Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания - RU2739105C1

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к устройству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Уровень техники

В двигателестроении известны конструкции ДВС, в частности поршневых, в которых осуществляются процессы впуска воздушного заряда, сжатия, расширения (рабочий ход), выпуска отработавших газов. И только рабочий ход имеет отношение к преобразованию химической энергии топлива, в результате его окисления (сгорания), в полезную работу. Перспективными направлениями развития поршневых двигателей считают широкое применение электронных средств управления таким параметром как ход поршня, в результате чего обеспечивается оптимальная по экономичности степень сжатия при работе двигателя на любом режиме. [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-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 двухтактный дизельный двигатель с ПДП [5], в котором применен механизм преобразования вовзвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, состоящий из одного главного шатуна, прицепного шатуна и двух коромысел, шарнирно связанных через шток с поршнями. Прицепной шатун связан через коромысло с поршнем управляющим выпуском, а главный шатун непосредственно связан через коромысло с поршнем управляющим продувкой. Основной задачей, решаемой указанным изобретением, являлось создание блочной конструкции двигателя, позволяющей за счет сборки однотипных секций кратно увеличивать мощность двигателя. В связи с тем, что расстояние между центрами шарниров главного и прицепного шатуна является переменным, в указанном двигателе достигаются различные по форме зависимости хода выпускного и продувочного поршней от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) и благопрятный фазовый сдвиг открытия выпускных и продувочных окон. Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.

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 также принцип самоорганизации рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, описанный в информационном бюллетене «Идеи. Гипотезы. Решения» №1, 2000, стр. 31, как интеллектуальный продукт с регистрационным номером 70990000104, автор - Кореневский Г.В. [8]. Согласно указанного принципа, для преобразования вовзвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала может быть применен механизм с 2 (двумя) степенями свободы, за счет чего термомеханическая система, какой является ДВС, сама выбирает оптимальный вариант протекания процесса преобразования тепла в работу: «из-за избыточной степени свободы процесс получения механической энергии теперь не связан (почти) с процессом ее отвода внешнему потребителю. Значительное количество механической энергии (кинетической) циркулирует в звеньях механизма ДВС и может быть отдано потребителю в любой момент времени с к.п.д. близким к 100%» [8].

Для того, чтобы была возможна циркуляция кинетической энергии в звеньях (поршень-шатун-поршень), механизм двигателя должен обладать максимальной степенью симметрии относительно плоскости, проходящей через центр камеры сгорания и ось вращения коленчатого вала. Этому требованию должен соответствовать и общий шатун, что исключает применение прицепного шатуна как, например, в [5]. В тоже время прицепной шатун в укороченном виде может служить дополнительным звеном для увеличения числа степеней свободы механизма путем разделения главного шатуна на части: основную и дополнительную с промежуточным шарниром между ними. Укорачивая одновременно оба прицепных шатуна (условно называемых «правый» и «левый») и сближая оси вращения шарниров в общем шатуне и в коромыслах, приходим к эксцентриковому исполнению такого дополнительного звена, которое может проворачиваться одновременно относительно обеих осей, т.е. являться двухподвижным шарниром.

Указанный в [5] 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 преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала осуществляется за счет применения механизма с 2 (двумя) степенями свободы и двухподвижных шарниров вращательно-вращательного типа, применения механизма изменения степени сжатия, а значит 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 имеют фиксированные центры качания и связаны с общим шатуном с помощью двухподвижных шарниров, качаются на шарнирах связанных разгрузочной штангой, и имеют возможность взаимного смещения вдоль оси блока цилиндров.

Отличия заявляемого двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания от прототипа можно видеть из их анализа как механизмов с 1-й и 2-мя степенями свободы.

На Фиг. 1а схема прототипа, из которой видно, что кривошип 1, шатун 2, прицепной шатун 2а, коромысла 3 и 4, штоки 5 и 6, поршни 7 и 8 представляют собой набор из девяти (n=9) звеньев, связанных 11 (одиннадцатью) шарнирами и 2 (двумя) парами скольжения (поршень-цилиндр). Таким образом, имеется 13 кинематических пар 5-го класса (р₅=13). Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:

w=3n-2p₅=3*9-2*13=1.

Для добавления 2-й степени свободы механизму на Фиг. 1а достаточно применить связь коромысел с общим шатуном двухподвижным шарниром, а в общем случае это может быть любая двухподвижная кинематическая пара 4-го класса, как на Фиг. 1б. Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:

n=8 - число подвижных звеньев;

р₅=10 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса;

р₄=2 - число двухподвижных кинематических пар 4-го класса.

w=3*8-2*10-2=2

На Фиг. 1в показана схема с заменой двухподвижного шарнира в головке шатуна дополнительным звеном, в качестве которого выступает эксцентриситет 3е (4е) между шейками шарнира (изображения звена и различия в углах между плечами коромысел непропорционально увеличены), что также обеспечивает механизму 2-ю степень свободы и говорит об эквивалентности схем «б» и «в»:

n=10 - число подвижных звеньев;

p₅=14 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса

w=3n-2p₅=3*10-2*14=2

Простейшее исполнение двухподвижного шарнира в виде внутренней и двух внешних шеек, смещенных на величину эксцентриситета е как на Фиг. 2а, не позволяет осуществить сборку шатуна 2 и коромысел 3 и 4, т.к. внешние шейки, контактирующие с коромыслами, выходят за габарит отверстия в головке шатуна под внутреннюю шейку. Вариант с использованием разъемной головки шатуна менее предпочтителен чем вариант разъемного шарнира, у которого центральная часть выполнена в виде пальца е', на концах которого имеется V-образный выступ контактирующий с вкладышем е''.

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.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к схеме механизма ДВС прототипа (Фиг. 1а) и предлагаемого ДВС (Фиг. 1б и 1в).

На Фиг. 2 представлены изображения элемента двухподвижного шарнира цельного (Фиг. 2а) и разъемного (Фиг. 2б)

На Фиг. 3 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС с фиксированной степенью сжатия. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны.

На Фиг. 4 показано увеличенное изображение соединения головки шатуна с плечом коромысла.

На Фиг. 5 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС с регулруемой степенью сжатия.

На Фиг. 6 показан закон изменения (относительного) объема надпоршневого пространства в ВОМТ (верхняя объемная мертвая точка) и степени сжатия/расширения от величины смещения центров качания коромысел.

На Фиг. 7 показан закон изменения суммарного хода поршней от угла п.к.в. при наибольшей степени сжатия

На Фиг. 8 показан закон изменения суммарного хода поршней от угла п.к.в. при различных степенях сжатия и сравнение его с таковым для традиционного ДВС с ПДП с двумя кривошипно-шатунными механизмами.

На Фиг. 9 показана зависимость текущей степени расширения от угла п.к.в. для традиционного и предлагаемого ДВС.

На Фиг. 10 показано различие в протекании рабочего процесса традиционного и предлагаемого ДВС.

На Фиг. 11 показано влияние смещения центров качания коромысел на фазы газораспределения.

На Фиг. 12 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. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя шарнирами 3е и 4е, состоящих из пальца 4е' и двух вкладышей 4е'', допускающими поворот пальца 4е' как относительно оси отверстия в головке шатуна 2, так и относительно оси отверстия в коромысле 4, примыкающего к головке шатуна 2.

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 закрывются 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, 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 принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.

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. Также возникает асимметрия сил (по величине и направлению), приложенных к головке шатуна 2 со стороны коромысел 3 и 4, даже при одинаковых силах, действующих на коромысла 3 и 4 со стороны штоков 5 и 6. Это, в свою очередь, побуждает головку шатуна 2 отклоняться от некоторого «равновесного» положения, находящегося на вертикальной прямой, проходящей через центр камеры сгорания и центр вращения кривошипа 1, а само отклонение возможно при любом фиксированном положении кривошипа 1. Главным следствием наличия 2-й степени свободы является то, что фиксированному положению кривошипа 1 не соответствует какое-либо фиксированное положение поршней 7 и 8, как у любого другого традиционного поршневого ДВС. При этом возникают автоколебания поршней, которые порождают дополнительные потоки кинетической энергии в подвижных звеньях механизма, однако при первичном рассмотрении преимуществ предлагаемого ДВС можно пренебречь такими эффектами и, наложив ограничение на перемещение головки шатуна строго по прямой, условно понизить степень свободы механизма на 1 (единицу).

Другой аспект улучшения экслуатационных показателей предлагаемого ДВС заключается в дополнительном регулировании степени сжатия. Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 5. Шейки шарниров 9 и 10 охватываются парами сухарей 19 и 20 соответственно, которые перемещаются в направляющих опорах 17 и 18 по линии параллельной оси цилиндра 16. Разгрузочная штанга 21 имеет на концах кольцевые проушины 23 и 24, которые охватывают шейки шарниров 9 и 10. Продолжением проушины 24 является шток 22, который взаимодействует с линейным актуатором 25. Под линейным актуатором понимается любое быстродействующее устройство электро-механического (шарико-винтовая передача), электро-гидравлического и прочего типа, способное позиционировать шток 22.

При малых нагрузках и при пуске ДВС желательна работа с максимальной степенью сжатия. Для этого линейный актуатор 25 переводит центры качания кормысел 3 и 4 в крайнее (левое на Фиг. 5) положение, при котором параметр Х=0. При увеличении нагрузки неободимо при большей цикловой подаче топлива увеличить и подачу воздуха, что означает увеличение давления наддува (продувки). Для ограничения максимального давления сгорания следует уменьшить степень сжатия, для чего линейный актуатор 25 переводит центры качания кормысел 3 и 4 вправо; в случае максимальной нагрузки в крайнее (правое на Фиг. 5) положение, при котором параметр Х=max. В силу симметрии механизма, реакции от нагрузок, приложенных к шейкам шарниров 9 и 10 со стороны коромысел 3 и 4, почти полностью взаимно уравновешиваются в штанге 21, поэтому управляющее усилие на шток 22 со стороны линейного актуатора 25 не велико и управление степенью сжатия может производиться в динамическом режиме в соответствии с нагрузкой двигателя.

Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.

В качестве аналога взят ДВС спортивного самолета, 3-х цилиндровый дизельный двигатель с ПДП «Gemini-100» с S/D=2×72/69, мощностью N_e=75 кВт, при частоте вращения коленчатого вала n=4000 об/мин, с удельной мощностью 46 кВт/л.

Исходные данные:

1. Мощность - 90 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) - 20

8. Степень сжатия (действительная) - 16

9. Давление продувочного воздуха - 0,12 МПа (минимальное)

10. Коэффициент избытка воздуха - 1,7

Асимметрия зависимостей хода поршней S_вып и S_впуск от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ и их фазовый сдвиг (60° п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней S_пдп от угла п.к.в. в районе объемной ВМТ является гораздо более пологой, чем у ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом S_трад, как показано на Фиг. 8, а также проявляется в том, что изменение объема надпоршневого пространства у предлагаемого ДВС происходит медленней чем у традиционного (см. Фиг. 9). 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.

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 10 град. п.к.в. с тем же рабочим объемом, объемом камеры сгорания (КС), действительной степенью сжатия ε_д=16. 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=0,55 и ϕ_z=65° п.к.в., опережение начала сгорания ϕ_ос=5° п.к.в. до ВОМТ, теплопередача по формулам Г. Вошни.

Как видно из Фиг. 10 при одинаковых давлениях начала сгорания, в предлагаемом ДВС максимальное давление сгорания выше чем в традиционном ДВС благодаря меньшей скорости изменения объема надпоршневого пространства. Среднее индикаторное давление P_i=0,95 МПа у предлагаемого ДВС выше чем у традиционного P_i=0,88 МПа на 8%, что означает его повышенную топливную экономичность.

На Фиг. 11 показано, что изменение степени сжатия с 16 до 10 за счет увеличения параметра Х от 0 до 6 мм вызывает изменение фаз газораспределения: на 6 град. п.к.в. позже открываются выпускные окна и на 7 град. п.к.в. позже закрываются продувочные окна, при этом общая продолжительность газообмена остается практически неизменной: 118 против 119 град. п.к.в.

У ДВС с переменной степенью сжатия (Prius, Toyota) работающих по циклу Аткинсона-Миллера и использующих механизм регулируемых фаз газораспределения (VVT - «variable valve timing») позднее закрытие впускных клапанов приводит к выталкиванию части воздушного заряда (или топливо-воздушной смеси) обратно во впускной коллектор, что неизбежно приводит к снижени удельной мощности двигателя. В предлагаемом двигателе механизм изменения степени сжатия иной: одновременно с уменьшением хода поршней происходит увеличение объема камеры сгорания в ВОМТ (см. Фиг. 8). Это позволяет не только не снижать удельную мощность при уменьшении степени сжатия, а наоборот, увеличивать ее. Из Фиг. 12 видно, что уменьшение степени сжатия с 16 до 10 при увеличенном давлении продувки с 0,12 до 0,18 МПа и ограничении по максимальному давлению сгорания P_z=10 МПа позволяет увеличить среднее индикаторное давление P_i с 0,95 до 1,39 МПа, что при частоте вращения к.в. 4000 об/мин и механическом к.п.д. 0,82 означает получение удельной мощности от 52 до 76 кВт/л.

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. Конструирование и расчет поршневых двигателей: учебник для вузов / Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - 536 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 2237113, 1941,

6. Pat. US 2730087, 1956,

7. Pat. US 9359896, 2016,

8. «Идеи. Гипотезы. Решения». Информационный бюллетень. - Москва, ВНТИЦ №1, 2000, стр. 31.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров, снабженный продувочными (12) и выпускными (11) окнами. Поршни (7, 8) движутся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно. Механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней (7, 8) во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна (2) и двух коромысел (3, 4), шарнирно связанных через шток (5, 6) с каждым из поршней (7, 8). Коромысла (3, 4) имеют фиксированные центры качания и связаны с общим шатуном (2) с помощью двухподвижных шарниров. Технический результат заключается в повышении топливной экономичности и улучшении массо-габаритных показателей. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

Формула