CC BY
51
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 16, 2010. -\-
МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.431 М.А. Масуев
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В статье представлена новая компоновочная схема для малоразмерных двигателей. Применение предлагаемой компоновочной схемы ДВС совместно с разработанным автором механизмом передачи движения позволит существенно снизить массо-габаритные показатели, удельный расход топлива, выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, повысить КПД и улучшить эксплуатационные качества малоразмерных двигателей внутреннего сгорания.
Конструкция двигателя внутреннего сгорания с качающимся поршнем двойного действия, разработанная преподавателями кафедры ЭАТ и АС МФ МАДИ (ГТУ) -патент №2239711 позволяет уменьшить удельный расход топлива, массу и габариты двигателя, трудовые и материальные затраты на его производство.
Ключевые слова: двигатель с качающимся поршнем двойного действия, механизм преобразования и передачи движения.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)являются наиболее распространенным типом тепловых двигателей. На их долю приходится более 80% всей вырабатываемой в мире энергии. По оценкам специалистов в мире используется более 700 млн. ДВС различного назначения, в которых ежесуточно сжигается 35...40 млн. тонн нефтяного топлива. Сжигание нефтяного топлива в таких огромных количествах и соответствующий выброс в атмосферу отработавших газов приводит к нарушению сложившегося соотношения состава атмосферы земли, что может стать причиной катастрофических изменений климата земли.
Кроме того, работа ДВС сопровождается высоким уровнем шума и вибрации, большими потерями мощности на преодоление сил трения, чрезмерным расходом высококачественных и дорогих горюче-смазочных материалов, большим количеством опасных для жизни продуктов не полного сгорания в отработавших газах, большим расходом металла, сложностью и дороговизной изготовления и т. д. Поэтому во всем мире ведется поиск новых технических решений, направленных на устранение или уменьшение перечисленных недостатков, улучшение условий протекания рабочих процессов, совершенствование конструкции двигателей.
Ученые и инженеры с самого начала создания двигателя внутреннего сгорания ведут поиск альтернативных конструкций ДВС, способных повысить удельную мощность и КПД, снизить удельный расход топлива и удельную массу двигателя. К таким разработкам можно отнести двигатель Р. Стирлинга с ромбическим механизмом Ф. Ланчестера, роторно-поршневой двигатель Ф. Ванкеля, двигатель барабанного типа с косой шайбой, бесшатунный двигатель Баландина и т.д. Некоторые из указанных двигателей находятся на стадии разработки, некоторые проходят испытания, а некоторые уже серийно выпускаются. 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 с различными конструкциями мы попытались предложить свою оригинальную и надежную конструкцию, позволяющую снизить массо-габаритные
-\-
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 и другого оборудования.
Конструктивная форма двигателя, его габаритные размеры в значительной мере зависит от механизма передачи движения. Поэтому поиск новых технических решений, направленных на повышение компактности двигателей и улучшение их эксплуатационных качеств, связаны с поиском новых механизмов передачи движения. В связи с этим в работе были рассмотрены основные особенности передаточных механизмов применяемых в двигателях внутреннего сгорания, других узлах и механизмах.
Из большого количества рассмотренных схем, выполненных ранее другими авторами или разработанных в ходе выполнения настоящей работы наиболее целесообразным 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 увеличения объема рабочей полости, а следовательно улучшения условий организации рабочего процесса.
Механизм передачи движения позволяющий преобразовывать качательное движение поршня по дуге окружности во вращательное движение выходного вала, с размещением его в отдельном отсеке, изолированном от полости цилиндра, не существует. Он разработан нами на базе известного механизма Галловея (рис.1).
Рис. 1. Механизм передачи движения
Механизм передачи движения представляет собой двухступенчатый спаренный шестеренно-кривошипный консольный механизм. Назначение первой ступени механизма преобразование качательного движения (поворота) на угол меньше 360 градусов входного вала 3 в качательное движение шестерни первой ступени на угол до 180 градусов. Достигается это путем подбора передаточных чисел шестерен первой ступени 4, 5, 6. Назначение второй ступени механизма - преобразование качательного движения шестерен первой ступени механизма с углом поворота 180 градусов 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 9, 12, и 13 позволяет обеспечить требуемую для потребителя частоту вращения выходного вала и маховика 17 без изменения мощности двигателя. Маховик 17 вращается на упорном подшипнике 19, а шестерни первой и второй ступени 5, 6 и 12, 13 соединены коромыслами 10 и 11 (14, 15). Механизм передачи движения запатентован автором. Патент на изобретение №22 39 739.
На основе разработанного механизма преобразования качательного движения во вращательное были разработаны и предложены несколько вариантов двигателей внутреннего сгорания. Наиболее компактным и эффективным из разработанных двигателей следует признать четырехтактный двигатель с качающимся поршнем двойного действия. При разработке нового двигателя перед автором стояла задача обеспечения плотной компоновки и уменьшение на этой базе его габаритов, а также сохранения условий для организации высокоэкономичного рабочего процесса. Конструкция двигателя, удовлетворяющего поставленной задаче представлена на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с качающимся поршнем двойного действия
Двигатель работает следующим образом. При движении поршня 3 по часовой стрелке от правой мертвой точки (ПМТ) до левой мертвой точки (ЛМТ), например, на угол 210...320 градусов, топливно-воздушная смесь из газораспределительной камеры В через золотниковый клапан 24 поступает в рабочую полость А. При этом клапан 24 открыт при совпадении отверстий в корпусе 20, втулке и вале 5. При последующем движении поршня 3 от ЛМТ к ПМТ 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 5 поворачивается, и перекрывает отверстия, которые остаются закрытыми в течение последующих трех тактов. При достижении поршнем 3 ПМТ смесь воспламеняется от искры зажигания 15 и поршень 3 под давлением расширяющихся газов начинает движение к ЛМТ. При движении поршня 3 от ЛМТ к ПМТ осуществляется очистка рабочей полости А цилиндра от продуктов сгорания через золотниковый клапан 11 и газоотводную трубку 10. В конце такта выпуска отверстия открываются для повторного цикла. Параллельно аналогичный рабочий процесс осуществляется и в рабочей полости Б.
Качательное движение поршня на угол до 210...3200 преобразовывается во вращательное движение выходного вала двигателя с помощью нового механизма передачи движения, разработанного автором. Этот же механизм обеспечивает открытие и закрытие золотникового клапана 11. «Четырехкратный двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем двойного действия» запатентован автором. Патент на изобретение №22 39 11.
Предложенная компоновочная схема позволяет создать двигатель и в двухсекционном (двухпоршневом) исполнении, в котором одновременно реализуется четыре рабочих цикла со сдвигом на один такт. При этом поворот вала в каждом направлении будет сопровождаться рабочим ходом, одного из поршней, тем самым обеспечивается стабильность работы и равномерность нагрузки вала. Эта компоновочная схема позволяет также использовать и традиционную для современных ДВС двух или четырехклапанную систему газораспределения, что позволит использовать богатый накопленный опыт двигателестроительных фирм в организации рабочего процесса.
Для проведения сравнительного анализа ожидаемых параметров разрабатываемого двигателя с параметрами отечественного малоразмерного двигателя 4 ЧСП 9,5/11 были проведены расчетные исследования. Для обеспечения возможности сопоставления технических параметров, при выполнении расчетов площади поршней и частота вращения вала сравниваемых двигателей были приняты равными или близкими. Технические параметры двигателя 4 ЧСП 9,5/11 и расчетные показатели разрабатываемого двигателя представлены в табл. 1.
Таблица 1. Расчетные показатели разрабатываемого двигателя и технические параметры двигателя 4Ч 9,5/11_
Двигатель Разрабатываемый
Показатели 4ЧСП 9,5/11 двигатель
Число поршней, шт 4 2
Площадь поршня, мм2 7085 7225
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
Библиографический список:
1. Патент РФ №2239711 С2 .Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем двойного действия /М.М. Аливагабов, А.М. Гасанов, М.А. Масуев. Заявка №2002116394. Приоритет изобр. 17. 10. 2002г.
2. Патент РФ №2239739 С2 .Механизм передачи движения / М.М. Аливагабов, А.М. Гасанов, М.А. Масуев. Заявка №2002114366. Приоритет изобр. 31. 05. 2002г.
-\-
М.А.Ма$иву
Highly effective energy-conserving an internal combustion engine
The new layout scheme for low-sized engines is presented in this article. Application of offered layout scheme of internal combustion engine together with the developed by the author the mechanism of transfer of movement will allow to low large-dimensioned indicators, the specific expense of fuel, emissions of polluting substances in atmosphere, to raise efficiency and to improve operational qualities low-sized internal combustion engines.
Масуев Масу Аскандарович - (р. 1948) заведующий кафедрой «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» Махачкалинского филиала МАДИ (ГТУ), кандидат технических наук (1980), доцент (2004). Окончил Московский автомобильно-дорожный институт (1972).
Область научных интересов: техническая эксплуатация автомобилей, повышение эксплуатационных качеств двигателей внутреннего сгорания. Автор более 25 публикаций.
