Двигатель с упругим шатуном Российский патент 2025 года по МПК F16C7/04 

Предлагаемый двигатель с упругим шатуном относится к области машиностроения, главным образом к автомобильным двигателям с переменной степенью сжатия, эти двигатели имеют очень хорошие показатели по мощности, особенно по экономичности. Разработки таких двигателей ведут США, Япония, Германия, Австралия, Швейцария, Россия. Выпущено и испытано несколько опытных образцов, но из-за ненадежности и сложности устройства ни одна страна их не выпускает.

Известен двигатель с упругим шатуном прототип, патент №2801021, двигатель с упругим шатуном, который содержит упругий шатун, выполненный из стальных прямолинейных пластин, сформированных в два стержня шатуна, размещенных дистанционно друг от друга на противоположных сторонах от оси шатуна. Концы стержней шатуна снабжены проставками между пластин. На этих концах стержней шатуна сформированы части шарнирного соединения, которыми стержни одним концом шарнирно соединяется с шаровыми опорами поршневого пальца, а другим шарнирно к верхней части нижней головки шатуна. Прямолинейным стержням шатуна придано легкое нарушение прямолинейности в сторону оси шатуна для принуждения их, в момент потери устойчивости деформироваться в ту же сторону. При работе двигателя на полной и близкой к ней нагрузках, фактическая степень сжатия достигает критического значения до прихода поршня в ВМТ. Стержни шатуна деформируются, фактическая степень сжатия автоматически снижается, экономичность также значительно снижается. Следовательно двигатель, работающий по описанному выше принципу не работоспособный.

Двигатель прототипа имеет следующие недостатки:

1 - Прямолинейные пластины стержней шатуна прототипа, которым придано легкое нарушение прямолинейности, после потери устойчивости, будут испытывать напряжение не на много меньше максимально допустимого напряжения для постоянной нагрузки. Стержни шатуна работают не при постоянной, а при переменной, много цикловой нагрузке, при которой допустимое напряжение зависит от количества циклов в периоде работы устройства. Поэтому максимально допустимое напряжение для стали, из которой изготовлены пластины стержней шатуна, должно быть в разы меньше максимально допустимого напряжения для постоянной нагрузке, иначе они разрушатся.

2 - Другим недостатком двигателя прототипа является применение шарового соединения поршневого пальца для передачи нагрузки от него к верхним головкам стержней шатуна, так как шаровая опора сложна в изготовлении, и имеет низкий срок службы.

Совпадает существенный признак прототипа с существенным признаком предлагаемого двигателя с упругим шатуном. Концы стержней шатуна у прототипа снабжены проставками, размещенных между прямолинейных пластин и скрепленных с ними. У предлагаемого изобретения пластины стержней шатуна, своими концами скреплены дистанционно друг от друга, со стальными втулками образуя головки стержней шатуна. Дистанция между пластин стержня необходима чтобы в такте сжатия не произошло смыкания пластин от деформации стержней, что приведет к резкому усилению их жесткости и прекращению роста камеры сгорания, что в свою очередь приведет к резкому увеличению фактической степени сжатия.

Не совпадают существенные признаки прототипа с существенным и признаками предлагаемого двигателя с упругим шатуном:

1 - Стержни шатуна прототипа сформированы из прямолинейных стальных пластин. У предлагаемого двигателя с упругим шатуном- стальным пластинам стержней шатуна придана бочкообразность или кривизна в продольном и поперечном их сечениях, а по длине пластины тоньше по концам. Этот существенный признак придает новое полезное свойство стержням шатуна. Бочкообразность по длине пластин обеспечивает плавное изменение их жесткости и силы при деформации стержней шатуна. Бочкообразность в поперечном сечении пластин стержней шатуна значительно повышает их жесткость в начальный период деформации, из которой они выходят, быстро и плавно снижая свою жесткость и увеличивая свою силу.

2 - Другой не совпадающий существенный признак изобретения: у прототипа в верхних головках стержней образованы шарообразные полости, которыми они собранные в узел с шаровыми опорами на поршневом пальце, образуют шаровые шарниры, воспринимающие как вертикальные нагрузки, так и горизонтальные. У предлагаемого изобретения - для передачи нагрузки от поршня к верхним головкам стержней, на противоположных сторонах поршневого пальца, закреплены два держателя к которым осью, шарнирно, присоединены верхние головки стержней шатуна.

Существенный признак предлагаемого изобретения, отсутствующий у прототипа - в середине по длине стержней шатуна, распорно, установлена стержневая пружина в виде плоской, узкой, слегка изогнутой стальной ленты, которая своими концами упирается в две гильзы, которые фланцем на открытой их стороне прикреплены к внутренним, (по отношению к оси шатуна) пластинам стержней шатуна.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том что двигатель прототипа содержит дефект устройства который делает его не работоспособным - это потеря устойчивости прямолинейных пластин стержня шатуна в тактах сжатия и расширения, которая сопровождается их перегрузкой и разрушением от многоцикловой нагрузки. В предлагаемом изобретении этот дефект устранен, применением стержней шатуна сформированных из бочкообразно изогнутых по длине и ширине стальных пластин, которые деформируются без скачка падения их силы. Высокую жесткость стержням, в начальный период деформации, придает пружина, которая своими концами упирается во внутренние (по отношению к оси шатуна) пластины стержней препятствуя этим их деформации, что повышает силу стержней особенно значительно в начальный период их деформации. Камера сгорания у предлагаемого двигателя образуется за счет деформации стержней шатуна в такте сжатия, при положении поршня в ВМТ.

Пропорционально росту деформации стержней от нагрузки растет объем камеры сгорания, чем в идеале может быть достигнута неизменность фактической степени сжатия на всех режимах работы двигателя, начиная от холостого хода и до полной мощности. Степень сжатия предлагаемого двигателя, в идеальном варианте исполнения изменяется от сто один, на холостом ходу и до одиннадцати, при полной нагрузке. Экономичность его работы на частичных режимах значительно выше, чему эксплуатируемых бензиновых двигателей.

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

Фиг. 2. изображена схема нагрузки внутренних стержней шатуна.

Фиг. 3. Изображена стержневая пружина, поставленная в распор внутренних пластин

Фиг. 4. Изображен поперечный разрез стержневой пружины 7

Фиг. 5. Лист 2. Вариант устройства двигателя с упругим шатуном.

Фиг. 6. Изображено сечение поршня по Б-Б

Двигатель с упругим шатуном содержит шатун 1. Фиг. 1 с двумя стержнями 2 сформированными из бочкообразно изогнутых по длине и ширине стальных пластин 3, которые для повышения гибкости, к их концам, утоньшены. Пластины 3 Фиг. 1 стержней 2 шатуна 1 своими концами скреплены дистанционно друг от друга со стальными втулками, образуя нижние головки 4 и верхние головки 9 стержней 2. Пластины 3 изготовлены из высокопрочной пружинной или мартенситно-стареющей стали и работают в пределах упругой деформации. По середине каждого стержня 2 в пластинах 3 образованы отверстия, в которые вставлены гильзы 5. Фигуры 1.3.4. Глухая сторона гильзы 5 выполнена в форме сферического дна, а открытая сторона снабжена фланцем 6, которым она прикреплена к внутренней, относительно оси шатуна 1, пластине 3. Стержня 2. Пружина 7 в форме изогнутого стержня, своими изогнутыми концами вставлена, с предварительным распором, в гильзы 5, Фиг. 1., Фиг. 3. Концы пружины 7 Фиг. 1, подогнаны механической обработкой к сферическим днам гильзы 5. Нижние головки 4 Фиг. 1 стержней 2 соединены шарнирно с шатуном 1 посредством осей 8 закрепленных в нем. Верхние головки 9 стержней 2 шарнирно соединены осями 10 с держателями 11, закрепленных на поршневом пальце 12 поршня 13. Для возможности деформации пружины 7 в пластинах 3 стержней 2 проделаны пазы 14. С целью упрощения конструкции и повышения надежности работы соединения верхних головок 9 Фиг. 1 стержней 2 шарнирно соединенных осями 10 с держателями 11 закрепленных на поршневом пальце 12 поршня 13, поршень 13 Фиг. 4 лист 2 снабжен двумя поршневыми пальцами, 12 к которым шарнирно присоединены верхние головки 9 стержней 2 шатуна 1.

В предлагаемом двигателе с упругим шатуном, в бензиновом варианте, камера сгорания образуется за счет деформации стержней 2, Фиг. 1, шатуна 1, в такте сжатия, при положении поршня 13 в ВМТ. На холостом ходу и частичных нагрузках двигателя стержни 2 практически не деформируются, потому что объем поступающей в цилиндр рабочей смеси не велик, следовательно сила давления F Фиг. 2 сжатой рабочей смеси на поршень 13 Фиг. 1 передаваемая на два стержня 2 так же не велика, а бочкообразные по длине и ширине стержни 2 Фиг. 2 в фазе начала деформации обладают высокой силой и жесткостью. Это объясняется следующим: Бочкообразный стержень 2 имеет отклонение, а Фиг. 2 от прямолинейности, вследствие чего от силы F/2, давления поршня, рождается изгибающий момент действующий на него M=F/2 а, на внутренние стержни 2 Фиг. 1 с предварительным усилием Р упирается пружина 7 Фиг. 1 и Фиг. 2, создавая противонаправленный момент изгиба равный М'=Р/2⋅б, где 6 половина длины внутреннего стержня 2. При равенстве этих моментов внутренний стержень 2 не будет испытывать изгиба, а следовательно, и деформации. Приравниваем эти моменты между собой М=М'F/2⋅a=P/2⋅б. Отсюда F=P⋅б/a. Если взять размеры из чертежа Фиг. 2, то F=P 72/3=24. Следовательно сила пружины 7 в этом случае в 24 раза усиливает устойчивость внутреннего стержня 2 Фиг. 1 шатуна 1. Следовательно величиной предварительного изгиба бочкообразных пластин стержней, а так же характеристикой пружины 7 можно регулировать характеристику внутренних пластин 3 стержней 2 для реализации переменной степени сжатия, без скачков понижения силы стержней 2 и надежности их работы. Устраняется факт перегрузки стержней 2 в момент потери их устойчивости, присущий прототипу. Деформация стержней 2 Фиг. 1 ведет к повороту их головок 9 и 4 в сторону оси шатуна, вследствие чего внутренние, относительно оси шатуна 1, пластины 3 стержней 2 деформируются меньше чем наружные, поэтому они должны быть изготовлены более сильными, а наружные более слабыми и более гибкими. Так как основную силу стержня 2 представляет внутренняя пластина 3, то она же, в основном с учетом влияния пружины 7, обеспечивает его устойчивость и очень высокую жесткость на холостом ходу и частичных нагрузках. Рост нагрузки двигателя вызывает рост деформации стержней 2 и пропорционально их росту увеличивается объем камеры сгорания, что стабилизирует давление сжатия и фактическую степень сжатия на одном высоком уровне.

Степень сжатия предлагаемого двигателя в идеальном варианте исполнения может изменятся от 101 на холостом ходу до 11 на полной мощности. Экономичность его работы на частичных режимах значительно выше чем у эксплуатируемых бензиновых двигателей. «Большинство же транспортных двигателей как раз и эксплуатируются на частичных режимах (меньше половины максимальной мощности) до 50-70% общего времени, а на режимах холостого хода до 40%» главная лекция Инженерия. Система питания поршневых ДВС. Возможность повышения эффективности КПД поршневых ДВС. Интернет.

Ресурс Эксплуатации предлагаемого двигателя значительно выше чем у современных двигателей в связи с тем что ВМТ у него образуется у разных местах цилиндра в зависимости от нагрузки, а максимальный износ всегда образуется при положении поршня в ВМТ.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель с упругим шатуном содержит шатун (1) переменной длины с пружиной сжатия, которая принимает усилие давления газов на поршень. Пружина сжатия выполнена из нескольких стальных пластин (3), сформированных в два стержня (2) шатуна, размещенных дистанционно друг от друга на противоположных сторонах от оси шатуна (1). На концах стержней (2) шатуна сформированы части шарнирного соединения, которыми стержни одним концом шарнирно соединяются с поршневым пальцем, а другим шарнирно к верхней части нижней головки шатуна. Стальным пластинам (3) стержней (2) шатуна придана бочкообразность или кривизна, в продольном и в поперечном сечениях. Посередине каждого стержня (2) в пластинах (3) образовано отверстие, в которое вставлены гильзы (5). Гильзы (5) своими фланцами (6), выполненными со стороны открытых концов гильз (5), прикреплены к внутренним, относительно оси шатуна, пластинам (3) стержней (2) шатуна. В обе гильзы (5) своими концами вставлена стержневая пружина (7) сжатия. Технический результат заключается в повышении жесткости стержням в начальный период деформации. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двигатель с упругим шатуном, содержащий шатун переменной длины с пружиной сжатия, которая принимает усилие давления газов на поршень, пружина сжатия выполнена из нескольких стальных пластин, сформированных в два стержня шатуна, размещенных дистанционно друг от друга на противоположных сторонах от оси шатуна, на концах стержней шатуна сформированы части шарнирного соединения, которыми стержни одним концом шарнирно соединяются с поршневым пальцем, а другим шарнирно к верхней части нижней головки шатуна, отличающийся тем, что стальным пластинам стержней шатуна придана бочкообразность или кривизна, в продольном и в поперечном сечениях, по середине каждого стержня в пластинах образовано отверстие, в которое вставлены гильзы, которые своими фланцами, выполненными со стороны открытых концов гильз, прикреплены к внутренним, относительно оси шатуна, пластинам стержней шатуна, причем в обе гильзы, своими концами, вставлена стержневая пружина сжатия.

2. Двигатель с упругим шатуном по п. 1, отличающийся тем, что верхние головки стержней шатуна шарнирно скреплены осями с держателями, которые, в свою очередь, закреплены на противоположных сторонах поршневого пальца.

3. Двигатель с упругим шатуном по п. 1, отличающийся тем, что поршень снабжен двумя поршневыми пальцами, к которым шарнирно присоединены верхние головки стержней шатуна.