ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02B75/04 F02D15/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия (патент США №5595146 от 21.01.1997 года), который имеет подвижно установленный в цилиндре поршень с соединенным шарнирно верхним шатуном, кривошип, соединенный шарнирно с нижним шатуном, причем верхний шатун соединен шарнирно с нижним шатуном в центральной оси качения. К верхнему шатуну шарнирно присоединена одним концом управляющая штанга, второй конец которой присоединен шарнирно к подвижному валу управляющего эксцентрика.

Изобретение обладает недостатком, а именно:

- верхний шатун, выполняющий роль трехопорной траверсы, присоединен непосредственно к поршню, что увеличивает его вес и инерционность движущихся частей двигателя и повышенный износ его трущихся пар,

- на поршень воздействуют знакопеременные боковые усилия, которые приводят к износу самого поршня и находящегося с ним в контакте цилиндра,

- несбалансированная траектория центра масс деталей движения силового механизма в двигателе создает вибрацию и износ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является поршневой двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия (патент РФ №2256085 от 08.08.2001 года), имеющий подвижно установленный в цилиндре поршень, который шарнирно соединен с шатуном. Движение шатуна передается на кривошип коленчатого вала. При этом, с целью обеспечения возможности управляемого изменения степени сжатия и хода поршня, между шатуном и кривошипом предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага. Передаточное звено выполнено в виде траверсы, соединенной с кривошипом посредством шарнира в центральной опорной точке, который расположен в промежуточном положении на участке между двумя другими опорными точками траверсы. В одной из опорных точек поперечный рычаг соединен с шатуном, а в другой - с управляющим рычагом. Управляющий рычаг также шарнирно соединен с дополнительным кривошипом или эксцентриком, которые осуществляют управляющие движения, смещая ось качения управляющего рычага, чем обеспечивают изменение степени сжатия ДВС. Помимо этого ось качения управляющего рычага может совершать непрерывное циклическое движение, синхронизированное с вращением коленчатого вала. При этом, в случае соблюдения определенных геометрических соотношений между отдельными звеньями механизма передачи усилий, могут быть уменьшены нагрузки на них и повышена плавность работы двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение обладает недостатками, а именно:

- на поршень воздействуют боковые усилия, которые приводят к износу самого поршня и находящегося с ним в контакте цилиндра,

- несбалансированная траектория центра масс деталей движения силового механизма в двигателе создает вибрацию и износ.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является уравновешивание переменных сил инерции и их моментов, упрощение механики двигателя.

Техническим результатом изобретения является взаимопогашение боковых усилий, воздействующих на поршень, и повышение надежности двигателя.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, содержащего подвижно установленный в цилиндре поршень, который шарнирно соединен с шатуном, движение которого передается на кривошип коленчатого вала через передаточное звено в виде траверсы, соединенной с кривошипом посредством шарнира в центральной опорной точке, находящейся в промежуточном положении на участке между двумя другими опорными точками траверсы, одна из которых соединена шарнирно с шатуном, а другая соединена шарнирно с одним концом управляющего рычага, второй конец которого связан с управляющим устройством с возможностью перемещения по управляемой траектории с последующей фиксацией, согласно изобретению, поршень снабжен дополнительными управляющим рычагом, траверсой, шатуном и коленчатым валом, расположенными симметрично уже имеющимся управляющему рычагу, траверсе, шатуну и коленчатому валу относительно оси цилиндра и идентичными им, при этом вращения обоих коленчатых валов синхронизированы при помощи зубчатой передачи с передаточным числом, равным единице, а валы вращаются в противоположные стороны, причем одно или каждое управляющее устройство имеет возможность смещать один управляющий рычаг относительно другого.

На чертеже (Фиг.1) показаны цифрами узлы и детали двигателя. На чертеже (Фиг.2) показана принципиальная механическая схема с приводом управляющих рычагов от гидроцилиндра. На чертеже (Фиг.3) показан вариант соединения управляющих рычагов непосредственно на шток гидроцилиндра, а на чертеже (Фиг.4) показан вариант исполнения поршня с одним поршневым пальцем, на чертеже (Фиг.5) показана принципиальная механическая схема варианта управления зубчатыми эксцентриками управляющих рычагов при помощи двусторонней зубчатой рейки с приводом от гидроцилиндра, на чертежах (Фиг.5 и 6) показаны варианты с корректирующим органом.

Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия (Фиг.1) состоит из цилиндра 1 с находящимся в нем подвижным поршнем 2, двух симметрично (зеркально) расположенных кривошипно-шатунных механизмов, правого 3 и левого 4. Правый кривошипно-шатунный механизм состоит из кривошипа 5, шарнирно соединенного с траверсой 6 в его центральной опоре, а левый кривошипно-шатунный механизм состоит из кривошипа 7, шарнирно соединенного с траверсой 8 в его центральной опоре. На шатунных опорах траверс 6 и 8, ближе к линии симметрии двигателя, шарнирно установлены шатуны 9 и 10, соединенные шарнирно другими своими концами с поршнем 2. На других опорах траверс 6 и 8 шарнирно установлены управляющие рычаги 11 и 12, соединенные шарнирно своими другими концами, например, с подвижными управляющими устройствами, например в виде эксцентриков 13 и 14. В нижней части поршня 2 имеется два пальца 15 и 16 для шарнирного соединения с шатунами 9 и 10. Поршень 2 может соединяться с шатунами 9 и 10 при помощи одного пальца 22 (Фиг.4). Управляющие устройства 13 и 14, например в виде эксцентриков, кинематически соединены друг с другом для обеспечения синхронности их движений, например, при помощи двухсторонней зубчатой рейки 23 (Фиг.5), которая может осуществлять возвратно-поступательные движения, например, посредством гидропривода 24 в виде поршня и цилиндра. Вместо управляющих устройств 13 и 14 управляющие рычаги 11 и 12 могут быть шарнирно соединены с жесткой балкой, осуществляющей возвратно-поступательные движения, например, посредством одного управляющего устройства в виде гидропривода 24, состоящего из поршня и цилиндра (Фиг.2 и 3). В обоих вышеперечисленных вариантах вместо гидропривода 24 может использоваться электропривод или, как другие варианты, можно использовать энергию выхлопных газов, разрежение во впускном коллекторе, крутящий момент двигателя, сжатый воздух при наличии бортового компрессора и т.д. Для обеспечения синхронности и симметричности (зеркальности) вращений коленвалов 17 и 18 их вращают в противоположных направлениях, но с одинаковой скоростью вращения, для чего на обоих валах установлены шестерни 19 и 20, находящиеся в зубчатом зацеплении друг с другом с передаточным отношением, равным единице. Для корректировки синхронности движения управляющих рычагов 11 и 12 и шатунов 9 и 10 и предотвращения их перекоса, управляющие устройства 13 и 14, или одно из них, могут смещаться относительно друг друга при помощи корректирующего органа 21.

Опорные точки траверсы образуют треугольник или могут находиться на одной линии. Силы и моменты сил в любых двух зеркально расположенных точках кривошипов, траверс или шатунов, а также в любой момент времени, равны по величине, но противоположны по направлениям.

Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия работает как любой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с внутренним или с внешним смесеобразованием. Предлагаемый двигатель имеет, по крайней мере, один поршень, кинематически связанный с двумя зеркально расположенными кривошипно-шатунными механизмами. Изменение степени сжатия в двигателе осуществляется двумя управляющими рычагами, которые действуют синхронно и связаны кинематически с одним или несколькими управляющими устройствами.

Учитывая то, что оба вала вращаются синхронно с одинаковыми угловыми скоростями и в противоположных направлениях, боковые усилия на поршень возникающие от несовпадения траектории центра масс деталей движения силового механизма с осью вращения вала двигателя, взаимно уравновешиваются аналогичными усилиями в двух любых зеркально расположенных точках, в любой момент времени, равными по величине, но противоположными по направлению.

Учитывая то, что один поршень кинематически связан с двумя кривошипно-шатунными механизмами, конструкцию последних можно облегчить, уменьшив их габариты и вес.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия может работать на различных циклах и видах топлива с вышеуказанными возможностями по его регулировке.

Изобретение может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Двигатель содержит подвижно установленный в цилиндре (1) поршень (2), который шарнирно соединен с шатуном (9), движение которого передается на кривошип (5) коленчатого вала (17) через передаточное звено в виде траверсы (6), соединенной с кривошипом (5) посредством шарнира в центральной опорной точке, находящейся в промежуточном положении на участке между двумя другими опорными точками траверсы, одна из которых соединена шарнирно с шатуном (9), а другая соединена шарнирно с одним концом управляющего рычага (11). Второй конец управляющего рычага (11) связан с управляющим устройством, например эксцентриком (13), с возможностью перемещения по управляемой траектории с последующей фиксацией. Поршень (2) снабжен дополнительными управляющим рычагом (12), траверсой (8), шатуном (10) и коленчатым валом (18), расположенными симметрично управляющему рычагу (11), траверсе (6), шатуну (9) и коленчатому валу (17) относительно оси цилиндра (1). Вращения обоих коленчатых валов синхронизированы при помощи зубчатой передачи с передаточным числом, равным единице. Коленчатые валы (17) и (18) вращаются в противоположные стороны. Одно или каждое управляющее устройство имеет возможность смещать один управляющий рычаг относительно другого. Технический результат заключается в уравновешивании переменных сил инерции и их моментов и взаимном погашении боковых усилий, действующих на поршень. 6 ил.

Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, содержащий подвижно установленный в цилиндре поршень, который шарнирно соединен с шатуном, движение которого передается на кривошип коленчатого вала через передаточное звено в виде траверсы, соединенной с кривошипом посредством шарнира в центральной опорной точке, находящейся в промежуточном положении на участке между двумя другими опорными точками траверсы, одна из которых соединена шарнирно с шатуном, а другая соединена шарнирно с одним концом управляющего рычага, второй конец которого связан с управляющим устройством с возможностью перемещения по управляемой траектории с последующей фиксацией, отличающийся тем, что поршень снабжен дополнительными управляющим рычагом, траверсой, шатуном и коленчатым валом, расположенными симметрично уже имеющимся управляющему рычагу, траверсе, шатуну и коленчатому валу относительно оси цилиндра и идентичными им, при этом вращения обоих коленчатых валов синхронизированы при помощи зубчатой передачи с передаточным числом, равным единице, а валы вращаются в противоположные стороны, причем одно или каждое управляющее устройство имеет возможность смещать один управляющий рычаг относительно другого.