Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия и двигатель внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛРПСИ БЕЛАРУСЬ(54) СПОСОБ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГ О ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РЕГУЛИРУЕМОИ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ1. Способ работы четырехтактные двигателя внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия, заключающийся в регулировании на режимах с неполной нагрузкой количества рабочего заряда за счет вьшуска,на такте сжатия. части рабочей смеси, поступившей в цилиндр, не подвергая ее сжатию,отличающийся тем, что упомянутую часть рабочей смеси перепускают в следующий по порядку работы Цилиндр, в который поступает свежий заряд, в вьшуск отработавших газов производят с меньшим углом опережения начала выпуска при снижении сопротивления впускной системы во втором периоде выпуска.2. Двигатель внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия, содержащий рабочие цилиндры, кривошипно-шатунный механизм и головку цилиндров с компенсационными поршнями, связанными с приводом и исполнительным механизмом управления режимом работы двигателя, двумя распределительными валами, первичными и вторичными впускными и выпускными клапанами, установленными с возможностью взаимодействия с кулачками распределительных валов, свяЗНННЫХ С КОЛСНЧЦТЫМ ВЗЛОМ ДВИГЗТЕЛЯ, ОТЛИ чающийся тем. что распределительный вал вторичных впускных и выпускных клапанов связан с коленчатым валом через планетарный редуктор, водило которого кинематически связано с приводом перемещения компенсационных поршней. з каэкдый впускной канал вто(73) Патентообладатель Антоненко Александр Николаевич (ВТ)ричного впускного клапана одного цилиндра сообщен перепускным трубопроводом с впускным каналом первичного впускного клапана,следующего по порядку работы цилиндра.3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что привод Перемещения компенсациошшх поршней ВЫПОЛНЕН В виде эксцентриковом вала, КИНЕМЗТЦЧЕСКИ СВЯЗЗННОГО С КОМПБНСЗЦИОННЫШ ПОрПП-ЕЯМИ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ механизмом орГаНЦ управления рВЖИМОМ работы ДВИГЗТЫТЯ.Изобретение относится к машиностроению, а именно к двшнтепестроентпо и может быть пспользовано в четырехтактных двигателях внутреннею сгорания, преимущественно, с внешним смсссобразованием, работающих с переменным режимом работы, например, на автомобилях.Известны двигатели внутреннею сгорания с регулируемым объемом камер сгорания, например, двигатель внутреннего сгорания.НЕДОСТЭТКОМ ЭТОГО ДВШЙТЕЛЯ ЯВЛЯЕТСЯ ОЧЕНЬ сложная конструкция автоматического регулирования изменения объема камер сгорания в зависимости от наполнения цилиндра рабочим зарядом и значительные потерн полезной работы, затрачиваемые на газообмен при работе на режимах с частичной нагрузкой.Известен двшатель внутреннею сгорания с регулируемым объемом цилиндров, у которого количество рабочей среды регулируют путем пропускания на всасывангиш количества рабочей среды, соответствующего работе на полной мощности, и последующего выпуска части этой среды, так что она не претерпевает сжатия. Остальную часть, количество которой соответствует текущей нагрузке двигателя, подвергаЮТ СЖЗТИО, ПРИЧЕМ СТЕПЕНЬ СЖЭТПЯ ЭЗВИСИТ ОТ количества подвертаемой сжатию среды. В двигателе имеется подвижный элемент, регулирующий степень сжатия. Положение элемента задает устройство управления. С целью осуществления такой регулировки для каждой рабочей камеры двигателя предусмотрен выпускной клапан, который остается открытым в течении регулируемой большей части начальной фазы сжатия 1Техническая сложность предложенной конструкции двигателя очевидна. К технически сложным элементам двигателя можно отнести распределительные кулачковые валы с регулируемой геометрией кулачка, устройство управления режимом работы двигателя,фУЕКЦионадтьная схема которого имеет недостаточную устойчивость системы автоматического регулирования и не имеет практической пригодности, механизм перемещения компенсационных поршней, работающий в условиях высоких температур. Кроме того, в реальном двигателе, при работе с неполной нагрузкой,СНЕЖВСТСЯ ДЗВЛСЕИЕ рабочих ГЗЗОВ В процессе расширения, а опережающее открытие вьшускного клапана (необходимое при работе на полной мощности) приводит к потере полезной работы от расширения рабочих газов и снижает экономичность двигателя. Все вышеуказанные недостатки конструкции двигателя и несовершенство способа осуществления рабочего цикла являются главной причиной того, что эти двигатели не нашли практического применения.Задача изобретения - повышение экономичности двигателя, работающего в режиме с неполной нагрузкой, за счет снижения насосных потерь в процессе впуска, выпуска в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия, при достижении максимально простой и надежной конструкции двигателя, позволяющей на всех режимах работы получить в котще такта сжатия оптиМЭЛЬНЫВ ПЗРЗМЕТрЫ СОСТОЯНИЯ рЗбОЧВГО заряда.Указанная техт-шческая задача решается тем,что при работе на режимах с неполной нагрузкой регулирование количества рабочего заряда ОСУЩСГВЛЯВТСЯ за СЧЕТ ПСРСПУСКВ, на такте сжатия, части рабочей смеси, поступившей в цилиндр, не подвергая ее сжатию, в следующий по порядку работы цилиндр, в который поступает свежий заряд, а выпуск отработавших газов производят сменвпптщ углом опережения начала выпуска при снижении сопротивления выпускной системы во втором периоде выпуска.В двигателе внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия, содержащем рабочие цшшндры, кривошипно-шапгннъгй механизм и головку цилиндров с компенсационными поршнями, связанными с приводом и исполнительным механизмом управления режимом работы двигателя, двумя распределительными валами, ПЕРВИЧНЫЕ/ДН И ВТОРИЧЕЪЦИИ ВПУСКНЫМИ и выпускными клапанами, установленными с ВОЗМОЖНОСТЬЮ ВЗЗШТОДЕЙСТВИЯ С кулачками распределительных валов, связанных с коленчатым валом двигателя, распределительный вал вторичных впускных и вьитускньтх клапанов связав с коленчатым валом через планетарный редуктор, водило которого КИНСМЗТИЧЕСКИ СВЯЗЗНО С ПРИВОДОМ ПЗРВМСЩЕния компенсационных поршней, а каждый впускной канал вторичного впускного клапана одною цилиндра сообщен перепускным трубопроводом с впускным каналом первичного впускного клапана, следующего по порядку работы цилиндра.Привод перемещения компенсационных поршней выполнен в виде эксцентрикового вала, кинематически связанного с компенсационными поршнями и исполнительным механизмом органа управления режимом работы двигателя.На фиг. 1 представлена индикаторная диаграмма ПРОЦЕССОВ впуска И ВЫЗПУСКЗ. В ДВИГЗТСЛЕ внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия на режиме с неполной нагрузкой 1 - по известному способу, П - по предлагаемому способу на фиг. 2 - кинематическая схема двигателя внутреннего сгораНИЯ С регулируемой СТВПВНЬЮ СЖЗТИЯ на фиг. 3 - диаграмма фаз газораспределения а - 1, а - П - фазы работы первичных впускных и выпускных клапанов на максимальной и ми 5 ВУ 1159 С 1 внимальной мощности, б - 1 - вторичных клапанов при работе на максимальной мощности, б П - на минимальной мощности, в- 1 - общая суммарная диаграмма газораспределения двигателя при работе с полной нагрузкой, в - П - на неполной нагрузке.По предлагаемому способу регулирование рабочего заряда в четырехтактном двигателе ВНУТРЕННЕГО сгорания С рВГуЛИруЕМОй СТЕпеныо сжатия осуществляется за счет перепуСКВ, на ТЗКТС СЖЦТИН, ЧЦГИ рабочей СМЕСИ,поступившей в цилиндр, не подвергая ее сжатию, в следующий по порядку работы цилиндр,в который происходит впуск свежего заряда,что является оптимальным процессом и имеет преимущество, так как вытеснение части рабочей смеси из одного цилиндра сопровождается всасыванием ее во второй, в который поступает свежий заряд. Благодаря этому наполнение цилиндра, при работе двигателя на неполной нагрузке, происходит с Меньшши разряжением в шршндре (участок п -а 1 расположен вьшзе, чем аналогичный участок г-а (ФИГ- 1) И снижается сопротивление при обратном выталкиванигг части рабочей смеси (участок а 1-п 1 расположен ниже участка а-п). Работа,затрачиваемая на процесс наполнения цилгшдра рабочим зарядом. соответствует площади, ограниченной контуром г 1 а 1111-1 КОТОРЗЯ МЕНЬШЕ площади г-а-п-З. а следовательно, уменьшаются и потери в процессе впуска.При работе двшчателя на неполной нагрузке,вследствии уменьшения рабочего заряда, давление рабочих газов в конце процесса расшиРСНИЯ ЗНЗЧИТЛТЬНО СНИЖЗВТСЯ И ПВРВЬЙ ПСрИОД выпуска намного сокращается. Это позволяет уменьшить угол опережения начала выпуска отработавших газов, за счет чего увеличится степень расширения рабочих газов и полезная работа цикла, а снижение сопротивления выпускной системы - уменьшит работу, ЗШЪШЧИ ваемую на выталкивание отработавших газов и улучшит очистку цилиндра. На индикаторной диаграмме (фиг. 1) площадь, ограниченная контуром, определяет положительную работу рабочих газов, полученную за счет большего их расширения в цилиндре, а более низкое расположение участка Ь-п показывает на снижение сопротивления выпускной системы при ходе поршня к верхней мертвой точке в процессе выпуска, что также уменьшает потери полезной работы в процессе выпуска.Таким образом, по заявленному способу,снижается величина отрицательной работы,затрачиваемой двигателем в процессе газообМВНЗ И УВСЛИЧИВЗВТСЯ ПОЛОЖИТЛЪНЗЯ 13360173. от расширения рабочих газов, в результате чего повышается экономичность двигателя.Двигатель внутреннего сгорания с регулирусмой Степенью ЖДТИЯ СОДЕРЖИТ рабочие ЦИ 10линдры 1 (на фиг. 2 показан один цилиндр) с поршнями 2, кривошипно-шатунный механизм 3 и головку цилиндров с компенсационньпш поршнями 4 и двумя распределштельньлми валами 5 и б. Каждый рабочий цилиндр снабжен первичным впускным - 7 и первичным выпускным клапаном 8, взаимодействующиьш с кулачками распределительного вала 5, рабоГЗЮЩВГО С ПОСТОЯННЫМИ фазами газораспределения, а также вторичным впускным(перепускным) 9 и вторичным выпускным 10 клапанами, взаимодействующими с кулачками ВТОРОГО РЗСПРЕДБЛИТВЛЬНОГО вала б, СВЯЗЪНЕВГО с коленчатым валом планетарным редуктором 11 в соотношении 1 2. Водило 12 планетарного редуктора 11 имеет возможность изменять свое положение в процессе работы двигателя,что приводит к изменению фазы вращения распределительного вала 6 относительно коленвала 3, и кинематически связано с эксцентриковым валом 13 посредством двух рычагов 14 и 15, жестко закрепленных на водило 11 и эксцентриковом валу 13 и шарнирно соединенных между собой телескопическим звеном 16 с пружиной сжатия 17, уравновешивающей силу реакции, возникающую при передаче вращающего момента планетарным редуктором 11 и, стремящуюся повернуть водило 12 с рычагом 14. Кроме того, эксцентриковый вал 13,при помощи шатунов 18, связан с компенсационным поршнями 4 и жестко соединен с исполнительным механизмом органа управления режимом работы двигателя, состоящего. например, из червячного редуктора 19 и электродвигателя 20.Каждый впускной канал с размещенным в нем вторичным впускным (перепускным) клапаном 9 одного цилиндра сообщен перепускным трубопроводом (коллектором) 21 с впускным каналом от первичного впускного клапана 7, второго, следующего по порядку работы цилиндра. Горючая смесь поступает в 1113 линвр по трубопроводу 22, а отработавшие газы отводятся из цилиндра по трубопроводу 23.Способ осуществляется следующим образом. При работе двигателя на полной мощности компенсационный поршень 6 находится в верхнем положешш и камера сгорания имеет максимальный обьем. Общая суммарная диаграмма фаз газораспределения имеет во Ь-Г (фиг. 3). При этом фазы газораспределения для впускных клапанов совпадают, что обеспечивает наполнение цилиндра максимальным рабочим зарядом, а момент открытия вторичного выпускного клапана 10 опережает момент ОТКПЫТИЯ ПВРВИЧНОГО ВЫПУСКНОГО клапана 3(90090). Вследствие давление отработавших газов в первый период выпуска резко сбрасывается двумя выпускными клапанами 8 и 10 до ПрНХОДЗ ПОРЩНЯ В НИЖНЮЕО МСРТВУЮ ТОЧКУ.Это позволяет уменьшить работу, затрачиваемую на выталкивание отработавших газов из цилиндра и улучшить очистку цилиндров. При ьтаксгшадтьном объеме камеры сгорания рычаг 14 находится под углом 90 к звену 16. Такое расположение позволяет пружине 17 удерживать максимальную реакцию водила, возникающую при максгяпчадгьътых оборотах коленчатого вата, без изменения длины звена 16.Максимальная экономичность, по предлагаемому способу, достигается на частичной нагрузке. Необходимый режим работы двигателя задается органом управления режимом работы двигателя с места водителя (оператора). При этом, электродвигатель 20 через червячный редуктор 19 поворачивает эксцентриковый вал 13 и компенсационный поршень 4 переводится в расчетное ПОЛОЖЕНИЕ. ОДНОВРЕМЕННО ЭКСЦЕНТрпковый вал 13, кинематически связанный с водилом 12 планетарного редуктора 11, поворачивая водило планетарного редуктора вокруг обшей оси планетарного редуктора, изменяя,тем самым, положение сонечной шестерни относительно коронной, поворачивает распределлтешаный вал 5, что приводит к изменению фаз газораспределения двигателя. Диаграмма газораспределения двигателя, работающего с ьшниматхъной нагрузкой показана на фиг. 3 и имеет вид Ь-П.На круговой диаграмме видно, что начало впуска свежею заряда совпадает с концом выПУСКЗ отработавших ГНЗОБ. ЭТИМ ДОСТИГВВТСЯ полная очистка цилиндра от отработавших газов. Опережение впуска соответствует моменту открытия первичного впускного клапана 7(угол а на диаграмме) и является постоянным для всех режимов работы двигателя. Момент. закрытия вторичного впускного клапана 9 оп ределяется углом запаздывания 51, величина которого зависит от нагрузки двигателя. На минимальной нагрузке угол 81 имеет максиМЕЦЕЬНОВ значение, в результате чего часть рабочей смеси во время такта сжатия при открытом вторичном впускном клапане 9 по перепускному трубопроводу 21 перепускается в следующий по порядку работы цилиндр, в котором начинается такт Впуск. Оставшийся в цилиндре рабочий заряд, соответствующийуменьшенному компенсационным поршнем,объему камеры сгорания сжимается с расчетной степенью сжатия и имеет в конце такта сжатия оптимальные параметры состояния рабочего заряда. На неполной нагрузке в результате перераспределения части рабочей смеси в следующий по порядку работы цшпгндр давление рабочих газов в конце процесса расширения значительно снижается. Поэтому начало процесса выпуска определяется моментом открытия первичного вьшускного клапана 8, при МСНЬШСМ УГЛС ОПВРВЖСИЯ ф, В ВЬПУСК ВО ВТОРОМ периоде производится одновременно двумя выпускньши клапанами 8 и 10, что позволяет получить допошпттелънуто работу от расширения рабочих газов за счет удлинения такта Рабочнй ход и снизить сопротивление выпускной системы во втором периоде выпуска, а следовательно, улучшить экономичность двигателя. При неполной нагрузке и максимальных оборотах коленчатого вала, в результате быстротечности протекания процессов газообмена,уменьшается время перепуска рабочей смеси и увеличивается рабочий заряд цилиндра, что может привести к детонации. Для коррекции ВЕЛИЧИНЫ РЗБОЧВГО заряда В ЗЗВИСЦМОСТИ ОТ оборотов коленвала в кинематической связи ЭКСЦСНТРИКОВОГО вала С ВОДИЛОМ РСДУКТОРЭ. предусмотрено телескопическое звено 16 с пружиной 17. С ростом частоты вращения коленчатого вала возрастает и крутящий момент,необходимый для вращения распределительного вала, приводимого от планетарного редуктора. При этом реакция водила становится больше, чем составляющая от направленной под острым углом к рычагу 14 силы пружины. Вследствие телескопическое звено 16, уменьшая свою длину, изменит фазы газораспределения и, увеличивая тем самым время перепуска рабочей смеси, уменьшит количество рабочего заряда, что предотвратит детонации). Таким образом, вышерассмотренный двигатель обеспечивает реализацию предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя с регулируемой степенью сжатия,чем и достигается возможность повышения экономичности двигателя, работающего с неполной нагрузкой.