Шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована в поршневых двигателях внутреннего сгорания для регулирования степени сжатия, снижения максимального давления цикла, уменьшения вибрации и динамических нагрузок на детали цилиндропоршневой группы двигателя.
Известен двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя механизм, обеспечивающий переменную степень сжатия, который может изменять степень механического сжатия двигателя внутреннего сгорания. Механизмы, обеспечивающего переменную степень сжатия, по средством изменения эффективной длины шатуна, используемого в поршневом двигателе внутреннего сгорания (см., например, публикации №6-129272, №2011-196549, №3-242433 заявок на патенты Японии). При этом «эффективная длина» шатуна это расстояние между центром отверстия, в котором заключена шатунная шейка коленчатого вала, и центром отверстия, в котором заключен поршневой палец в шатуне. Когда эффективная длина шатуна увеличивается, объем камеры сгорания уменьшается, при нахождении поршня в верхней мертвой точке, таким образом степень механического сжатия увеличивается. В случае уменьшения эффективной длины шатуна, объем камеры сгорания увеличивается, при нахождении поршня в верхней мертвой точке, таким образом степень механического сжатия уменьшается.
Известен шатун переменной длины, в котором в малой головке тела шатуна установлена эксцентриковая втулка, которая может поворачиваться относительно тела шатуна, изменяя тем самым эффективную длину (см., например, JP 6-129272 А, международную публикацию №WO2014/019683 и JP 2011-196549 А). Эксцентриковая втулка имеет отверстие, выполненное с эксцентриситетом к оси поворота эксцентриковой втулки, в котором заключен поршневой палец. При изменении положения эксцентриковой втулки в процессе поворота происходит изменение эффективной длины шатуна.
Наиболее близким аналогом (прототипом), к заявляемой полезной модели является шатун переменной длины (см., Pub. No.: US 2017/0248074 A1, pub. Date: Aug. 31, 2017), тело которого включает в себя большую головку и малую головку, причем большая головка имеет отверстие, в котором заключена шатунная шейка, а малая головка расположена на стороне, противоположной большой головке в осевом направление тела шатуна. Эксцентриковый элемент установлен в тело шатуна с возможностью поворота в окружном направлении малой головки. Конфигурация эксцентрикового элемента обеспечивает изменение эффективной длины шатуна переменной длины, когда эксцентриковый элемент поворачивается. Первый поршневой механизм включает в себя первый цилиндр и первый поршень. Первый цилиндр предусмотрен в теле шатуна. Конструкция первого поршня обеспечивает скольжение в первом цилиндре. Конструкция первого поршневого механизма обеспечивает поворот эксцентрикового элемента в первом направлении таким образом, что эффективная длина шатуна переменной длины увеличивается, когда в первый цилиндр подается масло из гидравлической системы. Второй поршневой механизм включает в себя второй цилиндр и второй поршень. Второй цилиндр предусмотрен в теле шатуна. Конструкция второго поршня обеспечивает скольжение во втором цилиндре. Конструкция второго поршневого механизма обеспечивает поворот эксцентрикового элемента во втором направлении, противоположном первому направлению, таким образом, что эффективная длина шатуна переменной длины уменьшается, когда во второй цилиндр подается масло из гидравлической системы. Механизм переключения направления протекания гидравлической жидкости предусмотрен в пределах тела шатуна. Конструкция механизма переключения направления протекания гидравлической жидкости обеспечивает его переключение между подачей гидравлической жидкости в первый поршневой механизм и второй. Тело шатуна имеет масляные каналы управления.
Недостатками конструкции прототипа является наличие большого количества сопрягаемых подвижных элементов осей и тяг, которые снижают надежность устройства в целом, а также наличие неуравновешенных масс, образованных тягами, осями, цилиндрами и поршнями устройства, что также негативно сказывается на надежности устройства.
В полезной модели предложен шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания, который не требует большого количества сложных подвижных сочленяемых деталей, рычагов, осей, чтобы изменять эффективную длину шатуна.
Шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания включает в себя тело шатуна, эксцентриковую втулку, первый реечно-поршневой механизм, второй реечно-поршневой механизм и механизм переключения.
Тело шатуна включает в себя кривошипную головку и поршневую головку, причем кривошипная головка имеет отверстие, в котором заключена шатунная шейка коленчатого вала, а поршневая головка расположена на стороне, противоположной кривошипной головке в осевом направлении тела шатуна. Эксцентриковая втулка установлена в тело шатуна в поршневую головку, с возможностью поворота в окружном направлении. Эксцентриковая втулка обеспечивает изменение эффективной длины шатуна переменной длины, в случае поворота эксцентриковой втулки в теле шатуна. Первый реечно-поршневой механизм включает в себя первый цилиндр с поршнем и изготовленной за одно с поршнем зубчатой рейкой. Первый цилиндр расположен в теле шатуна. Поршень первого реечно-поршневого механизма осуществляет скольжение в первом цилиндре. Первый реечно-поршневой механизм обеспечивает поворот эксцентрикового элемента в первом направлении таким образом, что эффективная длина шатуна переменной длины увеличивается, когда в первый цилиндр подается гидравлическая жидкость.
Второй реечно-поршневой механизм включает в себя второй цилиндр с поршнем и изготовленной за одно с поршнем зубчатой рейкой. Второй цилиндр расположен в теле шатуна. Поршень второго реечно-поршневого механизма осуществляет скольжение во втором цилиндре. Второй реечно-поршневой механизм обеспечивает поворот эксцентриковой втулки во втором направлении таким образом, что эффективная длина шатуна переменной длины уменьшается, когда во второй цилиндр подается гидравлическая жидкость.
Механизм переключения устанавливается в тело шатуна. Механизм переключения обеспечивает переключение между первым направлением вращения эксцентриковой втулки и вторым, посредством подачи (сброса) гидравлической жидкости в первый или второй (из первого или второго) цилиндр.
На фиг.1 представлен шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания. На фиг.2 представлен схематический вид сбоку в сечении двигателя внутреннего сгорания, с установленным шатуном переменной длины двигателя внутреннего сгорания.
Шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания соответствующий данному варианту осуществления содержит (фиг.1): тело шатуна 1, кривошипная головка шатуна 2, включающая отверстие 15 под шейку коленчатого вала, поршневая головка шатуна 3 включающая эксцентриковую втулку 4 с отверстием под поршневой палец 16, которая установлена с возможностью поворота в поршневой головке шатуна 3, первый реечно-поршневой механизм включающий цилиндр 9 и поршень 7 изготовленный за одно с зубчатой рейкой 5. Второй реечно-поршневой механизм включающий цилиндр 10, поршень 8 изготовленный за одно с зубчатой рейкой 6, механизм 13 переключения направления протекания гидравлической жидкости (на фиг.1 представлен схематично), каналы подачи гидравлической жидкости от механизма 13 переключения направления протекания гидравлической жидкости в первый и второй реечно-поршневые механизмы 11 и 12 соответственно, каналы подачи гидравлической жидкости 14.
На фиг.2 представлен двигатель внутреннего сгорания - вид сбоку в сечении, который включает в себя шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания - 1, картер 16 двигателя, блок цилиндров 17, головку 18 блока цилиндров, поршень 19, камеру сгорания 20, свечу зажигания 21, впускной клапан 22, распределительный вал 23 впускных клапанов, впускной канал 24, выпускной клапан 25, распределительный вал 26 выпускных клапанов и выпускной канал 27.
Шатун переменной длины двигателя внутреннего сгорания - 1 соединен с поршнем 19 посредством поршневого пальца 28 установленного в отверстие 16 эксцентриковой втулки 4 (фиг.1) которая в свою очередь установлена в поршневой головке шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания и соединен с шатунной шейкой 29 (фиг.2) коленчатого вала, устанавливаемой в отверстие 15 под шейку коленчатого вала (фиг.1) в кривошипной головке 2 шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания.
Эксцентриковая втулка 4 с отверстием под поршневой палец 16 имеет в центральной части зубчатый сектор, поверхности по обе стороны от зубчатого сектора гладкие и образуют подшипник скольжения с внутренней поверхностью поршневой головки 3 шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания. Зубчатые рейки 5 и 6 вставлены в отверстия в поршневой головке 3 шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания, при этом отверстия выполнены по форме профиля зубчатых реек, а зубья зубчатых реек 5 и 6 входят в зацепление с зубчатым сектором эксцентриковой втулки 4.
Шатун 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания, позволяет изменять эффективную длину, то есть расстояние от оси поршневого пальца 28 до оси шатунной шейки 29 коленчатого вала, следующим образом:
Когда необходимо увеличить степень механического сжатия двигателя внутреннего сгорания, следовательно, увеличить эффективную длину шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания, то есть, увеличить длину от шатунной шейки 29 коленчатого вала до поршневого пальца 28 в цилиндр 9 первого реечно-поршневого механизма подается гидравлическая жидкость из механизма 13 переключения направления протекания гидравлической жидкости по каналу подачи гидравлической жидкости 11. Гидравлическая жидкость воздействуя на поршень 7 и изготовленную за одно зубчатую рейку 5, зубья которой входят в зацепление с зубьями зубчатого сектора эксцентриковой втулки, проворачивает эксцентриковую втулку 4 в поршневой головке 3 шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания, что приводит к увеличению эффективной длины шатуна. При этом из цилиндра 10 второго реечно-поршневого механизма производится сброс гидравлической жидкости по каналу подачи гидравлической жидкости 12 в механизм 13 переключения направления протекания гидравлической жидкости, что приводит к опусканию в цилиндре 10 поршня 8 и изготовленной за одно зубчатой рейки 6, зубья которой входя в зацепление с зубьями зубчатого сектора эксцентриковой втулки, что способствует проворачиванию эксцентриковой втулки 4.
Таким образом, когда поршень 19 находится в верхней мертвой точке, объем камеры 20 сгорания максимально уменьшается, как показано на фиг.2. При этом эффективная длина шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания изменяется, а длина хода поршня 19, совершающего возвратно-поступательное движение в цилиндре, не изменяется.
В случае, когда необходимо уменьшить эффективную длину шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания, то есть уменьшить длину от шатунной шейки 29 до поршневого пальца 28, обеспечивая при этом в случае нахождения поршня 9 в верхней мертвой точке, максимальный объем камеры сгорания 20, при этом длина хода поршня 19 постоянна, как описано выше, а степень механического сжатия двигателя внутреннего сгорания минимальна в цилиндр 10 второго реечно-поршневого механизма подается гидравлическая жидкость из механизма 13 переключения направления протекания гидравлической жидкости по каналу подачи гидравлической жидкости 12. Гидравлическая жидкость воздействуя на поршень 8 и изготовленную за одно зубчатую рейку 6, зубья которой входят в зацепление с зубьями зубчатого сектора эксцентриковой втулки, проворачивает эксцентриковую втулку 4 в поршневой головке 3 шатуна 1 переменной длины двигателя внутреннего сгорания, что приводит к уменьшению эффективной длины шатуна. При этом из цилиндра 9 первого реечно-поршневого механизма производится сброс гидравлической жидкости по каналу подачи гидравлической жидкости И в механизм 13 переключения направления протекания гидравлической жидкости, что приводит к опусканию в цилиндре 9 поршня 7 и изготовленной за одно зубчатой рейки 5, зубья которой входят в зацепление с зубьями зубчатого сектора эксцентриковой втулки, что способствует проворачиванию эксцентриковой втулки 4.
Использование шатуна переменной длины двигателя внутреннего сгорания данной конструкции позволяет повысить надежность и долговечность поршневых двигателей внутреннего сгорания за счет уменьшения количества сопрягаемых подвижных элементов, упрощения конструкции, уменьшения неуравновешенных масс, обеспечивая при этом регулирование степени сжатия в камере сгорания, снижая тем самым динамические нагрузки на детали цилиндропоршневой группы.