Двигатель внутреннего сгорания

 

Двигатель предназначен для использования в энергомашиностроении преимущественно в качестве ДВС. Двигатель содержит один или более поршней (4), каждый из которых установлен в цилиндре (2) и шарнирно соединен с концом (11) удлиненного связующего элемента, шарнирно соединенного с кривошипом (10). Другой конец связующего элемента (14) образует стержень (18), соединенный с первым установочным элементом (20) с возможностью относительного движения между ними вдоль стержня (18). Первый элемент (20) соединен со вторым установочным элементом (26) с возможностью относительного движения между ними при вращении вокруг оси (21). Второй элемент (26) направлен с возможностью движения относительно неподвижного установочного элемента (24) поперечно стержню (18). Размеры и компоновка креплений (20, 26, 24 ) и удлиненного звена (14) подобраны так, что скорость перемещения поршня уменьшается в момент зажигания, что способствует быстрому распространению фронта горения рабочей смеси и задерживает поршень в НМТ. Изобретение обеспечивает повышение КПД. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с поршнями возвратно-поступательного хода и, в частности, хотя и не исключительно, относится к двигателям общего типа, описанного в ЕР-А-0591153.

В этом предшествующем документе описывается двигатель, у которого отдельный или каждый поршень должен осуществлять движение в ходе, по меньшей мере, части цикла с такой скоростью, что графическое изображение его смещения в зависимости от времени отличается от синусоиды, присущей обычным двигателям, в которых каждый поршень соединяется с соответствующим кривошипом коленчатого вала соответствующим шатуном. В таком обычном двигателе делались попытки сочетать горение рабочей смеси с движением поршня, но принцип, лежащий в основе конструкции, описанной в предшествующем документе, заключается в том, что поршень заставляют двигаться способом, который "следует" за горением и зависит от характера и развития процесса горения.

Конкретнее в предшествующем документе описан двигатель, в котором вызывают замедление поршня, и он, таким образом, движется медленнее, чем в обычном двигателе, во время или вблизи того момента цикла, когда происходит зажигание рабочей смеси, с последующим повторным ускорением перед достижением положения в верхней мертвой точке (ВМТ). Это основывается на признании того факта, что в обычном двигателе поршень движется почти с максимальной скоростью в той точке, в которой происходит зажигание, а степень сжатия меняется при по существу максимальной скорости и, таким образом, понижает скорость распространения в рабочей смеси фронта горения, способствуя ухудшению характера и полноты процесса горения. Однако замедление поршня в момент зажигания означает, что скорость возрастания давления рабочей смеси в момент начала распространения фронта горения оказывается значительно меньше, чем обычно, в результате чего фронт горения распространяется по рабочей смеси гораздо быстрее обычного.

В предшествующем документе указано также, что поршень достигает максимального ускорения и максимальной скорости при повороте после ВМТ приблизительно на 0-40^o вместо 90^o после ВМТ, как в обычном двигателе, после чего движется в последней части своего рабочего цикла перед достижением нижней мертвой точки (НМТ) медленнее, чем в обычном двигателе. Это ведет к понижению температуры выхлопных газов и, таким образом, к уменьшению выбросов NO_x и уменьшению эрозии выхлопных каналов и клапанов.

Двигатели, изготовленные в соответствии с патентом ЕР-А-0591153, были подвергнуты всесторонним испытаниям, которые показали, что двигатель действительно обладает значительно более высокой эффективностью по сравнению с обычными двигателями при одновременном резком снижении выбросов несгоревших углеводородов, СО и НО_x. Кроме того, эти испытания показали, что процесс сгорания в двигателях, соответствующих предшествующему документу, в принципе отличается от этого процесса в обычных двигателях, о чем свидетельствует тот факт, что, например, скорость повышения давления в цилиндре во время сгорания составляет около 6,5 бар в расчете на 1 градус поворота выходного вала по сравнению с приблизительно 2,5 бар в обычном двигателе, а также то, что сгорание завершается в пределах поворота выходного вала после ВМТ приблизительно на 22^o по сравнению с 60^o в обычном двигателе.

Однако двигатель, описанный в предшествующем документе, включает в себя профилированные кулачки, взаимодействующие с поршнями, а не обычный коленчатый вал, и хотя указанные кулачки являются вполне функциональными и удовлетворительными с технической точки зрения, было бы желательно использовать в двигателе коленчатый вал в общем обычного типа, поскольку в настоящее время существуют мощности для организации массового производства коленчатых валов, а технология производства двигателей с коленчатым валом является более известной и испытанной, чем производства двигателей кулачкового типа.

В соответствии с этим, задачей настоящего изобретения является производство двигателей внутреннего сгорания с поршнями возвратно-поступательного типа, в которых графическое изображение смещения каждого поршня в зависимости от времени отличается от синусоиды, присущей обычным двигателям с коленчатым валом, например так, как описано в патенте ЕР-А-0591153, и может предпочтительно также быть изменено при работе двигателя, причем двигатель включает в себя коленчатый вал, в общем, обычного типа.

Согласно настоящему изобретению предлагается двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя один или более поршней, каждый из которых установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в соответствующем цилиндре и шарнирно соединен с шатуном, соединенным с соответствующим кривошипом коленчатого вала, отличающийся тем, что шатун шарнирно соединен с одним концом удлиненного связующего элемента, который шарнирно соединен с соответствующим кривошипом на промежуточном между его концами участке и чей другой конец образует стержень, движение которого ограничено закреплением таким образом, что он может поворачиваться вокруг оси вращения, параллельной оси коленчатого вала и может двигаться в направлении, параллельном его длине.

Таким образом в двигателе, являющемся предметом настоящего изобретения, шатун соединяется с соответствующим кривошипом не прямо, а через один конец связующего элемента, шарнирно соединенного и с кривошипом, и с шатуном. Другой конец связующего элемента закреплен таким образом, чтобы поворачиваться вокруг третьей оси вращения, которая будет параллельной двум другим, и чтобы линейно двигаться в направлении, параллельном его длине. Таким образом, движение поршня будет отличаться от синусоиды и может варьироваться по желанию за счет варьирования относительного положения и промежутков между тремя осями поворота связующего элемента, которые в целом не будут находиться в одной плоскости. Желательно, однако, чтобы расположение трех осей поворота было таким, при котором движение поршня близко совпадает с движением поршня двигателя, описанного в ЕР-А-0591153, в частности, в том отношении что поршень вблизи момента зажигания движется гораздо медленнее, чем в обычном двигателе.

Крепление может иметь разные формы, и относительная продольная подвижность связующего элемента может быть легко обеспечена с помощью скользящего соединения. Однако желательно, чтобы крепление содержало первый подвижный установочный элемент, соединенный с неподвижным установочным элементом таким образом, чтобы иметь дополнительно возможность поворачиваться вокруг оси поворота, причем первый подвижный соединительный элемент соединяется со стержнем соединением, допускающим относительное скользящее движение в направлении стержня. Возможность скольжения первого подвижного установочного элемента относительно стержня может быть достигнута с помощью подвижного установочного элемента, имеющего отверстие, в которое продольно вставлен связующий элемент, или с помощью подвижного установочного элемента, имеющего выступ, вставленный с возможностью скольжения в отверстие в связующем элементе.

Изобретение применимо как к двухтактным, так и к четырехтактным двигателям как карбюраторного, так и дизельного типа. Однако может оказаться желательным изменить движение поршня, например, между условиями высокой и низкой нагрузки, и таким образом, хотя линейное движение подвижного установочного элемента и также движение третьей оси поворота связующего элемента в направлении, поперечном связующему элементу, может быть ограничено, желательно, чтобы крепление включало в себя второй подвижный установочный элемент, который движется линейно относительно неподвижного установочного элемента в направлении, поперечном длине стержня, и исполнительные средства, взаимодействующие со вторым подвижным установочным элементом и скомпонованные таким образом, чтобы двигать его линейно, причем первый подвижный установочный элемент соединяется со вторым подвижным установочным элементом, чтобы поворачиваться относительно него вокруг оси поворота. Исполнительные средства могут быть представлены оппозитными гидравлическими или пневматическими цилиндрами, или одним или более кулачками, или эксцентричным штифтом, взаимодействующим со вторым подвижным установочным элементом. В случае использования кулачков желательно наличие двух идентичных кулачков, взаимодействующих в противофазе со вторым подвижным установочным элементом, причем два кулачка связаны таким образом, чтобы поворачиваться синхронно, например, с помощью зубчатого ремня, находящегося в зацеплении с зубчатыми шкивами, надетыми на те же оси, на которые надеты кулачки. Управление исполнительным средством может осуществлять система управления двигателем, чрезвычайно быстро обеспечивая движение второго подвижного установочного элемента и, таким образом, третьей оси поворота.

В случае двигателя четырехтактного типа может оказаться желательным, чтобы движение поршня различалось между тактами сжатия и выпуска и, возможно, даже между тактом впуска и рабочим тактом. Этого можно добиться различными путями, и в одном предпочтительном варианте реализации изобретения исполнительное средство соединяется с коленчатым валом таким образом, что при работающем двигателе второй подвижный установочный элемент непрерывно выполняет линейное возвратно- поступательное движение. Это возвратно-поступательное движение будет синхронизировано с движением соответствующего поршня, благодаря чему движение поршня будет одинаковым при каждом такте сжатия, но будет отличаться от него в такте выпуска.

Исполнительное средство может быть использовано не только для варьирования характера отличия движения поршня от синусоиды, но может также быть использовано, по меньшей мере частично, для создания отклонений и таким образом может быть приведено в действие во время хода поршня, например в момент или около момента зажигания, с целью обеспечить в это время нужное замедление поршня.

Желательно, чтобы ось, вокруг которой первый подвижный установочный элемент поворачивается относительно второго подвижного установочного элемента в то время, когда ось находится в центральной точке своего линейного возвратно-поступательного движения, и ось вращения коленчатого вала располагались в плоскости, по существу перпендикулярной оси цилиндра.

Желательно, чтобы удлиненное звено и крепление имели такие размеры и такую компоновку, чтобы при работающем двигателе ось поворота, вокруг которой вращается относительно связующего элемента соединительный стержень, описывала в общем эллипсоид или овал, причем большая ось эллипса располагается в целом параллельно оси цилиндра.

Хотя две части связующего элемента на противоположных сторонах кривошипа, к которому он шарнирно прикреплен, могут находиться на одной линии, обнаружено, что было бы предпочтительнее, если бы в действительности они были несколько наклонены друг к другу, например на 5-45^o.

Другие особенности и детали настоящего изобретения станут ясны из последующего описания четырех конкретных вариантов реализации, которые приведены в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, из которых на фиг. 1-4 представлены в высшей степени схематические, с частичным разрезом, изображения части четырех многоцилиндровых четырехтактных двигателей, на которых показан только один цилиндр с соответствующим поршнем и соединительным механизмом поршня.

Во всех четырех вариантах реализации двигатель имеет четыре цилиндра, хотя он может иметь их больше или меньше или даже только один цилиндр, но показан только один цилиндр 2. В цилиндре помещен поршень 4 возвратно-поступательного хода. Поршень шарнирно соединен посредством оси 5 обычным образом с шатуном 6. Под каждым цилиндром 2 располагается коленчатый вал 7, вращающийся вокруг оси 8, который показан схематически на фиг. 1 и для наглядности совсем не показан на фиг. 2 и 3. На коленчатом валу находится соответствующий кривошип или колено кривошипа 10 для каждого поршня. Шатун 6, однако, не соединяется с соответствующим кривошипом 10 непосредственно, но вместо этого шарнирно соединяется осью 12 с одним концом 11 соответствующего удлиненного связующего элемента 14. Звено соединяется также шарнирно осью 16 в точке, находящейся между его концами, с соответствующим кривошипом 10 с использованием для этого подходящего подшипника 15. Другой конец 18 элемента 14, имеющий форму сплошного или полого стержня, вставлен продольно с возможностью скольжения в крепление, конструкция которого различается в каждом из вариантов реализации.

В первом варианте реализации, показанном на фиг. 1, крепление включает в себя подвижный установочный элемент 20, образуемый гильзой, которая проходит через диаметральное отверстие 22 в неподвижном установочном элементе 24, образуемом полой трубкой или гильзой, обычно соединенной с картером (не показан), а также через отверстие 23 в в общем сплошном втором подвижном установочном элементе 26, который вводится во внутреннюю полость неподвижного установочного элемента 24. С наружной стороны в гильзу 20 в точке, находящейся посередине между ее концами, вставлены две обращенные в противоположные стороны цапфы вращения 25 подшипника, которые введены с возможностью вращения в соответствующие обращенные в противоположные стороны отверстия 27, выполненные в боковой стенке второго подвижного установочного элемента 26, который может скользить в продольном направлении внутри неподвижного установочного элемента 24, чтобы поворачиваться вокруг оси поворота 21, благодаря чему гильза 20 может поворачиваться или вращаться в ограниченной степени на цапфах относительно установочного элемента 24, и может также ограниченно перемещаться линейно вдоль установочного элемента 24.

Подвижный установочный элемент 26 располагается против диаметрально противоположных участков наружной поверхности гильзы 20. Подвижный установочный элемент 26 может двигаться в продольном направлении внутри установочного элемента 24 за счет приложения к их задним поверхностям гидравлического или пневматического давления через порты 28, образованные на каждом конце установочного элемента 24. С другой стороны, установочный элемент 26 может приводиться в движение не напрямую за счет приложения к его задним поверхностям исполнительного усилия посредством соответствующего гидравлического или пневматического поршней.

В процессе использования ось поворота 21 обычно остается неподвижной, и по мере вращения коленчатого вала 7 и выполнения поршнем 4 возвратно-поступательных движений в цилиндре 2 ось кривошипа 10 описывает круговой путь 29, а стержень 18 входит и выходит из гильзы 20, которая качается вперед и назад относительно цапф 25. Гильза 20 не позволяет стержню 18 двигаться линейно в поперечном направлении относительно своей длины. Движение оси поворота 12 ограничивается кинематикой системы и может осуществляться по довольно неправильной траектории 30, показанной на фиг. 1, имеющей форму искаженного овала или почти эллипса. Четыре отдельные положения, которые она занимает во время одного оборота коленчатого вала, обозначаются 12, 12', 12'', 12''' соответственно, а соответствующие положения оси 5 обозначены как 5, 5', 5'', 5'''. В результате применения этого механизма графическое изображение зависимости положения поршня от времени оказывается отличным от обычной синусоиды, но конкретное отличие будет зависеть от относительных положений осей 12, 16 и 21. Их определяют заранее, чтобы получить нужную схему движения поршня, например такую, которая приближается к картине для двигателя, описанного в патенте ЕР-А-0591153.

Схема движения поршня может варьироваться путем изменения положения оси поворота 21. Это можно сделать путем перемещения подвижного установочного элемента 26, двигая таким образом гильзу 20 вдоль неподвижного установочного элемента 24. Изменение положения оси 21 может осуществляться в конце одного или нескольких тактов поршня во время каждого цикла, с тем чтобы получать разные схемы движения, например, во время тактов сжатия и выпуска. С другой стороны, оно может осуществляться для того, чтобы оптимально приспособить сгорание к различным условиям нагрузки. В качестве еще одной альтернативы возможно движение оси 21 в ходе одного или нескольких тактов поршня с целью достижения желательного отклонения схемы движения поршня от синусоиды. В любом случае движение гильзы 20 посредством подвижного установочного элемента 26 может осуществляться чрезвычайно быстро, например, под контролем системы управления двигателем, которая в настоящее время применяется в наиболее современных автоматических двигателях.

Во втором варианте реализации, показанном на фиг. 2, второй конец элемента 14, образуемый стержнем 18, выполнен полым с целью снижения массы и пропущен через отверстие в первом подвижном установочном элементе 20, образуемом шаром или цилиндром, и слегка закреплен в нем. Подвижный установочный элемент 20 закреплен в отверстии, проходящем сквозь второй подвижный установочный элемент 26, за счет вхождения в контакт его округлой наружной поверхности с противоположными дополняющими поверхностями, предоставляемыми установочным элементом 26. Установочный элемент 20 может таким образом поворачиваться относительно установочного элемента 26 вокруг оси 21, но может не двигаться относительно его линейно. Стержень 18 может, таким образом, только поворачиваться и двигаться параллельно своей длине относительно установочного элемента 26.

Установочный элемент 26 имеет два противоположных дугообразных конца 30, находящихся во взаимодействии с двумя одинаковыми кулачками 31, сдвинутыми на 180^o относительно друг друга. Кулачки 31 надеты на соответствующие оси 32, на которые надеты также соответствующие зубчатые шкивы 33. По двум шкивам 33 пропущен зубчатый ремень 34, что означает, что они и, таким образом, связанные с ними кулачки 31 будут в определенном смысле вращаться синхронно. Одна или обе оси 32 соединяются с исполнительным механизмом (не показан), управление которым осуществляет, например, система управления двигателем для выполнения, в зависимости от требований, прерывистого или непрерывного вращения с целью получения нужной кривой движения поршня.

Движение подвижного установочного элемента 26 ограничено направлением, параллельным его длине, за счет выполнения в нем двух продольных пазов 35, сквозь которые выступают соответствующие направляющие пальцы 36. Пальцы 36 соединяются с неподвижным установочным элементом, который не показан для наглядности и который соединяется с картером или образует его часть.

Вариант реализации, показанный на фиг. 3, очень сходен с показанным на фиг. 2, однако в этом случае одна из осей 32 несет на себе еще один зубчатый шкив 37, а коленчатый вал 7 также несет на себе зубчатый шкив 38, или же часть его периферийной поверхности является зубчатой и образует такой шкив. Зубчатый ремень 39 пропущен по двум шкивам 37, 38 и вращательно соединяет их. Размеры шкивов 37, 38 подобраны таким образом, что один поворот коленчатого вала 7 вызывает половину поворота шкива 37. Это будет означать, что линейное возвратно-поступательное движение второго подвижного установочного элемента 26 совпадает по фазе с рабочим циклом двигателя. Движение поршня будет при этом одинаковым, например, при каждом такте сжатия, но будет отличаться при каждом такте выпуска. Подвижный установочный элемент 26 показан в ВМТ, то есть в наиболее близком положении к поршню, а поршень показан находящимся в НМТ и поршень готов к выполнению такта сжатия. Обнаружено, что это ведет к более выраженному запаздыванию поршня в момент зажигания или рядом с ним, и таким образом движение поршня более тесно совпадает с движением поршня из патента ЕР-А-0591153.

Вариант реализации, показанный на фиг. 4, очень сходен с показанным на фиг. 3, однако в этом случае кулачковый привод при осуществлении возвратно-поступательного движения установочных элементов 20, 26 заменен эксцентричным приводом. Благодаря этому устранены кулачки 31, а также один из шкивов 33 и зубчатый ремень 34. Оставшийся шкив 33 снабжен эксцентричным штифтом 40, который вставлен с возможностью вращения в отверстие 41 такого же диаметра, выполненное в одном конце удлиненного связующего звена 42. Другой конец связующего звена 42 снабжен отверстием, через которое, а также через соответствующее отверстие в соответствующем конце подвижного установочного элемента 26 пропущен еще один поворотный штифт 43. В соответствии с этим вращение коленчатого вала 7 вызывает вращение штифта 40 вокруг оси шкива 33, что в свою очередь вызывает возвратно-поступательное линейное движение подвижного установочного элемента 26 параллельно его длине с амплитудой, определяемой эксцентричностью штифта 40.

Во всех вариантах реализации, описанных выше, движение поршня близко совпадает с движением поршня в двигателе, описанном в патенте ЕР-А-0591153. Таким образом, поршень сильно замедляется в момент зажигания или рядом с ним, после чего убыстряется вновь перед достижением ВМТ. Поршень достигает также максимального ускорения и максимальной скорости при повороте после ВМТ приблизительно на 0-40^o вместо поворота приблизительно на 90^o после ВМТ, как в обычном двигателе, после чего движется несколько более медленно, чем в обычном двигателе, в последней части своего рабочего такта перед достижением НМТ. Период задержки в НМТ также продлевается по сравнению с обычным двигателем. Если потребуется дополнительно продлить период задержки в НМТ, возможно изменение относительной синхронизации подвижного установочного элемента 26 и поршня в вариантах, показанных на фиг. 3 и 4 и, таким образом, дальнейшее повышение объемного КПД.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя один или более поршней (4), каждый из которых установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в соответствующем цилиндре (2) и шарнирно соединен с шатуном (6), cоединенным, в свою очередь, с соответствующим кривошипом (10) коленчатого вала (7), причем шатун (6) шарнирно соединяется с одним концом (11) удлиненного связующего элемента (14), который шарнирно соединен с соответствующим кривошипом (10) в промежуточной между его концами точке, и чей другой конец образует стержень (18), движение которого ограничено креплениями (20, 26, 24) таким образом, что он может поворачиваться вокруг оси вращения (21), параллельной оси (8) коленчатого вала (7), а крепление включает в себя первый подвижный установочный элемент (20), который соединяется с неподвижным установочным элементом (24), и второй подвижный установочный элемент (26), причем первый подвижный установочный элемент (20) соединен со стержнем (18) соединением, допускающим только относительное скользящее движение в направлении стержня (18), и первый подвижный установочный элемент (20) скомпонован с возможностью поворота относительно неподвижного установочного элемента вокруг оси поворота (21), отличающийся тем, что второй подвижный установочный элемент (26) направляется таким образом, чтобы двигаться линейно относительно неподвижного установочного элемента (24) в направлении, поперечном длине стержня (18), и предусмотрены исполнительные средства (31, 40), которые взаимодействуют со вторым подвижным установочным элементом (26) и перемещают его линейно, а также тем, что первый подвижный установочный элемент (20) соединяется со вторым подвижным установочным элементом (26) для вращения относительно него вокруг оси поворота (21).

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что исполнительное средство включает в себя, по меньшей мере, один кулачок (31), взаимодействующий со вторым подвижным установочным элементом (26).

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что исполнительное средство включает в себя два одинаковых кулачка (31), взаимодействующих в противоположном направлении со вторым подвижным установочным элементом (26), причем два кулачка (31) спарены для синхронного вращения.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что исполнительное средство включает в себя эксцентричный штифт (40), взаимодействующий со вторым подвижным установочным элементом (26).

5. Двигатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что исполнительное средство (31, 40) соединено с коленчатым валом (4) таким образом, что при работающем двигателе второй подвижный установочный элемент (26) непрерывно выполняет линейные возвратно-поступательные движения.

6. Двигатель по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что ось поворота (21) при нахождении в среднем положении ее линейного перемещения и ось (8) вращения коленчатого вала (7) находятся в плоскости, простирающейся по существу перпендикулярно оси цилиндра (2).

7. Двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что шатун (6) соединяется с удлиненным связующим элементом (14) для вращения вокруг оси поворота (12), причем размеры и компоновка удлиненного связующего элемента (14) и креплений (20, 26, 24) подобраны таким образом, что при работающем двигателе ось поворота (12) описывает в общем эллиптическую траекторию (30), причем большая ось эллипса простирается по существу параллельно оси цилиндра (2).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4