CC BY
68
УДК 621.431
М. А. Масуев, М. М. Аливагабов
УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВС НА ОСНОВЕ НОВЫ1Х КОНСТРУКТИВНЫЙ СХЕМ
Ученые и инженеры с момента создания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) ведут поиск альтернативных конструкторских схем, способных повысить удельную мощность и КПД, снизить удельный расход топлива и удельную массу двигателя. Примерами могут служить двигатель Стирлинга с ромбическим механизмом Ланчестера, роторно-поршневой двигатель Ван-келя, двигатель барабанного типа с косой шайбой, бесшатунный двигатель Баландина и т. д. Однако, из-за несовершенства конструкции, эти двигатели не смогли составить серьезную конкуренцию традиционным двигателям с кривошипно-шатунным механизмом.
Проанализировав выпускаемые промышленностью и разрабатываемые двигатели и механизмы передачи движения различной конструкции, мы попытались предложить свою оригинальную и надежную конструкцию, позволяющую снизить массогабаритные размеры и удельный расход топлива, а также повысить КПД и мощность двигателя. В случае успеха такой двигатель мог бы стать достойной базой для создания надежной и высокоэффективной энергетической установки для транспортных средств, а также стационарных и переносных установок.
Конструктивная форма двигателя, его габаритные размеры в значительной мере зависят от механизма передачи движения. Именно поэтому поиск новых технических решений с целью повысить компактность двигателей и улучшить их эксплуатационные свойства связан с поиском новых типов механизмов передачи движения. В связи с этим нами были рассмотрены основные особенности передаточных механизмов, применяемых в ДВС, других узлах и механизмах.
Из большого количества рассмотренных схем, разработанных ранее другими авторами или в ходе выполнения описанной работы, наиболее целесообразной представляется схема двигателя с качательным (маятниковым) движением поршня по дуге окружности с возможностью организации рабочего процесса в обоих направлениях движения. Особенностью такой схемы является также возможность увеличить объем рабочей полости, а следовательно, улучшить условия эффективной организации рабочего процесса.
Механизм передачи движения, позволяющий преобразовывать как качательное движение поршня по дуге окружности, так и прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение выходного вала, с размещением его в отдельном отсеке, изолированном от полости цилиндра, разработан нами на основе двухкривошипного механизма Галловея [1]. Механизм передачи движения (рис. 1) представляет собой двухступенчатый спаренный шестеренно-кривошипный консольный механизм.
Назначение первой ступени механизма - преобразование качательного движения (поворота) на угол меньше 360° входного вала 1 в качательное движение шестерни первой ступени на угол до 180°. Достигается это подбором передаточных чисел шестерен первой ступени 2, 3, 4. Назначение второй ступени механизма - преобразование качательного движения шестерен первой ступени механизма с углом поворота 180° в непрерывное одностороннее вращательное движение выходного вала двигателя. Спаренный механизм позволяет увеличить нагрузки на вал в два раза, а подбор передаточных чисел между шестернями второй ступени 5, 8 и 9 - обеспечить частоту вращения выходного вала и маховика 12 без изменения мощности двигателя. Маховик 12 вращается на упорном подшипнике 19, а шестерни первой и второй ступени 3, 4 и 8, 9 соединены коромыслами 6 и 7 (10, 11). Механизм передачи движения запатентован [2].
Вид А-А
Рис. 1. Механизм передачи движения: а - общий вид; б - сечения
На основе разработанного механизма преобразования качательного движения во вращательное было разработано и предложено несколько вариантов ДВС. Наиболее компактным и эффективным из разработанных двигателей следует признать четырехтактный двигатель с качающимся поршнем двойного действия. При разработке нового двигателя перед нами стояла задача обеспечить плотную компоновку и уменьшить на этой базе его габариты, а также сохранить условия для организации высокоэкономичного рабочего процесса. Конструкция двигателя, удовлетворяющего поставленной задаче, представлена на рис. 2.
А-А
а б
Рис. 2. Конструкция четырехтактного ДВС с качающимся поршнем двойного действия: а - общий вид; б - сечение А-А
3
10 5
а
5
6
7
Двигатель работает следующим образом. При движении поршня 1 по часовой стрелке от правой мертвой точки (п. м. т.) до левой мертвой точки (л. м. т.), например, на угол 210-320°, топливно-воздушная смесь из газораспределительной камеры В через золотниковый клапан 2 поступает в рабочую полость А. При этом клапан 2 открыт при совпадении отверстий в корпусе 3, втулке и вале 4. При последующем движении поршня 3 от л. м. т. к п. м. т. в полости А
осуществляется сжатие поступившей в нее смеси. При этом в конце такта впуска или в начале сжатия запорная втулка с помощью выступа вала 4 поворачивается и перекрывает отверстия, которые остаются закрытыми в течение последующих трех тактов. При достижении поршнем 1 п. м. т. смесь воспламеняется от искры зажигания 5 и поршень 1 под давлением расширяющихся газов начинает движение к л. м. т. При движении поршня 1 от л. м. т. к п. м. т. осуществляется очистка рабочей полости А цилиндра от продуктов сгорания через золотниковый клапан 6 и газоотводную трубку 7. В конце такта выпуска отверстия открываются для повторного цикла. Параллельно аналогичный рабочий процесс осуществляется и в рабочей полости В.
Качательное движение поршня на угол до 210-320° преобразовывается во вращательное движение выходного вала двигателя с помощью нового механизма передачи движения, разработанного нами. Этот же механизм обеспечивает открытие и закрытие золотникового клапана 6. Четырехтактный ДВС с качающимся поршнем двойного действия запатентован [3].
Предложенная компоновочная схема позволяет создать двигатель и в двухсекционном (двухпоршневом) исполнении, в котором одновременно реализуются четыре рабочих цикла со сдвигом на один такт. При этом поворот вала в каждом направлении будет сопровождаться рабочим ходом одного из поршней, что обеспечивает стабильность работы и равномерность нагрузки вала. Эта компоновочная схема позволяет использовать также и традиционную для современных ДВС двух- или четырехклапанную систему газораспределения.
Для проведения сравнительного анализа ожидаемых параметров разрабатываемого двигателя с параметрами отечественного малоразмерного двигателя 4ЧСП 9,5/11 были проведены расчетные исследования. Чтобы обеспечить возможность сопоставления технических параметров, при выполнении расчетов площадь поршней и частота вращения вала сравниваемых двигателей были приняты равными или близкими. Технические параметры двигателя 4ЧСП 9,5/11 и расчетные показатели разрабатываемого двигателя представлены в таблице.
Расчетные показатели разрабатываемого двигателя и двигателя 4Ч 9,5/11
Показатель Двигатель 4ЧСП 9,5/11 Разрабатываемый двигатель
Число поршней, шт. 4 2
Площадь поршня, мм2 7 085 7 225
Ход поршня, мм 110 265
Средняя скорость поршня, м/с 6,96 8,37
Мощность, кВт 25 42
Частота вращения вала, с-1 31,6 31,6
Среднее эффективное давление, МПа 0,68 0,7
Масса, кг 400 67
Удельная масса, кг/кВт 16 1,6
Рис. 3. Четырехцилиндровый реечно-шестеренный двигатель
Из других вариантов разработанных двигателей для совместного использования с предложенным механизмом передачи движения наибольший интерес может представить четырехтактный четырехцилиндровый реечно-шестеренный двигатель (рис. 3).
Двигатель работает следующим образом. При перемещении поршня 9 первого цилиндра от в. м. т. 12 к н. м. т. 13 в цилиндре реализуется рабочий такт впуска или рабочего хода, а зубчатые рейки 8 и 16 поворачивают шестерню привода 5 на заданный угол, например 90-180°, т. е. точка 6 на шестерне, описав дугу, перемещается в точку 4, а точка 17 - в точку 15, при этом в цилиндре 2 реализуется рабочий такт сжатия или выпуска, а в цилиндре 9 - такт выпуска или сжатия, в цилиндре 14 - такт рабочего хода или выпуска. При возвращении поршня 9 из н. м. т. 13 в в. м. т. 12 в цилиндре реализуется очередной рабочий такт, а зубчатые рейки 8 и 16 возвращают шестерню 5 в исходное положение.
Таким образом, в ходе реализации четырехтактного рабочего цикла зубчатые рейки 8 и 16 поворачивают шестерню привода 5 на заданный угол четыре раза, в том числе два раза против и два раза по часовой стрелке. В результате возвратно-поступательное движение поршней левого и правого ряда преобразовывается в качательное движение, с поворотом на заданный угол, шестерни привода 5 и промежуточного вала 3, а затем с помощью разработанного двухкривошипного консольного механизма передачи движения качательное движение шестерни привода 5 и вала 3 переводится во вращательное движение выходного вала двигателя (1 и 11 - головки блока цилиндров).
Предложенные компоновочные схемы ДВС с механизмом передачи движения позволяют существенно снизить массогабаритные размеры двигателя, повысить их КПД, снизить удельный расход топлива, уменьшить количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, повысить эксплуатационные качества малоразмерных ДВС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. РФ № 2239739 С2. Механизм передачи движения / М. М. Аливагабов, А. М. Гасанов,
М. А. Масуев; Опубл. 10.11.2004; Бюл. № 31.
2. Пат. РФ № 2239711 С2. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем
двойного действия / М. М. Аливагабов, А. М. Гасанов, М. А. Масуев; Опубл. 10.11.2004; Бюл. № 31.
3. АчерканА. С. Справочник машиностроителя. - Т. 1. - М.: Машгиз, 1960. - 480 с.
Статья поступила в редакцию 6.10.2008
IMPROVEMENT OF PERFORMANCE CHARACTERISTICS AND INDICES OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINE BASED ON NEW CONSTRUCTION ARRANGEMENTS
M. A. Masuev, M. M. Alivagabov
The new construction arrangements for small-sized intemal-combustion engines (ICE) are presented. Their use together with the worked out mechanism of motion translation helps essentially to reduce mass and overall factors, fuel rate, quantity of emissions into the atmosphere, to increase coefficient of efficiency, to improve the performance characteristics and indices of small-sized internal-combustion engines (ICE).
Key words: performance characteristics, indices, intemal-combustion engine, the mechanism of motion translation.
