Конструкция пятицилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к приспособлениям для уравновешивания поршневых пятицилиндровых двигателей. Техническим результатом является улучшение уравновешенности пятицилиндрового двигателя с одним балансирным валом. Сущность изобретения заключается в том, что коленчатый вал двигателя выполняется с одной из двух схем расклинки кривошипов, соответствующей порядку работы 1-5-2-3-4 или 1-4-3-2-5, при которых обеспечивается минимальная неуравновешенность коленчатого вала от действия моментов сил инерции 2-го порядка возвратно-поступательно движущихся масс. Момент от сил инерции 1-го порядка уравновешивается с помощью противовесов, располагаемых на коленчатом и одном балансирном вале. Причем параметры противовесов определяются из условия полного уравновешивания момента 1-го порядка. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к пятицилиндровым поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Уравновешенность той или иной конструкции ДВС является важным свойством. В настоящее время уравновешивание многоцилиндровых (ДВС) осуществляют за счет выбора оптимальной схемы углов расклинки кривошипов коленчатого вала, при которой обеспечивается минимальное возмущение от действия реактивного крутящего момента, от сил инерции и моментов от них, а также с помощью противовесов, устанавливаемых на коленчатом и балансирных валах, в случае если даже при оптимальной схеме коленчатого вала возмущения от инерционных сил и моментов достаточно велики. Причем для уравновешивания моментов от сил инерции 1-го порядка необходим один балансирный вал, а для уравновешивания моментов от сил инерции 2-го порядка - два (Луканин В.Н. и Шатров М.Г. (ред.). Двигатели внутреннего сгорания, Кн.2, Динамика и конструирование. М., Высшая школа, 2007 г. - 400 с). Также известны другие механические и электромеханические уравновешивающие механизмы (RU 2460915 C1, 10.09.2012; RU 2438025 C2, 27.12.2011; RU 2011061 C1, 15.04.1994; RU 2272194 C1, 20.03.2006; RU 2097571 C1, 27.11.1997; FR 2858034 A1, 28.01.2005; ES 2270310 T3, 01.04.2007; UA 8933 U, 15.08.2005). Недостатками этих устройств является сложность конструкции.

Особенностью конструкций рядных пятицилиндровых двигателей является многовариантность возможных конструкций коленчатого вала - здесь равномерное чередование рабочих ходов (именно это условие обеспечивает лучшую уравновешенность от реактивного крутящего момента) обеспечивается при 24-х вариантах углов расклинки кривошипов. Причем для каждого варианта коленчатого вала в двигателе будут существовать неуравновешенные моменты от сил инерции как 1-го, так и 2-го порядков, разные по величинам возмущений для каждого варианта (Гусаров В.В. Уравновешивание поршневых двигателей: учебное пособие. М.: МГИУ, 2010.-134 с.).

В настоящее время все пятицилиндровые двигатели имеют конструкцию коленчатого вала только с одной из 2-х (из 24-х возможных) схем расклинки кривошипов, при которых обеспечивается минимальное возмущение от суммарного действия моментов сил инерции 1-го и 2-го порядков. Этим схемам соответствуют порядки работы цилиндров: 1-2-4-5-3 или 1-3-5-4-2 (для 4-тактных двигателей). При таких конструкциях коленчатых валов возмущения от действия моментов сил инерций 1-го и 2-го порядков примерно одинаковы. В практике конструирования таких двигателей известны 3 варианта уравновешивания: либо никаких уравновешивающих устройств не применяют (в этом случае двигатели имеют повышенную вибрацию), либо уравновешивают только момент от сил инерции 1-го порядка (применяют один балансирный вал), как это сделано в двигателях фирмы «FIAT», либо уравновешивают момент от сил инерции 2-го порядка (применяют два балансирных вала), как это сделано в двигателях фирмы «SСANIA». Полное уравновешивание инерционных моментов 1-го и 2-го порядков возможно при установке 3-х балансирных валов, но этот способ не применяют из-за чрезмерного усложнения конструкции двигателя.

Заметим, что центробежные моменты в таком двигателе достаточно просто полностью уравновешиваются с помощью нащечных противовесов коленчатого вала и этот вопрос здесь не рассматривается.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является улучшение уравновешенности пятицилиндрового двигателя от действия моментов сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс при небольшом усложнении его конструкции - установки одного балансирного вала.

Отличием предлагаемой конструкции пятицилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания является другая схема расклинки кривошипов коленчатого вала, при которой равномерное чередование рабочих ходов обеспечивается при порядке работы 1-5-2-3-4 или 1-4-3-2-5 (для 4-тактных двигателей) и применение одного балансирного вала для уравновешивания момента 1-го порядка. В предлагаемой конструкции обеспечивается минимальное возмущение от действия момента сил инерции 2-го порядка (меньшее, чем в известных моделях), хотя действует заметный момент от сил 1-го порядка (больший, чем в существующих образцах) (См. Табл.3.4 на стр.77. Гусаров В.В.. Уравновешивание поршневых двигателей: учебное пособие. М.: МГИУ, 2010.-134 с.). Однако после уравновешивания момента 1-го порядка с помощью одного балансирного вала пятицилиндровый двигатель с предлагаемыми схемами расклинки кривошипов коленчатого вала и одним балансирным валом будет уравновешен лучше, чем при любой иной схеме коленчатого вала и применения одного или двух балансирных валов (сравнительно со всеми существующими образцами подобных двигателей). Для сравнения: безразмерное значение амплитуды неуравновешенного момента 2-го порядка в пятицилиндровом двигателе «FIAT» (со схемой расклинки кривошипов соответствующих порядку работы 1-2-4-5-3 и с одним балансирным валом для уравновешивания момента 1-го порядка) составляет величину 4,98, в предлагаемой схеме коленчатого вала 0,495, т.е. в 10 раз меньше. Неуравновешенность сравниваемых конструкций, оцениваемая величинами безразмерных значений импульсов возмущений от действия инерционных моментов составляет 1,22 рад в первом случае и 0,11 рад во втором, т.е. у предлагаемой конструкции примерно в 10 раз меньше. Безразмерное значение амплитуды неуравновешенного момента 1-го порядка в пятицилиндровом двигателе «SСANIA» со схемой расклинки кривошипов соответствующих порядку работы 1-2-4-5-3 и с двумя балансирными валами для уравновешивания момента 2-го порядка составляет величину 0,449, что соответствует величине безразмерного импульса возмущения 0,90 рад, что почти в 10 больше, чем в предлагаемой конструкции. (Гусаров В.В.. Уравновешивание поршневых двигателей: учебное пособие. М.: МГИУ, 2010.-134 с.). С учетом вышеизложенного предлагаемая конструкция пятицилиндрового двигателя обеспечивает весьма существенное уменьшение возмущений от действия неуравновешенных инерционных моментов, чем в двигателе «SСANIA», даже при установке 2-х балансирных валов. Другие известные конструкции пятицилиндровых двигателей, на которых не установлены балансирные валы здесь не рассматриваются из-за их гораздо худшей уравновешенности.

Таким образом, технический результат лучшего уравновешивания пятицилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания достигается за счет сочетания конструкции коленчатого вала с углами расклинки кривошипов, обеспечивающими равномерное чередование рабочих ходов при порядке работы 1-5-2-3-4 или 1-4-3-2-5, так что при этом значение возмущений от инерционного момента 2-го порядка минимально, и установки противовесов на коленчатом и одном балансирном вале, таким образом, чтобы полностью уравновесить момент от сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс 1-го порядка, при этом параметры установки должны отвечать следующим условиям: m₁·r₁·l₁=m₂·r₂·l₂; m₁·r₁·l₁=2,49·m·r·a, где m - масса деталей кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение в одном цилиндре, r - радиус кривошипа коленчатого вала, a - расстояние между осями соседних цилиндров, m₁·r₁ и m₂·r₂ - дисбалансы противовесов на коленчатом и балансирном валах, l₁ и l₂ - расстояния между противовесами на коленчатом и балансирном валах. Угол плоскости расположения центров масс противовесов при этом должен составлять±18° относительно плоскости первого кривошипа.

Конструкция пятицилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания может предусматривать установку не двух противовесов, а большего числа вплоть до 10 - по одному на каждой щеке коленчатого вала, при условии, что величина и плоскость действия результирующего центробежного момента от них будут соответствовать условиям: модуль результирующего центробежного момента равен m₁·r₁·l₁, угол плоскости его действия составляет 18° относительно плоскости 1-го колена.

Предлагаемая конструкция пятицилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания поясняется чертежом (Фиг.1) На чертеже показаны конструкции коленчатого вала с углами расклинки кривошипов, соответствующие порядкам работы 1-5-2-3-4 (Фиг.1а) и 1-4-3-2-5 (Фиг.1б), а также параметры противовесов (дисбалансы: m₁·r₁, m₂·r₂, углы и расстояния между противовесами l₁, l₂), устанавливаемых на коленчатом (нижний индекс 1) и балансирном (нижний индекс 2) валах, которые одинаковы (кроме углов размещения противовесов) для каждой из 2-х предлагаемых схем расклинки кривошипов (на Фиг.1в для схемы на Фиг.1а, на Фиг.1 г для схемы на Фиг.1б). Расстояние между осями соседних цилиндров а.

Изобретение работает следующим образом. При вращении коленчатого вала пятицилиндрового двигателя с указанными на Фиг.1а и 1б схемами расклинки кривошипов возникают моменты от действия возвратно-поступательно движущихся масс: минимально возможный для этого типа двигателей момент от сил инерции 2-го порядка и момент от сил инерции 1-го порядка. Они действуют в вертикальной плоскости. Также возникают два центробежных момента от противовесов, расположенных на коленчатом (первый центробежный) и одном балансирном валах (второй центробежный). При соответствующем значении параметров противовесов результирующий момент (от двух центробежных) также будет лежать в вертикальной плоскости и он может полностью уравновесить момент 1-го порядка (Гусаров В.В. Уравновешивание поршневых двигателей: учебное пособие. М.: МГИУ, 2010.-134 с.).

Для предлагаемой конструкции пятицилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания (Фиг.1) полное уравновешивание момента 1-го порядка обеспечивается при параметрах противовесов, удовлетворяющих следующим условиям: m₁·r₁·l₁=m₂·r₂·l₂; m₁·r₁·l₁=2,49·m·r·a, где m - масса деталей кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение в одном цилиндре, r - радиус кривошипа коленчатого вала, a - расстояние между осями соседних цилиндров, m₁·r₁ и m₂·r₂ - дисбалансы противовесов на коленчатом и балансирном валах, l₁ и l₂ расстояния между противовесами.

Угол плоскости расположения центров масс противовесов должен составлять±18° относительно плоскости первого кривошипа (Фиг.1в, г).

Таким образом, в итоге остается неуравновешенным только небольшой момент от сил инерции 2-го порядка. Это минимально возможный момент из всех схем расклинки кривошипов пятицилиндровых двигателей.

1. Пятицилиндровый поршневой двигатель внутреннего сгорания, отличающийся тем, что применяют коленчатый вал со схемой углов расклинки кривошипов, соответствующей порядку работы 1-5-2-3-4, при этом установка одного балансирного вала и расположение противовесов на коленчатом и балансирном валах осуществляется с учетом параметров, соответствующих условиям: m₁·r₁·l₁=m₂·r₂·l₂; m₁·r₁·l₁=2,49·m·r·a, где m - масса деталей кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение в одном цилиндре, r - радиус кривошипа коленчатого вала, а - расстояние между осями соседних цилиндров, m₁·r₁ и m₂·r₂ - дисбалансы противовесов на коленчатом и балансирном валах, l₁ и l₂ расстояния между противовесами на коленчатом и балансирном валах, при этом угол плоскости расположения центров масс противовесов составляет ±18° относительно плоскости первого кривошипа.

2. Пятицилиндровый поршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что на коленчатом валу размещают не два, а большее число противовесов вплоть до 10 - по одному на каждой щеке коленчатого вала при условии, что величина и плоскость действия результирующего центробежного момента от них будут соответствовать условиям: модуль результирующего центробежного момента равен m₁·r₁·l₁, угол плоскости его действия составляет 18° относительно плоскости 1-го колена.

3. Пятицилиндровый поршневой двигатель внутреннего сгорания, отличающийся тем, что применяют коленчатый вал со схемой углов расклинки кривошипов, соответствующей порядку работы 1-4-3-2-5, при этом установка одного балансирного вала и расположение противовесов на коленчатом и балансирном валах осуществляется с учетом параметров, соответствующих условиям: m₁·r₁·l₁=m₂·r₂·l₂; m₁·r₁·l₁=2,49·m·r·a, где m - масса деталей кривошипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступательное движение в одном цилиндре, r - радиус кривошипа коленчатого вала, a - расстояние между осями соседних цилиндров, m₁·r₁ и m₂·r₂ - дисбалансы противовесов на коленчатом и балансирном валах, l₁ и l₂ расстояния между противовесами на коленчатом и балансирном валах, при этом угол плоскости расположения центров масс противовесов составляет ±18° относительно плоскости первого кривошипа.

4. Пятицилиндровый поршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 3, отличающийся тем, что на коленчатом валу размещают не два, а большее число противовесов вплоть до 10 - по одному на каждой щеке коленчатого вала при условии, что величина и плоскость действия результирующего центробежного момента от них будут соответствовать условиям: модуль результирующего центробежного момента равен m₁·r₁·l₁, угол плоскости его действия составляет 18° относительно плоскости 1-го колена.