Рассматривается влияние кривошипношатунного механизма на коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Influence is examined crank-type piston-rod mechanism on an output-input of combustion engine ratio.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: коэффициент полезного действия, кривошипношатунный механизм, крутящий момент, коленчатый вал двигателя, поршень, кривошип, винтовая линия.

В термодинамике работа газов цикла рассматривается без взаимосвязи с кривошипношатунный механизмом (КШМ)/1/. В частности, поэтому коэффициент полезного действия (КПД) реального двигателя значительно ниже термодинамического КПД цикла двигателя.

Действительно при определении полезной работы газов по перемещению поршня считается, что вся она превращается в работу вращения коленчатого вала двигателя. На самом деле это не так. Сила , приложенная к кривошипу коленчатого вала и создающая крутящий момент за рабочий ход поршня изменяется от нуля до своего максимального значенияи дальше снова уменьшается до нуля. Определим от каких параметров зависит эта сила, создающая крутящий момент. Рассмотрим схему сил, действующих в КШМ (рис.1)/2/. Из схемы сил определяем, что

                                        (1)

где:- сила, создающая крутящий момент,

-        сила с которой давят газы на поршень (силы инерции не

учитываем),

-        слагаемая силы давления на поршень, действующая вдоль

шатуна,

-        угол отклонения шатуна от оси цилиндра,

-        угол отклонения кривошипа от оси цилиндра.

Преобразуем зависимость (1) в функцию только угла. Для этого используем формулу тригонометрической функции суммы углов

 (2)

Поделив левую и правую части формулы (2) на  получим

        (3)

Изиспользуя теорему синусов, получим

                                (4)

где- радиус кривошипа;

- длина шатуна.

Представимкак

                                                                (5)

Или с учетом (4)

                        (6)

Подставив значениеиз (6) в выражение (3) и положив, что

окончательно получим с учетом (1)

(7)

Если принять, что  то

        (8)

Где= 0°...180°.

Из рис. 1 найдем зависимость хода поршняот угла отклонения кривошипа

                                                (9)

или

                                                                                        (10)

Далее, для определения КПД берем индикаторную диаграмму обычного ДВС (рис.2). По ней определяем полезную работу газов по перемещению поршня (заштрихованная площадь на рис.2). Пользуясь зависимостями (8) и (10) строим графики функцийи(рис.3), где, - сила, приложенная к кривошипу и создающая крутячий момент на валу, асила, приложенная к кривошипу и создающая момент сопротивления навалу. Обе эти зависимости построены в функции от перемещения поршня ().

Полезная работа по вращению коленчатого вала пропорциональна площади замкнутой между кривымии(на рис. 3, заштрихованная). Расчеты показали, что КШМ уменьшает полезную индикаторную мощность двигателя на 8,2%, и согласуется с данными /2/, где указывается, что часть индикаторной мощности (10-12%) идет на преодоление сопротивления трения деталей и на приведение в действие вспомогательных механизмов двигателя. Только львиная доля этих потерь связана с КШМ.

Известен бесшатунный механизм /З/. В нем поршень перемещается шариком и кольцевой канавкой на валу. Причем, плоскость кольцевой канавки наклонена к оси вала под углом 45°. Однако и он не позволяет рационально использовать энергию газов, так как угол наклона самой канавки отличается от 45°. Предлагается бесшатунный механизм (см. рис. 4,5,6) в котором устранен этот недостаток. Кольцевая канавка (рис. 5) нового механизма состоит из винтовой линии и ее зеркального отражения (угол розвертки линийисоставляет 45°, рис.6). Переходыиот одной винтовой линии к другой сглаживаются. Такой механизм позволит на всем ходу поршня передавать максимальный крутящий момент. На этот механизм подана заявка на изобретение №а201105990 от 13.05.2011года. Заявка проходит экспертизу в Украинском институте промышленной собственности.

Вот и ответ на вопрос автора статьи «Коментарі до статті «Чи настане ера безшатунних двигунів внутрішнього згоряння» -... а надо ли вообще заниматься развитием направления бесшатунных двигателей внутреннего сгорания? Ответ однозначный - НАДО! И чем скорее тем лучше.

Разработанный новейший паровой двигатель отвечает всем основным требованиям:

1. отсутствует такт сжатия, а значит и нет потерь на это;


2. отсутствует КШМ, а значит и нет потерь мощности, связанных с КШМ;

1. бесшатунный механизм (не все еще раскрыто) позволяет работать двигателю в однотактном режиме;


2. простое вращательное движение;


3. непрерывное горение.

Эти же преимущества будут и в двигателях внутреннего сгорания на основе бесшатунного механизма.

Литература

1. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа. 1991. 376 с.


2. Б.М. Гельман, М.В. Москвин. Сільськогосподарські трактори і автомобілі В 2 кн. Пер.з рос. - К.: Урожай, 1990. Кн.1: Двигуни/Пер. з рос. І.І.Гогулі - 304с.


3. Федосеев В.Г. Двоступінчастий безклапанний компресор на основі планетарнопоршневого механізму.//Журнал «Винахідник і раціоналізатор»,2010. - № 5. - с. 14-15

Автор проживает по адресу:

Украина, Хмельницкая обл. Летичевский р-н, с. Ставница, ул.Ленина 14/2

Тел. +380970009127

Рис.1. Схема сил, действующих в КШМ

Рис.2. Индикаторная диаграмма ДВС

Рис.3. Диаграмма сил, создающих крутящий момент и момент сопротивления на валу ДВС

N