Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия. Двигатель содержит размещенный в цилиндре поршень, коленчатый вал, кривошип которого связан через основной и дополнительный шатуны, и коромысло, связанное с дополнительным шатуном и имеющее регулируемую опору, закрепленную на корпусе двигателя. Продольные оси основного и дополнительного шатунов при положении поршня в "верхней мертвой точке" выполнены на одной линии с угловым изломом, определяемым ходом регулируемой опоры при изменении степени сжатия, и близкой к осевой линии возвратно-поступательного движения поршня. Точка шарнирного закрепления основного шатуна с дополнительным выполнена на расстоянии от центра кривошипа коленчатого вала на размер не более диаметра шатунной шейки этого кривошипа. 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия.

Одним из главных направлений развития двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (дизелей) является повсеместное применение газотурбинного наддува, обеспечивающего увеличение плотности воздушного заряда в цилиндрах, что создает предпосылки для увеличения цикловых подач топлива и роста эффективной мощности, снимаемой с одного цилиндра.

По мере повышения давления наддува, создаваемого турбокомпрессором, растет величина давления P_c в цилиндре в конце такта сжатия, что при прочих равных условиях приводит к повышению максимального давления сгорания P_z. Рост величины P_z требует создания соответствующих запасов прочности в основных нагруженных деталях дизеля (кривошипно-шатунный механизм, поршень, головки блока и др.) для обеспечения их надежной работы и является фактором, ограничивающим форсирование дизеля по мощности в случае отсутствия резервов повышения запасов прочности в деталях и узлах последнего.

Одним из традиционных способов ограничения роста максимального давления сгорания P_z является, как известно, уменьшение степени сжатия дизельного двигателя. По мере форсирования дизеля по мощности и, следовательно, повышения давления наддува закладываемая в конструкцию дизеля степень сжатия, как правило, снижается, что в известных пределах ограничивает рост P_z. Однако снижение величины степени сжатия форсированного по мощности дизельного двигателя имеет ограничение, связанное с самим принципом его работы. При чрезмерном снижении степени сжатия воздух при положении поршня в верхней мертвой точке не достигает температуры, обеспечивающей самовоспламенение впрыснутого в цилиндр топлива. Теория и практика показывают, что при степени сжатия ниже 13 и при пониженных значениях температуры окружающего воздуха впрыснутое топливо не самовоспламеняется или воспламеняется с трудом, и дизель практически утрачивает свои пусковые качества, а также способность работать на малых нагрузках. Между тем, на режимах, близких к номинальной мощности, высокофорсированный дизель, оснащенный газотурбинным наддувом, может работать на степенях сжатия, существенно меньших 13, так как недостающий подогрев воздуха при сжатии в цилиндре дополняется его сжатием и подогревом в компрессорной ступени турбокомпрессора, что, в целом, и обеспечивает самовоспламенение топлива в цилиндрах. Таким образом, дополнительное снижение степени сжатия дизельного двигателя, оснащенного газотурбинным наддувом, осуществимо и зависит от степени его форсирования по мощности: чем выше форсировка по мощности (а значит выше давление наддува и больше подогрев воздуха в компрессоре), тем более низкая степень сжатия может быть при этом реализована.

Задача состоит в том, чтобы найти и осуществить конструктивные и иные решения, обеспечивающие работу дизеля при низких степенях сжатия на режимах пуска и малых нагрузках, когда подогрев воздуха в компрессорной ступени практически отсутствует.

Решение этой задачи позволяет получить существенный резерв в форсировке по мощности дизелей с газотурбинным наддувом без дополнительного нагружения газовыми силами деталей двигателя.

Как известно, имеются два направления в решении указанной задачи.

Первое направление.

Двигатель с газотурбинным наддувом имеет фиксированную постоянную пониженную степень сжатия, а его пусковые свойства и работа на малых нагрузках обеспечиваются за счет создания условий, при которых топливо в цилиндре может самовоспламеняться, несмотря на пониженную степень сжатия.

Второе направление.

Двигатель имеет регулируемую степень сжатия, которая специальными устройствами автоматически увеличивается на режимах пуска и малых нагрузок и уменьшается по мере роста величины среднего эффективного давления P_e.

Ниже дана краткая оценка названных направлений.

По первому направлению наиболее известен дизель с низкой постоянной степенью сжатия с системой наддува под названием "Гипербар" (см., например, статью Castro Genede "Hyperbar a new turbocharging system" в "Ship and Boat Int", 1976, 29, N 1, 36-37, а также РЖ "ДВС", 6.39.160, 1976 г.).

Главной особенностью этого дизеля, как известно, является применение в составе дизеля встроенной камеры сгорания, которая на режимах пуска и малых нагрузок автоматически подает в цилиндры дизеля воздух, подогретый до температуры, обеспечивающей самовоспламенение топлива при низкой степени сжатия. На эксплуатационных режимах воздух получает необходимый подогрев в компрессорах с высокой степенью повышения давления (отсюда и название "Гипербар") и необходимость в работе камеры сгорания отпадает. Она автоматически переходит в дежурный ("тлеющий") режим работы.

Такой известный дизель, содержащий камеру сгорания с топливоподающим насосом, воздушные и газовые коммуникации и автоматику, управляющую всеми перечисленными элементами, не получил сколько-нибудь широкого распространения из-за присущих ему сложности, громоздкости, высокой стоимости и, видимо, недостаточной надежности.

По второму направлению наиболее известен дизель, содержащий поршень с автоматическим регулированием степени сжатия, получивший в литературе сокращенное обозначение ПАРСС и представленный, например, в авторских свидетельствах СССР NN 443194, 450898 и патенте СССР N 1782291.

В таких известных дизелях расстояние от оси поршневого пальца до верхней плоскости головки поршня изменяется за счет подвижности последней под воздействием системы пружин и гидравлической системы, в которую закачивается моторное масло через коленчатый вал и шатун двигателя.

Дизели по второму направлению также не получили широкого распространения вследствие чрезвычайно напряженных условий работы поршня, поскольку регулируемые элементы его конструкции расположены в камере сгорания, то есть в зоне наибольших воздействий максимальных давлений и температуры рабочего цикла двигателя.

Между тем, принцип регулируемой степени сжатия весьма перспективен, поскольку управлять величиной максимального сгорания P_z в широких пределах можно при достаточно малых изменениях в геометрических размерах камеры сгорания двигателя.

Расчеты показывают, что для уменьшения степени сжатия с 13 до 9 для дизелей размерностью, например, 15 x 18 достаточно увеличить высоту камеры сгорания примерно на 5 мм. Другими словами, чтобы получить требуемый закон изменения степени сжатия достаточно изменять положение поршня в верхней мертвой точке в диапазоне 0...5 мм.

Задача состоит в том, чтобы вынести устройство регулирования степени сжатия из зоны воздействия на него повышенных давлений и температур и обеспечить достаточную одинаковость изменения величины степени сжатия одновременно по всем цилиндрам. Тем самым будут преодолены основные недостатки дизелей с ПАРСС.

Указанная задача при такой постановке вопроса наиболее успешно, как представляется, может быть решена кинематическими методами, с помощью которых можно воздействовать на движение поршней дизельного двигателя с газотурбинным наддувом в традиционном их исполнении.

В классическом центральном кривошипно-шатунном механизме, состоящем из кривошипа (коленчатого вала), шатуна и ползуна (поршня), при помощи которого происходит преобразование возвратно-поступательного движения ползуна (поршня) во вращательное движение кривошипа (коленчатого вала), крайние положения поршня (нижняя и верхняя мертвые точки) остаются неизменными, чем и обеспечивается постоянство заранее выбранной степени сжатия применительно к рассматриваемому здесь двигателю внутреннего сгорания.

В соответствующих разделах теории механизмов и машин описаны способы кинематического воздействия на движение отдельных элементов кривошипно-шатунного механизма, в том числе и ползуна.

Например, в Справочнике машиностроения, том 1, М. Машгиз, 1960 год, в разделе "Теория механизмов и машин" на стр. 505 даны описания кривошипно-рычажных и кривошипно-коленных механизмов, которые могут быть положены в основу решения задачи по организации управляемого движения поршня двигателя внутреннего сгорания с целью достижения переменной степени сжатия путем соответствующего изменения положения поршня в верхней мертвой точке.

Такое устройство выполнено в двигателе внутреннего сгорания, например, по авторскому свидетельству N 878990, взятому в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Двигатель внутреннего сгорания по авторскому свидетельству N 878990 содержит размещенный в цилиндре поршень, коленчатый вал, кривошип которого связан с поршнем через основной и дополнительный шатуны, и коромысло, связанное с основным и дополнительным шатунами и установленное в регулируемой опоре. Регулируемая опора расположена и закреплена так, что при положении поршня в верхней мертвой точке опора расположена на продолжении общей осевой линии основного шатуна и коромысла, а ось дополнительного шатуна совпадает с осью кривошипа и перпендикулярна к оси основного шатуна.

Основной и дополнительный шатуны сочленены с коромыслом общим шарниром, а размеры радиуса кривошипа, основного и дополнительного шатунов, коромысла и величины регулирования положения опоры выполнены с заданным соотношением.

Указанное исполнение дизеля обеспечивает требуемое изменение степени сжатия за счет управления законом движения поршня путем изменения положения регулируемой опоры коромысла, а также достигается оптимальное протекание рабочего процесса двигателя.

Вместе с тем, прототип - двигатель по авторскому свидетельству N 878990 имеет ряд недостатков, к которым следует отнести: - смещенное положение коленчатого вала относительно основного и дополнительного шатунов и оси движения поршня (так называемый дезаксаж) увеличивает габаритные размеры двигателя по ширине, а также ухудшает его весовые характеристики; - коленчатый вал частично разгружен от давления вспышки, но коромысло и его опора остаются под полным воздействием максимального давления сгорания, что увеличивает число нагруженных газовыми силами деталей двигателя, требует их изготовления с учетом имеющихся нагрузок и, в целом, не способствует повышению надежности работы двигателя; - дополнительный шатун работает в несвойственном этой детали режиме растяжения от приложенных к нему газовых сил; - регулируемая опора, находящаяся под воздействием нагрузок от газовых сил, требует для изменения своего положения повышенных усилий, развиваемых исполнительным механизмом; - основной, вспомогательный шатуны и коромысло имеют один общий шарнир, что усложняет конструкцию этого соединения; - затруднено применение рассматриваемого известного решения при модернизации или разработке высокофорсированной модификации двигателя на базе существующего в производстве, так как рассматриваемый двигатель требует существенного отхода от традиционных решений в конструкции картера и кривошипно-шатунного механизма, в том числе введения дезаксажного расположения коленчатого вала относительно оси возвратно-поступательного движения поршня.

Общий недостаток, присущий расссматриваемому прототипу, заключается в том, что конец основного шатуна, не связанный непосредственно с поршнем, совершает не круговое движение, как в классическом кривошипно-шатунном механизме, а движение по размокнутой дуге либо движение по замкнутому эллипсу с различными соотношениями между большой и малыми его осями.

Отмеченное обстоятельство приводит к тому, что закон движения поршня в рассматриваемом двигателе с переменной степенью сжатия перестает быть синусоидальным, применительно к которому отработаны законы топливоподачи, смесеобразования, а также принципы уравновешивания сил и моментов движущихся частей двигателей внутреннего сгорания. Не случайно в рассмотренном выше прототипе оговорены мероприятия, направленные на оптимизацию протекания рабочего процесса при законе движения поршня, отличном от синусоидального.

Перечисленные недостатки, в итоге, вызывают ухудшение весогабаритных показателей и работоспособности двигателя, усложнение конструкции.

Задача изобретения состоит в том, чтобы улучшить весогабаритные показатели и работоспособность двигателя, упростить конструкцию и достигнуть цели, заключающейся в создании двигателя, обеспечивающего изменение степени сжатия двигателя кинематическими методами.

Решение задачи достигается за счет того, что в двигателе внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, содержащем размещенный в цилиндре поршень, коленчатый вал, кривошип которого связан с поршнем через основной и вспомогательный шатуны, и коромысло, связанное с дополнительным шатуном и имеющее регулируемую опору, установленную и закрепленную на корпусе двигателя, при положении кривошипа коленчатого вала, соответствующем приходу поршня в "верхнюю мертвую точку", согласно изобретению продольные оси основного и дополнительного шатунов выполнены на одной линии с отклонением от нее на угловую величину, определяемую ходом регулируемой опоры при изменении степени сжатия, а точка шарнирного закрепления основного шатуна с дополнительным выполнена на расстоянии от центра кривошипа коленчатого вала, не превышающем величину диаметра этого кривошипа.

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна и необходима для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - поставленной задачи.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где: - на фиг. 1 приведен двигатель с кинематическим механизмом, настроенным на максимальную величину степени сжатия; - на фиг. 2 то же, с механизмом, настроенным на минимальную величину степени сжатия.

Двигатель 1 содержит размещенный в цилиндре поршень 2, шарнирно связанный с головкой основного шатуна 3, другая головка которого шарнирно связана с дополнительным шатуном 4, размещенным на кривошипе коленчатого вала 5, а центр шарнира удален от центра шатунной шейки кривошипа коленчатого вала 5 на величину не более диаметра шатунной шейки. Вторая головка дополнительного шатуна 4 шарнирно связана с головкой коромысла 6, другой конец которого установлен шарнирно в регулируемой опоре 7, установленной и закрепленной на корпусе двигателя 1. Точка закрепления на корпусе двигателя 1 регулируемой опоры 7 выбрана таким образом, что при положении поршня 2 в "верхней мертвой точке" продольные оси основного и дополнительного шатунов располагаются на одной линии с изломом, величина которого определяется ходом регулируемой опоры при установке требуемой степени сжатия в регулируемых пределах.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

В цилиндре двигателя 1 поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение, которое передается основным шатуном 3 через дополнительный шатун 4 коленчатому валу 5 и коромыслу 6. При этом шарнирное сочленение дополнительного шатуна 4 с коленчатым валом 5 совершает вместе с кривошипом последнее круговое движение, а шарнирное сочленение дополнительного шатуна 4 с основным шатуном 3 - движение, близкое к круговому.

При фиксированном положении эксцентриковой опоры 7 поршень 2 каждый раз приходит в одну и ту же "верхнюю мертвую точку", обеспечивая тем самым неизменность величины текущей степени сжатия двигателя 1.

При повороте эксцентрика регулируемой опоры 7 в одну или другую сторону кинематическая цепочка от эксцентрика до поршневого пальца поршня 2 меняет взаимное расположение ее элементов (3, 4, 6) относительно друг друга, в результате чего от исходной "верхней мертвой точки" поршень 2 перемещается вверх (фиг. 1) или вниз (фиг. 2). В первом случае это будет сопровождаться увеличением степени сжатия, а во втором случае - уменьшением ее.

Из сказанного следует, что в момент вспышки при положении поршня 2, близком к "верхней мертвой точке", основной шатун 3 и дополнительный шатун 4 расположены на линии, близкой к оси возвратно-поступательного движения поршня 2, вследствие чего суммарная газовая сила от максимального давления сгорания воспринимается фактически полностью кривошипом коленчатого вала 5. Коромысло 6, его регулируемая опора 7, а также примыкающий к коромыслу 6 шарнирный конец вспомогательного шатуна 4 этой силой практически не нагружаются.

Из фигур также видно, что все составляющие части кривошипно-шатунного механизма двигателя 1 расположены вдоль осевой линии возвратно-поступательного движения поршня 2 и не увеличивают габаритные размеры двигателя по ширине. Предлагаемый двигатель не требует смещения центра вращения коленчатого вала 5 (то есть введения дезаксажа), что позволяет оснащать дизели устройством для изменения степени сжатия без существенных переделок корпусных и других деталей двигателя в случае его модернизации с внедрением механизма для изменения степени сжатия.

Наконец, при минимально возможно малом по конструктивным соображениям расстоянии между центром кривошипа коленчатого вала 5 и шарниром основного шатуна 3 последний совершает перемещение, близкое к круговому (точное круговое движение совершает кривошип коленчатого вала), что делает возвратно-поступательное движение поршня близким к синусоидальному. Последнее обстоятельство приближает протекание рабочего процесса к традиционному, а также упрощает задачу уравновешивания движущихся масс этого двигателя Таким образом, предлагаемый двигатель с изменяемой степенью сжатия кинематическими методами по сравнению с двигателем-прототипом имеет следующие преимущества:
- не требует смещения центра вращения коленчатого вала от оси возвратно-поступательного движения поршня, что способствует сохранению компактности двигателя. Этому же способствует расположение деталей устройства вдоль оси возвратно-поступательного движения поршня;
- специфические детали двигателя существенно разгружены от действия газовых сил, которые воспринимаются традиционно нагруженными деталями двигателя внутреннего сгорания, каковыми являются основной шатун и коленчатый вал;
- тройное шарнирное соединение основного, дополнительного шатунов и коромысла, характерное для двигателя-прототипа, в предлагаемом двигателе отсутствует, что упрощает его конструкцию и повышает надежность работы;
- движение поршня близко к синусоидальному, а кривошипного конца основного шатуна - к круговому.

Новыми существенными признаками предлагаемого решения, отличающимися от других решений той же задачи, являются:
- при положении поршня в "верхней мертвой точке" основной и вспомогательный шатуны располагаются на одной линии с угловым изломом, определяемым ходом регулируемой опоры для изменения степени сжатия;
- шарнирное сочленение основного шатуна с вспомогательным шатуном совершает движение, близкое к круговому, а поршень совершает движение, близкое к синусоидальному.

Использование предлагаемого двигателя внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия на предприятиях страны даст значительный полезный эффект.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий размещенный в цилиндре поршень, коленчатый вал, кривошип которого связан с поршнем через основной и дополнительный шатуны, и коромысло, связанное с дополнительным шатуном и имеющее регулируемую опору, установленную и закрепленную на корпусе двигателя, отличающийся тем, что продольные оси основного и дополнительного шатунов при положении поршня в верхней мертвой точке выполнены на одной линии с угловым изломом, определяемым ходом регулируемой опоры при изменении степени сжатия, и близкой к осевой линии возвратно-поступательного движения поршня, а точка шарнирного закрепления основного шатуна с дополнительным выполнены на расстоянии от центра кривошипа коленчатого вала на размер не более диаметра шатунной шейки этого кривошипа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2