RU2292473C2 - Piston at automatically controllable degree of compression for internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of engines; pistons at automatically controllable degree of compression.

SUBSTANCE: proposed piston has piston pin and bosses; piston and its head are made separately and right-hand trapezoidal thread is cut at area of their connection; antifriction roller bearings are mounted in slots of piston and head threads; cavity formed in upper part of head and piston is used for mounting actuating cylinder which is kinematically linked with engine piston through spherical support; actuating cylinder piston is kinematically linked through rod and spherical support with piston head; actuating cylinder piston is spring-loaded and its cavity is filled with filler, ceresin for example.

EFFECT: simplified construction of piston; reduced rough running of engine operation and wear of its parts; enhanced economical efficiency.

2 dwg

Description

Изобретение относится к поршням двигателей внутреннего сгорания с автоматически регулируемой степенью сжатия и может быть использовано в области машиностроения.The invention relates to pistons of internal combustion engines with automatically controlled compression ratio and can be used in the field of mechanical engineering.

Известен поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2015378, МПК F 02 В 75/04, 1994 г.), содержащий поршневой палец и бобышки, при этом с целью упрощения конструкции и повышения КПД он снабжен упорными пружинными пластинами, съемными пластинами с выступами, рабочим упругим устройством, состоящим из пружины тарельчатого типа с размещенной внутри нее пружиной, навитой из проволоки прямоугольного сечения, предохранительными пружинами и подпружиненными ими подвижными взаимозаменяемыми сухарями с прямоугольными буртиками, причем в бобышках выполнен паз прямоугольной формы, в меньших сторонах которого, в средней части выполнены цилиндрические углубления прямоугольной формы, а вблизи от внешних торцов выполнены пазы под упорные пружинные пластины, причем в больших сторонах паза в бобышках на наружных торцах в средней части выполнены углубления под выступы съемных пластин, а на поршневом пальце выполнены четыре лыски в двух параллельных плоскостях, причем поршень соединен с поршневым пальцем через рабочее упругое устройство, предохранительные пружины и подвижные взаимозаменяемые сухари, а буртики прямоугольной формы последних и лыски поршневого пальца отделены от поршня съемными пластинами, причем толщина последних больше глубины лыски поршневого пальца, съемные пластины и подвижные взаимозаменяемые сухари фиксируются упорными пружинными пластинами.A known piston with automatically adjustable compression ratio for an internal combustion engine (RF patent No. 2015378, IPC F 02 B 75/04, 1994) containing a piston pin and bosses, while in order to simplify the design and increase efficiency, it is equipped with thrust spring plates , removable plates with protrusions, a working elastic device consisting of a Belleville type spring with a spring placed inside it, wound from a rectangular wire, safety springs and spring-loaded movable interchangeable crackers and with rectangular shoulders, and in the bosses a groove of rectangular shape is made, in the smaller sides of which, in the middle part, cylindrical recesses are made of rectangular shape, and close to the outer ends grooves are made for thrust spring plates, and in the large sides of the groove in the bosses on the outer ends in the middle part is made recesses under the protrusions of the removable plates, and on the piston pin four flats are made in two parallel planes, and the piston is connected to the piston pin through a working elastic device, redohranitelnye spring and movable interchangeably crackers and beads rectangular dihedron latter and the piston pin are separated by a piston movable plates, wherein the thickness of the latter dihedron greater than the depth of the piston pin, Removable plate and movable crackers interchangeably fixed spring abutment plates.

Однако известный поршень имеет сложную конструкцию, а некоторые его детали (поршневой палец, бобышки) требуют значительных трудозатрат при изготовлении, т.к. некоторые элементы деталей имеют не круглую, а прямоугольную форму. При каждом подходе поршня к ВМТ на такте сжатия в цилиндре будет установлена максимальная степень сжатия независимо от теплового состояния двигателя, нагрузочных и скоростных режимов его работы. При воспламенении рабочей смеси степень сжатия будет уменьшаться в зависимости от количества топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, что приведет к перемещению одних деталей поршня относительно других, а следовательно, и к усиленному износу деталей поршня. В том случае, если двигатель работает при максимальной подаче топлива, возможна полная деформация рабочих пружин и удары поршня о его бобышки. Это вызовет разрушения элементов поршня, т.к. никаких ограничительных упоров, амортизаторов или гасителя механических ударов деталей в конструкции поршня не предусмотрено. При воспламенении смеси при максимальной степени сжатия резко возрастают давление и температура заряда. Увеличение температуры заряда способствует увеличению содержания оксидов азота в отработавших газах. Резкое увеличение давления при самовоспламенении заряда в дизеле приводит к жесткости рабочего процесса, что вызывает усиленный износ деталей двигателя и трансмиссии. При подходе поршня к ВМТ и к НМТ, а также при его движении от ВМТ к НМТ при протекании процесса сгорания рабочие пружины сжимаются и разжимаются. Это вызывает их усталость, пружины теряют свои упругие свойства и не могут выполнять свои функции.However, the known piston has a complex structure, and some of its parts (piston pin, bosses) require significant labor costs in manufacturing, because some elements of the parts are not round, but rectangular. With each piston approach to the TDC, the maximum compression ratio will be set on the compression stroke in the cylinder, regardless of the thermal state of the engine, load and speed modes of its operation. Upon ignition of the working mixture, the compression ratio will decrease depending on the amount of fuel injected into the combustion chamber, which will lead to the displacement of some parts of the piston relative to others, and therefore to increased wear of the parts of the piston. In the event that the engine operates at maximum fuel supply, a complete deformation of the working springs and piston impacts on its boss are possible. This will cause destruction of the piston elements, as no restrictive stops, shock absorbers or damper for mechanical impact of parts in the piston design is provided. When the mixture is ignited at a maximum compression ratio, the pressure and temperature of the charge increase sharply. An increase in charge temperature contributes to an increase in the content of nitrogen oxides in the exhaust gases. A sharp increase in pressure during self-ignition of a charge in a diesel engine leads to a rigidity of the working process, which causes increased wear of engine parts and transmission. When the piston approaches the TDC and the BDC, as well as when it moves from the TDC to the BDC during the combustion process, the working springs are compressed and expanded. This causes them fatigue, the springs lose their elastic properties and cannot fulfill their functions.

В процессе работы рабочие и предохранительные пружины совершают внутренние колебания. При совпадении или кратности собственных колебаний пружин с их вынужденными колебаниями может наступить явление резонанса и пружины могут разрушиться.In the process, the working and safety springs make internal vibrations. With the coincidence or multiplicity of the natural oscillations of the springs with their forced oscillations, a resonance phenomenon may occur and the springs may break.

Индикаторная работа газов двигателя-прототипа не увеличивается, т.к. индикаторная работа, полученная в результате поддержания давления в цилиндре за счет усилия разжимающихся пружин по площади, значительно меньше потерянной индикаторной работы двигателя с поршнем без автоматического регулирования степени сжатия.The indicator work of the gases of the prototype engine does not increase, because indicator work, obtained as a result of maintaining pressure in the cylinder due to the force of expanding springs over the area, is much less than the lost indicator work of the engine with the piston without automatic adjustment of the compression ratio.

Технический результат направлен на упрощение конструкции поршня, уменьшение жесткости работы двигателя и износа его деталей, снижение токсичности отработавших газов, повышение экономичности его работы.The technical result is aimed at simplifying the design of the piston, reducing the rigidity of the engine and the wear of its parts, reducing the toxicity of exhaust gases, increasing the efficiency of its operation.

Указанный технический результат достигается тем, что поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршневой палец и бобышки, при этом поршень и его головка выполнены раздельно, а в местах их соединения выполнена правая трапецеидальная однозаходная резьба, в пазах резьбы поршня и головки установлены роликовые подшипники качения, причем в верхней части головки и поршня образована полость, в которой установлен силовой цилиндр, кинематически соединенный через шаровую опору с поршнем двигателя, а поршень силового цилиндра кинематически соединен через шток и шаровую опору с головкой поршня, поршень силового цилиндра подпружинен, а его полость заполнена наполнителем, например церезином.The specified technical result is achieved in that a piston with an automatically controlled compression ratio for an internal combustion engine containing a piston pin and bosses, while the piston and its head are made separately, and in the places of their connection a right trapezoidal single-thread is made, in the grooves of the piston and head threads roller bearings are installed, and in the upper part of the head and piston a cavity is formed in which a power cylinder is mounted kinematically connected through a ball bearing to the piston engine, and the piston of the power cylinder is kinematically connected through the rod and ball bearing to the piston head, the piston of the power cylinder is spring-loaded, and its cavity is filled with a filler, for example ceresin.

Отличительными признаками от прототипа является то, что поршень и его головка выполнены раздельно, а в местах их соединения выполнена правая трапецеидальная однозаходная резьба, в пазах резьбы поршня и головки установлены роликовые подшипники качения, причем в верхней части головки и поршня образована полость, в которой установлен силовой цилиндр, кинематически соединенный через шаровую опору с поршнем двигателя, а поршень силового цилиндра кинематически соединен через шток и шаровую опору с головкой поршня, при этом поршень силового цилиндра подпружинен, а его полость заполнена наполнителем, например церезином.Distinctive features of the prototype is that the piston and its head are made separately, and in the places of their connection the right trapezoidal single-thread is made, roller bearings are installed in the grooves of the threads of the piston and head, and a cavity in which is installed in the upper part of the head and piston a power cylinder kinematically connected through a ball bearing to a piston of the engine, and a piston of a power cylinder kinematically connected through a rod and a ball bearing to a piston head, while the power piston ilindra biased, and its cavity is filled with a filler, such as ceresine.

На фиг.1 представлен поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания, на фиг.2 представлена схема сил и момента, действующих на головку поршня с автоматически регулируемой степенью сжатия.In Fig.1 shows a piston with an automatically controlled compression ratio for an internal combustion engine, Fig.2 shows a diagram of the forces and moment acting on a piston head with an automatically controlled compression ratio.

Поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания содержит поршень 1 и головку поршня 2, соединенные между собой с помощью правой трапецеидальной однозаходной резьбы. На внешней цилиндрической части поршня 1 нарезана наружная резьба 3, а на внутренней нижней цилиндрической части головки поршня 2 нарезана внутренняя резьба 4. Для уменьшения трения между поршнем 1 и головкой поршня 2 в пазах внутренней и наружной резьбы установлены ролики 5, выполняющие функцию подшипников качения. Между поршнем 1 и головкой поршня 2 выполнена полость 6, в которой установлен силовой цилиндр 7, предназначенный для поворота головки поршня 2 относительно поршня 1 с целью изменения величины степени сжатия. В силовом цилиндре 7 размещен поршень 8, соединенный со штоком 9. Шток 9 крепится через шаровую опору 10 к шаровому пальцу 11, жестко закрепленному на головке поршня 2. Между поршнем 8 и нижним торцом силового цилиндра 7 установлена возвратная пружина 12, а в полости над поршнем 8 размещен наполнитель 13. В качестве наполнителя 13 целесообразно использовать церезин, представляющий собой нефтяной воск, смешанный с медными опилками и имеющий значительный коэффициент объемного расширения. Силовой цилиндр 7 крепится к поршню 1, установленному в цилиндре двигателя через шаровую опору 14. В поршне 1 выполнены бобышки 15, в которых установлен поршневой палец 16, а в головке поршня 2 выполнена камера сгорания 17.A piston with an automatically controlled compression ratio for an internal combustion engine comprises a piston 1 and a piston head 2, interconnected using a right trapezoidal single-thread. An external thread 3 is cut on the outer cylindrical part of the piston 1, and an internal thread 4 is cut on the inner lower cylindrical part of the piston head 2. To reduce friction between the piston 1 and the piston head 2, rollers 5 are installed in the grooves of the internal and external threads, which perform the function of rolling bearings. Between the piston 1 and the piston head 2 there is a cavity 6 in which a power cylinder 7 is installed, designed to rotate the piston head 2 relative to the piston 1 in order to change the compression ratio. A piston 8 is placed in the power cylinder 7, connected to the rod 9. The rod 9 is mounted through a ball bearing 10 to a ball pin 11, which is rigidly fixed to the piston head 2. A return spring 12 is installed between the piston 8 and the lower end of the power cylinder 7, and above the cavity filler 13 is placed by the piston 8. As a filler 13, it is advisable to use ceresin, which is an oil wax mixed with copper filings and having a significant coefficient of volume expansion. The master cylinder 7 is attached to the piston 1, mounted in the cylinder of the engine through the ball bearing 14. The piston 1 has bosses 15 in which the piston pin 16 is installed, and the combustion chamber 17 is made in the piston head 2.

Поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.A piston with an automatically controlled compression ratio for an internal combustion engine operates as follows.

В двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси (карбюраторные, с впрыском легкого топлива, работающие на газе) максимальные значения степени сжатия ограничиваются и выбираются таким образом, чтобы двигатель нормально работал на наиболее тяжелых режимах, например при максимальном крутящем моменте [1]. При этом значения степени сжатия, как правило, намного ниже тех значений, при которых обеспечивается наиболее экономичная работа двигателя. Значительно ухудшая экономические показатели двигателей вообще, последнее обстоятельство особенно сильно сказывается при их работе на частичных нагрузках, когда экономичность двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси и без того резко снижается, поскольку изменение условий протекания рабочего процесса при частичных нагрузках (снижение наполнения, уменьшение температуры деталей и т.д.) создает возможность для повышения степени сжатия, причем тем большего, чем меньше нагрузка.In engines with forced ignition of the working mixture (carbureted, with gas injection of light fuel), the maximum values of the compression ratio are limited and are selected so that the engine runs normally under the most severe conditions, for example, at maximum torque [1]. At the same time, the values of the compression ratio are, as a rule, much lower than those at which the most economical operation of the engine is ensured. Significantly worsening the economic performance of engines in general, the latter circumstance especially affects their operation at partial loads, when the efficiency of engines with forced ignition of the working mixture is already sharply reduced, since the change in the conditions of the working process at partial loads (lower filling, lower temperature of parts and etc.) creates the opportunity to increase the degree of compression, and the greater the less the load.

В дизелях величина степени сжатия определяется условиями надежного пуска холодного двигателя [1]. Обычно значения степени сжатия в двигателях с воспламенением от сжатия всегда выше тех, при которых обеспечиваются наиболее высокие экономические показатели. Поэтому уменьшение степени сжатия после пуска двигателя целесообразно с точки зрения улучшения его экономических показателей.In diesel engines, the degree of compression is determined by the conditions for reliable starting of a cold engine [1]. Typically, compression ratios in compression ignition engines are always higher than those at which the highest economic performance is achieved. Therefore, reducing the degree of compression after starting the engine is advisable from the point of view of improving its economic indicators.

При пуске холодного двигателя температура его деталей и, в частности, поршня 1, головки поршня 2 и наполнителя 13, находящегося в полости над поршнем 8 силового цилиндра 7, низкая, при этом активное вещество 13 занимает минимальный объем. Поэтому поршень 8 в силовом цилиндре 6 находится под действием пружины 12 в крайнем левом положении. При этом расстояние между шаровыми опорами 10 и 14 минимальное, а головка поршня 2 повернута вправо относительно поршня 1, то есть в цилиндре двигателя будет задана максимальная величина степени сжатия. Вследствие этого давление заряда в конце такта сжатия Р_с и температура Т_c заряда, находящегося в камере сгорания 17, будут максимальными, а значения Р_с и Т_c определяются по формулам 1 и 2:When starting a cold engine, the temperature of its parts and, in particular, the piston 1, the piston head 2 and the filler 13 located in the cavity above the piston 8 of the power cylinder 7 is low, while the active substance 13 occupies a minimum volume. Therefore, the piston 8 in the power cylinder 6 is under the action of the spring 12 in the extreme left position. In this case, the distance between the ball bearings 10 and 14 is minimal, and the piston head 2 is turned to the right relative to the piston 1, that is, the maximum compression ratio will be set in the engine cylinder. As a result, the charge pressure at the end of the compression stroke P _s and the temperature T _{c of the} charge located in the combustion chamber 17 will be maximum, and the values of P _c and T _{c are} determined by formulas 1 and 2:

где P_a - давление зарядов (рабочего тела) при положении поршня в нижней мертвой точке в начале сжатия;where P _a is the pressure of the charges (working fluid) when the piston is at bottom dead center at the beginning of compression;

ε - степень сжатия;ε is the compression ratio;

n₁ - средний показатель степени сжатия.n ₁ is the average compression ratio.

где T_a - давление заряда при положении поршня в ВМТ.where T _a is the charge pressure at the piston position in TDC.

Максимальные величины давления P_с и температуры Т_c заряда, находящегося в камере сгорания 17, будут способствовать надежному пуску как у карбюраторных двигателей, так и у дизелей.The maximum pressure P _c and temperature T _{c of the} charge located in the combustion chamber 17 will contribute to a reliable start-up for both carburetor engines and diesel engines.

После пуска двигателя при увеличении нагрузки на двигатель увеличивается и количество впрыскиваемого в камеру сгорания 17 топлива, что приводит к увеличению температуры заряда в камере сгорания 17 и соответственно к увеличению температуры поршня 1, головки поршня 2 и наполнителя 13, находящегося в полости перед поршнем силового цилиндра 7. При достижении значения температуры +70°С наполнитель 13 начинает плавиться, его объем увеличиваться. Вследствие повышения давления со стороны наполнителя 13 поршень 8 перемещается в силовом цилиндре 7 вправо, сжимая возвратную пружину 12. Усилие от поршня 8 передается через шток 9, шаровую опору 10, шаровой палец 11 на головку поршня 2. На головку поршня 2 будет передаваться крутящий момент М_к, равный по величине произведению нормальной силы P_н на плечо h (фиг.2). Головка поршня 2 будет поворачиваться под действием крутящего момента M_к=P_н·h относительно поршня 1 по часовой стрелке на некоторый угол. В этом случае наружная резьба 4 головки поршня 2 будет перекатываться по роликам 5 относительно внутренней резьбы 3 поршня, что вызовет уменьшение степени сжатия. Давление и температура заряда при сгорании также уменьшается, что способствует снижению оксидов азота в отработавших газах двигателя. При максимальной нагрузке двигателя температура его деталей и, соответственно, температура наполнителя 13 будут максимальными. В этом случае головка поршня 2 повернется относительно поршня 1 на максимальный угол и в цилиндре будет установлена минимальная степень сжатия, поэтому существенно снизятся нагрузки на детали двигателя и трансмиссии.After starting the engine with increasing engine load, the amount of fuel injected into the combustion chamber 17 also increases, which leads to an increase in the charge temperature in the combustion chamber 17 and, accordingly, to an increase in the temperature of the piston 1, piston head 2 and filler 13 located in the cavity in front of the piston of the power cylinder 7. When the temperature reaches + 70 ° C, the filler 13 begins to melt, its volume increases. Due to the increase in pressure from the side of the filler 13, the piston 8 moves to the right in the cylinder 7, compressing the return spring 12. The force from the piston 8 is transmitted through the rod 9, ball bearing 10, ball pin 11 to the piston head 2. Torque will be transmitted to the piston head 2 M _to , equal in magnitude to the product of the normal force P _n on the shoulder h (figure 2). The head of the piston 2 will rotate under the action of a torque M _k = P _n · h relative to the piston 1 clockwise at a certain angle. In this case, the external thread 4 of the piston head 2 will roll along the rollers 5 relative to the internal thread 3 of the piston, which will cause a decrease in the compression ratio. The pressure and temperature of the charge during combustion also decreases, which helps to reduce nitrogen oxides in the exhaust gases of the engine. At maximum engine load, the temperature of its parts and, accordingly, the temperature of the filler 13 will be maximum. In this case, the head of the piston 2 will rotate relative to the piston 1 at the maximum angle and the minimum compression ratio will be set in the cylinder, so the loads on the engine parts and the transmission will be significantly reduced.

Смазывание роликов 5, наружной 4 и внутренней 3 резьбы производится маслом, вытекающим из канала 18 и снимаемым маслосъемным кольцом, установленным в поршневой канавке 19.Lubrication of the rollers 5, external 4 and internal 3 threads is made by oil flowing from the channel 18 and a removable oil scraper installed in the piston groove 19.

После остановки двигателя температура наполнителя 13 уменьшается, объем его также уменьшается и под действием возвратной пружины 12 поршень 7 переместится в силовом цилиндре 7 влево. Головка поршня 2 переместится относительно поршня 2 против часовой стрелки и будет установлена максимальная величина степени сжатия. Следовательно, в рабочей полости цилиндра будут созданы оптимальные условия для воспламенения заряда при пуске двигателя.After the engine stops, the temperature of the filler 13 decreases, its volume also decreases and under the action of the return spring 12, the piston 7 moves to the left in the power cylinder 7. The piston head 2 will move counterclockwise relative to the piston 2 and the maximum compression ratio will be set. Therefore, in the working cavity of the cylinder, optimal conditions will be created for ignition of the charge when starting the engine.

Таким образом, заявляемый поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания позволяет устанавливать максимальную степень сжатия при пуске холодного двигателя, минимальную степень сжатия при работе двигателя на режиме полной нагрузки, промежуточные величины степени сжатия при работе двигателя на режиме частичных нагрузок, что позволит повысить экономичность двигателя, уменьшить нагрузки на детали двигателя и трансмиссии, снизить содержание оксидов азота в отработавших газах двигателя.Thus, the inventive piston with automatically adjustable compression ratio for an internal combustion engine allows you to set the maximum compression ratio when starting a cold engine, the minimum compression ratio when the engine is running at full load, intermediate values of the compression ratio when the engine is running at partial load mode, which will increase engine efficiency, reduce the load on engine parts and transmissions, reduce the content of nitrogen oxides in the exhaust gases of the engine.

Конструкция поршня исключает возникновение стуков его деталей при работе двигателя на различных режимах его работы. Тем самым уменьшается износ деталей и повышается надежность его работы.The design of the piston eliminates the occurrence of knocking of its parts when the engine is operating in various modes of operation. This reduces the wear of parts and increases the reliability of its work.

Заявляемый поршень позволяет автоматически изменять степень сжатия в зависимости от режима работы двигателя.The inventive piston allows you to automatically change the compression ratio depending on the operating mode of the engine.

Источник информацииThe source of information

1. П.М.Белов, В.Р.Бурячко, Е.И.Акатов. Двигатели армейских машин, Ч.1. - М.: Воениздат, 1971. - 508 с.1. P.M. Belov, V.R. Buryachko, E.I. Akatov. Engines of army vehicles, Part 1. - M .: Military Publishing, 1971. - 508 p.

Claims (1)

Поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия для двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршневой палец и бобышки, отличающийся тем, что поршень и его головка выполнены раздельно, а в местах их соединения выполнена правая трапецеидальная однозаходная резьба, при этом в пазах резьбы поршня и головки установлены роликовые подшипники качения, причем в верхней части головки поршня образована полость, в которой установлен силовой цилиндр, кинематически соединенный через шаровую опору с поршнем двигателя, а поршень силового цилиндра кинематически соединен через шток и шаровую опору с головкой поршня, поршень силового цилиндра подпружинен, а его полость заполнена наполнителем, например, церезином.A piston with an automatically controlled compression ratio for an internal combustion engine, comprising a piston pin and bosses, characterized in that the piston and its head are made separately, and the right trapezoidal single-thread is made at their joints, while roller bearings are installed in the grooves of the piston and head threads rolling, and in the upper part of the piston head a cavity is formed in which a power cylinder is mounted kinematically connected through a ball bearing to the engine piston, and the power cylinder piston ndra kinematically connected through the rod and the ball joint to the head of the piston cylinder is spring-loaded piston, and its cavity is filled with a filler, such as ceresine.

Images