УСТРОЙСТВО К КРИВОШИПНОМУ МЕХАНИЗМУ ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ТОЧНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЕГО СТЕПЕНИ СЖАТИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B75/04 F02D15/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателю внутреннего сгорания с автоматически на ходу изменяемой степенью сжатия и наивысшим, насколько позволяют детонационные свойства топлива, давлением и температурой сжатия рабочей смеси, на широких нагрузочных и скоростных режимах его работы.

Двигатель предназначен для установки на грузовые автомобили и является усовершенствованием изобретения, описанного в патенте РФ N 2037632, кл. F 02 B 75/04, 1995 г.

В описании изобретения по патенту РФ N 2037632 двигатель представлен звездообразным, четырнадцатицилиндровым, с воспламенением топлива от сжатия, предназначенный для установки на тяжелые виды транспорта, в частности на суда различного назначения.

Усовершенствование двигателя заключается в том, что его кривошипный механизм, будучи выполнен сo специальным регулирующим степень сжатия устройством, которое представляет неотъемлемую его часть, в отличие от основной конструкции по вышеуказанному патенту, представляет из себя высокооборотную, шестицилиндровую машину более легкого типа, снабженную турбокомпрессором, с внешним карбюраторным смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси в цилиндрах электрической искрой.

Задачей настоящего изобретения является увеличение мощности и экономичности двигателя на широких диапазонах его нагрузок, на различных видах легкоиспаряемого топлива, с различным октановым его числом, включая газ, а также синтетические их виды.

Поставленная задача решается тем, что устройство к кривошипному механизму двигателя для точного регулирования степени сжатия, содержащее кривошипный вал, поршни с шатунами, работающие на кривошипный вал, маховики и зубчатые венцы, расположенные в эксцентричных корпусах, торсион, размещенный внутри пустотелого кривошипного вала, причем торсионные шестерни входят в зацепление с зубчатыми венцами, а маховики связаны между собой кривошипным валом, согласно изобретению содержит регуляторный вал, который в своей задней части с помощью кривошипа шарнирно сцеплен по направляющим параллелям с маховиком, а ленточной резьбой - с его эксцентричным корпусом и в своей передней части посредством шлиц - с ведущей шестерней газораспределительного механизма, где через упорный подшипник воздействует на передвижение поршня регулятора, расположенного в цилиндрическом корпусе, а от поршня регулятора - через рычажную систему на срабатывающее устройство для ограничения подачи дроссельной заслонкой рабочей смеси, при этом одновременно поршнем регулятора сжимается спиральная нагрузочная пружина, а непосредственное точное регулирование степени сжатия осуществляется определенным давлением сжатого воздуха, который подается в надпоршневое пространство регулятора.

При работе двигателя на частичных нагрузках, а именно на них большую часть своего времени и работает автомобиль, даже при полной своей загруженности, когда поступление рабочей смеси в его цилиндры ограничено сопротивлением дроссельной заслонки карбюратора, двигатель работает на высоких степенях сжатия, на которых малые порции рабочей смеси сжимаются до таких же давлений и температур, как и на больших нагрузках, и развиваемая ими энергия при рабочих ходах будет максимально высокой.

При переходе двигателя на более высокие нагрузки во избежание появления детонации от поступления в цилиндры большего количества рабочей смеси в связи с большим открытием дроссельной заслонки карбюратора и работой турбокомпрессора степень сжатия двигателя соответственно уменьшается.

Уменьшение степени сжатия в двигателе происходит за счет того, что его поршни при увеличении нагрузки, т.е. от величины крутящего момента, на некоторое количество миллиметров уменьшают длину своих ходов.

Это обстоятельство используется как положительное явление для установки двигателю более высоких оборотов за счет уменьшения средней скорости движения поршней, но при всем этом рабочей смеси в его цилиндры турбокомпрессором будет вводиться больше.

Наивысшая степень сжатия двигателю устанавливается около десяти, а наинизшая около четырех единиц, в пределах которых и происходит автоматическое ее регулирование.

Основное регулирование степени сжатия осуществляется работой самого кривошипного механизма, но это регулирование у двигателя с внешним смесеобразованием не может обеспечить максимальной точности давления и температуры сжатия рабочей смеси, да еще применительно к топливам с различным октановым числом. Для того чтобы осуществить точное регулирование степени сжатия двигателя, служит как вспомогательное, но необходимое к кривошипному механизму дополнительное корректирующее устройство, т.е. специальный регулятор.

Этот регулятор служит также и для ограничения числа оборотов двигателя сверх допустимой нормы.

В силу необходимости, иначе невозможно будет понять действие всего этого корректирующего степень сжатия двигателя регулятора, он рассматривается вместе с устройством и работой всего двигателя, как неотъемлемая его часть.

На фиг. 1 изображено все корректирующее степень сжатия двигателя устройство, встроенное в переднюю часть его кривошипного механизма.

На фиг. 2 изображен передний вид двигателя, который выполнен звездообразной формы и является четырехтактной машиной с расположенным в его передней части корректирующим степень сжатия устройством.

Внутри тоннельного блока двигателя расположен эксцентричный корпус 4, который вращается на роликовом 5 подшипнике (фиг. 1). В центр этого корпуса ввинчен по ленточной резьбе имеющий крупный шаг и левое направление этой резьбы (при правостороннем, если смотреть спереди, вращении кривошипного механизма двигателя) регуляторный вал 1, который центрируется в подшипнике 2, состоящем из двух полуколец, удерживаемых от продольного смещения специальным стопорным кольцом в центре подшипника.

В самом эксцентричном корпусе расположен сидящий на шпонках венец 6, который имеет внутренние зубья, а также вставлен маховик 8. После того как маховик будет поставлен на место, через специальные отверстия в эксцентричном корпусе между ними в образовавшийся канал вставляются шарики 11 и все это завинчивается пробками 12.

Маховик 8 и зубчатый венец 6 расположены в своем корпусе 4 не по его центру, а по отношению к нему с некоторым эксцентриситетом. Весь этот узел в собранном состоянии напрессовывается при сборке двигателя маховиком по шпонке на конец кривошипного вала 9, который выполнен пустотелым и на котором размещены подшипники, с которыми соединяются шатуны поршневых групп, а также противовес для их уравновешивания. Противовес имеется также и на эксцентричном корпусе 4 и в своем взаимодействии они обеспечивают правильную балансировку всего кривошипного механизма.

Расположенный внутри корпуса 4 зубчатый венец 6 своими внутренними зубьями входит в зацепление с зубьями торсионной шестерни 13.

Внутри пустотелого кривошипного вала 9 находится работающий на скручивание торсион 10, представляющий из себя стержень, изготовленный из легированной стали, выдерживающей нагрузки крутящего момента.

Маховик 8 силой давления смазочного масла, создаваемой на относительно большую свою площадь из внутренней части эксцентричного корпуса, в котором он расположен, как поршень прижимается к передней его части через вставные упорные шарики 11, которые образуют внутренний упорно-радиальный подшипник. Благодаря такому плотному контакту ликвидируется зазор между маховиком 8 и эксцентричным корпусом 4, которые во время работы представляют из себя как бы плотный единый узел, выдерживающий большие нагрузки, но в то же время способный по шарикам легко разворачиваться.

В передней части маховика расположено масляное кольцо 7, которое препятствует выходу смазочного масла через зазор из внутренней части корпуса 4.

Противоположная часть этого кривошипного механизма имеет аналогичное устройство, только эксцентричный корпус оканчивается муфтой сцепления для снятия с него мощности и имеется ограничитель хода маховика в его развороте. Аналогичное венцу 6 и торсионной шестерни 13 зацепление имеет другое передаточное число, т. е. выполненная за одно целое с торсионом шестерня значительно меньшего диаметра.

Регуляторный вал 1, входящий своей ленточной резьбой в зацепление с эксцентричным корпусом 4, в своей задней части оканчивается кривошипом 3, которым он входит в специальный паз маховика 8.

Этот паз представляет из себя по бокам направляющие параллели, по которым кривошип 3, шарнирно сцепленный с маховиком, при развороте последнего в корпусе 4 может смещаться вперед, ввинчиваясь далее по резьбе в эксцентричном корпусе всем регуляторным валом 1.

Кривошип 3 в своей задней части заканчивается конусом и при его смещении вперед освобождается конусообразное пространство паза для свободного разворота маховика в своем эксцентричном корпусе.

В своей средней части регуляторный вал 1 имеет шлицы, на которых сидит ведущая шестерня 14, приводящая в действие посредством промежуточных шестерен весь газораспределительный механизм двигателя и все вспомогательные системы.

Передний конец регуляторного вала вращается во втулке 15 крышки газораспределительного механизма, по которой он также имеет и осевое смещение, сжимая через упорный подшипник 16 и поршень 17 спиралеобразную пружину 18, которая установлена в цилиндрическом корпусе 19 регулятора, привернутом к крышке газораспределительного механизма.

Дополнительно к натяжению пружины 18 на поршень 17 в определенное время действует еще сила давления сжатого воздуха, который поступает через штуцер 20. Сам поршень имеет компрессионные кольца.

В боковой части поршня 17 имеется отверстие, в которое входит своей шарообразной частью конец рычага 21, корпус которого привернут к цилиндрическому корпусу 19. Рычаг 21 через второй выводной рычаг воздействует на тягу 22, которая передает свое усилие рычагу 23, пружина которого 24 удержит всю ту эту систему в натянутом состоянии.

Рычаг 23 через штангу 25 ограничивает излишнее открытие дроссельной заслонки карбюратора, за которым последовала бы уже детонация рабочей смеси, а открытие ее ограничено движением штанги 26, которая расположена внутри штанги 25 в зоне действия зазора А.

Преодолев этот зазор, а в это время двигатель работает на холостом ходу и некоторых нагрузках, штанга 6 уже не дает рычагу 27 управления дроссельной заслонкой карбюратора 28 открыть ее на большую величину, так как тяга 29, которая управляет ее открытием, выполнена в форме компенсатора и она просто разжимается, сколько бы не нажимали на педаль акселератора.

Карбюратор-смеситель 28 установлен на кольцеобразном коллекторе 30, на котором имеется также канал 31 для подвода в двигатель охлаждающей жидкости.

На фиг. 2 изображен вид двигателя спереди, степень сжатия которого корректируется рассматриваемым устройством, т.е. корректирующим регулятором.

В его тоннельном блоке под углом 120^o расположены двухрядные цилиндропоршневые группы 32, имеющие шесть цилиндров по своей звездообразной окружности. Все поршни через пальцы и шатуны работают на общий кривошипный вал 9. Шатуны двух нижних цилиндров, пройдя во время сборки через цилиндровые втулки, соединяются с подшипниками на кривошипном валу двумя пальцами 33, образуя единые узлы, главные шатуны. Шатуны верхних рядов соединяются одним пальцем, т.е. шарнирно, как и принято для всех звездообразных двигателей.

Кривошипный вал 9 во время своей работы в зависимости от развиваемого крутящего момента, т.е. нагрузки, может изменять свой радиус, чем и достигается установка необходимой степени сжатия, так как при этом изменяется длина ходов поршней.

Корректирующий степень сжатия регулятор установлен на крышке газораспределительного механизма и через рычажную систему воздействует на дроссельную заслонку карбюратора 28 для поддержания точного соответствия между установившейся степенью сжатия двигателя и количеством рабочей смеси, поступающей в его цилиндры. Кроме карбюратора в развале блоков цилиндров установлен турбокомпрессор 38 и другие приборы, необходимые для работы двигателя.

Внутри блока двигателя по его окружности расположены также три распределительных вала 35, на каждый ряд цилиндров по одному, которые управляют действиями клапанов и других вспомогательных механизмов. Имеется разветвленная система выхлопных 36 и всасывающих 37 патрубков и труб.

Сам двигатель установлен на раме 34 автомобиля обычным способом.

Действия двигателя с корректирующим степень сжатия регулятором происходит так (см. фиг. 1). При работе двигателя на холостом ходу и небольших нагрузках, когда поступление рабочей смеси в его цилиндры ограничено сопротивлением дроссельной заслонки, он работает на высоких степенях сжатия.

В это время водитель не может открыть дроссельную заслонку карбюратора выше нормы, за которой началась бы уже детонация ввиду того, что ограничительное устройство в штангах 25 и 26, то есть зазор А, не позволяет этого сделать.

При увеличении же нагрузки двигателя этот зазор будет пропорционально увеличиваться, так как связан рычажной системой с поршнем 17 регулятора, который под действием регуляторного вала 1 пойдет вперед, сжимая пружину 18 и давая возможность дроссельной заслонке карбюратора 28 открываться на более большую величину.

Следует отметить, что во время работы двигателя на любых его нагрузках зазор А в штангах 25 и 26 полностью никогда и не выбирается, и водитель управляет дроссельной заслонкой карбюратора с некоторым запасом этого зазора. Лишь в экстремальных случаях, как-то при работе на холостом ходу, при движении автомобиля с уклона, когда возможно увеличение открытия дросселя нормы, быстрое увеличение газа и т.д., ограничительное устройство немедленно вступает в действие, предотвращая детонацию.

Ввиду того, что рассматриваемая передняя половина кривошипного механизма двигателя по основным деталям является зеркальным отображением его задней половины, мы под одной позицией какой-либо детали, обозначенной цифрой, рассматриваем их как бы две, переднюю и заднюю.

Итак, маховики 8, связанные между собой общим кривошипным валом 9, на котором работают шатунно-поршневые группы обоих цилиндровых рядов, расположены в своих эксцентричных корпусах 4, в положении наивысшей степени сжатия и вращаются вместе с ними. В это время радиус от центра кривошипного вала 9 до геометрического центра корпуса 4 будет наибольшим и ходы поршней будут наибольшими.

Крутящий момент от кривошипного вала 9 через маховики 8 на эксцентричные корпуса 4, а от корпуса задней половины и на полезное сопротивление передается через зубчатые зацепления торсионных шестерен 13 с венцами 6. Зубцы этих зацеплений выполняет роль шпонок, т.е. шестерни по венцам развернуться не могут, так как заклинены различными передаточными числами в передней и задней половинах кривошипного механизма двигателя и для их разворота требуется приложение значительных усилий, чтобы на некоторый угол закрутить работающий на скручивание упругий элемент-торсион 10.

При увеличении нагрузки на двигатель одновременно с увеличением подачи рабочей смеси в цилиндры возрастает сила торможения на эксцентричный корпус в задней половине кривошипного механизма двигателя, который непосредственно соединен с муфтой сцепления.

Через зубчатое зацепление его торсионной шестерни с муфтой крутящий момент передается по торсиону 10 на зубчатое зацепление торсионной шестерни 13 с венцом 6 передней половины кривошипного механизма.

Так как шестерня 13 имеет больший диаметр и число зубьев по отношению к противоположной шестерне, то она стремится развернуть свой эксцентричный корпус 4 против вращения маховика 8 быстрее корпуса задней половины, но этому препятствуют усилия возникающего для нее сопротивления самого корпуса 4.

Ведь корпус должен тогда преодолеть своей эксцентриситет, да и вообще деформировать весь кривошипный механизм, и поэтому оба корпуса отстают одновременно, а из-за разности в передаточных числах торсионных шестерен закручивается на определенный угол своей закрутки торсион 10.

Торсион и создает основной тормозной эффект развороту маховиков 8 в эксцентричных корпусах 4 для уменьшения радиуса кривошипного вала 9, а следовательно, и степени сжатия.

Одновременно с отставанием в своем вращении эксцентричных корпусов 4 по отношению к маховикам 8 при увеличении нагрузки двигателя регуляторный вал 1, будучи сцеплен с маховиком 8 щеками своего кривошипа 3, своей ленточной резьбой левого направления ввинчивается в носовую часть корпуса и идет вперед. Своими шлицами вал скользит внутри ведущей шестерни 14, которая вращается от маховика через сам вал 1, а своей передней частью смещается по втулке 15 и через упорный подшипник 16 смещает поршень 17, который сжимает пружину 18. Пружина служит дополнительной нагрузочной силой в помощь торсиону 10, но действует через регуляторный вал 1 на эксцентричный корпус 4 благодаря резьбе левого направления в нем как тормоз в противоположном от его отставания от маховика 8 направлении, что в значительной степени снижает сопротивление на его разворот.

Одновременно через рычаги 21 и 23 растягивается пружина 24 и срабатывает устройство для увеличения подачи рабочей смеси в цилиндры двигателя, т.е. увеличивается зазор А.

Снижение нагрузки на двигатель приводит, наоборот, к раскручиванию торсиона 10, ослаблению пружин 18 и 24 и увеличению степени сжатия.

Упругость торсиона 10, а также пружин 18 и 24 рассчитана на работу двигателя на топливе с низким октановым числом, а для работы его на топливе с более высоким октановым числом в дополнение к упругости торсиона и пружин, в цилиндрический корпус 19 регулятора под необходимым давлением подается сжатый воздух.

Сжатый воздух подается из общей тормозной системы автомобиля, через такой же редуктор, какой служит для поддержания определенного давления в шинах колес, только с другими пружинами в нем и регулировками.

Чем выше октановое число топлива, тем более высокое давление поддерживается в надпоршневом пространстве.

Само собой разумеется, что вся работа двигателя увязана с работой турбокомпрессора, который тоже находится под управлением, и схемы работы с ним могут быть различны.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с автоматически изменяемой степенью сжатия. Маховики и зубчатые венцы, расположенные в эксцентричных корпусах, размещены внутри пустотелого кривошипного вала двигателя. Торсионные шестерни входят в зацепление с зубчатыми венцами. Маховики связаны между собой кривошипным валом. Регуляторный вал с помощью кривошипа шарнирно соединен с маховиком, ленточной резьбой - с его эксцентричным корпусом, а посредством шлиц - с ведущей шестерней газораспределительного механизма. Регуляторный вал через упорный подшипник воздействует на передвижение поршня регулятора, а от поршня через рычажную систему - на срабатывающее устройство для ограничения подачи дроссельной заслонки. Одновременно поршнем регулятора сжимается спиральная нагрузочная пружина. Регулирование степени сжатия осуществляется давлением сжатого воздуха, который подаeтся в надпоршневое пространство регулятора. Технический результат заключается в повышении мощности и экономичности двигателя. 2 ил.

Устройство с кривошипному механизму двигателя для точного регулирования степени сжатия, содержащее кривошипный вал, поршни с шатунами, работающие на кривошипный вал, маховики и зубчатые венцы, расположенные в эксцентричных корпусах, торсион, размещенный внутри пустотелого кривошипного вала, причем торсионные шестерни входят в зацепление с зубчатыми венцами, а маховики связаны между собой кривошипным валом, отличающееся тем, что содержит регуляторный вал, который в своей задней части с помощью кривошипа шарнирно сцеплен по направляющим параллелям с маховиком, а ленточной резьбой - с его эксцентричным корпусом и в своей передней части посредством шлиц - с ведущей шестерней газораспределительного механизма, где через упорный подшипник воздействует на передвижение поршня регулятора, расположенного в цилиндрическом корпусе, а от поршня регулятора - через рычажную систему на срабатывающее устройство для ограничения подачи дроссельной заслонкой рабочей смеси, причем одновременно поршнем регулятора сжимается спиральная нагрузочная пружина, а непосредственное точное регулирование степени сжатия осуществляется определенным давлением сжатого воздуха, который подается в надпоршневое пространство регулятора.