ШАТУННО-ПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
CONROD-PISTON ASSEMBLY FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к шатунно-поршневому узлу для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания содержат картер по меньшей мере с одним цилиндром, в который входит поршень, чтобы иметь возможность совершать качательное движение, состоящее из прямолинейного движения вдоль оси цилиндра и опрокидывающего движения. Поршень механически соединен посредством шатуна с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. Шатун имеет так называемое малое отверстие шатуна для прикрепления к поршню и так называемое большое отверстие шатуна, предусмотренное для прикрепления шатуна к коленчатому валу. В малом отверстии шатуна шатун через поршневой палец подвижно соединен с поршнем. Из-за ограничения поршня по окружности, когда поршень установлен в цилиндре, опрокидывающее движение поршня относительно оси поршневого пальца при работе двигателя внутреннего сгорания уменьшено.
Для предотвращения свободного осевого перемещения вдоль оси коленчатого вала на коленчатом валу обычно выполняется направляющая шатуна. Таким образом, необходимо между поршнем и шатуном поддерживать определенное осевое расстояние между поршнем и шатуном во избежание заедания поршня при работе двигателя внутреннего сгорания. Преимущественное взаимодействие между поршнем и шатуном может быть реализовано самыми разными путями.
Например, в документе DE 19924679 А1 раскрыт шатун, малое отверстие которого имеет ширину, изменяющуюся по его окружности, причем часть головки, выполненная обращенной к поршню, имеет меньшую ширину, чем часть головки, выполненная обращенной к большому отверстию шатуна. Кроме того, на малом отверстии шатуна выполнена направляющая шатуна.
В документе DE 4315392 А1 раскрыт шатун для двигателя внутреннего сгорания, причем по меньшей мере одна из двух головок шатуна имеет втулку подшипника, в которой установлен поршневой палец. Для поддерживания осевого расстояния втулка подшипника выполнена таким образом, чтобы выступать за внешние стороны соответствующего отверстия шатуна, причем из-за втулки подшипника, выступающей за отверстие шатуна, осевое расстояние уменьшено.
В документе DE 10124862 А1 раскрыт поршень в виде так называемого трапециевидного поршня и шатун, верхняя часть которого, содержащая малое отверстие шатуна, также имеет трапециевидный контур. Сужение трапеции в направлении относительно короткого края трапециевидной формы более выражено в поршне, чем в шатуне. Тем самым осевое расстояние можно уменьшать, одновременно поддерживая такую же свободу движения шатуна относительно поршня и наоборот.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного шатунно-поршневого узла для двигателя внутреннего сгорания.
Эта задача решена в соответствии с изобретением посредством шатунно-поршневого узла для двигателя внутреннего сгорания, имеющего признаки по пункту 1 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления с целесообразными и нетривиальными усовершенствованиями изобретения описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемый шатунно-поршневой узел для двигателя внутреннего сгорания содержит днище поршня, юбку поршня, окружающую головку поршня по ее окружности, и бобышку днища поршня для приема шатуна. Шатун разработан так, что может соединять с ведущим валом ведущий вал двигателя внутреннего сгорания с поршнем. Подобным образом, поршень подвижно соединяется с шатуном. Осевое расстояние образуется между первой поверхностью, расположенной обращенной к шатуну, бобышки днища поршня и между второй поверхностью, расположенной обращенной к шатуну, бобышки днища поршня. В соответствии с изобретением бобышка днища поршня адаптирована к перемещению шатуна. Преимущество заключается в том, что по сравнению с известным уровнем техники осевое расстояние, которое должно поддерживаться между шатуном и бобышкой днища поршня, может быть уменьшено. Иными словами, реализуется внутренний контур поршня, в котором перемещается шатун, бобышки днища поршня, приводящий к уменьшению зазора, который должен поддерживаться между поршнем и шатуном, в частности, между бобышкой днища поршня и головкой шатуна.
По существу необходимо, в частности, в случае шатуна, направляемого на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, чтобы было предусмотрено осевое расстояние для предотвращения заедания или отклонения шатуна на поршне, например, из-за теплового расширения.
Преимущество уменьшения осевого расстояния можно видеть по экономии материала и, таким образом, стоимости при производстве поршня. Кроме того, поршень может иметь компактную конструкцию. Это означает, что, например, так называемые облегчающие карманы могут быть выполнены большего размера, чем в случае поршня известного уровня техники, и тем самым достигается дополнительная экономия материала.
Еще одно преимущество заключается в уменьшении нагрузки на поршневой палец, подвижно соединяющий поршень с шатуном, поскольку указанный поршневой палец может быть укороченным. Тем самым достигаются экономия издержек в процессе производства и дополнительное снижение веса.
При работе поршня или при работе двигателя внутреннего сгорания, имеющего этот поршень, снижение веса в результате экономии материала приводит к повышению КПД двигателя внутреннего сгорания, что в свою очередь дает снижение потребления топлива и, таким образом, уменьшение выбросов.
В одном усовершенствовании предлагаемого поршня бобышка днища поршня выполнена имеющей комплементарную конструкцию относительно виртуальной поверхности перемещения шатуна. Иными словами, это означает, что бобышка днища поршня, в частности, те поверхности бобышки днища поршня, которые расположены обращенными к шатуну, предусмотрена/предусмотрены имеющей/имеющими форму, перевернутую по сравнению с формой виртуальной поверхности перемещения. Тем самым реализуется дополнительное снижение веса поршня.
В дополнительном усовершенствовании осевое расстояние преимущественно является по существу постоянным.
В дополнительном усовершенствовании переходы, выполненные во внутреннем контуре поршня между нижним днищем поршня и бобышкой днища поршня и/или между юбкой поршня и бобышкой днища поршня, имеют закругленную форму. Преимуществом этого усовершенствования является достижение повышенной жесткости поршня. Иными словами, это означает, что внутренний контур поршня не имеет ступеней или краев.
Преимущественной является приблизительно касательная форма переходов. Касательную форму переходов следует понимать как включающую приблизительно касательные профили внутреннего контура поршня между переходами и между нижним днищем поршня, бобышкой днища поршня и юбкой поршня. Тем самым достигается дополнительно повышенная жесткость поршня, поскольку силовые линии потока в поршне, когда последний подвергается нагрузке, не скапливаются, то есть не концентрируются в переходах, равно как не имеют резких изменений направления.
В частности, первая поверхность бобышки и вторая поверхность бобышки, обращенные друг к другу, имеют выпуклую форму. Иными словами, это означает, что поверхности бобышки днища поршня, между которыми принимается шатун, преимущественно имеют закругленную форму, благодаря чему можно предотвратить заедание шатуна в бобышке днища поршня, поскольку шатун может скользить на закругленных поверхностях бобышки днища поршня.
В дополнительном усовершенствовании шатун имеет форму трапециевидного шатуна.
Нормально, в частности, в случае двигателей внутреннего сгорания с высоким давлением в цилиндре используются так называемые параллельные шатуны. Параллельный шатун имеет как достаточно большую выступающую поверхность, отвернутую от днища поршня, шатуна в малом отверстие шатуна, так и достаточно большую поверхность, обращенную в сторону днища поршня, малого отверстия шатуна, представляющую собой так называемую нагруженную силой инерции поверхность шатуна.
Так называемый трапециевидный шатун имеет за счет сужающейся формы в направлении днища поршня относительно малую выступающую поверхность по сравнению с выступающей поверхностью, отвернутой от днища поршня, отверстия шатуна. Однако выступающая поверхность, обращенная к днищу поршня, меньше по сравнению с параллельным шатуном, так что нагруженная давлением поверхность поршня, соединенного с трапециевидным шатуном, может быть предусмотрена большей, чем в случае поршня для параллельного шатуна. Это означает, что бобышка днища поршня должна быть выполнена имеющей большую длину в осевом направлении. Однако, как правило, стремятся реализовать контактное давление, эквивалентное параллельному шатуну, так что поршневой палец является укороченным, что приводит к преимущественному снижению веса. Кроме того, уменьшается так называемая свободная длина на днище поршня, благодаря чему поршень преимущественно может быть дополнительно предусмотрен более жестким.
Таким образом, преимущество конструкции шатуна, выполненного как трапециевидный шатун, является предпочтительным, поскольку между поршнем и шатуном можно обеспечить более легкое соединение. Дополнительно снижение веса приводит за счет экономии материала к дополнительному снижению стоимости.
Кроме того, преимущественной является возможность выполнения направляющей шатуна на поршне. Иными словами, бобышка днища поршня, обеспечивая минимальный зазор на перемещение для предотвращения трения в твердом состоянии между шатуном и поршнем, может служить для направления шатуна, поскольку перемещение, совершаемое шатуном в зоне бобышки днища поршня, точно повторяется в бобышке днища поршня, тем самым предотвращается заедание или отклонение от оси.
Краткое описание чертежей
Дополнительные преимущества, признаки и детали изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительных примерных вариантов осуществления и из графического материала. Признаки и сочетания признаков, упомянутые выше в настоящем описании, и признаки и сочетания признаков, упомянутые ниже в настоящем описании в описании фигур и/или показанных на одних фигурах, могут использоваться не только в соответственно указанном сочетании, но и в других сочетаниях или отдельно в пределах объема изобретения. Идентичные или функционально идентичные элементы обозначены идентичными позициями. На чертежах:
Фиг. 1 представляет собой вид снизу поршня в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 2 представляет собой вид поршня, показанного на фиг. 1, в продольном разрезе по линии разреза.
Фиг. 3 представляет собой вид поршня, показанного на фиг. 1, в продольном разрезе по линии III-III разреза.
Фиг. 4 представляет собой вид снизу еще одного поршня в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 5 представляет собой вид поршня, показанного на фиг. 4, в продольном разрезе по линии V-V разреза.
Фиг. 6 представляет собой вид поршня, показанного на фиг. 4, в продольном разрезе по линии VI-VI разреза.
Фиг. 7 представляет собой вид снизу дополнительного поршня в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 8 представляет собой вид поршня, показанного на фиг. 7, в продольном разрезе по линии VIII-VIII разреза.
Фиг.9 представляет собой вид поршня, показанного на фиг. 7, в продольном разрезе по линии IX-IX разреза.
Фиг. 10а представляет собой вид в перспективном изображении головки трапециевидного шатуна.
Фиг. 10b представляет собой вид сверху головки шатуна, показанной на фиг. 10а.
Фиг. 11 представляет собой вид снизу предлагаемого поршня.
Фиг. 12 представляет собой вид сверху трапециевидного шатуна с разными положениями поворота.
Фиг. 13 представляет собой вид трапециевидного шатуна, показанного на фиг. 12, в разрезе по линии XIII-XIII разреза в первом положении поворота относительно бобышки днища поршня в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 14 представляет собой вид трапециевидного шатуна, показанного на фиг. 12, в разрезе по линии XIV-XIV разреза во втором положении поворота относительно бобышки днища поршня в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 15 представляет собой вид в перспективе трапециевидного шатуна, показанного на фиг. 12, в первом положении поворота относительно бобышки днища поршня в соответствии с известным уровнем техники в сравнении с предлагаемым поршнем.
Фиг. 16 представляет собой вид трапециевидного шатуна, показанного на фиг. 12, в разрезе по линии XVI-XVI разреза во втором положении поворота относительно бобышки днища поршня в соответствии с известным уровнем техники в сравнении с предлагаемым поршнем.
Фиг. 17 представляет собой схематический разрез трапециевидного поршня в сравнении с предлагаемым поршнем.
Фиг. 18 представляет собой вид снизу поршня в соответствии с известным уровнем техники в разрезе по оси поршневого пальца.
Фиг. 19 представляет собой вид снизу предлагаемого поршня в разрезе по оси поршневого пальца в одном варианте.
Фиг. 20 представляет собой вид поршня, показанного на 19, в разрезе по линии ХХ-ХХ разреза.
Фиг. 21 представляет собой вид снизу поршня, показанного на фиг. 19.
Фиг. 22 представляет собой вид сбоку поршня, показанного на фиг. 19.
Фиг. 23 представляет собой вид поршня, показанного на фиг. 19, в детали XXIII.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-3 показан поршень 1 в соответствии с известным уровнем техники. Поршень 1 имеет днище 2 поршня, окруженное юбкой 3 поршня. Юбка 3 поршня служит для направления поршня 1 в цилиндре (более подробно не показанном) известного двигателя 12 внутреннего сгорания в виде поршневого возвратно-поступательного двигателя. На юбке 3 поршня выполнены несколько канавок 4 для поршневых колец, предназначенных для размещения в них поршневых колец (более подробно не показанных). Поршневые кольца в сочетании с их контактом с цилиндром служат для подвижного уплотнения камеры сгорания двигателя 12 внутреннего сгорания относительно камеры коленчатого вала двигателя 12 внутреннего сгорания.
Поршень 1 имеет бобышку 5 днища поршня, предназначенную для приема соединительного элемента (более подробно не показанного), предназначенного для подвижного соединения поршня 1 и шатуна 6 двигателя 12 внутреннего сгорания (см., в частности, фиг. 12-17). Шатун 6 служит для соединения поршня 1 с коленчатым валом (более подробно не показанным) двигателя 12 внутреннего сгорания, причем давление, возникающее во время так называемого рабочего цикла, так называемое давление в цилиндре, действует на днище 2 поршня и посредством шатуна 6 заставляет коленчатый вал совершать движение, в частности вращательное движение.
Соединительный элемент выполнен в виде пальца, так называемого поршневого пальца, и принимается в отверстие 7 в бобышке 5 днища поршня. Отверстие 7 в бобышке обычно именуется отверстием бобышки.
Бобышка 5 днища поршня имеет первую стенку 8 бобышки и вторую стенку 9 бобышки в каждом случае с одним отверстием 7 в бобышке. Шатун 6 расположен своей головкой 18 шатуна в принимающем пространстве 10 между стенками 8, 9 бобышки. Головка 18 шатуна имеет малое отверстие 11 шатуна, предназначенное для приема поршневого пальца. Большое отверстие шатуна (более подробно не показанное), выполненное таким образом, чтобы быть отвернутым от малого отверстия 11 шатуна, подвижно соединено с коленчатым валом.
Поршневой палец подвижно соединен с поршнем 1 и шатуном 6, причем для снижения потерь на трение отверстия 7 в бобышке и/или малое отверстие 11 шатуна могут иметь приемную втулку.
Поршень 1 может наклоняться относительно продольной оси 13 выполненных соосно отверстий 7 в бобышке, причем продольная ось 13 соответствует с включением зазора на перемещение, предусмотренным между поршнем 1 и поршневым пальцем, продольной оси поршневого пальца.
Шатун 6 установлен посредством своего малого отверстия 11 шатуна с возможностью совершать поворот на поршневой палец, причем поворот шатуна 6 происходит в плоскости, образованной опрокидывающим движением поршня 1. Таким образом, поршень 1 должен быть выполнен таким, чтобы могли обеспечиваться как опрокидывающее движение поршня 1, так и поворот шатуна 6, причем поршень 1 может перемещаться, не упираясь в шатун 6.
При работе двигателя 12 внутреннего сгорания силы действуют, как на поршень 1, так и на шатун 6, причем указанные силы вызываются силами инерции и давлениями в цилиндре. Силы или давления действуют на поршень 1 на первой поверхности 14 поршня, выполненной обращенной к днищу 2 поршня, причем указанные силы или давления вызываются, в частности, давлениями в цилиндре, в то время как вторая поверхность 15 поршня подвергается воздействию нагрузки, в частности, от сил инерции.
Напротив, на первую поверхность 16 шатуна, выполненную отвернутой от днища 2 поршня (см., в частности, фиг. 10а и 10b), действуют, в частности, силы или давления, вызванные силами инерции, в то время как вторая поверхность 17 шатуна, расположенная напротив первой поверхности 16 шатуна, подвергается воздействию нагрузки, в частности, от давлений в цилиндре. В случае современных двигателей внутреннего сгорания с наддувом нагрузка в результате давления в цилиндре нормально намного выше, чем нагрузка, возникающая от сил инерции.
Шатун 6 имеет так называемую осевую направляющую на коленчатом валу. Во избежание переопределенности установки шатуна 6, которая может приводить к заеданию, между шатуном 6 и стенками 8, 9 бобышки образовано осевое расстояние А, как проиллюстрировано, например, на фиг. 13.
Поршень 1 предназначен для приема так называемого трапециевидного шатуна. Трапециевидный шатун 6 имеет на своей головке 18 шатуна трапециевидный профиль, причем вторая поверхность 17 шатуна, выполненная обращенной к днищу 2 поршня, выполнена меньшей, чем первая поверхность 16 шатуна, расположенная напротив.
Поршни 1 известного уровня техники, проиллюстрированные на фиг. 1-9, предназначены для приема трапециевидного шатуна 6. Поршень 1, проиллюстрированный на фиг. 1-3, имеет бобышку 5 днища поршня, адаптированную, в частности, к прямолинейному перемещению трапециевидного шатуна 6. Еще один поршень 1, разработанный в соответствии с известным уровнем техники и проиллюстрированный на фиг. 4-6, имеет бобышку 5 днища поршня в виде обжатия вследствие поворота трапециевидного шатуна 6. Еще один поршень 1, предусмотренный в соответствии с еще одним вариантом известного уровня техники и проиллюстрированный на фиг. 7-9, имеет бобышку 5 днища поршня в виде тела вращения.
Фиг. 10а и 10b иллюстрируют головку 18 трапециевидного шатуна 6, причем разные маркировки обозначают разные позиции головки 18 шатуна относительно поршня 1. При повороте коленчатого вала шатун 6, и, соответственно, трапециевидный шатун 6, обычно поворачивается на определенный угол вокруг оси поршневого пальца. Между продольной осью 20 поршня и осью 19 шатуна 6 образуется угол, зависящий от положения поршня в цилиндре. После позиционирования шатуна 6 и поршня 1 в первом положении Е1 поворота, в котором днище 2 поршня расположено горизонтально относительно оси 19 шатуна, и, таким образом, между продольной осью 20 поршня и осью 19 шатуна образуется угол со значением 0°, поршень 1 может принять на шатуне 6 максимальное второе положение Е2 поворота и максимальное третье положение Е3 поворота.
Для того чтобы достичь максимального второго положения Е2 поворота, угол изменяется между значением 0° и первым предельным углом с первым максимальным значением. Для того чтобы достичь максимального третьего положения Е3 поворота, угол изменяется между значением 0° и вторым предельным углом со вторым максимальным значением. Иными словами, поршень 1 поворачивается вокруг оси 19 шатуна между первым предельным углом и вторым предельным углом.
Белая маркировка обозначает положение головки 18 шатуна в первом положении Е1 поворота. Заштрихованная наискось зона обозначает положение головки 18 шатуна во втором положении Е2 поворота. Зона, закрашенная точками, обозначает положение головки 18 шатуна в третьем положении Е3 поворота.
Фиг. 11 иллюстрирует предлагаемый поршень 1 для шатуна 6 в виде трапециевидного шатуна на виде снизу. Бобышка 5 днища поршня с первой поверхностью 21 бобышки, расположенной обращенной ко второй стенке 9 бобышки на первой стенке 8 бобышки, и со второй поверхностью 22 бобышки, расположенной обращенной к первой поверхности 21 бобышки на второй стенке 9 бобышки, адаптирована к перемещению трапециевидного шатуна 6. Более подробно это будет рассмотрено ниже.
При колебательном движении во время работы двигателя 12 внутреннего сгорания шатун 6 посредством своего контура 28 охватывает в трехмерном пространстве поверхность, которая очерчивает указанное перемещение. Таким образом, первая боковая поверхность 29 шатуна 6, расположенная обращенной к первой поверхности 21 бобышки, и вторая боковая поверхность 30 шатуна 6, расположенная обращенной ко второй поверхности 22 бобышки, в каждом случае образуют одну виртуальную поверхность перемещения. Виртуальная поверхность перемещения повторена на соответствующей поверхности 21; 22 бобышки. Таким образом, бобышка 5 днища поршня адаптирована к перемещению шатуна 6, в частности, трапециевидного шатуна 6.
Фиг. 12 иллюстрирует трапециевидный шатун 6 на виде сверху, причем показаны три положения Е1, Е2, Е3 поворота, то есть относительные положения поршня 1 на указанном трапециевидном шатуне.
На фиг. 13 и 14 показаны трапециевидный шатун 6 и поршень 1 в соответствии с известным уровнем техники в разрезе по линии XIII-XIII разреза, если смотреть в направлении в сторону положения Е2 поворота, и по линии XIV-XIV разреза, если смотреть в направлении в сторону положения Е3 поворота, соответственно.
Осевое расстояние А от трапециевидного шатуна 6 до бобышки 5 днища поршня в первом положении Е1 поворота является наибольшим по сравнению с двумя другими положениями Е2, Е3 поворота. То есть, положения Е2, Е3 поворота в каждом случае с максимальным отклонением при повороте трапециевидного шатуна 6 предопределяет наименьшее значение осевого расстояния А.
Фиг. 15 иллюстрирует на виде в перспективном изображении трапециевидный шатун 6 во втором положении Е3 поворота, причем для лучшей иллюстрации указанный трапециевидный шатун проиллюстрирован расположенным между первой поверхностью 21 бобышки поршня 1 известного уровня техники и второй поверхностью 22 бобышки предлагаемого поршня 1.
На фиг. 16 трапециевидный шатун 6 аналогично проиллюстрирован расположенным между поршнем 1 в соответствии с известным уровнем техники и предлагаемым поршнем 1 во втором положении Е2 поворота. Из этого явствует, что осевое расстояние А предлагаемого поршня 1 в связи с трапециевидным шатуном 6 меньше, чем в связи с трапециевидным шатуном 6 с поршнем 1 известного уровня техники. Это снова показано на схематической иллюстрации разреза на фиг. 17.
Первая поверхность 21 бобышки и вторая поверхность 22 бобышки предлагаемого поршня 1 адаптированы к перемещению трапециевидного шатуна 6, благодаря чему осевое расстояние А уменьшено.