СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F02B75/04 F02D15/02 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, в том числе в роботизированных военных транспортных средствах и беспилотных летательных аппаратах.

Прототипом является способ изменения степени сжатия двигателя, включающий изменение объема камеры сгорания, обеспечиваемое посредством перемещения шатуна и поршня в сторону верхней мертвой точки смещением коленчатого вала двигателя в сторону верхней мертвой точки за счет поворота эксцентриковой обоймы коренных подшипников коленчатого вала управляющим элементом [Патентный документ Германии №19926133 А 1, МПК F 02 B 75/04, 2000 на 10 листах].

Недостатком прототипа является относительно сложная реализующая способ конструкция, так как смещение коленчатого вала влечет на собой усложнение конструкции других устройств, кинематически связанных с коленчатым валом. Кроме того, изменение степени сжатия практически можно осуществлять в небольшом диапазоне.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, реализующей способ, расширение функциональных возможностей и повышение эксплуатационных характеристик.

Задача решается тем, что в способе изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, включающем изменение объема камеры сгорания, обеспечиваемое посредством перемещения управляющим элементом поршня и шатуна, кинематически связанного с коленчатым валом и с управляющим элементом, кинематическую связь реализуют двуплечим ломаным рычагом, одно плечо которого выполняют в виде качающейся на оси управляющего элемента кулисы, камень которой соединяют с шатуном, по крайней мере одного цилиндра двигателя, а управляющий элемент выполняют, по крайней мере в виде одной двух-ступенчатой зубчатой передачи, по крайней мере одну ступень которой реализуют червячной парой.

Вторую ступень зубчатой передачи выполняют в виде сопряженными между собой зубчатого венца, которым оснащают камень, и шестерни, ось которой совмещают с осью качания кулисы. Вторую ступень зубчатой передачи выполняют и в виде второй червячной пары, при этом зубчатый венец камня выполняют в виде обода червячного колеса, а на червяке, который выполняют гипоидным, соосно закрепляют червячное колесо первой ступени, при этом ось червяка первой ступени совмещают с осью качания кулисы. Камень выполняют и из двух частей, которые перемещают в кулисе симметрично. Центр делительной окружности зубчатого венца камня совмещают с осью шатуна в поршне, при достижении последним верхней мертвой точки. Камень кулисы соединяют с шатуном соседнего цилиндра двигателя. Червяк второй ступени выполняют и из двух частей с противоположным направлением навивки на каждой части. Части камня перемещают в кулисе и с помощью соответственно первой и второй двухступенчатых зубчатых передач.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Реализация кинематической связи двуплечим ломаным рычагом, одно плечо которого выполняют в виде качающейся на оси управляющего элемента кулисы, камень которой соединяют с шатуном, по крайней мере одного цилиндра двигателя, и выполнение управляющего элемента в виде, по крайней мере одной двухступенчатой зубчатой передачи, по крайней мере одну ступень которой делают в виде червячной пары, позволяет оставить неподвижным коленчатый вал, что упрощает конструкцию.

Выполнение второй ступени зубчатой передачи в виде сопряженными между собой зубчатого венца, которым оснащают камень, и шестерни, ось которой совмещают с осью качания кулисы, упрощает управляющий элемент.

Выполнение второй ступени зубчатой передачи и в виде второй червячной пары, зубчатого венца камня - в виде обода червячного колеса, закрепление на червяке, который выполняют гипоидным, соосно червячного колеса первой ступени, и совмещение при этом оси червяка первой ступени с осью качания кулисы позволяют практически исключить «игру» камня в направляющей кулисы в процессе работы двигателя, что снижает шум, повышает надежность и эксплуатационные характеристики.

Выполнение камня и из двух частей, которые перемещают в кулисе симметрично, во-первых, улучшает динамическое уравновешивание кулисы в процессе работы, что повышает надежность и эксплуатационные характеристики. Во-вторых, если цилиндры двигателя расположены не в одном ряду, то появляется возможность присоединения к первой и второй частям камня соответственно шатунов поршней противоположных цилиндров, что существенно упрощает конструкцию.

Совмещение центра делительной окружности зубчатого венца камня с осью шатуна в поршне, при достижении последним верхней мертвой точки, способствует сохранению постоянства камеры сгорания при перемещении камня в различные положения. Это улучшает эксплуатационные характеристики.

Соединение камня кулисы с шатуном соседнего цилиндра двигателя уменьшает число применяемых в двигателе кулис, что упрощает конструкцию.

Выполнение червяка второй ступени и из двух частей с противоположным направлением навивки на каждой части позволяет упростить конструкцию двигателя.

Перемещение частей камня в кулисе и с помощью соответственно первой и второй двухступенчатых зубчатых передач позволяет при необходимости значительно увеличить ход поршня. Например при использовании двигателя на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) увеличение хода поршня позволит засасывать в цилиндр двигателя больше разреженного воздуха, что увеличит потолок и дальность полета БПЛА. Это расширяет функциональные возможности.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен вид А устройства, показанного на фиг. 2. На фиг. 2 изображен первый вариант устройства для изменения степени сжатия двигателя. На фиг. 3 изображен вид Б устройства, показанного на фиг. 4. На фиг. 4 изображен второй вариант устройства для изменения степени сжатия двигателя. На фиг. 5 изображен разрез В-В устройства, показанного на фиг. 6. На фиг. 6 изображен третий вариант устройства для изменения степени сжатия двигателя. На фиг. 7 изображен четвертый вариант устройства для изменения степени сжатия двигателя. На фиг. 8 изображен пятый вариант устройства для изменения степени сжатия двигателя. На фиг. 9 изображена схема установки двигателя в беспилотный летательный аппарат. На фиг. 10 изображен разрез Г-Г крыла беспилотного летательного аппарата.

Устройство изменения степени сжатия содержит кулису 1, установленную с возможностью поворота на втулке 2, неподвижно закрепленной на основании 3. В одном пазу 4 кулисы 1 с возможностью перемещения вдоль паза установлен камень (ползун) 5, зубчатый венец которого сопряжен с закрепленной на оси 6 шестерней 7 и составляет с последней вторую ступень двухступенчатой передачи, первая ступень которой выполнена из червяка 8 и червячного колеса 9, которое жестко установлено на оси, имеющей возможность вращения в опорах 10. Кулиса через шарнирно закрепленный рычаг 11 соединена с шатунной шейкой (пальцем) 12 коленчатого вала (кривошипа) 13, а камень через шатун 14 - с поршнем 15 цилиндра 16 ДВС. Вторая ступень двухступенчатой передачи может быть выполнена в виде сопряженного с зубчатым венцом камня и установленного с возможностью вращения в кулисе одного (первого) глобоидного червяка 17, на оси 18 которого жестко закреплено одно червячное колесо первой ступени, червяк которой установлен с возможностью вращения во втулке 2. Глобоидный червяк и камень могут быть выполнены из двух соответственно взаимно сопряженных частей, при этом части червяка имеют навивки противоположного направления. Кроме того, вторая часть камня может быть установлена с возможностью продольного перемещения в другом (втором) пазу 19 и сопряжена своим зубчатым венцом с имеющим противоположное первому глобоидному червяку направление навивки другим (вторым) глобоидным червяком 20 с закрепленным на оси дополнительным (вторым) червячным колесом первой ступени. Двигатель может быть установлен во фюзеляж 21 и в крылья 22 БПЛА, в которых дополнительно может быть выполнен канал 23 для подвода к цилиндрам воздуха 24 набегающего потока.

Способ реализуют следующим образом.

Для изменения степени сжатия посредством привода, например электромотора (не показан), вращают червяк 8, в результате чего происходит поворот червячного колеса 9 и шестерни 7 вместе с осью 6, а также - перемещение камня 5 в пазу 4 кулисы 1, качающейся на втулке 2 (фиг. 1, 2). После перестановки камня на требуемую величину выключают двигатель червяка 8, при этом кулиса будет продолжать качание, приводимая в движение шатуном 14, причем поскольку червячная передача является самотормозящейся, то камень автоматически зафиксируется в пазу. Перемещение камня приводит к изменению расстояния от шарнира шатуна 14 до оси кулисы и, следовательно, - амплитуды колебаний и хода поршня 15 в цилиндре 16. Усилие с шатуна 14 через кулису 1 передается рычагу 11 (второе плечо двуплечего ломаного рычага), который через шатунную шейку 12 воздействует на коленчатый вал 13, заставляя его вращаться. Однако при значительном перемещении камня в процессе качания кулисы происходит перекатывание зубьев камня по неподвижным зубьям шестерни 7, что будет приводить к «игре» камня в пазу кулисы и его преждевременному износу.

Для устранения этого недостатка вторую ступень двухступенчатой зубчатой передачи выполняют в виде глобоидного червяка 17, который большим числом зубьев взаимодействует с зубчатым венцом камня 5 (следовательно, может нести большие нагрузки) и имеет с последним большее передаточное отношение (фиг. 3,4). Для изменения степени сжатия приводят во вращение червяк 8 с колесом 9 (первая ступень зубчатой передачи), в результате чего происходит поворот червяка 17 заодно с осью 18 и перемещение камня 5 в пазу 4 кулисы 1. После перестановки камня на нужную величину двигатель червяка 8 выключают. В процессе качания кулисы червячное колесо 9 будет своими зубьями скользить по винтовой поверхности червяка 8, повторяя движение кулисы. Так как угол качания кулисы небольшой, а передаточное отношение червячной передачи, наоборот, большое, то колесо 9 практически не будет поворачиваться при качании кулисы, а следовательно, тем более не будет перемещаться (играть) и камень 5. Поэтому игра камней в кулисе исключается и стабилизируется величина хода поршня в процессе работы двигателя.

Камень 5 может быть выполнен из двух частей, которые при наличии у червяка 17 левой и правой частей с противоположным направлением навивки, будут перемещаться в противоположные стороны, сохраняя уравновешивание кулисы при изменении степени сжатия. Кроме того, если в этом случае ко второй части камня присоединить шток поршня еще одного цилиндра, то усилие от поршней будет попеременно передаваться на левое и правое плечи кулисы 1, в результате чего, коленчатый вал 13 может получать два силовых импульса за один оборот (фиг. 4). Это может оказаться особенно эффективным при использовании двухтактного двигателя и присоединении на одно плечо кулисы двух (или большего числа) шатунов от соседних цилиндров двигателя (фиг. 8). Кроме того, кулиса получается максимально облегченной, что снижает энергетические затраты на ее привод (качание), и она легко может быть приспособлена для автоматического управления. Заметим, что при необходимости, например в случае вращения двух пропеллеров БПЛА каждое плечо кулисы можно снабдить рычагом 11 и передавать усилие на два коленчатых вала.

Заметим, что положение камня или его частей можно легко определять по числу оборотов червяка 8.

Если требуется еще большее перемещение камня (его частей), например для увеличения потолка и дальности полета БПЛА, то помимо первой двухступенчатой передачи применяют вторую, у которой червяк 20 имеет направление навивки, противоположное червяку 17 первой передачи. При этом червяки 8 первых ступеней этих передач могут выть сделаны соосно на одном валу, т.е. по существу представлять собой единый червяк (фиг. 5, 6). Однако, наверное, целесообразнее (технологичнее) разное направление навивки выполнить на червяке 8, тогда камни 5 и червяки 17 будут одинаковыми. При вращении червяка 8 камни 5 перемещаются в разные стороны, благодаря чему сохраняется балансировка кулисы при изменении степени сжатия. Заметим, что для сохранение постоянным объема камеры сгорания при изменение положения камня необходимо (как и в предыдущих случаях), чтобы центр делительной окружности зубчатого венца камня 5 был совмещен с осью шатуна 14 в поршне 15, при достижении последним верхней мертвой точки.

На фиг.7 представлен вариант исполнения кулисы 1 при котором появляется возможность расположить цилиндры 16 двигателя горизонтально в один ряд и направленно друг к другу, т.е. сделать оппозитный двигатель, который, как известно, обладает более низким центром тяжести, отличной балансировкой, компактностью и хорошим охлаждением. Интересно, что в этом случае вторые ступени передач колеса 9 первых ступеней полностью идентичны, что обуславливает хорошую технологичность изделия. Отметим, что для уменьшения момента инерции кулисы пазы 4 необходимо сделать несимметричными относительно оси качания, т.е. камни 5 должны свешиваться с тела кулисы (на фиг. 7 верхний паз 4 укорочен справа, а нижний - слева).

Каждое плечо кулисы 1 можно нагружать посредством штоков 14 соседних цилиндров 16 (фиг. 8). Оппозитный двигатель можно разместить в крыльях 22 БПЛА, уменьшая при этом размеры его фюзеляжа 21 (фиг. 9). Для лучшего охлаждения часть цилиндров 16 могут выступать из крыльев 22, в которых может быть выполнен канал 23 для подвода к цилиндрам воздуха 24 набегающего потока (фиг. 10). Заметим, что в качестве двигателя БПЛА может быть применен максимально облегченный двигатель, не имеющий клапанного механизма (поскольку выпуск отработавших газов и впуск свежего воздуха осуществляется через одни и те же окна), который описан в заявке на изобретение №2023126328 от 13.10.2023 «Способ работы двигателя внутреннего сгорания».

Внедрение изобретения позволит создать простую и надежную конструкцию устройства с расширенными функциональными возможностями, позволяющего изменять степень сжатия двигателя в широких пределах и легко поддающееся автоматизации.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания заключается в изменении объема камеры сгорания, которое обеспечивается посредством перемещения управляющего элемента, поршня и шатуна (14). Шатун (14) кинематически связан с коленчатым валом (13) и с управляющим элементом. Кинематическую связь осуществляют двуплечим ломаным рычагом. Одно плечо двуплечего ломаного рычага выполняют в виде качающейся на оси управляющего элемента кулисы (1). Второе плечо выполняют в виде рычага (11), воздействующего на коленчатый вал (13). Камень (5) кулисы (1) соединяют с шатуном (14) по крайней мере одного цилиндра (16) двигателя. Управляющий элемент выполняют по крайней мере в виде одной двухступенчатой зубчатой передачи. По крайней мере одну ступень зубчатой передачи осуществляют червячной парой. Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства изменяющего степень сжатия. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, включающий изменение объема камеры сгорания, обеспечиваемое посредством перемещения управляющим элементом поршня и шатуна, кинематически связанного с коленчатым валом и с управляющим элементом, отличающийся тем, что кинематическую связь реализуют двуплечим ломаным рычагом, одно плечо которого выполняют в виде качающейся на оси управляющего элемента кулисы, камень которой соединяют с шатуном по крайней мере одного цилиндра двигателя, а управляющий элемент выполняют по крайней мере в виде одной двухступенчатой зубчатой передачи по крайней мере одну ступень которой реализуют червячной парой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторую ступень зубчатой передачи выполняют в виде сопряженными между собой зубчатого венца, которым оснащают камень, и шестерни, ось которой совмещают с осью качания кулисы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторую ступень зубчатой передачи выполняют и в виде второй червячной пары, при этом зубчатый венец камня выполняют в виде обода червячного колеса, а на червяке, который выполняют гипоидным, соосно закрепляют червячное колесо первой ступени, при этом ось червяка первой ступени совмещают с осью качания кулисы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что камень выполняют и из двух частей, которые перемещают в кулисе симметрично.

5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что центр делительной окружности зубчатого венца камня совмещают с осью шатуна в поршне при достижении последним верхней мертвой точки.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что камень кулисы соединяют с шатуном соседнего цилиндра двигателя.

7. Способ по любому из пп. 1, 3, 4, отличающийся тем, что червяк второй ступени выполняют и из двух частей с противоположным направлением навивки на каждой части.

8. Способ по любому из пп. 1, 4, отличающийся тем, что части камня перемещают в кулисе и с помощью соответственно первой и второй двухступенчатых зубчатых передач.