Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с переменными степенями сжатия и расширения
TWO-STROKE RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION AND EXPANSION RATIOS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к устройству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Уровень техники
Тактность ДВС определяется количеством ходов, которые совершает поршень двигателя для совершения одного рабочего цикла и в случае применения кривошипно-шатунного механизма двухтактный двигатель осуществляет один оборот коленчатого вала, а четырехтактный - два оборота. «Поскольку число рабочих циклов больше в 2 раза, ожидаемый рост мощности двухтактного двигателя выше в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5…1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затрат мощности на приведение в действие продувочного насоса.» [1].
В связи с интенсивным развитием гибридных силовых установок для автомобильного транспорта, ДВС получают роль вспомогательного источника механической энергии, используемой непосредственно для передачи в трансмиссию или для привода электрогенератора. Это обстоятельство выдвигает дополнительное требование к улучшению массо-габаритных показателей ДВС. Наилучшие массо-габаритные показатели имеют 2-х тактные ДВС и в частности ДВС с противоположно движущимися поршнями (ПДП/ «opposed piston engine»). Обзор конструкций подобных ДВС представлен в [2]. Наиболее совершенный авиационный двигатель Junkers Jumo-207 с ПДП, выпускавшийся с 1938 года имел значение удельной мощности 42 кВт/л. В настоящее время возвращается интерес к двигателям с ПДП: авиационный дизель «Gemini-100» (S/D=2×72/69) с удельной мощностью 46 кВт/л [3]; дизель автомобиля Ford F-150 (S/D=2×88,5/80) с удельной мощностью 73 кВт/л [4]. Указанные двигатели с ПДП имеют исполнение с двумя коленчатыми валами связанными зубчатой передачей, которая задает фиксированное по углу поворота рассогласование коленчатых валов. Изменением углового рассогласования коленчатых валов возможно изменять как фазы газораспределения, так и степень сжатия, однако устройство рассогласования должно пропускать через себя до половины мощности двигателя, что сделает такое устройство инерционным и энергоемким.
Известен ДВС с ПДП [5], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции являлось то, что на один оборот коленчатого вала приходился один рабочий ход, но при этом двигатель оставался четырехтактным, т.к. каждый такт происходил ровно за четверть оборота коленчатого вала. В указанном ДВС впервые реализован принцип превышения степени расширения над степенью сжатия, который позже трансформировался в принцип цикла Аткинсона-Миллера в двигателях с перерасширением («over-expanshion»).
Известен ДВС с ПДП [6], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является то, что поршни двигателя связаны с поршнями воздушного компрессора, обеспечивающего продувку, что дополнительно исключает возникновение силы бокового давления на стенки цилиндра. Для сопряжения коромысла с поршнем использована кинематическая пара типа «шарнир-ползун». Шейки шарниров, на которых качаются кормысла, связаны разгрузочной штангой («stress member») из высокопрочной стали, чем компенсируются встречные нагрузки, уменьшается передача нагрузок на корпус двигателя и что позволяет выполнить его из легких сплавов. К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции и невозможность воздействия на рабочий процесс.
Известен ДВС с ПДП [7], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является размещение коромысел на эксценриках, которые могут поворачиваться от механического привода, управляемого компьютером. Конструкция ДВС позволяет изменять степень сжатия в автоматическом режиме в соответствии с нагрузкой. К недостаткам конструкции указанного ДВС следует отнести ограниченность воздействия на рабочий процесс лишь через изменение степени сжатия.
Известен ДВС с ПДП [8], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является наличие у механизма двух степеней свободы. При наличии еще одной, избыточной по сравнению с традиционными ДВС, степени свободы каждому фиксированному положению коленчатого вала уже не будет соответствовать строго определенное положение поршней; оно будет устанавливаться динамически, исходя из процессов протекающих в надпоршневом пространстве.
Показано, что используя механизм воздействия на центры качания коромысел на двухподвижных шарнирах можно в широких пределах изменять степень сжатия и степень расширения. В частности, имеется ввиду вариант исполнения ДВС, когда оба двухподвижных шарнира выполнены в виде двухподвижной вращательно-вращательной кинематической пары типа «шарнир-шарнир», допускающей одновременно с поворотом коромысла вращательное (по дуге) смещение его центра качания относительно фиксированного центра вращения шарнира.
Указанный в [8] двигатель по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения может быть выбран в качестве прототипа.
Целью изобретения является повышение эффективности ДВС, в котором за счет применения механизма изменения степени сжатия и степени расширения появляется возможность оперативной и оптимальной настройки рабочего процесса, а значит и достижения повышенной топливной экономичности и надежности ДВС.
Раскрытие изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна и двух коромысел шарнирно связанных через шток с каждым из поршней, коромысла качаются на двухподвижных шарнирах с фиксированными ценрами вращения, при этом один из шарниров приводится во вращение с возможностью изменения фазового угла положения шарнира относительно кривошипа коленчатого вала для изменения степени сжатия и степени расширения.
5
На Фиг. 1а схема прототипа, из которой видно, что кривошип 1, шатун 2, коромысла 3 и 4, штоки 5 и 6, поршни 7 и 8, шарниры (эксцентриситет) 9 и 10 представляют собой набор из десяти (n=10) звеньев, связанных 12 (двенадцатью) шарнирами и 2 (двумя) парами скольжения (поршень-цилиндр). Таким образом имеется 14 кинематических пар 5-го класса (р=14). Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:
5
w=3n-2p=3*10-2*14=2.
5
Наложение связи (вращение) между кривошипом 1 и двухподвижным шарниром 9 означает добавление виртуального звена v (как на Фиг. 1б) с двумя шарнирами на концах. У такого механизма n=10+1=11 и р=14+2=16. Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:
n=11 - число подвижных звеньев;
5
р=16 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса;
w=3*11-2*16=1
Таким образом добавление связи между коленчатым валом и двухподвижным шарниром делает шарнир 9 «одноподвижным» и переводит исходный механизм (прототип) в механизм с 1-й степенью свободы, в котором каждому положению кривошипа соответствует строго определенное положение всех звеньев, а значит и поршней. В разрыве звена v предусмотрен фазорегулятор (variator), который только «доопределяет» (попутное или встречное вращение) связь кривошипа 1 с шарниром 9, но не меняет ее по существу.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к схеме механизма ДВС прототипа (Фиг. 1а) и предлагаемого ДВС (Фиг. 1б).
На Фиг. 2 представлены изображения двухподвижных шарниров коромысел выпускного (Фиг. 2а) и продувочного (Фиг. 2б) поршней.
На Фиг. 3 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны.
На Фиг. 4 показаны кинематические схемы механического фазорегулятора прямого (Фиг. 4а) и реверсивного (Фиг. 4б) действия.
На Фиг. 5 показана зависимость изменения (относительного) объема надпоршневого пространства в ВОМТ (верхняя объемная мертвая точка) и степени сжатия/расширения от фазы вращения шарнира.
На Фиг. 6 показана зависимость изменения общего хода поршней от угла п.к.в. для предлагаемого и традиционного ДВС.
На Фиг. 7 показана зависимость текущей степени расширения от угла п. к.в. для предлагаемого и традиционного ДВС.
На Фиг. 8 показано изменение фаз продувки/выпуска от степени сжатия для традиционного и предлагаемого ДВС (здесь: (о) - «открыт»; (з) - «закрыт»).
На Фиг. 9 показаны индикаторные диаграммы традиционного и предлагаемого ДВС.
На Фиг. 10 показано влияние степени сжатия на протекание рабочего процесса при ограничении максимального давления сгорания.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 3 и с деталями на Фиг. 4. Осуществление изобретения предполагает использование противоположно движущихся поршней 7 и 8, связанных штоками 5 и 6 с коромыслами 3 и 4 соответственно. Преобразование качательных движений коромысел 3 и 4 во вращательное движение кривошипа 1 происходит за счет использования трехшарнирного шатуна 2. Двухподвижный шарнир 10 с эксцентриситетом е2, являясь пассивным, может совершать вращательно-колебательные движения, а шарнир 9 с эксцентриситетом e1 с приводом, являясь активным, может совершать только вращательное движение (одно- или противонаправленное с коленчатым валом как на Фиг. 2).
Двухподвижный шарнир 10 может быть выполнен в виде двухподвижной вращательно-поступательной кинематической пары типа «шарнир-ползун», допускающей одновременно с поворотом коромысла поступательное по прямой смещение его центра качания относительно фиксированного центра вращения шарнира, как у прототипа [8].
Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.
В положении механизма в районе объемной НМТ (как на Фиг. 3) из воздушного коллектора 14 через продувочные окна 12 воздух поступает в цилиндр 16 и вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 11 в выпускной коллектор 13. При вращении кривошипа 1 (по часовой стрелке) первыми закрываются выпускные окна 11 и происходит наддув воздуха. Далее закрываются продувочные окна 12 и начинается процесс сжатия воздушного заряда.
В варианте дизельного рабочего процесса с воспламенением от сжатия в районе объемной ВМТ топливо подается чрез форсунку 15 в камеру сгорания (КС), образованную днищами поршней 7 и 8, и стенками цилиндра 16. В варианте рабочего процесса с внешним смесеообразованием и принудительным зажиганием форсунка (не показана) может быть расположена перед продувочными окнами 12. После прохождения поршнями 7 и 8 объемной ВМТ завершается процесс сгорания топлива и начинается процесс расширения газов с совершением полезной работы. Не доходя до геометрической НМТ поршня 7 открываются выпускные окна 11 и начинается свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 13. Далее, не доходя до геометрической НМТ поршня 8 открываются продувочные окна 12 и начинается принуди- тельный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.
Коленчатый вал (кривошип 1) связан с активным двухподвижным шарниром 9 механической передачей: зубчатой, цепной, ременной. Промежуточным агентом этой связи является вспомогательное устройство для регулирования фазового угла между положениями кривошипа 1 и эксцентриситета шарнира 9 - фазорегулятор. Фазорегулятор может быть гидравлического типа, как в системах регулируемого газораспределения (VVT - variable valve timing) автомобильных двигателей. Но четырех-пяти лопастные фазорегуляторы имеют ограниченный диапазон изменения угла 20…30 град., что недостаточно для устойчивого управления механизмом двигателя с целью изменения степеней сжатия и расширения. Желательным является диапазон регулирования фазового угла 90…110 град, п. к.в.
Больший диапазон регулирования обеспечивают механические фазорегуляторы на основе пары специальных косозубых шестерен, имеющих противоположное направление нарезки зубьев. Они выполняют функцию полумуфт, которые охватываются общей цилиндрической муфтой. Смещением муфты вдоль оси обеспечивается угловое смещение одного вала относительно другого.
В качестве фазорегулятора может быть использовано устройство (обозначено «Ф»), выполненное по кинематическим схемам как на Фиг. 4. На Фиг. 3 показана условно связь между коленчатым валом 1 и шарниром 9 с помощью цилиндрической зубчатой передачи с однонаправленным вращением зубчатых колес, при этом фазорегулятор «Ф» (вариант как Фиг. 4а) представлен как промежуточное зубчатое колесо. Механизм показан в положении при значении фазового угла 90 град, п.к.в. (опережение кривошипа). Изменение фазового угла производится вращением корпуса фазорегулятора с помощью червячной передачи.
Наличие двух шарниров в головке шатуна 2 для связи с коромыслами 3 и 4 приводит к тому, что при наклоне шатуна 2, вызванного вращением шейки кривошипа 1, в любой момент, кроме объемных НМТ и ВМТ, возникает асимметрия в угловых скоростях коромысел 3 и 4: одно ускоряется, другое замедляется. В результате этого поршни достигают своих мертвых точек (минимальное расстояние до центра КС) в разное время. Так как объемная ВМТ практически совпадает по углу п. к.в с положением кривошипа в точке 180 град, п.к.в. (геометрическая ВМТ), то можно утверждать, что во всем диапазоне регулирования фазового угла положения мертвых точек поршней меняются мало: выпускного - 18…20 град, п.к.в. до ВМТ; продувочного - 13…20 град, п.к.в. после ВМТ. Таким образом имеет место фазовый сдвиг мертвых точек поршней 30…40 град, п.к.в., что в 3-4 раза больше угла рассогласования 10-12 град, п.к.в. коленчатых влов ДВС с ПДП, выполненных по классической схеме («традиционной»).
Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.
e
В качестве аналога взят ДВС спортивного самолета, 3-х цилиндровый дизельный двигатель с ПДП (традиционный) «Gemini-ЮО» с S/D=2×72/69, мощностью N=75 кВт, при частоте вращения коленчатого вала n=4000 об/мин, с удельной мощностью 46 кВт/л.
Исходные данные:
1. Мощность - 80 кВт (2 цилиндра)
2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин
3. Ход поршня - 95 мм
4. Диаметр цилиндра - 80 мм
5. Радиус кривошипа - 45 мм
6. Длина шатуна - 90 мм
7. Степень сжатия (геометрическая) - 19
8. Степень сжатия (действительная) - 15
Использование шарнира 9 с эксценриситетом e1=3 мм и шарнира 10 с эксценриситетом е2=8 мм позволяет за счет изменения фазы вращения шарнира 9 изменять степень сжатия в широких пределах: от 9 до 16 (см. Фиг. 5).
вып
впуск
пдп
трад
Асимметрия зависимостей хода поршней S и S от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ и их фазовый сдвиг (40 град, п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней S от угла п.к.в. в районе объемной ВМТ является гораздо более пологой, чем у ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом S, как показано на Фиг. 6. В качестве традиционного рассматривается двигатель геометрически подобный дизелю с ПДП типа 10Д100 со степенью сжатия 15,1 и углом рассогласования коленчатых валов равным 12 град. п.к.в [9]. Пологость указанной характеристики проявляется в том, что изменение объема надпоршневого пространства у предлагаемого ДВС происходит медленней чем у традиционного (см. Фиг. 7). Это означает, что процесс выделения тепла (горение) протекает с максимальным приближением к изохорному (V=const), который характеризуется наибольшим термическим к.п.д., при прочих равных условиях. Указанный фазовый сдвиг также является благопрятным для осуществления прямоточной продувки в процессе газообмена.
У ДВС с переменной степенью сжатия (Prius, Toyota) работающих по циклу Аткинсона-Миллера и использующих механизм регулируемых фаз газораспределения (VVT) позднее закрытие впускных клапанов приводит к выталкиванию части воздушного заряда (или топливо-воздушной смеси) обратно во впускной коллектор, что неизбежно приводит к снижению удельной мощности двигателя. В предлагаемом двигателе механизм изменения степени сжатия иной: одновременно с уменьшением хода поршней происходит увеличение объема КС в ВОМТ (см. Фиг. 5). При этом изменение фаз открытия/закрытия выпускных и продувочных окон оказывается значительно меньше, чем у традиционных ДВС. Если традиционный ДВС имеет степень сжатия 15, то для понижения степени сжатия до 9 необходимо увеличить угол рассогласования коленчатых валов с 12 до 36 град., что означает (см. Фиг. 8) увеличение угла закрытия продувочных окон с 58 до 72 град, п.к.в. после НМТ и увеличение угла открытия выпускных окон с 62 до 78 град, п.к.в. до НМТ. У предлагаемого ДВС изменение степени сжатия с 16 до 9 предполагает увеличение угла закрытия продувочных окон всего с 52 до 56 град, п.к.в. после НМТ при практически неизменной фазе открытия выпускных окон.
Таким образом предлагаемый ДВС характеризуется гораздо меньшей потерей рабочего хода на осуществление процессов газообмена, чем традиционный ДВС.
z
ос
Для выявления преимуществ заявляемой конструктивной схемы ДВС с ПДП по сравнению с традиционной была выполнена серия расчетов рабочего процесса с целью сравнения индикаторных показателей (к.п.д., среднее давление). В качестве модельного варианта традиционного ДВС с ПДП был принят двигатель с двумя коленчатыми валами, смещенными на 12 град, п.к.в. с тем же рабочим объемом, объемом КС, действительной степенью сжатия  В расчетах использовались одинаковые режимные параметры: цикловая подача топлива, коэффициент избытка воздуха, давление и температура продувочного воздуха. Процесс сгорания расчитывался с использованием модели И.И. Вибе с m=0,3 и ϕ=40 град, п.к.в., опережение начала сгорания ϕ=5 град, п.к.в. до ВОМТ, теплопередача по формулам Г. Вошни.
i
i
Как видно из Фиг. 9 при одинаковых давлениях начала сгорания, в предлагаемом ДВС максимальное давление сгорания выше чем в традиционном ДВС благодаря меньшей скорости изменения объема надпоршневого пространства (см. Фиг. 7). Среднее индикаторное давление P=0,84 МПа у предлагаемого ДВС выше чем у традиционного P=0,73 МПа на 15%, что означает его повышенную топливную экономичность.
z
i
В отличие от ДВС, работающих по циклу Аткинсона-Миллера предлагаемый ДВС позволяет не только не снижать удельную мощность при уменьшении степени сжатия, а наоборот, увеличивать ее. Из Фиг. 10 видно, что уменьшение степени сжатия с 15 до 9 при увеличенном давлении продувки с 0,125 до 0,185 МПа и ограничении по максимальному давлению сгорания P=13 МПа позволяет увеличить среднее индикаторное давление P с 0,84 до 1,30 МПа, что при частоте вращения к.в. 4000 об/мин и механическом к.п.д. 0,82 означает получение удельной мощности от 46 до 72 кВт/л.
Предлагаемый ДВС обеспечивает превышение степени расширения над степенью сжатия во всем диапазоне изменения последней.
Таким образом предлагаемый двигатель обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности, улучшении удельных массо-габаритных показателей. Двигатель может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.
Поскольку предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в области двигателестроения, а само изобретение допускает множество вариаций, модификаций и изменений в деталях, подразумевается, что весь материал, содержащийся в вышеприведенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничительном смысле.
Источники информации
1. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Алексеев В.П., Воронин В.Ф., Грехов Л.В. и др. М., «Машиностроение», 1990, 284 с.
2. Комбинированные двухтактные двигатели. Орлин А.С., Круглов М.Г., М., «Машиностроение», 1968, 576 с.
3. https://www.geminidiesel.aero
4. https://www.achatespower.com
5. Pat. US 336505, 1886.
6. Pat. US 2730087, 1956.
7. Pat. US 9359896, 2016.
8. RU 2739104, 2020.
9. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки). Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. М., «Транспорт», 1984,384 с.