Двухтактный двигатель

 

Изобретение относится к области двигателестроения в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Для обеспечения несимметричности фаз газораспределения двигателя с кривошипно-камерной продувкой предлагается придать поршню вращательное движение, при котором козырек (выступ) на днище поршня и вырез на юбке поршня осуществляют золотниковое управление открытием окон системы газораспределения. Преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выполнен в виде шатуна кривошипная головка которого, образована шарнирным сочленением, имеющим три степени свободы. Вращательное звено двигателя выполнено в виде кривошипа, ось вращения которого ориентирована под острым углом к продольной оси цилиндра. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы для переносного моторного инструмента, для привода транспортных средств, мотоблоков, в качестве стационарных силовых установок.

Известны двухтактные двигатели с кривошипно-камерной продувкой, в которых давление газов на поршень через шатун преобразуется во вращательное движение вращательного звена (кривошипного вала). Впуском свежего заряда и выпуском отработавших газов управляет поршень, который при своем движении открывает и закрывает окна системы газораспределения цилиндра. Конструкции таких двигателей используются для привода самых разнообразных машин и механизмов, требующих малогабаритных, легких двигателей [1, 2].

Недостатком данных двигателей является плохая очистка цилиндра от отработавших газов и удаление части свежего заряда из цилиндра вместе с выхлопными газами, что является следствием симметричных фаз газораспределения, свойственных данной конструктивной схеме. С учетом этого предпочтительней двигатель с несимметричным газораспределением.

Известны некоторые конструкции двигателей, в которых оптимизация фаз газораспределения достигается сочетанием возвратно-поступательного и вращательного движения поршня (или вращением гильзы цилиндра), позволяет добиться несимметричных фаз газораспределения.

В двигателе [3] осуществляется вращение гильзы цилиндра в корпусе двигателя и синхронное вращательное и возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре.

Указанное движение поршня в известном техническом решении [3] обеспечено двумя конструктивными вариантами. В первом варианте вращательное движение поршня вместе с гильзой цилиндра обеспечивается с помощью синусоидальной канавки на корпусе двигателя, на которую опираются концы пальца поршня.

Во втором случае - с помощью вала, установленного под углом к оси цилиндра, на кривошипе которого установлен шатун, связанный с поршнем. Вращательно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение вала. Но при любых из указанных вариантов вращательное движение поршня осуществляется одновременно с цилиндром. Цилиндр, вращающийся в корпусе двигателя, играет роль золотника, открывая и закрывая соответствующие окна системы газораспределения, что позволяет достичь нессимметричного газораспределения.

Однако наличие вращающегося в корпусе двигателя цилиндра сильно усложняет и утяжеляет конструкцию и требует дополнительных уплотнений.

Наличие канавок в первом варианте конструкции двигателя требует высокой точности их изготовления для исключения перекосов между поршнем и цилиндром и связано с большими потерями на трение, или применением роликов для движения по канавкам. Эти обстоятельства усложняют и утяжеляют конструкцию поршня. Во втором варианте требуется сложное сочленение вала и шатуна, который воспринимает значительные нагрузки.

Известен также двигатель [4], в котором поршень жестко соединен с валом. Оси поршня и вала совпадают. На валу насажен промежуточный преобразователь в виде кольца на спицах. Кольцо имеет синусоидальный профиль. С боков его охватывают два ролика. При перемещении поршня кольца, взаимодействуя с роликом, поворачивает вал с поршнем вокруг оси вращения. Конец вала входит в отверстие муфты, в которой вращательно-поступательное движение поршня с валом преобразуется во вращательное движение выходного вала.

Однако, наличие в данной конструкции двигателя промежуточного преобразователя приводит к усложнению, увеличению материалоемкости, что ограничивает возможности использования известного двигателя в компоновке переносных моторных инструментов, ограниченных по массе, в частности, для бензопил.

Кроме того, наличие в известном техническом решении большого количества поверхностей трения значительно снижает эффективность двигателя.

Известно наиболее близкое техническое решение к заявляемому, в котором поршень двигателя имеет возвратно-поступательное и вращательное движение [5] .

Вращательное звено двигателя [5] выполнено в виде кривошипа, ось вращения которого параллельна и эксцентрична продольной оси поршня, который снабжен установленным на части наружной кромки его днища козырьком для перекрытия окон системы газораспределения, при этом преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное выполнен в виде установленной на поршне эксецентрично его продольной оси шарнирной опоры, с внутренним отверстием которой соединен с образованием поступательной пары шип кривошипа, причем шип расположен под острым углом к поворотному звену, а эксценприситет шарнирной опоры e₁, соответствует значению R≥e₁≥e, где R - радиус поршня, e - эксцентриситет оси поворота кривошипа относительно продольной оси поршня. При работе двигателя поршень под действием давления газов, взаимодействуя с вращающимся звеном (кривошипным валом) и стенками цилиндра поворачивает кривошипный вал и совершает поступательное движение и одновременно вращательное движение (винтовое движение). За один оборот вала осуществляется один оборот поршня в том же направлении и два хода поршня (вверх и вниз). На днище поршня установлен козырек (ступенька), а юбка поршня имеет вырез. Наличие козырька и выреза обеспечивают при винтовом движении поршня своевременное открытие и закрытие окон системы газораспределения, обеспечивая оптимальные фазы впуска, продувки и выхлопа.

Однако наличие длинных поверхностей трения в поступательном сочленении шип вала-шарнир поршня увеличивает габариты двигателя и создает значительные трудности в компоновке двигателя и в применении стандартных подшипников трения. Возникающие значительные боковые реакции между поршнем и стенками цилиндра увеличивают потери на трение и износ, снижают эффективность двигателя.

Описанная схема двигателя [5] с несимметричными фазами газораспределения, в котором управление подачи горючей смеси и выпуском отработавших газов осуществляется посредством возвратно-поступательного и вращательного движения поршня, выбрана в качестве прототипа.

Цель изобретения - создание двигателя внутреннего сгорания с несимметричными фазами газораспределения с двухтактным циклом, повышенной мощности, низкой материалоемкости и простой конструкции, имеющей к комплектации унифицированные детали (элементы) с традиционными ДВС. Поставленная цель достигается тем, что в двигателе, содержащем корпус, цилиндр с окнами системы газораспределения и поршнем, кинематически связанным через преобразователь его возвратно-поступательного движения во вращательное с шипом кривошипного вала, при этом цилиндр двигателя имеет по меньшей мере один продувочный канал, вход которого расположен в подпоршневой полости, а выход - в надпоршневой, часть днища поршня имеет выступ (или козырек) для перекрытия окон системы газораспределения при вращении поршня, обеспечивая несимметричные фазы газораспределения, согласно изобретения, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня по вращательное выполнен в виде шатуна, кривошипная головка которого образована шарнирным сочленением, имеющим входную и выходную шарнирные пары, образованные соответственно соосными сочленениями втулка - тело шатуна, втулка - шип или шип (втулка) - ось, которые соединены между собой дополнительной шарнирной парой с вращательным звеном, расположенным под прямым углом к оси вращения входной шарнирной пары, причем последняя соединена с телом шатуна через упорный подшипник. Как вариант, кривошипная головка может быть выполнена в виде шарового шарнира - взаимодействующего с ответной поверхностью, расположенной на шине кривошипа или на его вращающемся звене, причем ось вращения кривошипа в любых вариантах выполнения кривошипной головки ориентирована под острым углом к продольной оси цилиндра или параллельна ей (оси при этом не совпадают). Величина угла должна удовлетворять условию 0^o ≅ A < 90^o.

Указанное выполнение двигателя независимо от предлагаемых конструктивных особенностей исполнения преобразователя возвратно-поступательного движения поршня во вращательное способствует упрощению конструкции двигателя за счет унификаций его узлов с традиционными ДВС, повышению эффективности его работы за счет снижения усилия трения между стенками цилиндра и поршнем, уменьшению габаритов двигателя.

Приведенный научно-технический анализ предложения и уровня техники свидетельствует о том, что заявленное техническое решение для специалиста не следует явным образом из уровня техники, при этом признаки изложенной совокупности взаимосвязаны, находятся в причинно-следственной связи с ожидаемым техническим результатом и являются необходимыми и достаточными для его получения. Все это свидетельствует о наличии у предложения изобретательского уровня новизны и промышленной применимости, что подтверждается в нижеприведенном разделе описания.

На приведенных чертежах изображено: На фиг. 1 показан двигатель с вариантом сочленения в кривошипной головке шатуна втулка-шип (продольное сечение).

На фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, сечение Б-Б.

На фиг. 3 - то же, что на фиг. 2 сечение В-В.

На фиг. 4 - то же, что на фиг. 3 сечение Г-Г.

На фиг. 5 - вариант выполнения кривошипной головки шатуна в виде шарового шарнира.

На фиг. 6 - двигатель с вариантом сочленения в кривошипной головке шип (втулка) - ось в продольном сечении.

На фиг. 7 - то же, что на фиг. 6 сечение Б-Б.

На фиг. 8 - то же, что на фиг. 7 сечение В-В.

На фиг. 9 - кинематическая схема двигателя, вариант выполнения кривошипной головки шатуна с шарнирными парами втулка - тело шатуна, втулка - шип, в соответствии с фиг. 1-3.

На фиг. 10 - то же, что на фиг. 9, вариант выполнения кривошипной головки с шарнирными парами втулка - тело шатуна, шип (втулка) - ось, в соответствии с фиг. 6-8.

На фиг. 11, 12, 13, 14 показано взаимное расположение основных узлов и деталей двигателя с шаровым шарниром в кривошипной головке шатуна в зависимости от поворота кривошипного вала последовательно на 90^o от ВМТ, соответственно вид сверху и сбоку для каждого случая.

Двухтактный двигатель содержит корпус 1, цилиндр 2, имеющий впускные 3, продувочные 4 и выпускные 5 окна системы газораспределения и поршень 6 кинематически связанный через преобразователь его возвратно-поступательного движения во вращательное с шипом кривошипного вала 8, при этом цилиндр имеет, по меньшей мере, один продувочный канал 9, вход которого расположен в подпоршневой полости, а выход - в надпоршневой. Часть днища поршня имеет выступ 10 или козырек (например, в соответствии с фиг. 11 - 14), для перекрытия окон системы газораспределения при вращении поршня. Преобразователь возвратно поступательного движения поршня во вращательное выполнен в виде шатуна 11, кривошипная головка 12 которого образована шарнирным сочленением, имеющим входную и выходную шарнирные пары, образованные соответственно соосными соединениями втулка - тело шатуна 13, втулка - шип 14 (фиг. 9) или шип (втулка) - ось 15 (фиг. 10), которые соединены между собой дополнительной шарнирной парой 16 с вращательным звеном, расположенным под прямым углом к оси вращения входной шарнирной пары, причем последняя соединена с телом шатуна через упорный подшипник 17. Соединения втулка-шип 14, шип (втулка) - ось 15 и шарнирное соединение 16 (фиг. 9 и 10) могут оснащаться игольчатыми подшипниками 18 (фиг. 1 - 3, фиг. 6 - 8). Выходная шарнирная пара втулка - шип 14 для восприятия нагрузок от шатуна вдоль оси шипа 7 и снижения потерь на трение дополнительно может оснащаться упорным подшипником 19 (фиг. 1). Кривошипная головка шатуна может быть также выполнена в виде шарового шарнира 20, взаимодействующего с ответной поверхностью 21, расположенной на шипе 7 кривошипа или на его вращающемся звене 8. Ось вращения 22 кривошипа в любых вариантах исполнения кривошипной головки ориентирована под острым углом A к продольной оси цилиндра или параллельна ей. Величина угла должна удовлетворять условиям 0^o ≅ A < 90^o. При A = 0^o ось вращения 22 кривошипа и продольная ось цилиндра параллельны, при этом указанные оси не совпадают. Чем больше наклон угла A к продольной оси цилиндра и чем ближе проходит ось цилиндра к вершине B (фиг. 9 и 10) траектории 1, тем больше величина хода поршня при данном радиусе кривошипа. Область 1 ограничена радиусом кривошипа при его вращении.

Причем, для того, чтобы поршень вращался, совершая полный оборот вокруг своей оси при совершении одного оборота вала, продольная ось цилиндра должна пересекать плоскость области 1. В случае, если ось цилиндра пройдет вне указанной области, поршень будет совершать возвратно-качательные движения относительно своей оси.

Поршень на юбке может иметь вырез 28 для управления открытием впускного окна в кривошипной камере двигателя.

Двухтактный двигатель кроме описанных выше конструктивных узлов и деталей содержит также систему питания с карбюратором (не показано), глушитель шума 23, систему зажигания для воспламенения рабочей смеси (не показано), систему охлаждения преимущественно воздушную. Система охлаждения может быть оснащена как приведенным на фиг. 1 и 3 осевым вентилятором-маховиком 24 с дефлектором 25 и продольными ребрами охлаждения 26 цилиндра 2, а так и центробежным вентилятором, применяющимся в традиционных схемах подобных двигателей (не показано). Смазка двигателя, оснащенного шарнирными парами типа ось-втулка 13 - 16 подшипниками качения 17, 18, 19, осуществляется путем добавляемых к топливу смазочных масел, что аналогично смазке двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой. Смазка двигателя с шаровым шарниром 20 (фиг. 5) может быть осуществлена смазочным маслом, подаваемым маслонасосом по каналам 27 к трущимся поверхностям двигателя.

Работа двигателя осуществляется следующим образом: поршень 6 под давлением газов, двигаясь от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), воздействует на шатун 11, который передает это воздействие вдоль своей оси через кривошипную головку на кривошип вала 8, поворачивая его вращающее звено на 180^o. Движение поршня от НМТ к ВМТ осуществляется воздействием на поршень кривошипного вала с маховиком 21, используя инерцию вращающихся масс.

Поршневая головка шатуна кинематически связана с осью цилиндра посредством традиционно используемого шарнирного соединения, а кривошипная головка осуществляет вращательное движение, вращаясь вместе с вращательным звеном кривошипа. Причем продольная ось цилиндра проходит внутри траектории 1, описываемой кривошипной головкой шатуна, что обеспечивает вращение поршня совместно с телом шатуна относительно оси цилиндра.

Взаимное перемещение описанных деталей двигателя, согласно фиг. 9, 10, осуществляется следующим образом: возвратно-поступательное и вращательное движение поршня через поршневую головку передается на шатун, происходит вращение шатуна вдоль своей оси с одновременным поворотом его кривошипной головки вместе с кривошипном по траектории 1, описанной радиусом вращения кривошипа. Благодаря выполнению кривошипной головки с шарнирным сочленением, имеющим входную шарнирную пару 13 и выходную шарнирную пару 14 или 15 с наличием между ними дополнительной шарнирной пары 16, вращательное звено которой расположено под прямым углом к входной шарнирной паре 13, при передаче возвратно-поступательного движения от поршня через шатун на шип кривошипа происходит поворот тела шатуна во втулке шарнирной пары 13, передача вращательного движения через дополнительную шарнирную пару 16 на выходную шарнирную пару 14 или 15. Наличие шарнирных пар 13, 14, 16 (фиг. 9) и 13, 15, 16 (фиг. 10) обеспечивает компенсацию угловых смещений описанных выше звеньев кинематической цепи, при работе двигателя.

В целом выполнение кинематической схемы двигателя с указанным выше выполнением кривошипной головки (фиг. 9 и 10) шатуна, которая имеет шарнирные пара 13, 14, 15, а также дополнительную шарнирную пару 16 имитирует работу универсального шарового шарнира, согласно фиг. 5. Это во всех вариантах обеспечивает преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное. Работа двигателя с шаровым шарниром в кривошипной головке шатуна показана на фиг. 11, 12, 13, 14.

Установка оси вращения кривошипа под острым углом к оси цилиндра уменьшает угол наклона шатуна к оси цилиндра вблизи мертвых точек хода поршня (ВМТ и НМТ), что способствует уменьшению боковой составляющей силы реакции между поршнем и цилиндром и соответственно уменьшению силы трения.

Для двигателей с малым ходом поршня и соответствующей компоновкой возможно использование конструктивной схемы с параллельными осями вала и цилиндра. Для совершения хода поршня указанные оси не должны совпадать.

Работа системы газораспределения с кривошипно-камерной продувкой осуществляется следующим образом. Топливная смесь от карбюратора поступает в подпоршневую полость при движении поршня от НМТ к ВМТ. После прохождения ВМТ при движении поршня вниз, вырез 28 на юбке поршня своей кромкой перекрывает впускное окно 3, предотвращая обратный выброс заряда во впускной патрубок. В надпоршневой полости цилиндра при движении поршня вниз кромка днища поршня открывает выпускное окно цилиндра, происходит выпуск отработавших газов, продувочное окно при этом закрыто козырьком 10 поршня. При дальнейшем движении вниз, поршень, поворачиваясь, открывает краем козырька продувочное окно и начинает прикрывать выпускное окно противоположной боковой кромкой козырька, происходит продувка цилиндра. Поршень проходит НМТ и начинает подниматься. Козырек полностью закрывает выпускное окно, предотвращая выброс свежего заряда с выхлопом, продувочное окно при этом еще открыто, что обеспечивает дополнительный дозаброс свежего заряда в камеру сгорания. Тангенциальный наклон выпускного патрубка и продувочного канала на входе в цилиндр создает вихревое движение заряда, способствуя более полному сгоранию топливной смеси, позволяя осуществлять устойчивое сгорание обедненной топливной смеси.

Источники информации 1. Ленин И.М. Теория автомобильных двигателей, - М.: 1958, с. 87.

2. Полищук А.П. Моторный инструмент для лесозаготовок. - М.: 1970.

3. US, патент, 4553506, кл. 123-45, 1985.

4. US, патент, 2962008, кл. 123-45, 1960.

5. RU, патент, 2023894, 1992.

Формула изобретения

1. Двухтактный двигатель, содержащий корпус, цилиндр с окнами системы газораспределения и поршнем, кинематически связанным через преобразователь его возвратно-поступательного движения во вращательное с шипом кривошипного вала, при этом цилиндр имеет по меньшей мере один продувочный канал, вход которого расположен в подпоршневой полости, а выход - в надпоршневой, а часть днища поршня имеет выступ (или козырек) для перекрытия окон системы газораспределения при вращении поршня, обеспечивая несимметричные фазы газораспределения, отличающийся тем, что преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выполнен в виде шатуна, кривошипная головка которого образована шарнирным сочленением, имеющим входную и выходную шарнирные пары, образованные соответственно соосными сочленениями втулка - тело шатуна, втулка - шип или шип (втулка) - ось, которые соединены между собой дополнительной шарнирной парой с вращательным звеном, расположенным под прямым углом к оси вращения входной шарнирной пары, причем последняя соединена с телом шатуна через упорный подшипник, или кривошипная головка шатуна выполнена в виде шарового шарнира, взаимодействующего с ответной поверхностью, расположенной на шипе кривошипа или на его вращающемся звене.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ось вращения кривошипа ориентирована под острым углом к продольной оси цилиндра или параллельна ей.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что юбка поршня имеет вырез.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14