ПОРШЕНЬ, АВТОМАТИЧЕСКИ РЕГУЛИРУЮЩИЙ СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/04 F02D15/04 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно двигателестроению, в частности к устройствам, автоматически регулирующим степень сжатия.

Известен поршень автоматического регулирования степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, сочлененный с шатуном при помощи поршневого пальца, головку с днищем, связанную с корпусом при помощи резьбового соединения с возможностью осевого перемещения, и исполнительный элемент, размещенный между головкой и корпусом, при этом днище головки со стороны камеры сгорания дополнительно снабжено радиальными приливами, выполненными в виде тормозных лопастей, а исполнительный элемент выполнен в виде упругой биметаллической мембраны, выпуклой в сторону головки поршня и жестко связанной в центре с последней, причем периферийная часть мембраны выполнена с упором в корпус поршня.

Однако известный поршень автоматически регулирующий степень сжатия (ε) сложен в изготовлении из-за высоких требований к технологии производства биметаллической мембраны и резьбового соединения, обеспечивающих работоспособность конструкции, и недостаточно надежен, так как конструкция поршня не защищает мембраны от деформации и кривошипно-шатунный механизм от ударных нагрузок при высоких значениях степени сжатия (ε) и давления (Р_r). Указанные недостатки ограничивают применение данного поршня на дизельных двигателях внутpеннего сгорания, не позволяют создать высокую степень сжатия (ε ) в цилиндре двигателя для облегчения пуска последнего. При большой частоте рабочих циклов двигателя подвергается сильной усталостной деформации мембрана и интенсивно вырабатывается резьбовое соединение головки с корпусом поршня, что существенно влияет на долговечность конструкции.

Вращение головки поршня в цилиндре двигателя приводит к более интенсивному износу поршневых колец.

Изобретение направлено на увеличение экономичности работы двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок, упрощение конструкции и повышение надежности поршня.

Это достигается тем, что упругий элемент выполнен в виде пружины сжатия, а термочувствительный - в виде цилиндров, снабженных корпусом и опорной пятой и заполненных активной массой с высоким коэффициентом температурного расширения. В качестве активной массы термочувствительного элемента используется смесь церезина с медным порошком. Поршень снабжен направляющими пазами и выступами, фиксирующими подвижную головку от поворота относительно корпуса.

Существенными отличиями от прототипа является то, что между подвижной головкой поршня и его корпусом установлена регулировочная пружина, при этом перемещение головки поршня осуществляется вдоль оси поршня за счет фиксирующих выступов, выполненных в ее нижней части и расположенных выступах корпуса поршня, причем направляющие части фиксирующих выступов головки поршня соприкасаются с направляющими частями удерживающих выступов корпуса поршня и удерживают головку поршня от вращения, а опорные части фиксирующих выступов головки поршня опираются на опорную пяту термоэлементов, расположенных в удерживающих выступах корпуса поршня и состоящих из корпуса, рабочей полости, которая выполнена в виде цилиндра, заполненного активной массой с высоким коэффициентом температурного расширения, ограниченной опорной пятой. Этим достигается создание высокой степени сжатия в момент пуска непрогретого двигателя, что обеспечит легкий запуск последнего и автоматическое изменение до оптимального значения в процессе работы двигателя в результате его нагрева. Регулирование степени сжатия ε осуществляется в зависимости от двух параметров, а именно: температуры поршня Т_п и давления в цилиндре двигателя P_z.

Изменение степени сжатия двигателя в зависимости от температуры поршня Т_п осуществляется путем перемещения подвижной головки поршня под воздействием на ее фиксирующие выступы опорной пяты термоэлементов, перемещающихся в зависимости от давления Р_AM, создаваемого активной массой термоэлемента, имеющего высокий коэффициент температурного расширения, и изменяющегося в зависимости от температуры поршня Т_п.

Изменение степени сжатия в зависимости от давления Р_z осуществляется перемещением подвижной головки поршня за счет деформации регулировочной пружины, что обеспечивается изменением объема камеры сгорания V_к.с, ведущим к понижению давления Р_z в цилиндре двигателя с незначительной задержкой во времени, что обеспечивает защиту деталей кривошип- но-шатунного механизма от высоких нагрузок. Помимо указанного регулировочная пружина аккумулирует энергию избыточного давления Р_z и частично отдает ее на вращение коленчатого вала двигателя.

Таким образом осуществляется автоматическое регулирование степени сжатия ε, позволяющее увеличить экономичность работы двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок, упростить конструкцию и повысить надежность поршня автоматически регулирующего степень сжатия. Это имеет важное значение, так как увеличение экономичности работы двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок приводит к уменьшению расхода топлива. Упрощение конструкции поршня, автоматически регулирующего степень сжатия, повышает его надежность, снижает затраты на изготовление и ремонт.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого поршня, автоматически регулирующего степень сжатия; на фиг. 2 - то же, вид сверху в разрезе; на фиг. 3 изображена зависимость степени сжатия ε и давления в цилиндре двигателя Р_z от температуры на режимах холостого хода и малых нагрузок; на фиг. 4 показана зависимость степени сжатия от изменения индикаторного давления Р_i и давления в цилиндре двигателя на средних и полных нагрузках; на фиг. 5 - зависимость индикаторного коэффициента полезного действия η_i от степени сжатия ε.

Поршень 1 автоматически регулирует степень сжатия (фиг. 1, 2) двигателя внутреннего сгорания и содержит корпус 2, подвижную головку 3 и размещенные между ними упругий 4 и термочувствительный 5 исполнительные элементы, упругий элемент выполнен в виде пружины сжатия, а термочувствительный 5 - в виде цилиндров, снабженных корпусом 6 и опорной пятой 7 и заполненных активной массой 8 с высоким коэффициентом температурного расширения. В качестве активной массы термочувствительного элемента используется смесь церезина с медным порошком, при этом поршень 1 снабжен направляющими пазами и выступами 9, 10, 11, фиксирующими подвижную головку 3 от поворота относительно корпуса 2.

Поршень автоматически регулирующий степень сжатия работает следующим образом.

В момент запуска холодного двигателя подвижная головка поршня 3 под действием регулировочной пружины 4 находится в крайнем верхнем положении относительно поршневого пальца, которое обеспечивает максимальную степень сжатия (ε). При движении поршня 1 в таком состоянии к верхней мертвой точке степень сжатия постепенно повышается и доходит в верхней мертвой точке до максимального значения, далее в результате сгорания рабочей смеси при высокой степени сжатия стремительно возрастает давление (Р_z) в камере сгорания. Необходимо отметить, что процесс сгорания в рабочей смеси в непрогретом двигателе протекает не полностью, в связи с чем в начальный период работы двигателя индикаторное давление (Р_i) и максимальное давление (Р_z) в цилиндре двигателя имеет относительно невысокие значения (см. фиг. 4). Повышение давления ведет к перемещению головки поршня 3 вниз относительно поршневого пальца за счет регулировочной пружины 4 (λ), при этом за счет увеличения объема камеры сгорания, вызванного перемещением головки поршня 3, понижается давление (Р_z) до допустимых значений, при которых деформация пружины 4 (λ) прекращается и при дальнейшем понижении давления (P_z) регулировочная пружина 4 разжимается, преобразуя часть аккумуляторной энергии на создание крутящего момента на коленчатом валу двигателя. Разжатая до определенного значения регулировочная пружина 4 удерживает головку поршня 3 в крайнем верхнем положении и процесс повторяется до тех пор, пока температура поршня (T_п) в зоне нахождения термоэлементов 5 не достигнет определенного значения, при котором начинает интенсивно расширяться активная масса 8 термоэлемента 5, что вызывает перемещение опорной пяты 7, передающее на фиксирующие выступы 11 головки поршня 3, которая, преодолевая сопротивление регулировочной пружины 4, перемещается вниз относительно поршневого пальца на расстояние (δ), пропорциональное изменению температуры поршня (Т_п), вызывая понижение степени сжатия. Максимальное перемещение головки поршня 3 от воздействия пяты термоэлемента обеспечивает эксплуатационную степень сжатия (см. фиг. 3), наиболее оптимальную по индикаторному коэффициенту полезного действия ( η_i, см. фиг. 5). При понижении температуры поршня 1 (Т_п) в зоне нахождения термоэлементов 5 головка поршня 3 перемещается вверх и при определенном значении температуры занимает крайнее верхнее положение, обеспечивающее максимальную степень сжатия ( ε) для запуска двигателя. Необходимо отметить, что максимальное перемещение головки поршня 3 от расширения активной массы 8 термоэлемента 5 не исключает действия регулировочной пружины 4 в связи с тем, что она еще имеет запас на деформацию (λ) от давления (P_z), превышающего допустимые значения. (56) Авторское свидетельство СССР N 1239381, кл. F 02 B 75/04, 1983.

Использование: двигатели внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия. Сущность изобретения: между подвижной головкой 3 и корпусом 2 поршня 1 установлены упругий элемент (пружина сжатия) 4 и термочувствительный элемент 5. Последний выполнен в виде цилиндров, снабженных корпусом 6 и опорной пятой 7 и заполненных активной массой 8 с высоким коэффициентом температурного расширения (смесь церезина с медным порошком). Степень сжатия двигателя устанавливается автоматически в зависимости от температуры поршня. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ПОРШЕНЬ, автоматически регулирующий степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, подвижную головку и размещенные между ними упругий и термочувствительный исполнительные элементы, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде пружины сжатия, а термочувствительный - в виде набора цилиндров, снабженных корпусом и опорной пятой и заполненных активной массой с высоким коэффициентом температурного расширения. 2. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активной массы термочувствительного элемента используется смесь церезина с медным порошком. 3. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен направляющими пазами и выступами, фиксирующими подвижную головку от поворота относительно корпуса.