Изобретение относится к машиностроению, прежде всего к тепловым машинам, а именно к поршневому двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с переменной степенью сжатия. Технический результат изобретения заключается в усовершенствовании кинематики механизма передачи усилий поршневого ДВС, таким образом, чтобы обеспечивать возможность регулирования степени сжатия при одновременном снижении реакции в опорах и сил инерции второго порядка. ДВС согласно изобретению имеет подвижно установленный в цилиндре поршень, который шарнирно соединен с шатуном. Движение шатуна передается на кривошип коленчатого вала. При этом, с целью обеспечения возможности управляемого изменения степени сжатия и хода поршня, между шатуном и кривошипом предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага. Передаточное звено выполнено в виде поперечного рычага, соединенного с кривошипом посредством шарнира, который расположен в промежуточном положении на участке между двумя опорными точками. В одной из опорных точек поперечный рычаг соединен с шатуном, а в другой - с управляющим рычагом. Управляющий рычаг также шарнирно соединен с дополнительным кривошипом или эксцентриком, которые осуществляют управляющие движения, смещая ось качения управляющего рычага, чем обеспечивают изменение степени сжатия ДВС. Помимо этого ось качения управляющего рычага может совершать непрерывное циклическое движение, синхронизированное с вращением коленчатого вала. При этом, в случае соблюдения определенных геометрических соотношений между отдельными звенья механизма передачи усилий, могут быть уменьшены нагрузки на них и повышена плавность работы ДВС. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.
Рисунки к патенту РФ 2256085
Настоящее изобретение относится к машиностроению, прежде всего к тепловым машинам. Изобретение относится, в частности, к поршневому двигателю внутреннего сгорания (ДВС), имеющему поршень, который подвижно установлен в цилиндре и который шарнирно соединен с шатуном, движение которого передается на кривошип коленчатого вала, при этом между шатуном и кривошипом предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага с целью обеспечить управляемое перемещение поршня, прежде всего обеспечить возможность изменения степени сжатия и хода поршня, и которое выполнено в виде поперечного рычага, который соединен с кривошипом шарниром, который расположен в промежуточном положении на участке между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, и опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и на некотором удалении от линии, соединяющей между собой обе эти опорные точки, в которых поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом и шатуном соответственно.
Из работы Wirbeleit F.G., Binder К. и Gwinner D., "Development of Piston with Variable Compression Height for Incrising Efficiency and Specific Power Output of Combustion Engines", SAE Techn. Pap., 900229, известен ДВС подобного типа с автоматически регулируемой степенью сжатия (ПАРСС) за счет изменения высоты поршня, который состоит из двух частей, между которыми сформированы гидравлические камеры. Изменение степени сжатия осуществляется автоматически путем изменения положения одной части поршня относительно другой за счет перепуска масла из одной такой камеры в другую с помощью специальных перепускных клапанов.
К недостаткам этого технического решения относится то, что системы типа ПАРСС предполагают наличие механизма регулирования степени сжатия, расположенного в высокотемпературной и весьма нагруженной зоне (в цилиндре). Опыт работы с системами типа ПАРСС показал, что на переходных режимах, в частности при разгоне автомобиля, работа ДВС сопровождается детонацией, поскольку гидравлическая система управления не позволяет обеспечить быстрое и одновременное по всем цилиндрам изменение степени сжатия.
Стремление вынести механизм регулирования степени сжатия из высокотемпературной и механически нагруженной зоны привело к появлению иных технических решений, предполагающих изменение кинематической схемы ДВС и введение в нее дополнительных элементов (звеньев), управлением которых обеспечивается изменение степени сжатия.
Так, например, у Jante A., "Kraftstoffverbrauchssenkung von Verbrennungsmotoren durch kinematische Mittel", Automobil-Industrie, № 1 (1980), с.с.61-65, описан ДВС (кинематическая схема которого показана на фиг.1), у которого между кривошипом 15 и шатуном 12 установлены два промежуточных звена - дополнительный шатун 13 и коромысло 14. Коромысло 14 совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения точки А путем поворота эксцентрика 16, закрепленного на корпусе. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.
Из работы Christoph Bolling и др., "Kurbetrieb fur variable Verdichtung", MTZ 58 (11) (1997), Сс.706-711, известен также двигатель типа FEV (кинематическая схема которого показана на фиг.2), у которого между кривошипом 17 и шатуном 12 установлен дополнительный шатун 13. Шатун 12, кроме того, связан с коромыслом 14, которое совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения шарнирной точки Z путем поворота эксцентрика 16, закрепленного на корпусе двигателя. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.
Из заявки DE 4312954 А1 (21.04.1993) известен двигатель типа IFA (кинематическая схема которого показана на фиг.3), у которого между кривошипом 17 и шатуном 12 установлен дополнительный шатун 13. Шатун 12, кроме того, связан с одним из концов коромысла 14, второй конец которого совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения шарнирной точки Z путем поворота эксцентрика 16, который закреплен на корпусе двигателя. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.
К недостаткам, присущим двигателям вышеописанных конструкций (известным из работы Jante А., из работы Christoph Bolling и др. и из заявки DE 4312954 А1), следует отнести в первую очередь недостаточно высокую плавность их работы, обусловленную высокими силами инерции второго порядка при возвратно-поступательном движении масс, что связано с особенностями кинематики механизмов и приводит к чрезмерному увеличению общей ширины или общей высоты силового агрегата. По этой причине такие двигатели практически не пригодны для их использования в качестве двигателей для транспортных средств.
Регулирование степени сжатия в поршневом ДВС позволяет решить следующие задачи:
Повысить среднее давление Ре путем увеличения давления наддува без увеличения максимального давления сгорания сверх заданных пределов за счет уменьшения степени сжатия по мере увеличения нагрузки двигателя;
Снизить расход топлива в диапазоне малых и средних нагрузок за счет увеличения степени сжатия по мере уменьшения нагрузки двигателя;
Повысить плавность работы двигателя.
Регулирование степени сжатия позволяет в зависимости от типа ДВС достичь следующих преимуществ (для ДВС с принудительным (искровым) зажиганием):
При сохранении достигнутого уровня экономичности двигателя при малых и средних нагрузках обеспечивается дальнейшее повышение номинальной мощности двигателя за счет увеличения давления наддува при уменьшении степени сжатия (см. фиг.4а, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
При сохранении достигнутого уровня номинальной мощности двигателя обеспечивается снижение расхода топлива при малых и средних нагрузках за счет увеличения степени сжатия до допустимого по детонации предела (см. фиг.4б, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
При сохранении достигнутого уровня номинальной мощности двигателя повышается экономичность при малых и средних нагрузках, а также снижается уровень шума двигателя при одновременном снижении номинальной частоты вращения коленчатого вала (см. фиг.4в, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия).
Аналогично ДВС с искровым зажиганием регулирование степени сжатия в дизельном двигателе может вестись в трех следующих равноправных направлениях:
При неизменном рабочем объеме и номинальной частоте вращения мощность двигателя повышают за счет увеличения давления наддува. В этом случае повышается не экономичность, а мощность транспортного средства (см. фиг.5а, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
При неизменном рабочем объеме и номинальной мощности повышают среднее давление Ре при снижении номинальной частоты вращения. В этом случае при сохранении мощностных характеристик транспортного средства повышается экономичность двигателя за счет повышения механического КПД (см. фиг.5б, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
Существующий двигатель большого рабочего объема на заменяют на двигатель малого рабочего объема, но той же мощности (см. фиг.5в, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия). В этом случае повышается экономичность двигателя в диапазоне средних и полных нагрузок, а также уменьшается масса и габариты двигателя.
В основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать кинематику поршневого ДВС таким образом, чтобы при малых конструктивных затратах обеспечивать возможность регулирования степени сжатия при одновременном снижении реакции в опорах и сил инерции второго порядка.
В отношении поршневого ДВС указанного в начале описания типа эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и шарниром, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом, и длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, и шарниром, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом, удовлетворяют в пересчете на радиус кривошипа следующим соотношениям:
Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС поперечный рычаг выполнен в виде треугольного рычага, в вершинах которого расположены опорные точки, в которых поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом и шатуном, и шарнир, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом.
Предпочтительно, чтобы длина l шатуна и длина k управляющего рычага, а также расстояние е между осью вращения коленчатого вала и продольной осью цилиндра удовлетворяли в пересчете на радиус г кривошипа следующим соотношениям:
В том случае, когда управляющий рычаг и шатун расположены по одну сторону поперечного рычага, расстояние f между продольной осью цилиндра и точкой шарнирного соединения управляющего рычага с корпусом ДВС и расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой шарнирного соединения предпочтительно должны удовлетворять в пересчете на радиус r кривошипа следующим соотношениям:
В том же случае, когда управляющий рычаг и шатун расположены по разные стороны поперечного рычага, расстояние f между продольной осью цилиндра и точкой шарнирного соединения управляющего рычага и расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой шарнирного соединения предпочтительно должны удовлетворять в пересчете на радиус г кривошипа следующим соотношениям:
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС точка шарнирного соединения управляющего рычага имеет возможность перемещения по управляемой траектории.
Предпочтительно также предусмотреть возможность фиксации точки шарнирного соединения управляющего рычага в различных регулируемых угловых положениях.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность регулирования углового положения точки шарнирного соединения управляющего рычага в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории.
В другом предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории и возможность регулирования фазового сдвига между движением этой точки и вращением коленчатого вала в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории, при этом предусмотрена возможность изменения передаточного отношения между движением указанной точки и вращением коленчатого вала.
Предлагаемый в изобретении поршневой ДВС 1 показан на фиг.6а и 6б и имеет корпус 2 с цилиндром 3 и установленным в нем поршнем 4, шатун 6, который шарнирно соединен одним концом с поршнем 4, кривошип 8 коленчатого вала, установленного в корпусе 2, прицепной шатун 10, называемый также управляющим рычагом 10 и шарнирно соединенный одним его концом с корпусом 2, и треугольный поперечный рычаг 7, который одной его вершиной шарнирно соединен со вторым концом шатуна 6, второй его вершиной шарнирно соединен с кривошипом 8, а третьей его вершиной шарнирно соединен с прицепным шатуном 10. Для регулирования степени сжатия ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения имеет возможность перемещения по управляемой траектории, определяемой, например, эксцентриком или дополнительным кривошипом 11.
В зависимости от положения оси качания прицепного шатуна предлагаемый в изобретении поршневой ДВС имеет два варианта конструктивного исполнения (см. фиг.6а и 6б):
В первом варианте (фиг.6а) горизонтальная плоскость, в которой лежит ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения расположена выше точки соединения кривошипа 8 с поперечным рычагом 7 при нахождении кривошипа в его верхней мертвой точке или, иными словами, прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7;
Во втором варианте (фиг.6б) горизонтальная плоскость, в которой лежит ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения расположена ниже точки соединения кривошипа 8 с поперечным рычагом 7 при нахождении кривошипа в его верхней мертвой точке или, иными словами, прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по разные стороны поперечного рычага 7.
Изменение положения точки Z шарнирного соединения прицепного рычага, т.е. его оси качания, позволяет за счет простого управляющего движения, осуществляемого дополнительным кривошипом, соответственно регулирующим эксцентриком, изменять степень сжатия. Помимо этого точка Z шарнирного соединения прицепного рычага, т.е. его ось качания может совершать непрерывное циклическое движение, синхронизированное с вращением коленчатого вала.
Как показано на фиг.7, предлагаемый в изобретении поршневой ДВС обладает значительными преимуществами перед известными системами (описанными у Jante А., у Christoph Bolling и др. и в DE 4312954 А1), а также перед обычным кривошипно-шатунным механизмом (СМ) касательно плавности его работы.
Однако указанные преимущества могут быть достигнуты только при соблюдении определенных геометрических соотношений, а именно, при правильном подборе длин отдельных элементов и их положений относительно оси коленчатого вала.
Согласно настоящему изобретению важное значение имеет определение размеров отдельных элементов (по отношению к радиусу кривошипа) и координат отдельных шарниров механизма передачи усилий, чего можно достичь за счет оптимизации такого механизма путем кинематического и динамического анализа. Цель оптимизации подобного, описываемого девятью параметрами механизма (фиг.8) состоит в уменьшении сил (нагрузки), действующих на его отдельные звенья, до минимально возможного уровня и в повышении плавности его работы.
Ниже со ссылкой на фиг.9 (9а и 9б), где изображена кинематическая схема ДВС, показанного на фиг.6 (6а и 6б соответственно), поясняется принцип работы регулируемого кривошипно-шатунного механизма. В процессе работы ДВС его поршень 4 совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, которое передается на шатун 6. Движение шатуна 6 передается через опорную (шарнирную) точку В на поперечный рычаг 7, свобода перемещения которого ограничена за счет его соединения с прицепным шатуном 10 в опорной (шарнирной) точке С. Если точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна 10 неподвижна, то опорная точка С поперечного рычага 7 может совершать движение по дуге окружности, радиус которой равен длине прицепного шатуна 10. Положение такой круговой траектории движения опорной точки С относительно корпуса двигателя определяется положением точки Z. При изменении положения точки Z шарнирного соединения прицепного шатуна изменяется положение круговой траектории, по которой может перемещаться опорная точка С, что позволяет влиять на траектории движения других элементов кривошипно-шатунного механизма, прежде всего на положение в.м.т. поршня 4. Точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна предпочтительно перемещается по круговой траектории. Однако точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна может также перемещаться и по любой иной заданной управляемой траектории, при этом возможна также фиксация точки Z шарнирного соединения прицепного шатуна в любом положении траектории ее перемещения.
Поперечный рычаг 7 шарниром А соединен также с кривошипом 8 коленчатого вала 9. Этот шарнир А движется по круговой траектории, радиус которой определяется длиной кривошипа 8. Шарнир А занимает промежуточное положение, если смотреть вдоль линии, соединяющей между собой опорные точки В и С поперечного рычага 7. Наличие кинематической связи опорной точки С с прицепным шатуном 10 позволяет влиять на ее поступательное движение вдоль продольной оси 5 поршня 4. Перемещение опорной точки В вдоль продольной оси 5 поршня определяется траекторией движения опорной точки С поперечного рычага 7. Влияние на перемещение опорной точки В позволяет управлять возвратно-поступательным движением поршня 4 через шатун 6 и тем самым регулировать положение в.м.т. поршня 4.
В показанном на фиг.9а варианте прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7.
Поворотом выполненного в виде дополнительного кривошипа 11 регулирующего звена из показанного на фиг.9а примерно горизонтального положения, например, в обращенное вертикально вниз положение позволяет сместить положение в.м.т. поршня 4 вверх и тем самым увеличить степень сжатия.
На фиг.9б показана кинематическая схема выполненного по другому варианту ДВС, отличающаяся от показанной на фиг.9а схемы лишь тем, что прицепной шатун 10 вместе с выполненным в виде дополнительного кривошипа 11, соответственно регулирующего эксцентрика регулирующим звеном и шатун 6 расположены по разные стороны поперечного рычага 7. Во всем остальном принцип действия показанного на фиг.9б кривошипно-шатунного механизма аналогичен принципу действия показанного на фиг.9а кривошипно-шатунного механизма, у которого прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7.
На фиг.10 показана еще одна кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма поршневого ДВС, на которой представлены положения определенных точек этого кривошипно-шатунного механизма и на которой штриховкой обозначены оптимальные области, в пределах которых с учетом упомянутых выше оптимальных областей значений для длин и положений элементов кривошипно-шатунного механизма могут перемещаться опорная точка В шарнирного соединения поперечного рычага 7 с шатуном 6, опорная точка С шарнирного соединения поперечного рычага 7 с прицепным шатуном 10 и точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна 10. Для обеспечения особо плавной работы ДВС с исключительно малой нагрузкой на отдельные элементы и звенья его кривошипно-шатунного механизма геометрические параметры (длина и положение) элементов и звеньев этого кривошипно-шатунного механизма должны удовлетворять определенным, предпочтительным соотношениям. Длины сторон a, b и с треугольного поперечного рычага 7, где а обозначает длину стороны, расположенной между опорной точкой В шатуна и опорной точкой С прицепного шатуна, b обозначает длину стороны, расположенной между шарниром А кривошипа и опорной точкой С прицепного шатуна, а с обозначает расстояние между шарниром А кривошипа и опорной точкой В шатуна, можно описать следующими неравенствами в зависимости от радиуса г, который равен длине кривошипа 8:
Длина l шатуна 6, длина k прицепного шатуна 10 и расстояние е между осью вращения коленчатого вала 9 и продольной осью 5 цилиндра 3, которая одновременно является и продольной осью поршня, перемещающегося в этом цилиндре, согласно предпочтительному варианту удовлетворяют следующим соотношениям:
Для показанного на фиг.9а варианта, в котором шатун 6 и прицепной шатун 10 располагаются по одну сторону поперечного рычага 7, также можно задать оптимальное соотношение размеров. При этом расстояние f между продольной осью 5 цилиндра и точкой Z шарнирного соединения прицепного рычага 10 к его регулирующему звену, а также расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой Z шарнирного соединения согласно предпочтительному варианту удовлетворяют следующим соотношениям:
При расположении прицепного шатуна и шатуна по разные стороны поперечного рычага оптимальное расстояние f между продольной осью поршня и точкой Z шарнирного соединения прицепного рычага к его регулирующему звену, а также оптимальное расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой Z шарнирного соединения можно выбирать исходя из следующих соотношений:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), имеющий поршень (4), который подвижно установлен в цилиндре и который шарнирно соединен с шатуном (6), движение которого передается на кривошип (8) коленчатого вала (9), при этом между шатуном (6) и кривошипом (8) предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага (10) с целью обеспечить управляемое перемещение поршня, прежде всего обеспечить возможность изменения степени сжатия и хода поршня, и которое выполнено в виде поперечного рычага (7), который соединен с кривошипом (8) шарниром (А), который расположен в промежуточном положении на участке между опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), и опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и на некотором удалении от линии, соединяющей между собой обе эти опорные точки (В, С), в которых поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10) и шатуном (6) соответственно, отличающийся тем, что длина стороны (а), расположенной между опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), длина стороны (b), расположенной между опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и шарниром (А), которым поперечный рычаг (7) соединен с кривошипом (8), и длина стороны (с), расположенной между опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), и шарниром (А), которым поперечный рычаг (7) соединен с кривошипом (8), удовлетворяют в пересчете на радиус (r) кривошипа следующим соотношениям:
6. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что точка (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) имеет возможность перемещения по управляемой траектории.
7. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) с помощью опирающегося на шарнир дополнительного кривошипа.
8. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) с помощью эксцентрика.
9. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность фиксации точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) в различных регулируемых угловых положениях.
10. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования углового положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
11. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории.
12. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала (9) движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории и возможность регулирования фазового сдвига между движением этой точки (Z) и вращением коленчатого вала (9) в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
13. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала (9) движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории, при этом предусмотрена возможность изменения передаточного отношения между движением указанной точки (Z) и вращением коленчатого вала (9).
Недавно на автосалоне в Париже марка Infiniti (читай, альянс Renault-Nissan) представила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Фирменная технология Variable Compression-Turbocharged (VC-T) позволяет варьировать эту самую степень, буквально высасывая все соки из двигателя.
В «идеальной вселенной» правило простое - чем выше степень сжатия топливо-воздушной смеси, тем лучше. Смесь максимально расширяется, поршни движутся как заведенные, следовательно, мощность и КПД мотора максимальны. Другими словами, топливо сжигается чрезвычайно эффективно.
Все было бы замечательно, если б не сама природа топлива. В ходе издевательств его терпению когда-то наступает предел: чем ровнее сгорает смесь - тем лучше, но при высоких нагрузках (высокая степень сжатия, большие обороты) смесь начинает взрываться, а не сгорать. Такое явление называется детонацией, и эта штука весьма разрушительна. Стенки камеры сгорания и сам поршень испытывают серьезные ударные нагрузки и постепенно, но довольно быстро разрушаются. Кроме того, падает эффективность мотора - нормальное рабочее давление на поршень падает.
Таким образом, наиболее выгодный вариант - когда двигатель в любом режиме работает на грани детонации, не допуская этого явления. Инженеры Infiniti составили график, на котором обозначили для себя эффективные режимы работы двигателя в зависимости от нагрузки, величины оборотов и степени сжатия топливо-воздушной смеси. (На самом деле эффективность сгорания топлива можно повышать и другими способами, например, увеличением количества клапанов на цилиндр, настройкой графика их работы, даже выбором места над поршнем, куда направляется впрыск порции топлива. Конечно, мы об этом помним.) Первые два параметра, понятно, зависят как от внешних факторов, так и от тщательного подбора трансмиссии. А третий - степень сжатия - также решено было изменять в пределах от 8:1 до 14:1.
Технически это выглядит как введение в конструкцию кривошипно-шатунного механизма дополнительного элемента - коромысла между шатуном и коленвалом. Коромысло управляется электромотором - рычаг можно сдвигать таким образом, что диапазон хода поршня варьируется в пределах 5 мм. Этого достаточно для существенного изменения степени сжатия.
Достоинств без недостатков не бывает. На первый взгляд, они очевидны: увеличение сложности конструкции, некоторая прибавка в весе... Однако насчет этих минусов грех жаловаться - двигатель получился очень сбалансированным, благодаря чему из конструкции были выведены балансировочные валы. Вероятно также, что двигатель особо чувствителен к марке и качеству топлива. Думается, эта проблема - во всяком случае, в значительной степени - решается программными методами.
Дорогие друзья! До чего только не додумаются люди ради того, чтобы быть свободными в своем выборе. Даже додумались и воплотили в жизнь двигатель с переменной степенью сжатия
Да, именно то, что казалось невозможно изменить после того как прикрутили головку блока. Но нет, оказывается можно, и даже несколькими способами.
В бензиновых двигателях значения степени сжатия в прямую связано с условиями детонации. Оно как правило возникает при нагрузках и зависит от качества бензина.
Двигатели с высоким КПД имеют высокие показатели степени сжатия, как следствие используют топливо с высокооктановым числом, менее подверженное к детонации при максимальных нагрузках.
Для поддержания мощностных характеристик двигателя в бездетонационном режиме логично снижать степень сжатия. Например, при резком разгоне или при движении на подъем, когда цилиндры максимально наполняются топливной смесью, выжимая из него все что он имеет.
Тут бы и немного снизить степень сжатия, чтобы избежать детонацию, не снижая его мощности, которая сильно повышает износ поршневой группы двигателя.
При средних нагрузках, высокий уровень степени сжатия не провоцирует детонацию, степень сжатия высокая, КПД тоже, его мощность остается максимальной, за счет этого естественно повышается его экономичность.
Казалось бы, эту задачу можно решить просто, вдувать топливную смесь под разным давлением в камеру сгорания, по мере надобности.
Но вот незадача, при повышении таким способом степени сжатия, увеличиваются нагрузки на детали двигателя. Решать такие проблемы надо будет увеличением соответствующих деталей, что соответственно скажется на общей массе двигателя. При этом снижается надежность двигателя и соответственно его ресурс.
При переходе на изменяющуюся степень сжатия, процесс наддува можно так организовать, что при снижении степени сжатия, он будет обеспечивать максимально-эффективное давление при любом режиме работы.
При этом нагрузки на детали поршневого отдела двигателя будут не значительно увеличены, что позволит безболезненно форсировать двигатель без значительного увеличения его веса.
Понимая это, изобретатели и призадумались. И выдали. На чертеже ниже представлена самый распространенный вариант изменения степени сжатия.
На средних нагрузках, по средством эксцентрика 3, доп.шатун 4 принимает крайнее правое положение и поднимает диапазон хода поршня 2 в самое верхнее положение. СЖ в таком положении максимальная.
На высоких нагрузках, эксцентрик 3 смещает доп.шатун 4 влево, что смещает шатун 1 с поршнем 2 вниз. При этом зазор над поршнем 2 увеличивается, уменьшая степень сжатия.
Система от SAAB
Первыми воплотили мечту в жизнь инженеры фирмы SAAB и в 2000 году на выставке в Женеве выставили на всеобщее обозрение экспериментальный двигатель с системой Variable Compression.
Этот уникальный двигатель имел мощность в 225 л.с., при объеме 1,6 л., а расход топлива был в вдвое меньшим аналогичного объема. Но самое фантастичное, он мог работать и на бензине, и на спирте, и даже на дизельном топливе.
Изменение рабочего объема двигателя осуществлялось бесшагово. Степень сжатия изменялась при наклоне моноблока (совмещенная головка блока с блоком цилиндров) относительно блока-картера. Отклонение моноблока вверх приводило к уменьшению степени сжатия, отклонение вниз — к увеличению.
Смещение по вертикальной оси на 4 градуса, что позволило иметь сжатия от 8:1 до 14:1. Управление изменением степени сжатия, в зависимости от нагрузки, осуществлялось специальной электронной системой управления по средством гидропривода. При максимальной нагрузке СЖ 8:1, при минимальной 14:1.
Так же в нем применялся механический наддув воздуха, он подключался только при наименьших значениях степени сжатия.
Но не смотря на такие удивительные результаты, двигатель не пошел в серию, и работы по доводке на сегодняшний день свернуты по неизвестной нам причине.
VCR (Variable Compression Ratio)
Французы фирмы MCE-5 Development, для автоконцерна Пежо разработали принципиально новый двигатель VCR, с совершенно оригинальной кинематической схемой кривошипно-шатунного механизма.
МСЕ-5 Development, сделала для концерна «Пежо», тоже двигатель с переменной степенью сжатия VCR. Но в этом решении они применили оригинальную кинематику .
В нем передача движения от шатуна на поршень идет через зуб.сектор 5. Справа опорная зуб.рейка 7, на неё опирается сектор 5, так происходит возвратно-поступательное движение поршня, он соединен с рейкой 4. Рейка 7 соеденина с поршнем 6.
Сигнал поступает с блока управления, и в зависимости от режима работы двигателя, изменяется положение поршня 6, связанного с рейкой 7. Смещается рейка управления 7 вверх или вниз. Она изменяет положение НМТ и ВМТ поршня двигателя, и соответственно СЖ от 7:1 до 20:1. Если нужно, можно изменять положение каждого цилиндра отдельно.
Зубчатая рейка жестко скреплена с управляющим поршнем. В пространство над поршнем подается масло. Давлением масла и регулируется степень сжатия в основном рабочем цилиндре.
Соединительный рычаг 1, шестерня синхронизации 2, стойка поршня 3, рабочий поршень 4, выпускной клапан 5, головка блока цилиндров 6, впускной клапан 7, поршень управления 8, блок цилиндров 9, стойка поршня управления 10, зубчатый сектор 11.
В данное время двигатель дорабатывается и вполне возможно появится в серии.
Еще есть одна разработка от Lotus Cars, это двухтактный двигатель Omnivore (всеядный). Назвали его так, потому что разработчики заявляют, что он тоже может работать на любом топливе.
Конструктивно он представляется так. Вверху цилиндра расположена шайба, управляемая эксцентриковым механизмом. Чем примечательна эта конструкция, она позволяет достигать СЖ до 40:1. Клапанов в этом двигателе нет, потому как двухтактный.
Минус такого двигателя в том, что он весьма прожорлив и не экологичен. На автомобилях в наше время почти не устанавливаются.
На этом пока тема систем с изменяющейся степенью сжатия закрывается. Ждем новых изобретений.
До скорой встречи на страницах блога. Подписывайтесь!
О технологии нового двигателя Infiniti мы уже писали в наших обзорных статьях. Уникальная модель бензинового мотора способная «на лету» изменять степень сжатия может быть мощной как обычный бензиновый силовой агрегат и экономичной, словно вы едите на дизельном моторе.
Сегодня Джейсон Фенске объяснит суть работы двигателя и то как он достигает наибольшей мощности и эффективности.
Технология переменного сжатия, или если хотите турбированный двигатель с переменным коэффициентом компрессии, может практически мгновенно изменять давление поршня на топливно-воздушную смесь в соотношении от 8:1 до 14:1 , одновременно предлагая высокоэффективное сжатие при малых нагрузках (в городе, к примеру, или на шоссе) и низкую компрессию, необходимую для турбины при резком ускорении, с максимальным открытием дроссельной заслонки.
Джейсон совместно с Infiniti объяснил принцип работы технологии, не забыв отметить нюансы и ранее неизвестные детали работы удивительного инновационного мотора. Эксклюзивный материал можно посмотреть в видеоролике, который мы опубликуем ниже, не забудьте включить перевод субтитров при необходимости. Но прежде мы выберем техническое «зерно» моторостроения будущего и отметим те нюансы, которые ранее были неизвестны.
Центральной технологией уникального мотора стала система специального поворотного механизма, которая благодаря сложному штоку поршня имеет центральную поворотную многорычажную систему, которая способна изменять свой угол работы, что приводит к изменению эффективной длины штока поршня, что в свою очередь изменяет длину хода поршня в цилиндре, которое в конечном итоге, изменяет степень сжатия.
Детально технология привода выглядит следующим образом:
1. Электромотор поворачивает рычаг исполнительного механизма 1.30 минута видео
2. Рычаг поворачивает приводной вал по схожему принципу, привода обычных распредвалов, при помощи системы кулачков.
3. Третье, нижний рычаг изменяет угол многозвенного привода, соединенного с верхним рычагом. Последний соединен с поршнем (1.48 минута видео)
4. Вся система при определенных настройках и позволяет поршню изменять высоту верхней мертвой точки, снижая или повышая степень сжатия.
К примеру, если двигатель переходит из режима «максимальной мощности» в режим «экономии топлива и повышения эффективности», волновой редуктор будет вращаться в левую сторону. Показано на правой фотографии (2.10 минута видео). Вращение передастся на приводной вал, который потянет нижний рычаг немного вниз, что приподнимет многозвенный привод, который в свою очередь сместит поршень ближе к головке блока, уменьшив объем и увеличив тем самым компрессию.
Дополнительно происходит переход от традиционного цикла работы ДВС Отто, в цикл Аткинсона, отличающийся соотношением времени тактов цикла, что достигается изменением времени закрытия впускных клапанов.
Кстати, переход, по данным Фенске, от одного режима работы мотора, в другой занимает не более 1.2 секунды!
Более того, новая технология способна варьировать степень сжатия во всем диапазоне от 8:1 до 14:1, перманентно подстраиваясь под стиль вождения, нагрузки и другие факторы, влияющие на работу двигателя.
Но даже объяснение работы столь сложной технологии не является окончанием истории. Еще одной важной характеристикой нового мотора является уменьшение давление поршня на стенки цилиндра, что позволит избежать овализации последнего, поскольку в паре с системой привода поршня применена система уменьшения трения поршня о стенки цилиндра, которая действует путем уменьшения угла атаки шатуна при ходе поршня.
В видео было отмечено, что рядный четырехцилиндровый двигатель ввиду особенностей конструкции получился несколько разбалансированным, поэтому инженеры были вынуждены добавить уравновешивающий вал, что усложняет конструкцию двигателя, но оставляет ей шанс на долгую жизнь без убийственных вибраций, которые возникают из-за работы сложного шатуна.
Тесно связана с к.п.д. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания. Эти ограничения имеют особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации. Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности желательно снижать степень сжатия, однако если степень сжатия будет малой для всех диапазонов работы двигателя, это приведет к снижению мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках. При этом значения степени сжатия, как правило, выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Заведомо ухудшая экономичность двигателей, это особенно сильно проявляется при работе на частичных нагрузках. Между тем, снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей и т.п. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.
Повсеместное применение в конструкциях двигателей сделало направление этой работы еще более актуальным. Дело в том, что при наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, в связи с чем их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува максимальные давления рабочего цикла (т.е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или будут изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл, а, следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки на его детали могут не увеличиваться, что позволяет форсировать двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.
Очень существенным для нормального протекания процесса сгорания в двигателе с изменяющейся степенью сжатия является правильный выбор формы камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Изменение фронта распространения пламени должно быть очень оперативным, чтобы учитывать различные режимы работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Учитывая применение дополнительных деталей в кривошипно-шатунном механизме, необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом трения, чтобы не потерять преимуществ при применении изменяющейся степени сжатия.
Один из наиболее распространенных вариантов двигателя с изменяющейся степенью сжатия показан на рисунке.
Рис. Схема двигателя с изменяющейся степенью сжатия:
1 – шатун; 2 – поршень; 3 – эксцентриковый вал; 4 - дополнительный шатун; 5 – шатунная шейка коленчатого вала; 6 – коромысло
На частичных нагрузках дополнительный 4 занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия при этом максимальна. При высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна 4. При этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия.
В 2000 году в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия. Его уникальные особенности позволяют достигать мощности в 225 л.с. при рабочем объеме в 1,6 л. и сохранять расход топлива сравнимого с вдвое меньшим двигателем. Возможность бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте.
Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, т. е. единым блоком, а не раздельно как у обычных двигателей. Отдельный блок представляет собой также блок-картер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на расположенную в блоке ось 1, служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3 управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.
Рис. Двигатель с изменяющейся степенью сжатия SAAB:
1 – ось; 2 – резиновый чехол; 3 – шатун; 4 – эксцентриковый вал.
Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия.
При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается. Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной оси – 4%.
На минимальной частоте вращения коленчатого вал и сбросе подачи топлива, а также при малых нагрузках, моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия – 14). Система наддува отключается, и воздух поступает в двигатель напрямую.
Под нагрузкой, за счет поворота эксцентрикового вала, шатун отклоняет моноблок в сторону, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия – 8). При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением.
Рис. Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах:
1 – дроссельная заслонка; 2 – перепускной клапан; 3 – сцепление; а – на малой частоте вращения коленчатого вала; б – на нагрузочных режимах
Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого вала, степени нагрузки, вида топлива и др. параметров.
В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува 2,8 кгс/см2.
Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.
Французская фирма МСЕ-5 Development, разработала для концерна «Пежо-Ситроен», двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR (Variable Compression Ratio). В этом решении применена оригинальная кинематика кривошипно-шатунного механизма.
В данной конструкции передача движения от шатуна на поршни осуществляется через двойной зубчатый сектор 5. С правой стороны двигателя расположена опорная зубчатая рейка 7, на которую опирается сектор 5. Такое зацепление обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня цилиндра, который соединен с зубчатой рейкой 4. Рейка 7 соединена с поршнем 6 управляющего гидроцилиндра.
В зависимости от режима работы двигателя по сигналу блока управления двигателем изменяется положение поршня 6 управляющего цилиндра, связанного с рейкой 7. Смещение рейки управления 7 вверх или вниз изменяет положение ВМТ и НМТ поршня двигателя, а вместе с ними и степени сжатия от 7:1 до 20:1 за 0,1 с. В случае необходимости имеется возможность изменения степени сжатия для каждого цилиндра в отдельности.
Рис. Двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR:
1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – зубчатый опорный ролик; 4 – зубчатая рейка поршня; 5 – зубчатый сектор; 6 – поршень управляющего цилиндра; 7 – опорная зубчатая рейка управления.