ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИЗМЕНЕННЫМ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫМ МЕХАНИЗМОМ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH MODIFIED CRANK MECHANISM

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к конструкции двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС).
2
1
Известные технические решения по ДВС, при прочих конструктивных изменениях, используют стандартную схему кривошипно-шатунного механизма, согласно которой длина шатуна L, как минимум, в два раза больше длины щеки коленчатого вала L (см. фиг. 1), а поршень находится с противоположной стороны от коленчатого вала. В итоге, в момент, когда на поршень действует максимальное давление во время воспламенения горючей смеси, вектор силы, давящей на поршень, не совпадает с вектором скорости точки на коленчатом валу, к которой приложена эта сила - они перпендикулярны друг к другу, что приводит к невысокому КПД.
Известна конструкция ДВС (патент РФ №2397342, 20.08.2010 г.), содержащего два поршня, две сочлененные фигурные зубчатые рейки, механизм преобразования возвратно-поступательного движения фигурных зубчатых реек во вращательное движение двух ведущих зубчатых колес и наоборот, при этом ведущее зубчатое колесо выполнено с обгонным устройством.
Согласно указанной конструкции радиус зубчатого колеса двигателя меньше, чем длина щеки коленчатого вала при одинаковых величинах хода поршня и оборотах коленчатого вала, что свидетельствует о низком КПД двигателя.
Известна конструкция ДВС (патент РФ №2084664, 20.07.1997 г.), принятого за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащего поршень, соединенный с шатуном-рейкой в виде вилки, внутренние поверхности которой по длине, соответствующей величине хода поршня, выполнены в виде зубчатой рейки-пластины с возможностью взаимодействия с шестернями-дисками, размещенными на валу, при этом диаметр шестерни и величины длины окружности в шестернях, которая снабжена зубьями, соответствует циклу двигателя.
За счет использования шатуна-рейки в виде вилки, наличие зубчатой передачи делают конструкцию простой в реализации, однако ее недостатком по-прежнему остается значительная разница длин между радиусом шестерни-диска и щеки коленчатого вала, что не позволяет обеспечить высокий КПД устройства. Также в указанной конструкции используется зубчатая передача, что приводит к быстрому износу механизма. Кроме того, у данного устройства возможен разрыв передаваемой мощности при переходе зубьев шестерни с одной рейки на другую, что не обеспечивает должную надежность работы устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД двигателя за счет обеспечения возможности практически полного совпадения по направлению вектора силы, давящей на поршень двигателя, и вектора скорости в точке на коленчатом валу, к которой приложена эта сила в момент воспламенения горючей смеси.
Технический результат достигается при использовании двигателя внутреннего сгорания с измененным кривошипно-шатунным механизмом, содержащим цилиндр с поршнем, неподвижно соединенным с вилкой, свободные концы которой неподвижно соединены посредством скобы, коленчатый вал, проходящий через вилку и соединенный со скобой посредством шатуна, при этом скоба имеет подвижное соединение с шатуном.
Поршень и вилка могут быть выполнены в виде единой детали.
Вилка имеет четыре проушины - по две проушины с каждой ее стороны. Скоба - деталь, которая соединяет между собой все свободные концы проушин вилки таким образом, что соединенными оказываются по две проушины с каждой стороны вилки, а также обе противоположные стороны вилки.
2
1
Заявляемая конструкция двигателя позволяет выполнить длину шатуна (расстояние L на фиг. 4а) сопоставимой с длиной щеки коленчатого вала (расстояние L на фиг. 4а), а также расположить поршень двигателя диаметрально противоположно по отношению к коленчатому валу в отличие от стандартной схемы (фиг. 1), вследствие чего вектор силы в поршне двигателя оказывается практически совпадающим с вектором скорости в точке приложения силы при воспламенении топлива, что позволяет значительно повысить КПД двигателя.
На фиг. 1 изображена стандартная схема кривошипно-шатунного механизма, используемого в ДВС, на фиг. 2 - заявляемая конструкция ДВС с измененным кривошипно-шатунным механизмом (вид спереди), на фиг. 3а - конструкция скобы, используемой в заявляемом двигателе (вид сбоку), на фиг. 3б - вариант конструкции скобы, используемой в заявляемом двигателе (вид сверху), на фиг. 4 - вариант конструкции коленчатого вала, используемого в заявляемом двигателе, на фиг. 5а - заявляемая конструкция ДВС с измененным кривошипно-шатунным механизмом (вид сбоку), на фиг. 5б - заявляемая конструкция ДВС (вид сверху), на фиг. 6 - схема приложения силы давления поршня и силы, действующей на коленчатый вал, согласно заявляемому решению, на фиг. 7 - график, показывающий, как меняется сила, приложенная к коленчатому валу при воздействии силы на поршень, равной единице.
Двигатель внутреннего сгорания с измененным кривошипно-шатунным механизмом содержит цилиндр 1 с поршнем 2, который неподвижно соединен с вилкой 3. Четыре проушины вилки 3, расположенные по две проушины с каждой ее стороны, соединены неподвижным разъемным соединением посредством скобы 4. Через вилку 3 проходит коленчатый вал 5, который соединен посредством шатуна 6 с частью скобы 4, соединяющей между собой противоположные стороны вилки 3 (фиг. 2).
Поршень 2 и вилка 3 могут быть выполнены в виде единой детали.
В качестве конструкции коленчатого вала 5 и шатуна 6 могут быть выбраны известные решения в данной области.
На фиг. 3а, 3б изображена скоба 4, которая соединяет стороны вилки 3 между собой неподвижным соединением и крепится к шатуну 6 подвижным соединением. На фигурах 3а, 3б показан один из вариантов выполнения скобы 4, но также возможны и другие варианты реализации указанной детали, которые позволяют жестко соединить между собой концы вилки, при этом сохраняя подвижное соединение с шатуном.
1
На фиг. 4 изображен один из вариантов выполнения коленчатого вала 5. Согласно указанному варианту коленчатый вал 5, как и скоба 4 (фиг. 3а, 3б), имеет косые срезы, которые позволяют скобе 4 и шатуну 6 проходить между двумя щеками L коленчатого вала 5.
При совершении возвратно-поступательных движений поршня 2 приводится в действие вращающийся коленчатый вал 5 путем возвратно-поступательных движений вилки 3 со скобой 4 и возвратно-вращательных движений шатуна 6.
1
2
2
1
Для обеспечения правильной работы механизма расстояние L (расстояние от оси коленчатого вала до оси шейки коленчатого вала - щека коленчатого вала) и L (расстояние от одной оси вращения шатуна до другой оси) должны отличаться (например, Артбалевский И.И. «Теория механизмов и машин». – М., «Наука», 4-е издание, 1988 год). Расстояние L должно быть немного больше L, как это показано на фиг. 5а.
На фиг. 5б приведен вид сверху заявляемой конструкции ДВС с одним из вариантов выполнения коленчатого вала 5 со скобой 4, имеющих косые срезы (фиг. 3а, 3б, фиг. 4).
0
2
1
0
На фиг. 6 показаны силы F и F, действующие на звенья L и L соответственно, где F - сила давления поршня, F - сила, действующая на коленчатый вал, α - угол поворота коленчатого вала.
0
Для расчета зависимости силы F от начальной силы F и угла α используем формулу:
На фиг. 7 показан график с параметрами:
где x - угол поворота коленчатого вала в радианах, показанный на горизонтальной оси X, по оси Y показано значение результирующей силы F, действующей на коленчатый вал.
0
По указанному графику можно определить, насколько эффективно при изменении угла поворота коленчатого вала сила F при поступательном движении поршня передается во вращательное движение коленчатого вала.
1
2
Из графика на фиг. 7 видно, что при отношении L к L, равном 0,95, максимальный коэффициент передачи силы будет при 114 градусах, то есть при X, равном 2, и Y близок к значению, равному 1,7.
0
Таким образом, при F (сила на поршне), равной единице, сила на коленчатом вале F будет почти в два раза больше.
1
2
Если дальше увеличивать величину отношения L к L, то максимум на графике будет смещаться левее и выше.
В итоге указанный график показывает, что заявляемый ДВС увеличивает исходную приложенную силу. В случае, если подобрать момент воспламенения горючей смеси таким образом, чтобы он приходился на пик графика на фиг. 7, ДВС будет иметь высокий КПД.
В предлагаемом решении фаза сжатия горючей смеси является более длительной по сравнению с известными решениями ДВС, что приводит к большему нагреву смеси перед воспламенением и обеспечит ее более быстрое сжигание, следовательно, большую эффективность двигателя. Также преимуществом заявляемой конструкции ДВС является неподвижное соединение поршня и вилки, что позволяет добиться более эффективного охлаждения поршня и избежать его перекоса в цилиндре двигателя.