Поршень для автоматической регулировки степени сжатия двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1993 года по МПК F02B75/04 

Изобретение относится к области дви- гателестроения и может быть использовано для повышения детонационной устойчивости и экономичности карбюраторных двигателей внутреннего сгорания при частичных нагрузках и переходных режимах, а также ограничения максимально допустимого давления в дизелях.

Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение детонационной устойчивости и стабильности действительной степени сжатия при частичных нагрузках и переходных режимах работы двигателя.

На фиг,1 представлен продольный разрез поршня; на фиг,2 - его кинематическая схема; на фиг.З - силовая характеристика поршня; на фиг.4 - диаграммы его работы.

Поршень состоит из корпуса 1 с днищем и юбкой поршня, соединенного с шатуном 2 при помощи поршневого кольца 3, который как обычно зафиксирован стопорными кольцами 4. В удлиненном и расширенном отверстии верхней головки ш атуна 2 расположена эксцентричная втулка 5 из материала с хорошими антифрикционными свойствами, например, бронзы. Эта втулка 5 установлена на поршневом кольце 3 с воз- . можностью вращения, которое определяется пружиной 6. закрепленной одним концом во втулке, а другим - в головке шатуна 2, так что эксцентриситет Е втулки 5 и осевая длина I шатуна 2 вытянуты в одну линию и в свободном состоянии пружины б обеспечивают максимальную приведенную длину шатуна, т.е. максимальное расстояние между центральными осями поршневого кольца и коленвала двигателя (фиг.2).

Поршень работает следующим образом.

При сжатии горячей смеси на поршень 1 действует осевая сила F, пропорциональная площади его поперечного сечения S и давлению гооячей смеси Р

(Т) Вблизи верхней мертвой точки эта сила F становится настолько большой, что соосное положение эксцентриситета Е и оси I шатуна становится неустойчивым и втулка 3 поворачивается, вызывая закручивание пружины 6 на угол р. В результате общая приведенная длина U шатуна

LH+E

уменьшается на некоторую величину, зависящую от f закрутки пружины

() 2Esin2| (3)

При этом вращающий момент (Мв) создаваемый продольной силой (F) также будет определяется углом (р закрутки

(р 2FE Sin Ј COS Ј (4)

В состоянии динамического равновесия этот вращающий момент (Мв) будет уравно- вешиваться противодействующим моментом (Мп) закрученной пружины 6,

(5) которая навита так, что при повороте втулки

5 на пол-оборота, ее витки плотно охватывают поршневой палец 3. Поэтому противодействующий момент пружины 6, обладающей удельной жесткостью К, может быть хорошо аппроксимирован тангенсальной функцией

(6)

25 Подставляя выражения 4 и 6 в уравнение 5 и умножая выражение 3 на F, получаем систему уравнений для определения силовой характеристики поршня

30

2FEcos

2FEsin2 A

(7)

35

откуда после сложения получим:

2 Е -Д

(8)

40

45

50

55

Поскольку изменение длины А шатуна непосредственно связано с увеличением над- поршневого объема V в конце такта сжатия (фиг.З)

-A(9) то с учетом выражений (1) и (9) нетрудно построить P-V диаграмму работы двигателя с таким поршнем (фиг,4), которая отличается от обычного цикла Отто тем, что при полной нагрузке соответствующей полностью открытой дроссельной заслонке и наполнению цилиндра горючей смесью при атмосферном давлении Р, обычное адиабатическое сжатие происходит лишь до вышеуказанного момента потери соосной устойчивости втулки (5) под действием силы осевого давления F, превышающей пороговую величину FO, равную

F0 2T(1°)

При дальнейшем повороте коленвала двигателя и смещении шатуна 2 к ВМТ давление (Р2) конца такта сжатия изменяется незначительно и соответствует расчетной компрессии, так как смещение шатуна 2 в значительной степени компенсируется поворотом втулки 5 и соответствующим увеличением Д которая стабилизирует действующую степень сжатия на заданном уровне, независимо от величины утечки через компрессионные кольца поршня или клапаны двигателя. При минимальной нагрузке двигателя, т.е. прикрытой дроссельной заслонки и заполнении цилиндра двигателя разряженной смесью при давлении Ро значительно ниже атмосферного Pi, эффективное сжатие рабочей смеси начинается лишь при уменьшенном объеме Vi. Поэтому и конечный объем такта сжатия должен быть уменьшен на величину, соответствующую заданной степени сжатия (Е)

Vi vi

Ј - , . -- Const V2 V2

(11)

Это обеспечивается соответствующим увеличением общей длины шатуна 2 до максимальной величины I+E, так как давление Р г а конце такта сжатия разряженной смеси не превышает давления пороговой силы F0. Тем самым обеспечивается стабильность компрессии и действительной степени сжатия при любом положении дроссельной заслонки и устраняется влияние паразитных утечек рабочей смеси, зависящих от оборотов двигателя.

Причем сгорание рабочей смеси, сопровождающееся резким увеличением максимального давления Рз в цилиндре, приводит к быстрому повороту втулки 5 в нижнее устойчивое состояние равновесия и максимальному увеличению Л т.е. объема камеры сгорания Va, так как собственная инерция поршня во много раз меньше инерции кривошипно-шатунного механизма и маховика двигателя. Поэтому сгорание рабочей смеси и подвод тепла СИ к рабочему циклу происходит - в основном при увеличенном объеме камеры сгорания /з и максимальном давлении Рз, которое значительно ниже чем у аналогичного цикла бензинового двигателя.

Благодаря этому снижаются ударные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм двигателя, даже при возникновении детонационного горения смеси, вероятность которого и так сильно уменьшена за

счет действительной степени сжатия. При такте расширения продуктов сгорания под действием закрученной пружины 6 эксцентричная втулка 5 постепенно возвращается в

исходное соосное положение относительно шатуна 2, отдавая ему и коленвалу двигателя энергию, ранее затраченную на закручивание пружины 6.

Таким образом выравнивается и увеличивается вращающий момент коленвала при большом рычаге осевой силы поршня FI, т.е. обеспечивается мягкий режим работы двигателя в целом.

При увеличенной жесткости пружины К

предлагаемое устройство может быть использовано и в дизельных двигателях для стабилизации и ограничения максимального давления горения в цилиндре на уровне пороговой силы F и обеспечивает горения

топлива при практически постоянном давлении, соответствующем начальному участку силовой характеристики поршня (фиг.З), что очень важно для малотопливных дизелей.

Технико-экономическая эффективность изобретения выражается прежде всего в экономии топлива на частичных нагрузках не превышающих четверти номинальной, где удельный расход топлива может быть

снижен на 30-40%. При этом значительно повышается надежность и детонационная устойчивость карбюраторных двигателей на переходных режимах без существенного усложнения и изменения конструкции корпуса поршня, что обеспечивает использование изобретения на существующих двигателях, например, путем их доработки ь процессе капитального ремонта, Формула изобретения

Поршень для автоматической регулировки степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с днищем и юбкой, сочлененный с шатуном при помощи поршневого пальца и эксцентрика, цилиндрическую пружину кручения, размещенную соосно с поршневым пальцем и одним концом заделанную в эксцентрике, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, эксцентрик выполнен в виде отдельной втулки, свободно раз- мещенной на поршневом пальце, цилиндрическая пружина кручения размещена снаружи поршневого пальца, а второй конец ее закреплен на шатуна так, чтобы в

свободном состоянии пружины обеспечивалась максимальная приведенная длина шатуна.

Сущность изобретения: поршень 1 сочленен с шатуном 2 при помощи поршневого пальца 3 и эксцентриковой втулки 5, нагруженной цилиндрической пружиной 6 кручения. Устройство обеспечивает относительно высокую степень сжатия при работе двигателя на режимах частичной нагрузки и более низкую при полностью открытой дроссельной заслонке. 4 ил.