ШАТУННО-ПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
CONNECTING ROD-PISTON GROUP OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в четырехтактных, преимущественно быстроходных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Известны шатунно-поршневые группы (ШПГ) автомобильных ДВС, состоящие из шатуна в сборе с поршнем, причем по центральной оси стержня шатуна выполнено масло-подающее отверстие, соединяющее кривошипную головку шатуна с его поршневой головкой, в которой установлена втулка, имеющая центральную кольцевую канавку с отверстием, проходящим сквозь стенку поршневой головки, ось которого является продолжением оси маслоподающего отверстия в стержне шатуна, предназначенным, в основном, для смазывания сопряжения «втулка поршневой головки шатуна-поршневой палец» и, частично, охлаждения струей масла внутренней поверхности днища поршня в моменты совпадения маслоподающего отверстия в кривошипной головке шатуна с маслоподводящим отверстием в шатунной шейке коленчатого вала [1] - стр. 44, рис. 2.76.
Недостаток данного технического решения состоит в низкой интенсивности охлаждения днища поршня и отсутствии струйного маслоснабжения сопряжения "юбка поршень-цилиндр", необходимого для снижения трения и изнашивания этих деталей.
Известны также ШПГ четырехтактных автомобильных ДВС, имеющие шатун в сборе с поршнем, содержащим днище и юбку, и маслоподающее отверстие в зоне перехода стержня шатуна в его кривошипную головку, через которое за счет применения шатунных вкладышей с масляной канавкой происходит достаточно длительное, зависящее от протяженности масляной канавки, истечение струи моторного масла в зону внутренней поверхности юбки поршня для осуществления как смазывания сопряжений "юбка поршня-цилиндр", "бобышка поршня-поршневой палец", так и охлаждения днища поршня [2], стр. 23.
Недостатком этого технического решения является отсутствие преимущественного маслоснабжения так называемой нагруженной (левой при взгляде на кривошипно-шатунный механизм (КШМ) со стороны носка вращающегося по часовой стрелке коленчатого вала ДВС) стороны поршня, а также существенный расход моторного масла через длительно либо постоянно открытое маслоподающее отверстие в кривошипной головке шатуна, что требует повышенной производительности масляного насоса.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является шатун ДВС с устройством для охлаждения поршня [3]. Поскольку отличительные признаки шатуна согласно [3] связаны исключительно с обслуживанием размещенного на шатуне поршня, содержащего днище и юбку, данное изобретение с полным основанием может быть отнесено к ШПГ и поэтому использовано в качестве прототипа заявляемого устройства.
Отличительным признаком прототипа является маслоподающее отверстие, размещенное в плоскости качания шатуна в зоне перехода стержня шатуна в его кривошипную головку, причем последовательностью и продолжительностью дозирования струи моторного масла, вытекающей под давлением из маслоподающего отверстия, управляет лепестковый клапан, исполнительный орган которого - шторка - выполнен из материала, обладающего эффектом памяти формы (ЭПФ). Это позволяет за счет деформации, вызываемой мар-тенситным превращением в материале шторки, регулировать в зависимости от теплового состояния шатуна длительность процесса струйной маслоподачи во внутреннюю полость юбки и на днище поршня, сокращая тем самым время прогрева ДВС.
Недостатком устройства-прототипа является известная фазовая нестабильность и сложность согласования температурных границ прямого и обратного мартенситных превращений материала с ЭПФ в условиях достаточно узкого диапазона рабочих температур шатуна ДВС в зоне расположения лепесткового клапана. К недостатку можно отнести также и отсутствие струйной подачи масла из шатуна на детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) в пусковой и начальный периоды работы ДВС, когда смазываемые деталиэтой группы недостаточно прогреты, поэтому их трущиеся поверхности могут испытывать дефицит смазочного материала из-за недостаточной текучести масла повышенной вязкости по каналам системы смазки. И, наоборот, непрерывная и длительная по времени (между окончанием прогрева и началом остывания двигателя) подача масла в зону горячей внутренней полости поршня повышает объемную температуру смазочного материала как хладагента, снижая интенсивность охлаждения поршня и давление масла, создаваемое масляным насосом. Отсутствие согласованной с направлением движения и уровнем нагружения поршня ориентации струи масла повышает риск появления масляного голодания, сопровождающегося повышенными трением и износом в сопряжении «юбка поршня-цилиндр».
Указанные выше недостатки в совокупности и при неблагоприятных условиях эксплуатации способны снизить надежность работы ДВС.
Задача изобретения состоит в повышении надежности работы ДВС за счет улучшения условий смазки и охлаждения поршня.
Поставленная задача решается установкой на стержень шатуна, входящего в состав ШПГ, инерционного клапана, шторка которого управляет закрытием и открытием маслоподающего отверстия на выходе из стержня шатуна в зависимости от положения КШМ и скоростного режима двигателя, а расположение маслоподающего отверстия в стержне шатуна согласовано с направлением движения, длиной и ориентацией нагруженной стороны юбки расположенного на поршневой головке шатуна поршня.
Новым в предлагаемом техническом решении является размещение на шатуне инерционного клапана, использующего в своей работе ускорение, возникающее вследствие неравномерности изменения скорости возвратно-поступательно движущихся деталей ШПГ, к которым, кроме поршня, относится, как известно, поршневая головка шатуна и сопряженная с ней часть стержня шатуна, составляющая не менее 1/3 длины шатуна, считая от оси его поршневой головки. Ускорение обладающих массой возвратно-поступательно движущихся деталей ШПГ приводит к возникновению приложенных к этим деталям сил инерции, характер изменения которых в точности совпадает с таковым для ускорения. При этом максимальное значение указанная сила инерции в условиях работы ДВС с традиционным КШМ достигает в моменты, когда мгновенная скорость поршня и присоединенной к нему части шатуна становится равной нулю. В этих двух так называемых мертвых точках КШМ центральная ось стержня шатуна и ось кривошипа коленчатого вала ДВС совпадают, а поршень занимает либо наиболее удаленное от (верхняя мертвая точка - ВМТ), либо, наоборот, максимально близкое к (нижняя мертвая точка - НМТ) оси коленчатого вала положение. Одно из таких положений, а именно положение поршня или, что в рассматриваемом случае одно и то же, КШМ в ВМТ, и возникающая в этом положении максимальная сила инерции, приложенная к возвратно-поступательно движущейся части шатуна, используются в предлагаемом техническом решении для открытия шторки инерционного клапана и, соответственно, подачи струи моторного масла в зоны поршня, в наибольшей степени требующие смазывания и охлаждения.
Оригинальность устройства состоит также в согласовании расположения маслоподающего отверстия на шатуне с направлением движения, длиной и признаком нагруженной стороны юбки поршня в плоскости качания шатуна.
Анализ известных устройств для смазки и/или охлаждения деталей ЦПГ ДВС показывает, что в известных технических решениях отсутствуют управляемые силой инерции клапаны, размещенные на стержне шатуна, расположение маслоподающих отверстий которых согласовано с направлением движения, длиной и ориентацией на нагруженную сторону юбки поршня, в наибольшей степени подверженную трению, изнашиванию и риску задира. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что заявляемое техническое решение обладает достаточным изобретательским уровнем.
Изобретение поясняется фиг. 1, на которой показан общий вид и поперечный разрез одного из возможных вариантов конструкционного исполнения предлагаемой ШПГ.
На обращенной к сопряженным нагруженным сторонам цилиндра (на фиг. 1 не показан) и поршня 1, т.е. левой при взгляде со стороны носка вращающегося в направлении движения часовой стрелки коленчатого вала ДВС (на фиг. 1 не показаны) боковой поверхности стержня шатуна 2 располагается устройство для смазывания-охлаждения поршня 1, представляющее собой инерционный клапан, состоящий из шторки 3, направляющих 4и ограничителей: верхнего 5 и нижнего 6, выполняющих в рассматриваемом варианте конструкции дополнительно функцию крепежных элементов для направляющих 4. Шторка 3, выполненная из массивного материала в форме тонкостенной прямоугольной пластины, под действием приложенной к ней равнодействующей сил инерции и тяжести (силы трения шторки 3 в направляющих 4 ввиду пренебрежительной малости действующей по нормали к плоскости шторки 3 сил инерции, вызванных угловым ускорением при качании стержня шатуна 2, не рассматриваются как не оказывающие влияние на характер перемещения шторки 3 относительно направляющих 4) совершает возвратно-поступательное движение в направлении центральной оси стержня шатуна 2 в пределах расстояния между ограничителями 5 и 6.
В плоскости качания стержня шатуна 2 имеется маслоподающее отверстие 7, вход которого располагается на внутренней поверхности кривошипной головки шатуна8, а выход - на боковой поверхности стержня шатуна 2, в пределах расстояния между ограничителями 5 и 6.
Устройство работает следующим образом. На любом скоростном режиме работы ДВС под воздействием силы инерции, обусловленной массой и ускорением шторки 3, последняя совершает возвратно-поступательное перемещение относительно направляющих 4 в пределах расстояния, заключенного между ограничителями 5 и 6.
j
j
В крайнее верхнее положение шторка 3 приходит (и остается в этом состоянии) при выполнении условия |-P|>G, где P и G - соответственно сила инерции и сила тяжести (вес) шторки 3, что, согласно известным положениям динамики ДВС, имеет место в окрестности ВМТ КШМ, составляющей обычно от 60 до 90 градусов угла поворота коленчатого вала (ПКВ), и обусловлено значением и соответствующим знаком силы инерции, приложенной к шторке 3 в указанный выше момент времени рабочего цикла ДВС (фиг. 2).
Приходя, согласно фиг. 3, в окрестностях ВМТ под действием превалирующей над силой тяжести G силы инерции Pj в состояние упора на ограничитель 5, шторка 3 открывает маслоподающее отверстие 7 на его выходе из стержня шатуна 2, через которое находящееся под давлением в маслоподающем отверстии 7 моторное масло выбрасывается в виде струи на внутреннюю стенку цилиндра (на фиг. 3 не показан) под кромку юбки 9 поршня 1 и, частично, под действием приложенной к струе масла силы инерции - на внутреннюю поверхность юбки 9 и днища 10 поршня 1.
Соотношения в направлении центральной оси стержня шатуна 2 размеров шторки 3, координат и диаметра расположенного на боковой поверхности стержня шатуна 2 маслоподающего отверстия 7, а также расстояния между ограничителями 5 и 6 согласованы между собой таким образом, что при всех положениях шторки 3, кроме ее положения с упором на ограничитель 5, т.е. положения КШМ в ВМТ, шторка 3 перекрывает маслоподающее отверстие 7 на выходе его из стержня шатуна 2, не допуская истечения струи моторного масла.
Протяженность времени нахождения шторки 3 в крайнем верхнем положении в состоянии упора на ограничитель5, когда струя моторного масла истекает от маслоподающего отверстия 7, зависит от массы шторки 3 скоростного режима работы ДВС, что позволяет осуществлять автоматическое и рациональное согласование предлагаемым устройством продолжительности периода струйной маслоподачи из стержня шатуна 2 на детали ЦПГ с частотой вращения коленчатого вала и, таким образом, уровнем форсирования ДВС по скоростному режиму. Выброс струи моторного масла на указанные выше поверхности деталей ЦПГ в момент нахождения КШМ в окрестности ВМТ обеспечивает: во-первых, масло-снабжение наиболее нагруженных действием максимальной боковой силы поршня (на такте «Рабочий ход» четырехтактных ДВС) сопряженных сторон юбки 9 поршня 1 и стенки цилиндра; во-вторых, адресную подачу смазочного материала в наиболее нуждающуюся в смазке зону, а именно: под кромку юбки 9 поршня 1 перед началом движения последнего от ВМТ к НМТ; в-третьих, подачу порции масла как хладагента за короткое время и по короткому пути от места выхода на стержне шатуна 2 маслоподающего отверстия 7 до внутренней поверхности юбки 9 и днища 10 поршня 1 за счет инерционного отклонения струи масла в момент остановки поршня в ВМТ.
Рациональное по месту омывания и цикличное дозирование (по расчетным оценкам от 25 до 40% полного времени рабочего цикла) для номинального скоростного режима работы ДВС струйной подачи масла на нагретые поверхности поршня, обеспечиваемое предлагаемым техническим решением, способствует поддержанию уровня температуры, давления и вязкости смазочного материала, необходимых для сохранения рациональных значений гидродинамической несущей способности и теплового состояния смазываемых сопряжений ДВС.
Совокупность указанных выше особенностей процесса смазывания и охлаждения поршня с помощью предлагаемого устройства приводит к улучшению условий как смазки сопряжения «юбка поршня-цилиндр», так и охлаждения поршня на наиболее нагруженном в динамическом и температурном отношениях периоде рабочего цикла четырехтактных ДВС - такте «Рабочий ход», что снижает интенсивность трения, изнашивания и риск возникновения задира деталей ЦПГ, т.е. повышает надежность работы ДВС.
Промышленная применимость заявляемого технического решения обусловлена простотой его реализации как путем изготовления направляющих и ограничителя на этапе получения штамповкой заготовки шатуна с последующим выполнением в ней масляного канала и маслоподающего отверстия, так и на основе доработки готовых шатунов аналогично варианту конструкции, представленному на фиг. 1.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практическое издание - М.: За рулем, 1999. - 440 с.
2. Двигатель ЗМЗ-40522.10. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту / В.Л. Жбанников. - Заволжье: УГК ЗАО «ЗМЗ», 2015. - 162 с.
3. Патент РФ №2579291 МПК F01P 3/08, F16/C 7/02, F02N 19/00 / В.В. Рогалев, Ю.И. Фокин. - Опубл. 10.04.2016. - Бюлл. №10.