КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ С ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ
COMPENSATING DEVICE FOR ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION DEGREE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройствам, используемым в двигателях с переменной степенью сжатия.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатели с переменной степенью сжатия делают возможным достижение высоких степеней сжатия в основном посредством дополнительного регулируемого поршня, находящегося напротив основного поршня.
Пример такой конфигурации показан в патенте США US6708655, в котором раскрыт двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр сгорания, головку цилиндра на конце цилиндра сгорания и основной поршень, размещенный с возможностью совершать возвратно-поступательное движение в цилиндре сгорания. Головка цилиндра содержит вторичный цилиндр и вторичный поршень, размещенный с возможностью совершать возвратно-поступательное движение во вторичном цилиндре. Привод подсоединен к вторичному поршню для управления положением вторичного поршня в зависимости от положения основного поршня, и сообщающий канал обеспечивает гидравлическое сообщение между цилиндром сгорания и вторичным цилиндром. Привод может быть гидравлическим или кулачковым приводом. Конструкция механизма относительно сложна.
Задача настоящего изобретения заключается в создании компенсирующего устройства для двигателя с переменной степенью сжатия, которое имеет простую конструкцию и высокий КПД.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом изобретения является компенсирующее устройство для двигателя с переменной степенью сжатия, при этом компенсирующее устройство содержит поршень, выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в направляющей втулке, содержащей открытый конец, сообщенный с цилиндром сгорания двигателя, и закрытый конец, при этом поршень имеет форму полой цилиндрической трубы, содержащей первую область с закрытым концом, выполненную с возможностью движения в первой области направляющей втулки, и вторую область, имеющую диаметр, больший диаметра первой области, и открытый конец, а также выполненную с возможностью движения во второй области направляющей втулки, где устройство также содержит первое уплотнение между первой областью поршня и первой областью направляющей втулки; второе уплотнение между второй областью поршня и второй областью направляющей втулки; первую пневматическую подушку, выполненную между закрытым концом направляющей втулки и внутренней поверхностью поршня так, чтобы ограничивать движение поршня по направлению к закрытому концу направляющей втулки; вторую пневматическую подушку, выполненную между направляющей втулкой и внешней поверхностью поршня, ограниченной первым уплотнением и вторым уплотнением так, чтобы ограничивать движение поршня по направлению к открытому концу направляющей втулки; запорный клапан, сконфигурированный для подачи во вторую пневматическую подушку газообразной среды в количестве, зависящем от смещения поршня во время его движения по направлению к закрытому концу направляющей втулки.
Поршень может также содержать промежуточную область, имеющую расширяющуюся форму в виде конуса и расположенную между первой областью и второй областью поршня.
Направляющая втулка может также содержать буфер, имеющий форму, соответствующую по существу внутреннему профилю промежуточной области поршня, сконфигурированный для ограничения движения поршня по направлению к закрытому концу направляющей втулки.
Направляющая втулка также может содержать буфер, имеющий форму, соответствующую по существу внешнему профилю промежуточной области поршня, сконфигурированный для ограничения движения поршня по направлению к открытому концу направляющей втулки.
Устройство может также содержать выпускной канал, выполненный в направляющей втулке и сообщающийся со второй пневматической подушкой для обеспечения удаления газообразной среды во время движения поршня по направлению к открытому концу направляющей втулки.
Активное поперечное сечение выпускного канала может регулироваться с помощью игольчатого клапана.
Внешняя стенка первой области поршня может содержать выточку, а первая область направляющей втулки содержит каналы, при этом выточка и каналы выполнены таким образом, чтобы находиться в гидравлическом сообщении во время движения поршня.
Закрытый конец направляющей втулки может быть неподвижным.
Закрытый конец направляющей втулки может быть выполнен в виде подвижной перегородки.
Подвижная перегородка может содержать впускной канал с запорным клапаном для подачи газообразной среды в первую пневматическую подушку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Объект изобретения показан в примерных вариантах осуществления на графическом материале, где:
На фиг.1 показана конструкция первого варианта осуществления компенсирующего устройства.
На фиг.2 схематически показана поддержка поршня первого варианта осуществления компенсирующего устройства при помощи пневматических подушек.
На фиг.3 показана конструкция второго варианта осуществления компенсирующего устройства.
На фиг.4 схематически показана поддержка поршня второго варианта осуществления компенсирующего устройства при помощи пневматических подушек.
На фиг.5A-5D показана конфигурация компенсирующего устройства во время разных рабочих фаз двигателя.
На фиг.6 схематически приведено сравнение графика теоретического давления и объема для стандартного цикла Отто и цикла двигателя с компенсирующим устройством согласно изобретению.
На фиг.7 схематически приведено сравнение варьирования давления во времени для стандартного двигателя и двигателя с компенсирующим устройством согласно изобретению.
СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1 - наилучший способ реализации изобретения
На фиг.1 показана конструкция первого варианта осуществления компенсирующего устройства согласно изобретению с пассивной подушкой, содержащей переменное количество газообразной среды, которая может быть отрегулирована в соответствии с частотой вращения и нагрузкой двигателя во время его работы. Устройство содержит профилированный поршень 1, расположенный коаксиально и выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в направляющей втулке 2, содержащей открытый конец 24, сообщающийся с цилиндром сгорания, в котором основной поршень выполнен с возможностью совершения возвратно-поступательного движения (не показан). Поршень 1 выполнен в форме полой цилиндрической трубы с нижней областью 25, содержащей закрытый конец 31, расположенный в открытом конце 24 направляющей втулки 2, и с верхней областью 26, имеющей диаметр, больший диаметра нижней области 25, и открытый конец 32. Промежуточная область 27, имеющая расширяющуюся форму в виде конуса, соединяет нижнюю область 25 и верхнюю область 26 поршня 1. Коническая форма промежуточной области 27 лучше всего подходит поршням 1, изготовленным из легких металлов, таких как сплавы магния или алюминия. В случае изготовления поршней 1 из композиционных материалов форма промежуточной области 27 может быть сконфигурирована в зависимости от свойств использованного композиционного материала. Направляющая втулка 2 содержит нижнюю область 28, имеющую диаметр, соответствующий нижней области 25 поршня, и верхнюю область 29, имеющую диаметр, соответствующий верхней области 26 поршня. Выточка 3 выполнена во внешней стенке нижней области 25 поршня 1, тогда как нижнее уплотнение 5 и верхнее уплотнение 4 расположены соответственно под и над выточкой, между внешней стенкой поршня 1 и направляющей втулкой 2. Впускной канал 6 и выпускной канал 7 выполнены в направляющей втулке 2 для обеспечения гидравлического сообщения с выточкой 3. В одном варианте осуществления смазочная и охлаждающая смесь может протекать через каналы 6, 7 для интенсивного обтекания выточки 3 поршня 1 с тем, чтобы смазывать и охлаждать поршень 1. В другом варианте осуществления небольшое количество масла может быть подано через каналы 6, 7 исключительно для смазывания поршня 1, тогда как охлаждение поршня происходит посредством нижнего уплотнения 5 и охлаждения направляющей втулки 2. Верхнее пневматическое уплотнение 8 установлено в поршне 1 между внешним периметром верхней области 26 и направляющей втулкой 2. Верхняя область 26 поршня 1 двигается в верхней области 29 направляющей втулки 2 между верхним буфером 9, установленным в направляющей втулке 2, и нижним буфером 10, установленным в направляющей втулке 2. Верхний буфер 9 также содержит выпускной канал 23 для газообразной среды. Внешняя поверхность верхнего буфера 9, который ограничивает движение поршня 1 по направлению к закрытому концу 11 направляющей втулки 2, по существу соответствует внутреннему профилю промежуточной области 27 поршня 1, когда поршень оказывает давление на верхний буфер 9. Внешняя поверхность нижнего буфера 10, который ограничивает движение поршня 1 по направлению к открытому концу 24 направляющей втулки 2, по существу соответствует внешнему профилю промежуточной области 27 поршня 1, когда поршень оказывает давление на нижний буфер 10. Предпочтительно, буферы упруго деформируются в соответствии с формой поршня под давлением поршня 1 на буферы 9, 10. Буферы 9, 10 могут быть изготовлены из эластомеров, стойких к высоким температурам.
Верхняя область 29 направляющей втулки 2 содержит, предпочтительно, над верхним буфером 9, подвижную перегородку 11, прикрепленную к направляющей 12, выполненной с возможностью осуществления движения через отверстие в верхней стенке направляющей втулки 2, в которой выполнен впускной канал 13 для газообразной среды. Подвижная перегородка 11 содержит уплотнение 14, установленное между его внешним периметром и направляющей втулкой 2. Подвижная перегородка 11 также содержит, в своей средней части, впускной канал 15 для газообразной среды, закрываемый запорным клапаном 16, таким как откидной клапан или канальный клапан. Нижний буфер 10 содержит впускной канал 17 для газообразной среды, закрываемый запорным клапаном 18, таким как откидной клапан или канальный клапан. Кроме того, выпускной канал 21 для газообразной среды и регулируемый игольчатый клапан 22 для регулирования активного поперечного сечения выпускного канала 21 расположены в направляющей втулке возле нижнего буфера 10.
На фиг.2 схематически показана поддержка поршня первого варианта осуществления компенсирующего устройства при помощи пневматических подушек. Во время его работы поршень 1 выполнен с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в направляющей втулке 2, при этом его движение эластично ограничено пассивной пневматической подушкой 20 и активной пневматической подушкой 19. Пневматическая активная подушка оптимально замедляет поршень во время процесса внутренней рекуперации и способствует его движению во время процесса аккумуляции внутренней энергии компенсирующего устройства согласно изобретению. Пневматическая активная подушка 19 содержит газообразную среду между направляющей втулкой и внешней поверхностью поршня 1 под его верхней областью 26. Пневматическая активная подушка 19 уплотнена верхним пневматическим уплотнением 8 и верхним уплотнением 4 поршня 1. В подушку подают газообразную среду под регулированным или постоянным давлением, предпочтительно, через впускной канал 17, встроенный в направляющую втулку 2 и закрываемый запорным клапаном 18. Запорный клапан 18 сконфигурирован для обеспечения активной пневматической подушки 19 газообразной средой в количестве, зависящем от смещения поршня 1 во время его движения по направлению к закрытому концу 11 направляющей втулки 2. Активную подушку сдувают через сливные отверстия, выпускной канал 21 постоянного или регулированного поперечного сечения или через регулируемый клапан в случае двигателей, имеющих низкую частоту вращения и автоматическую регулировку. Вдобавок, нижний буфер 10 защищает поршень 1 от повреждения в случае несоответствующего количества газообразной среды или ее отсутствия в активной подушке 19. Активная подушка действует и как пружина, и как гаситель. Пневматическая активная подушка 19 ограничивает движение поршня 1 по направлению к открытому концу 24 направляющей втулки 2. Пневматическая пассивная подушка 20 содержит газообразную среду, заключенную между внутренней частью поршня 1 и закрытым концом направляющей втулки 2, который в показанном на фиг.1 варианте осуществления выполнен с помощью подвижной перегородки 11. Пневматическая подушка уплотнена пневматическим уплотнением 8 верхней области 26 поршня и уплотнением 14 подвижной перегородки 11. Верхний буфер 9 защищает поршень 1 от повреждения в случае несоответствующего количества газообразной среды в пассивной подушке 20. В пассивную подушку 20 подают газообразную среду под постоянным давлением через впускной канал 15 и запорный клапан 16. В случае автоматического регулирования вместо запорного клапана 16 может быть использован контролируемый клапан с целью предоставления возможности наполнения пневматической пассивной подушки 20 газообразной средой под регулированным давлением и выпуска газообразной среды из нее. Пассивная подушка действует как пружина. Пневматическая пассивная подушка 20 ограничивает движение поршня 1 по направлению к закрытому концу 11 направляющей втулки. Масса и геометрические размеры поршня 1 сконфигурированы относительно теплового двигателя, в котором он работает. Давление газообразной среды на впуске и объем пассивной подушки 20, давление газообразной среды на впуске активной подушки 19 и поперечное сечение выпускного канала 21 регулируют относительно заданной частоты вращения и нагрузки теплового двигателя во время его работы.
Пример 2
На фиг.3 показана конструкция второго варианта осуществления компенсирующего устройства согласно изобретению с пассивной подушкой, содержащей переменное количество газообразной среды, которая может быть использована, в частности, в двигателях с относительно постоянной нагрузкой и частотой вращения. В этом варианте осуществления направляющая втулка 2 содержит неподвижный закрытый конец 30. Ссылки на элементы, подобные элементам, показанным на фиг.1, обозначены такими же позициями. Устройство содержит профилированный поршень 1, помещенный коаксиально и выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в направляющей втулке 2, содержащей открытый конец 24, сообщающийся с цилиндром сгорания, в котором основной поршень выполнен с возможностью совершения возвратно-поступательного движения (не показан). Поршень 1 выполнен в форме полой цилиндрической трубы с нижней областью 25, содержащей закрытый конец 31, расположенный в открытом конце 24 направляющей втулки 2, и с верхней областью 26, имеющей диаметр, больший диаметра нижней области 25, и содержащей открытый конец 32. Промежуточная область 27, имеющая расширяющуюся форму в виде конуса, соединяет нижнюю область 25 и верхнюю область 26 поршня 1. Коническая форма промежуточной области 27 лучше всего подходит поршням 1, изготовленным из легких металлов, таких как сплавы магния или алюминия. В случае изготовления поршней 1 из композиционных материалов форма промежуточной области 27 может быть сконфигурирована в зависимости от свойств использованного композиционного материала. Направляющая втулка 2 содержит нижнюю область 28, имеющую диаметр, соответствующий нижней области 25 поршня, и верхнюю область 29, имеющую диаметр, соответствующий верхней области 26 поршня. Выточка 3 выполнена во внешней стенке нижней области 25 поршня 1, тогда как нижнее уплотнение 5 и верхнее уплотнение 4 расположены соответственно под и над выточкой, между внешней стенкой поршня 1 и направляющей втулкой 2. Впускной канал 6 и выпускной канал 7 выполнены в направляющей втулке 2 для обеспечения гидравлического сообщения с выточкой 3. В одном варианте осуществления смазочная и охлаждающая смесь может протекать через каналы 6, 7 для интенсивного обтекания выточки 3 поршня 1 с тем, чтобы смазывать и охлаждать поршень 1. В другом варианте осуществления небольшое количество масла может протекать через каналы 6, 7 исключительно для смазывания поршня 1, тогда как охлаждение поршня происходит посредством нижнего уплотнения 5 и охлаждения направляющей втулки 2. Верхнее пневматическое уплотнение 8 установлено в поршне 1 между внешним периметром верхней области 26 и направляющей втулкой 2. Верхняя область 26 поршня 1 двигается в верхней области 29 направляющей втулки 2 между верхним буфером 9, установленным в направляющей втулке 2, и нижним буфером 10, установленным в направляющей втулке 2. Верхний буфер 9 также содержит выпускной канал 23 для газообразной среды. Внешняя поверхность верхнего буфера 9 соответствует внутреннему профилю верхней области 26 поршня 1, когда поршень оказывает давление на верхний буфер 9. Внешняя поверхность нижнего буфера 10 соответствует внешнему профилю промежуточной области 27 поршня 1, когда поршень оказывает давление на нижний буфер 10. Предпочтительно, буферы упруго деформируются в соответствии с формой поршня под давлением поршня 1 на буферы 9, 10. Буферы 9, 10 могут быть изготовлены из эластомеров, стойких к высоким температурам.
Верхняя область 29 направляющей втулки 2 содержит, предпочтительно над верхним буфером 9, впускной канал 13 для газообразной среды. Нижний буфер 10 содержит впускной канал 17 для газообразной среды, закрываемый запорным клапаном 18, таким как откидной клапан или канальный клапан. Кроме того, выпускной канал 21 для газообразной среды и регулируемый игольчатый клапан 22 расположены в направляющей втулке возле нижнего буфера 10.
На фиг.4 схематически показана поддержка поршня второго варианта осуществления компенсирующего устройства при помощи пневматических подушек, которая аналогична поддержке поршня первого варианта осуществления, показанного на фиг.2, со следующей разницей: максимальный объем пассивной подушки 20 является постоянным, что делает вариант осуществления особенно подходящим для двигателей, работающих по существу с постоянной частотой вращения и по существу с постоянной нагрузкой.
Термины «верхний» и «нижний», как они использованы в приведенном выше описании, относятся к положению отдельных элементов на фигурах, но вовсе не предназначены для ограничения размещения компенсирующего устройства согласно изобретению только вертикальным положением, как показано на фигурах.
На фиг.5A-5D показаны конфигурации компенсирующего устройства при разных рабочих фазах двигателя, которые будут описаны в совокупности с графиками, показанными на фиг.6 и 7. На фиг.6 схематически приведено сравнение графика теоретического давления и объема для стандартного цикла Отто (пунктирная линия) и цикла двигателя с компенсирующим устройством согласно изобретению (непрерывная линия). На фиг.7 схематически приведено сравнение варьирования давления во времени для стандартного двигателя (пунктирная линия) и двигателя с компенсирующим устройством согласно изобретению (сплошная линия). Опорные точки A-D на фиг.6, 7 соответствуют положениям поршня, показанным на фиг.5A-5D.
Фиг.5А соответствует фазе, в которой основной поршень 40 достигает положения верхней мертвой точки и происходит воспламенение. Фиг.5 В соответствует фазе, в которой основной поршень 40 находится в верхней мертвой точке. Увеличивающееся давление газов вызывает стремительное ускорение поршня 1, который, ввиду того, что его масса меньше массы основного поршня 40, двигается быстрее основного поршня 40. Поршень 1, двигаясь вверх, увеличивает объем камеры 41 сгорания, тем самым, компенсируя увеличение давления. Он достигает своего максимального ускорения на пике между точками В и С, показанными на фиг.7. В этом пике увеличение объема камеры 41 сгорания настолько велико, что оно вызывает уменьшение давления. Когда давление в камере 41 сгорания падает ниже давления пассивной подушки 20 (с учетом соотношения площадей давления газообразной среды, связанного с разницей между верхним и нижним диаметром поршня 1), поршень 1 начинает замедляться и достигает своего наивысшего положения, показанного на фиг.5С. В этой точке определяют количество газообразной среды, которое подают в активную пневматическую подушку 19 через открытый запорный клапан 18. Затем поршень 1 двигается вниз, возвращая свою механическую энергию и снижая скорость падения давления в камере 41 сгорания, и одновременно сдавливая газообразную среду в активной пневматической подушке 19, пока он не достигнет своего самого низкого положения, показанного на фиг.5D, которое незначительно выше положения, показанного на фиг.5А. Ввиду по существу постоянного объема камеры сгорания между положениями на фиг.5С и 5D, газ в камере 41 сгорания не выполняет значительной работы, и обеспечение энергии происходит главным образом за счет пассивной подушки 20. Кинетическая энергия поршня 1 рассеяна в активной пневматической подушке 19. Ввиду того факта, что количество газообразной среды в активной подушке 19 зависит от максимального смещения поршня, потери энергии являются минимизироваными. После положения D дальнейшие фазы цикла следуют как в типичном двигателе. Ввиду более высокой степени сжатия двигатель получает больший КПД, чем стандартный двигатель даже с учетом оптимальных, минимизированных потерь энергии в активной пневматической подушке 19.
Компенсирующее устройство согласно изобретению может быть использовано в тепловых двигателях с переменной камерой сгорания. Это делает возможным непрерывное изменение степени сжатия во время рабочего цикла. Увеличение давления связано с сочетанием массы поршня и параметров пневматических подушек (пружин), которые его поддерживают. Таким образом, компенсирующее устройство может быть использовано в двигателях, имеющих высокий диапазон частоты вращения (тяговые двигатели). Замедление поршня влияет на его долговечность, поэтому оно должно быть осуществлено на заданном расстоянии и с относительно небольшим противодавлением и иметь характер быстро гасимых колебаний, что гарантировано пневматической активной подушкой. Упругие пневматические уплотнения делают возможным отделение горячей части от пневматической части поршня, следовательно, потери газообразной среды ограничены. При использовании непосредственного охлаждения поршень может быть использован в двигателях с высокой тепловой нагрузкой и с турбонаддувом. Продувка (которую всегда выполняют как на горячей стороне, так и на пневматической стороне) системы охлаждения и смазки через выпускной канал защищает поршень от местного перегрева. Путем варьирования диаметра направляющей втулки минимизировано давление газообразной среды. Простая конструкция поршня облегчает его производство и установку в двигатель. Форма поршня увеличивает его долговечность в отношении износа в случае однородных материалов. Использование откидного или канального запорного клапана в активной подушке снижает ее мертвое пространство и увеличивает скорость наполнения, а также обеспечивает должную долговечность. Устройство является саморегулирующимся даже при небольших нагрузках. Объект изобретения может быть использован в двигателях с воспламенением сжатием однородной смеси (HCCI) при низких коэффициентах избыточного воздуха и делает возможным снижение вредных веществ в выхлопных газах.