ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в механизмах передачи и преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение.
Известен ДВС, в котором ось рабочего цилиндра параллельна оси выходного вала двигателя. В двигателе, имеющем оппозитно расположенные цилиндры, четырехтактный цикл осуществляется последовательно в каждом цилиндре. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала выполнен в виде барабана, связанного с выходным валом двигателя, и пальца, размещенного на штоке, связанного с поршнем рабочего цилиндра. Палец контактирует с направляющей, выполненной на боковой поверхности барабана в виде периодической замкнутой кривой (патент СССР №1790689, МПК F02B 75/06, 02.01.1991). Профиль периодической замкнутой кривой выбирается с учетом характера термодинамических процессов, протекающих в цилиндрах двигателя. Недостатком известного технического решения является низкая несущая способность пары "палец - направляющая канавка" и невозможность гибкого изменения закона движения поршня, который задается заранее путем профилирования направляющей канавки барабана.
Указанные недостатки частично устраняются в техническом решении, описанном в патенте РФ №2260132, МПК F02B 75/32, 07.10.2004. В данном техническом решении повышение несущей способности пары "палец - направляющая канавка" обеспечивается введением в зону контакта упругого элемента. Данный упругий элемент позволяет уменьшать пиковые нагрузки и незначительно корректировать закон движения поршня (в пределах деформации упругого элемента).
Задачей данного изобретения является повышение эффективности двигателя.
Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении несущей способности пары "палец - направляющая канавка" и эффективности преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное и вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршня.
Поставленная задача решается тем, что в двигателе, содержащем рабочий цилиндр с элементом, совершающим возвратно-поступательное движение, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение, выполненный в виде вращающегося основного барабана с направляющей, кинематически связанной с элементом, движущимся возвратно-поступательно, согласно изобретению механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение содержит дополнительный вращающийся барабан с направляющей, кинематически связанной с элементом, движущимся возвратно-поступательно, и синхронизирующий элемент, кинематически связанный с обоими барабанами.
Применение предложенного конструктивного решения позволит повысить эффективность двигателя за счет повышения несущей способности пары "палец - направляющая канавка". Повышение эффективности двигателя в данном случае достигается путем реализации более высоко нагруженного рабочего цикла за счет появляющейся возможности перераспределения возникающих усилий между двумя барабанами. Кроме того, в примененной кинематической схеме вращающиеся барабаны могут выполнять функцию роторов, а стационарные и корпусные элементы - функцию статоров, и на этой основе получить стартер-генератор при снижении массогабаритных характеристик устройства. Повышение эффективности двигателя при неизменном рабочем цикле может быть также достигнуто за счет снижения динамических нагрузок. Уменьшение величины динамических нагрузок может быть достигнуто за счет снижения массы деталей, движущихся возвратно-поступательно.
Повышение эффективности преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное и вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршня в данном конструктивном решении достигается за счет разделения функций между двумя вращающимися барабанами. Один из барабанов предназначен для эффективного преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршня, а другой - для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение барабана.
Такое разделение функций обеспечивает, с одной стороны, повышение тепловой эффективности двигателя за счет более эффективного преобразования одного вида движения в другое, а с другой стороны, реализовать комбинированный цикл с использованием рабочих цилиндров одного двигателя. Указанное конструктивное решение позволяет уменьшить габариты комбинированного двигателя и дополнительно повысить его эффективность.
Поставленная задача решается также тем, что дополнительный барабан установлен соосно основному барабану и охватывает основной барабан, а синхронизирующий элемент установлен с возможностью контакта с торцевыми поверхностями основного и дополнительного барабанов.
Поставленная задача решается также и тем, что кинематическая связь элемента, движущегося возвратно-поступательно с основным и дополнительным барабанами, выполнена с дополнительной степенью свободы, обеспечивающей изменение закона движения элемента, движущегося возвратно-поступательно.
Поставленная задача решается, кроме того, и тем, что синхронизирующий элемент выполнен с возможностью изменения взаимного углового расположения основного и дополнительного барабанов.
На фиг.1 изображена схема двигателя с вариантами конических синхронизаторов (продольный разрез).
На фиг.2 изображена схема двигателя с коническими синхронизаторами, являющимися элементами вариаторов (поперечный разрез).
На фиг.3 изображена развертка направляющей канавки внешнего барабана при равном числе волн с направляющей канавки внутреннего барабана.
На фиг.4 изображена развертка направляющей канавки внутреннего барабана.
На фиг.5 изображена развертка направляющей канавки внешнего барабана при разном числе волн с направляющей канавкой внутреннего барабана.
На фиг.6 изображена идеальная диаграмма закона движения поршня.
На фиг.7 изображена принципиальная схема энергетических преобразований в двухконтурном варианте двигателя.
На фиг.8 изображена принципиальная схема управления двигателем (ЭБУ).
Двигатель внутреннего сгорания, изображенный на фиг.1, состоит из рабочего цилиндра 1 с размещенным в нем поршнем 2, совершающим возвратно-поступательные движения. Для повышения эффективности рабочие цилиндры выполнены в виде цилиндров двойного действия и размещены оппозитно, что делает их самодостаточными для выполнения возвратно-поступательного движения. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение выполнен в виде основного барабана 3 и дополнительного барабана 4. На боковых поверхностях барабанов выполнены направляющие канавки 5 и 6. Поршень 2 связан со штоком 7. Шток 7 снабжен пальцем 8, размещенным в направляющих канавках 5 и 6. Барабаны 3 и 4 кинематически связаны между собой синхронизирующим устройством 9.
Кинематическая связь поршня 2 с основным и дополнительным барабанами 3 и 4 может быть выполнена иным образом, не противоречащим задаче изобретения.
Синхронизирующее устройство 9 обеспечивает кинематическую связь между барабанами 3 и 4. Синхронизирующее устройство 9 может быть выполнено в виде конической передачи, изображенной на фиг.1, 2, и может составлять часть вариатора для изменения частоты оборотов вала при постоянной частоте двигателя.
Синхронизирующая коническая передача содержит конические шестерни 10 и 11, размещенные на валу 12. Шестерни 10 и 11 находятся в зацеплении с зубчатыми коническими венцами 13 и 14, выполненными на торцах основного и дополнительного барабанов 3 и 4. Вал 12 синхронизирующего устройства может выполнять функцию вала отбора мощности и элемента вариатора.
Для оптимизации нагрузочной способности пары "палец - направляющая канавка", эффективного использования (путем перераспределения) сил, возникающих при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение барабана (процесс расширения) и вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршня (процессы впуска, сжатия и выпуска) направляющие канавки 5 и 6 на основном и дополнительном барабанах 3 и 4 могут выполняться как с одинаковым, так и с разным числом волн и потому с разным наклоном, что улучшает векторы сил (фиг.3, 4, 5). При этом барабаны 3 и 4 могут поочередно выполнять роль «ведущего» и «ведомого» барабанов. В этом случае синхронизирующее устройство 9 обеспечивает перераспределение крутящего момента между барабанами.
Подробные пояснения будут даны при описании работы двигателя.
Кроме того, в одном из вариантов исполнения двигателя синхронизирующее устройство 9 позволяет менять взаимное угловое расположение (обеспечивать фазовое смещение) барабанов 3 и 4 таким образом, что дополнительный барабан 4, вращаясь, может «опережать» или «опаздывать» по углу поворота по отношению к основному барабану 3. Для обеспечения фазового смещения барабанов 3 и 4 в их кинематической связи с поршнем 2 предусмотрена дополнительная степень свободы. В данном примере реализации она обеспечивается за счет наличия у направляющих канавок 5 и 6 прямолинейных участков. Назовем их, по аналогии с мертвыми точками в кривошипно-шатунном механизме, мертвыми линиями. Соответственно, в заявленной конструкции двигателя имеются верхняя мертвая линия (ВМЛ) и нижняя мертвая линия (НМЛ) (см. фиг.3, 4, 5). Примененное конструктивное решение позволяет останавливать поршни на участках направляющих в ВМЛ и НМЛ, тем самым выполнять определенное функциональное действие и может трактоваться как дополнительный такт.
Для выбора зазоров в сочленении "палец - направляющая канавка" в качестве компенсирующего элемента может быть использован упругий элемент по патенту РФ №2260132.
Возможны иные варианты конструктивного осуществления возможности фазового смещения барабанов 3 и 4.
Обеспечение изменения взаимного углового положения барабанов 3 и 4 может быть осуществлено путем соединения конических шестерен 10 и 11 с валом 12 через обгонные муфты. Для гибкого управления законом движения поршня путем изменения взаимного углового расположения барабанов вместо обгонных муфт могут быть использованы широко известные управляемые электромагнитные муфты.
Оптимальный закон движения поршня зависит от осуществляемого рабочего цикла, других факторов и в общем виде, для случая четырехтактной схемы работы двигателя, показан на фиг.6. Может также применяться двухтактная схема работы двигателя, а также и двухконтурная схема (фиг.7).
В другом варианте исполнения синхронизирующее устройство 9 выполнено в виде синхронизирующей фрикционной передачи, изображенной на фиг.1, 2. Синхронизирующая фрикционная передача содержит фрикционные колеса 15 и 16, размещенные на валу 17. Фрикционные колеса 15 и 16 контактируют в данном случае с соответствующими фрикционными поверхностями 18 и 19, выполненными на торцах основного и дополнительного барабанов 3 и 4. Для обеспечения осевого перемещения колес 15 и 16 последние связаны с шаговыми двигателями 20 и 21. Осевым перемещением колес 15 и 16 обеспечивается изменение передаточного отношения и, соответственно, фазовое смещение барабана 4 относительно барабана 3.
Конструктивная схема двигателя с двумя барабанами и оппозитно расположенными цилиндрами двойного действия позволяет достаточно просто и компактно реализовать комбинированную схему работы. Причем данная конструктивная схема может обеспечить быстрый переход от одной схемы работы к другой. Например, переход от двухтактного к четырех-, шеститактному циклу или к комбинированному циклу. Принципиальная схема энергетических преобразований в двигателе показана на фиг.7.
Двигатель работает следующим образом.
В случае реализации обычного 4-х тактного цикла в рабочем цилиндре 1 протекают последовательные процессы впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
Впуск в цилиндр 1 осуществляется при движении поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) (см. фиг.6). При этом перемещение поршня 2 осуществляется за счет давления кромки направляющей канавки на палец 8. После достижения поршнем 2 НМТ палец 8 переходит на горизонтальную площадку (мертвую линию) направляющей и поршень останавливается. Барабан продолжает вращаться. Процесс впуска продолжается, т.к. поступление воздуха или топливовоздушной смеси осуществляется за счет газодинамического давления, созданного во впускном трубопроводе. Такая организация процесса впуска позволяет снизить потери мощности на впуск и повысить эффективность данного процесса.
При этом за счет различной длины горизонтальных участков (мертвых линий) направляющих 5 и 6 барабанов 3 и 4 происходит фазовое смещение барабана 3 относительно барабана 4. Ведущей для пальца 8 на последующем такте сжатия становится направляющая, расположенная на фиг.3 для одинакового числа волн на наружном и внутреннем барабанах и на фиг.4 для разного числа волн, где внутренний барабан 3 (фиг.4) - ведущий, а внешний барабан 4 (фиг.5) становится ведомым (при рабочем ходе).
После достижения поршнем 2 ВМТ палец 8 переходит на горизонтальную площадку (мертвую линию) направляющей и поршень останавливается. Барабан продолжает вращаться. Начинается процесс сгорания топлива, который в данном случае происходит при постоянном объеме.
При этом за счет различной длины горизонтальных участков (мертвых линий) направляющих 5 и 6 барабанов 3 и 4 происходит фазовое смещение барабана 3 относительно барабана 4.
Процесс расширения или рабочий ход осуществляется при движении пальца 8 по направляющей, обеспечивающей максимально возможную тангенциальную составляющую. Тем самым достигается более эффективное преобразование газовых сил, действующих на поршень 2, во вращательное движение барабанов 3 и 4. После достижения поршнем 2 НМТ палец 8 переходит на горизонтальную площадку (мертвую линию) направляющей и поршень 2 останавливается. Барабан продолжает вращаться.
Процесс выпуска начинается при остановленном поршне 2 и осуществляется за счет повышенного давления в цилиндре 1. Далее движение поршня возобновляется. После достижения поршнем 2 ВМТ палец 8 переходит на горизонтальную площадку (мертвую линию) направляющей и поршень опять останавливается. Барабан продолжает вращаться. Процесс выпуска завершается при минимальном объеме цилиндра 2. Тем самым обеспечивается максимально полное освобождение цилиндра 2 от отработавших газов (ОГ). Такая организация процесса выпуска позволяет снизить потери мощности на выпуск и повысить эффективность данного процесса.
Показанная на фиг.6 диаграмма закона движения поршня схематизирована и показана в таком виде лишь для того, чтобы более четко разделить отдельные элементы движения. Реальная диаграмма будет несколько отличаться от идеальной.
Формирование описанного закона движения поршня осуществляется путем сложения траекторий направляющих на барабане 3 и барабане 4. На барабане 3 направляющие выполнены под большим углом α (фиг.4), а на барабане 4 направляющие более пологие (фиг.3), т.е угол α - меньше для барабанов с одинаковым числом волн. Перевод движения пальца 8 с направляющей барабана 3 на направляющую барабана 4 осуществляется синхронизирующим устройством 9, конические шестерни 10 и 11 которого снабжены обгонными муфтами. Кроме того, формированию оптимального закона движения поршня также способствует возможность введения фазового сдвига между барабанами.
При работе на мощностных режимах, т.е. когда от двигателя требуется максимальная мощность, барабаны 3 и 4 работают без фазового сдвига. Тем самым нагрузка, передаваемая от штока 7 на палец 8, распределяется на опорные поверхности обеих направляющих 5 и 6. Это обеспечивает снижение контактных напряжений в паре "палец - направляющая канавка" и соответственно повышение ее несущей способности.
При работе на экономичных режимах формируется оптимальный закон движения поршня, обеспечивающий максимальное снижение так называемых «насосных потерь» и максимальное преобразование газовых сил, передающихся через поршень 2 и шток 7 во вращательное движение барабана.
При использовании для управления коническими шестернями 10 и 11 или фрикционными колесами 15 и 16 электромагнитных муфт или шаговых двигателей возможно формирование гибкого закона движения поршня, учитывающего весь спектр рабочих условий (см. фиг.8). Электронный блок управления (ЭБУ) получает информацию о положении поршня 2, угловом положении барабанов 3 и 4, нагрузочном и скоростном режимах работы двигателя. С учетом этой информации ЭБУ формирует сигналы для исполнительных устройств, которые изменяют положение шестерен 10 и 11 или колес 15 и 16.
Предложенные выше примеры конструктивной реализации заявленного технического решения позволяют в полной мере решить поставленную задачу изобретения, а именно повысить эффективность двигателя.
Повышение эффективности двигателя достигается за счет снабжения двигателя дополнительным вращающимся барабаном (при равным числе волн направляющих наружного и внутреннего барабанов фиг.3, 4), который позволяет распределить нагрузку и повысить несущую способность пары "палец - направляющая канавка". Кроме того, дополнительный барабан обеспечивает повышение эффективности преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное и вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршня за счет разделения функций "ведомый - ведущий" между двумя вращающимися барабанами с разным числом волн (фиг.4, 5).
Введение горизонтальных участков направляющих (мертвых линий) и фазового смещения барабанов обеспечивает дополнительное повышение эффективности двигателя за счет снижения потерь так называемых «насосных ходов» двигателя и обеспечивает сгорание топлива при постоянном объеме.
Кроме того, разделение функций между двумя барабанами обеспечивает получение дополнительного побочного эффекта, а именно обеспечивает конструктивно простую реализацию комбинированного цикла работы двигателя с использованием рабочих цилиндров одного двигателя. Указанное конструктивное решение позволяет уменьшить габариты комбинированного двигателя и дополнительно повысить его эффективность за счет регенерации избыточного тепла ДВС и эффективного преобразования его в пар, таким образов совместив в гибридной схеме одного устройства «ДВС - паровоз», повысив общий КПД и улучшив экологичность.