RU226062U1 - Двигатель внутреннего сгорания - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности, к поршневым двигателям внутреннего сгорания, выполненным с возможностью регулирования степени сжатия и/или рабочего объема и степени расширения рабочего тела (F01B 9/02, F02B 75/04). Заявленная полезная модель обеспечивает достижение следующего технического результата - возможность изменения хода поршней двигателя в процессе его работы. Указанный технический результат обеспечивает двигатель внутреннего сгорания, содержащий пары рабочих цилиндров, содержащих поршни рабочих цилиндров, соединенные с соответствующей парой гидравлических цилиндров, и гидравлически соединенных с блоком клапанов, выполненным с возможностью направления гидравлической жидкости в гидроцилиндры для перемещения поршней гидравлических цилиндров, при этом каждый поршень гидроцилиндра через шток соединен с качающимся коромыслом, один конец которого шарнирно соединен с поршнем соответствующего рабочего цилиндра через шатун, а другой конец соединен с кривошипом общего коленчатого вала через тягу, с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршней рабочих цилиндров во вращательное движение коленчатого вала, при этом ось качания коромысла каждого рабочего цилиндра размещена на штоке соответствующего гидроцилиндра, выполненного с возможностью перемещения в направлении к рабочим цилиндрам и от рабочих цилиндров при перемещении поршней гидравлических цилиндров. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности, к поршневым двигателям внутреннего сгорания, выполненным с возможностью регулирования степени сжатия и/или рабочего объема и степени расширения рабочего тела (F01B 9/02, F02B 75/04).

Уровень техники.

Как известно, мощность и топливная экономичность двигателя возрастают при увеличении степени сжатия вследствие повышения индикаторного КПД. В то же время, заложенная в конструкцию двигателей величина степени сжатия отличается от оптимальной. В бензиновых двигателях степень сжатия меньше оптимальной и ограничивается детонацией. В дизелях степень сжатия больше оптимальной и выбирается с учетом обеспечения надежного самовоспламенения топлива двигателя при отрицательных температурах окружающей среды (Тер-Мкртичьян Г.Г., «Научные основы создания двигателей с управляемой степенью сжатия», автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, НАМИ, Москва, 2004, с. 3).

Возможность регулирования рабочего объема еще более ценна для показателей двигателя, чем регулирование степени сжатия. Большой рабочий объем существующих двигателей нужен только для обеспечения движения автомобиля со скоростями, близкими к максимальной. Эти режимы не превышают 10% общего времени движения автомобиля. Наибольшую часть времени, например, при движении в городе - требуется экономичный двигатель с малым рабочим объемом.

Совместное регулирование степени сжатия и рабочего объема, если будут найдены работоспособные и технологичные конструкторские решения, откроет широкие перспективы создания двигателя нового типа с управляемым движением поршней. Это будет «эластичный» двигатель, гибко приспосабливающий свои объем и степень сжатия к условиям движения автомобиля (там же, с. 4)

Известно также, что термодинамические циклы, лежащие в основе работы современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), подразделяются на цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто), цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) и цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера). Их характерной особенностью является то, что расширение рабочего тела в них всегда производится до объема, с которого начинается сжатие. Очевидно, что более полного использования энергии подведенного тепла можно добиться, если увеличить степень расширения рабочего тела. Термодинамические циклы, степень расширения рабочего тела в которых больше степени его сжатия, называются термодинамическими циклами с продолженным расширением.

Из уровня техники известен двигатель Джеймса Аткинсона (James Atkinson) (US336505A от 16.02.1886 г. и US367496A от 02.08.1887 г.), в котором такты “впуска” и “сжатия” короче тактов “расширения” и “выпуска”, также известен ДВС, работающий по циклу Ральфа Миллера (Ralph Miller) (US2670595A от 02.03.1954), где степень расширения достигает большей величины по сравнению со степенью сжатия за счет частичного вытеснения воздушного заряда обратно во впускной коллектор в начале такта сжатия, образуя потери рабочего тела, получившие название “потери Миллера”.

Недостатком данных технических решений является невозможность регулирования степени сжатия.

Из уровня техники известен способ изменения степени сжатия путем управления высотой подъема коленвала, реализованный компанией FEV Motorentechnik. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия.

Из уровня техники также известна обратная система, изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления ходом коленвала, а путем подъема блока цилиндров, реализованный компанией Saab (https://ooodrive.ru/dvigatel-s-izmenyaemoi-stepenyu-szhatiya-princip-raboty-podrobnoe.html).

Данные технические решения не обеспечивают возможности реализации продолженного такта «расширение», поскольку при изменении объема камеры сгорания ход поршня остается постоянным.

Известна, также, система Variable Compression Turbo (VC-T) от бренда Infiniti (компания Nissan), в которой в конструкцию кривошипно-шатунного механизма мотора внедрены коромысла, управляемые электромоторами, а экономичность двигателя улучшена благодаря рабочему циклу с продолженным расширением по циклу Аткинсона-Миллера, суть которого заключается в том, что в механизме газораспределения двигателя увеличен угол запаздывания закрытия впускного клапана (https://quto.ru/journal/articles/v-chyom-sila-motorov-s-izmenyaemoi-stepenyu-szhatiya.htm). При этом часть заряда выталкивается поршнем из цилиндра в начале такта "сжатие" во впускной коллектор (т.н. «потери Миллера»), что существенно снижает энергетическую эффективность данного решения.

Прототипом заявленной полезной модели можно считать «Двигатель внутреннего сгорания» (RU2704510C1, опубл. 29.10.2019), в котором преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала реализовано посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, соединенного с эксцентриковым валом, который связан с коленчатым валом посредством шестерённого привода для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала. За счет этого в двигателе достигается продолженная фаза расширения без «потерь Миллера». Другой конец рычага-коромысла соединён через фиксируемый эксцентриковый шарнир с поршневым шатуном и поршнем, находящемся в цилиндре, что позволяет предварительно настроить степень сжатия в цилиндре под конкретные задачи на стадии производства или в мастерской, без возможности ее изменения в зависимости от конкретных условий эксплуатации и режима работы.

Все указанные технические решения не обеспечивают возможность динамического регулирования параметров работы двигателя поскольку не содержат устройства, которое позволило бы динамически изменять ход поршней двигателя, что не позволяет динамически изменять такие параметры, как степень сжатия рабочего тела, рабочий объем цилиндров и величину продолженного расширения рабочего тела, на всех режимах работы ДВС, что является препятствием для оптимизации работы двигателя, повышения индикаторного КПД, снижения расхода топлива и выбросов в атмосферу.

Раскрытие сущности полезной модели

Задачей настоящей полезной модели является устранение недостатков уровня техники, в частности, за счет создания двигателя внутреннего сгорания, содержащего механизм управления положением и ходом поршней, с возможностью регулирования степени сжатия в цилиндрах, рабочего объема цилиндра и величины продолженного расширения рабочего тела в режиме реального времени на всех режимах работы двигателя.

Указанную задачу решает заявленный двигатель внутреннего сгорания, содержащий пары рабочих цилиндров, содержащих поршни рабочих цилиндров, соединенные с соответствующей парой гидравлических цилиндров, и гидравлически соединенных с блоком клапанов, выполненным с возможностью направления гидравлической жидкости в гидроцилиндры для перемещения поршней гидравлических цилиндров,

при этом каждый поршень гидроцилиндра через шток соединен с качающимся коромыслом, один конец которого шарнирно соединен с поршнем соответствующего рабочего цилиндра через шатун, а другой конец соединен с кривошипом общего коленчатого вала через тягу, с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршней рабочих цилиндров во вращательное движение коленчатого вала,

при этом ось качания коромысла каждого рабочего цилиндра размещена на штоке соответствующего гидроцилиндра, выполненного с возможностью перемещения в направлении к рабочим цилиндрам и от рабочих цилиндров при перемещении поршней гидравлических цилиндров.

В частности, рабочие цилиндры расположены в горизонтальной плоскости, находящейся выше оси вращения коленчатого вала, перпендикулярно его вертикальной оси и симметрично относительно нее.

В частности, каждая пара рабочих цилиндров выполнена с возможностью противонаправленного движения поршней.

В частности, каждая пара гидроцилиндров подключена к одному блоку клапанов.

В частности, блок клапанов выполнен с возможностью подключения к электронному блоку управления или бортовому компьютеру.

Заявленная полезная модель обеспечивает достижение следующего технического результата - возможность изменения хода поршней двигателя в процессе его работы.

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1 - кинематическая схема пары цилиндров заявленного ДВС, вид сбоку, при этом элементы второго цилиндра за первым цилиндром не показаны для большей ясности изображения.

Фиг. 2 - кинематическая схема пары цилиндров заявленного ДВС, вид сверху.

На фигурах обозначены: 1 - рабочий цилиндр; 2 - головка цилиндра; 3 - поршень; 4 - коленчатый вал; 5 - коромысло; 6 - опорный шарнир; 7 - шатун; 8 - тяга; 9 - кривошип; 10 - гидроцилиндр; 11 - поршень гидроцилиндра; 12 - шток гидроцилиндра; 13 - блок клапанов; 14 - трубопровод гидравлической жидкости; 15 - опоры скольжения штока.

Заявленный двигатель внутреннего сгорания представляет собой поршневой ДВС с воспламенением рабочей смеси от сжатия или от искры, содержащий пары рабочих цилиндров 1, с головками 2 цилиндров и поршнями 3, коленчатый вал 4, связанный с поршнями 3 через качающиеся коромысла 5, и гидравлический механизм перемещения осей качания коромысел 5, выполненный с возможностью изменения хода поршней 3.

Рабочие цилиндры 1 расположены в горизонтальной плоскости, находящейся выше оси вращения коленчатого вала 4, перпендикулярно его вертикальной оси и симметрично относительно нее, и могут быть объединены в блок цилиндров, выполненный из металла или сплава, например, из чугуна, алюминиевого или магниевого сплава, причем поршни 3 в паре цилиндров 1 выполнены с возможностью противонаправленного движения для обеспечения уравновешенности двигателя в работе.

Поршень 3 каждого рабочего цилиндра, выполненный из металла или сплава, шарнирно соединён с одним концом качающегося коромысла 5, выполненного в виде двуплечего рычага из металла или сплава, с возможностью совершения качательных движений относительно неподвижной оси, расположенной на опорном шарнире 6. Соединение поршня 3 и коромысла 5 выполнено через шатун 7, закрепленный к поршню 3 с помощью поршневого пальца (на фигурах не показан). Другой конец коромысла 5 шарнирно соединен с одним концом тяги 8, выполненной в виде стержня из металла или сплава, которая другим концом шарнирно соединена с кривошипом 9 коленчатого вала, с возможностью преобразования колебательного движения коромысла 5 во вращательное движение коленчатого вала 4.

Гидравлический механизм перемещения осей качания коромысел 5 включает гидроцилиндры 10, содержащие поршень 11 со штоком 12, блоки 13 клапанов и связывающие их трубопроводы 14 гидравлической жидкости. Каждое коромысло 5 связано с одним гидроцилиндром 10 через опорный шарнир 6 и наоборот.

Каждый гидроцилиндр 10, представляющий собой гидроцилиндр двустороннего действия, зафиксированный на блоке цилиндров, разделен на два объема - штоковый (В) и поршневой (С) - с помощью подвижного поршня 11, соединенного со штоком 12 гидроцилиндра. Каждый из указанных объемов связан с блоком 13 клапанов трубопроводом 14 гидравлической жидкости, в качестве которой используются, например, минеральные, синтетические и полусинтетические масла, жидкости на силиконовой основе, или эмульсии. Каждая пара гидроцилиндров 10 присоединена к одному блоку 13 клапанов.

В свою очередь, каждый блок 13 клапанов представляет собой электронный клапанный распределитель с быстродействием клапанов 1 - 3 мс, выполненный с возможностью синхронного направления гидравлической жидкости под давлением в те или иные объемы пары гидроцилиндров 10 и возврата жидкости из смежного объема через трубопроводы 14.

Опорный шарнир 6 каждого коромысла 5 закреплен на штоке 12 соответствующего гидроцилиндра 10. При этом шток 12 гидроцилиндра выполнен с возможностью осевого перемещения в опорах скольжения 15, расположенных по обе стороны коромысла 5, под действием давления гидравлической жидкости, воздействующей на связанный с ним подвижный поршень 11.

Возможность достижения заявленного технического результата - возможность изменения хода поршней двигателя в процессе его работы - в заявленном двигателе внутреннего сгорания обеспечивается тем, что ось качания коромысла 5, расположенная на опорном шарнире 6, выполнена с возможностью управляемого изменения своего геометрического положения относительно рабочего цилиндра 1, каковое определяет положение ВМТ и НМТ связанного с коромыслом 5 поршня 3 в каждый конкретный момент работы двигателя, а, следовательно, предоставляет возможность изменения его хода.

Для целей настоящей заявки крайние положения поршня, когда он наиболее удален от головки цилиндра или приближен к ней, называются нижней "мертвой" точкой (НМТ) и верхней "мертвой" точкой (ВМТ); под «ходом поршня» подразумевается путь, пройденный от одной "мертвой" точки до другой; «объемом камеры сгорания» (Vc) называется объем, расположенный между поршнем, находящимся в ВМТ, и головкой цилиндра; «рабочим объемом цилиндра» (Vp) называется объем, освобождаемый поршнем при перемещении от ВМТ к НМТ; «полным объемом цилиндра» является сумма объемов камеры сгорания и рабочего объема: Vn = Vp + Vc; термин «степень сжатия» показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания (Vn/Vc).

Заявленный ДВС функционирует следующим образом:

Поршни 3, под воздействием расширяющихся газов, давят через шатуны 7 на один конец коромысел 5, поворачивая их относительно оси опорных шарниров 6. При этом, противоположные концы коромысел 5, через шарнирно прикрепленные к ним тяги 8, одновременно воздействуют на кривошипы 9 коленчатого вала 4, проворачивая его для совершения работы, и, в тоже время, сообщая ему запас энергии вращения для осуществления трёх последующих тактов рабочего процесса ДВС, во время которых коленчатый вал 4 вращается по инерции и сообщает движение поршням 3.

В то же время, опорные шарниры 6, закреплённые на штоках 12, подвижных в осевом направлении в опорах скольжения 15, и соединённых с подвижными поршнями 11 в гидроцилиндрах 10, перемещаются в осевом направлении под давлением гидравлической жидкости, направляемой в нужный объём (В или С) гидроцилиндров 10 блоком 13 клапанов через трубопроводы 14, одновременно для пары гидроцилиндров 10.

При этом оси качания коромысел 5 перемещаются в направлении к цилиндрам или от них, изменяя положение ВМТ и НМТ поршня на каждом такте рабочего цикла двигателя, и, зависящие от их положения, ход поршня, объем камеры сгорания, общий и рабочий объем цилиндра, а также степень продолженного расширения рабочего тела в зависимости от текущих задач:

на такте «Впуск»

Поршни в паре цилиндров 1 движутся противонаправленно из положения ВМТ в положение НМТ.

Для увеличения рабочего объёма цилиндров, блок 13 клапанов подает контролируемое количество гидравлической жидкости под давлением в рабочий объем B гидроцилиндров 10. Поршни 11 гидроцилиндров с прикрепленными к ним штоками 12 перемещаются вдоль оси в направлении хода поршней 3. При этом, опорные шарниры 6 с коромыслами 5, закрепленные на штоках 12, также перемещаются в направлении движения поршней на контролируемое расстояние, тем самым перемещая НМТ поршней 3 дальше от головок 2 цилиндра, таким образом увеличивая ход поршней 3, и, соответственно, увеличивая рабочий объем в паре цилиндров 1.

Для уменьшения рабочего объема цилиндров блок 13 клапанов подает контролируемое количество гидравлической жидкости под давлением в рабочий объем С гидроцилиндров 10. Поршни 11 гидроцилиндров с прикрепленными к ним штоками 12 перемещаются вдоль оси в направлении против хода поршней 3. При этом, опорные шарниры 6 с коромыслами 5, закрепленные на штоках 12, также перемещаются в направлении против движения поршней на контролируемое расстояние, тем самым перемещая НМТ поршней 3 ближе к головкам 2 цилиндра, таким образом уменьшая ход поршней 3, и, соответственно, уменьшая рабочий объем в паре цилиндров 1.

на такте «Сжатие»

Поршни в паре цилиндров 1 движутся навстречу друг другу из НМТ в ВМТ.

Для увеличения степени сжатия, блок 13 клапанов подает контролируемое количество гидравлической жидкости под давлением в рабочий объем С гидроцилиндров 10. Поршни 11 гидроцилиндров с прикрепленным к ним штоками 12 перемещаются вдоль оси в направлении хода поршней 3. При этом, опорные шарниры 6 с коромыслами 5, закрепленные на штоках 12, также перемещаются в направлении движения поршней на контролируемое расстояние, тем самым перемещая положение ВМТ поршней 3 ближе к головкам 2 цилиндров, тем самым уменьшая объем камеры сгорания, и, соответственно, увеличивая степень сжатия в паре цилиндров 1.

Для уменьшения степени сжатия, блок 13 клапанов подает контролируемое количество гидравлической жидкости под давлением в рабочий объем B гидроцилиндров 10. Поршни 11 гидроцилиндров с прикрепленными к ним штоками 12 перемещаются вдоль оси в направлении против хода поршней 3. При этом, опорные шарниры 6 с коромыслами 5, закрепленные на штоках 12, также перемещаются в направлении против движения поршней на контролируемое расстояние, тем самым перемещая положение ВМТ поршней 3 дальше от головок 2 цилиндров, тем самым увеличивая объем камеры сгорания, и, соответственно, уменьшая степень сжатия в паре цилиндров 1.

на такте «Расширение» (или "Рабочий ход")

Поршни в паре цилиндров 1 движутся противонаправленно из ВМТ в НМТ.

Для регулирования степени расширения с целью получения его «продолженного» значения, блок 13 клапанов подает контролируемое количество гидравлической жидкости под давлением в рабочий объем B гидроцилиндров 10. Поршни 11 гидроцилиндров с прикрепленными к ним штоками 12 перемещаются вдоль оси в направлении хода поршней 3. При этом, опорные шарниры 6 с коромыслами 5, закрепленные на штоках 12, также перемещаются в направлении движения поршней на контролируемое расстояние, тем самым перемещая НМТ поршней 3 дальше от головок 2 цилиндра, увеличивая ход поршней 3, и, соответственно, увеличивая степень расширения рабочего тела в паре цилиндров 1, превращая в работу максимально возможную энергию рабочих газов;

на такте «Выпуск»

Поршни в паре цилиндров 1 движутся навстречу друг другу из НМТ в ВМТ.

Блок клапанов 13 подает контролируемое количество гидравлической жидкости под давлением в рабочий объем С гидроцилиндров 10. Поршни 11 гидроцилиндров с прикрепленными к ним штоками 12 перемещается вдоль оси в направлении хода поршней 3. При этом, опорные шарниры 6 с коромыслами 5, закрепленные на штоках 12, также перемещаются в направлении движения поршней на контролируемое расстояние, тем самым определяя положение ВМТ поршней 3, при котором количество остаточных выхлопных газов в паре цилиндров 1 является минимальным.

Рабочий цикл повторяется снова.

Таким образом, показано, что заявленный двигатель внутреннего сгорания обеспечивает заявленный технический результат - возможность изменения хода поршней двигателя в процессе его работы.

Claims (5)

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий пары рабочих цилиндров, содержащих поршни рабочих цилиндров, соединенные с соответствующей парой гидравлических цилиндров, и гидравлически соединенных с блоком клапанов, выполненным с возможностью направления гидравлической жидкости в гидроцилиндры для перемещения поршней гидравлических цилиндров, при этом каждый поршень гидроцилиндра через шток соединен с качающимся коромыслом, один конец которого шарнирно соединен с поршнем соответствующего рабочего цилиндра через шатун, а другой конец соединен с кривошипом общего коленчатого вала через тягу, с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршней рабочих цилиндров во вращательное движение коленчатого вала, при этом ось качания коромысла каждого рабочего цилиндра размещена на штоке соответствующего гидроцилиндра, выполненного с возможностью перемещения в направлении к рабочим цилиндрам и от рабочих цилиндров при перемещении поршней гидравлических цилиндров.

2. Двигатель по п.1, в котором рабочие цилиндры расположены в горизонтальной плоскости, находящейся выше оси вращения коленчатого вала, перпендикулярно его вертикальной оси и симметрично относительно нее.

3. Двигатель по п.1, в котором каждая пара рабочих цилиндров выполнена с возможностью противонаправленного движения поршней.

4. Двигатель по п.1, в котором каждая пара гидроцилиндров подключена к одному блоку клапанов.

5. Двигатель по п.1, в котором блок клапанов выполнен с возможностью подключения к электронному блоку управления или бортовому компьютеру.