Шатун переменной длины двигателей внутреннего сгорания

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, а также в двигателях, в которых скважность импульсов сгорания топлива в цилиндрах велика и передний фронт импульса сгорания необходимо сгладить, не прибегая к маховым массам. Шатун переменной длины двигателей внутреннего сгорания содержит направляющий корпус, винтовую цилиндрическую пружину сжатия переменного шага, цельный ступенчатый шток, штифтовой 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 поршне от действия переднего фронта импульса давления при вспышке топлива в цилиндре. При изменении длины шатуна в рабочем процессе двигателя пружина, деформируясь вдоль собственной оси или оси шатуна, работает в режиме аккумуляции механической энергии не в предельном режиме сжатия, принимая на себя передний фронт импульса давления от вспышки топлива в цилиндре и отдавая запасенную энергию сжатия на вращение коленчатого вала, разжимаясь в исходное состояние по закону, близкому к косинусоидальному. Технический результат - повышение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания за счет аккумулирующей винтовой цилиндрической пружины сжатия переменного шага. 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в одно- или двухцилиндровых двигателях внутреннего сгорания, а также в двигателях, в которых скважность импульсов сгорания топлива в цилиндрах велика и передний фронт импульса сгорания необходимо сгладить, не прибегая к маховым массам.

Известен шатун переменной длины, содержащий силовой цилиндр с поршнем, образующим камеру переменного объема, и стержень с маслоподводящей магистралью, каналом слива, впускным и выпускным клапанами.

/Авторское свидетельство СССР №647468/

Известен шатун, преимущественно для двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащий силовой цилиндр с поршнем, образующим камеру переменного объема, и стержень с маслоподводящей магистралью, каналом слива, впускным и выпускным клапанами, отличающийся тем, что с целью упрощения его технического обслуживания впускной клапан размещен в корпусе выпускного, последний установлен в кривошипной головке шатуна, а канал слива выполнен в головке шатуна и подключен к выпускному клапану.

/Авторское свидетельство СССР №979737/

Известен шатун переменной длины двигателей внутреннего сгорания, содержащий шток, поршневую головку в виде гидроцилиндра с сжимаемой жидкостью, поршень, установленный на штоке и размещенный в полости гидроцилиндра, поршневой палец, выполненный за одно целое с корпусом гидроцилиндра.

/Авторское свидетельство СССР №912962, 1980 г./

Известен шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания, содержащий шток, поршневую головку в виде гидроцилиндра, гидроцилиндр с сжимаемой жидкостью, поршень, установленный на штоке и размещенный в полости гидроцилиндра, поршневой палец, выполненный за одно целое с гидроцилиндром. Кроме того, в полости гидроцилиндра установлена винтовая пружина сжатия, степень сжатия которой регулируется во время полной разборки шатунно-поршневой группы.

/Патент США №2573688, 1951 г./

Недостатком шатунов с регулированием длины путем перекачки внутри них жидкости по каналам является то, что на преодоление гидродинамического сопротивления при перекачке жидкости тратится некоторое количество энергии, которая в виде отводящего тепла уменьшает коэффициент полезного действия.

Кроме того, все жидкости при скоростях протекания, близких к звуковым (а именно такие скорости присутствуют при возгорании топлива в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания), по величине гидродинамического сопротивления приближаются к сопротивлению твердого тела. Следовательно, удар от переднего фронта импульса сгорания топлива в цилиндре воспринимается цилиндром и передается дальше через шатун на коленчатый вал как резкий удар, а последующие усилия от движения поршня смягчаются, расходуя энергию на перекачку жидкости и нагрев ее от перекачки по каналам гидродинамического сопротивления.

Прототипом данного изобретения является шатун переменной длины двигателей внутреннего сгорания, состоящий из двух половин в виде труб с установленными внутри них заглушками, между которыми расположен пружинный аккумулятор энергии, действующий в направлении продольной оси шатуна при телескопическом перемещении двух половин относительно друг друга.

/Патент ФРГ DE 3339360, 1985 г./

Отличием конструкции данного изобретения от конструкции шатуна прототипа является наличие предварительного сжатия (установочной нагрузки) аккумулирующей пружины, представляющей собой винтовую цилиндрическую пружину сжатия переменного шага.

Задача данного изобретения - повышение КПД двигателя внутреннего сгорания. Эта задача решается применением в шатуне аккумулирующей винтовой цилиндрической пружины сжатия переменного шага.

Конструкция шатуна переменной длины с использованием аккумулирующей винтовой цилиндрической пружины сжатия переменного шага представлена на чертеже. В корпус 1, представляющий собой симметричную ступенчатую трубчатую монолитную деталь с узлом подсоединения к поршню, входит по двум ступенчато расположенным направляющим диаметрам ступенчатый центрирующий шток 3 в виде цельной монолитной детали с узлом подсоединения к коленчатому валу. Шток 3 центрирует меньшим направляющим диаметром винтовую цилиндрическую пружину сжатия переменного шага 2 по внутреннему диаметру и предварительно поджимает ее вдоль оси со стороны одного торца. Пружина 2, которая находится в полости большего направляющего диаметра корпуса 1, поджимается и центрируется по наружному диаметру со стороны другого торца элементом для центрирования пружины, расположенным между двумя направляющими диаметрами внутри корпуса 1. Конструкцию шатуна в сборе удерживает штифтовой фиксатор 4, жестко установленный в сквозное и перпендикулярное к оси шатуна отверстие штока 3 через сквозной замкнутый продольный паз корпуса 1 и обеспечивающий в пределах продольного паза свободное осевое перемещение штока 3 в корпусе 1 при изменении длины шатуна в работе.

Таким образом, винтовая цилиндрическая пружина сжатия переменного шага 2, используемая в конструкции шатуна переменной длины, представленного на чертеже, находится в статическом состоянии под предварительной установочной нагрузкой.

При изменении длины шатуна в рабочем процессе двигателя внутреннего сгорания винтовая цилиндрическая пружина сжатия воспринимает удар переднего фронта импульса давления от вспышки горения топлива в цилиндре двигателя, аккумулируя механическую энергию и синхронно сжимаясь с постоянной времени, определяемой по теореме Котельникова, т.е. Т=1/f, где Т - постоянная времени срабатывания собственно шатуна переменной длины, f - собственная частота пружины.

Одновременно пружина передает усилие на вращение коленчатого вала, и вал начинает вращаться от действия пружины.

После окончания действия переднего фронта импульса давления от вспышки топлива, когда усилия сжатой пружины и усилия газов в цилиндре двигателя сравниваются, пружина начинает разжиматься, передавая усилие на вращение коленчатого вала по закону, близкому к косинусоидальному.

Таким образом, винтовая цилиндрическая пружина сжатия, являясь передаточным звеном от расширяющихся во время горения газов в цилиндре до коленчатого вала, согласует закономерности пневматики давления газов в цилиндре и нагрузочного сопротивления на коленчатом валу двигателя.

Для обеспечения устойчивости и выносливости винтовой цилиндрической пружины сжатия 2 при использовании ее в конструкции шатуна переменной длины двигателей внутреннего сгорания, представленного в формуле изобретения и на чертеже, необходимо выполнение ряда условий:

- пружина 2 относится к группе пружин многократного и неограниченно-кратного вибрационного динамического действия и является пружиной ответственного назначения;

- пружина 2 должна быть жестко сцентрирована между направляющими диаметрами вдоль собственной оси и иметь поджатые, обработанные строго перпендикулярно к оси пружины витки (торцы) для образования надежной опорной поверхности на каждом конце пружины;

- пружина 2 характеризуется достаточной жесткостью для восприятия ударных высокоцикличных нагрузок от первичных импульсов давления поршня под действием расширяющихся газов при возгорании топлива; для обеспечения достаточной жесткости с более плавным восприятием ударных и вибрационных нагрузок в конструкции шатуна используется пружина 2 винтовая цилиндрическая сжатия переменного шага;

- конструктивные параметры пружины сжатия переменного шага 2 и конструкции шатуна определяются конструктивными и рабочими характеристиками камеры сгорания и двигателя в целом;

- пружина 2 работает не в предельном режиме сжатия, т.е. при деформации пружины в процессе работы шатуна гарантированно отсутствует соприкосновение всех рабочих витков пружины;

- в процессе работы шатуна при деформациях пружины 2 гарантированно отсутствуют соприкосновение и трение ее рабочих витков с несущими рабочими поверхностями корпуса 1 и штока 3;

- гарантировано отсутствует соударение штифтового фиксатора 4 о кромки замкнутого паза корпуса 1 для недопущения излишних вибрационных нагрузок на пружину 2 при продольном перемещении штока 3 в корпусе 1 в процессе работы шатуна; данное условие обеспечивается жесткостью пружины 2 при согласовании закономерностей пневматики давления газов в цилиндре с нагрузочным сопротивлением на коленчатом валу в процессе работы двигателя;

- для охлаждения шатуна в процессе работы необходима циркуляция газовых смесей внутри шатуна, которая обеспечивается элементами конструкции штока 3 для свободного прохождения компрессионного воздуха;

- необходимым свойством пружины 2, используемой в конструкции, работающей в режиме запасания механической энергии во время начала сгорания топлива в цилиндре и отдающей энергию во время уменьшения давления газов в цилиндре, превращая эпюру давления газов из импульсной в близкую к косинусоидальной, является ее частотная характеристика (собственная резонансная частота), лежащая выше максимальных частот повторения вспышек топлива в цилиндре. При соблюдении всех этих условий возможна реализация конструкции шатуна переменной длины двигателей внутреннего сгорания с использованием винтовой цилиндрической пружины сжатия как аккумулятора механической энергии.

1. Шатун переменной длины двигателей внутреннего сгорания, содержащий корпус направляющий, состоящий из расположенных вдоль оси симметрии ступенчатой трубчатой части с монолитно заглушенным торцом, с двумя основными направляющими диаметрами, между которыми присутствует элемент для центрирования пружины, и со сквозным замкнутым продольным пазом для свободного хода вдоль оси корпуса штифтового фиксатора, и монолитного с трубчатой частью узла подсоединения к поршню со стороны заглушенного торца, пружину винтовую цилиндрическую сжатия переменного шага с поджатыми и обработанными перпендикулярно оси пружины витками-торцами, шток цельный ступенчатый, центрирующий пружину, с узлом подсоединения к коленчатому валу, имеющий вдоль собственной оси два основных направляющих наружных диаметра, перпендикулярное оси сквозное отверстие для установки штифтового фиксатора и элементы, обеспечивающие свободное прохождение компрессионного воздуха, фиксатор штифтовой, удерживающий конструкцию шатуна в сборе при фиксации пружины под предварительной установочной нагрузкой и обеспечивающий в пределах продольного паза корпуса свободное осевое перемещение штока в корпусе при изменении длины шатуна в работе, отличающийся тем, что конструкция шатуна выполнена в виде отдельной автономной сборочной единицы, в которой между корпусом и штоком сцентрирована по внутреннему и наружному диаметрам аккумулирующая винтовая цилиндрическая пружина сжатия переменного шага с поджатыми и обработанными торцами, получающая при сборке предварительную установочную нагрузку и запертая штифтовым фиксатором, который удерживает конструкцию шатуна в сборе, 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 поршне от действия переднего фронта импульса давления при вспышке топлива в цилиндре, при изменении длины шатуна в рабочем процессе двигателя пружина, деформируясь вдоль собственной оси или оси шатуна, работает в режиме аккумуляции механической энергии не в предельном режиме сжатия, принимая на себя передний фронт импульса давления от вспышки топлива в цилиндре и отдавая запасенную энергию сжатия на вращение коленчатого вала, разжимаясь в исходное состояние по закону, близкому к косинусоидальному.