu 1 a nahoře spojená s pístem 7, a spolu s ní samozřejmě i píst 7. Píst 7 tedy v horní úvrati znázorněné na obr. 1 zaujímá zvednutou polohu. Úměrně tomu se dosáhne vyšší komprese. Naopak zase je spodní ůvrať pístu 7 v důsledku směrem dolů orientovaného vrcholu 16 výstředníku 1, jak je znázorněno na obr. 5, v témže rozsahu přesazena dolů což, jak již bylo uvedeno, umožňuje delší sací zdvih a dále zvýší kompresní poměr. Účinná délka ramena kliky má v mezipolohách, například v poloze znázorněné na obr. 4, mezilehlou hodnotu. Délka ramena kliky zde tedy dosahuje v horní úvrati pístu 7 maximum, po otočení o 90° přejde do minima a pak proti spodní úvrati opět dojde do maxima. Stejným průběhem prochází až do dosažení horní úvrati pístu 7. Klika tedy již neopisuje kružnici nýbrž stojatou elipsu.

Tento spalovací motor však nyní může zaujímat různé kompresní poměry. Za tím účelem se ozubené kolo 3 s výstředným klikovým čepem 1 natočí okolo osy 2 hřídele 15 klikového čepu. To se provede natočením ozubeného kola 4 okolo klikového hřídele. Na obr. 6 je znázorněna jiná krajní poloha, v níž vrchol 16 výstředníku směřuje dolů v nejvyšší poloze pístu 7, tedy v jeho horní úvrati. Objem spalovacího prostoru je při tomto nastavení maximální. Jestliže se nyní z této výchozí polohy ozubené kolo 3 odvaluje stejným způsobem po vnitřním ozubení 19 ozubeného kola 4, dosáhne výstředný klikový čep 1 po otáčce klikového hřídele o 90° ve směru pohybu hodinových ručiček nejprve mezipolohu znázorněnou na obr. 7. Vrchol 16 zde vůči ose 8 klikového hřídele směřuje radiálně ven a účinné rameno kliky má tedy maximální délku. Ve spodní úvrati pístu 7, jak je to znázorněno na obr. 8, zaujímá vrchol 16 polohu, při níž směřuje vzhůru, tedy k ose 8 klikového hřídele. Píst 2 má tedy při tomto nastavení komprese minimální zdvih. Sací dráha je minimální, objem spalovacího prostoru je maximální a kompresní poměr tedy minimální. Klika opisuje ležatou elipsu. Přestavováním výstředného klikového čepu 1 v rozmezí mezi oběma těmito maximálními polohami lze kompresní poměr volně volit. V mezilehlých polohách opisuje klika elipsu vždy téhož tvaru, avšak ta pak není ani ležatá ani stojatá nýbrž šikmá vůči směru pohybu pístu.

Na obr. 9 jsou znázorněny různé křivky, které opisuje střed výstředného klikového čepu 1 při různých nastaveních. Píst se pohybuje ve směrech vyznačených šipkami. Na obr. 9a) je znázorněno nastavení pro nejvyšší kompresní poměr. Klika zde opisuje stojatou elipsu. Pro srovnání je čárkovaně vyznačena kliková kružnice obvyklého motoru. Dráha pístu je při tomto nastavení tedy delší. Jak sací dráha tak i kompresní dráha je delší a zároveň je objem spalovacího prostoru zmenšen. Kompresní poměr je při tomto nastavení největší. Protože se zvyšující se kompresí se zvyšuje koeficient účinnosti motoru, přičemž zvýšení je při malých zátěžích největší, provede se toto nastavení u benzinového motoru někde v oblasti střední zátěže, kdežto kompresní poměr při plném zatížení se poněkud sníží. U Dieselová motoru je výhodné nastavit maximální kompresní poměr až po nastartování motoru a pak ho pro provoz snížit.

Na obr. 9b) je znázorněna křivka, kterou opisuje střed výstředného klikového čepu 1 při nastavení minimálního kompresního poměru. Klikový čep opisuje shodnou elipsu, zde však ležatou. Dráha pístu je minimální, takže minimální je jak sací tak i kompresní dráha. Zároveň je v důsled-6CZ 289670 B6 ku snížené horní ůvrati též zvýšen objem spalovacího prostoru. Kompresní poměr je tedy při tomto nastavení minimální. Toto nastavení se hodí například pro volnoběh.

Na obr. 9c) je znázorněna křivka, kterou střed výstředného klikového čepu 1 opisuje při některé střední mezipoloze. Účinný čep kliky opisuje opět tutéž elipsu, která však leží šikmo vůči směru pohybu pístu. Podle směru otáčení lze výstředný klikový čep 1 resp. jím vytvořený vrchol 16 natočit doleva nebo doprava. Podle požadované charakteristiky motoru se určí, zda při znázorněné elipse má motor běžet ve směru pohybu hodinových ručiček nebo proti směru pohybu hodinových ručiček. Pohyb ve směru pohybu hodinových ručiček je patrně účelný, protože pak komprese trvá co nejdéle, takže spalování může probíhat optimálně a spalovací tlak se pak může rozvinout co nejúčinněji, to je s maximální, při pokračujícím otáčení však klesající délkou kliky.

Vlastní přestavení výstředného klikového čepu 1 se provede natočením ozubeného kola 3 s vnějším ozubením pomocí ozubeného kola 4 s vnitřním ozubením. Pro přetočení výstředníku o 180° z jedné maximální polohy do druhé je nutno pootočit ozubené kolo 4 s vnitřním ozubením o jednu čtvrtotáčku okolo osy 8 klikového hřídele. Toto pootočení ozubeného kola 4 lze realizovat různými přestavovacími prostředky. Na obr. 1, 4 až 8 a 10 je znázorněn jeden příklad takové realizace. Ozubené kolo 4 má na ploché, od výstupku odvrácené zadní straně kotouče 17 soustředné a s ozubeným kolem 4 pevně spojené čelní ozubené kolo 5. S ozubením 22 obvodu tohoto čelního kola 5, naznačeným na obr. 1, je v záběru ozubení 23 řídicího ozubeného kola 6, které je otočné okolo stranového hřídele 24 uspořádaného po straně. Protože, jak je zde znázorněno, má řídicí ozubené kolo 6 poloměr více než dvakrát větší nežli čelní kolo 5, postačí pootočit řídicí ozubené kolo pro přestavení z jedné maximální polohy do druhé o pouze přibližně 40°. U několika válců uspořádaných v řadě je několik takových řídicích ozubených kol nasazeno na společném stranovém hřídeli 24. U motoru typu V lze mezi rameny V uspořádat středový hřídel, jímž se ovládají dutá ozubená kola 4 ke každému válci. Podobné uspořádání je možné i u plochého motoru s písty proti sobě, takže týmž bočním hřídelem jsou ovládána ozubená kola s vnitřním ozubením navzájem protilehlých válců. Řídicí ozubené kolo 6 lze ovládat nejrůznějším způsobem. Myslitelný je například pohon servomotorem v podobě krokového motoru, který přímo nebo nepřímo, například ozubeným řemenem nebo pastorkem, působí na stranový hřídel 24 a jímž lze rychle provést přestavení z jedné maximální polohy do druhé. Tento krokový motor se s výhodou řídí mikroprocesorem, který může být elektronicky napájen několika parametry. Tak například lze na převodovém ústrojí elektronicky měřit zátěž motoru, přičemž tato data jsou již beztoho monitorována též pro řazení některých automatických převodových ústrojí. Dále je možné jako směrodatný parametr elektronicky sledovat otáčky motoru a brát je rovněž v úvahu pro regulaci kompresního poměru. Zpracovávat lze rovněž signály senzoru klepání, který je již instalován na mnoha moderních vozidlech. Spalovací tlak a spalovací teplotu lze rovněž zjišťovat a využít v propočtech. V takovém mikroprocesoru se nakonec všechna tato data zpracují na základě vícerozměrové charakteristiky do výstupního signálu, jímž je výsledně ovládán krokový motor pro změnu polohy řídicího ozubeného kola nebo řídicích ozubených kol.

Na obr. 10 je znázorněn boční pohled na motor, přičemž jsou znázorněny dva písty 7 se svými klikovými pohony. Konstrukce pro přestavování kompresního poměru obsahuje, jak již bylo popsáno výše, na klikovém hřídeli 14 nasazené ozubené kolo 4 s vnitřním ozubením, které je na klikovém hřídeli 14 uloženo volnoběžně. Tato ozubená kola 4 jsou zde pro lepší pochopení znázorněna částečně v řezu. Plochá, od výstupku odvrácená zadní strana kotouče 17 nese čelní ozubené kolo 5, které je s ní soustředně a pevně spojeno. Uvnitř vnitřním ozubením opatřeného výstupku ozubeného kola 4 běží ozubené kolo 3, které je pevně spojeno s výstředným klikovým čepem L Tento výstředný klikový čep 1 obepíná hřídel 15 ramena kliky a je na něm volně otočně uložen. Spodní ojniční ložisko ojnice 9 obepíná výstředný klikový čep J, jehož vrchol 16 směřuje u levého pístu 7 vzhůru a u pravého pístu 7 dolů. Přiměřeně tomu je levý píst 7 poněkud nadzvednut, kdežto pravý poněkud snížen. Jestliže se čelní ozubené kolo 5 otáčí s ozubeným kolem 4, otáčí se na místě i výstředný klikový čep 1, takže jím vytvořený vrchol 16 přesouvá svou polohu. Za chodu motoru se ozubené kolo 3 odvaluje uvnitř ozubeného kola 4 jako vnější

-7CZ 289670 B6 kolo a způsobuje, že výstředník 1 se na jeden oběh klikového hřídele otočí přesně o 360°. Když se tedy klikový hřídel otočí o 180°, otočí se o 180° též výstředný klikový čep L jehož vrchol 16 pak směřuje dolů, jak je to ukázáno na vpravo znázorněném výřezu klikového hřídele. Protože vrchol 16 tam směřuje dolů, je spodní poloha pístu snížena. Souhrnně je tam tedy větší zdvih pístu a zároveň je samozřejmě omezen objem spalovacího prostoru. Efektivně účinný střed klikového hřídele opisuje při zvýšené kompresi stojatou elipsu.

Alternativně může ozubené kolo 4 na svém vnějším obvodu obsahovat ozubení a být přestavováno ozubeným kolem, které je v přímém záběru s tímto ozubením. Při jednom určitém nastavení komprese zůstává ozubené kolo s vnitřním ozubením za chodu motoru nehybné. Je též myslitelná úprava, při níž ozubené kolo s vnitřním ozubením nucené sdílí pohyb klikového hřídele. V tomto případě by poloha natočení výstředného klikového čepu zůstala v průběhu celé otáčky stálá, takže tedy účinná délka ramena kliky by byla v průběhu celé otáčky vždy stálá. Střed výstředného klikového čepu by pak tedy neopisoval elipsu nýbrž kružnici. Přestavování by se pak provádělo tak, že by se musela změnit poloha natočení ozubeného kola s vnitřním ozubením vůči ose kliky.

Motor podle vynálezu umožňuje regulací kompresního poměru zohlednění dalšího důležitého parametru, který podstatně ovlivňuje charakteristiku a zvyšování výkonu motoru. Úprava přitom může vycházet ze stávajících motorů, přičemž pro nové série musí být upraveny pouze klikové hřídele a v některých případech bloky motorů, takže není nutná celkově nová konstrukce motoru. V mnoha případech lze dokonce dále používat stávající blok motoru, je-li dán dostatečný prostor k uspořádání ozubených kol a stranového hřídele. Touto úpravou tedy zůstávají v zásadě nedotčeny válce, písty, ojnice a periferní součásti motoru jako je zapalování a vstřikování, stejně jako vedlejší agregáty. Spalovací motor s variabilní kompresí slibuje podstatně zlepšené zvyšování výkonu při současně klidnějším chodu a vzhledem ke zvýšené účinnosti dále optimalizovanou spotřebu pohonné látky, přičemž v důsledku optimalizovaného spalování lze dále snížit obsah škodlivin ve výfukových plynech.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (10)

1. Spalovací motor s vnitřním spalováním s vratným pohybem pístu a s proměnným kompresním poměrem, kde zdvih pístu je nastavitelný, protože ojnice (9) je na straně klikového hřídele (14) uložena na výstředném klikovém čepu (1), přičemž tento výstředný klikový čep (1) je za chodu motoru řídicími prostředky přestavitelný okolo své osy otáčení, vyznačující se tím , že výstředný klikový čep (1) je tvořen nejméně dvěma jednodílnými pouzdry (26, 27), která jsou uspořádána okolo hřídele (15) ramena kliky klikového hřídele (14), přičemž jej obepínají, a že každé z těchto pouzder (26, 27) má jeden ozubený segment (28, 29), kteréžto ozubené segmenty (28, 29) rovněž obepínají hřídel (15) ramena kliky klikového hřídele (14), přičemž těmito segmenty (28, 29) tvořené ozubené kolo (3) s vnějším ozubením je uloženo uvnitř většího ozubeného kola (4) s vnitřním ozubením, které je uloženo soustředně okolo osy (8) kliky klikového hřídele (14) a jehož poloha natočení je nastavitelná, a přičemž vnější obvod ozubeného kola (3) s vnějším ozubením má poloviční délku vzhledem k délce vnitřního obvodu ozubeného kola (4) s vnitřním ozubením.

2. Spalovací motor podle nároku 1, vyznačený tím, že ozubené kolo (4) svnitřním ozubením je na své ploché vnější straně soustředně spojeno s čelním kolem (5), které je v záběru s řídicím ozubeným kolem (6).

-8CZ 289670 B6

3. Spalovací motor podle nároku 1, vyznačený tím, že ozubené kolo (4) má na svém vnějším obvodu ozubení, které je v přímém záběru s řídicím ozubeným kolem (6).

4. Spalovací motor podle některého z nároku 2 nebo 3, vyznačený tím, že řídicí ozubené kolo (6) je spřaženo se samostatným servomotorem, sloužícím kjeho natáčení, a tím k měnění kompresního poměru motoru změnou délky kliky, přičemž servomotor je spřažen s mikroprocesorem obsahujícím prostředky pro elektronické zpracování alespoň jednoho zjištěného provozního parametru motoru.

5. Spalovací motor podle nároku 4, vyznačený tím, že servomotorem je elektrický krokový motor, s nímž je přes pastorek v záběru řídicí ozubené kolo (6).

6. Spalovací motor podle nároku 4, vyznačený tím, že servomotorem je elektrický krokový motor, s nímž je pomocí ozubeného řemene spřaženo řídicí ozubené kolo (6) nebo jeho hnací osa (24).

7. Spalovací motor podle některého z nároků 4až 6, vyznačený tím, že mikroprocesor je opatřen vstupy k přijímání jednoho nebo několika signálů odpovídajících zátěži motoru zjišťované v hnacím ústrojí, zjišťovaným otáčkám motoru, zjišťovanému množství nasávaného nebo vháněného vzduchu, a též signálu od senzoru klepání motoru, a obsahuje prostředky pro zpracování zmíněných signálů do řídicího signálu pro servomotor.

8. Spalovací motor podle některého z nároků 2 až 7, vyznačený tím, že v případě motoru s několika válci jsou řídicí ozubená kola (6) pro jednotlivé válce uspořádána pevně na společném stranovém hřídeli (24).

9. Spalovací motor podle některého z předchozích nároků 2 až 8, vyznačený tím, že řídicí ozubené kolo (6) má poloměr nejméně dvakrát větší nežli čelní kolo (5).

10. Spalovací motor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že ozubené kolo (4) s vnitřním ozubením je soustředně s osou (8) kliky volně otočně uloženo na klikovém hřídeli (14), přičemž však jeho vzájemná poloha natočení vůči klikovému hřídeli je přestavitelná, přičemž účinná délka ramena kliky na celou otáčku kliky je vždy stejná.