ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2019 года по МПК F01B9/02 F02B75/32 

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым четырехтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), например Дизелям.

По мнению ученых (см. Кутенёв В.Ф., Зленко М.А., Тер-Мкртичьян Г.Г. "Управление движением поршней - неиспользуемый резерв улучшения мощностных и экономических показателей дизеля" Автомобильная промышленность №11, 1998 г.), именно традиционный кривошипно-шатунный механизм (КШМ) препятствует дальнейшему улучшению параметров двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен - двигатель Джеймса Аткинсона (James Atkinson) (американские патенты №336505 от 16.02.1886 г. и №367496 от 02.08.1887 г.) - имеющий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, и реализующий обычный четырехтактный рабочий цикл за один оборот, вместо двух оборотов, коленчатого вала, и в котором такты "впуска" и "сжатия" - короче тактов "расширения" и "выпуска", что обеспечивает большую степень расширения рабочего тела, в сравнении с его степенью сжатия, следствием чего является более полное использование энергии рабочего тела, или большая экономичность ДВС. К недостаткам ДВС по циклу Аткинсона следует отнести - нестабильность его работы на малых оборотах из-за меньшей, чем у двигателя Отто, мощности, и значительно больший удельный вес на единицу полученной мощности в сравнении с ДВС на основе традиционного КШМ.

Известен также ДВС с организацией рабочего процесса (РП) по циклу Ральфа Миллера (Ralph Miller) (американский патент №2670595 от 02.03.1954), в котором степень расширения достигает большей величины по сравнению со степенью сжатия - ценой частичного вытеснения воздушного заряда обратно во впускной коллектор, получивший название "потери Миллера", при этом работа двигателя осуществляется по традиционному четырехтактному циклу - за два оборота коленчатого вала. Недостатком ДВС с таким РП - является значительно больший удельный вес на единицу полученной мощности в сравнении с ДВС на основе традиционного КШМ и уменьшение мощности при высоких оборотах, по причине худшего наполнения цилиндров. Стоит отметить, что усовершенствованный РП МИЛЛЕРА используется в ДВС на некоторых автомобилях массового производства, при оборотах холостого хода и средних оборотах. Так MAZDA SKYACTIV, на низких оборотах работает по РП МИЛЛЕРА, а на высоких по циклу ОТТО. В чистом виде - РП МИЛЛЕРА работает в ДВС на гибридах ТОЙОТА.

Оба ДВС, с циклами АТКИНСОНА и МИЛЛЕРА, - аналогичны в том, что в них реализуется РП, при котором - степень "расширения" больше, чем степень "сжатия".

Наиболее близким к заявленному техническому решению является "Поршневая машина" (См. А.С. №909229; опубл. 28.02.1988 г.). Данное техническое решение основано на 5-ти звеном механизме, и содержит механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, шарнирно связанный с корректирующим кривошипом, а другой его конец соединен с помощью поршневого шатуна с поршнем, находящимся в цилиндре, размещенном в блок-картере, при этом рычаг-коромысло имеет в своем корпусе ось, шарнирно соединенную через шатун с кривошипом коленчатого вала.

Данное техническое решение обеспечивает увеличение диапазона регулирования рабочего объема, или степени сжатия ДВС, однако оно не обеспечивает возможность работы ДВС по циклу Дизеля.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является - получение ДВС:

- Стабильно работающего во всех диапазонах нагрузки и оборотов коленчатого вала, без "потерь Миллера", по четырехтактному циклу, в котором - степень расширения больше, чем степень сжатия, с возможностью реализации при этом РП, как Отто, так и Дизеля за два оборота коленчатого вала;

- С уровнем точности производства силовых звеньев - ниже, в сравнении с аналогичными деталями классического КШМ, особенно для Дизеля.

Технический результат достигается тем, что ДВС, содержит механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, сочлененный шарнирно с эксцентриковым валом, который связан с коленчатым валом посредством шестеренного привода для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала, а другой конец рычага-коромысла - соединен через фиксируемый эксцентриковый шарнир, с поршневым шатуном и поршнем, находящемся в цилиндре, размещенном в блок-картере, причем в корпусе рычага-коромысла имеется ось, шарнирно соединенная через шатун с кривошипом коленчатого вала.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлена кинематическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - поперечный разрез конструкции многоцилиндрового ДВС.

Предлагаемая конструкция ДВС содержит - блок - картер 1, с размещенным в нем цилиндром с поршнем 2 и поршневым шатуном 3, соединенным, посредством фиксируемого эксцентрикового шарнира 4, с рычагом-коромыслом 5, который в свою очередь содержит в своем корпусе шарнир с осью 6, которая через шатун 7 соединена с кривошипом коленчатого вала 8, причем опорный конец 9 рычага-коромысла 5, сочленен шарнирно с эксцентриковым валом 10, закрепленным на блок-картере 1 через свой корпус, который связан с коленчатым валом 8 посредством шестеренного привода 11 для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала - с целью получения специально подобранной кинематики поршня, обеспечивающей - большую степень расширения рабочего тела, чем его степень сжатия, для более эффективного использования энергии от сгорания топлива.

Предлагаемый ДВС функционирует следующим образом.

Поршень 2, под воздействием расширяющихся газов, давит через поршневой шатун 3 на фиксируемый эксцентриковый шарнир 4, сочлененный с рычагом-коромыслом 5, поворачивая его относительно оси, принадлежащего ему опорного конца 9, который, будучи шарнирно связанным с эксцентриковым валом 10, вращающимся синхронно с коленчатым валом 8, благодаря шестеренному приводу 11, совершает круговое движение с угловой скоростью в два раза меньшей, чем угловая скорость коленчатого вала 8, одновременно с этим шарнир с осью 6, расположенный в корпусе рычага-коромысла 5, через шатун 7 воздействует на кривошип коленчатого вала 8, - проворачивая его для совершения работы, и в тоже время, сообщая ему запас энергии вращения - для осуществления трех - последующих тактов РП ДВС, при этом, весь рычаг-коромысло 5, совершает сложное плоско-параллельное движение, которое передается через фиксируемый эксцентриковый шарнир 4 и поршневой шатун 3 - поршню 2, обеспечивая ему необходимую, специально подобранную кинематику движения - когда на такте "впуска", ход от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), он совершает штатный ход в соответствии с рабочим объемом цилиндра, также, как и на такте "сжатия", при ходе от НМТ к ВМТ, но на такте "рабочий ход" - поршень 2 проходит больший путь, то есть степень расширения в этом случае существенно превышает степень сжатия, что в соответствии с научными положениями теории тепловых машин по ДВС - повышает индикаторный коэффициент полезного действия (КПД). Такт "выпуска" отработавших газов, следующий за "рабочим ходом", соответственно равен по величине "рабочему ходу". Конкретная величина превышения такта "рабочий ход"/"выпуск" над тактом "впуск''/сжатие" определяется радиусом вращения смещенной шейки эксцентрикового вала 10 и подбирается для каждого типа двигателя индивидуально, в зависимости от типа РП, его назначения и т.д. Величина эксцентриситета может иметь ограничения только по предельно допустимым удельным нагрузкам в подшипниках шарнирных соединений силовых звеньев преобразующего механизма, и общих габаритах двигателя, которые зависят от его предназначения.

Назначение фиксируемого эксцентрика состоит в том, что фиксируемый эксцентриковый шарнир 4, или регулируемое звено, посредством которого поршневой шатун 3 соединен с рычагом-коромыслом 5, - представляет собой проворачивающийся эксцентрик с зажимным приспособлением. Положение эксцентрика, после манипуляций по настройке над поршневого зазора S (минимально возможного для Дизеля и оптимального для ОТТО), фиксируется зажимным приспособлением в нужном угловом положении при сборке двигателя, а также в процессе его эксплуатации, по мере необходимости. Наличие регулируемого звена в механизме преобразования, позволяет исключить влияние на величину над поршневого зазора, - точности изготовления линейных размеров всех силовых звеньев механизма, что в свою очередь - значительно упрощает их производство и делает ДВС, например Дизель, с механизмом преобразования по предлагаемому изобретению - более технологичным, в сравнении с Дизелями на основе традиционного КШМ.

Кинематическая схема предлагаемого механизма, не выявляет возможностей ее реализации, поэтому к ней прилагается эскиз поперечного сечения многоцилиндрового ДВС, см. фиг. 2, который является демонстрацией компоновочных возможностей предлагаемого двигателя, вызывающих интерес у конструкторов в его использовании на разрабатываемой ими установке. Предлагаемый ДВС - выполнен по оригинальной конструктивной схеме, где каждый последующий цилиндр, за изображенным на эскизе, - снабжен механизмом преобразования, также как головками цилиндров, и другими механизмами, в чередовании с одной и другой стороны относительно оси коленчатого вала. Такой поочередный тип расположения поршней, с рычагами-коромыслами, приводящими их в движение, и работающими в противофазе, обеспечивают автоматическую динамическую уравновешенность двигателя с обычной установкой крайних выносных противовесов на коленчатом валу, при этом расположение оси коленчатого вала должно быть строго симметрично всей конструкторской композиции, и перпендикулярно эскизу, а оси цилиндров - могут находиться в горизонтальной или вертикальной плоскостях, в зависимости от приспособленности ДВС к удобству использования, но количество цилиндров в нем, должно быть кратно 2, и каждая пара цилиндров - должна работать в противофазе.

Другие компоновочные решения, касающиеся, в том числе, соразмерности величин звеньев, составляющих механизм преобразования, могут иметь ограничения только по предельно допустимым удельным нагрузкам в подшипниках силовых звеньев, в соответствии с предназначением конкретного типа двигателя.

Производство предлагаемого ДВС может быть успешно реализовано с помощью технологических процессов, применяемых в современном двигателестроении, и не требует увеличения точности изготовления силовых звеньев.

Изобретение направлено на получение двигателя внутреннего сгорания (ДВС), стабильно работающего во всех диапазонах нагрузки и оборотов коленчатого вала, без "потерь Миллера", по четырехтактному циклу, в котором степень расширения больше, чем степень сжатия, с возможностью реализации при этом рабочего процесса (РП), как Отто, так и Дизеля за два оборота коленчатого вала. Указанный технический результат достигается тем, что ДВС, содержащий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, посредством плоско-параллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, шарнирно связанный с корректирующим кривошипом, при этом другой его конец соединен с помощью поршневого шатуна с поршнем, находящимся в цилиндре, который размещен в блок-картере, причем рычаг-коромысло имеет в своем корпусе ось, шарнирно соединенную через шатун с кривошипом коленчатого вала, при этом поршневой шатун соединен с рычагом-коромыслом через фиксируемый эксцентриковый шарнир, опорный конец рычага-коромысла сочленен шарнирно с эксцентриковым валом, связанным с коленчатым валом посредством шестеренного привода, для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала. 2 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, шарнирно связанный с корректирующим кривошипом, при этом другой его конец соединен с помощью поршневого шатуна с поршнем, находящимся в цилиндре, который размещен в блок-картере, причем рычаг-коромысло имеет в своем корпусе ось, шарнирно соединенную через шатун с кривошипом коленчатого вала, отличающийся тем, что в нем поршневой шатун соединен с рычагом-коромыслом через фиксируемый эксцентриковый шарнир, опорный конец рычага-коромысла сочленен шарнирно с эксцентриковым валом, связанным с коленчатым валом посредством шестеренного привода, для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала.