MD1535Z

MD1535Z - Crank-and-rod group of the internal combustion engine

Info

Publication number: MD1535Z
Application number: MDS20200004A
Authority: MD
Inventors: Валериу ДУЛГЕРУ; Олег ЧОБАНУ; Раду ЧОБАНУ
Original assignee: Технический университет Молдовы
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-12-31
Also published as: MD1535Y

Abstract

The invention relates to mechanical engineering, namely to internal combustion engines with crank-and-rod mechanism.The crank-and-rod group of the internal combustion engine comprises a piston (2) with compression rings (3), placed in a cylinder (1) of the internal combustion engine, and connected by means of a pin (4) to a connecting rod (5), which by means of a hinge (6) is connected to a crank (7), connected to a drive shaft (8). The head (9) of the piston (2), on the side of the combustion chamber (10), is made inclined relative to the axis of the cylinder (1).

Description

Invenţia se referă la construcţia de maşini şi anume la motoarele cu ardere internă cu mecanism bielă-manivelă. The invention relates to machine construction, namely to internal combustion engines with a connecting rod-crank mechanism.

Este cunoscut un piston oscilant, amplasat în cilindrul compresorului de aer. Capul pistonului este unit rigid cu o bielă, care este unită printr-un capăt liber cu un excentric rotativ. Capul pistonului conţine o cameră internă cu deschizături, prin care trece fluxul de aer turbionat [1]. An oscillating piston is known, located in the cylinder of an air compressor. The piston head is rigidly connected to a connecting rod, which is connected at its free end to a rotating eccentric. The piston head contains an internal chamber with openings, through which the swirling air flow passes [1].

De asemenea, este cunoscut pistonul motorului cu ardere internă, care încorporează o pereche de arcuri-disc, instalate între capul pistonului şi fusta acestuia. Arcurile-disc sunt susţinute de suporturi, unul dintre care, şi anume cel inferior fiind amplasat glisant în interiorul pistonului cu posibilitatea mişcării axiale relative în raport cu acesta, şi este unit cu biela mecanismului bielă-manivelă în aşa fel, încât arcurile-disc să permită suportului să se deplaseze axial în raport cu capul pistonului. Soluţia dată permite reducerea presiunii gazului comprimat asupra bolţului ce uneşte pistonul cu biela, ce conduce la reducerea raportului de compresie şi a presiunii în cilindru de aproape două ori, fapt ce conduce la reducerea consumului de combustibil cu 25-40%, a nivelului de zgomot şi vibraţiilor [2]. Also known is the piston of the internal combustion engine, which incorporates a pair of disc springs, installed between the piston head and its skirt. The disc springs are supported by supports, one of which, namely the lower one, is located slidingly inside the piston with the possibility of axial movement relative to it, and is connected to the connecting rod of the connecting rod-crank mechanism in such a way that the disc springs allow the support to move axially relative to the piston head. This solution allows reducing the pressure of the compressed gas on the pin connecting the piston to the connecting rod, which leads to a reduction in the compression ratio and the pressure in the cylinder by almost two times, which leads to a reduction in fuel consumption by 25-40%, noise level and vibrations [2].

Dezavantajele soluţiilor cunoscute constau în eficienţă de funcţionare redusă şi fiabilitate relativ scăzută a grupului bielă-manivelă al motorului cu ardere internă. The disadvantages of known solutions consist of low operating efficiency and relatively low reliability of the connecting rod-crank group of the internal combustion engine.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea eficienţei de funcţionare şi majorarea fiabilităţii grupului bielă-manivelă al motorului cu ardere internă. The problem solved by the invention consists in increasing the operating efficiency and increasing the reliability of the connecting rod-crank group of the internal combustion engine.

Grupul bielă-manivelă al motorului cu ardere internă, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un piston cu segmenţi de compresie, amplasat într-un cilindru al motorului cu ardere internă, şi unit printr-un bolţ cu o bielă, care printr-o articulaţie este unită cu o manivelă, unită cu un arbore motor. Capul pistonului, din partea camerei de ardere, formată în cilindru, este executat înclinat faţă de axa cilindrului sub un unghi βopt, care este determinat după următoarea formulă: The connecting rod-crank assembly of the internal combustion engine, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing a piston with compression rings, located in a cylinder of the internal combustion engine, and connected by a pin to a connecting rod, which through a joint is connected to a crank, connected to a motor shaft. The piston head, on the side of the combustion chamber formed in the cylinder, is made inclined to the cylinder axis at an angle βopt, which is determined by the following formula:

βopt = arcsin (ai/l)· Pi/Pmax, βopt = arcsin (ai/l)· Pi/Pmax,

unde: ai= asinφi; 0°≤φi ≤180°; where: ai= asinφi; 0°≤φi ≤180°;

a este proiecţia curentă a lungimii manivelei; a is the current projection of the crank length;

φi - unghiul de rotaţie a manivelei; φi - crank rotation angle;

l - lungimea bielei; l - connecting rod length;

Pmax - presiunea maximă a gazelor în camera de ardere; Pmax - maximum gas pressure in the combustion chamber;

Pi - presiunea curentă în funcţie de unghiul φi; 0°≤φi ≤180°. Pi - current pressure depending on the angle φi; 0°≤φi ≤180°.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în executarea capului pistonului înclinat, fapt ce conduce la minimizarea forţei radiale, cu care pistonul acţionează asupra segmenţilor-piston şi la reducerea uzurii şi a pierderilor de energie în contactul segmenţi-cilindru. The technical result of the invention consists in making the piston head inclined, which leads to minimizing the radial force with which the piston acts on the piston rings and to reducing wear and energy losses in the ring-cylinder contact.

De asemenea, executarea capului pistonului înclinat sub un unghi optim βopt conduce la mărirea suprafeţei de lucru a capului pistonului de 1/cosβopt ori, ceea ce sporeşte eficienţa de funcţionare a motorului cu (1/cosβopt)x100%. Also, making the piston head inclined at an optimal angle βopt leads to an increase in the working surface of the piston head by 1/cosβopt times, which increases the engine's operating efficiency by (1/cosβopt)x100%.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 6, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1 - 6, which represent:

- fig. 1, vederea schematică a grupului bielă-manivelă şi a cilindrului motorului cu ardere internă, în secţiune; - Fig. 1, schematic view of the connecting rod-crank group and the cylinder of the internal combustion engine, in section;

- fig. 2, vederea schematică a acţiunii forţelor asupra pistonului cu capul executat drept; - Fig. 2, schematic view of the action of forces on the piston with a straight head;

- fig. 3, vederea schematică a acţiunii forţelor asupra pistonului cu capul executat înclinat; - Fig. 3, schematic view of the action of forces on the piston with the head made inclined;

- fig. 4, vederea schematică a forţelor, care apar în articulaţia piston-bielă, când pistonul este executat cu capul drept; - Fig. 4, schematic view of the forces that appear in the piston-connecting rod joint, when the piston is made with a straight head;

- fig. 5, vederea schematică a forţelor, care apar în articulaţia piston-bielă, când pistonul este executat cu capul înclinat; - Fig. 5, schematic view of the forces that appear in the piston-connecting rod joint, when the piston is made with an inclined head;

- fig. 6, graficul funcţiilor αvar = f(φ) şi Pvar = f(φ). - Fig. 6, graph of the functions αvar = f(φ) and Pvar = f(φ).

Grupul bielă-manivelă al motorului cu ardere internă (fig. 1) include cilindrul 1, pistonul 2 cu segmenţii de compresie 3, unit prin bolţul 4 cu biela 5 care, la rândul său, este unită prin articulaţia 6 cu manivela 7, unită cu arborele motor 8. Capul 9 al pistonului 2, din partea camerei de ardere 10, este executat înclinat faţă de axa cilindrului 1 sub unghiul de înclinare βopt. The connecting rod-crank group of the internal combustion engine (fig. 1) includes the cylinder 1, the piston 2 with the compression rings 3, connected by the pin 4 with the connecting rod 5 which, in turn, is connected by the joint 6 with the crank 7, connected to the engine shaft 8. The head 9 of the piston 2, on the side of the combustion chamber 10, is made inclined to the axis of the cylinder 1 at the inclination angle βopt.

Pistonul motorului cu ardere internă funcţionează în modul următor. The piston of the internal combustion engine works in the following way.

La alimentarea camerei de ardere a cilindrului 1 cu combustibil în faza de compresie, pistonul 2 se mişcă în sus, comprimând amestecul de combustie. În cazul clasic, când capul 9 al pistonului 2 este executat drept, forţa de presiune rezultantă P se descompune în două componente de forţă (fig. 2, 4): When the combustion chamber of cylinder 1 is supplied with fuel during the compression phase, piston 2 moves upwards, compressing the combustion mixture. In the classical case, when the head 9 of piston 2 is straight, the resulting pressure force P is decomposed into two force components (fig. 2, 4):

- Forţa normală Fn = Picosαi; - Normal force Fn = Picosαi;

- Forţa radială Fr = Frcosαi = Pisinαicosαi= 1/2Pisin2αi, - Radial force Fr = Frcosαi = Pisinαicosαi= 1/2Pisin2αi,

unde Pi este rezultanta curentă a forţei de presiune a amestecului de combustie comprimat; where Pi is the current resultant of the pressure force of the compressed combustion mixture;

- αi - unghiul curent de înclinare a bielei 5: αi = f(φi), unde φi - unghiul de rotaţie a manivelei 7 (0°≤ φi ≤180°): - αi - current angle of inclination of the connecting rod 5: αi = f(φi), where φi - angle of rotation of the crank 7 (0°≤ φi ≤180°):

αi = arcsin (ai/l), αi = arcsin (ai/l),

unde ai este proiecţia curentă a lungimii manivelei 7; where ai is the current projection of the length of the crank 7;

l - lungimea bielei 5. l - length of connecting rod 5.

În continuare forţa normală Fn se transformă în lucru util, iar forţa radială Fr apasă segmenţii 3 spre peretele cilindrului 1, constituind pierderi de putere şi uzura segmenţilor 3. Next, the normal force Fn is transformed into useful work, and the radial force Fr presses the segments 3 towards the wall of cylinder 1, causing power losses and wear of the segments 3.

În scopul reducerii gradului de uzură a segmenţilor 3 şi a pierderilor de putere în contactul segment-cilindru prin reducerea valorii forţei radiale Fr capul 9 al pistonului 2, din partea camerei de ardere 10, este executată înclinată sub un unghi de înclinare (fig. 3, 5): In order to reduce the degree of wear of the segments 3 and the power losses in the segment-cylinder contact by reducing the value of the radial force Fr, the head 9 of the piston 2, on the side of the combustion chamber 10, is made inclined at an angle of inclination (fig. 3, 5):

βopt = arcsin (ai/l)Pi/Pmax , βopt = arcsin (ai/l)Pi/Pmax ,

unde: Pmax este presiunea maximă a gazelor; where: Pmax is the maximum gas pressure;

Pi - presiunea curentă în funcţie de φi (0°≤ φi ≤180°). Pi - current pressure as a function of φi (0°≤ φi ≤180°).

În acest caz forţa radială va fi minimă Frmin (fig. 5). In this case the radial force will be minimum Frmin (fig. 5).

Exemplu Example

Sub aspect geometric executarea capului 9 al pistonului 2 înclinat sub un unghi maxim βmax corespunzător unghiului αi al bielei 5, care corespunde unghiului de rotire al manivelei 7 φ = 90°, conduce la reducerea forţei radiale Fr la zero. Deoarece, presiunea maximă în cilindrul 1 se obţine nu în cazul φ =90°, când αi = max, ci în cazul punctului mort superior φ =180°, unghiul optim βopt de înclinare a capului 9 al pistonului 2 se obţine la intersecţia curbelor αvar=f(φi) şi Pvar=f(φi) (fig. 6). Curba Pvar=f(φi) este caracteristică tuturor motoarelor cu ardere internă şi este luată din literatura de specialitate. Curba αvar=f(φi) se poate obţine în baza valorilor a cinci puncte obţinute pentru minim cinci poziţii ale bielei 7 (manivelei 5) (fig. 6): From a geometric point of view, the execution of the head 9 of the piston 2 inclined at a maximum angle βmax corresponding to the angle αi of the connecting rod 5, which corresponds to the angle of rotation of the crank 7 φ = 90°, leads to the reduction of the radial force Fr to zero. Since the maximum pressure in the cylinder 1 is obtained not in the case of φ = 90°, when αi = max, but in the case of the top dead center φ = 180°, the optimal angle βopt of inclination of the head 9 of the piston 2 is obtained at the intersection of the curves αvar=f(φi) and Pvar=f(φi) (fig. 6). The curve Pvar=f(φi) is characteristic of all internal combustion engines and is taken from the specialized literature. The curve αvar=f(φi) can be obtained based on the values of five points obtained for at least five positions of the connecting rod 7 (crank 5) (fig. 6):

1. φi = 0°, α1 = 0°; 1. φi = 0°, α1 = 0°;

2. φ2 = 45°, α2 = arcsina2/l = arcsin (asinφ2/l)= arcsin (0,7a/l); 2. φ2 = 45°, α2 = arcsine2/l = arcsine (asinφ2/l)= arcsine (0.7a/l);

3. φ3 = 90°, α3 = arcsina3/l = arcsin (asinφ3/l)= arcsin (a/l); 3. φ3 = 90°, α3 = arcsine3/l = arcsine (asinφ3/l)= arcsine (a/l);

4. φ4 = 135°, α4 = arcsina4/l = arcsin (asinφ4/l)= arcsin (0,7a/l); 4. φ4 = 135°, α4 = arcsine4/l = arcsine (asinφ4/l)= arcsine (0.7a/l);

5. φ5 = 180°, α5 = arcsina5/l = arcsin (asinφ5/l)= 0. 5. φ5 = 180°, α5 = arcsine5/l = arcsine (asinφ5/l)= 0.

Uzura segmenţilor 3 este influenţată de mai mulţi factori, inclusiv de forţa radială Fr, care exercită o presiune a segmenţilor 3 pe suprafaţa de contact a cilindrului 1. The wear of the piston rings 3 is influenced by several factors, including the radial force Fr, which exerts pressure on the piston rings 3 on the contact surface of the cylinder 1.

Executarea înclinată a capului 9 al pistonului 2 din partea camerei de ardere 10 sub unghiul βopt conduce la minimizarea forţei radiale Fr, la reducerea uzurii şi a pierderilor de energie în contactul segmenţi-cilindru (fig. 3). The inclined execution of the head 9 of the piston 2 from the combustion chamber 10 side under the angle βopt leads to the minimization of the radial force Fr, to the reduction of wear and energy losses in the ring-cylinder contact (fig. 3).

De asemenea, executarea capului 9 al pistonului 2 înclinat sub unghi optim βopt conduce la mărirea suprafeţei de lucru a capului 9 al pistonului 2 de 1/cosβopt şi la sporirea eficienţei de funcţionare a motorului cu (1/cosβopt )x100%. Also, making the head 9 of the piston 2 inclined at the optimal angle βopt leads to an increase in the working surface of the head 9 of the piston 2 by 1/cosβopt and to an increase in the engine operating efficiency by (1/cosβopt)x100%.

1. EP 0588466 A1 1994.03.23 1. EP 0588466 A1 1994.03.23

2. CN 104838124 A 2015.08.12 2. CN 104838124 A 2015.08.12

Claims

Connecting rod-crank assembly of an internal combustion engine, comprising a piston (2) with compression rings (3), located in a cylinder (1) of the internal combustion engine, and connected by a pin (4) to a connecting rod (5), which through a joint (6) is connected to a crank (7), connected to a drive shaft (8); the head (9) of the piston (2), on the side of the combustion chamber (10), formed in the cylinder (1), is made inclined to the axis of the cylinder (1) at an angle βopt, which is determined by the following formula:

βopt = arcsin (ai/l)· Pi/Pmax,

where: ai= asinφi; 0°≤φi ≤180°;

a is the current projection of the crank length (7);

φi - crank rotation angle (7);

l - connecting rod length (5);

Pmax - maximum gas pressure in the combustion chamber;

Pi - current pressure depending on the angle φi; 0°≤φi ≤180°.