КОНСТРУКЦИЯ ПЯТИЦИЛИНДРОВОГО ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
FIVE-CYLINDER PISTON ICE (VERSIONS)

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.
1
1
1
2
2
2
1
1
1
1
1
2
2
1
2
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: m·r·l=m·r·l; m·r·l=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, m·r и m·r- дисбалансы противовесов на коленчатом и балансирном валах, lи l - расстояния между противовесами на коленчатом и балансирном валах. Угол плоскости расположения центров масс противовесов при этом должен составлять±18°относительно плоскости первого кривошипа.
1
1
1
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 m·r·l, угол плоскости его действия составляет 18° относительно плоскости 1-го колена.
1
1
2
2
1
2
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: m·r, m·r, углы и расстояния между противовесами l, l),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.).
1
1
1
2
2
2
1
1
1
1
1
2
2
1
2
Для предлагаемой конструкции пятицилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания (Фиг.1) полное уравновешивание момента 1-го порядка обеспечивается при параметрах противовесов, удовлетворяющих следующим условиям: m·r·l=m·r·l; m·r·l=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, m·r и m·r- дисбалансы противовесов на коленчатом и балансирном валах, lи l 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.