ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH THE VARIABLE COMPRESSION RATE

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известно, что при создании новых ДВС степень сжатия конструктивно проектируется как при самом нагруженном режиме работы: при разгоне или движении в гору, и независимо от режимов работы остается неизменной. Но для эффективной работы ДВС при торможении или работе на холостом ходу требуется повышать степень сжатия в цилиндре. Поэтому целью изобретения является создание недорогой, надежной и эффективной конструкции поршневой ДВС путем введения дополнительных элементов в давно промышленно освоенный кривошипно-шатунный механизм (далее КШМ), что позволит регулировать степень сжатия во время работы ДВС за счет изменения расстояния от поршня до шатунной шейки коленчатого вала. 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.
В известных конструктивных решениях для поршневых ДВС с изменяемой степенью сжатия предлагается: перепускать часть сжатого рабочего газа из цилиндра во впускной коллектор или байпас (например: патент RU 2089739, 1997); изменять объем камеры сгорания за счет применения в головке блока цилиндров подвижного поршня (например: патент RU 2296874, 2006) или диафрагмы (например: патент RU 2289703, 2006); применять поршни с подвижными головками (например: патент RU 2006623, 1994); применять подвижного, относительно коленчатого вала, блока цилиндров (например: заявки на изобретения JP 2005220843, 2005; JP 2004324464, 2004; международная заявка WO 9209799, 1992); изменять конструкцию кривошипно-шатунного механизма (КШМ) путем введения дополнительных элементов, совершающих сложное плоскопараллельное движение и позволяющих за счет этого изменить ход поршня за цикл (например: заявки на изобретения JP 2001263114, 2001; US 2006048728, 2006; патент RU 2382217, 2010); применять эксцентрики (клинья) в кинематических парах кривошипно-шатунного механизма или других устройств, позволяющих изменять длину шатуна (например: патент RU 2226626, 2002; RU 2665828, 2015) или радиус кривошипа (например: патенты RU 2013603, 1994; RU 2159858, 2000; RU 2296234, 2007).
Несомненно, что все перечисленные технические решения для поршневых ДВС с изменяемой степенью сжатия предлагают сложные механические устройства с низкой надежностью. 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 (см. [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: 10.03.2020).
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбрано техническое решение по пат. RU 2665828, 2015.
Для решения поставленной технической задачи предложен ДВС с переменной степенью сжатия содержащий два параллельно расположенных коленчатых вала, которые вращаются навстречу друг другу с одинаковой угловой скоростью и синхронизированы зубчатой передачей с возможностью рассогласования угла поворота одного коленчатого вала относительно другого, каждый коленчатый вал со своим кривошипно-шатунным механизмом имеет оппозитно расположенные цилиндры, шатуны выполнены прицепными к шатунным головкам, а шатунные головки одного коленчатого вала имеют кинематическую связь с другим коленчатым валом состоящей из рычага (выполненный заодно с шатунной головкой), тяги, дополнительного шатуна и ползуна, указанная кинематическая связь позволяет во время работы двигателя рассогласованием угла поворота одного коленчатого вала относительно другого изменять расстояние от поршня до шатунной шейки коленчатого вала посредством поворота шатунной головки на шатунной шейки коленчатого вала, изменяя степень сжатия в цилиндре.
Согласно изобретению ДВС с переменной степенью сжатия механизм синхронизации коленчатых валов выполнен двухпоточным, с одного торца коленчатых валов связывающая зубчатая передача с дифференциалом служит для отбора мощности, а с другого торца - зубчатая передача служит для изменения угла поворота одного коленчатого вала относительно другого, состоящая с двух гипоидных передач связанных между собой силовым валом с косыми шлицами по всей длине, на одной половине вала они повернуты по часовой стрелке и с другой - против, а каждая маленькая шестерня гипоидной передачи имеет внутри косые шлицы соответствующие своей половине силового вала, благодаря чему при перемещении силового вала вдоль его оси изменяется угол поворота одного коленчатого вала относительно другого.
Описание конструкции и принципа работы предложенного поршневого ДВС, поясняется фиг. 1-8.
На фиг. 1 - поперечный разрез предлагаемого ДВС.
На фиг. 2 - положения шатуна и шатунной головки при минимальной и максимальной степени сжатия.
На фиг. 3 - общий вид кривошипно-шатунного механизма.
На фиг. 4 - общий вид шатунной головки с рычагом.
На фиг. 5 - положения кривошипно-шатунного механизма при минимальной степени сжатия в крайних положениях
На фиг. 6 - общая кинематическая схема предлагаемого ДВС.
На фиг. 7 - зубчатая передача для изменения угла поворота одного коленчатого вала относительно другого.
На фиг. 8 - зубчатая передача с дифференциалом для отбора мощности.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
ДВС с изменяемой степенью сжатия работает как любой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с внутренним или с внешним смесеобразованием. Предлагаемый двигатель содержит не менее четырех цилиндров или если больше, то количество цилиндров кратное четырем. При этом каждая пара цилиндра расположена вертикально и оппозитно к другой паре. Поршни верхних цилиндров (3 и 3') связаны посредством шатунов (4 и 4') с коленчатым валом (1), а поршни нижних цилиндров (5 и 5') посредством шатунов (6 и 6') связаны с коленчатым валом (2). Шатуны (4 и 4') выполнены прицепными к шатунной головке (9), которая имеет кинематическую связь с коленчатым валом (2). Кинематическая связь состоит из рычага (выполненный как одно целое с шатунной головкой 9), тяги (11), дополнительного шатуна (12) и ползуна (8). А КШМ нижнего коленчатого вала (2) является зеркальным отображением КШМ верхнего коленчатого вала (1), то есть шатуны (6 и 6') выполнены прицепными к шатунной головке (10), которая имеет кинематическую связь с коленчатым валом (1). Кинематическая связь состоит из рычага (выполненный как одно целое с шатунной головкой 10), тяги (14), дополнительного шатуна (13) и ползуна (7). Привод клапанов системы газораспределения, а для бензиновых ДВС и зажигания, осуществляется от верхнего коленчатого вала (1) для верхних цилиндров, а для нижних цилиндров -от нижнего коленчатого вала (2).
С одного торца коленчатых валов (1 и 2) связывающая зубчатая передача с дифференциалом (15) служит для отбора мощности, а с другого торца - зубчатая передача служит для изменения угла поворота одного коленчатого вала относительно другого, состоящая с двух гипоидных передач (17 и 17') связанных между собой силовым валом (16) с косыми шлицами по всей длине, на одной половине вала они повернуты по часовой стрелке и с другой - против.
Для принудительного осевого перемещения силового вала (16) имеется устройство управления, которое состоит из электропривода (20) и винтовой пары, где электропривод приводит в движение винт (19), винт - гайку (18), которая выполнена как одно целое с вилкой силового вала, а уже сама вилка - силовой вал (16).
Если по ходу работы предлагаемой ДВС силовой вал (16) перемещать вдоль его оси, то он воздействует на маленькие шестерни гипоидных передач (17 и 17'), поворачивая одну шестерню по часовой стрелке, а другую против (или наоборот), что изменяет угол поворота одного коленчатого вала (1) относительно другого (2).
По ходу работы предлагаемой ДВС, например, при нулевом рассогласовании, поршни (3 и 5) будут одновременно достигать верхней мертвой точки (ВТМ). При этом ось шатуна (смотри точка В на фиг. 2) будет находиться на линии АС, благодаря чему расстояние от поршня до шатунной шейки коленчатого вала будет максимальным, что обеспечит максимальную степень сжатия в цилиндре. Данный режим работы ДВС соответствует холостому ходу или торможению.
Если по ходу работы предлагаемой ДВС, например, при рассогласовании в 90°, поршень (3) уже достиг ВТМ, тогда поршень (5) будет на полпути к ВТМ, то дополнительный шатун (13) через тягу (11) повернет шатунную головку (9) на шатунной шейке коленчатого вала (1), сместив ось шатуна (точка В) вниз относительно линии АС. Поэтому расстояние от поршня до шатунной шейки коленчатого вала уменьшиться, что соответствует режиму работы ДВС под нагрузкой.
При дальнейшем увеличении рассогласования до 180°, поршень (3) будет в ВТМ, а поршень (5) будет в НТМ, при этом дополнительный шатун (13) через тягу (11) повернет шатунную головку (9) на шатунной шейке коленчатого вала (1), максимально сместит ось шатуна (точка В) вниз относительно линии АС. Поэтому расстояние от поршня до шатунной шейки коленчатого вала будет минимальным, обеспечив минимальную степень сжатия в цилиндре, что соответствует режиму работы ДВС под максимальной нагрузкой, например, при движении автомобиля в гору.
Учитывая то, что оба вала вращаются синхронно с одинаковыми угловыми скоростями и в противоположных направлениях, инерция деталей силового механизма ДВС возникающая при работе взаимно уравновешивается, так как КШМ нижнего коленчатого вала (2) является зеркальным отображением КШМ верхнего коленчатого вала (1).
Предлагаемое техническое решение позволяет по ходу работы двигателя в зависимости от нагрузки изменять степень сжатия от минимального значения до максимального в широких пределах.
В принципе, ДВС с изменяемой степенью сжатия по предлагаемому конструктивному решению можно создать и с двумя цилиндрами, и даже с одним, но в его работе будут повышенные вибрация и шумность по сравнению с заявляемым.