Двигатель
Изобретение может быть использовано в конструкции двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Двигатель включает в себя главный поршень (20) и внешний поршень (30), формирующие сдвоенный поршень, расположенный в блоке цилиндра (10). Внешний поршень (30) надет снаружи на главный поршень (20). Коленчатый вал (18) расположен снизу блока цилиндра (10). Два боковых шатуна (35) соединяют внешний поршень (30) с коленчатым валом (18), так, чтобы внешний поршень (30) был подвижен вместе с главным поршнем (20) при ходе вверх и ходе вниз. Коленчатый вал (18) имеет сердцеобразные пазы на его двух сторонах, которые соединяют коленчатый вал (18) с боковыми шатунами (35). Каждый сердцеобразный паз выполнен за счет участков в виде более длинного кольцевого паза (41) и более коротких кольцевых пазов (42A) и (42B). Технический результат заключается в более раннем закрытии внешним поршнем (30) впуска воздуха и выпуска воздуха, а также в предотвращении утечки воздушно-топливной смеси. 7 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к конструкции двухтактного двигателя внутреннего сгорания. В частности, оно относится к типу двигателя, который преобразует внутреннюю энергию топлива в циклическое линейное движение внешнего поршня.
Существующие двигатели внутреннего сгорания (двигатели) являются, главным образом, двухтактными или четырехтактными. Однако для обеспечения механических движений двухтактному двигателю необходимо наличие смазочных материалов в самом топливе. Таким образом, при сгорании происходит формирование смазочной пленки, при этом очевидно, что сгорание осуществляется не полностью. Это приводит к уменьшению выходной мощности и выхлопу газов, загрязняющих окружающую среду.
Известна конструкция двухтактного двигателя внутреннего сгорания без кривошипно-камерной продувки, во многом устраняющая вышеуказанные недостатки [патент RU 2291309, опубл. 10.01.2007]. Этот двигатель включает главный поршень и внешний поршень, формирующие сдвоенный поршень, расположенный в блоке цилиндра, причем внешний поршень надет снаружи на главный поршень; коленчатый вал, расположенный снизу блока цилиндра; и два боковых шатуна, которые соединяют внешний поршень с эксцентриками коленчатого вала так, чтобы внешний поршень был подвижен вместе с главным поршнем при ходе вверх и ходе вниз. Однако соединение боковых шатунов с коленчатым валом с помощью эксцентриков не позволяет обеспечить оптимальное перемещение главного поршня относительно внешнего поршня, что несколько снижает выходную мощность, которая могла бы быть увеличена при оптимизации относительного перемещения поршней.
В связи с этим целью настоящего изобретения является повышение выходной мощности двухтактного двигателя внутреннего сгорания без кривошипно-камерной продувки.
Соответственно, главной технической задачей изобретения является увеличение степени сжатия и увеличение мощности двигателя за счет закрытия с помощью внешнего поршня впуска воздуха и выпуска воздуха пораньше, а также предотвратить утечку воздушно-топливной смеси из цилиндра за счет углового изменения сердцеобразных пазов на щеках с двух противоположных сторон коленчатого вала, обеспечивающих оптимальное перемещение главного поршня относительно внешнего поршня для этих целей.
Другой технической задачей изобретения является создание двигателя с системой подачи топлива, в которой используется топливный насос, причем привод топливного насоса осуществляется за счет вращения сердцеобразных пазов с двух противоположных сторон коленчатого вала для исключения из конструкции карбюратора. Топливный насос нагнетает требуемое количество топлива в необходимом соотношении и предотвращает обратный поток топлива с помощью контрольного клапана. Топливо течет в одну сторону с помощью одностороннего регулировочного клапана, регулируемого по давлению. Подача топлива является регулируемой, и точное количество топлива впрыскивается в цилиндр непосредственно для устранения недостатков, присущих традиционным карбюраторам или системам электронного впрыска.
Другой технической задачей изобретения является создание двигателя, у которого фланцы внешнего поршня в первой ступени отверстия цилиндра и блока цилиндра выполнены волнообразными так, что когда внешний поршень и блок цилиндра контактируют друг с другом, создается волнообразная контактная поверхность при одновременном движении главного поршня и внешнего поршня. Поршневое кольцо главного поршня может плавно входить в камеру внешнего поршня и выходить из нее без заедания в канавках.
Для достижения поставленных технических задач, по изобретению предлагается двигатель, блок цилиндра которого содержит главный поршень и внешний поршень. Упомянутый внешний поршень надет снаружи на главный поршень и использует два боковых шатуна, которые соединяют внешний поршень с сердцеобразными пазами на двух сторонах коленчатого вала, расположенного снизу блока цилиндра в картере, при этом он подвижен вместе с главным поршнем при ходе вверх и ходе вниз. Здесь, сердцеобразные пазы с двух сторон коленчатого вала, приводящие в движение внешний поршень при ходе вверх и ходе вниз, выполнены за счет участков из более длинного кольцевого паза и более коротких кольцевых пазов.
Более предпочтительно, когда имеется юбка, как на главном поршне, так и на внешнем поршне сдвоенного поршня, которая имеет блокирующее кольцо для предотвращения утечки смазочного материала через впуск воздуха и выпуск воздуха.
Более предпочтительно, когда сердцеобразные пазы с двух сторон коленчатого вала выполнены вогнутой, выпуклой или вогнуто-выпуклой формы.
Более предпочтительно, когда отверстие цилиндра в блоке цилиндра состоит из двух ступеней с разным внутренним диаметром.
Более предпочтительно, когда картер снизу блока цилиндра присоединен к отдельному воздушному каналу для управления направлением потока газов через этот воздушный канал.
Более предпочтительно, когда газы, имеющиеся в картере снизу блока цилиндра, имеют возможность поступать в блок цилиндра с помощью отдельного воздушного канала или покидать пределы картера для повторной подачи уже в блок цилиндра.
Более предпочтительно, когда блок цилиндра имеет систему непосредственного впрыска топлива, содержащую топливный насос, контрольный клапан и односторонний регулировочный клапан. Мощность для привода топливного насоса передается от вращающихся сердцеобразных пазов с двух сторон коленчатого вала внизу блока цилиндра.
Более предпочтительно, когда поверхность сочленения при контакте внешнего поршня и отверстия цилиндра первой ступени выполнена волнообразной.
Краткое описание используемых фигур чертежей:
фиг.1 - чертеж конструкции двигателя по изобретению (сжатие и зажигание);
фиг.2 - чертеж конструкции двигателя по изобретению (воспламенение, главный поршень совершает ход вниз);
фиг.3 - чертеж конструкции двигателя по изобретению (выпуск и впуск);
фиг.4 - чертеж конструкции двигателя по изобретению (внешний поршень закрывает впуск воздуха и выпуск воздуха в то время, как главный поршень совершает ход вверх перед сжатием);
фиг.5 - вид сбоку соединения сдвоенного поршня и коленчатого вала по изобретению;
фиг.6 - вид спереди соединения сдвоенного поршня и коленчатого вала по изобретению;
фиг.7 - вид в поперечном разрезе сдвоенного поршня по изобретению;
фиг.8 - чертеж для иллюстрации потока газов на различных участках одностороннего отдельного воздушного канала по изобретению;
фиг.9 - чертеж для еще одной иллюстрации потока газов на различных участках одностороннего отдельного воздушного канала по изобретению;
фиг.10 - чертеж системы непосредственного впрыска топлива в цилиндр по изобретению;
фиг.11 - чертеж для иллюстрации системы масляного насоса устройства смазки по изобретению;
фиг.12 - чертеж конструкции сочленения между внешним поршнем и блоком цилиндра по изобретению;
фиг.13 - чертеж, иллюстрирующий взаимодействие сочленения по фиг.12 и поршневого кольца главного цилиндра.
Для дальнейшего пояснения целей, особенностей и преимуществ изобретения, далее описывается его преимущественное осуществление.
Обратимся к фиг.1-6. В конструкции двигателя по изобретению главным является использование конструкции сдвоенного поршня, содержащего главный поршень 20 и внешний поршень 30 внутри блока цилиндра 10. Когда сдвоенный поршень движется внутри блока цилиндра 10 во время хода вверх, внешний поршень 30 может открывать или закрывать впуск воздуха 11 и выпуск воздуха 12 на двух противоположных сторонах блока цилиндра 10. Это предохраняет от утечки смазочное масло 171, содержащееся в картере 17. Таким образом, это изобретение реализует концепцию смазки четырехтактного двигателя, преодолевая ограничение двухтактного двигателя по необходимости добавления смазочных материалов в топливо, что снижает выхлоп вредных газов. Особенности изобретения представлены на фиг.7, где показан главный поршень 20, имеющий компрессионное поршневое кольцо 21 у верхней части и уплотнительное блокирующее кольцо 22 у юбки; внешний поршень 30 имеет камеру 31, проходящую через его внутреннюю часть, компрессионное поршневое кольцо 32 у верхней части и уплотнительное блокирующее кольцо 33 у юбки; при этом главный поршень 20 способен двигаться вверх и вниз внутри камеры 31 внешнего поршня 30; один конец шатуна 15 соединен с поршневым пальцем 16 и также связан с главным поршнем 20, а его другой конец соединен с шейкой коленчатого вала 18 внутри картера 17 внизу блока цилиндра 10; установочный элемент 34 бокового шатуна, смонтированный с двух противоположных сторон нижнего конца юбки внешнего поршня 30, служит для соединения с одним концом бокового шатуна 35, второй конец которого соединен с направляющим валиком 36 так, что боковой шатун 35 использует направляющий валик 36, расположенный напротив сердцеобразных пазов, выполненных на щеках с двух сторон коленчатого вала 18, чтобы таким образом приводить в движение внешний поршень 30 во время хода вверх и хода вниз; сердцеобразный паз является кольцевым пазом на двух сторонах коленчатого вала 18, являющегося вогнутым или выпуклым или вогнуто-выпуклым типа профиля зубчатого колеса, с одной половиной в виде длинного кольцевого паза 41, коаксильного с коленчатым валом 18, и с другой половиной, сформированной в виде двух коротких кольцевых пазов 42А и 42В, которые не являются коаксильными с коленчатым валом 18; низшая точка паза 43 выполнена недалеко от центра коленчатого вала 18 между смежными концами коротких кольцевых пазов 42А и 42В; внутреннее пространство блока цилиндра 10 имеет две ступени, отверстие цилиндра первой ступени 10А эквивалентно наружному диаметру главного поршня 20, отверстие цилиндра второй ступени 10В эквивалентно наружному диаметру внешнего поршня 30, а впуск воздуха 11 и выпуск воздуха 12 на двух противоположных сторонах блока цилиндра 10 расположены на отверстии цилиндра второй ступени 10В как показано па фиг.1, причем на фиг.5 и фиг.6 для этого расположения коленчатого вала 18 показан шатун 15, оказывающий давление вверх на главный поршень 20 внутри отверстия цилиндра первой ступени 10А блока цилиндра 10, при этом главный поршень 20 использует свое компрессионное поршневое кольцо 21 сверху для уплотнения камеры с воздушно-топливной смесью, причем сердцеобразные пазы с обеих сторон коленчатого вала 18 используют длинный кольцевой паз 41 для давления на направляющий валик 36 бокового шатуна 35, против него, чтоб позволить внешнему поршню 30 остаться в верхней части отверстия цилиндра второй ступени 10В блока цилиндра 10, а компрессионное поршневое кольцо 32 внизу и уплотнительное блокирующее кольцо 33 у вершины юбки находятся сверху и снизу положения впуска воздуха 11 и выпуска воздуха 12, чтобы предупредить утечку масла из картера 17 через впуск воздуха 11 и выпуск воздуха 12; как показано на фиг.2, в этом положении свеча зажигания 19 воспламеняет сжатую воздушно-топливную смесь, которая толкает главный поршень 20 в состояние хода вниз в камеру 31 внешнего цилиндра 30, а опускание главного поршня 20 используется шатуном 15, чтобы толкнуть коленчатый вал 18 против часовой стрелки на 90°, причем направляющие валики 36 боковых шатунов 35 с двух сторон внешнего поршня 30 еще находятся внутри длинного кольцевого паза 41 так, что боковые шатуны не двигаются с главным поршнем 20 и пока находятся в положении, позволяющем уплотнить впуск воздуха 11 и выпуск воздуха 12; как показано на фиг.3, в этом положении главный поршень 20 продолжает ход вниз и использует шатун 15, чтобы толкнуть коленчатый вал 18 далее против часовой стрелки до 180°, в то же время направляющие валики 36 на боковых шатунах 35 с двух сторон внешнего поршня 30 входят из одного короткого паза 42В в низшую точку паза 43 сердцеобразного паза, при этом боковой шатун 35 может толкать внешний поршень 30 и перемещать его вместе с главным поршнем 20 вниз для открывания впуска воздуха 11 и выпуска воздуха 12; как показано на фиг.4, в этом положении коленчатый вал 18 продолжает поворачиваться против часовой стрелки на угол до 270° и толкает вверх главный поршень 20 вместе с внешним поршнем 30 к верхней точке цилиндра второй ступени 10В блока цилиндра 10, и внешний цилиндр 30 снова закрывает впуск воздуха 11 и выпуск воздуха 12 пока не вернется в положение, показанное на фиг.1, а коленчатый вал 18 завершает полный цикл (360°) и двигает главный поршень 20 вверх для сжатия воздушно-топливной смеси; таким образом, сдвоенный поршень, содержащий главный поршень 20 и внешний поршень 30, предназначен для предотвращения утечки смазочного масла 171, находящегося в картере 17, через впуск воздуха 11 и выпуск воздуха 12, и реализуется концепция четырехтактного двигателя, используемая для решения проблемы выпуска двухтактным двигателем вредных выхлопных газов из-за добавления в топливо смазочных материалов; также, с помощью изменения угловых размеров длинного кольцевого паза 41 и двух коротких кольцевых пазов 42А и 42В, внешний поршень 30 может пораньше закрывать впуск воздуха 11 и выпуск воздуха 12 на двух противоположных сторонах блока цилиндра 10 для предотвращения утечки воздушно-топливной смеси из блока цилиндра 10, а также внешний поршень может повысить выпуск выхлопных газов, что увеличит степень сжатия, так же как и выходную мощность.
На фиг.8 и фиг.9 показаны чертежи, иллюстрирующие поток газов па различных участках одностороннего отдельного воздушного канала по изобретению. Вход одностороннего отдельного воздушного канала 50 имеет дроссельную заслонку 51, первый контрольный клапан 52 и второй контрольный клапан 53 на пути к картеру 17, третий контрольный клапан 54 на том же пути к отдельному воздушному каналу 50, окончание отдельного воздушного канала 50, соединенное с впуском воздуха 11 для блока цилиндра 10, а также топливную форсунку 55 или карбюратор 56 посередине; таким образом, пропускная способность отдельного воздушного канала 50 определяется объемом впускаемого воздуха за счет хода вверх главного поршня 20 и внешнего поршня 30 внутри блока цилиндра 10 к верхней точке картера 17, как показано на фиг.8. Когда главный поршень 20 и внешний поршень 30 двигаются вверх к верхней точке (компрессия, зажигание), эквивалентное количество воздуха забирается из картера 17, снижая давление воздуха в картере 17, при этом открывается второй контрольный клапан 53, что позволяет внешнему воздуху (обозначен как X) войти в отдельный воздушный канал 50; как показано на фиг.9, когда главный поршень 20 и внешний поршень 30 двигаются вниз к нижней точке (воспламенение, выпуск) блока цилиндра 10, они сжимают воздух в картере 17, при этом закрывается первый контрольный клапан 52 и второй контрольный клапан 53, открывается третий контрольный клапан 54, а смешанные газы (обозначены как О) из картера 17 под давлением поступают в отдельный воздушный канал 50 и выталкивают внешний воздух (обозначен как X), уже находящийся в отдельном воздушном канале 50, через топливную форсунку 55 или карбюратор 56 и впуск воздуха 11 в блок цилиндра 10; таким образом, в изобретении используются первый контрольный клапан 52, второй контрольный клапан 53 и третий контрольный клапан 54 для управления односторонним потоком в воздушном канале, что позволяет внешнему воздуху (обозначен как X) и газам в картере 17 (обозначены как О) входить последовательно, и, в результате, газы (обозначены как О) внутри картера 17 постоянно циркулируют в отдельном воздушном канале 50 и картере 17, а после этого внешний воздух (обозначен как X) входит в отдельный воздушный канал 50 и не входит в картер 17, а вместо этого проталкивается через топливную форсунку 55 или карбюратор 56 и впуск воздуха 11 в блок цилиндра 10.
Обратимся к фиг.10, где представлены сдвоенный поршень и система непосредственного впрыска топлива в цилиндр по изобретению. Система непосредственного впрыска топлива состоит из топливного насоса 60, контрольного клапана 62, одностороннего регулировочного клапана 63 и топливопровода 61 между ними. Топливный насос 60 приводится в действие за счет вращения сердцеобразных пазов на двух сторонах коленчатого вала 18, а стандартная топливная смесь засасывается в топливный насос 60 через подающий топливопровод 631 и односторонний регулировочный клапан 63. После вытеснения из топливного насоса 60, топливо впрыскивается через контрольный клапан 62 и топливную форсунку 55 в блок цилиндра 10. Тело клапана 621 контрольного клапана 62 нажимается задней нажимной пружиной 622 для закрытия отверстия клапана 623 и предотвращения обратного потока топлива в топливной форсунке 55. Обратимся к сечению А-А. Четыре стороны тела клапана 621 являются четырьмя плоскими поверхностями. Когда топливный насос 60 нагнетает определенное количество топлива, надавливающего на тело клапана 621 по направлению от отверстия клапана 623 для его открытия, топливо может проходить через зазор 624 вдоль четырех плоских сторон и течь к топливной форсунке 55 через контрольный клапан 62; односторонний регулировочный клапан 63 имеет регулировочный винт 636 на переднем конце, подающий топливопровод 631 с одного его конца, топливопровод 61, соединенный с топливным насосом 60, с заднего конца и шток толкателя клапана 632, проходящий внутрь к телу клапана 633. Шток толкателя клапана 632 и тело клапана 633 имеют четыре плоских поверхности с четырех сторон. Нагнетаемое топливо, типа бензина, через подающий топливопровод 631 поступает в односторонний регулировочный клапан 63 и течет в зазоре штока клапана 634 между плоскими поверхностями с четырех сторон штока толкателя клапана 632 вперед и открывает клапан так, что топливо течет в трубопровод 61 в одну сторону. Когда топливный насос 60 нагнетает топливо в топливопроводе 61 в контрольный клапан 62, если создано давление, он может вытолкнуть обратно тело клапана 633 одностороннего регулировочного клапана 63 вместе со штоком толкателя клапана 632. Это позволяет нагнетаемому топливу течь обратно внутрь одностороннего регулировочного клапана 63 через зазор тела клапана 635 с четырех плоских сторон тела клапана 633, затем течь обратно к топливному баку через подающий топливопровод 631. Таким образом, это позволяет топливной форсунке 55 непосредственно впрыскивать топливо в стабильном режиме.
Обратимся к фиг.11. В изобретении используется сдвоенный поршень, двигающийся одновременно, а также добавляется масляный насос для смазки. Система масляного насоса включает масляный насос 70, а также отверстие контрольного клапана подачи масла 71 и отверстие контрольного клапана выпуска масла 72. Масляный насос приводится в действие сердцеобразными пазами на двух сторонах коленчатого вала 18 или боковым шатуном 35 внешнего поршня 30.
Обратимся к фиг.12 и фиг.13, где показана конструкция сочленения между внешним поршнем и блоком цилиндра и его взаимодействие с поршневым кольцом главного цилиндра. Верхняя часть камеры 31 внешнего поршня 30 имеет волнообразный фланец 80. Нижняя часть отверстия цилиндра первой ступени 10А блока цилиндра 10 имеет соответствующий волнообразный фланец 81. Когда внешний поршень 30 расположен вверху отверстия цилиндра второй ступени 10В блока цилиндра 10, волнообразный фланец 80 сверху камеры 31 вставляется в волнообразный фланец 81 снизу отверстия цилиндра первой ступени 10А. Таким образом, формируется волнообразное сочленение (как показано на фиг.13). Когда главный поршень 20 совершает ход вверх и ход вниз одновременно с внешним поршнем 30 в камере 31, и когда поршневое кольцо 21 проходит границу между внешним поршнем 30 и отверстием цилиндра первой ступени 10А, то оно делает это плавно так, что поршневое кольцо 21 главного поршня 20 не будет застревать в канавке такой границы.
В заключение следует отметить, что изобретение улучшает выхлопные характеристики двухтактного двигателя без использования сложной системы клапанов, как в четырехтактном двигателе, а также увеличивает подачу воздуха в цилиндр и степень сжатия для увеличения выходной мощности. Кроме того, оно имеет преимущество, заключающееся в использовании системы непосредственного впрыска топлива без использования карбюратора.
Перечень используемых обозначений: 10 - блок цилиндра; 10А - отверстие цилиндра первой ступени; 10В - отверстие цилиндра второй ступени; 11 - впуск воздуха; 12 - выпуск воздуха; 13 - поршень; 14 - поршневое кольцо; 15 - шатун; 16 - поршневой палец; 17 - картер; 171 - смазочное масло; 18 - коленчатый вал; 19 - свеча зажигания; 20 - главный поршень; 21 - компрессионное поршневое кольцо; 22 - уплотнительное блокирующее кольцо; 30 - внешний поршень; 31 - камера; 32 - компрессионное поршневое кольцо; 33 - уплотнительное блокирующее кольцо; 34 - установочный элемент бокового шатуна; 35 - боковой шатун; 36 - направляющий валик; 41 - длинный кольцевой паз; 42А - короткий кольцевой паз; 42В - короткий кольцевой паз; 43 - низшая точка паза; 50 - отдельный воздушный канал; 51 - дроссельная заслонка; 52 - первый контрольный клапан; 53 - второй контрольный клапан; 54 - третий контрольный клапан; 55 - топливная форсунка; 56 - карбюратор; 60 - масляный насос; 61 - топливопровод; 62 - контрольный клапан; 621 - тело клапана; 622 - нажимная пружина; 623 - отверстие клапана; 624 - зазор; 63 - односторонний регулировочный клапан; 631 - подающий топливопровод; 632 - шток толкателя клапана; 633 - тело клапана 634 - зазор штока клапана; 635 - зазор тела клапана; 636 - регулировочный винт; 70 - масляный насос; 71 - отверстие контрольного клапана подачи масла; 72 - отверстие контрольного клапана выпуска масла; 80 - волнообразный фланец; 81 - волнообразный фланец; 82 - волнообразное сочленение.
1. Двигатель, включающий: главный поршень и внешний поршень, формирующие сдвоенный поршень, расположенный в блоке цилиндра, причем внешний поршень надет снаружи на главный поршень; коленчатый вал, расположенный снизу блока цилиндра; и два боковых шатуна, которые соединяют внешний поршень с коленчатым валом так, чтобы внешний поршень был подвижен вместе с главным поршнем при ходе вверх и ходе вниз, отличающийся тем, что коленчатый вал имеет сердцеобразные пазы на его двух сторонах, которые соединяют коленчатый вал с боковыми шатунами, при этом каждый сердцеобразный паз выполнен за счет участков в виде более длинного кольцевого паза и более коротких кольцевых пазов.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что как главный поршень, так и внешний поршень имеют юбку, причем юбка главного поршня или юбка внешнего поршня имеет блокирующее кольцо для предотвращения утечки смазочного материала через впуск воздуха и выпуск воздуха.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что сердцеобразные пазы выполнены вогнутой, выпуклой или вогнуто-выпуклой формы.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что блок цилиндра включает отверстие цилиндра, состоящее из двух ступеней с разным внутренним диаметром.
5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что включает картер снизу блока цилиндра, присоединенный к отдельному воздушному каналу для управления направлением потока газов.
6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что включает картер снизу блока цилиндра, где газы, имеющиеся в картере, имеют возможность поступать в блок цилиндра с помощью отдельного воздушного канала или покидать пределы картера для повторной подачи в блок цилиндра.
7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что включает систему непосредственного впрыска топлива в блок цилиндра, которая содержит топливный насос, контрольный клапан и односторонний регулировочный клапан, причем привод топливного насоса осуществляется за счет вращения сердцеобразных пазов.
8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что блок цилиндра включает отверстие цилиндра, состоящее из первой и второй ступеней, причем поверхность сочленения внешнего поршня и отверстия цилиндра первой ступени выполнена волнообразной.
