Аксиальный кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя внутреннего сгорания

 

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);

ϕ - угол поворота коленчатого вала (град.);

r - радиус кривошипа (мм);

r’ - радиус эксцентрика (мм);

λ - 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 ϕ+r’cos 2ϕ,

где L - плечо (мм);

ϕ - 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:

L_заявл=14 мм,

L_{аналога[1]}=-8 мм;

- ВМТ, т.е. давление газов, близкое к максимуму:

L_заявл=20 мм,

L_{аналога[1]}=0 мм;

- 10° после ВМТ, т.е. максимальное давление газов:

L_зaявл=24 мм,

L_{аналога[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

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4