ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/04 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при создании двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как одно-, так и многоцилиндровых четырехтактных двигателей, работающих на многих видах топлива (например бензине, дизельном топливе и др. ), а также ДВС, работающих в условиях с меняющимся атмосферным давлением (например, двигателей автотракторной техники, работающей в горной местности).

Известны ДВС классического выполнения, например для автомобиля "Жигули", которые могут работать в оптимальном режиме только на одном виде топлива - бензине одной марки. В условиях с изменяющимся атмосферным давлением, а именно при движении в горной местности, эти двигатели не могут работать в оптимальном режиме.

Известен двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, содержащий кривошипный вал и маховик, связанный с валом отбора мощности. Маховик снабжен эксцентричным корпусом, в котором установлены два венца большего и меньшего диаметров, и торсионом, расположенным внутри кривошипного вала, который установлен в маховике эксцентрично относительно его оси. Маховик связан с корпусом при помощи торсиона и кривошипного вала с возможностью поворота относительно корпуса. Торсион и кривошипный вал с одного конца жестко соединены между собой при помощи шлицевого соединения, а с другого конца через шестерни торсиона и кривошипного вала соединены с венцами корпуса маховика. ДВС снабжен системой автоматического изменения степени сжатия, что повышает эффективность.

Однако этот ДВС нельзя переводить на другие виды топлива, т. к. степень сжатия в нем изменяется автоматически в зависимости от нагрузки.

Наиболее близким по общности структурных признаков и достигаемому эффекту к заявляемому ДВС является двухтактный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, снабженный эксцентриковой поворотной втулкой коленчатого вала для изменения степени сжатия и дисковым золотником, связанным с коленчатым валом. Эксцентриковая поворотная втулка коленчатого вала выполнена фиксируемой винтовым стопором, расположенным в рукоятке втулки. Дисковый золотник снабжен радиальным пазом для привода от конца кривошипа коленчатого вала, а для увеличения мощности в рабочем поршне установлен продувочный клапан.

В известном ДВС регулировка степени сжатия производится поворотом эксцентриковой втулки. Таким образом, изменение объема камеры сжатия, т. е. изменение расстояния между поршнем, находящимся в верхнем мертвом положении, и головкой цилиндра, производится за счет изменения положения коленчатого вала относительно корпуса двигателя в радиальном положении. Такое техническое решение позволяет переводить двигатель на работу в заданный режим в зависимости от вида топлива.

Однако необходимость изменения положения коленчатого вала приводит к значительному усложнению конструкции двигателя в случае если этот двигатель будет четырехтактным и многоцилиндровым, а не двухтактным и одноцилиндровым, т. е. это известное техническое решение невозможно практически использовать для изменения степени сжатия в четырехтактных многоцилиндровых двигателях.

Таким образом, известное техническое решение имеет низкую надежность из-за сложности конструктивного выполнения при реализации на четырехтактных многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания.

Цель изобретения - повышение надежности при обеспечении изменения степени сжатия для различных типов двигателей внутреннего сгорания за счет исключения радиального перемещения кривошипного вала относительно корпуса.

Поставленная цель достигается тем, что усовершенствуется двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия. В корпусе установлен кривошипно-шатунный механизм, включающий кривошипный вал с эксцентриковыми шатунными шейками по числу цилиндров двигателя, на каждой из которых размещена с образованием шлицевого соединения эксцентриковая поворотная втулка, геометрическая ось которой не совпадает с геометрической осью шатунной шейки и осью кривошипного вала. На хвостовике кривошипного вала установлена согласующая шестерня, соединенная с корпусом и кинематически связанная с распределительным валом двигателя.

Новые признаки двигателя внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия: кривошипный вал установлен в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси под воздействием внешних сил, например от ходового винта, установленного соосно кривошипному валу; эксцентриковая поворотная втулка снабжена боковыми упорами, контактирующими с корпусом двигателя, и установлена с возможностью поворота вокруг геометрической оси шатунной шейки в период перестройки на другую степень сжатия и с возможностью вращения совместно с шатунной шейкой относительно оси кривошипного вала в период работы двигателя; в шлицевом соединении поворотной эксцентриковой втулки и шатунной шейки шлицы размещены по винтовой линии, угол подъема которых выбирается в зависимости от величины осевой силы, перемещающей кривошипный вал в период перестройки, и силы трения в шлицевом соединении.

Кроме того, согласующая шестерня, установленная на хвостовике кривошипного вала, образует с ним шлицевое соединение, в котором шлицы также расположены по винтовой линии.

На фиг. 1 представлен двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, общий вид; на фиг. 2 - то же, аксонометрия; на фиг. 3 - кривошипный вал с шатунной шейкой и шлицевым хвостовиком, аксонометрия; на фиг. 4 - поворотная эксцентриковая втулка с боковыми упорами, аксонометрия; на фиг. 5 и 6 - узел кривошипного механизма при крайних положениях шатунной шейки 4; на фиг. 7 - схема узла кривошипного механизма в положении, условно принятом за исходное, при минимальном объеме камеры сжатия, т. е. с минимальным расстоянием между поршнем, находящимся в верхнем мертвом положении, и головкой цилиндра; на фиг. 8 - то же, при перестройке на другую степень сжатия, при одном из промежуточных положений поршня, при котором объем камеры сжатия несколько больше минимально возможного объема, а именно при угле смещения между плоскостью симметрии шатунной шейки и плоскостью симметрии поворотной втулки, равном γ = 45^о; на фиг. 9-15 - схемы, поясняющие процесс перестройки предлагаемого двигателя на разные степени сжатия : на фиг. 9 - положение кривошипного механизма, принятое условно за исходное, при максимально возможной длине (кривошипного рычага) кривошипа, равного ОВ = Е, соответствующей минимальному объему камеры сжатия (т. е. максимальной степени сжатия), т. е. с минимальным расстоянием между поршнем, находящимся в верхнем мертвом положении, и верхней точкой головки цилиндра; на фиг. 10 - кривошипный механизм в положении после настройки на другую, меньшую степень сжатия; длина кривошипа ОВ = Е -Δ E₄₅o, где Δ E₄₅o - изменение длины кривошипа при угле смещения γ = 45^о между плоскостями симметрии шатунной шейки и поворотной втулки при повороте последней относительно геометрической оси шатунной шейки. Объем камеры сжатия увеличился, а степень сжатия уменьшилась по сравнению с исходным значением; на фиг. 11 - кривошипный механизм, поршень которого находится в верхней мертвой точке после перестройки на степень сжатия, соответствующую положению, показанному на фиг. 10; на фиг. 2 - то же, в нижней мертвой точке после перестройки на степень сжатия, соответствующую положению элементов, показанному на фиг. 10; на фиг. 13 - кривошипный механизм в положении после настройки из исходного положения на другую степень сжатия, меньшую, чем при положении на фиг. 9; длина кривошипа ОВ = Е - Δ E₉₀o, где Δ E₉₀o - изменение длины кривошипа при угле смещения γ = 90^о между плоскостями симметрии шатунной шейки и поворотной втулки при повороте последней относительно геометрической оси шатунной шейки; на фиг. 14 - кривошипный механизм ДВС, поршень которого находится в верхней мертвой точке после перестройки на степень сжатия, показанной на фиг. 13; на фиг. 15 - то же, в нижней мертвой точке; на фиг. 16 - схема к расчету длины кривошипа ОВ = Е при различных значениях угла смещения γ ; на фиг. 17 - схема, поясняющая выбор угла подъема винтовой линии, по которой расположены шлицы в шлицевом соединении кривошипной шатунной шейки и поворотной втулки в зависимости от силы трения между элементами этого шлицевого соединения; на фиг. 18 - схема к расчету зависимости угла поворота эксцентриковой втулки от осевого смещения кривошипного вала при перестройке на другую степень сжатия.

В таблице показана зависимость степени сжатия от угла смещения γ .

В тексте и на чертежах использованы буквенные обозначения:
О - ось вращения кривошипного вала 3;
А - геометрическая ось шатунной шейки 4;
В - геометрическая ось эксцентриковой поворотной втулки 5;
Z - плоскость симметрии эксцентриковой поворотной втулки 5, проходящая через геометрическую ось В поворотной втулки 5 перпендикулярно плоскости фиг. 7, 8;
М - плоскость симметрии шатунной шейки 4, проходящая через ее геометрическую ось А перпендикулярно плоскости фиг. 7, 8;
Е - длина кривошипа ОВ, равная величине эксцентриситета кривошипа, изменяющаяся в зависимости от взаимного расположения шатунной шейки 4 и поворотной эксцентриковой втулки 5;
L - расстояние между геометрическими осями шатунной шейки 4 и эксцентриковой втулки 5, равное АВ;
е - значение эксцентриситета шатунной шейки 4;
γ - угол, образующийся при перестройке на заданную степень сжатия, между плоскостями симметрии шатунной шейки 4 и поворотной втулки 5 после поворота последней относительно геометрического центра А шатунной шейки 4;
α - дополнительный угол к углу γ ;
С - верхняя точка на головке 20 цилиндра 2;
ΔЕ - величина изменения длины кривошипа;
F_тр - сила трения между шатунной шейкой 4 и поворотной эксцентриковой втулкой 5 (в шлицевом соединении этих элементов);
k - коэффициент трения;
S - величина осевого перемещения кривошипного вала 3;
Р - осевая сила, перемещающая кривошипный вал 3;
β- угол наклона винтовой линии, по которой расположены шлицы;
R - радиус шатунной шейки 4;
ОХ и OY - оси координат; ось OY совпадает с направлением винтовой линии, по которой расположены шлицы.

Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия содержит корпус 1 и установленные в нем блоки цилиндров 2 (на чертежах показан пример выполнения ДВС с одним цилиндром). В корпусе 1 установлен с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси кривошипный вал 3, на котором жестко закреплена эксцентриковая шатунная шейка 4. На этой шатунной шейке 4 выполнены шлицы, расположенные по винтовой линии, угол подъема которой определяется по ниже приведенной методике (далее по тексту - винтовые шлицы). На шатунной шейке 4 эксцентрично установлена поворотная втулка 5 с возможностью проворота относительно шатунной шейки 4 за счет выполнения на сопрягаемой с шатунной шейкой внутренней поверхности втулки 5 винтовых шлицев, которые образуют шлицевое соединение. От осевого смещения втулку 5 предохраняют боковые упоры 6, выполненные с возможностью контактирования с корпусом двигателя. В корпусе 1 соосно кривошипному валу 3 установлен ходовой винт 7, кинематически связанный с кривошипным валом 3 для сообщения последнему возвратно-поступательного перемещения во время перестройки на заданную степень сжатия. На корпусе 1 через подшипник 8 установлена согласующая шестерня 9, насаженная на шлицевой хвостовик 10 кривошипного вала 3. На шлицевом хвостовике 10 и на сопрягаемой с ним внутренней поверхности согласующей шестерни 9 шлицы размещены также по винтовой линии, угол подъема которой определяем по той же методике.

Кривошипный вал 3 установлен с возможностью осевого перемещения относительно согласующей шестерни 9 в пределах его шлицевого хвостовика 10 во время перестройки на заданную степень сжатия.

Согласующая шестерня 9 установлена на корпусе 1 с возможностью проворота относительно шлицевого хвостовика 10 во время осевого перемещения кривошипного вала 2 и соединена известным способом, например цепью, с шестерней 11, установленной на распределительном валу 12, который связан с клапанами 13 при помощи кулачков 14.

Шатун 15 соединен с поршнем 16 ДВС при помощи пальчика 17, а также с кривошипным валом 3 через эксцентриковую втулку 5 и шатунную эксцентриковую шейку 4. Эти элементы образуют кривошипно-шатунный механизм ДВС.

Как известно, величина хода поршня 16 определяется величиной 2Е, где Е - величина эксцентриситета кривошипа, образованного шатунной эксцентриковой шейкой 4 и поворотной втулкой 5.

При провороте в процессе настройки эксцентриковой втулки 5 относительно шатунной шейки 4 величина эксцентриситета Е кривошипа изменяется (формула 1), изменяется величина хода поршня 16 и, соответственно, объем камеры сгорания и степень сжатия.

E = (1) где е - величина эксцентриситета шатунной шейки 4, т. е. расстояние от оси вращения 0 кривошипного механизма до геометрической оси А шатунной шейки 4;
L - расстояние между геометрическими осями А и В шатунной шейки 4 и поворотной втулки 5;
γ - угол поворота плоскости симметрии Р поворотной втулки 5 относительно плоскости симметрии М шатунной шейки 4 вокруг оси А последней. α = 180^o - β.

Соединительный подшипник 19 установлен между торцами кривошипного вала 3 и ходового винта 7 таким образом, что осевое перемещение от ходового винта 7 передается кривошипному валу 3 в период настройки, а во время работы ДВС кривошипный вал 3 имеет возможность независимого вращения.

Для определения угла подъема шлиц, расположенных по винтовой линии на сопрягаемых поверхностях валов и втулок в предлагаемом ДВС, можно использовать следующую методику (фиг. 17).

Исходные данные (пример условный):
Р - сила осевая, перемещающая кривошипный вал 3 вдоль его оси;
Р_у - проекция этой силы Р на ось OY;
Р_х - проекция этой силы на ось ОХ;
F_тр - сила трения в шлицевом соединении F_тр = Р_х^. k, F_тр = Р_у;
k - коэффициент трения, мин.

Условия расчета: P_y > F_тр; k = 0,001.

Искомая величина: β - угол подъема винтовой линии, по которой размещены шлицы в шлицевом соединении шейки 4 и втулки 5.

Решение. Из треугольника (фиг. 17) имеем Р_х = P. sinβ ; P_y = cosβ .

При подстановке числовых данных имеем P cos β = P sinβ ^. 0,001.

= 0,001; β = arcctg 0,001 = 89^o4'.

Таким образом, искомый угол подъема винтовой линии, по которой расположены шлицы в шлицевом соединении, равен β = 89^о4'. Это максимально возможный угол подъема винтовой линии.

Для определения зависимости угла γ поворота эксцентриковой втулки 5 относительно величины осевого перемещения S шатунной шейки 4 режим треугольника ΔWTV, где R - радиус шатунной шейки 3. Катет VT = l представляет собой величину, равную части окружности, которую пройдет точка V₁ при повороте эксцентриковой втулки 5 на угол γ , т. е. VT = V₁T. Второй катет треугольника равен NT = S, где S - осевое перемещение шатунной шейки 4 при перестройке двигателя. Гипотенуза этого треугольника равна части винтовой линии, по которой расположены винтовые шлицы, ограниченной величиной S.

Искомый угол γ определяется углом подъема винтовой линии, по которой расположен винтовой шлиц, и величиной осевого перемещения S кривошипного вала 3.

Из треугольника ΔNTV имеем (фиг. 18):
_{=tgβ;l=TWtgβ=Stgβ=};
γ = = .

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия работает следующим образом.

В зависимости от условий эксплуатации автомобиля в ДВС возможно изменение объема камеры сжатия, т. е. расстояния между поршнем 16, находящимся в верхнем мертвом положении, и головкой цилиндра за счет изменения величины кривошипа при неизменном в радиальном направлении положения кривошипного вала 3 (фиг. 7-14). Изменять величину хода поршня для изменения степени сжатия горючей смеси и, следовательно, мощности ДВС можно как при движении автомобиля, так и во время его стоянки. При смене вида топлива перестройку ДВС на соответствующий этому виду топлива объем камеры сжатия производят следующим образом. При неработающем двигателе вращают ручку ходового винта 7 в ту или иную сторону. При этом кривошипный вал 3 перемещается вдоль своей оси (фиг. 1), а насаженная на шейку 4 кривошипного вала 3 эксцентриковая втулка 5 начнет проворачиваться относительно шейки 4 по винтовым шлицам на некоторый угол γ. Это приводит к изменению эксцентриситета Е кривошипного механизма, и, соответственно, к изменению величины хода поршня 16, к изменению объема камеры сжатия 18, и к изменению мощности двигателя за счет изменения степени сжатия.

Например, примем за начальное (исходное) положение кривошипно-шатунного механизма ДВС положение, когда камера сжатия имеет минимальный объем (см. фиг. 6, 8), при этом ход поршня максимальный, т. к. эксцентриситет Е кривошипа максимальный. При этом плоскость Z симметрии поворотной эксцентриковой втулки 5, проходящая через геометрический центр В этой втулки 5 перпендикулярно плоскости фиг. 7, и плоскость М симметрии шатунной шейки 4, проходящая через геометрический центр А шейки 4 перпендикулярно плоскости фиг. 7, совмещены (фиг. 7, 9).

Для уменьшения степени сжатия, т. е. для увеличения камеры сжатия, необходимо уменьшить длину кривошипа ОВ, изменив положение эксцентриковой поворотной втулки 5 относительно шатунной шейки 4.

На фиг. 10 показано, как под воздействием осевого перемещения кривошипного вала 3 изменяется величина эксцентриситета кривошипа. При провороте эксцентриковой втулки 5 относительно геометрической оси А шатунной шейки 4 на угол γ = 45^о плоскости симметрии шатунной шейки 4 и эксцентриковой втулки 5 (плоскости Z и М на фиг. 8) устанавливаются под углом друг к другу γ = 45^о. При этом длина кривошипа ОВ уменьшится на некоторую величину Δ E₄₅o, определяемую величиной угла γ.

Как видно из фиг. 10, камера сжатия (расстояние между поршнем 16, находящимся в верхнем мертвом положении, и головкой цилиндра 20) увеличится за счет уменьшения длины кривошипа. При работе двигателя точка В кривошипа будет вращаться вокруг оси 0 вала 3 уже по другой окружности (по окружности с другим радиусом, равным Е = ОВ, фиг. 11, 12).

Для последующего уменьшения степени сжатия нужно изменить угловое положение поворотной втулки 5 относительно шейки 4 путем сообщения кривошипному валу 3 осевого перемещения, например, от ходового винта 7. При установлении угла между плоскостями симметрии γ = 90^о камера сжатия увеличится по сравнению с исходным ее объемом (фиг. 13-15). При этом точка В кривошипа во время работы двигателя будет перемещаться по окружности с радиусом, отличным от предыдущего значения.

Таким образом можно изменять степень сжатия в ДВС при смене вида топлива.

При изменении атмосферного давления во время движения в горах степень сжатия можно менять во время движения автомобиля. Для этого необходимо иметь другой привод для сообщения кривошипному валу 3 осевого перемещения, например поршневой привод.

Другие операции при перестройке степени сжатия ДВС производятся аналогично вышеописанному.

Устойчивая работа предлагаемого двигателя на режимах с разной степенью сжатия обеспечивается системой согласования, содержащей согласующую шестерню 9, связанную с шестерней 11, установленной на распределительном валу 12. При изменении степени сжатия соответствующим образом изменяются режимы работы системы зажигания, работа клапанов и других узлов двигателя.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества: более высокую надежность за счет более простого конструктивного выполнения при реализации на четырехтактном, многоцилиндровом двигателе с обеспечением изменения степени сжатия. При этом отсутствует радиальное перемещение кривошипного вала, как в известном двигателе; возможность изменять степень сжатия в ДВС как при неработающем двигателе в случае изменения типа топлива (при переходе на другой вид топлива), так и во время работы двигателя (при изменении атмосферногоо давления при движении транспорта в горах); возможность плавного изменения степени сжатия с большой точностью в отличие от скачкообразного изменения по прототипу, возможность автоматизации процесса степени сжатия на ходу.

Использование: в области двигателестроения. Сущность изобретения: кривошипный вал установлен в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси под воздействием внешних сил, например от ходового винта, установленного соосно кривошипному валу. Эксцентриковая поворотная втулка снабжена боковыми упорами, контактирующими с корпусом двигателя. В шлицевом соединении поворотной эксцентриковой втулки и шатунной шейки шлицы размещены по винтовой линии. 1 з. п. ф-лы, 18 ил. , 1 табл.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ, содержащий корпус, выходной кривошипный вал, кривошипно-шатунный механизм, причем между шейкой выходного вала и кривошипной головкой шатуна установлена эксцентриковая втулка с возможностью поворота вокруг своей оси, отличающийся тем, что кривошипный вал установлен с возможностью осевого перемещения преимущественно приводом от соосно установленного ходового винта, кривошипная шейка выполнена с наружными, а эксцентриковая втулка - с внутренними винтовыми шлицами. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен шестерней привода вала газораспределения, установленной на носке кривошипного вала и образующей с последним шлицевое соединение, причем шлицы выполнены винтовыми.