ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION RATIO

Изобретение относится к машиностроению, например к двигателям внутреннего сгорания поршневого типа, в частности к двигателям с переменной степенью сжатия.
Степенью сжатия называют отношение объема внутри цилиндра ДВС над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней «мертвой» точке.
Из исследований известно, что этот показатель колеблется в зависимости от режимов работы, и для бензиновых двигателей составляет от 8 до 14, для дизелей - от 18 до 23. В настоящее время в серийно выпускаемых ДВС степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Для бензиновых двигателей она находится внизу диапазона, чтобы исключить возможную детонацию при работе в нагруженном режиме, а для дизельных - вверху диапазона, чтобы обеспечить пуск холодного двигателя.
Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.
Конструктивные решения для поршневых ДВС с изменяемой степенью сжатия появились в начале XX века, и примерно к середине прошлого столетия уже были разработаны и запатентованы (в виде схем или конструкций) практически все известные на сегодня способы, позволяющие варьировать степень сжатия в ДВС. Некоторые из предложенных решений в силу разных причин так и остались на бумаге, некоторые были воплощены в железе.
Такие известные фирмы как Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen создавали опытные образцы, но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство (смотри [1]).
Большинство известных конструктивных решений изменяют объем камеры сгорания при неизменной величине хода поршня. Но есть технические решения, где с увеличением степени сжатия растет и коэффициент наполняемости цилиндра. Но теория требует обратной зависимости - с увеличением степени сжатия рабочий объем должен уменьшаться, и наоборот. Это позволит, например, уменьшить литраж двигателя на режимах пуска или частичных нагрузок и при этом работать с высоким индикаторным и механическим КПД за счет большой степени сжатия и сокращения насосных потерь. С повышением нагрузки двигатель будет снижать степень сжатия и одновременно увеличивать рабочий объем ДВС. Так можно будет получить и высокую номинальную мощность, и максимальную топливную экономичность в каждой точке нагрузочной характеристики мотора.
В статье Сергея Самохина «Степень свободы» приводится классификация основных способов изменения степени сжатия в ДВС от инженеров французской компании МСЕ-5 Development S.A. (смотри [2] и [3]). Также в статье рассматриваются положительные и отрицательные стороны опытных образцов ДВС с переменной степенью сжатия.
Известен опытный образец ДВС с переменной степенью сжатия французской фирмы МСЕ-5 Development, автор Вианни Раби (см. [1]). В данной конструкции шатун соединен с двуплечим зубчатым коромыслом, одно из плеч которого взаимодействует с зубчатой рейкой, которой придана возможность перемещения вверх-вниз посредством гидроцилиндра. Этим достигается изменение зоны рабочего хода поршней и, как результат, изменение степени сжатия. При этом сам поршень движется строго вверх-вниз, зажатый с одной стороны опорной зубчатой рейкой, а с другой - зубчатым сектором коромысла, посредством которого движение поршня передается коленчатому валу.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбрано техническое решение «Кривошипно-шатунный механизм Уколова» по пат. RU 2296234 С1, 21.06.2005.
В данном аналоге решена задача снижения степени сжатия и одновременного увеличения коэффициента наполнения цилиндров при нагруженном режиме работы двигателя, а при торможении или работе на холостом ходу - наоборот. Но подвижная часть кривошипно-шатунного механизма приведенного аналога обладает рядом недостатков, в числе которых сложность изготовления расположенного на коленчатом валу управляющего механизма в виде шестерен, наличие дополнительных валов в коренной шейке коленчатого вала, где в классических ДВС находятся маслопроводящие полости, повышенные требования к соотношению размеров зубчатых колес и высокая скорость взаимодействия элементов управляющего механизма. Для обеспечения изменения степени сжатия в широком диапазоне, необходим эксцентрик со значительным эксцентриситетом, что ведет к существенному увеличению массы и размеров кривошипно-шатунного механизма и ДВС в целом. Во всех режимах работы двигателя происходит смещение центра приведенной массы кривошипа, что ведет к дополнительному повышению вибронагруженности и шумности двигателя.
Целью изобретения является упрощение конструкции подвижной части кривошипно-шатунного механизма, выведение эксцентриков за пределы коленчатого вала, обеспечение возможности изменения геометрии кривошипно-шатунного механизма в широких пределах, что обеспечит при нагруженном режиме работы двигателя минимальную степень сжатия, но наполнение цилиндров воздухом или горючей смесью будет максимальным, а при торможении или работе на холостом ходу - наоборот. Применение ДВС с изменяемой степенью сжатия позволяет обеспечить возможность их работы на различных топливах, повышает термодинамический коэффициент полезного действия, снижает расход топлива ДВС, улучшает их экологические показатели.
За прототип взят двигатель фирмы Infiniti с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14 (см. [1]). Но двигатель имеет недостаток, с увеличением степени сжатия величина хода поршня не изменяется.
Для решения поставленной технической задачи предложен ДВС с переменной степенью сжатия содержащий подвижно установленный в цилиндре поршень, который шарнирно соединен с шатуном, движение которого передается на кривошип коленчатого вала через передаточное звено в виде траверсы, соединенной с кривошипом посредством шарнира в центральной опорной точке, находящейся в промежуточном положении на участке между двумя другими опорными точками траверсы, одна из которых соединена шарнирно с шатуном, а другая соединена шарнирно с одним концом управляющего рычага, второй конец которого связан с подвижной опорой, согласно изобретению положение подвижной опоры регулируется двумя эксцентриковыми валами, один из них управляется через зубчатую передачу сервомотором и изменяет размер камеры сгорания в зависимости от режима работы двигателя, а второй вал синхронизирован через дифференциал с первым валом и коленчатым валом двигателя, при этом второй вал вращается с той же угловой скоростью, что и коленчатый вал, и в зависимости от положения первого эксцентрикового вала изменяет величину хода поршня, при повороте первого эксцентрикового вала синхронизация обеспечивает поворот второго вала на такой же угол, при максимальной степени сжатия второй вал вращается в противофазе коленчатому валу и его эксцентриситет вычитается из эксцентриситета коленчатого вала, поэтому ход поршня будет минимален, а при минимальной степени сжатия второй вал вращается синфазно коленчатому валу, и их эксцентриситеты суммируются, поэтому ход поршня максимален. Благодаря чему при нагруженном режиме работы двигателя степень сжатия минимальна, но коэффициент наполнения цилиндров максимальный, а при торможении или работе на холостом ходу - наоборот.
Описание конструкции и принципа работы предложенного поршневого ДВС с переменной степенью сжатия, поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 - общий вид кривошипно-шатунного механизма предлагаемого ДВС.
На фиг. 2 - схематическое положение узлов кривошипно-шатунного механизма предлагаемого ДВС при минимальной и максимальной степени сжатия в крайних положениях поршня.
На фиг. 3 - общая кинематическая схема предлагаемого ДВС.
Двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
ДВС с переменной степенью сжатия работает как любой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с внутренним или с внешним смесеобразованием. Предлагаемый ДВС содержит, по крайней мере, один цилиндр, в котором находится подвижно установленный поршень (2). Поршень (2) шарнирно соединен с шатуном (3), движение от которого передается на кривошип коленчатого вала (1) через передаточное звено в виде траверсы (4), соединенной с кривошипом посредством шарнира в центральной опорной точке, находящейся в промежуточном положении на участке между двумя другими опорными точками траверсы (4), одна из которых соединена шарнирно с шатуном (3), а другая соединена шарнирно с одним концом управляющего рычага (5), второй конец которого связан с подвижной опорой (6). Согласно изобретению, положение подвижной опоры (6) регулируется двумя эксцентриковыми валами (7 и 8), один из них управляется через зубчатую передачу (11) сервомотором (10) и изменяет величину камеры сгорания в зависимости от режима работы двигателя, а второй вал (7) синхронизирован через дифференциал (9) с первым валом (8) и коленчатым валом (1) двигателя, при этом второй вал (7) вращается с той же угловой скоростью, что и коленчатый вал (1), и в зависимости от положения первого эксцентрикового вала (8) изменяет величину хода поршня (2), при повороте первого эксцентрикового вала (8) синхронизация обеспечивает поворот второго вала (7) на такой же угол. Если ДВС многоцилиндровый, то конфигурация второго вала (7) полностью повторяет конфигурацию коленчатого вала (1), но с меньшей величиной кривошипа, а первый вал (8) имеет кривошип только в одну сторону.
Работает устройство следующим образом. В зависимости от подаваемого сигнала сервомотор 10 посредством зубчатой передачи (11) поворачивает первый вал (8) по часовой стрелке или против. При этом шатунная шейка первого вала (8) перемещаясь вверх или вниз соответственно.
Когда задана максимальная степень сжатия шатунная шейка первого вала (8) находится внизу, и если поршень (2) находится в ВМТ, то благодаря синхронизации через дифференциал (9) шатунная шейка второго вала (7) будет находиться внизу. Так как второй вал (7) вращается с той же угловой скоростью, что и коленчатый вал (1), то если поршень (2) достигает НМТ, шатунная шейка второго вала (7) окажется вверху. То есть при максимальной степени сжатия второй вал (7) вращается в противофазе коленчатому валу (1), поэтому эксцентриситет второго вала (7) вычитается из эксцентриситета коленчатого вала (1), поэтому ход поршня будет минимален.
Когда задана минимальная степень сжатия шатунная шейка первого вала (8) находится вверху, и если поршень (2) находится в ВМТ, то благодаря синхронизации через дифференциал (9) шатунная шейка второго вала (7) будет находиться вверху. Так как второй вал (7) вращается с той же угловой скоростью, что и коленчатый вал (1), то если поршень (2) достигает НМТ, шатунная шейка второго вала (7) окажется внизу. То есть при минимальной степени сжатия второй вал (7) вращается синфазно коленчатому валу (1) эксцентриситет второго вала (7) суммируется с эксцентриситетом коленчатого вала (1), поэтому ход поршня (2) будет максимален.
В предлагаемом техническом решении оба вала (7 и 8) находятся в масляной ванне, а второй вал (7) постоянно вращается, это обеспечивает равномерный износ валов и повышает ресурс двигателя.
Предлагаемое техническое решение позволяет по ходу работы в зависимости от нагрузки изменять степень сжатия двигателя: при нагруженном режиме работы двигателя степень сжатия минимальна, но коэффициент наполнения цилиндров максимальный, а при торможении или работе на холостом ходу - наоборот.
ИСТОЧНИКИ:
[1] Михаил Щелоков; Двигатели с изменяемой степенью сжатия: от Saab до Infiniti; 20.09.2016. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://dvizhok.su/parts/dvigateli-s-izmenyaemoj-stepenyu-szhatiya-ot-saab-do-infiniti Дата обращения: 18.02.2021.
[2] Сергей Самохин; Изменение неизменного; ноябрь 2017. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://abs-magazine.ru/article/izmenenie-neizmennogo Дата обращения: 18.02.2021.
[3] Сергей Самохин; Изменение неизменного. Продолжение. Начало в №11/2017; декабрь 2017. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://abs-magazine.ru/article/izmenenie-neizmennogo-prodolzhenie-nachalo-v-112017 Дата обращения: 18.02.2021.