[1]Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым четырехтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), например Дизелям.
[2]По мнению ученых (см. Кутенёв В.Ф., Зленко М.А., Тер-Мкртичьян Г.Г. "Управление движением поршней - неиспользуемый резерв улучшения мощностных и экономических показателей дизеля" Автомобильная промышленность №11, 1998 г.), именно традиционный кривошипно-шатунный механизм (КШМ) препятствует дальнейшему улучшению параметров двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
[3]Известен - двигатель Джеймса Аткинсона (James Atkinson) (американские патенты №336505 от 16.02.1886 г. и №367496 от 02.08.1887 г.) - имеющий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, и реализующий обычный четырехтактный рабочий цикл за один оборот, вместо двух оборотов, коленчатого вала, и в котором такты "впуска" и "сжатия" - короче тактов "расширения" и "выпуска", что обеспечивает большую степень расширения рабочего тела, в сравнении с его степенью сжатия, следствием чего является более полное использование энергии рабочего тела, или большая экономичность ДВС. К недостаткам ДВС по циклу Аткинсона следует отнести - нестабильность его работы на малых оборотах из-за меньшей, чем у двигателя Отто, мощности, и значительно больший удельный вес на единицу полученной мощности в сравнении с ДВС на основе традиционного КШМ.
[4]Известен также ДВС с организацией рабочего процесса (РП) по циклу Ральфа Миллера (Ralph Miller) (американский патент №2670595 от 02.03.1954), в котором степень расширения достигает большей величины по сравнению со степенью сжатия - ценой частичного вытеснения воздушного заряда обратно во впускной коллектор, получивший название "потери Миллера", при этом работа двигателя осуществляется по традиционному четырехтактному циклу - за два оборота коленчатого вала. Недостатком ДВС с таким РП - является значительно больший удельный вес на единицу полученной мощности в сравнении с ДВС на основе традиционного КШМ и уменьшение мощности при высоких оборотах, по причине худшего наполнения цилиндров. Стоит отметить, что усовершенствованный РП МИЛЛЕРА используется в ДВС на некоторых автомобилях массового производства, при оборотах холостого хода и средних оборотах. Так MAZDA SKYACTIV, на низких оборотах работает по РП МИЛЛЕРА, а на высоких по циклу ОТТО. В чистом виде - РП МИЛЛЕРА работает в ДВС на гибридах ТОЙОТА.
[5]Оба ДВС, с циклами АТКИНСОНА и МИЛЛЕРА, - аналогичны в том, что в них реализуется РП, при котором - степень "расширения" больше, чем степень "сжатия".
[6]Наиболее близким к заявленному техническому решению является "Поршневая машина" (См. А.С. №909229; опубл. 28.02.1988 г.). Данное техническое решение основано на 5-ти звеном механизме, и содержит механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, шарнирно связанный с корректирующим кривошипом, а другой его конец соединен с помощью поршневого шатуна с поршнем, находящимся в цилиндре, размещенном в блок-картере, при этом рычаг-коромысло имеет в своем корпусе ось, шарнирно соединенную через шатун с кривошипом коленчатого вала.
[7]Данное техническое решение обеспечивает увеличение диапазона регулирования рабочего объема, или степени сжатия ДВС, однако оно не обеспечивает возможность работы ДВС по циклу Дизеля.
[8]Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является - получение ДВС:
[9]- Стабильно работающего во всех диапазонах нагрузки и оборотов коленчатого вала, без "потерь Миллера", по четырехтактному циклу, в котором - степень расширения больше, чем степень сжатия, с возможностью реализации при этом РП, как Отто, так и Дизеля за два оборота коленчатого вала;
[10]- С уровнем точности производства силовых звеньев - ниже, в сравнении с аналогичными деталями классического КШМ, особенно для Дизеля.
[11]Технический результат достигается тем, что ДВС, содержит механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, сочлененный шарнирно с эксцентриковым валом, который связан с коленчатым валом посредством шестеренного привода для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала, а другой конец рычага-коромысла - соединен через фиксируемый эксцентриковый шарнир, с поршневым шатуном и поршнем, находящемся в цилиндре, размещенном в блок-картере, причем в корпусе рычага-коромысла имеется ось, шарнирно соединенная через шатун с кривошипом коленчатого вала.
[12]Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлена кинематическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - поперечный разрез конструкции многоцилиндрового ДВС.
[13]Предлагаемая конструкция ДВС содержит - блок - картер 1, с размещенным в нем цилиндром с поршнем 2 и поршневым шатуном 3, соединенным, посредством фиксируемого эксцентрикового шарнира 4, с рычагом-коромыслом 5, который в свою очередь содержит в своем корпусе шарнир с осью 6, которая через шатун 7 соединена с кривошипом коленчатого вала 8, причем опорный конец 9 рычага-коромысла 5, сочленен шарнирно с эксцентриковым валом 10, закрепленным на блок-картере 1 через свой корпус, который связан с коленчатым валом 8 посредством шестеренного привода 11 для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала - с целью получения специально подобранной кинематики поршня, обеспечивающей - большую степень расширения рабочего тела, чем его степень сжатия, для более эффективного использования энергии от сгорания топлива.
[14]Предлагаемый ДВС функционирует следующим образом.
[15]Поршень 2, под воздействием расширяющихся газов, давит через поршневой шатун 3 на фиксируемый эксцентриковый шарнир 4, сочлененный с рычагом-коромыслом 5, поворачивая его относительно оси, принадлежащего ему опорного конца 9, который, будучи шарнирно связанным с эксцентриковым валом 10, вращающимся синхронно с коленчатым валом 8, благодаря шестеренному приводу 11, совершает круговое движение с угловой скоростью в два раза меньшей, чем угловая скорость коленчатого вала 8, одновременно с этим шарнир с осью 6, расположенный в корпусе рычага-коромысла 5, через шатун 7 воздействует на кривошип коленчатого вала 8, - проворачивая его для совершения работы, и в тоже время, сообщая ему запас энергии вращения - для осуществления трех - последующих тактов РП ДВС, при этом, весь рычаг-коромысло 5, совершает сложное плоско-параллельное движение, которое передается через фиксируемый эксцентриковый шарнир 4 и поршневой шатун 3 - поршню 2, обеспечивая ему необходимую, специально подобранную кинематику движения - когда на такте "впуска", ход от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), он совершает штатный ход в соответствии с рабочим объемом цилиндра, также, как и на такте "сжатия", при ходе от НМТ к ВМТ, но на такте "рабочий ход" - поршень 2 проходит больший путь, то есть степень расширения в этом случае существенно превышает степень сжатия, что в соответствии с научными положениями теории тепловых машин по ДВС - повышает индикаторный коэффициент полезного действия (КПД). Такт "выпуска" отработавших газов, следующий за "рабочим ходом", соответственно равен по величине "рабочему ходу". Конкретная величина превышения такта "рабочий ход"/"выпуск" над тактом "впуск''/сжатие" определяется радиусом вращения смещенной шейки эксцентрикового вала 10 и подбирается для каждого типа двигателя индивидуально, в зависимости от типа РП, его назначения и т.д. Величина эксцентриситета может иметь ограничения только по предельно допустимым удельным нагрузкам в подшипниках шарнирных соединений силовых звеньев преобразующего механизма, и общих габаритах двигателя, которые зависят от его предназначения.
[16]Назначение фиксируемого эксцентрика состоит в том, что фиксируемый эксцентриковый шарнир 4, или регулируемое звено, посредством которого поршневой шатун 3 соединен с рычагом-коромыслом 5, - представляет собой проворачивающийся эксцентрик с зажимным приспособлением. Положение эксцентрика, после манипуляций по настройке над поршневого зазора S (минимально возможного для Дизеля и оптимального для ОТТО), фиксируется зажимным приспособлением в нужном угловом положении при сборке двигателя, а также в процессе его эксплуатации, по мере необходимости. Наличие регулируемого звена в механизме преобразования, позволяет исключить влияние на величину над поршневого зазора, - точности изготовления линейных размеров всех силовых звеньев механизма, что в свою очередь - значительно упрощает их производство и делает ДВС, например Дизель, с механизмом преобразования по предлагаемому изобретению - более технологичным, в сравнении с Дизелями на основе традиционного КШМ.
[17]Кинематическая схема предлагаемого механизма, не выявляет возможностей ее реализации, поэтому к ней прилагается эскиз поперечного сечения многоцилиндрового ДВС, см. фиг. 2, который является демонстрацией компоновочных возможностей предлагаемого двигателя, вызывающих интерес у конструкторов в его использовании на разрабатываемой ими установке. Предлагаемый ДВС - выполнен по оригинальной конструктивной схеме, где каждый последующий цилиндр, за изображенным на эскизе, - снабжен механизмом преобразования, также как головками цилиндров, и другими механизмами, в чередовании с одной и другой стороны относительно оси коленчатого вала. Такой поочередный тип расположения поршней, с рычагами-коромыслами, приводящими их в движение, и работающими в противофазе, обеспечивают автоматическую динамическую уравновешенность двигателя с обычной установкой крайних выносных противовесов на коленчатом валу, при этом расположение оси коленчатого вала должно быть строго симметрично всей конструкторской композиции, и перпендикулярно эскизу, а оси цилиндров - могут находиться в горизонтальной или вертикальной плоскостях, в зависимости от приспособленности ДВС к удобству использования, но количество цилиндров в нем, должно быть кратно 2, и каждая пара цилиндров - должна работать в противофазе.
[18]Другие компоновочные решения, касающиеся, в том числе, соразмерности величин звеньев, составляющих механизм преобразования, могут иметь ограничения только по предельно допустимым удельным нагрузкам в подшипниках силовых звеньев, в соответствии с предназначением конкретного типа двигателя.
[19]Производство предлагаемого ДВС может быть успешно реализовано с помощью технологических процессов, применяемых в современном двигателестроении, и не требует увеличения точности изготовления силовых звеньев.
