Двухцилиндровый оппозитный двигатель с переменной степенью сжатия
Предложение относится к машиностроению, к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Предложена конструкция ДВС, в которой возможно изменять степень сжатия за счет изменения объема камеры сгорания. Два цилиндра размещены оппозитно на общей разборной раме, что уменьшает вибрации. Поршни в цилиндрах соединены штоками и шатунами с первичными валами и совместно образуют эксцентриковый механизмы, (аналог коленчатого вала), которые размещены в раме. Изменение положения первичных валов в раме приводит к изменению положения поршней в цилиндрах и к увеличению или уменьшению объема камеры сгорания и изменению степени сжатия. Предложена электромеханическая схема управления положением первичных валов в раме в зависимости от числа оборотов ДВС, что позволяет использовать ДВС в режиме максимальной мощности или в режиме максимального КПД. Технический результат - повышение мощности и КПД. 3 ил.
Предложение относится к машиностроению, к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Одной из основной задач для автомобилестроения - создание двигателя, который при приемлемом расходе топлива, малой токсичности обеспечивал высокие тягово-скоростные качества.
Один из важных показателей двигателя - это его степень сжатия. Степень сжатия имеет два значения: геометрическое - отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и второе - фактическое (1. В. Арутин. Длинный впуск. Авторевю 10, 2009, стр. 71), степень изменения объема горючей смеси при такте сжатия с учетом коэффициента наполнения цилиндра. (2. Роговцев В.И. др. Устройство и эксплуатация автотранспортных средств М.: Просвещение. 1991. Стр. 18) За 1 принят коэффициент наполнения при нормальном атмосферном давлении. Коэффициент может быть больше 1 при наддуве (3. Демидов М. Турбо. Компрекс и мощность. За рулем. 12/88, стр. 14). Современные двигатели имеют степень сжатия (геометрическую) от 8,2 до 10,2 (4. Авторевю №4, 2015. Стр. 13) Степень сжатия ограничена физико-химическими свойствами топлива. С увеличением степени сжатия повышаются мощность и экономичность двигателя (5. Краткий автомобильный справочник НИИАТ М.: Транспорт. 1985. Стр. 34)/ Двигатели ГАЗ-24 и ГАЗ-24-02. Степени сжатия 8,2/6,7. Максимальная мощность. 95/85 л.с., Контр. расход топлива 10,5/11,0 л. Эти данные приведены для максимального режима работы. По литературным данным (6. Двигатель нового типа. Демидов М. За рулем, 2/91, стр. 4) Работа на максимальной мощности составляет в условиях города около 2% времени. Примерно половину времени от двигателя требуется не свыше 25% полной мощности.
Уже известны два цикла - Аткинсона и Миллера [1], позволяющие экономить топливо за счет снижения мощности. Это достигается увеличением степени сжатия двигателя (геометрической) до 12-13 единиц, неполным наполнением цилиндра горючей смесью, но максимально допустимом сжатием, что, с учетом коэффициента наполнения, дает фактическую степень сжатия в пределах 10 единиц, позволяющую работать без детонации, но при этом максимальная мощность двигателя уменьшается на 10-15%, т.к. полный заряд вызвал бы детонацию [1].
Наряду со степенью сжатия, большое значение для мощности и экономичности имеют фазы газораспределения (7. Морозов М. Фазами можно управлять. За рулем. 2/90. Стр. 17). В качестве прототипа принят патент №2539609 RU. Недостаток прототипа - первичный вал жестко закреплен и геометрическую степень невозможно изменить.
Предлагается конструкция, позволяющая изменять степень сжатия (геометрическую) до 15 единиц для работы на высокооктановом топливе и снижать до 7-8 единиц для низкооктанового.
Двухцилиндровый оппозитный двигатель с переменной степенью сжатия содержит два цилиндра 2 собранных на общей разборной раме 1, поршни 3 снабжены штоками 4, концы штоков - пальцами 5, концы которых снабжены ползунами 6, 7, которые двигаются в окнах 22, 23 рамы, на раме также размещены два первичных вала 14, на концах которых размещены диски 12, 13, на дисках эксцентрично размещены пальцы 10 и 11, соединенные шатунами 8 и 9 с пальцем 5 штока. Ползуны 41 первичных валов двигаются в окнах 24, 25 рамы, первичные валы и валы 18 отбора мощности снабжены звездочками 15 и 17, которые соединены цепями 16 с натяжителями 37, соответственно для каждого цилиндра, концы валов отбора мощности опираются на подшипники в раме и снабжены маховиками 21, также на подшипниках в раме размещены соединительные валы 42 и 43, снабженные зубчатыми колесами 19 и 38, которые обеспечивают совместную синхронную работу обоих цилиндров, также зубчатыми колесами 20 снабжены валы отбора мощности. Для перемещения ползуна 41 и, тем самым, вала 14 служит кулачковый вал 26 (для каждого цилиндра свой кулачковый вал 26), поверхность вала эксцентрична по отношению к оси вала и преобразует вращательное движение вала 26 в поступательное движение ползуна 41, противоположное движение обеспечивает упорная пружина 29 (фиг. 2). При всех режимах работы пружина должна быть в сжатом состоянии. Для этого на раме введена перемычка 39 (фиг. 2). Кулачковый вал имеет цапфы, на одной из которых насажено червячное колесо 27, работающие в паре с червячным винтом 28. Винт приводится в движение электродвигателем 30, изменение положения ползуна 41 приводит к изменению положения вала 14, шатунов 8 и 9, пальца 5, штока 4, поршня 3.
Объем камеры сгорания изменяется, что приводит к изменению степени сжатия. Микропроцессор 46 хранит программу автоматического регулирования, принимает сигналы от датчиков, обрабатывает их в соответствии с программой и выдает управляющие сигналы исполнительным механизмам. Усилители мощности 57…61 получают сигналы мощностью в несколько мВт, а для работы исполнительных механизмов нужна мощность порядка единиц и десятков Вт, в зависимости от числа оборотов. И это обеспечивают усилители мощности.
Большинство транспортных средств работает в режиме резко переменных нагрузок, но в любом режиме для экономии топлива и уменьшения вреда окружающей среде желательно работать при максимально допустимой степени сжатия, в конечном счете при всех режимах необходимо обеспечить оптимальный состав газовоздушной смеси. С этой задачей может справиться только автоматика.
Для регулирования подачи воздуха служит педаль подачи воздуха 47(аналог дроссельной заслонки) (фиг. 3), учет количества и качества воздуха обеспечивают датчики расхода 48 и температуры воздуха 52. Датчик положения первичного вала 54 служит для определения степени сжатия, датчики температуры наружного воздуха и температуры двигателя 53 необходимы для запуска переохлажденного или перегретого двигателя. По сигналам датчика детонации 49 изменяется в первую очередь момент зажигания, а затем после срабатывания механической части, степень сжатия.
Датчик сорта топлива предохраняет двигатель от перегрузки в момент включения, давление в системе впрыска топлива и, тем самым, мощность двигателя обеспечивают бензонасосы 59, форсунки подачи топлива 51 обеспечивают наиболее экономичный режим, т.к. обеспечивают точно заданное количество топлива. Электромагнитные приводы клапанов 33 и 34 системы газораспределения позволяют изменять фазы газораспределения, выбирая наиболее экономичный режим. Датчик угла поворота первичного вала 55 служит для синхронизации с автоматической системой регулирования, моментов открытия и закрытия клапанов и моментов системы зажигания.
Наличие исполнительных механизмов с электроприводом (клапанов, бензонасосов, форсунок электромоторов, свечей зажигания) позволяет организовать систему прямого автоматического регулирования работы двигателя. Работа двигателя проходит по заранее разработанной программе. Задающим элементом программы будет число оборотов двигателя 56, задаваемое водителем. В программе должны быть заданы степень сжатия, расход топлива, фазы газораспределения, моменты зажигания. При экспериментальных испытаниях можно определить лучшие варианты параметров. При работе двигателя для разных чисел оборотов имеется свое лучшее соотношение. Чтобы не перегрузить систему частыми переключениями, необходимо выбрать диапазоны, где изменения будут заметными. По результатам экспериментов составить программу, записать ее на носитель, например микропроцессор, размножить и оснастить ею однотипные двигатели.
Перечень фигур чертежей.
Фиг. 1 - двухцилиндровый оппозитный двигатель с переменной степенью сжатия.
Фиг. 2 - схема управления положением первичного вала.
Фиг. 3 - электромеханическая схема управления работой двигателя.
Перечень обозначений на фигурах:
1 - рама, 2 - цилиндр, 3 - поршень, 4 - шток, 5 - палец штока, 6, 7 ползуны пальца штока, 8, 9 - шатуны, 10, 11 - пальцы дисков, 12, 13 - диски первичного вала, 14 - первичный вал, 15 - звездочка первичного вала, 16 - цепь, 17 - звездочка вала отбора мощности 18 - вал отбора мощности, 19 - зубчатое колесо, 20 - зубчатое колесо, 21 - маховик, 22, 23 - окна ползунов пальца штока, 24, 25 - окна ползуна первичного вала, 26 - кулачок, 27 - червячное колесо, 28 - червячный винт, 29 - упорная пружина, 30 - электродвигатель, 31 - свеча зажигания, 32 - форсунка, 33 - электромагнитный привод впускного клапана, 34 - электромагнитный привод выпускного клапана, 35 - впускной клапан, 36 - выпускной клапан, 37 - натяжитель цепи, 38 - зубчатое колесо, 39 - перемычка упорной пружины, 40 - перемычка кулачка, 41 - ползун первичного вала, 42 - ось колеса 19, 43 - ось колеса 38, 44 - болт крепления колеса 19, 45 - болт крепления колеса 38, 46 - микропроцессор, 47 - педаль управления подачей воздуха, 48 - датчик расхода воздуха, 49 - ручка переключения сорта топлива, 50 - бензонасос, 51 - форсунка подачи топлива, 52 - датчик температуры наружного воздуха, 53 - датчик температуры двигателя, 54 - датчик положения первичного вала, 55 - датчик угла поворота первичного вала (фазы поворота), 56 - датчик числа оборотов двигателя, 57, 58, 59, 60, 61 - усилители мощности.
Двухцилиндровый оппозитный двигатель с переменной степенью сжатия, два цилиндра собраны на общей разборной раме, поршни снабжены штоками, концы штоков снабжены пальцами, концы которых снабжены ползунами, которые двигаются в окнах рамы, на раме также размещены два первичных вала, на концах которых размещены диски, на дисках эксцентрично размещены пальцы, соединенные шатунами с пальцами штоков, ползуны первичных валов двигаются в окнах рамы, первичные валы и валы отбора мощности снабжены звездочками, которые соединены цепями с натяжителями, соответственно для каждого цилиндра, концы валов отбора мощности опираются на подшипники в раме и снабжены маховиками, также на подшипниках в раме размещены соединительные валы, снабженные зубчатыми колесами, также зубчатыми колесами снабжены валы отбора мощности, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительно перемычками на раме, двумя кулачковыми валами, снабженными червячными колесами, двумя упорными пружинами, электромагнитными приводами клапанов, форсунками, электродвигателями привода червячных винтов червячных колес кулачковых валов, микропроцессорами, усилителями мощности, датчиками: положения педали подачи воздуха, расхода воздуха, температуры двигателя, температуры наружного воздуха, числа оборотов двигателя, положения первичных валов, детонации, сорта топлива, устанавливаемого при заправке, а также форсунками и бензонасосами, причем ползуны первичных валов размещены между перемычками рамы и с одной стороны между ползуном и перемычкой размещен кулачковый вал, а с другой - упорная пружина; при этом электродвигатели, электромагнитные приводы клапанов, бензонасосы и форсунки подключены к микропроцессорам через усилители мощности.
