Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия

 

Сущность изобретения: двигатель содержит кривошипный вал, поршневую группу, установленную на валу, маховик с эксцентричным корпусом, торсион, размещенный внутри кривошипного вала, причем торсион одним концом жестко соединен с кривошипным валом, а другим - с зубчатыми венцами корпуса маховика через шестерни. Устройство снабжено маховиком с эксцентричным корпусом, поршневой группой и противовесом, установленным в средней части кривошипного вала между поршневыми группами. Маховики напрессованы на противоположных концах кривошипного вала оппозитно друг другу, корпуса маховиков выполнены с противовесами, поршневые группы установлены на кривошипном валу звездообразно, а концы торсиона соединены с зубчатыми венцами посредством установленных на торсионе шестерен. 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к двигателестроению, и предназначается для установки на тяжелые транспортные средства, в частности на суда различного назначения.

Известен двигатель, являющийся звездообразным, семицилиндровым, двухтактным, с воспламенением топлива от сжатия. Эффективность действия двигателя заключается в том, что в зависимости от нагрузочных режимов своей работы он автоматически на ходу изменяет свою степень сжатия, что при наличии высокого давления наддува, создаваемого мощным турбокомпрессором, повышает мощность и экономичность на широком диапазоне его нагрузок.

Для достижения более высоких мощностей путем увеличения числа цилиндров в двигателе на этом принципе его работы такого конструктивного устройства недостаточно.

Целью изобретения является дальнейшее повышение мощности и экономичности двигателя за счет увеличения в нем числа цилиндров, давления наддува, улучшения его механического КПД и применения для его работы газообразных видов топлива, используя некоторую часть жидкого топлива в качестве запального.

Указанная цель достигается тем, что двигатель выполнен звездообразным, двухрядным, имеющим четырнадцать цилиндров, работающим по четырехтактному процессу, и является быстроходной машиной с воспламенением топлива от сжатия.

По сравнению с прототипом двигатель имеет принципиально новую балансировочную систему уравновешивания его поршневых групп, а кривошипный механизм, который обеспечивает работу с автоматическим регулированием степени сжатия, выполнен с меньшим количеством подвижных, работающих на разворот деталей. Это обстоятельство обеспечивает жесткость конструкций всего кривошипного механизма и абсолютную надежность работы на высоких оборотах и развиваемых двигателем мощностях.

Высокое формирование мощности двигателя достигается с помощью мощного многоступенчатого трубокомпрессорного агрегата или другого типа нагнетательного устройства путем увеличения в несколько раз количества поступающего в его цилиндра воздуха и соответственно сжигаемого в нем при самых благоприятных условиях для сгорания топлива. Чтобы избежать в это время чрезмерно высоких давлений на кривошипный механизм, а при работе двигателя на газе возникновения детонации в цилиндрах, степень сжатия его начинает уменьшаться. При снижении нагрузок степень сжатия наоборот увеличивается, что обеспечивает экономичную работу двигателя на различных нагрузочных режимах.

Наивысшая степень сжатия двигателя устанавливается при работе на малых нагрузках около семнадцати, на больших нагрузках около пяти.

Располагаемая энергия отработавших газов двигателя достигает очень большой величины, поэтому, образуя единую энергетическую установку, имеется еще силовая газовая турбина, которая через соответствующую передачу нагружается и работает в общий энергетический баланс. Таким образом, сам двигатель, являясь мощным генератором отработавших газов, служит первичным двигателем, а вторичным работает силовая газовая турбина.

На фиг. 1 изображен двигатель в разрезе, вид с левой стороны; на фиг. 2 то же, вид спереди (двигатель установлен на своей раме); на фиг. 3-5 действие балансировочной системы двигателя.

В передней части двигателя закрытый крышкой распределительных шестерен расположен газораспределительный механизм 1, который обеспечивает работу всех клапанов двигателя и топливных и масляных насосов. Топливные насосы расположены на остове двигателя в задней его части. В передней же части находится кольцеобразный выхлопной коллектор 2, из которого отработавший газ поступает в газовые турбины турбокомпрессора и силовой, в которых произведя работу, идет на выхлоп.

Сварной туннельный блок цилиндропоршневых групп включает в себя кольцеобразный коллектор 3, по которому осуществляется распределение по цилиндрам двигателя воздуха, предварительно прошедшего через холодильник, цилиндропоршневые группы 4 и 5, кольцеобразный водяной коллектор 6 и такой же коллектор 7 для ввода в цилиндры газа. Когда двигатель работает на жидком топливе, коллектор 7 используется для ввода в цилиндры воздуха параллельно с коллектором 3.

Цилиндропоршневые группы 4 и 5 включают в себя по семь цилиндров с головками блока, расположенных по окружности. Через каналы и клапанную систему в головках блока осуществляется раздельный ввод в цилиндры двигателя газа и воздуха через отдельные клапаны со смещением фаз их открытия для обеспечения продува цилиндров воздухом и устранения потерь газа. Для облегчения открытия выхлопных клапанов, возможно применение специальных разгрузочных устройств.

Охлаждающая двигатель жидкость поступает в его рубашку охлаждения, затем в головки блока и от них через водяной коллектор 6 на циркуляцию.

Внутри блока двигателя расположен корпус 8 маховика, который вращается на роликовом (впереди) и скользящем (сзади) подшипниках. Через скользящий подшипник осуществляется подвод смазочного масла к шатунно-кривошипному механизму двигателя.

В корпусе маховика под обоймой роликового подшипника находится ограничительный штифт 9, удерживающий от излишнего разворота маховик 10.

Кроме маховика внутри корпуса расположен сидящий на специальных шпонках венец 11, который имеет внутренние зубья. Маховик 10 двигателя и зубчатый венец 11 расположены в корпусе 8 не по центру, а по отношению к нему с некоторым эксцентриситетом, и в общем этот узел представляет из себя единую уравновешенную маховую массу. Этот узел в собранном состоянии напрессовывается самим маховиком по шпонке на конец кривошипного вала 12, который выполнен пустотелым.

Передача крутящего момента от заднего конца корпуса маховика на полезное сопротивление, например электрогенератор, осуществляется с помощью привернутой к нему муфты.

Вся сборка энергетической установки в последовательном порядке осуществляется на специальной раме 13, которая имеет в нижней части резервуар для масла, а в средней центральную балку для облегчения свободного доступа к головкам блока, форсункам и клапанам.

Расположенный внутри корпуса 8 зубчатый венец 11 внутренними зубьями входит в зацепление с зубьями торсионной шестерни 14.

Внутри пустотелого кривошипного вала находится работающий на скручивание торсион 15, представляющий из себя стержень, изготовленный из высоколегированной стали, выдерживающий нагрузки крутящего момента.

Маховик силой давления смазочного масла, создаваемого на относительно большую свою площадь из внутренней части корпуса, в котором он расположен, как поршень прижимается к передней его части через вставные упорные шарики 16, которые образуют внутренний упорно-радиальный подшипник. Благодаря такому плотному контакту ликвидируется зазор между маховиком 10 и корпусом 8, которые во время работы представляют из себя как бы плотный единый узел, выдерживающий большие нагрузки, но в то же время способный через шарики легко разворачиваться.

В передней части маховика в специальной крышке расположено масляное кольцо 17, препятствующее проходу смазочного масла через зазор из внутренней части корпуса 8 маховика.

На рабочей шейке кривошипного вала установлен подшипник 18 шатунов звезды цилиндров второго ряда, с которым посредством пальцев соединяются шатуны. Шатун верхнего цилиндра, пройдя во время сборки двигателя через гильзу цилиндра, соединяется с подшипником 18 специальным креплением, образуя с ним жесткий единый узел центральный шатун. Остальные шатуны, являясь прицепными, соединяются с подшипником обычным для всех звездообразных двигателей способом одним шарнирным пальцем.

На центральную часть кривошипного вала напрессован также по шпонке противовес 19, служащий с двумя противовесами на корпусах маховиков для уравновешивания центробежных сил поршневых групп обоих рядов.

Подшипник 20 шатунов звезды цилиндров первого ряда, имеет такое же устройство, как и звезды цилиндров второго ряда.

На передний конец кривошипного вала в качестве второй его точки опоры насажен узел аналогичного устройства, как и на заднем его конце. В этот узел входит маховик 21, эксцентрично вставленный в корпус 22, с которым также силой давления смазочного масла имеет плотный контакт через упорные шарики. Эксцентрично вставленный шестеренчатый венец 23 в нем имеет несколько больший внутренний диаметр по сравнению с венцом 11, а входящая с ним в зацепление торсионная шестерня 24, которая съемная и надевается на шлицы торсиона 15, несколько большего диаметра, чем шестерня 1 на заднем конце, т.е. они с разными передаточными числами.

Приводной вал 25 выполнен за одно целое с кривошипом и ведущей шестерней, которая приводит в действие весь газораспределительный механизм двигателя. Приводной вал приводится во вращение непосредственно от маховика 21 через специальный кулак, допускающий некоторое свое смещение в кривошипе от центра при развороте маховика.

В передней части двигателя с приводом от нижнего распределительного вала установлен регулятор 26 такого же типа, как и у топливных насосов в задней его части. Назначение этого всережимного регулятора управлять подачей газа в цилиндры двигателя, когда он работает на газе, что осуществляется с помощью заслонок по такому же принципу, как и работа топливных насосов.

На крышке распределительных шестерен установлена муфта 27, которая через отдельную зубчатую передачу 28 приводится в действие непосредственно от корпуса 22 маховика, нагружая таким образом и передний конец кривошипного механизма двигателя. С помощью муфты 27 могут приводиться в действие, например, воздуходувка для нагнетания в цилиндры двигателя воздуха и другое вспомогательное оборудование.

Рама 13, на которой установлен сам двигатель, имеет в средней части центральную балку 29 для того, чтобы иметь свободный доступ к нижним головкам блока. Крышки нижних головок блока имеют патрубки 30 для слива масла в одну из полостей масляного резервуара.

В выхлопной коллектор 2 из патрубков всех головок блока поступает отработавшие газы, которые далее идут в газовые турбины, а от них на выхлоп.

В сварном туннельном блоке расположены цилиндропоршневые группы 4, а также расположенные по окружности семь распределительных валов 31, из которых два верхних приводят в действие топливные насосы.

В цилиндрических трубах 32 расположены толкатели и штанги управления через коромысла клапанами, которое осуществляется с обоих сторон каждой головки блока.

Всережимный регулятор 26 управляет через валики 33 подачей в цилиндры двигателя газа. Для работы двигателя на газе имеется специальное оборудование.

Действие двигателя происходит так.

В его системе смазки имеется резервный масляный насос с приводом от электромотора, который служит и для предпусковой прокачки двигателя маслом. Когда этот насос будет включен, начинает подниматься давление масла во всех тех точках, которые смазываются под давлением. Поднимается давление масла и внутри корпусов 8 и 22, где, своей силой сдвигая маховики 10 и 21, окончательно допрессовывает их на концы кривошипного вала 12. Одновременно с этим маховики плотно прижимаются к своим корпусам через шарики 16, которые образуют упорно-радиальные подшипники. В таком рабочем состоянии маховики и остаются. После этого стартером или сжатым воздухом двигатель пускается в ход.

При работе двигателя на холостом ходу и небольших нагрузках, когда подача топливным насосом топлива и системой наддува воздуха ограничена в его цилиндры, он работает с высокой степенью сжатия.

Как изображено на чертеже кривошипный вал 12, описывая вместе с маховиками 10 и 21, в которых он расположен, свое вращательное движение, стоит в корпусах 8 и 22 в положении, соответствующем наивысшей степени сжатия.

В это время радиус от центра кривошипного вала 12, на котором работают шатунно-поршневые группы обоих рядов, до геометрического центра корпусов 8 и 22 маховиков будет наибольший, следовательно, и ходы поршней будут наибольшими.

При увеличении оборотов и нагрузки на двигатель одновременно с увеличением подачи в его цилиндры топлива путем воздействия на органы управления топливной системы увеличивается через систему наддува и давление поступающего в цилиндры воздуха.

Чтобы избежать чрезмерно высоких давлений в цилиндрах, в конце тактов сжатия и начале рабочих ходов, степень сжатия двигателя начинает уменьшаться.

Уменьшение степени сжатия происходит за счет ухода в своем вращении маховиков 10 и 21 вместе с кривошипным валом вперед, от корпусов 8 и 22, в которых они расположены. Так как сами маховики расположены в корпусах эксцентрично, то при их разворотах уменьшается и радиус от центра кривошипного вала 12 до центра корпусов 8 и 22, а ходы поршней при этом уменьшаются.

Некоторое уменьшение ходов поршней при снижении степени сжатия используется как положительный эффект для установки двигателю более высоких оборотов в связи с уменьшением скорости движения поршней.

Кроме того, значительно снижаются боковые усилия, передаваемые поршнями на стенки цилиндров, что очень важно при увеличении среднего индикаторного давления, развиваемого в цилиндрах двигателя.

Разворот на нужную в зависимости от нагрузочных режимов работы двигателя величину маховиков 10 и 21 происходит следующим образом. При увеличении нагрузки на двигатель возрастает сила торможения на корпус 8, с которого осуществляется снятие мощности на полезное сопротивление, и он в своем вращении начинает отставать от вращения маховиков 10 и 21, которые связаны между собой кривошипным валом 12. В это время приводится в действие идущая по внутренним зубьям венца 11 шестерня 14, которая через торсион 15 и аналогично выполненную передачу, состоящую из шестерни 24, но несколько большего диаметра, и венца 23, стремится развернуть в том же направлении, что и корпус 8, корпус 22. Корпус 22 не может развернуться с некоторым опережением, чем идет отставание корпуса 8, вследствие возникшего для него сопротивления, он должен тогда преодолеть свой эксцентриситет, да и вообще деформировать весь кривошипный механизм, поэтому они отстают одновременно, а из-за разности в передаточных числах шестеренчатых передач в корпусах закручивается торсион 15. Торсион 15 и создает тормозной эффект развороту маховиков при уменьшении степени сжатия.

Снижение нагрузки на двигатель приводит, наоборот, к раскручиванию торсиона и увеличению степени сжатия.

Для того, чтобы уменьшить возникаемое при развороте корпуса 22 сопротивление в преодолении своего эксцентриситета, сам корпус через шестеренчатую передачу 28 и муфту 27 нагружается и несет значительную нагрузку. Таким образом, съем мощности с двигателя происходит с двух сторон.

Угол полного разворота маховиков двигателя, когда они затормозятся упорным штифтом 9, будет составлять около 140^о, а за этот разворот торсион 15 закрутится всего лишь на незначительный (допустимый для него) угол его закрутки (всего на разность передаточных чисел торсионных шестерен 14 и 24). Такой угол закрутки и требуется от упругого торсиона, который нельзя сделать слишком большим. В этом и заключается смысл двойной шестеренчатой передачи.

В предлагаемом двигателе для изменения радиуса кривошипного вала, а следовательно, и степени сжатия двигателя применены разворачивающиеся в своих корпусах, которые выполнены эксцентрическими целиком, маховики. Это сделано потому, что в массе маховики не подвержены знакопеременным нагрузкам, как это было бы, например, с отдельным эксцентриковым валом. Маховики наилучшим образом обеспечивают изменение радиуса кривошипного вала.

В качестве упругого элемента в кривошипном механизме двигателя применен работающий на скручивание торсион. Это простая, легкая и очень упругая деталь, можно сказать лучший для этой цели пружинный аппарат.

Система балансировки кривошипного механизма двигателя действует так: одновременно с изменением радиуса кривошипного вала сидящий на кривошипном валу двигателя противовес тоже изменяет свою противовесную силу, а для обеспечения точной балансировки в подвижных частях кривошипного механизма предусмотрены компенсирующие противовесные части. Они выполнены в виде дополнительных противовесов на корпусах маховиков.

На малых нагрузках двигателя (фиг. 3), когда расстояние от геометрического центра кривошипного вала 1, расположенного в маховике 2, до центра его корпуса 4, будет наибольшим, развиваемая центробежная сила Р₁ на кривошипе будет больше, чем центробежная сила Р₂ его противовеса 3.

Вследствие того, что кривошип удален от центра корпуса маховика на расстояние А, то есть на расстояние, которое равно между центрами корпуса и самого маховика, центробежная сила его будет на эту величину (например, на 1 кг) больше, чем та сила, которая была бы, если бы кривошип находился на величину А ближе к центру корпуса.

Предназначенный уравновешивать центробежную силу кривошипа противовес 3 в это время находится, наоборот, ближе к центру корпуса маховика на такое же расстояние А, поэтому развиваемая им центробежная сила Р₂ будет на 1 кг меньше, чем если бы противовес находился на это расстояние дальше от центра корпуса маховика. Таким образом, при своей работе кривошипный механизм испытывает центробежную силу на 2 кг больше, т.к. включает в себя увеличенную свою и уменьшенную с противоположной стороны силу противовеса.

Эта неуравновешенность кривошипного механизма компенсируется силой F в 2 кг выполненного на корпусе маховика противовеса 5.

При увеличении нагрузки двигателя, в целях уменьшения его степени сжатия, разворотом маховика расстояние между центрами кривошипа и корпуса маховика начинает уменьшаться и соотношение центробежных сил в шатунно-кривошипном механизме будет изменяться.

При развороте маховика на 45^о от своего первоначального положения (фиг. 4) это будет выглядеть так.

Центробежная сила Р₁ кривошипа несколько уменьшится, а центробежная сила Р₂ противовеса на такую же величину увеличится, но вследствие удаления линии между центрами кривошипа и противовеса от центра корпуса маховика вниз возникают две новые силы такой же величины: сила S₁ на кривошипе и сила S₂ на противовесе, направленные вниз. Эти две новые силы усиливают действие вышеуказанных основных сил, так как последние вследствие разворота маховика начинают уменьшаться по отношению к центробежной силе F противовеса 5. Кроме того, силы S₁ и S₂ обеспечивают центровку действия противовеса 5.

При развороте маховика на 90^о от своего исходного положения (фиг. 5) центробежные силы Р₁ кривошипа и Р₂ противовеса взаимно уравновешивают друг друга, так как кривошип и противовес находятся на равном расстоянии от центра корпуса маховика. Вместе с тем, кривошип и противовес располагаются ниже центра корпуса маховика на расстоянии А, а поэтому силы S₁ и S₂ достигают наибольшего своего значения, т.е. в 1 кг каждая, что и уравновешивается силой F противовеса в 2 кг на корпусе маховика, который располагается от них с противоположной стороны.

При дальнейшем развороте маховика соотношение центробежных сил начинает изменяться в обратном порядке.

В рассмотренном случае все действие происходило как бы в одной только половине двигателя, но и другая половина работает аналогичным образом.

Для балансировки шатунно-кривошипного механизма могут быть использованы противовесные части и других работающих на разворот деталей, а в случае необходимости в двигателе для этой цели могут быть поставлены и другие противовесные детали.

Эта система балансировки шатунно-кривошипного механизма с помощью компенсирующих противовесов на корпусе маховиков отличается от двигателя-прототипа тем, что в последнем применен простой противовес в его передней части.

Кроме того, в двигателе для регулирования степени сжатия применен разворачивающийся в своем эксцентричном корпусе маховик с разворачивающимся в нем одноопорным кривошипным валом, которым и обеспечивается закручивание торсиона через шестеренчатые передачи, расположенные в одном корпусе маховика.

Отличительной особенностью предлагаемого двигателя является то, что он имеет двухопорный кривошипный вал, соединяющий между собой два маховика, которые вставлены в свои эксцентричные корпуса и которые силой давления смазочного масла контактируют с ними через упорно-радиальные шариковые подшипники.

Скручивание торсиона производится через две торсионные шестерни с их венцами, находящиеся в разных корпусах, которые выполнены с разными передаточными числами, а само скручивание происходит с двух сторон за счет самих корпусов в двигателе.

Формула изобретения

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ, содержащий кривошипный вал, поршневую группу, установленную на валу, эксцентрично насаженный на кривошипный вал маховик с эксцентричным корпусом, выполненным с размещенными в нем зубчатыми венцами, торсион, размещенный внутри кривошипного вала, причем маховик установлен в корпусе с возможностью поворота в нем, а торсион одним концом жестко соединен с кривошипным валом, а другим с зубчатыми венцами корпуса маховика через шестерни, установленные на торсионе и кривошипном валу, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен маховиком с эксцентричным корпусом, поршневой группой и противовесом, установленным в средней части кривошипного вала между поршневыми группами, маховики напрессованы на противоположных концах кривошипного вала оппозитно друг другу и установлены в своих корпусах с плотным контактом через упорно-радиальные шариковые подшипники за счет давления смазочного масла, корпуса маховиков выполнены с противовесами, поршневые группы установлены на кривошипном валу звездообразно, а концы торсиона соединены с зубчатыми венцами корпусов маховиков посредством установленных на торсионе шестерен с разными передаточными числами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5