Патент на изобретение №2230207
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) АКСИАЛЬНЫЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к машиностроению, в частности к моторостроению, и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности создания нового поколения более мощных, экономичных и экологичных двигателей с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), который позволит более эффективно использовать максимальную и последующие силы от давления газов, выделяемых при сгорании топлива. Аксиальный кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя внутреннего сгорания содержит коленчатый вал с шатунной шейкой, шатун и поршень, а также дополнительно содержит эксцентрик, малую и большую шестерни. Причем шатунная шейка коленчатого вала соединена с шатуном посредством эксцентрика, а эксцентрик снабжен малой шестерней, выполненной с ним заодно, и имеет с ней общую ось вращения. При этом эксцентрик с малой шестерней расположены на оси шатунной шейки коленчатого вала таким образом, что малая шестерня эксцентрика входит в постоянное зацепление с большой шестерней, неподвижно установленной в блоке двигателя. Большая шестерня имеет радиус вдвое больше, чем радиус малой шестерни, а радиус эксцентрика относится к радиусу коленчатого вала в соотношении 1:5. 4 ил. Изобретение относится к машиностроению, в частности к моторостроению, и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Из существующего уровня техники известен аксиальный кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал с шатунной шейкой, шатун и поршень, шарнирно связанные друг с другом (Роговцев В.Л. Автомобили и тракторы. – М.: Транспорт, 1986, с.288, рис.273) – [1]. Основным недостатком указанного механизма является то, что он не может использовать для выполнения полезной работы максимальную силу от давления газов, поскольку в этот момент плечо для передачи этой силы равняется нулю, а последующее увеличение плеча сопровождается быстрым уменьшением силы. Это снижает крутящий момент и мощность двигателя, увеличивает износ деталей, предъявляет повышенные требования к прочности коленчатого вала, увеличивает расход топлива, ухудшает запуск, увеличивает токсичность выхлопных газов, что снижает эксплуатационные характеристики двигателя. Известен сдвоенный кривошипно-шатунно-серьговый двигатель, содержащий корпус с цилиндром, двухсторонний поршень, коленчатые валы, синхронизирующие конические шестерни. В поршне выполнены пазы, в которых расположены валы, на шейках которых своими серединами установлены серьги, концами соединенные с шатунами; валы установлены на подшипниках с возможностью разворота на 40-45  в мертвых точках. В этом двигателе достигается увеличение плеча приложения силы в верхней мертвой точке (патент РФ №2178085, МПК-7 F 01 B 9/02, опубл. 10.01.2002) – [2].
Однако это сопровождается следующими недостатками.
– Конструкция насыщена большим количеством взаимосвязанных промежуточных рычагов, шатунов, шарнирных соединений и подшипников, снижающих надежность и долговечность механизма.
– Сложная конструкция и большой относительный вес поршня осложняют динамическую балансировку подвижных деталей.
– Сложность создания надежных уплотнений в системах смазки и охлаждения.
Все вышесказанное ограничивает использование данного двигателя в практике машиностроения.
Известен кривошипно-ползунный механизм, содержащий основные кривошипы с центральными выводными валами, соединительный вал с шестернями, фиксирующими относительное положение основных кривошипов, дополнительный четырехколенный вал, концевые шейки которого выполнены с возможностью передвижения по кругу при равенстве радиусов основного кривошипа и дополнительного четырехколенного вала. Оси плеч четырехколенного вала повернуты на 45 от вертикальной оси против часовой стрелки. Шатуны, сочлененные с поршнями, сочленены с плечами через шейки. Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя за счет увеличения плеча приложения максимальной силы давления газов (патент РФ №2163680, МПК-7 F 02 B 75/32, опубл. 27.02.2001) – [3].
Недостатками данной конструкции являются:
– громоздкость,
– большое количество подвижных деталей,
– сложность практического уравновешивания трех коленчатых валов, вращающихся по сложной траектории движения.
Все это является препятствием для массового производства и практического использования двигателя.
Наиболее близким аналогом изобретения является двигатель по патенту Германии №3233314, МПК-7 F 02 B 75/32, опубл. 08.03.1984. – [4].
Задачей настоящего изобретения является создание такого кривошипно-шатунного механизма (КШМ) поршневого двигателя внутреннего сгорания, который позволяет более эффективно использовать максимальную и последующие силы от давления газов, выделяемых при сгорании топлива, что значительно улучшит эксплуатационные характеристики двигателя.
Это достигается тем, что аксиальный кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал с шатунной шейкой, шатун и поршень, дополнительно содержит эксцентрик, а также малую и большую шестерни. Причем шатунная шейка коленчатого вала соединена с шатуном посредством эксцентрика, а эксцентрик снабжен малой шестерней, выполненной с ним заодно, и имеет с ней общую ось вращения. При этом эксцентрик с малой шестерней расположены на оси шатунной шейки коленчатого вала таким образом, что малая шестерня эксцентрика входит в постоянное зацепление с большой шестерней, неподвижно установленной в блоке двигателя. Большая шестерня имеет радиус вдвое больше, чем радиус малой шестерни, а радиус эксцентрика относится к радиусу коленчатого вала в соотношении 1:5. Введение эксцентрика в соединение шатунная шейка – шатун, а также его кинематическая связь посредством малой шестерни с неподвижно закрепленной к блоку двигателя большой шестерней позволяют шатуну вместе с поршнем совершить дополнительное поступательное движение к верхней мертвой точке (ВМТ) после прохождения шатунной шейкой коленчатого вала нулевого положения. Поворачивание коленчатого вала на определенный угол после нулевого положения к моменту достижения поршнем ВМТ позволяет увеличить плечо для приложения возникающей в это время максимальной силы от давления газов. Это значительно увеличит крутящий момент и мощность двигателя, улучшит приемистость, запуск, уменьшит нагрузку на все детали КШМ и, соответственно, их износ, снизит расход топлива и токсичность выхлопных газов, уменьшит отрицательное влияние на окружающую среду.
На фиг.1 показана кинематическая схема КШМ в момент начального положения шатунной шейки коленчатого вала.
На фиг.2 показана кинематическая схема КШМ в момент поворота шатунной шейки коленчатого вала на 20.
На фиг.3 – графики движения поршня в заявляемом изобретении (график 1) и в аналоге [1] (график 2).
На фиг.4 – графики изменения плеча в заявляемом изобретении (график 1) и в аналоге [1] (график 2).
Кривошипно-шатунный механизм содержит коленчатый вал 1 с шатунной шейкой 2, шатун 3, соединенный с поршнем 4. Шатунная шейка 2 соединена с шатуном 3 посредством эксцентрика 5. Радиус (r’) эксцентрика 5 относится к радиусу (r) коленчатого вала 1 в соотношении 1:5. Эксцентрик 5 снабжен малой шестерней 6, выполнен с ней заодно и они расположены на оси шатунной шейки 2 коленчатого вала 1. Малая шестерня 6 входит в постоянное зацепление с большой шестерней 7, радиус которой вдвое больше, чем радиус малой шестерни 6. Большая шестерня 7 неподвижно установлена в блоке двигателя 8.
Кривошипно-шатунный механизм работает следующим образом.
В начальном положении шатунной шейки 2 коленчатого вала 1 эксцентрик 5 смещен по горизонтали в сторону вращения коленчатого вала, поэтому поршень 4 находится в положении, не достигшем верхней мертвой точки (фиг.1).
При вращении коленчатого вала 1 по часовой стрелке шатунная шейка 2 увлекает за собой находящиеся на своей оси эксцентрик 5 и малую шестерню 6. Поскольку шестерня 6 состоит в постоянном зацеплении с неподвижной большой шестерней 7, то она будет поворачиваться против часовой стрелки вокруг своей оси, а равно и оси шатунной шейки 2 вместе с эксцентриком 5. В свою очередь эксцентрик 5, поворачиваясь против часовой стрелки, продвигает шатун 3 и поршень 4 в направлении к ВМТ (фиг.2).
В соответствии с заданными относительными размерами большой шестерни 7 и малой шестерни 6 изменение угла поворота коленчатого вала 1 сопровождается изменением угла положения эксцентрика 5 в соотношении 1:2. Т.е. за один оборот коленчатого вала 1 эксцентрик 5 совершит два оборота.
Перемещение поршня при любом положении коленчатого вала можно определить по формуле
где Х – перемещение поршня (мм);
 – угол поворота коленчатого вала (град.);
r – радиус кривошипа (мм);
r’ – радиус эксцентрика (мм);
 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (0,3).
На фиг.3 (график 1) показано перемещение поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала, из которого следует, что поршень достигает ВМТ при 20 поворота коленчатого вала. Для сравнения приводится график 2 (аналог [1]), где поршень достигает ВМТ при нуле градусов поворота коленчатого вала.
На фиг.4 показаны графики изменения плеча (L) для приложения силы давления газов в зависимости от угла поворота коленчатого вала для заявляемого КШМ (график 1) и аналога [1] (график 2), сравнение которых позволяет определить относительное изменение плеча двух рассматриваемых механизмов. Графики построены по данным, полученным из формулы
L=rsin +r’cos 2,
где L – плечо (мм);
– угол поворота коленчатого вала (град.);
r – радиус кривошипа (мм);
r’ – радиус эксцентрика (мм).
Из указанных графиков следует, что в моменты:
– 10 до ВМТ, т.е. начало воспламенения смеси:
Lзаявл=14 мм,
Lаналога[1]=-8 мм;
– ВМТ, т.е. давление газов, близкое к максимуму:
Lзаявл=20 мм,
Lаналога[1]=0 мм;
– 10 после ВМТ, т.е. максимальное давление газов:
Lзaявл=24 мм,
Lаналога[1]=8 мм.
Соответственно, в такой же пропорции увеличится и крутящий момент двигателя, поскольку он прямо пропорционален плечу приложения силы.
Применение заявляемого КШМ в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет улучшить следующие эксплуатационные показатели двигателя:
– увеличение мощности двигателя в 2-4 раза за счет увеличения крутящего момента,
– повышение приемистости и надежности запуска двигателя за счет согласованной работы элементов КШМ,
– значительное снижение расхода топлива за счет возможности более раннего воспламенения смеси,
– уменьшение износа деталей за счет уменьшения внутренней нагрузки на все детали КШМ,
– уменьшение токсичности выхлопных газов за счет уменьшения расхода топлива и более полного его сгорания, что позволит снизить отрицательное воздействие на окружающую среду.
Кроме того, конструктивная простота кривошипно-шатунного механизма обусловлена незначительными конструктивными изменениями, позволяет широко использовать его в массовом производстве поршневых двигателей внутреннего сгорания различного назначения без внесения изменений в технологию их изготовления.
Таким образом, заявляемый аксиальный кривошипно-шатунный механизм позволяет создать новое поколение более мощных, экономичных и экологичных поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Формула изобретения Аксиальный кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал с шатунной шейкой, шатун, поршень, эксцентрик, малую и большую шестерни, причем шатунная шейка коленчатого вала соединена с шатуном посредством эксцентрика, а эксцентрик снабжен малой шестерней, выполненной с ним заодно, и имеет с ней общую ось вращения, при этом эксцентрик с малой шестерней расположены на оси шатунной шейки коленчатого вала таким образом, что малая шестерня эксцентрика входит в постоянное зацепление с большой шестерней, неподвижно установленной в блоке двигателя и имеющей радиус вдвое больше, чем радиус малой шестерни, отличающийся тем, что радиус эксцентрика относится к радиусу коленчатого вала в соотношении 1:5. РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 20.07.2006
Извещение опубликовано: 27.06.2007 БИ: 18/2007
|
||||||||||||||||||||||||||
