ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано для производства новых или модернизации применяемых двигателей внутреннего сгорания на грузовых и легковых автомобилях.
Изобретение может быть использовано для производства двигателей внутреннего сгорания, которые обеспечивают регулированное и регламентированное изменение объема камеры сгорания в зависимости от эксплуатационной нагрузки на двигатель и качественных характеристик топлива, которое поступает в камеру сгорания.
Известен "Способ регулирования работы бензинового двигателя внутреннего сгорания" (Патент России №2206775). Устройство, которое реализует заявленный способ, представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который содержит, по меньшей мере, один цилиндр или блок цилиндров, поршень, головку цилиндра и камеру сгорания, образованную поверхностями головки и днищем поршня.
В головке цилиндра размещены впускной и выпускной клапаны и свеча зажигания. Головка цилиндра присоединена к впускному и выпускному трактам двигателя.
Во впускном тракте установлена заслонка для регулирования количества рабочего заряда. Распределительный вал с кулачками обеспечивает привод впускного и выпускного клапанов. Головка установлена на цилиндре через прокладку.
Реализация работы двигателя осуществляется путем изменения объема камеры сгорания двигателя. Это производится уменьшением расстояния между днищем поршня и противоположной днищу поршня поверхностью камеры сгорания.
Уменьшение расстояния между днищем поршня и противоположной днищу поршня поверхностью камеры сгорания могут осуществлять путем снятия части поверхности головки, которая прилегает к цилиндру, или путем снятия части поверхности цилиндра или блока цилиндра, который прилегает к головке, или путем уменьшения толщины прокладки между головкой и цилиндром. После этого изменяют проходное сечение впускного тракта для рабочего заряда. Изменение проходного сечения впускного тракта для рабочего заряда может осуществляться путем изменения положения дроссельной заслонки так, чтобы площадь проходного сечения отличалась от стандартного проходного сечения впускного тракта. Кроме того, изменяют величину хода впускного клапана, обеспечивая необходимую подачу рабочего заряда в цилиндр, и изменяют угол опережения зажигания, вручную или автоматически с помощью регулятора, обеспечивая подачу искры при нахождении поршня на заданном расстоянии от верхней мертвой точки.
Изменение хода впускных и выпускных клапанов могут осуществлять путем установки новых кулачков или путем сдвига распределительного вала.
Недостатком известного устройства является то, что для изменения характеристик двигателя расстояние между блоком цилиндров и головкой блока изменяется путем замены прокладок, которые имеют разную толщину, величина которых определяется в зависимости от физико-химических характеристик топлива и режима движения транспортного средства.
При изменении параметров камеры сгорания двигателя изменяют порядок и объемы подачи топлива, которое поступает в камеру сгорания. Такое изменение параметров работы двигателя рассчитано на стационарные режимы эксплуатации, которые не меняются на протяжении продолжительного периода времени. Изменение параметров камеры сгорания требует значительных трудовых затрат и затрат времени, что не позволяет это сделать оперативно в процессе движения транспортного средства.
Известна конструкция двигателя внутреннего сгорания (Патент России №2043523). Известный двигатель внутреннего сгорания, который содержит кривошипно-шатунный механизм, форсунки, свечи зажигания, подвижный и неподвижный контакты и табло с указанием марки топлива в кабине водителя. На картере монтируются гидроцилиндры, в которых размещены цилиндры двигателя, на них стопорным кольцом жестко закреплены гидропоршни, а гидравлический распределитель, который находится в кабине водителя, связан трубопроводами с гидронасосом.
Для работы двигателя внутреннего сгорания из кабины транспорта водитель ручкой гидравлического распределителя от гидронасоса подает жидкость по трубопроводу в пустоту гидроцилиндра, где гидропоршни перемещают цилиндры двигателя, до тех пор пока подвижный контакт не запрет неподвижный контакт и в кабине водителя не зажжется сигнальное табло. Тогда водитель ставит ручку гидрораспределителя в заданное положение, и двигатель внутреннего сгорания готов для работы на топливе, которое имеет другие физико-механические характеристики.
Недостатком известного устройства является то, что изменение параметров камеры сгорания осуществляется путем перемещения гильзы цилиндра относительно поршня. Такая конструкция является громоздкой и механически сложной, так как необходимо без перекосов и на заданное расстояние перемещать целый блок цилиндров, который имеет значительные габариты и вес.
Известная конструкция двигателя внутреннего сгорания не предназначена для оперативного изменения параметров камеры сгорания в процессе движения автомобиля в зависимости от качественных характеристик топлива. Известная конструкция двигателя может применяться только для изменения топлива, например, из редкого на газообразное, которое имеет другие температурные и детонационные свойства.
Наиболее близким техническим решением, избранным в качестве прототипа, является "Устройство для работы двигателя внутреннего сгорания" (Патент Российской Федерации на изобретение №2099561).
Указанное устройство для работы двигателя внутреннего сгорания включает цилиндры с головкой, коленчатый вал, поршни, шатуны, причем опорные подшипники коленчатого вала установлены на раме, не связанной жестко с блоком цилиндров. Рама оборудована стойками, на которые с помощью звеньев сменной длины подвешен блок цилиндров, а поддон для слива масла и закрытия пространства под поршнями прикреплен к раме.
Устройство снабжено направляющими, закрепленными на внешних стенках цилиндров и стойках для предотвращения перекосов цилиндров при их перемещении, а рама связана с цилиндрами эластичными уплотнениями, из внутренней стороны к которым подвешены маслоотбойные экраны. Звенья сменной длины могут быть выполнены в виде гидроцилиндров.
Работа известного двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.
При необходимости получения максимальной степени сжатия, например, при запуске двигателя, под действием жидкости, которая подается в гидроцилиндры по трубопроводу, поршни в гидроцилиндрах перемещаются вниз вместе с цилиндром в крайнее положение, оставляя при этом минимальный свободный объем над поршнем при нахождении его в верхний мертвой точке. Рабочий объем цилиндра, обусловленный ходом поршня на всех режимах, остается неизменным.
При необходимости уменьшения степени сжатия по трубопроводу подается жидкость, которая заставляет поршень в гидроцилиндре перемещаться вверх, перемещая вверх и цилиндр с головкой, при этом увеличивается свободный объем над поршнем при нахождении его в верхний мертвой точке. На ту же величину увеличивается и полный объем цилиндра. Степень сжатия при этом снижается.
При перемещении цилиндра плоскости, которые центрируют, предотвращают его перекосы, а эластичное уплотнение с экранами обеспечивает герметизацию картерного пространства при сменном расстоянии между цилиндром и поддоном картера.
Недостатком известного устройства является то, что, как и в предыдущей конструкции, осуществляется перемещение гильзы цилиндра вместе с ее головкой относительно поршня. Такая конструкция является громоздкой, что определяет вероятность отказа в процессе эксплуатации. Известная конструкция характеризуется значительными сложностями в охлаждении двигателя при его работе, так как перемещение гильзы не позволяет сделать качественную рубашку охлаждения и, соответственно, обеспечить нормальный температурный режим при работе двигателя. Перемещение гильзы приводит к необходимости решения задач обеспечения высокой герметичности системы охлаждения, особенно в месте соединения блока цилиндров - в месте концентрации высокой температуры, которая образуется при работе двигателя. Подвижность гильзы цилиндра приводит к необходимости усложнения кинематики работы двигателя внутреннего сгорания. Это обусловлено тем, что перекос блока гильз может привести к заклиниванию поршней и вероятным катастрофическим последствиям в процессе движения транспортного средства.
Задачей изобретения является усовершенствование конструкции двигателя внутреннего сгорания за счет того, что:
- головка цилиндра выполнена подвижной при неподвижном блоке цилиндра;
- гильзы цилиндров выполнены выдвинутыми по отношению к блоку цилиндров и снабжены дополнительным уплотнительным кольцом на каждом цилиндре;
- подвижная головка имеет гильзы, которые закреплены к подвижной головке;
- внутренний диаметр подвижных гильз соответствует внешнему диаметру неподвижных гильз;
- в верхней части неподвижных гильз выполненная проточка в виде паза, в котором размещено уплотнительное кольцо;
- подвижная головка присоединена к исполнительным гидроцилиндрам, соединенным с системой управления, выполненной с возможностью регламентированного изменения положения подвижной головки.
Технический результат от использования изобретения обеспечивается:
- возможностью модернизации двигателей, которые находятся в эксплуатации;
- изменением режимов двигателя в зависимости от эксплуатационной нагрузки и физико-механических свойств применяемого топлива;
- предотвращением детонации при возникновении эксплуатационной нагрузки на двигатель;
- автоматизацией процесса изменения параметров работающего двигателя и, соответственно, обеспечения оптимальных условий эксплуатации в разных условиях;
- адаптацией работы двигателя при его эксплуатации при изменяющихся параметрах;
- применением разных конструкций приводов для изменения параметров двигателя и, соответственно, характеристик при работе в изменяющихся режимах;
- достижением высокой степени уплотнения за счет соразмерности внешнего диаметра неподвижной гильзы и внутреннего диаметра подвижной гильзы;
- высокой герметичностью камеры сгорания двигателя при изменении ее объема в процессе работы с использованием уплотнительного кольца или целой системы уплотнения в виде колец, которые размещены между взаимодействующими поверхностями цилиндрических гильз, закрепленных в блоке и головке блока двигателя;
- соединением подвижной головки с исполнительными гидроцилиндрами, которые обеспечивают регламентированное перемещение головки блока и, соответственно, внутренней поверхности подвижных гильз по внешней поверхности неподвижных гильз, установленных в блоке двигателя;
- соединением подвижной головки блока цилиндра, связанной с исполнительными гидравлическими цилиндрами.
Заявленное изобретение иллюстрируется схемами, где на фиг. 1 показана вертикальная часть фрагмента блока цилиндра с головкой цилиндров в максимально поднятом положении; на фиг. 2 - фрагмент блока цилиндра с головкой цилиндров в максимально опущенном состоянии; на фиг. 3 - вид сверху на головку блока цилиндров.
Двигатель внутреннего сгорания включает блок цилиндров 1 с гильзами 2. В блоке цилиндров 1 выполнены пустоты 3 для циркуляции охлаждающей жидкости. Над блоком цилиндров 1 размещена головка 4 блока цилиндров, в которой из нижней стороны выполнены выемки камер сгорания 5.
Внутри цилиндрических гильз 2 размещены поршни 6, выполненные с возможностью возвратно-поступательного перемещения.
Гильзы 2 цилиндров выдвинуты над верхней плоскостью блока цилиндра 1. На цилиндрической поверхности выступающей части гильзы 2 цилиндра выполнена выточка в виде паза. В пазу установлено уплотнительное кольцо 7. В головке блока 4 цилиндров со стороны блока цилиндров 1 соосно с поршнями 6 установлены короткие цилиндрические гильзы 8. Внутренний диаметр коротких гильз 8 соразмерен внешнему диаметру цилиндрических гильз 2, установленных в блоке цилиндров 1. В верхней части блока цилиндров 1 закреплены направляющие пальцы 9. Направляющие пальцы 9 продеты в отверстия 10, которые выполнены в головке блока цилиндров 4.
Головка блока 4 выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения над блоком цилиндра 1 по направляющим пальцам 9. Длина перемещения головки блока 4 ограничена расстоянием, которое ограничено заданной длиной направляющих 9 и высотой выступающей части гильз.
Головка блока 4 цилиндров связана штоками 11 с исполнительными гидравлическими цилиндрами 12, расположенными в противоположных частях блока цилиндра 1.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
При движении автомобиля в стационарном режиме происходит сжигание топлива, которое поступает у камеры сгорания 5 двигателя. При этом поршни 6, делая возвратно-поступательное перемещение, с помощью шатунов воздействуют на коленчатый вал (на схемах не показано) и преобразуют возвратно-поступательное движение в круговое, что обеспечивает обращение элементов трансмиссии и колес транспортного средства.
Тепло, которое образуется в процессе работы, отводится от цилиндров 2 с помощью охлаждающей жидкости, которая поступает из полостей 3 двигателя в радиатор для снижения температуры (на схеме не показано).
При изменении нагрузки или физико-химических свойств топлива сигнал от системы управления поступает в гидравлический привод, который подает заданное количество гидравлической жидкости в исполнительные гидравлические цилиндры 12.
Система управления определяет, в какой мере необходимо изменить параметры камеры сгорания 5 - увеличить ее объем или уменьшить. В зависимости от команды, головка блока цилиндров 4 перемещается за счет штоков 11 по направляющим пальцам 9, которые расположены в отверстиях 10 вверх или вниз.
При перемещении вверх, внутренняя поверхность коротких цилиндров 8, закрепленных к головке цилиндра 4, перемещается по внешней поверхности выступающих частей гильз 2, установленных в блоке цилиндра 1. Этим увеличивается объем камеры сгорания 5, и тем самым уменьшается степень сжатия топливной смеси. Это позволяет сбалансировать работу двигателя при ухудшении качества топлива, которое приводит к уменьшению октанового числа.
При увеличении октанового числа или необходимости повышения мощности привода гидроцилиндры 12 перемещают головку цилиндров 4 вниз, уменьшая объем камеры сгорания 5. При работе двигателя сгорание смеси приводит к увеличению давления газов в камере сгорания 5, которые воздействуют на поршень 6.
При истечении газов из камеры сгорания 5 резко уменьшается мощность двигателя внутреннего сгорания. Поэтому решением задачи обеспечения стабильных характеристик двигателя при его работе в разных динамических режимах является применение системы уплотнения, которую выполняют в виде кольцевого паза, выполненного на выступающей части цилиндра 2. В кольцевом пазу размещают уплотнительное кольцо 7, что предотвращает вытечку газов при работе двигателя и перемещении головки цилиндров 4 для уменьшения или увеличения объема камеры сгорания 5.
Экспериментальные исследования показали высокую эффективность работы двигателя внутреннего сгорания при различных динамических нагрузках и непостоянных физико-химических характеристиках топлива. Изготовление двигателя не требует значительных капитальных вложений и обеспечивает возможность применения автоматизированной системы управления для регламентирования режимов работы двигателя в разных эксплуатационных условиях.