Двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Войтов Вячеслав Тимофеевич Климук Анатолий Степанович Янович Дмитрий Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия, содержащий блок цилиндров с поршнем и пальцем кривошипно-шатунный механизм, содержащий два коленчатых вала, выполненных с параллельными осями вращения и с возможностью вращения навстречу друг другу с одинаковой угловой скоростью, два шатуна с шарнирами в верхних и нижних головках, при этом нижние головки шатунов шарнирно связаны с шатунными шейками коленчатых валов, имеющих возможность относительного поворота при помощи механизма рассогласования, отличающийся тем, что содержит коромысло,шарнирно установленное на пальце внутри поршня с возможностью качания относительно последнего и своими концами шарнирно связанное с верхними головками шатунов. 16295 1 2012.08.30 Изобретение относится к тепловым двигателям, в частности к двигателям внутреннего сгорания, и предназначено для использования, например на транспорте. Применение двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с переменной степенью сжатия позволяет обеспечить возможность их работы на различных топливах, повышает термодинамический коэффициент полезного действия, снижает расход топлива ДВС, улучшает их экологические показатели. Известны конструкции поршневых ДВС с переменной степенью сжатия, изменение которой может быть достигнуто за счет а) перепуска части сжатого рабочего газа из цилиндра во впускной коллектор или байпас (например патент 2089739, 1997), однако при этом безвозвратно теряется какое-то количество энергии, затраченной на сжатие газа б) изменения объема камеры сгорания за счет применения в головке блока цилиндров подвижного поршня (например патент 2296874, 2006) или диафрагмы (например патент 2289703, 2006), следует учитывать, что головка блока ДВС является самой теплонапряженной деталью двигателя, и поэтому такие конструкции обладают низкой надежностью в) применения эксцентриков (клиньев) в кинематических парах кривошипношатунного механизма или других устройств, позволяющих изменять длину шатуна(например патент 2159858, 2000) или радиус кривошипа (например патент 2013603, 1994), однако общим недостатком данных патентов следует считать сложность механизма привода данного устройства, а также сложность синхронизации работы данных механизмов для многоцилиндровых двигателей г) применения поршней с подвижными головками 13, с.4560, недостаток - сложность управления, синхронизации и охлаждения данных механизмов д) применения подвижного, относительно коленчатого вала, блока цилиндров (например заявки на изобретения 2005220843, 20052004324464, 2004 международная заявка 9209799, 1992), но при этом необходимо постоянно перемещать массивную деталь - блок цилиндров с головкой и навесным оборудованием е) изменения конструкции кривошипно-шатунного механизма (КШМ) путем введения дополнительных элементов, совершающих сложное плоскопараллельное движение и позволяющих за счет этого изменить ход поршня за цикл (например заявки на изобретения 2001263114, 20012006048728, 2006 патент 2382217, 2010), имеют общий недостаток помимо усложнения конструкции - повышенные нагрузки от сил инерции и сложность уравновешивания данных дополнительных масс КШМ. Несомненно, что все перечисленные ДВС с переменной степенью сжатия являются сложными механическими устройствами с низкой надежностью. Наиболее близким к заявляемому устройству является конструкция ДВС с переменной степенью сжатия, представленная в патенте 10019959, 2000, которая содержит блок цилиндров, в картере которого параллельно друг другу установлены два коленчатых вала,синхронизированных зубчатой передачей, обеспечивающей их вращение с одинаковой угловой скоростью в разных направлениях, двумя шатунами на каждый поршень, причем шатунные шейки коленчатых валов шарнирно связаны с нижними головками шатунов. Обе верхние головки шатунов шарнирно связаны через общий палец с тягой, а поршень шарнирно связан с тягой так, что ось тяги совпадает с осью цилиндра. Положение одного коленчатого вала относительно неподвижного другого коленчатого вала может изменяться с помощью специального устройства (механизма рассогласования). Следует отметить,что применение двух коленчатых валов и двух шатунов, работающих на один цилиндр,обеспечивает хорошую уравновешенность двигателя и полное устранение боковой силы,возникающей в процессе работы двигателя, в паре трения поршень-цилиндр в том случае,если они совершают свое движение симметрично относительно оси цилиндра. В этом случае ход поршня будет максимальным и соответственно степень сжатия будет иметь 2 16295 1 2012.08.30 наибольшее значение. Изменение степени сжатия данного двигателя произойдет, если повернуть один коленчатый вал относительно неподвижного другого. При этом верхние головки шатунов сместятся от оси симметрии цилиндра и начнут описывать траекторию,представляющую собой восьмерку, верхняя и нижняя точки которой лежат на оси симметрии цилиндра. Ход поршня при этом уменьшится как за счет уменьшения амплитуды перемещения верхних головок шатуна, так и за счет того, что при смещении верхних головок шатуна от оси симметрии цилиндра они потянут за собой тягу, а значит и поршень переместится на меньшее расстояние. При этом степень сжатия двигателя уменьшится. Основным недостатком прототипа является то, что смещение верхних головок шатуна ограничено стенками цилиндра, а уменьшение хода поршня при этом мало, появляются значительные неуравновешенные массы и боковые силы в паре трения поршень-цилиндр,что снижает эффективность работы данного механизма. Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы ДВС за счет создания такой конструкции, которая позволит повысить диапазон регулирования степени сжатия. Поставленная цель достигается тем, что ДВС с переменной степенью сжатия, содержащий блок цилиндров с поршнем и пальцем КШМ, содержащий два коленчатых вала,выполненных с параллельными осями вращения и с возможностью вращения навстречу друг другу с одинаковой угловой скоростью, два шатуна с шарнирами в верхних и нижних головках, при этом нижние головки шатунов шарнирно связаны с шатунными шейками коленчатых валов, имеющих возможность относительного поворота при помощи механизма рассогласования, согласно изобретению, содержит коромысло, шарнирно установленное на пальце внутри поршня с возможностью качания относительно последнего и своими концами шарнирно связанное с верхними головками шатунов. Кроме этого ДВС содержит головку блока цилиндров с механизмом газораспределения, а также системы топливную, воздухоснабжения, газоотвода, охлаждения, смазки и управления. Устройство ДВС с переменной степенью сжатия, принцип его работы и возможный вариант реализации конструкции представлены на прилагаемых чертежах и схеме на фиг. 1 - поперечный разрез ДВС с переменной степенью сжатия на фиг. 2 и фиг. 3 - схемы, объясняющие принцип изменения степени сжатия в процессе работы ДВС на фиг. 4 - вариант конструктивного исполнения ДВС с перекрещивающимися шатунами. Заявляемый ДВС с переменной степенью сжатия (см. фиг. 1) содержит головку блока цилиндров 1, блок цилиндров 2, на котором снизу в пространстве, закрытом картером 3,закреплены два коленчатых вала 4 кривошипно-шатунного механизма так, что их оси вращения (центр коренной шейки каждого коленчатого вала) взаимно параллельны, причем коленчатые валы 4 взаимосвязаны посредством, например, зубчатой передачи 5 и могут вращаться навстречу друг другу с одинаковой угловой скоростью. Кривошипношатунный механизм также включает два шатуна 6 на каждый поршень 7 с пальцем 8 и коромыслом 9, установленным внутри поршня 7, который перемещается внутри блока цилиндров 2. Причем шатуны 6 содержат нижние головки 10, шарнирно связанные с шатунными шейками коленчатых валов 4, и верхние головки 11, которые шарнирно соединены с концами коромысла 9 через пальцы 12. Коромысло 9 также шарнирно связано с поршнем 7 через палец 8 и установлено так, что имеет возможность совершать качательное движение относительно поршня 7. Имеется также механизм рассогласования (условно не показан), позволяющий поворачивать хотя бы один коленчатый вал 4 относительно неподвижного другого коленчатого вала 4. Механизм рассогласования может быть выполнен, например, в виде цилиндрической косозубой зубчатой передачи, зубчатые колеса которой установлены на коренной шейке каждого коленчатого вала на шлицах с возможностью их принудительного осевого перемещения в разных направлениях. 3 16295 1 2012.08.30 Работает предлагаемая конструкция следующим образом (см. фиг. 2 и фиг. 3). В данной конструкции поршень 7 перемещается вдоль оси блока цилиндров СД. Обозначим(см. фиг. 2) положение поршня 7, наиболее удаленное от плоскости, в которой лежат оси вращения коленчатых валов 4 (О 1 и О 2), как верхняя точка поршня (ВТП), а наименее удаленное (см. фиг. 3) - нижняя точка поршня (НТП). Причем максимальное перемещение поршня 7 от плоскости, в которой лежат оси вращения коленчатых валов 4 (О 1 и О 2), будет в том случае, если в ВТП ось шатуна 6 (линия, соединяющая центр верхней и нижней головок шатуна) совпадает с осью кривошипа коленчатого вала 4 (линия, соединяющая центр шатунной и коренной шейки) для каждого из коленчатых валов 4 (см. фиг. 2 а). Учитывая то, что угловые скорости вращения коленчатых валов 4 одинаковы, все сказанное справедливо и для НТП (см. фиг. 3 а), но в данном случае здесь будет минимальное перемещение поршня 7. В этом случае коромысло 9 неподвижно относительно поршня 7 и совершает перемещение вместе с поршнем 7 от ВТП до НТП. Если ввести рассогласование(например, в статическом положении повернуть кривошипы коленчатых валов 4 друг относительно друга), то теперь в процессе вращения поршень 7 переместится на меньшее расстояние как в ВТП (см. фиг. 2 б и 2 в), так и на большее расстояние в НТП (см. фиг. 3 б и 3 в). Это связано с тем, что теперь в ВТП и НТП как минимум одна из осей шатуна 6 образует с осью кривошипа коленчатого вала 4 некоторый угол, а значит и верхняя головка этого шатуна 6 переместится на меньшее расстояние в ВТП и большее в НТП. При этом коромысло 9 повернется на некоторый угол, потянув за собой поршень 7. Это приведет к тому, что перемещение поршня 7 от общей оси коленчатых валов в ВТП будет меньше(см. фиг. 2), а в НТП больше (см. фиг. 3). Уменьшение общего хода поршня приведет к тому, что степень сжатия данного двигателя уменьшится. Устройство ДВС с переменной степенью сжатия может отличаться от предложенного(см. фиг. 4), например, тем, что шатуны 6 могут быть выполнены перекрещивающимися и изготовлены таким образом, чтобы в процессе работы исключить их взаимное касание. Такое изменение узла дает возможность реализовать более компактную конструкцию ДВС. Использование данного изобретения позволяет повысить диапазон регулирования ДВС с переменной степенью сжатия за счет повышения эффективности работы конструкции, уменьшить влияние неуравновешенных масс при работе двигателя на режиме с пониженной степенью сжатия. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5