Двигатель с упругим шатуном Российский патент 2023 года по МПК F16C7/04 

Изобретение относится к области машиностроения, главным образом к двигателям внутреннего сгорания, в дальнейшем ДВС.

ДВС с переменой степенью сжатия имеет хорошие перспективы для повышения мощности и экономичности. Разработаны и испытаны несколько конструкций. Но из-за недостатков, выявленных при этом, и приведенных ниже, в серийное производство не пошли:

ДВС с дополнительным поршнем в головке блока имеет проблемы в том, что распределительный вал, клапаны не оставляют места для дополнительного поршня, камера сгорания теряет оптимальность формы, что ухудшает условия сгорания.

ДВС с устройством подъема коленчатого вала посредством поворота эксцентриков, в которых находятся шейки коленчатого вала. Имеет недостаток - медленное реагирование на изменение нагрузки. Сложный и ненадежный. ДВС с переменной длиной шатуна за счет подъема блока цилиндров, разделенного на две части - верхнюю с головкой и гильзами и нижнюю - с коленчатым валом, проблема с герметизацией частей блока.

Эти недостатки можно обобщить. Они сложны в устройстве. Громоздки. Требуют контроля за степенью сжатия и наличия механизма для ее регулирования. Но чем сложнее механизм, тем ниже его надежность.

Известен шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания патент F16C 7/04, №2256826 /прототип/, который содержит направляющий корпус, винтовую пружину сжатия переменного шага, цельный ступенчатый шток, штифтовый фиксатор. Усилие на пружине, от предварительного установочного сжатия, обеспеченного, в конструкции шатуна, должно быть по величине больше усилия, создаваемого давлением рабочих газовых смесей на поршень, необходимым для вспышки топлива в цилиндре, но меньше усилия, создаваемого на поршень при цикле сгорания - расширения. В рабочем процессе пружина, деформируясь, аккумулирует механическую энергию давления сгорания и отдает ее коленчатому валу, разжимаясь в исходное положение. Технический результат повышение КПД ДВС за счет аккумулирующей способности винтовой цилиндрической пружины. Недостатком этого изобретения является невозможность изготовить такую сильную пружину с такими малыми габаритами, чтобы она умещалась внутри стержня шатуна. Заявлено, что «усилие на пружине, от предварительного сжатия, должно быть больше усилия сжатия на поршень, необходимым для вспышки топлива в цилиндре». Давление сжатия у дизельного двигателя 22 кг/см² и выше /сайт железный конь Р.Ф./ Для примера - давление сжатия двигателя КАМАЗ на поршень диаметр поршня 120 мм будет 2376 кг, а сгорания - 10800 кг. Это больше веса автомобиля ВАЗ-2106 (1439 кг) в семь раз, его подвеска состоит из четырех сильных винтовых пружин. Даже одну пружину такого габарита не поместить во внутреннюю полость стержня шатуна.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что с целью повышения силы и жестокости пружины она выполнена из нескольких прямолинейных стальных пластин, шарнирно прикрепленных одним концом, к верхней головке шатуна, которая через поршневой палец, в свою очередь, шарнирно крепится к поршню двигателя. Другим концом прямолинейные пластины крепятся к верхней части нижней головке шатуна. Прямолинейные пластины работают в пределах упругой деформации. Пружина, выполненная из нескольких прямолинейных пластин, обладает намного большей силой и жесткостью, чем винтовая. Пластина работает не на изгиб как винтовая пружина, а преимущественно на сжатие.

На Фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель с упругим шатуном в разрезе.

На Фиг. 2 вариант прикрепления нижних частей стержня к шатуну.

На Фиг. 3 показана схема закрепления стержней шатуна и их деформация в процессе работы двигателя. При этом не принято во внимание деформация шатуна, так как она сравнительно мала 2:4% длины стержня шатуна.

Двигатель с упругим шатуном содержит жесткую пружину сжатия, сформированную из нескольких стальных прямолинейных пластин 1 - Фиг. 1, заделанных в два стержня 2 и 3 - Фиг. 1 шатуна 4, совместно выполняющих функцию жесткой пружины. Прямолинейные пластины 1 выполнены из пружинной стали. Стержни, сформированные из этих пластин, работают в пределах упругой деформации. На концах стержней образованы головки, постановкой между пластин 1, проставок 5, изготовленных из стали, с последующим прочным скреплением их между собой. На этих концах стержней 2 и 3 шатуна 4 сформированы части шарнирного соединения, которыми стержни 2 и 3 одним концом шарнирно соединяются с шаровыми опорами 6 поршневого пальца 7, а другим шарнирно к верхней части нижней головки шатуна 4. Прямолинейным стержням 2 и 3 придано легкое нарушение прямолинейности в сторону оси шатуна 4 для принуждения их в момент потери устойчивости деформироваться в ту же сторону.

Двигатель с упругим шатуном, изготовленный по Фиг. 2, обладает повышенной силой и жесткостью пружины по сравнению с ее изготовлением по Фиг. 1. Для этого нижние головки стержней 2 и 3 Фиг. 2. шатуна 4 прочно заделаны в верхнюю часть, по обе стороны нижней головки шатуна 4, этим изменяется схема закрепления нижних концов стержней шатуна 4 Фиг. 2. что приводит к двух-кратному повышению устойчивости прямолинейных стержней шатуна это вытекает из формулы Эйлера , где - коэффициент приведения длины стержня стоит в знаменателе [Сопротивление материалов Г.М. Ицкович Москва Высшая школа стр. 327] по Фиг. 1 равен 1, по Фиг. 2 равен 0,7. Следовательно, Fкрит по Фиг. 2 будет в два раза больше, чем по Фиг. 1.

При работе двигателя с упругим шатуном, в бензиновом варианте, на холостом ходу и частичных нагрузках стержни 2 и 3 шатуна 4 Фиг. 1 сохраняют устойчивость, потому что давления в такте сжатия недостаточно для потери их устойчивости. При этом степень сжатия остается максимальной, а экономичность высокой. Предел устойчивости стержней 2 и 3 шатуна 4 Фиг. 1 закладывается при проектировке двигателя. При полной и близкой к ней нагрузках давление в такте сжатия достигает критического значения до прихода поршня 8 в В.М.Т. Стержни 2 и 3 деформируются, автоматически снижая степень сжатия. У дизельного варианта устойчивость стержней 2 и 3 шатуна 4 в такте сжатия не нарушается. При сгорании топлива в цилиндре, такт расширения у дизельного и бензинового двигателя происходит одинаково. Стержни 2 и 3 Фиг. 1 деформируются до максимума, степень сжатия автоматически снижается. Этот процесс происходит следующим образом. Деформация стержней 2 и 3 шатуна 4 приводит к тому, что они сталкиваются в точке р Фиг. 3, что повышает их устойчивость, так как этот контакт препятствует их деформации. Затем этот контакт между стержнями 2 и 3 Фиг. 1 при продолжении деформации от сил давления на поршень 8 расширяется до максимального значения, до точек ф и ж Фиг. 3. В этом положении пружина имеет максимальную устойчивость, она запасла энергию сжатия, а, расширяясь, отдает ее коленчатому валу двигателя.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель с упругим шатуном содержит шатун переменной длины с пружиной сжатия, которая принимает усилия давления газов на поршень, аккумулируя механическую энергию давления сгорания, и отдает коленчатому валу. Пружина сжатия выполнена из нескольких стальных прямолинейных пластин, прикрепленных одним концом к верхней части нижней головки шатуна, а другим концом к верхней головке шатуна. Прямолинейные пластины (1) сформированы в два стержня (2) и (3) шатуна (4), размещенные дистанционно друг от друга, на противоположных сторонах от оси шатуна. На противоположных сторонах от оси шатуна (4) концы стержней (2) и (3) шатуна снабжены проставками (5), размещенными между прямолинейными пластинами и скрепленными с ними. На этих концах стержней шатуна сформированы части шарнирного соединения, которыми стержни одним концом шарнирно соединяются с шаровыми опорами поршневого пальца, а другим шарнирно к верхней части нижней головки шатуна. Технический результат заключается в повышении жесткости пружины и в упрощении устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель с упругим шатуном, содержащий шатун переменной длины с пружиной сжатия, которая принимает усилия давления газов на поршень, аккумулируя механическую энергию давления сгорания, и отдает коленчатому валу, пружина сжатия выполнена из нескольких стальных прямолинейных пластин, прикрепленных одним концом к верхней части нижней головки шатуна, а другим концом к верхней головке шатуна, причем прямолинейные пластины сформированы в два стержня шатуна, размещенные дистанционно друг от друга, на противоположных сторонах от оси шатуна, отличающийся тем, что на противоположных сторонах от оси шатуна концы стержней шатуна снабжены проставками, размещенными между прямолинейными пластинами и скрепленными с ними, на этих концах стержней шатуна сформированы части шарнирного соединения, которыми стержни одним концом шарнирно соединяются с шаровыми опорами поршневого пальца, а другим шарнирно с верхней частью нижней головки шатуна.

2. Двигатель с упругим шатуном по п. 1, отличающийся тем, что нижние концы стержней шатуна заделаны в верхнюю часть нижней головки шатуна, по обе стороны нижней головки шатуна.