ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/04 F02B75/32 

Изобретение относится к двигателестроению.

Известны двигатели внутреннего сгорания с крывошипно-шатунным механизмом, в котором радиус кривошипа равен половине хода поршня или несколько меньше половины хода поршня при смещении плоскости движения оси поршневого пальца от оси кривошипа (Ховах М.С. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1977, с. 337). Особенностью работы таких двигателей внутреннего сгорания является относительное постоянство крутящего момента в рабочем диапазоне угловых скоростей кривошипов - коэффициент приспособляемости для карбюраторных двигателей находится в пределах 1,25-1,35, для дизельных двигателей - 1,05-1,15. Невысокое значение КПД из-за больших механических потерь при высоких скоростях движения поршня, нагруженности пары трения поршень-зеркало цилиндра, сложности рабочих процессов в камерах сгорания путем оперативного изменения нагрузок на поршень, изменения его скорости, жесткой зависимости между фазами рабочего цикла в цилиндре и угловыми перемещениями кривошипа.

Известен двигатель внутреннего сгорания (патент США N 4124002, кл. F 02 B 75/40, опубл. 1978), содержащий цилиндр, внутри которого установлен поршень, связанный с кривошипом, радиус которого равен половине хода поршня за цикл, посредством пальцев и шатуна, выполненного в виде пневмогидроцилиндра, внутренние полости которого соединены с внешними источниками изменения давления жидкости (масла) каналами в теле кривошипа и элементах пневмогидроцилиндра. Ось вращения кривошипа расположена под камерой сгорания. Отличием в работе этого двигателя от работы двигателя с жестким шатуном является переменная степень сжатия за счет изменения длины шатуна пневмогидроцилиндра на части хода поршня, но в пределах высоты камеры сгорания при нахождении поршня в верхней мертвой точке. Двигателю присуща жесткая зависимость между ходом поршня и угловым положением кривошипа, как следствие значение коэффициента приспособляемости находится в тех же пределах, что и для двигателей с жестким шатуном, относительно невысокое значение КПД из-за высоких значений механических потерь в двигателе, сложности оптимизации рабочего процесса в камерах сгорания оперативным регулированием нагрузок на поршень, его скорости.

Кроме того, известен двигатель внутреннего сгорания, взятый в качестве прототипа, состоящий из цилиндра с размещенным в нем поршнем с пальцами, расположенными в продольных прорезях цилиндра, симметрично относительно продольной оси последнего, и кривошипы, связанные с пальцами при помощи шатунов, выполненных составными в виде цилиндра с нерегулируемыми пружинно-резиновыми упругими элементами. Ось вращения кривошипов расположена над камерой сгорания. Радиус кривошипа равен половине хода поршня за оборот кривошипа.

К недостаткам двигателя относится: жесткая зависимость между фазами рабочего цикла в цилиндре и угловыми перемещениями кривошипа, приводящая к сложности оптимизации рабочего процесса в камерах сгорания при различных нагрузочных режимах с целью обеспечения более высоких значений КПД, снижения токсичности отработанных газов за счет оперативного изменения нагрузок на поршень, его скорости; конструктивная сложность двигателя из-за необходимости размещения оси вращения кривошипов над камерой сгорания.

Цель изобретения - повышение КПД двигателя внутреннего сгорания за счет изменения конструктивной схемы кривошипно-шатунного механизма, устранения жесткой зависимости между фазами рабочего цикла в цилиндрах от угловых перемещений кривошипа, оперативного изменения нагрузок на поршень, скорости движения поршня.

Поставленная цель достигается тем, что в известном двигателе, содержащем цилиндр, размещенный в нем поршень с пальцами, размещенными в продольных прорезях цилиндра симметрично последнему, и кривошипы, связанные с пальцами при помощи шатунов, выполненных составными в виде пневмогидроцилиндров, ось вращения кривошипа расположена между мертвыми точками поршня, а отношение радиуса кривошипа к ходу поршня составляет 0,51-3,5 хода поршня.

Новым по сравнению с прототипом является выполнение радиуса кривошипа в диапазоне от 0,51 до 3,5 хода поршня, размещение оси вращения кривошипов под камерой сгорания. Эти признаки отвечают критерию "существенные признаки", так как приведенный патентный поиск и поиск по научно-технической литературе не выявил подобных признаков для достижения поставленной цели.

На фиг. 1 представлен двигатель (разрез Б-Б на фиг. 2); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема работы двигателя и прототипа; на фиг. 4 - графики зависимостей изменения отношения степени сжатия газа в шатунах-пневмогидроцилиндрах к степени сжатия газа при начальных положениях шатунов-пневмогидроцилиндров за рабочий цикл при различных значениях отношения r/S_n; на фиг. 5 - зависимости изменения крутящего момента, его плеча, степени сжатия газа в шатунах-пневмогидроцилиндрах при различных значениях отношения r/S_n; на фиг. 6 - относительные значения крутящего момента, его плеча, степени сжатия газа в шатунах-пневмогидроцилиндрах от изменения начального положения кривошипов; на фиг. 7 - скоростная характеристика двигателя в относительных величинах.

В таблице приведены фазы рабочих циклов в цилиндре прототипа и рассматриваемого двигателя и соответствующие им угловые положения кривошипов на примере, когда начальное положение кривошипов определяется углом в 60^о рассматриваемого двигателя.

Двигатель (фиг. 1 и 2) состоит из цилиндра 1, внутри которого установлен поршень 2, связанный с кривошипами 3 посредством шатунов 5 и пальцев 4, закрепленных в поршне 2 и расположенных в направляющих пазах-прорезях 6, выполненных в цилиндре 1 симметрично его осям симметрии, радиус (r) 7 кривошипов 3 выполнен в диапазоне от 0,51 до 3,5 хода 8 поршня 2, а конкретно в приведенной схеме r/S_n = 0,81. Поршень 2 выполнен двустороннего действия с образованием в цилиндре 1 левой камеры 10 сгорания и правой камеры 11, расположенных по обе стороны от оси вращения кривошипов 3. Шатуны 5 выполнены в виде пневмогидроцилиндров, состоящих из цилиндра 12 и поршня 13 одностороннего действия. В теле кривошипов 3 и поршне 13 выполнены каналы 14 для изменения начального давления (p_o) рабочего газа, например азота, во внутренних полостях 15 пневмогидроцилиндров, образованных поршнем 13 в цилиндрах 12. Изменение начального давления рабочего газа производится от внешних источников (не показаны) рабочим же газом-азотом известными методами. Для равномерного вращения кривошипов 3, размещенных симметрично относительно продольной оси цилиндра 1, кривошипы 3 выполнены заодно с маховиками 16. Согласующий механизм, служащий для синхронизации угловых скоростей маховиков 16, состоит из зубчатых венцов 17 маховиков 16, соединенных с зубчатыми колесами 18, закрепленными на валу 19, установленном в подшипниках 20 корпуса 21 двигателя. В цилиндре 1 выполнены продувочные окна 22 для подачи воздуха в камеры сгорания 10 и 11 от нагнетателя (не показан) и выпускные окна 23 для выпуска отработанных газов - поперечно петлевая схема продувки цилиндров рассматривается в приведенном примере как наиболее простая, для наглядности. В направляющих пазах 6 установлены плоские подшипники скольжения 24.

Двигатель работает следующим образом.

Рассмотрим общий случай (фиг. 3), когда поршень 2 находится в левой мертвой точке левой камеры сгорания 10 - начало первого такта. Кривошип 3 вращается по часовой стрелке с постоянной угловой скоростью ω_к. При отсутствии нагрузки кривошипа 3 со стороны, например, трансмиссии он занимает угловое положение, соответствующее точке XII на окружности, длина шатуна 5 при этом имеет максимальную величину (шатун 5 в этом угловом положении не показан). При действии на кривошип 3 момента сил сопротивления M_ci, направленного против направления вращения кривошипа 3, на плече 7, равного r, возникает сила Р_сi. Под воздействием этой силы происходит перемещение кривошипа 3 из его углового положения, определяемого точкой XII на окружности, на угол, например, равный α_oв точке VIII на окружности. Угол α_o характеризует начальное угловое положение кривошипа 3, когда поршень 2 находится в левой или в правой мертвой точке соответствующих камер сгорания 10 и 11 и определяется между продольной осью кривошипа 3 и продольной осью поршня 2. При перемещении кривошипа 3 на угол α_o одновременно происходит перемещение на угол β и сжатие шатунов 5 до тех пор, пока сила Р_сi не уравновесится нормальной к плечу 7 составляющей R_ni реакции R_i шатуна 5, например, в угловом положении α_o = 60^о, шатун 5 сжимается силой Р_cRi. Реакция шатуна 5-пневмогидроцилиндра равна R_i = P_cRi, или
R_i = p_o x ε_пгцi^п x F_пгц = P_cRi, где p_o - давление рабочего газа в полостях 15, когда длина шатуна 5 имеет максимальную величину, шатун 5 находится в начальном угловом положении кривошипа 3;
ε_пгцi - степень сжатия рабочего газа во внутренних полостях 15 пневмогидроцилиндров, определяемая положениями поршня 13 в цилиндре 12 и максимальным рабочим ходом поршня 13;
n - показатель политропы сжатия (расширения) газа;
F_пгц - площадь поршня 13. Реакция R_i действует как на кривошип 3, так и на палец 4 поршня 2. Составляющие реакции R_i на кривошипе 3:
- нормальная к плечу 7 - R_ni, уравновешивает силу P_ci,
- тангенциальная составляющая R_ti. Составляющие реакции R_i на пальце 4 поршня 2:
R_xi - составляющая, действующая вдоль направления движения поршня 2;
R_yi - нормальная к поверхности направляющих пазов 6 составляющая реакции R_i, воспринимаемая плоскими подшипниками скольжения 24.

При этом полностью разгружаются от действия нормальных сил и реакций кроме сил инерции, пара трения поршень 2 - зеркало цилиндра 1. На поршень 2 действуют: давление рабочих газов - продуктов сгорания топлива, сила Р_гi, сила инерции поступательно движущихся масс - P_±ji, сумма этих сил P_(г±j)i.

Составляющая R_xi за рабочий ход поршня 2 направлена как против действия суммы сил P_(г±j)i, так и совпадает по направлению с ней - участки хода поршня 2 на фазах окончания расширения газов, продувки цилиндра 1.

На кривошипе 3 под воздействием реакции R_i на плече h_i - расстояние между направлением действия вектора реакции R_i и осью вращения 9 кривошипа 3 - возникает крутящий момент М_крi, уравновешивающий момент сил сопротивления М_сi в угловом положении α_o. М_крi пропорционален начальному давлению и степени сжатия газа в полостях 15, радиусу 7 кривошипа 3 - r - и зависит от пространственного положения кривошипа 3 и поршня 2 относительно оси вращения 9, определяемого углами α и β .

Перемещение поршня 2 из левой мертвой точки к правой (фиг. 3) под воздействием давления расширяющихся продуктов сгорания определяет фазы рабочего цикла (см. таблицу 1), на примере, когда α^o = 60^о.

Сгорание топлива и расширение продуктов сгорания - точки О ... VII хода поршня 2 - соответствуют повороту кривошипа 3 на угол между точками VIII-XV на окружности (на фиг. 3 условно принято, что кривошипы 3 являются общими как для рассматриваемого двигателя, так и для прототипа). При достижении выпускных окон 23 (фиг. 2) - точка VII хода 8 поршня 2 и точка XV на окружности - начинается выпуск отработанных газов, при открытии продувочных окон 22 начинается продувка цилиндра 1 и продолжение выпуска отработанных газов - точки VIII-XII и точки XV-XX на окружности - конец первого такта. Одновременно с началом движения поршня 2 из левой мертвой точки - точка О на ходе 8 поршня 2 - к правой мертвой точке - XII - в правой камере сгорания 11 происходит второй такт рабочего цикла: продолжение выпуска отработанных газов от предыдущего цикла по первому такту, продувка и наполнение воздухом цилиндра 1 - точки О-II хода 8, точки VIII-X на окружности, - закрытие при подходе к точке III от точки II выпускных 23 и продувочных 22 окон. Сжатие воздуха, впрыск топлива, его воспламенение и начало горения - точки II-XII хода 8 и точки X-XX на окружности - окончание второго такта в правой камере сгорания 11. При движении поршня 2 из правой мертвой точки - точка XII - в левую последовательно происходит второй такт в левой камере сгорания 10 и первый такт в правой камере сгорания 11.

При воздействии на кривошипы 3 момента сил сопротивления М_ci, по направлению действия совпадающего с направлением вращения кривошипов 3 (по часовой стрелке), происходит отклонение от начального положения кривошипов 3; например, на угол α_o = - 45^о, при этом на кривошипах 3 возникает отрицательный крутящий момент - М_крi, по направлению действия противоположный моменту сил сопротивления М_сi и направлению вращения кривошипов 3: двигатель работает в тормозном режиме.

Для рассматриваемого двигателя предпочтителен двухтактный цикл. В предлагаемом двигателе за счет исполнения радиуса (r) 7 кривошипов 3 в диапазоне от 0,51 до 3,5 хода 8 поршня 2 исполнение шатуна 5 в виде пневмогидроцилиндра позволяет поршню 2 и кривошипу 5 занимать различные пространственные положения относительно оси вращения 9, чем изменять как величину плеча h_i реакции R_i, так и саму реакцию R_i и соответственно крутящий момент М_крi. Величина свободного углового хода кривошипа 3 относительно его начального положения может достигать 180^о и более: от +90^о до -90^о.

На фиг. 4 приведены зависимости изменения отношения текущего значения степени сжатия газа в пневмогидроцилиндре к его значению в начальном положении кривошипа 3 ε_пгцi/ε_пгцо от отношения r/S_n на примере, когда α_o = 60^о. При малых значениях r/S_n, например 0,6, достигаются высокие степени сжатия на угловом положении кривошипа в 120^о, более чем в 23 раза превышающие степень сжатия газа в пневмогидроцилиндре при начальном положении кривошипа ε_пгцо. Уменьшение отношения r/S_n менее чем 0,51 приводит к чрезмерному повышению давления газа в пневмогидроцилиндрах, что может привести к разрушению деталей, снижению надежности в работе двигателя. При увеличении отношения r/S_n > 3,5 степень сжатия газа в пневмогидроцилиндре повышается незначительно, преобразовательные функции кривошипно-шатунного механизма резко снижаются. Конструкция двигателя с отношением r/S_n > 3,5 получается неработоспособной. Рабочим является диапазон отношения r/S_n от 0,51 до 3,5. Конкретное соотношение между радиусом (r) 7 и ходом (S_n) 8 - выбирается в указанном диапазоне в зависимости от назначения двигателя.

На фиг. 5 приведены зависимости изменения крутящего момента М_крi, плеча h_срi крутящего момента М_крi, степени сжатия ε_пгцi газа в пневмогидроцилиндре, средние их значения за оборот кривошипов 3 при изменении отношения r/S_n от 0,51 до 3,5 на примере двигателя с площадью поршня 113 см², при ходе (S_n) 8 = 180 мм, начальном давлении газа в пневмогидроцилиндре p_o = =10 кГс/см², при характере изменения скорости поршня 2, приведенном в примере на фиг. 3, начальном угле поворота кривошипов 3 α_o= 60^о. Крутящий момент М_крi с уменьшением r/S_nвозрастает.

По приведенным зависимостям можно обозначить границы применимости рассматриваемого двигателя с различными r/S_n, например и условно: для тракторных двигателей r/S_n = 0,51-1,5, для автомобильных r/S_n = 1,5-2,00, для двигателей легковых автомобилей r/S_n = 1,8-3,5.

На фиг. 6 представлены расчетные зависимости крутящего момента - М_крi, плеча h_срi, степени сжатия газа в пневмогидроцилиндре - ε_пгцi, отнесенные к соответствующим значениям при α_o = 0^о, при изменении начального углового положения кривошипов 3 - угла α при r/S_n = 1,89. По мере увеличения угла α_o, от его значения при α_o= 0^о, при увеличении момента сил сопротивления М_сi, все эти величины возрастают, достигая максимума при α_o = 90^о.

На фиг. 7 представлена внешнескоростная характеристика двигателя: М_крi, N_i в относительных величинах, когда М_крi и N_i равны единице при максимальных частотах вращения кривошипов 3 n_макс. Крутящий момент М_крiпо мере уменьшения относительной частоты вращения кривошипов n_i/n_максувеличивается до значений, определяемых устойчивой минимальной частотой вращения кривошипов. При этом крутящий момент рассматриваемого двигателя более чем в шесть раз превышает крутящий момент при максимальной частоте вращения кривошипов n_i/n_макс = 1,0.

Мощность рассматриваемого двигателя N_i минимальна при максимальной частоте вращения кривошипов 3 и по мере снижения частоты вращения кривошипов 3 увеличивается, достигая максимума при r/S_n = =0,5, затем со снижением частоты вращения кривошипов 3 уменьшается.

Соответствие данной внешнескоростной характеристики рассматриваемого двигателя идеальным требованиям к источнику энергии для машин, транспортных средств, работающих при резкопеременных значениях сопротивления выполнению полезной работы, выше, чем, например, у двухвальной газовой турбины при одновременно более высоких значениях КПД. Приведенные зависимости для рассматриваемого двигателя являются автоматическими, обеспечиваемыми конструкцией двигателя, особенностью его кривошипно-шатунного механизма, эти зависимости становятся выше при применении регулирования начального давления газа во внутренних полостях пневмогидроцилиндров - 15, т.е. введением канала изменения параметров работы двигателя, к автоматическому изменению крутящего момента добавляется его автоматизированное регулирование. Крутящий момент в этом случае может как увеличиваться, так и уменьшаться пропорционально изменению начального давления газа во внутренних полостях пневмогидроцилиндров - пунктирные линии. Диапазон изменения крутящего момента значительно расширяется. Запас крутящего момента, оцениваемый коэффициентом приспособляемости, достигает 3,5 и более.

В таблице представлены соответствия фаз рабочего процесса в цилиндре угловым положениям кривошипа прототипа и рассматриваемого двигателя, объяснение которой приведено в описании работы двигателя.

На основании изложенного предлагаемый двигатель обладает по сравнению с прототипом следующими преимуществами.

Отсутствие жесткой зависимости между фазами рабочего процесса в цилиндре и угловыми перемещениями кривошипов позволяет: получить внешнескоростную характеристику двигателя, близкую к гиперболической; устранить явление прозрачности кривошипно-шатунного механизма к пиковым значениям сил сопротивления, например, от трансмиссии, аккумулированием энергии пиковых нагрузок в шатунах-пневмогидроцилиндрах; нагружать детали кривошипно-шатунного механизма в основном пульсирующими нагрузками, что увеличивает прочностные свойства материала этих деталей; получить более высокие значения крутящего момента за оборот кривошипов, снизить частоту вращения кривошипов, инерционные нагрузки на детали двигателя.

Использовать два канала управления режимами работы двигателя: подача топлива и изменение начального давления газа во внутренних полостях пневмогидроцилиндров, чем обеспечивать работу двигателя на более высоких значениях КПД, с минимальными выбросами вредных веществ с выхлопными газами.

Более простой конструкцией двигателя, а повышение литровой мощности сокращает и количество деталей двигателя.

Изобретение реализуется следующим образом.

В зависимости от требуемого мощностного режима работы двигателя, требуемой внешнескоростной характеристики на основании конструктивной схемы предлагаемого двигателя (фиг. 1 и 2) выбирается диаметр цилиндра и ход поршня, отношение радиуса кривошипов к ходу поршня r/S_n в диапазоне от 0,51 до 3,5 (фиг. 4 и 5) с учетом назначения двигателя для установки на трактор, грузовой автомобиль и т.п. При выборе параметров двигателя необходимо иметь в виду, что предлагаемая конструкция двигателя позволяет реализовывать значительные по абсолютному значению мощности от одного модуля в составе одного цилиндра и одного поршня до 600 и более кВт при 1000 рабочих циклах в минуту, так как нет ограничений по геометрическим параметрам двигателя, его кривошипно-шатунного механизма, диаметра цилиндра и хода поршня, присущих двигателям с r/S ≅ 0,5.

Внешнескоростная характеристика двигателя (фиг. 7), обеспечиваемая рассматриваемым двигателем при постоянном начальном давлении газа во внутренних полостях пневмогидроцилиндров, регулируется в необходимом диапазоне изменением этого давления через систему каналов в телах кривошипов, штоков (фиг. 1 и 2) от внешнего источника изменения давления газа.

Использование предлагаемого двигателя в народном хозяйстве позволит получить экономический эффект как при производстве двигателей за счет сокращения трудо- и материалоемкости его изготовления на единицу мощности, так и в эксплуатации за счет сокращения удельного расхода топлива, повышения производительности автотранспортных средств, других машин и механизмов за счет автоматизации управления режимами работы двигателя, внешнескоростной характеристики двигателя - повышения скорости выполнения полезной работы.

Использование: в машинах, транспортных средствах при резкопеременном характере изменения сил сопротивления выполнению полезной работы. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2 с пальцами 4, размещенными в продольных прорезях цилиндра 11 симметрично оси последнего, и шатуны в виде пневмогидроцилиндров. Ось вращения 9 кривошипов 3 расположена между мертвыми точками поршня 2. Отношение радиуса 7 кривошипов 3 к ходу 8 поршня 2 составляет 0,51 - 3,5. При работе двигателя задающими параметрами, кроме подачи топлива, являются момент сопротивления на кривошипе 3, отклоняющий шатун от его нормального положения и изменяемое начальное давление газа в пневмогидроцилиндрах. Достигаются повышение КПД двигателя и изменение крутящего момента по зависимости, близкой к гиперболической. Коэффициент приспособляемости возрастает до 3,5 и выше. Достигается также постоянство мощности в рабочем диапазоне вращения кривошипов. 7 ил., 1 табл.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень с пальцами, расположенными в продольных прорезях цилиндра, симметрично относительно оси последнего, и кривошипы, связанные с пальцами при помощи шатунов, выполненных составными в виде пневмогидроцилиндров, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, ось вращения кривошипов расположена между мертвыми точками поршня, а отношение радиуса кривошипа к ходу поршня составляет 0,51 - 3,5 хода поршня.