Номер патенту: 6432

Опубліковано: 16.05.2005

Автор: Кірпікін Анатолій Васильович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Кривошипно-шатунний двигун, що має принаймні один циліндр і установлений в ньому поршень, поршневий палець якого шарнірно з'єднаний шатуном з шатунною шийкою колінчастого вала, який має противаги і зчленований із зубчастим маховиком, який відрізняється тим, що для підвищення потужності, моторесурсу і економічності шляхом посилення впливу шатуна на колінчастий вал, збільшення величини і фази крутного моменту, усунення тертя поршня та спрощення його форми і подовження його ходу, укорочення шатуна й циліндра та зменшення маси маховика і висоти двигуна, він оснащений додатковим колінчастим валом і додатковим зубчастим маховиком, останній з яких входить у контактне зчеплення з основним зубчастим маховиком для забезпечення синхронності силового обертання додаткового і основного колінчастих валів в протилежних один відносно одного напрямках, поршень оснащений додатковим поршневим пальцем, який шарнірно з'єднаний додатковим шатуном з шатунною шийкою згаданого додаткового колінчастого вала, а всі додаткові деталі і відповідні їм основні деталі виконані ідентичними і розташовані щодо осьових ліній циліндра на однакових відстанях з можливістю забезпечення адекватності їх динамічної взаємодії з поршнем, причому частина поршня, яка містить в собі додатковий й основний поршневі пальці, виконана з можливістю поміщення її між шатунними шийками й між противагами додаткового і основного колінчастих валів.

2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що циліндр і поршень мають в поперечному перерізі квадратну або прямокутну форму.

Текст

1. Кривошипно-шатунний двигун, що має принаймні один циліндр і установлений в ньому поршень, поршневий палець якого шарнірно з'єднаний шатуном з шатунною шийкою колінчастого вала, який має противаги і зчленований із зубчастим маховиком, який відрізняється тим, що для підвищення потужності, моторесурсу і економічності шляхом посилення впливу шатуна на колінчастий вал, збільшення величини і фази крутного моменту, усунення тертя поршня та спрощення його форми і подовження його ходу, укорочення шатуна й циліндра та зменшення маси маховика і висоти двигуна, він оснащений додатковим колінчастим валом і додатковим зубчастим маховиком, остан ній з яких входить у контактне зчеплення з основним зубчастим маховиком для забезпечення синхронності силового обертання додаткового і основного колінчастих валів в протилежних один відносно одного напрямках, поршень оснащений додатковим поршневим пальцем, який шарнірно з'єднаний додатковим шатуном з шатунною шийкою згаданого додаткового колінчастого вала, а всі додаткові деталі і відповідні їм основні деталі виконані ідентичними і розташовані щодо осьових ліній циліндра на однакових відстанях з можливістю забезпечення адекватності їх динамічної взаємодії з поршнем, причому частина поршня, яка містить в собі додатковий й основний поршневі пальці, виконана з можливістю поміщення ЇЇ між шатунними шийками й між противагами додаткового і основного колінчастих валів. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що циліндр і поршень мають в поперечному перерізі квадратну або прямокутну форму. Корисна модель відноситься до поршневих двигунів, а більш конкретно - до кривошипношатунних двигунів. Практика використання таких двигунів є багатою на різноманітність різновидів та їх конструктивних особливостей. Відомий двигун Ленуара, що складається із циліндра, поршня, шатуна і колінчастого вала з маховиком [Долматовский Ю.А. Автомобиль за 100 лет. Москва. "Знание". 1986. Стор. ЗО]. Найближчим до корисної моделі по технічній суті є двигун, що має принаймні один циліндр і установлений в ньому поршень, поршневий палець якого шарнірно з'єднаний шатуном з шатунною шийкою колінчастого вала, який має противаги і зчленований із зубчастим маховиком [Боровських Ю.І. та ін. Будова автомобілів. Київ. Вища школа. 1991. Стор. 18-27]. Технічним властивостям відомих кривошипношатунних двигунів притаманні численні недоліки, серед яких основними є такі: - ослаблення впливу шатуна на колінчастий вал в кінці робочого ходу поршня, що зменшує величину крутного моменту двигуна; - недосить велика фаза позитивного крутного моменту, яка не може бути більше 180°; - наявність бічного тертя поршня об стінки циліндра, що вкорочує довговічність роботи поршневої групи і є причиною технічної' можливості перекосів, підклинювання й заклинювання поршня всередині циліндра; - складність будови поршня, форма поперечного перерізу якого є овальною; - недостатність ходу поршня, що знижує ефективність робочих процесів двигуна, і неможливість подовження цього ходу без збільшення діаметра колінчастого вала та довжини циліндра й шатуна, а, значить, і висоти двигуна; - надмірна довжина шатуна й циліндра, що збільшує громоздкість двигуна; - масивність маховика, яка визначає величину його моменту інерції; - велика висота двигуна, що погіршує його компактність і не задовольняє аеродинамічні вимоги. Ці технічні недоліки погіршують технікоексплуатаційну характеристику двигуна, завдають йому вагомих технічних збитків і шкоди, понижують т CM со (О 6432 його потужність и моторесурс, негативно впливають на його економічність і зумовлені технічними задами, хибами будови, недосконалістю кінематики й динаміки двигунів-аналогів, що перешкоджає при використанні найближчого аналога одержанню гаданного технічного результату. Технічна задача корисної моделі полягає в покращанні технічної характеристики заявляемого двигуна за рахунок усунення наведених технічних недоліків, а конкретніше - в підвищенні потужності, моторесурсу й економічності шляхом посилення впливу шатуна на колінчастий вал, збільшення величини й фази крутного моменту, усунення тертя поршня та спрощення його форми й подовження його ходу, укорочення шатуна й циліндра та зменшення маси маховика й висоти двигуна. Для вирішення вказаної технічної задачі двигун, який має принаймні один циліндр і установлений в ньому поршень, поршневий палець якого шарнірно з'єднаний шатуном з шатунною шийкою колінчастого вала, який має противаги і зчленований із зубчастим маховиком, наділений додатковим колінчастим валом і додатковим зубчастим маховиком, останній з яких входить у контактне зчеплення з основним зубчастим маховиком для забезпечення синхронності силового обертання додаткового й основного колінчастих валів в протилежних відносно один одного напрямках, поршень наділений додатковим поршневим пальцем, який шарнірно з'єднаний додатковим шатуном з шатунною шийкою згаданого додаткового колінчастого вала, а всі додаткові деталі і відповідні їм основні деталі виконані ідентичними і розташовані щодо осьових ЛІНІЙ циліндра на однакових відстанях з можливістю забезпечення адекватності їх динамічної взаємодії з поршнем, причому частина поршня, в якій містяться додатковий і основний поршневі пальці, виконана з можливістю її поміщення між шатунними шийками й між противагами додаткового й основного колінчастих валів. При цьому циліндр і поршень можуть мати в поперечному перерізі квадратну чи прямокутну форму. Суть заявляемого технічного рішення виражена сукупністю відмітних технічних ознак, які є суттєвими тому, що кожна з цих ознак окремо взята є невід'ємною від корисної моделі і необхідною їй, а всі разом взяті ці ознаки достатні для того, щоб відрізнити описаний двигун від всіх інших і характеризувати його в технічних властивостях і якості, які проявляються у вирішенні технічної задачі корисної моделі і досягненні приведеного нижче додаткового технічного результату, що може бути одержаний при здійсненні корисної моделі. Технічна суть пропонуємого технічного рішення пояснюється кресленнями, на яких зображений приклад конкретного використання корисної моделі в формі кривошипно-шатунного двигуна внутрішнього згорання. На Фіг. 1 показаний вертикальний розріз двигуна, на Фіг.2 - поперечний переріз двигуна, на ФІг.З - поперечний розріз циліндра. Пропонуємий двигун складається із циліндра 1 з головкою 2, картера 3 з піддоном 4 і установленого в циліндрі 1 поршня 5, який містить в собі верхню 6 й нижню 7 частини та виємку 8, яка зменшує масу поршня 5 і може бути камерою згоран ня. Верхня 6 частина поршня 5 призначена для ущільнення зазора між поршнем 5 і циліндром 1. Нижня 7 частина поршня 5 виконана у вигляді штока, який споряджений лівим 9 й правим 10 поршневими пальцями, які шарнірно з'єднані лівим 11 й правим 12 шатунами, відповідно, з лівою 13 й правою 14 шатунними шийками лівого 15 й правого 16 колінчастих валів, зчленованих з лівим 17 й правим 18 зубчастими маховиками (Фіг.1). Для урівноважування відцентрових сил лівий 15 й правий 16 колінчасті вали мають ліві 19 й праві 20 противаги, між якими поміщається нижня 7 частина поршня 5 разом зі своїми поршневими пальцями 9 й 10 та шатунами 11 й 12 (Фіг.1, 2 І 3) при проходженні поршня 5 через зону НМТ. Лівий 9 й правий 10 поршневі пальці розміщені щодо осьових ліній поршня 5 симетрично, лівий 15 й правий 16 колінчасті вали розташовані відносно один одного у дзеркальному відображенні, а лівий 17 й правий 18 зубчасті маховики входять між собою у контактне зубчасте зчеплення і забезпечують технічну можливість синхронного силового обертання лівого 15 й правого 16 колінчастих валів в протилежних щодо один одного напрямках. Для двигуна внутрішнього згорання напрямок обертання колінчастих валів 15 й 16 раціональним буде такий, при якому прямолінійний рух поршня 5 перетворюється в обертальний рух лівого 15 колінчастого вала в напрямку руху годинникової стрілки і в обертальний рух правого 16 колінчастого вала в напрямку проти руху годинникової стрілки. А, наприклад, для вакуумного двигуна напрямок обертання колінчастих валів 15 й 16 буде доцільнішим у зворотньому напрямку. Ліві 9, 11, 13, 15, 17, 19 деталі й відповідні їм праві 10, 12, 14, 16, 18, 20 деталі виконані ідентичними і розташовані щодо осьових ліній циліндра 1 на однакових відстанях, що зумовлює адекватність їх динамічної взаємодії з поршнем 5. Крім того, циліндр 1 і поршень 5 мають в поперечному перерізі квадратну (Фіг.З) і можуть мати прямокутну форму. Робочий цикл представленого на Фіг.1, 2 і З одноциліндрового двигуна відбувається за чотири такти, тобто за чотири ходи поршня 5 в циліндрі 1. При робочому ході поршня 5, коли він рухається вниз від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої (НМТ), сила тиску робочих газів, що утворюється при згоранні палива, розподіляється порівну між лівим 9 й правим 10 поршневими пальцями і передається через лівий 11 й правий 12 шатуни на ліву 13 й праву 14 шатунні шийки лівого 15 й правого 16 колінчастих валів, створюючи на останніх однакові (завдяки зчепленню між собою лівого 17 й правого 18 зубчастих маховиків) крутні моменти. Після виконання корисної роботи поршень 5 переміщається вверх від НМТ до ВМТ і здійснює допоміжний хід по очищенню циліндра 1 від відпрацьованих газів. Наступні два допоміжні такти (впускання й стиснення пальної суміші) так само, як і попередній такт, можуть відбуватися за рахунок отриманих при робочому ході моментів інерції' парних 11-20 деталей. Описані технічні нововведення і властивості заявляемого технічного рішення перебувають у 6432 причинно-наслідковому зв'язку із технічним результатом, який стосується зазначеної задачі корисної' моделі і досягається при її використанні. Величина крутного моменту колінчастих валів 15 й 16 може збільшитися за рахунок продовження тривалості позитивного впливу шатунів 11 й 12 на шатунні шийки 13 й 14, які при робочому ході здійснюють поворот на 225° (Фіг.1). На початку робочого ходу поршня 5, коли сила тиску робочих газів максимальна, шатунні шийки 13 й 14 проходять через дві зони, в яких поздовжні осі шатунів 11 й 12 розташовані паралельно вертикальній осі поршня 5, що сприяє повнішому й ефективнішому використанню енергії', виділеною при згоранні пальної суміші. В середині робочого ходу, коли тиск робочих газів слабшає, вплив шатунів 11 й 12 на колінчасті вали 15 й 16 збільшується тому, що шатунні шийки 13 й 14 у цій зоні мають найбільший добуток 'їх плеча, тобто віддалі до осі обертання, що збільшує крутний момент. А в кінці робочого ходу, коли сила тиску робочих газів різко зменшується, вплив шатунів 11 й 12 на крутний момент посилюється внаслідок збільшення сил, що діють на шатунні шийки 13 й 14 і виникають в результаті ділення зусиль, які поршневі пальці 9 й 10 передають ещ поршня 5 на шатуни 11 й 12, на тригонометричну функцію (tga - тангенс гострого кута a , створеного поздовжньою осьовою ЛІНІЄЮ лівого 11 чи правого 12 шатуна і горизонтальною лінією, що на Фіг.1 пересікає центри шатунних шийок 13 й 14), величина якої зменшується тим більше, чим більше поршень 5 наближається до НМТ. Таке підсилення впливу шатунів 11 й 12 на колінчасті вали 15 й 16 дасть змогу збільшити величину позитивного крутного моменту. Як видно із Фіг.1, фаза позитивного крутного моменту дорівнює куту р, тобто куту повороту лівого 15 чи правого 16 колінчастого вала при робочому ході поршня 5 від ВМТ до НМТ й складає 225° і може бути конструктивно збільшена до 260°. А кут 7 - що є кутом повороту лівого 15 чи правого 16 колінчастого вала при допоміжному ході поршня 5 від НМТ до ВМТ, складає 135° і може бути конструктивно зменшений до 100°. Допоміжні ходи поршня 5, рівномірне обертання колінчастих валів 15 й 16, виведення поршня 5 й парних 9-20 деталей Із мертвих точок можуть відбуватися, як за рахунок моментів інерції' парних 11-20 деталей, так і за рахунок збільшення фаз крутного моменту, які, наприклад, у чотирициліндрового чотиритактного двигуна за два оберти (720°) колінчастого вала 15 чи 16 можуть скласти в загальній сумі 900° й більше. Такий перехльост фаз крутного моменту може обумовити обмеження або непотрібність моментів інерції' зубчастих маховиків 17 й 18, що дозволить зменшити їх масу. Зчеплення між собою зубчастих моховиків 17 й 18 забезпечує синхронність взаємодії колінчастих валів 15 й 16 як з шатунами 11 й 12, так і з спарованими поршневими пальцями 9 й 10. які закріплений на них поршень 5 фіксують щодо циліндра 1 коаксіально, що унеможливлює безпосередній контакт між поршнем 5 й циліндром 1 і виключає технічну можливість тертя поршня 5. 6 Відсутність тертя поршня 5 може звести призначення його нижньої 7 частини лише до розміщення в ній поршневих пальців 9 й 10, що дозволить спростити будову поршня 5, форма поперечного перерізу якого може бути круглою без овальності, квадратною (Фіг.З) чи прямокутною. При використанні квадратних (чи прямокутних) поршнів 5 й циліндрів 1 зазори між ними ущільнюються так само, як і у відомого роторнопоршневого двигуна. Як видно із ФІг.1, довжина ходу £ поршня 5 більша за діаметр d кола, що його описує центр лівої 13 чи правої" 14 шатунної шийки навколо центра, відповідно, лівого 15 чи правого 16 колінчастого вала. На відміну від відомих кривошипношатунних двигунів, у яких £х = d , у запропонованого двигуна ^ x = 1 , 1 5 d , тобто довжина ходу £х поршня 5 збільшена на 15% і може бути конструктивно скоригована до заданої (від £ x =1,05d до іх =1,75d) величини. Подовження ходу Сх поршня 5, не спричиняючи зростання розмірів парних 11-20 кривошипношатунних деталей, буде позитивно впливати на процеси робочого циклу двигуна і може покращити наповнення й очищення циліндра 1, підвищити ступінь стискання й швидкість згорання пальної суміші та продовжити тривалість розширення робочих газів в циліндрі 1, що буде сприяти ефективнішому використанню палива й збільшенню величини позитивного крутного моменту. Зображені на Фіг. 1-3 технічні новації дають змогу зменшити довжину циліндра 1 й розміри парних 9-20 деталей двигуна. Внаслідок поміщення нижньої 7 частини поршня 5 між шатунними шийками 13 й 14 і між противагами 19 й 20, довжина іш шатуна 11 чи 12 коротше довжини ходу £х поршня 5 і діаметра d у співвідношенні £ш =0,8£х = 0,9d , а довжина £ц циліндра 1, що складається із довжини ходу £х і довжини ущільнувальної Су верхньої 6 частини поршня 5 (£ц = іх +£у) укорочується на довжину Сн нижньої 7 частини поршня 5. Укорочення довжини £ц циліндра 1 зумовлене непотрібністю його призначення для спрямування руху поршня 5 й зайвиною напрямної функції поршня 5. Укорочення довжини ^ ц циліндра 1 і довжини £ш шатунів 11 й 12 та складання останніх між шатунними шийками 13 й 14 і між противагами 19 й 20 забезпечує зменшення висоти h двигуна (Фіг.1). Крім того, висота h двигуна може бути зменшена також за рахунок зменшення розмірів парних 9-20 деталей, що підпадають при їх роботі під напівнавантаження. Значення наведених (Сх, С у , £н, Іш, Сц , d, h, a , р, 7) технічних параметрів з врахуванням їх технічних взаємин можуть бути оптимізовані для визначення найдоцільнішого у конструктивному відношенні варіанта технічного рішення з найкра 6432 щим технічним результатом. Окрім описаних видів технічного результату, пов'язаних з вирішенням задачі заявленого технічного рішення, здійснення корисної моделі може забезпечити одержання також й інших видів технічного результату: - зайвина напрямної функції' поршня, перекоси й заклинювання якого всередині циліндра будуть технічно неможливими; - зниження трудності й прецизійності виготовлення поршня, якому стане зайвою овальність його форми; - непотрібність ремонтних розмірів поршня, якому практично не буде зносу; - зведення до мінімуму спрацювання циліндра, у якого залишиться тільки ковзання поршневих кілець; - скорочення питомої витрати палива із-за повного усунення тертя поршня, підвищення ефективності робочих процесів двигуна і повнішого використання енергії; - спрощення реверсування двигуна, яке можуть здійснювати обидва колінчасті вали, що обе 8 ртаються в протилежних напрямках; - поліпшення компактності двигуна із-за зменшення його висоти, а також в разі примінення поршнів й циліндрів квадратної чи прямокутної форми; - зростання до 90% механічного ККД за рахунок усунення тертя поршня й подовження його ходу та покращання кінематики двигуна; - зростання до 45% загального ККД внаслідок підвищення ефективності робочих процесів двигуна й покращання його динаміки, посилення впливу шатуна на крутний момент й збільшення фази цього моменту; - підвищення плавності й рівномірності роботи двигуна завдяки збільшенню фази крутного моменту. В порівнянні зі звичайними кривошипношатунними двигунами у запропонованого двигуна може покращатися техніко-експлуатаційна характеристика, дані якої зведені в Таблицях 1 і 2. Показники технічного результату, досягнення якого пов'язане з вирішенням технічної" задачі корисної моделі, вказані в Таблиці 1. Таблиця 1. Види технічного результату Вплив шатуна на колінчастий вал Величина крутного моменту Фаза крутного моменту Тертя поршня об стінки циліндра Овальність форми поршня в поперечному перерізі Хід поршня Наповнення й очищення циліндра Ступінь стискання й ефективність згорання пальної суміші Тривалість розширення робочих газів Довжина шатуна й циліндра Маса маховика й висота двигуна Форма циліндра й поршня в поперечному перерізі Технічні переваги Посилиться Збільшиться Збільшиться до 225° Буде усунуте Параметри, які можуть підвищитися, помічені знаком"+" Потужність Моторесурс Економічність + + + + + + + + + + + + + + Стане зайвою Подовжиться Будуть кращими + + Підвищаться + + Продовжиться + + + + + + + Буде коротше Зменшаться Може бути квадратною чи прямокутною + Показники технічного результату, який не був метою вирішення безпосередньої задачі корисної моделі, але може бути забезпечений при його використанні, приведені в таблиці 2. Таблиця 2. Види технічного реТехнічні переваги зультату Напрямна функція Стане зайвою поршня Трудність й прецизійність виготовлення Знизяться поршня Будуть непотрібниРемонтні поршні ми Параметри, які можуть підвищитися, помічені знаком "+" Економічність Потужність Моторесурс + + + + + 6432 10 Продовження таблиці 2 Види технічного реТехнічні переваги зультату Спрацювання цилін- Зведеться до мінідра мума Питома витрата паСкоротиться лива Реверсування двигуСпроститься на Компактність двигуна Поліпшиться Може зрости до Механічний ККД 90% Може зрости до Загальний ККД 45% Плавність й рівномірність роботи двигуПідвищаться на Параметри, які можуть підвищитися, помічені знаком "+" Моторесурс ЕКОНОМІЧНІСТЬ Потужність + + + + +• + + + + + + + + + В результаті реалізації заявленої корисної моделі може бути забезпечена суттєвість підвищення потужності, моторесурсу й економічності, а поліпшення кінематики й динаміки та взаомопідсилення наведених в Таблицях 1 і 2 технічних переваг і всіх їх позитивних технічних наслідків обернуться додатковим підвищенням ефективності й надійності роботи запропонованого двигуна. + Новий двигун в залежності від типу може бути тепловим, паровим, компресійним, вакуумним, соленоїдним чи іншим з другими видами і джерелами енергії', може бути виготовленим без корінної перебудови традиційного виробництва, може внести позитивну й якісну зміну в двигунобудування і може знайти практичне застосування в промисловості, в побуті, в авто- авіа- чи кораблебудуванні. Розріз за А-А ФІГ. 1 11 6432 Переріз за Б~Б повернуто 12 Розріз за В-В Комп'ютерна верстка Д. Дорошенко Підписне Тираж 28 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 42, 01601

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Kirpikins crank engine

Назва патенту російською

Кривошипно-шатунный двигатель кирпикина

МПК / Мітки

МПК: F01B 1/00

Мітки: кривошипно-шатунний, двигун, кірпікіна

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/6-6432-krivoshipno-shatunnijj-dvigun-kirpikina.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Кривошипно-шатунний двигун кірпікіна</a>

Подібні патенти