Узел двигателя внутреннего сгорания А.Ф.Мещерякова Советский патент 1992 года по МПК F16C7/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателест- роению, и может быть использовано в качестве узла кривошипно-шатунного механизма в двигателях внутреннего сгорания,

Известен узел двигателя внутреннего сгорания, содержащий шатун, присоединенный к шейке кривошипа коленчатого вала, являющийся частью крипошипно- шатунного механизма (КШМ). Основными элементами шатуна является: поршневая головка, стержень и ко вошипная головка, соединяющая стержень шатуна с шейкой коленчатого вала. В комплект шатуна входят втулка и подшипник скольжения.

Обеспечивая прочность и жесткость, шатуну отводят исключительно роль кинематической связи поршня с кривошипом вала, не способствующую при этом улучшению как организации и протеканию рабочего процесса в двигателе, так и повышению его моторесурса.

Целью изобретения является повышение технико-экономических показателей двигателя путем улучшения рабочей характеристики шатуна, а также повышения надежности.

Улучшенная рабочая характерисп а составного шатуна с четко выраженным по углу р поворота кривошипа вала началом сокращения его длины под действием расчетного усилия, например давления на поршень, развиваемого с началом рабочего процесса до его прихода в верхнюю мертвую точку (ВТМ), позволяет существенно снизить противодавление на поршень, демпфируемое гидравлической системой шатуна, и тем самым снизить износ элементов КШМ и повысить моторесурс двигателя.

Вместе с этим продолжающееся демпфирование шатуном давлений цикла в ВМТ поршня и частью за ней обеспечивает переменную степень сжатия е в цилиндре двигателя, способствующую снижению максимальных давлений цикла и вероятности детонационного сгорания топливной смеси в бензиновом двигателе. С повышением таким образом предела детонационного сгорания топливной смеси открывается перспектива использования более дешевых бензинов с относительно более низким октановым числом.

С применением узла в дизелях обеспечивается снижение наброса давлений на де- тали КШМ и повышается возможность форсирования по давлению наддува.

Сущность изобретения состоит в том, что составной шатун узла двигателя внутреннего сгорания выполнен с рабочей характеристикой, содержащей по углу р поворота кривошипа вала приближенно - горизонтальный участок, описывающий работу удлиненного шатуна, ограниченный участками характеристики удлинения и сокращения межцентрового расстояния головок составного шатуна соответственно под давлением масла маслосистемы двигателя и под воздействием давлений цикла на поршень в области ВМТ, с конструктивно регулируемым по углу (р началом сокращения длины шатуна - демпфирования давлений цикла.

Существенными отличиями узла и его

гидравлической системы являются следующие. Стержень шатуна выполнен составным из двух частей: части стержня с поршневой головкой и части, образованной картером с кривошипной головкой, конструктивно связанных между собой с возможностью вращения его частей относительно оси шатуна и изменения - удлинения, сокращения межцентрового расстояния его головок. При этом связью частей шатуна служит палец,

неподвижно присоединенный в основании части стержня с поршневой головкой, имеющий цилиндрическую направляющую часть, и выполненный на конце направляющей части полый поршень с заглушкой, фиксированные в отверстии крышки картера и его полости.

Гидравлическая система составного шатуна содержит клапан высокого давления с коническим элементом и жесткой пружиной

сжатия, соответственно установленные в седле отверстия заглушки и полости поршня с помощью опорных элементов, и клапан низкого давления с седлом и менее жесткой пружиной сжатия, соответственно установленные в осевом подводящем масляном канале кривошипной головки шатуна и в аккумулирующей полости, выполненной под поршнем в верхней части кривошипной головки.

Поперечные каналы и осевой канал, выполненные в направляющей части пальца, соединяют полость над поршнем с осевым каналом стержня шатуна с поршневой головкой.

Другими существенными отличиями элементов узла и их выполнения являются окружные выемка с поперечными канавками, выполненные в стенке полости кривошипной головки и примыкающие к осевому

подводящему масляному каналу и несколько отверстий в подшипнике скольжения, обращенные к окружной выемке.

Для обеспечения быстродействия удлинения шатуна в области нижней мертвой

точки поршня (НМТ) масляный канал в шатунной шейке кривошипа коленчатого вала, являющейся составной частью узла, выполнен со стороны шейки, обращенной к оси коленчатого вала двигателя.

На фиг. 1 эскизно изображен главный вид шатуна; на фиг. 2а -- принципиальная развернутая диаграмма протекания по углу рабочего процесса двигателя с новым узлом; на фиг. 26 - принципиальная рабочая характеристика составного шатуна, выраженная процентным изменением хода части стержня с поршневой головкой по углу поворота кривошипа вала,

Составной шатун, являющийся частью предлагаемого узла, содержит кривошипную головку 1 с крышкой 2, присоединенной конусными штифтами 3, и подшипник скольжения А.

В верхней цилиндрической части 5 кривошипной головки выполнена открытая цилиндрическая аккумулирующая полость 6, сообщаемая осевым подводящим масляным каналом 7 с окружными выемками 8 с поперечными канавками 9, выполненными на части стенки полости головки, а в подшипнике скольжения выполнены отверстия 10, обращенные к окружной выемке.

К верхней цилиндрической части 5 кривошипной головки на резьбе присоединена накидная крышки 11, выполненная в виде цилиндрического стакана, донная часть которого выполнена с буртом и осевым отверстием, в расточке которого установлен кольцевой уплотнительный элемент 12. Совместно с верхней цилиндрической частью кривошипной головки крышка образует картер составного шатуна.

В отверстии накидной крышки с возможностью вращения и осевого перемещения на величину A L установлена цилиндрическая направляющая часть 13 пальца 14, неподвижно присоединенного в основании части стержня шатуна 15, выполненного на конце с поршневой головкой 16 и втулкой 17.

Продолжением направляющей части служит поршень 18с полостью 19, обращенной к аккумулирующей полости и закрытой заглушкой 20 на резьбе. Для повышения работоспособности поршень снабжен кольцевыми уплотнительными элементами 21.

В пальце и хвостовике поршня выполнен осевой канал 22, сообщаемый с осевым каналом стержня и полостью поршня шатуна, а выполненные в направляющей части радиальные каналы 23 сообщают кольцевую поршневую полость 24, образованную стенкой накидной крышки под буртом и хвостовиком, с осевым каналом направляющей части.

В заглушке поршня выполнено осевое отверстие с острой кромкой седла, запиравмое установленным в заглушке клапаном высокого давления с коническим элементом 25, с открытой конусной частью, обращенной в аккумулирующую полость. Клапан вы- полнен с цилиндрическим буртом и

0 сферической головкой, сопряженной с возможностью самоустановки в сферической выемке опорного элемента 26, выполненного с кольцевым буртом.

В Донной части поршня по оси канала

5 стержня шатуна выполнена сферическая выемка, центрирующая сферическую головку опорного элемента 27, выполненного с осевым каналом и кольцевым буртом.

Жесткая цилиндрическая пружина сжа0 тия 28 установлена между опорными элементами клапана высокого давления с опиранием подшлифованных витков на их кольцевые бурты.

Соосно с клапаном высокого давления в

5 осевом канале кривошипной головки установлен клапан низкого давления 29 с коническим уплотняющим пояском, а в расточке канала запрессовано седло 30 клапана с коническим уплотняющим пояском, обра0 щепным к аккумулирующей полости. В головке клапана выполнена сферическая выемка, центрирующая сферическую головку опорного элемента 31, выполненного в виде тарелки.

5Между опорным элементом клапана

низкого давления и заглушкой поршня установлена менее жесткая цилиндрическая пружина сжатия 32.

Обе пружины клапанов являются рас0 четными элементами гидравлической системы составного шатуна и установлены с предварительным сжатием.

Для эффективной подачи масла под давлением в гидравлическую систему составно5 го шатуна в области НМТ поршня в шатунной шейке 33 с внутренней облегчающей полостью 34 масляный канал 35 выпол- нен со стороны шейки кривошипа, обращенной к оси коленчатого вэпа.

0 Работает узел двигателя внутреннего сгорания, например двухтактного, следующим образом. При ходе поршня к нижней мертвой точке (НМТ) и с началом выпуска отработавших газов в т. bi политропы рас5 ширения 36, фиг. 2а, шейка 33 кривошипа вала поворачивается в кривошипной головке 1, 2 так, что масла под давлением поступает из канала 35 шейки через отверстия 10 в подшипнике скольжения 4 в окружные выемки 8 и, сжимая пружину 32, открывает

клапан низкого давления 29. С открытием этого клапана поступающее в аккумулирующую полость 6 масло, воздействуя на заглушку 20 поршня 18, перемещает его вверх на величину А урабочей характеристики 37, фиг. 26., тем самым растягивая шатун до полной длины

L1- (L+ ALz)f А Ц,

где L- полностью сокращенная длина шатуна,

А Ц - конструктивный запас длины.

Удлинению межцентрового расстояния головок шатуна при этом способствует сопротивление трения поршневых колец в цилиндре двигателя. На диаграмме рабочей характеристики шатуна началу подачи масла в аккумулирующую полость соответствует т. 1.

С выходом кривошипа вала из НМТ и перекрытием масляного канала 35 поверхностью подшипника скольжения подача масла прекращается: т, 2, и под воздействием пружины клапан низкого давления закрывается. При этом шатун в пределах характерных т.т. 2-3 прямолинейного участка рабочей характеристики работает с пол-- ной длиной L1.

Расчитанная и подобранная на демпфирование усилий сжатия не менее максимального давления сжатия Рс политропы сжатия 38, жесткая пружина сжатия 28 обеспечивает открытие клапана высокого давления 25 под действием давления масла в аккумулирующей полости, возросшего под давлением поршня до величины Рс. и начало демпфирования давлений развивающегося процесса сгорания топливной смеси после точки видимого сгорания С , начиная с т. 3 политропы 39, относящейся к протеканию сгорания в двигателях с обычными шатунами, с присущим ему резким возрастанием противодавления на участке 3-4 политропы.

Дальнейшее нарастание давлений процесса сгорания по политропе 40 с т.т. 3, 4, 2 происходит при изменении по углу поворота кривошипа вала условий сгорания, вызванном податливостью поршня, т.е. сокращением длины шатуна на величину A Lip, т.т. 3, 4. 5 рабочей характеристики.

При этом максимум давлений Z политропы 40 смещается по р, и его абсолютное значение существенно снижается по отношению к (Z) политропы 39, а абсолютное значение противодавления Pi в т. 4 политропы 39, наблюдаемое в обычных двигателях, снижается до величины Р2 с т. 3 политропы 40.

Формула изобретения Узел двигателя внутреннего сгорания, содержащий установленный на шатунной шейке коленчатого вала шатун с разъемной

кривошипной головкой, поршневой головкой и стержнем, размещенный между шейкой и кривошипной головкой подшипник скольжения, при этом шатунная шейка выполнена с радиальным каналом, отличающ и и с я тем, что. с целью повышения технико-экономических показателей двигателя путем улучшения рабочей характеристики шатуна, а также повышения надежности, он снабжен накидной крышкой, пальцем, клапанами низкого и высокого давления, заглушкой, седлом, опорными элементами поршня, клапанов низкого и высокого давления, двумя пружинами, одна из которых более жесткая, стержень шатуна

выполнен составным, одна из составных частей стержня выполнена в виде поршневой головки шатуна, жестко соединенной с пальцем, другая составная часть стержня выполнена в виде части кривошипной головки шатуна с открытой цилиндрической аккумулирующей полостью, расположенной со стороны поршневой головки шатуна, внутри полости соосно с осью шатуна выполнены проточка и отверстие, палец выполней в виде поршня с цилиндрической направляющей частью и полостью, выполненной в поршне и соединенной осевым каналом с поршневой головкой шатуна, в направляющей части выполнены радиальные каналы, накидная крышка выполнена в виде цилиндрического стакана, в донной части которого выполнено отверстие для размещения направляющей части пальца с возможностью его осевого перемещения и

вращения, при этом накидная крышка жестко соединена с частью шатуна, имеющей аккумулирующую полость, площадь поперечного сечения аккумулирующей полости больше площади поршневой полости, ограничейной внутренним диаметром стакана и диаметром отверстия для размещения направляющей части, длина поршня меньше расстояния между торцом части кривошипной головки с аккумулирующей полостью и

дном стакана для образования поршневой полости, поршневая полость соединена радиальными каналами направляющей части с осевым каналом, на внутренней поверхности донной части поршня выполнена сферическая выемка, соосная с осевым каналом пальца, опорный элемент поршня выполнен со сферическим выступом для взаимодействия со сферической выемкой на поршне, осевым масляным каналом и буртом, клапан

высокого давления выполнен в виде стержня с конической частью на одном конце и сферическим выступом на другом, опорный элемент клапана высокого давления выполнен в виде элемента с буртом и сферической выемкой для взаимодействия со сферическим выступом клапана высокого давления, заглушка выполнена с осевым отверстием и жестко соединена с поршнем со стороны полости, клапан высокого давления своей конической частью с возможностью осевого перемещения размещен в осевом отверстии заглушки, а более жесткая пружина с предварительным сжатием установлена между торцевыми поверхностями буртов опорных элементов клапана высокого давления и поршня, седло выполнено в виде кольца с осевым коническим отверстием и размещено в проточке части кривошипной головки, клапан низкого давления выполнен в виде стержня с конической головкой,

обращенной конической поверхностью в сторону кривошипной головки, для взаимодействия с конусной поверхностью седла, на торце головки выполнена сферическая

выемка, опорный элемент клапана низкого давления выполнен в виде тарелки со сферическим выступом для взаимодействия со сферической выемкой на головке, между опорным элементом клапана низкого давления и заглушкой установлена вторая пружина, причем на части поверхности кривошипной головки, взаимодействующей с подшипником, выполнены окружная выемка и поперечные канавки, соединенные с осевым отверстие части кривошипной головки, в подшипнике скольжения выполнено несколько отверстий, а радиальный масляный канал в шатунной шейке и отверстия в подшипнике скольжения расположены со стороны шейки,

обращенной к оси коленчатого вала,

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: шатун выполнен составным. Кривошипная головка 1 выполнена с аккумулирующей полостью 6. Поршневая головка 16 выполнена с направляющей частью 13, а также с поршнем /П/ 18 и с возможностью осевого перемещения размещена в стержне 11 В П 18 выполнена полость, соединенная осевыми отверстиями с маслоподводящими каналами В П 18 размещен клапан высокого давления, а ч аккумулирующей полости 6 - клапян низкого давления 29. Масляный канал 35 я шатунной шейке 33 и отверстия 10 в подшипнике скольжения расположены со стороны шейки, обращенной к оси коленчатого вала. 2 ил сл с XI 2 о ю со Л/г.1

39

О 60 i2O 480 240 300 560

Редактор О.Стенина

Составитель А.Мещеряков

Техред М.МоргенталКорректор М.Ткач

фив.2