ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02D15/02 F02B75/04 F01B31/14 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, работающим в режиме переменных нагрузок, например на транспорте.

Известно "Устройство для регулирования числа работающих цилиндров многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания" по патенту США N 4380977, МПК F 02 D 17/02, 1983. Указанный аналог имеет многокамерный карбюратор, половина камер которого соединена с одной половиной цилиндров, а другая половина камер - с второй половиной цилиндров. Однако такая конструкция не обеспечивает плавного автоматического регулирования рабочего объема цилиндров двигателя в зависимости от приложенной внешней нагрузки. Кроме того, на режиме отключения части цилиндров снижается коэффициент полезного действия двигателя вследствие перекачки воздуха неработающими цилиндрами.

Известен "Двигатель внутреннего сгорания" по патенту Украины N 21565 A, МПК 6 F 02 B 75/04, 1998 г., принятый за прототип. Двигатель внутреннего сгорания по прототипу содержит корпус, цилиндры с размещенными в них движущимися поршнями, каждый из которых связан с коленчатым валом при помощи шатунов, камеры сгорания, ограниченные стенками цилиндров и днищами поршней, коленчатые валы, связанные между собой зубчатой передачей, при этом двигатель снабжен качающейся рамой, установленной в корпусе, на которой закреплен один из коленчатых валов, причем качающаяся рама дополнительно связана с корпусом управляющим элементом.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются корпус, цилиндры с размещенными в них движущимися поршнями, каждый из которых связан с коленчатым валом при помощи шатунов, камеры сгорания, ограниченные стенками цилиндров и днищами поршней, качающаяся рама, установленная в корпусе и связанная с ним управляющим элементом, коленчатый вал, закрепленный на качающейся раме.

Недостатком прототипа является наличие двух коленчатых валов, связанных с помощью шатунов с поршнями, расположенными попарно в цилиндрах. Такое исполнение приводит к снижению механического коэффициента полезного действия вследствие трения двух поршней в каждом цилиндре, а также к увеличению утечки газов из цилиндров через уплотнения поршней, что снижает общий коэффициент полезного действия двигателя и, следовательно, снижает общий эффект регулирования рабочего объема цилиндров двигателя в процессе эксплуатации.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать двигатель внутреннего сгорания, в котором новое конструктивное выполнение коленчатого вала обеспечит повышение механического коэффициента полезного действия, снижение утечки газов из цилиндров через уплотнения поршней и, как следствие, повысит общий коэффициент полезного действия двигателя, и, следовательно, повысит общий эффект регулирования рабочего объема цилиндров двигателя в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с размещенными в них движущимися поршнями, каждый из которых связан с коленчатым валом при помощи шатунов, камеры сгорания, ограниченные стенками цилиндров и днищами поршней, качающуюся раму, установленную в корпусе, на которой закреплен коленчатый вал, и дополнительно связанную с корпусом управляющим элементом, согласно изобретению снабжен вращающимися эксцентриками, установленными на шатунных шейках коленчатого вала, при этом каждый эксцентрик связан с качающейся рамой синхронизирующей, например, зубчатой передачей.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом обеспечивается следующим. Так, вращающиеся эксцентрики, установленные на шатунных шейках коленчатого вала и связанные с качающейся рамой синхронизирующей передачей, при вращении с коленчатым валом с одной угловой скоростью, но в разном с ним направлении, обеспечивают траекторию движения нижней головки шатуна по замкнутой эллиптической кривой, что позволяет изменять величину хода поршней и положение верхней мертвой точки в зависимости от положения качающейся рамы, что приводит к изменению объема цилиндров. Наличие только одного поршня в каждом цилиндре повышает механический коэффициент полезного действия вследствие снижения сил трения в каждом цилиндре, а также уменьшает утечку газов из цилиндров двигателя, что приводит к повышению общего коэффициента полезного действия двигателя и, как результат, к повышению общего эффекта регулирования рабочего объема цилиндров двигателя в процессе эксплуатации.

Двигатель внутреннего сгорания поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен схематически общий вид; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1, показывающий размещение узлов и деталей в другой проекции; на фиг. 3 - схема движения кривошипно-шатунного механизма при минимальном объеме цилиндров; на фиг. 4 - схема движения кривошипно-шатунного механизма при максимальном объеме цилиндров.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса 1 с цилиндром 2, коленчатого вала 3, поршня 4, соединенного шатуном 5 с указанным коленчатым валом. Коленчатый вал закреплен на качающейся раме 6, установленной в корпусе на оси 7, расположенной параллельно оси вращения коленчатого вала. Качающаяся рама связана с корпусом при помощи толкателя 8 (фиг. 2), имеющего управляющий элемент 9, например пружину. Эксцентрик 10 установлен на шатунной шейке 11 коленчатого вала с возможностью вращения и связан с качающейся рамой зубчатой передачей, состоящей из зубчатых колес 12 и 13. Зубчатое колесо 12 соединено с эксцентриком, а зубчатое колесо 13 внутреннего зацепления закреплено на качающейся раме, при этом количество зубьев зубчатого колеса 12 в два раза меньше количества зубьев зубчатого колеса 13. Зубчатое колесо 14 связано с выходным валом 15 и входит в зацепление с зубчатым колесом 16, установленным на коленчатом валу. Цилиндр снабжен клапанным устройством 17 и имеет камеру сгорания 18. Последняя образована стенками цилиндра и днищем поршня.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При отсутствии нагрузки, в режиме холостого хода, качающаяся рама 6 занимает положение, показанное на фиг. 2 сплошными линиями. В этом положении качающейся рамы при вращении коленчатого вала 3 зубчатое колесо 12 перекатывается по зубчатому колесу 13, при этом эксцентрик 10 будет вращаться с одинаковой угловой скоростью с коленчатым валом, но в разном с ним направлении, следовательно, геометрический центр O эксцентрика 10 (фиг. 1, 2), а вместе с ним и нижняя головка шатуна 5 будут двигаться (фиг. 3) по результирующей эллиптической замкнутой кривой, при этом ход поршня h будет минимальным и равным малой оси A эллиптической траектории. При максимальной нагрузке на двигатель, когда среднецикловое значение давления газов в камере сгорания 18 становится максимальным, поршень 4, воздействуя через шатун 5 и коленчатый вал 3, повернет, преодолевая сопротивление управляющего элемента 9, качающуюся раму 6 в новое положение, показанное на фиг. 2 штрихпунктирными линиями. При этом коленчатый вал 3 переместится в нижнее положение. Одновременно произойдет поворот эллиптической траектории движения нижней головки шатуна 5 на 90^o (фиг. 4), при этом ход поршня H будет максимальным и равным большой оси B эллиптической траектории. При других значениях внешних нагрузок на двигатель качающаяся рама 6 будет занимать промежуточное между крайними положение и, соответственно, величина рабочего хода поршня будет иметь также промежуточное значение между максимальным и минимальным. При снятии внешней нагрузки с двигателя, когда давление газов в камере сгорания 18 снизится до минимального, управляющий элемент 9 вернет качающуюся раму 6 в исходное положение.

Новое техническое решение обеспечивает повышение механического коэффициента полезного действия двигателя вследствие снижения сил трения поршней в каждом цилиндре, а также уменьшает утечку газов из цилиндров, что приводит к повышению общего коэффициента полезного действия двигателя и, как результат, к повышению общего эффекта регулирования рабочего объема цилиндров двигателя в процессе эксплуатации.

Двигатель может быть использован на транспортных средствах, работающих в режиме переменных нагрузок. Движущиеся поршни расположены в цилиндрах и связаны каждый со своим коленчатым валом при помощи шатунов. Камеры сгорания ограничены стенками цилиндров и днищами поршней. В корпусе установлена качающаяся рама, на которой закреплен коленчатый вал. Рама связана с корпусом управляющим элементом, снабженным вращающимися эксцентриками, установленными на шатунных шейках коленчатого вала, каждый эксцентрик связан с качающейся рамой синхронизирующей передачей, например зубчатой. Изобретение позволяет повысить КПД за счет снижения утечки газов из цилиндров через уплотнения поршней и повысить эффект регулирования рабочего объема цилиндров. 4 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с размещенными в них движущимися поршнями, каждый из которых связан с коленчатым валом при помощи шатунов, камеры сгорания, ограниченные стенками цилиндров и днищами поршней, качающуюся раму, установленную в корпусе, на которой закреплен коленчатый вал и дополнительно связанную с корпусом управляющим элементом, отличающийся тем, что он снабжен вращающимися эксцентриками, установленными на шатунных шейках коленчатого вала, при этом каждый эксцентрик связан с качающейся рамой синхронизирующей, например, зубчатой передачей.