Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым объемом цилиндров Советский патент 1992 года по МПК F02D15/00 F02B75/04 

V

Ё

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с поршнями и кривошипно-шатунным механизмом. Цилиндр снабжен компенсационным поршнем, который управляется гидроцилиндром. Поршневая штоковая полость гидроцилиндра соединена с золотниковым распределителем, золотник которого одновременно соединен через винтовую пару с приводным валом, и через шлицевую муфту - с выходным валом суммирующего механизма, а входные валы последнего соединены соответственно с вакуумным чувствительным элементом и центробежным чувствительным элементом, источником давления служит гидронасос. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области моторостроения, в частности к конструкции пор- шневого двигателя с регулируемым объемом камер сгорания, и может найти применение на двигателях с переменным режимом работы, например, на автомобилях.

Известны двигатели внутреннего сгорания с регулируемым объемом камер сгорания, например, двигатель внутреннего сгорания по а.с. № 1314135 F 02 D 15/04.

Недостатком этого двигателя является повышенная масса газораспределительного механизма, совмещенного с механизмом изменения объема камер сгорания, и отсутствие автоматического регулирования последнего.

Известна конструкция двигателя внутреннего сгорания с регулируемым объемом камеры сгорания при помощи компенсационного поршня, установленного в головке

цилиндра с возможностью перемещения в гидроцилиндре под действием разности давлений в последнем и камере сгорания, (а.с. № 983293 F 02 В 75/04, F 02 D 15/04). Недостатком этой конструкции являются значительные потери энергии на циклические перемещения компенсационного поршня под действием меняющегося на протяжении рабочего цикла давления внутри цилиндра, а также техническая сложность осуществления надежного уплотнения поршня гидроцилиндра, работающего в условиях высоких температур. Автоматическое регулирование объема камеры сгорания в упомянутом двигателе выбранном в качестве прототипа, осуществляется в зависимости от положения дроссельной заслонки во впускном коллекторе. Такое регулирование недостаточно эффективно, так как степень наполнения цилиндра двигателя горючей смесью только косвенно зависит

4 О

сл

4

ю

от положения дроссельной заслонки. Оптимальная же степень сжатия находится в прямой линейной зависимости от величины вакуума во впускном коллекторе двигателя и в обратной линейной зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Поэтому более эффективным является регулирование объема камеры сгорания в зависимости от этих параметров.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности двигателя за счет автоматического регулирования степени сжатия в зависимости от режима работы.

Цель достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочие цилиндры с поршнями, газораспределительный механизм, впускной и выпускной коллекторы, размещенную во впускном коллекторе дроссельную заслонку и установленные в головке каждого цилиндра управляемые компенсационные поршни с гидравлическим приводом, снабжен центробежным и вакуумным чувствительными элементами, которые через суммирующий механизм с помощью шлицевой муфты связаны с золотниковым распределителем гидропривода, включающего в себя гидроцилиндр с поршнем и штоком, образующими поршневую и штоковую полости, подключенные к золотниковому распределителю, шток гидроцилиндра сочленен с одним плечом двуплечего рычага, образованного приводным валом с жестко закрепленными на его оси поводками, а второе плечо - с шатунами компенсационных поршней, золотник распределителя связан с приводным валом и суммирующим механизмом. Суммирующий механизм выполнен в виде дифференциального зубчатого редуктора.

Связь золотника распределителя с приводным валом выполнена в виде винтовой пары, а с суммирующим механизмом - в виде шлицевой муфты.

Анализ известных в данной области решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом двигателе внутреннего сгорания, и признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию существенные отличия.

В отличие от известных двигателей с регулируемой степенью сжатия, изменение которой осуществляется в зависимости от величины давления газов в рабочем цилиндре и положения дроссельной заслонки, в предлагаемом двигателе осуществлена автоматическая регулировка объема камер

сгорания в зависимости от величины вакуума во впускном коллекторе и частоты вращения коленчатого вала двигателя, то есть в зависимости от тех параметров, которые непосредственно .влияют на величину давления газов внутри цилиндров в конце такта сжатия, от которой в свою очередь зависит допустимая степень сжатия.

На фиг. 1 показана кинематическая схе0 ма двигателя внутреннего сгорания с регулируемым объемом камер сгорания.

Двигатель содержит цилиндр 1 с рабочим поршнем 2 и кривошипно-шатунным механизмом 3. Во впускной системе ци5 линдра имеется дроссельная заслонка 4. Головка блока цилиндров снабжена компенсационными поршнями 5 (на фиг.1 показан только один). Каждый компенсационный поршень при помощи двуплечего рычага,

0 образованного приводным валом 8 с жестко закрепленными на его оси поводками 7, соединен со штоком 9 гидроцилиндра 10. Приводной вал удерживается в исходном положении при неработающем двигателе

5 возвратной пружиной 11.

Поршневая и штоковая полости гидроцилиндра 10 соединены трубопроводами с золотниковым распределителем 12, снабженным золотником 13, который с помощью

0 штока 14 через винтовую пару 15 соединен с приводным валом 8, а через шлицевую муфту 16 - с выходным валом 17 суммирующего механизма 18. Входной вал 19 суммирующего механизма при помощи рычага 20

5 соединен со штоком 21 вакуумного чувствительного элемента 22, рабочая полость которого сообщается с впускным коллектором 23. Входной вал 24 суммирующего механизма соединен с помощью рычага 25 и поводка

0 26 с центробежным чувствительным элементом 27, получающим вращение от распределительного вала механизма газораспределения двигателя.

Между шлицевой муфтой 16 и выходным

5 валом 17 суммирующего мезанизма установлена поперечно-свертная муфта 28, выполняющая роль октан-корректора.

Гидроцилиндр 10 получает питание от гидронасоса 29, ротор которого получает

0 вращение от коленчатого вала двигателя.

Двигатель работает следующим образом.

В исходном положении при неработающем двигателе компенсационный поршень

5 5 находится вверху на упоре, удерживаемый пружиной сжатия 11. Шток 21 вакуумного чувствительного элемента выдвинут вверх до упора, грузы центробежного чувствительного элемента сомкнуты, золотник 13 - в нейтральном положении. После запуска

двигателя, при малой частоте вращения коленчатого вала, вакуумный чувствительный элемент втягивает шток 21 в крайнее нижнее положение, грузы центробежного чувствительного элемента продолжают оставаться сомкнутыми.

За счет поворота вала 17 винт винтовой пары вывинчивается и смещает золотник 13 вправо, соединяя нижнюю (поршневую) полость гидроцилиндра 10с напорной магистралью и поворачивая вал 8 на угол, равный углу поворота вала 17.

Компенсационный поршень опускается вниз до упора. Степень сжатия достигает максимального значения,

При резком полном открытии дроссельной заслонки 4, вакуум в задроссельном пространстве впускного коллектора двигателя уменьшается, шток 21 вакуумного чувствительного элемента выдвигается, поворачивая через суммирующий механизм 18 вал 17 и завинчивая винт винтовой пары 15, тем самым смещая золотник 13 влево от нейтрального положения.

Верхняя (штоковая) полость гидроцилиндра 10 соединяется с напорной магистралью, поворачивая вал 8 на точно такой же угол, как повернут вал 17, и поднимая компенсационный поршень 5 вверх, тем самым снижая степень сжатия двигателя и предотвращая детонацию.

С ростом частоты вращения коленчатого вала от 0,4 пмакс до пмакс работает центробежный чувствительный элемент 27, грузы которого расходятся с ростом частоты вращения. Соответственно срабатывают суммирующий механизм 18, винтовая пара 15, золотник 13, гидроцилиндр 10, приподнимая компенсационный поршень 5, тем самым компенсируя его опускание, вызванное увеличением вакуума во впускном коллекторе за счет роста частоты вращения коленчатого вала. Таким образом, при работе двигателя на полном дросселе степень сжатия в пределах от 0,4 пмакс до Пмакс остается минимальной, предотвращая детонацию.

При уменьшении открытия дроссельной заслонки, вакуум во впускном коллекторе увеличивается, срабатывает вакуумный чувствительный элемент на соответствующую величину перемещения штока 21, перемещая соответственно компенсационный поршень вниз, увеличивая на необходимую величину степень сжатия.

При полном закрытии дроссельной заслонки (переводе двигателя на холостые обороты) шток 21 вакуумного чувствительного элемента задвигается полностью, компенсационный поршень опускается вниз до

упора, степень сжатия достигает максимальной величины. За счет уменьшения количества подаваемой в цилиндры двигателя горючей смеси частота вращения коленчатого вала падает

Если при работе двигателя на максимальных оборотах дроссельную заслонку прикрыть частично, то соответственно частично увеличится степень сжатия, а затем по

мере падения частоты вращения коленчатого вала будет происходить уменьшение степени сжатия за счет совместной работы вакуумного и центробежного чувствительных элементов.

При остановке двигателя, вначале, несмотря на падение частоты вращения коленчатого вала, вакуум во впускном коллекторе продолжает оставаться высоким. Вакуумный чувствительный элемент удерживает

компенсационный поршень 5 в нижнем положении. После полной остановки двигателя вакуум исчезает, шток 21 вакуумного чувствительного элемента выдвигается, поворачивая винт винтовой пары 15 и смещая

золотник 13 влево. Пружина 11 возвращает компенсационный поршень 5 в верхнее исходное положение. Чтобы этому перемещению не препятствовала гидравлическая жидкость, находящаяся в цилиндре 10, служит перепускной обратный клапан 30, который позволяет гидравлической жидкости перетекать из нижней полости в верхнюю при остановленном гидронасосе 29.

Для исключения поломок механизмов

системы управления при передаче вращения от вала 8 к валу 17, что может иметь место при остановке двигателя, служат буферные пружины 31.

Работа муфты 28, служащей в качестве

октан-корректора, основана на изменении начального взаимного углового положения приводного вала 8 и штока 14, тем самым изменяются пределы регулирования объема камер сгорания. Это необходимо в случае

перевода двигателя на топливо с октановым числом, отличным от расчетного.

Расчет основных параметров двигателя сводится к следующему.

Максимально допустимая степень сжатия определяется по формуле:

Јк Ј0/V10PK ,

где Ј0 - допустимая степень сжатия анало- гичного, но нерегулируемого двигателя;

Рк - давление в цилиндре в конце впуска, мПа.

Пользуясь известной диаграммой, определяют величину Рк для карбюраторного

двигателя без наддува при n const в зависимости ОТ 7/j.

Пределы регулирования выбирают из известного графика. Если ограничиться регулировкой в пределах от figfg 0,3 (относительного открытия дроссельной заслонки) до (wgfg) 1,0, то при n 1,0 (wgfg) 0,3, /i 0,35, по графику Рк 0,05 мПа.

Тогда для двигателя с Ј0 8,8 при оснащении его предлагаемой системой регулирования можно принять максимально допустимую степень сжатия ек макс 8,8/У 10- 0,05 12,5.

При этом относительный индикаторный КПД возрастет с t} 1,05 до fj 1,15.

Термический КПД, вычисленный по

формуле Г). 1 - ----, при k 1,3 повысится с д 0,47 до 7t 0,53.

Для расчета автоматической системы регулирования степени сжатия предлагаемого двигателя необходимо иметь следующие исходные данные:

Эта зависимость линейная и выражается формулой г а - b Pk, где а и b - опытные коэффициенты.

Графически это выглядит так, как показано на фиг,2,

а on;

b-.gr--&

С достаточной для практики точностью эту зависимость можно принять линейной, а максимальное относительное увеличение Рс

за счет увеличедавления

с макс

ния частоты вращения в пределах регулирования n 0,4-1,0 равным относительному уменьшению коэффициента наполнения Д

1,0. макс

.

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

На графике, приведенном на фиг.4, показаны основные зависимости, необходимые для расчета.

-Площадь, ограниченная точками а, Ь, d, m - область охвата режимов работы двигателя регулированием;

-О - S - шкала перемещений компенсационного поршня;

-am - величина изменения коэффициента наполнения при n 0,4 и открытии дроссельной заслонки в пределах («gfg) 0,3-1,0;

-се - величина изменения tj при n 1,0 и открытии дроссельной заслонки в пределах (ugfg) 0,3-1,0;

-OZ - величина перемещения компенсационного поршня за счет работы центробежного чувствительного элемента при изменении n 0,4-1,0;

-Ј - точка экстремума кривой f(n) при() 1;

-Or - величина вакуума во впускном коллекторе, соответствующая максимальному перемещению компенсационного поршня.

Для нахождения величины вакуума во впускном коллекторе, а следовательно, и ъ камере вакуумного чувствительного элемента, соответствующей заданному режи- му работы двигателя, например, n 0,7 и (wgfg) 0,6, необходимо на оси 0-п найти величину 0,7, подняться по вертика- пересечения с кривой ijv f(7T) при (Mgfg) 0,6, провести горизонталь до пересечения со шкалой 0-S и линией 7v f (А Рк) и опуститься по вертикали в точку t. Отрезок О-t на оси 0-ДРк даст величину вакуума. Отрезок О-l на шкале 0-S определит величину перемещения компенсационного поршня из исходного положения вниз за счет работы вакуумного чувствительного элемента.

Величина перемещения компенсационного поршня за счет работы центробежного чувствительного элемента, соответствующая этому же режиму работы двигателя, определится отрезком b -с1 в масштабе шкалы 0-S.

Используя полученные величины вакуума и перемещений компенсационного поршня, соответствующих начальным a, m и конечным Ь, с, d, e точкам области регулирования, легко рассчитать диаметр диафрагмы и жесткость пружины вакуумного чувствительного элемента, массу грузов и жесткость пружины центробежного чувствительного элемента.

Наиболее подходящим по конструкции центробежным чувствительным элементом

является тахометр, приведенный в книге И.Я.Райкова Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1975, §v.2, с.107, рис.V.I.

Формула изобретения 1. Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым объемом цилиндров, содержащий рабочие цилиндры с поршнями, газораспределительный механизм, впускной и выпускной коллекторы, размещенную во впускном коллекторе дроссельную заслонку и установленные в головке каждого чилиндра управляемые компенсационные поршни с гидравлическим приводом, отличающийся тем, что, с целью повышения топливной экономичности, двигатель снабжен суммирующим механизмом, центробежным и вакуумным чувствительными элементами, приводным валом, жестко связанным с осью вращения двуплечим рычагом и шатунами для каждого компенсационного поршня, гидравлический привод компенсационного поршня выполнен в ,У

де золотникового распределителя и гидроцилиндра с поршнем и штоком, образующими поршневую и штоковую полости, подключенные к золотниковому распределителю, шток гидроцилиндра связан с одним плечом двуплечего рычага, другое плечо которого соединено с шатунами компенсационных поршней, ось вращения двуплечего рычага соединена с приводным валом, золотник распределителя связан с приводным валом и суммирующим механизмом, а к последнему подключен центробежный и вакуумный чувствительные элементы.

тем, что связь золотника распределителя с приводным валом выполнена в виде винтовой пары, а с суммирующим механизмом - в виде шлицевой муфты.

0

PC B/W

Фиг.З

fly sj(uP)

Фиг. 2

&Рк

n