ПОРШЕНЬ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕНЕНИЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B75/04 F02D15/04 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с автоматически изменяемой степенью сжатия, а также в поршневых насосах для перекачки, сжатия, сжижения и разрежения газов и жидкостей.

Известен ДВС, содержащий камеру сгорания, образованную цилиндром, поршнем и головкой цилиндра, и дополнительную камеру с компенсационным поршнем, установленным с возможностью перемещения в зависимости от разности давлений в гидроцилиндре управления компенсационным поршнем и в камере сгорания [1]
К недостаткам известного устройства является невысокая эффективность ввиду отсутствия полного согласования хода поршня в процессе работы ДВС с перемещением компенсационного поршня.

Известны также различные конструкции поршней для ДВС, обеспечивающие автоматическое регулирование степени сжатия и содержащие корпус, шарнирно связанный с головкой шатуна, и головку поршня, кинематически связанную с корпусом с возможностью относительного перемещения относительно него [2,3]
Недостатками известных технических решений, в том числе и принятого в качестве прототипа [3] является то, что они не имеют полного согласования хода поршня с изменением объема камеры сгорания за счет изменения пространственного положения составных частей поршня, что в результате негативно сказывается на эффективности процесса сгорания топливно-воздушной смеси.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции поршня, обеспечивающей автоматическое изменение степени сжатия при одновременном согласовании хода поршня с процессом горения топливно-воздушной смеси и режимом работы двс.

Для достижения указанного технического результата в известном поршне для автоматического изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус, шарнирно связанный с головкой шатуна, и головку поршня, кинематически связанную с корпусом с возможностью перемещения относительно него, кинематическая связь головки поршня с корпусом выполнена в виде промежуточной детали, установленной между корпусом и головкой поршня с возможностью поворота и связанной посредством механизмов преобразования поступательного движения корпуса во вращательное движение промежуточной детали и вращательного движения промежуточной детали в поступательное движение головки поршня.

Кроме того, механизм преобразования вращательного движения промежуточной детали в поступательное движение головки поршня выполнен в виде винтовой передачи, а механизм преобразования поступательного движения корпуса во вращательное движение промежуточной детали выполнен в виде по меньшей мере одной винтовой канавки, в которой размещен выступ, выполненный на промежуточной детали.

Кроме того, винтовая канавка имеет два участка, расположенных под углом друг к другу и сопряженных между собой, а на конце выступа выполнен балансир, при этом в месте сопряжения участков винтовой канавки выполнен упор для взаимодействия с балансиром с возможностью изменения направления движения выступа в зоне нижней мертвой точки (н.м.т.) поршня.

Кроме того, выступ промежуточной детали выполнен подпружиненным.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, необходимых и достаточных для достижения указанного технического результата.

На фиг. 1 изображена конструкция поршня для автоматического изменения степени сжатия ДВС; на фиг.2 винтовая канавка с расположенным в ней балансиром; на фиг. 3 вариант выполнения промежуточной детали поршня в плане; на фиг.4 промежуточная деталь по фиг.3 в изометрии.

Изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который однако не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков заданного технического результата.

Поршень 1 для автоматического изменения степени сжатия ДВС расположен в цилиндре 2 двигателя. Поршень 1 состоит из нескольких частей и содержит корпус 3, шарнирно связанный с шатуном 4, и головку 5, кинематически связанную с корпусом 3 с возможностью перемещения относительно него по ходу движения поршня.

Кинематическая связь головки 5 поршня 1 с корпусом 3 выполнена в виде промежуточной детали 6, установленной между корпусом 3 и головкой 5 поршня с возможностью поворота и связанной посредством механизма 7 преобразования поступательного движения корпуса 3 во вращательное движение промежуточной детали 6 и механизма 8 преобразования вращательного движения промежуточной детали 6 в поступательное движение головки 5 поршня 1.

Механизм 8 (фиг.1) преобразования вращательного движения промежуточной детали 6 в поступательное движение головки 5 поршня 1 выполнен в виде винтовой передачи, при этом угол винтовой линии данной передачи превышает угол трения, в связи с чем под влиянием сил движения промежуточной детали 6 головка 5 поршня 1 совершает одновременно угловое и линейное перемещение относительно цилиндра 2.

Механизм 7 преобразования поступательного движения корпуса 3 во вращательное движение промежуточной детали 6 имеет по меньшей мере одну винтовую канавку 9, выполненную на боковой поверхности цилиндра 2. В винтовой канавке 9 расположен выступ 10, выполненный на промежуточной детали 6. На фиг. 3 и 4 представлен вариант выполнения промежуточной детали 6, имеющей три подпружиненных выступа 10, взаимодействующих с соответствующими винтовыми канавками 9.

Для обеспечения безударного перемещения выступов 10 по винтовым канавкам 9 каждый выступ 10 подпружинен посредством пружины 11 относительно промежуточной детали 6 (фиг.1,4). Кроме того, выступ 10 выполнен на конце с подшипником качения 12, обеспечивающим снижение трения при перемещении выступа 10 по винтовой канавке 9.

В случае выполнения ДВС четырехтактным винтовая канавка 9 должна иметь два участка 13 и 14, расположенных под углом друг к другу и сопряженных между собой. На конце выступа в этом варианте выполнения установлен балансир 15 (фиг. 2), а в месте сопряжения участков 13 и 14 винтовой канавки 9 выполнен упор 16 для взаимодействия с балансиром с возможностью изменения направления движения выступа 10 в зоне н.м.т. поршня.

Промежуточная деталь 6 установлена в корпусе 3 на радиально-упорном подшипнике 17, зафиксированном общеизвестным способом при помощи гайки 18 и контргайки 19. Между гайкой 18 и подшипником расположена прокладка 20.

Головка 5 поршня 1 выполнена с компрессионными и уплотнительными кольцами 21.

Устройство согласно изобретению применительно к двухтактному ДВС и работает следующим образом.

При движении поршня 1 к верхней мертвой точке, т.е. к началу подачи топливно-воздушной смеси и последующему ее сжатию выступы 10, перемещаясь вместе с корпусом 2 поршня 1 вверх, одновременно с этим перемещаются по винтовой канавке 9 в тангенциальном направлении, поворачивая тем самым промежуточную деталь 6 относительно корпуса 3 и головки 5. Вращение промежуточной детали 6, связанной с головкой 5 посредством винтовой передачи, приводит к перемещению головки 5 относительно промежуточной детали 6 вверх, удлиняя тем самым линейные размеры поршня 1 в целом и уменьшая при этом условный объем камеры сгорания, т.е. увеличивая степень сжатия ДВС в зоне верхней мертвой точки поршня 1.

При движении поршня 1 вниз выступы 10, перемещаясь по винтовой канавке 9, приводят к вращению промежуточной детали 6 относительно корпуса 3 и головки 5. Однако, поскольку головка 5 связана с промежуточной деталью 6 посредством винтовой передачи, вращение одной из них, в данном случае промежуточной детали 6, приводит к линейному перемещению другой, а именно головки 5. Наклон винтовой канавки 9 выполнен таким образом, что при движении поршня 1 вниз, головка 5 приближается в процессе вращения промежуточной детали 6 к корпусу 3, уменьшая тем самым линейные размеры поршня 1.

Процесс работы четырехтактного ДВС с данным поршнем 1 аналогичен описанному выше с той лишь разницей, что выступ 10 выполнен с балансиром 15, перемещающимся в соответствии с режимами работы ДВС вместе с ним в винтовой канавке 9, имеющей два участка 13 и 14, расположенных под углом друг к другу. Внутри винтовой канавки 9 в месте сопряжения участков 13 и 14 выполнен упор 16 для взаимодействия с балансиром 15 (фиг.2) с целью изменения направления движения выступа 10 и изменения тем самым направления вращения промежуточной детали 6 относительно корпуса 3 и головки 5.

Изобретение соответствует критерию изобретения "промышленная применимость", поскольку осуществимо при помощи известных средств производства с помощью существующих технологий.

Применение изобретения позволяет повысить эффективность работы ДВС путем обеспечения полного согласования перемещения поршня с процессом горения воздушно-топливной смеси за счет наличия кинематической связи поршня с цилиндром, обеспечения тем самым перемещения этих частей относительно друг друга и изменения при этом линейного размера поршня в зависимости от режима работы.

Использование: в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с автоматически изменяемой степенью сжатия, а также в поршневых насосах для перекачки, сжатия, сжижения и разрежения газов и жидкостей. Особенностью изобретения является то, что поршень 1 для автоматического изменения степени сжатия ДВС расположен в цилиндре 2. Поршень 1 содержит корпус 3, шарнирно связанный с головкой шатуна 4, и головку 5, кинематически связанную с корпусом 3 с возможностью перемещения относительно него по ходу движения поршня. Кинематическая связь головки 5 поршня 1 с корпусом 3 выполнена в виде промежуточной детали 6, установленной между корпусом 3 и головкой 5 поршня с возможностью поворота и связанной посредством механизма 7 преобразования поступательного движения во вращательное и механизма 8 вращательного движения в поступательное соответственно со стенками цилиндра 2 и с головкой 5 поршня 1. Механизм 8 преобразования вращательного движения промежуточной детали 6 в поступательное движение головки поршня выполнен в виде винтовой передачи, при этом угол винтовой линии данной передачи превышает угол трения, в связи с чем под влиянием сил движения промежуточной детали 6 головка 5 поршня перемещается относительно корпуса. Механизм 7 преобразования поступательного движения корпуса 3 во вращательное движение промежуточной детали 6 имеет по меньшей мере одну винтовую канавку 9, выполненную на боковой поверхности цилиндра 2. В винтовой канавке 9 расположен выступ 10, выполненный на промежуточной детали 6. Промежуточная деталь 6 может иметь три подпружиненных выступа 10, взаимодействующих с соответствующими винтовыми канавками 9. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поршень для автоматического изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, шарнирно связанный с головкой шатуна, и головку поршня, кинематически связанную с корпусом с возможностью перемещения относительно него, отличающийся тем, что кинематическая связь головки поршня с корпусом выполнена в виде промежуточной детали, установленной между корпусом и головкой поршня с возможностью поворота и связанной посредством механизмов преобразования поступательного движения корпуса во вращательное движение промежуточной детали и вращательного движения промежуточной детали в поступательное движение головки поршня. 2. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что механизм преобразования вращательного движения промежуточной детали в поступательное движение головки поршня выполнен в виде винтовой передачи, а механизм преобразования поступательного движения корпуса во вращательное движение промежуточной детали выполнен в виде по меньшей мере одной винтовой канавки, в которой размещен выступ, выполненный на промежуточной детали. 3. Поршень по п. 2, отличающийся тем, что винтовая канавка имеет два участка, расположенных под углом друг к другу и сопряженных между собой, а на конце выступа выполнен балансир, при этом в месте сопряжения участков винтовой канавки выполнен упор для взаимодействия с балансиром с возможностью изменения направления движения выступа в зоне нижней мертвой точки поршня. 4. Поршень по п. 2, отличающийся тем, что выступ промежуточной детали выполнен подпружиненным.