ПОРШЕНЬ С АВТОМАТИЧЕСКИ РЕГУЛИРУЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F02D15/04 F02B75/04 

Изобретение относится к поршням двигателей внутреннего сгорания с автоматически регулируемой степенью сжатия и может быть использовано в области машиностроения.

Известен поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2015378, МПК F 02 В 75/04, 1994 г.), содержащий поршневой палец и бобышки, при этом с целью упрощения конструкции и повышения КПД он снабжен упорными пружинными пластинами, съемными пластинами с выступами, рабочим упругим устройством, состоящим из пружины тарельчатого типа с размещенной внутри нее пружиной, навитой из проволоки прямоугольного сечения, предохранительными пружинами и подпружиненными ими подвижными взаимозаменяемыми сухарями с прямоугольными буртиками, причем в бобышках выполнен паз прямоугольной формы, в меньших сторонах которого, в средней части выполнены цилиндрические углубления прямоугольной формы, а вблизи от внешних торцов выполнены пазы под упорные пружинные пластины, причем в больших сторонах паза в бобышках на наружных торцах в средней части выполнены углубления под выступы съемных пластин, а на поршневом пальце выполнены четыре лыски в двух параллельных плоскостях, причем поршень соединен с поршневым пальцем через рабочее упругое устройство, предохранительные пружины и подвижные взаимозаменяемые сухари, а буртики прямоугольной формы последних и лыски поршневого пальца отделены от поршня съемными пластинами, причем толщина последних больше глубины лыски поршневого пальца, съемные пластины и подвижные взаимозаменяемые сухари фиксируются упорными пружинными пластинами.

Однако известный поршень имеет сложную конструкцию, а некоторые его детали (поршневой палец, бобышки) требуют значительных трудозатрат при изготовлении, т.к. некоторые элементы деталей имеют не круглую, а прямоугольную форму. При каждом подходе поршня к ВМТ на такте сжатия в цилиндре будет установлена максимальная степень сжатия независимо от теплового состояния двигателя, нагрузочных и скоростных режимов его работы. При воспламенении рабочей смеси степень сжатия будет уменьшаться в зависимости от количества топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, что приведет к перемещению одних деталей поршня относительно других, а следовательно, и к усиленному износу деталей поршня. В том случае, если двигатель работает при максимальной подаче топлива, возможна полная деформация рабочих пружин и удары поршня о его бобышки. Это вызовет разрушения элементов поршня, т.к. никаких ограничительных упоров, амортизаторов или гасителя механических ударов деталей в конструкции поршня не предусмотрено. При воспламенении смеси при максимальной степени сжатия резко возрастают давление и температура заряда. Увеличение температуры заряда способствует увеличению содержания оксидов азота в отработавших газах. Резкое увеличение давления при самовоспламенении заряда в дизеле приводит к жесткости рабочего процесса, что вызывает усиленный износ деталей двигателя и трансмиссии. При подходе поршня к ВМТ и к НМТ, а также при его движении от ВМТ к НМТ при протекании процесса сгорания рабочие пружины сжимаются и разжимаются. Это вызывает их усталость, пружины теряют свои упругие свойства и не могут выполнять свои функции.

В процессе работы рабочие и предохранительные пружины совершают внутренние колебания. При совпадении или кратности собственных колебаний пружин с их вынужденными колебаниями может наступить явление резонанса и пружины могут разрушиться.

Индикаторная работа газов двигателя-прототипа не увеличивается, т.к. индикаторная работа, полученная в результате поддержания давления в цилиндре за счет усилия разжимающихся пружин по площади, значительно меньше потерянной индикаторной работы двигателя с поршнем без автоматического регулирования степени сжатия.

Технический результат направлен на упрощение конструкции поршня, уменьшение жесткости работы двигателя и износа его деталей, снижение токсичности отработавших газов, повышение экономичности его работы.

Указанный технический результат достигается тем, что поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршневой палец и бобышки, при этом поршень и его головка выполнены раздельно, а в местах их соединения выполнена правая трапецеидальная однозаходная резьба, в пазах резьбы поршня и головки установлены роликовые подшипники качения, причем в верхней части головки и поршня образована полость, в которой установлен силовой цилиндр, кинематически соединенный через шаровую опору с поршнем двигателя, а поршень силового цилиндра кинематически соединен через шток и шаровую опору с головкой поршня, поршень силового цилиндра подпружинен, а его полость заполнена наполнителем, например церезином.

Отличительными признаками от прототипа является то, что поршень и его головка выполнены раздельно, а в местах их соединения выполнена правая трапецеидальная однозаходная резьба, в пазах резьбы поршня и головки установлены роликовые подшипники качения, причем в верхней части головки и поршня образована полость, в которой установлен силовой цилиндр, кинематически соединенный через шаровую опору с поршнем двигателя, а поршень силового цилиндра кинематически соединен через шток и шаровую опору с головкой поршня, при этом поршень силового цилиндра подпружинен, а его полость заполнена наполнителем, например церезином.

На фиг.1 представлен поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания, на фиг.2 представлена схема сил и момента, действующих на головку поршня с автоматически регулируемой степенью сжатия.

Поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания содержит поршень 1 и головку поршня 2, соединенные между собой с помощью правой трапецеидальной однозаходной резьбы. На внешней цилиндрической части поршня 1 нарезана наружная резьба 3, а на внутренней нижней цилиндрической части головки поршня 2 нарезана внутренняя резьба 4. Для уменьшения трения между поршнем 1 и головкой поршня 2 в пазах внутренней и наружной резьбы установлены ролики 5, выполняющие функцию подшипников качения. Между поршнем 1 и головкой поршня 2 выполнена полость 6, в которой установлен силовой цилиндр 7, предназначенный для поворота головки поршня 2 относительно поршня 1 с целью изменения величины степени сжатия. В силовом цилиндре 7 размещен поршень 8, соединенный со штоком 9. Шток 9 крепится через шаровую опору 10 к шаровому пальцу 11, жестко закрепленному на головке поршня 2. Между поршнем 8 и нижним торцом силового цилиндра 7 установлена возвратная пружина 12, а в полости над поршнем 8 размещен наполнитель 13. В качестве наполнителя 13 целесообразно использовать церезин, представляющий собой нефтяной воск, смешанный с медными опилками и имеющий значительный коэффициент объемного расширения. Силовой цилиндр 7 крепится к поршню 1, установленному в цилиндре двигателя через шаровую опору 14. В поршне 1 выполнены бобышки 15, в которых установлен поршневой палец 16, а в головке поршня 2 выполнена камера сгорания 17.

Поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

В двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси (карбюраторные, с впрыском легкого топлива, работающие на газе) максимальные значения степени сжатия ограничиваются и выбираются таким образом, чтобы двигатель нормально работал на наиболее тяжелых режимах, например при максимальном крутящем моменте [1]. При этом значения степени сжатия, как правило, намного ниже тех значений, при которых обеспечивается наиболее экономичная работа двигателя. Значительно ухудшая экономические показатели двигателей вообще, последнее обстоятельство особенно сильно сказывается при их работе на частичных нагрузках, когда экономичность двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси и без того резко снижается, поскольку изменение условий протекания рабочего процесса при частичных нагрузках (снижение наполнения, уменьшение температуры деталей и т.д.) создает возможность для повышения степени сжатия, причем тем большего, чем меньше нагрузка.

В дизелях величина степени сжатия определяется условиями надежного пуска холодного двигателя [1]. Обычно значения степени сжатия в двигателях с воспламенением от сжатия всегда выше тех, при которых обеспечиваются наиболее высокие экономические показатели. Поэтому уменьшение степени сжатия после пуска двигателя целесообразно с точки зрения улучшения его экономических показателей.

При пуске холодного двигателя температура его деталей и, в частности, поршня 1, головки поршня 2 и наполнителя 13, находящегося в полости над поршнем 8 силового цилиндра 7, низкая, при этом активное вещество 13 занимает минимальный объем. Поэтому поршень 8 в силовом цилиндре 6 находится под действием пружины 12 в крайнем левом положении. При этом расстояние между шаровыми опорами 10 и 14 минимальное, а головка поршня 2 повернута вправо относительно поршня 1, то есть в цилиндре двигателя будет задана максимальная величина степени сжатия. Вследствие этого давление заряда в конце такта сжатия Р_с и температура Т_c заряда, находящегося в камере сгорания 17, будут максимальными, а значения Р_с и Т_c определяются по формулам 1 и 2:

где P_a - давление зарядов (рабочего тела) при положении поршня в нижней мертвой точке в начале сжатия;

ε - степень сжатия;

n₁ - средний показатель степени сжатия.

где T_a - давление заряда при положении поршня в ВМТ.

Максимальные величины давления P_с и температуры Т_c заряда, находящегося в камере сгорания 17, будут способствовать надежному пуску как у карбюраторных двигателей, так и у дизелей.

После пуска двигателя при увеличении нагрузки на двигатель увеличивается и количество впрыскиваемого в камеру сгорания 17 топлива, что приводит к увеличению температуры заряда в камере сгорания 17 и соответственно к увеличению температуры поршня 1, головки поршня 2 и наполнителя 13, находящегося в полости перед поршнем силового цилиндра 7. При достижении значения температуры +70°С наполнитель 13 начинает плавиться, его объем увеличиваться. Вследствие повышения давления со стороны наполнителя 13 поршень 8 перемещается в силовом цилиндре 7 вправо, сжимая возвратную пружину 12. Усилие от поршня 8 передается через шток 9, шаровую опору 10, шаровой палец 11 на головку поршня 2. На головку поршня 2 будет передаваться крутящий момент М_к, равный по величине произведению нормальной силы P_н на плечо h (фиг.2). Головка поршня 2 будет поворачиваться под действием крутящего момента M_к=P_н·h относительно поршня 1 по часовой стрелке на некоторый угол. В этом случае наружная резьба 4 головки поршня 2 будет перекатываться по роликам 5 относительно внутренней резьбы 3 поршня, что вызовет уменьшение степени сжатия. Давление и температура заряда при сгорании также уменьшается, что способствует снижению оксидов азота в отработавших газах двигателя. При максимальной нагрузке двигателя температура его деталей и, соответственно, температура наполнителя 13 будут максимальными. В этом случае головка поршня 2 повернется относительно поршня 1 на максимальный угол и в цилиндре будет установлена минимальная степень сжатия, поэтому существенно снизятся нагрузки на детали двигателя и трансмиссии.

Смазывание роликов 5, наружной 4 и внутренней 3 резьбы производится маслом, вытекающим из канала 18 и снимаемым маслосъемным кольцом, установленным в поршневой канавке 19.

После остановки двигателя температура наполнителя 13 уменьшается, объем его также уменьшается и под действием возвратной пружины 12 поршень 7 переместится в силовом цилиндре 7 влево. Головка поршня 2 переместится относительно поршня 2 против часовой стрелки и будет установлена максимальная величина степени сжатия. Следовательно, в рабочей полости цилиндра будут созданы оптимальные условия для воспламенения заряда при пуске двигателя.

Таким образом, заявляемый поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания позволяет устанавливать максимальную степень сжатия при пуске холодного двигателя, минимальную степень сжатия при работе двигателя на режиме полной нагрузки, промежуточные величины степени сжатия при работе двигателя на режиме частичных нагрузок, что позволит повысить экономичность двигателя, уменьшить нагрузки на детали двигателя и трансмиссии, снизить содержание оксидов азота в отработавших газах двигателя.

Конструкция поршня исключает возникновение стуков его деталей при работе двигателя на различных режимах его работы. Тем самым уменьшается износ деталей и повышается надежность его работы.

Заявляемый поршень позволяет автоматически изменять степень сжатия в зависимости от режима работы двигателя.

Источник информации

1. П.М.Белов, В.Р.Бурячко, Е.И.Акатов. Двигатели армейских машин, Ч.1. - М.: Воениздат, 1971. - 508 с.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в поршнях с автоматически регулируемой степенью сжатия. Поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для ДВС содержит поршневой палец и бобышки, при этом поршень и его головка выполнены раздельно, а в местах их соединения нарезана правая трапецеидальная однозаходная резьба, в пазах резьбы поршня и головки установлены роликовые подшипники качения, причем в верхней части головки и поршня образована полость, в которой установлен силовой цилиндр, кинематически соединенный через шаровую опору с поршнем двигателя, а поршень силового цилиндра кинематически соединен через шток и шаровую опору с головкой поршня, поршень силового цилиндра подпружинен, а его полость заполнена наполнителем, например церезином. Такое выполнение упрощает конструкцию поршня, уменьшает жесткость работы двигателя и износ его деталей, повышает экономичность его работы. 2 ил.

Поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршневой палец и бобышки, отличающийся тем, что поршень и его головка выполнены раздельно, а в местах их соединения выполнена правая трапецеидальная однозаходная резьба, при этом в пазах резьбы поршня и головки установлены роликовые подшипники качения, причем в верхней части головки поршня образована полость, в которой установлен силовой цилиндр, кинематически соединенный через шаровую опору с поршнем двигателя, а поршень силового цилиндра кинематически соединен через шток и шаровую опору с головкой поршня, поршень силового цилиндра подпружинен, а его полость заполнена наполнителем, например, церезином.