ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F01B15/00 F02B59/00 

Изобретение относится к двухтактным двигателям внутреннего сгорания и может применяться в качестве силовых установок различных транспортных средств, а также стационарных машин и агрегатов.

Наиболее широко известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания, применяемые в мотоциклах (например, Сарафанов С.К. Устройство автомобиля и мотоцикла. М. Изд-во ДОСААФ СССР, 1985, стр, 21, рис. 4). Такой двигатель содержит цилиндрическую камеру и поршень в ней с кривошипно-шатунным механизмом его перемещения. Камера имеет входное, выходное и перепускное отверстия. Двигатель конструктивно прост по сравнению, например, с четырехтактными двигателями, так как не имеет клапанов и соответственно системы их привода. Все операции газораспределения выполняются поршнем.

Однако такой двигатель имеет ряд недостатков.

Во-первых, степень сжатия горючей смеси под поршнем ограничена из-за размещения под ним кривошипно-шатунного механизма. Несжимаемый объем составляет не менее π R²S, где R радиус маховика или кривошипа, S толщина шатуна.

От степени сжатия смеси под поршнем непосредственно зависит скорость подачи ее в камеру сгорания, а следовательно, обороты и мощность двигателя, которая остается ограниченной.

Во-вторых, соединение кривошипно-шатунного механизма с поршнем имеет ту особенность, что при рабочем ходе поршень прижимается к стенке цилиндра, противоположной направлению движения шатуна. Сила прижатия весьма велика, так как возникает от ударного действия сгорания смеси. Это ведет как к неравномерному и интенсивному износу поршня и цилиндра, так и ограничивает достижимую мощность двигателя.

Эти недостатки в значительной степени устранены в двигателе по патенту ФРГ N 734642, МКИ F 01 B 15/04, опублик. 1943. Он содержит неподвижный корпус, подвижно установленный цилиндр, коленчатый вал, кинематически связанный с цилиндром, перегородку во внутренней полости цилиндра, разделяющую эту полость на впускную и рабочую камеры, канал подвода рабочей среды и канал отвода отработанных газов, выполненный с возможностью периодического сообщения с рабочей камерой.

Этот двигатель в значительной степени свободен от упомянутых недостатков. Кривошипно-шатунный механизм движет не поршень, а сам цилиндр. При этом механизм оказывается вынесенным из камеры и не влияет на степень сжатия смеси.

При рабочем ходе не возникает никаких дополнительных сил трения. Имеются лишь обычные инерционные силы, свойственные всем камерным механизмам типа поршневых двигателей и насосов.

Такие особенности предполагают хорошие показатели по ряду параметров.

Этот двигатель принять за прототип.

Однако он имеет определенные недостатки.

Во-первых, перегородка установлена в цилиндре поворотно и качается вместе с ним, а рабочая среда подводится через перегородку. Это означает, что место подвода должно иметь подвижное уплотнение.

Во-вторых, при подвижных цилиндре и перегородке все части рабочей камеры также подвижны, в том числе и свеча зажигания.

Эти особенности усложняют конструкцию и снижают надежность двигателя в работе.

В-третьих, перегородка отделяет впускную часть полости цилиндра от рабочей камеры во всех положениях цилиндра, так что рабочая среда подается в рабочую камеру по наружному перепускному каналу. Это удлиняет путь рабочей среды, снижая скорость ее подачи и соответственно обороты и мощность двигателя.

Целью изобретения является повышение надежности и мощности двигателя в работе.

Сущность изобретения состоит в том, что перегородка установлена неподвижно, внутренняя полость цилиндра со стороны впускной камеры снабжена расширяющимся участком, выполненным внутри цилиндра с возможностью периодического сообщения с рабочей камерой.

Такое исполнение обеспечивает подвод рабочей среды в рабочую камеру кратчайшим путем и без каких-либо подвижных уплотнений.

Свеча зажигания также оказывается неподвижной.

Эти особенности упрощают конструкцию, повышают надежность в работе и мощность.

На фиг. 1 представлен вариант исполнения двигателя, который содержит цилиндр в виде рамки с плоскими стенками и плоские крышки; на фиг. 2 то же, разрез вдоль оси перегородки; на фиг. 3 вариант двигателя, содержащего цилиндр в виде рамки с концентричными стенками; на фиг. 4 вариант с цилиндрическими крышками.

В исполнении по фиг. 1 двигатель содержит цилиндр, внутренняя полость 1 которого образована рамкой 2, корпус в виде неподвижных стенок 3 и 4, перегородку в виде поршня 2, корпус в виде неподвижных стенок 3 и 4, перегородку в виде поршня 5, разделяющего полость 1 на впускную 6 и рабочую 7 камеры и укрепленного, например, сваркой на стенке 3, механизм перемещения рамки (коленчатый вал) в виде выходного вала 8 и кривошипа 9, шарнирно соединенного с рамкой 2, каналы подвода рабочей среды и отвода отработанных газов в виде входного 10 и выходного 11 отверстий. Стенки 3 и 4 корпуса плоские. Стенки 12 и 13 рамки тоже плоские. Рамка 2 установлена между стенками 3 и 4 с минимальным зазором, но с возможностью свободного движения между ними. Входное 10 и выходное 11 отверстия выполнены на расстоянии от поршня, при котором они могут сообщаться и разобщаться с камерами 6 и 7 в процессе перемещения рамки при вращения вала 8. Конец полости 1 со стороны входного отверстия 10 имеет расширяющийся участок 14 рамки 2. Рамка имеет приливы 15 и 16, перекрывающие входное и выходное отверстия, когда они разобщены с соответствующими камерами. Прилив 16 служит также кронштейном для соединения рамки 2 с кривошипом 9 вала 8. В поршне 5 размещены свеча зажигания и камера сгорания, показанные поз. 17. Вместо свечи может быть форсунка подачи топлива, если работа по принципу дизеля. Камера сгорания сообщается с рабочей камерой.

В исполнении по фиг. 3 стенки корпуса плоские (видна стенка 3), а стенки 18 рамки 2 цилиндрические, концентричные неподвижной оси 19, на которой поворотно установлена эта рамка.

В исполнении по фиг. 4 впускная и рабочая камеры образованы стенками 20 и крышками 21 и 22. При этом стенка 20 рамки и крышка 21 образованы углублением в роторе 23, размещенном в статоре, представляющем цилиндрическую крышку 22. Крышка 21 также цилиндрическая. Ротор соединен с выходным валом 8 посредством кривошипа 9 и шатуна 24. Расширение 25 рамки также выполнено в роторе. Стенки 20 плоские, если поршень 5 цилиндрический. При коническом поршне стенки 20 также конические. Все зазоры между статором, ротором, поршнем и станками выполнены минимальными, но с возможностью свободных поворотов ротора 23 на оси 26, которая установлена в статоре (не показан).

В исполнении по фиг. 4 представлены два двигателя в одном и том же статоре. Входное 10 и выходное 11 отверстия у обоих двигателей общие.

Во всех рассмотренных вариантах исполнения двигателя входным отверстием может служить или сквозное отверстие в стенке (воз. 10 на фиг. 2 и 4) или углубление в этой стенке (поз. 27 на фиг. 2 и 3). В первом случае это отверстие сообщается непосредственно с карбюратором или с атмосферой (при зажигании и подаче топлива по типу дизеля). Во втором случае сообщение с карбюратором или с атмосферой через отверстие 28 в полости 29, образованной стенками корпуса (фиг. 2 и 3).

В исполнении по фиг. 1 и 2 двигатель работает следующим образом.

Приведенный во вращение от стартера вал 8 перемещает вверх и вниз рамку 2. При этом поочередно сжимаются и расширяются камеры 6 и 7. При расширении камеры 6 в ней образуется разрежение и через отверстие 10 засасывается рабочая среда, например смесь из карбюратора (не показан). При движении рамки 2 вниз смесь сжимается. Когда местное расширение 14 оказывается в области поршня 5, смесь перетекает в камеру 7, огибая поршень. При дальнейшем движении рамки сжимаются камеры 7 и попавшая в нее смесь. В момент прохождения рамкой верхней точки сжатая смесь воспламеняется от свечи 17, сгорает и толкает рамку вниз, вращая вал 8. Затем открывается отверстие 11, отработанные газы выбрасываются вал продолжает вращаться по инерции, перемещая рамку, и циклы повторяются. Рабочий ход совершается за каждый оборот вала. Таким образом двигатель работает в режиме двухтактного бесклапанного двигателя.

Двигатель в исполнении по фиг. 3 работает аналогично. У него более сложная форма рамки, но проще ее движение за счет установки на неподвижной оси 19. Стенки 18 рамки 2 цилиндрические, концентричные оси 19, во всех своих точках одинаково удалены от этой оси. При соответствующей обработке и установке поршня 5 в этом случае будет обеспечен достаточно малый, но гарантированный зазор между поршнем и стенками рамки, т.е. работа будет происходить без трения между этими деталями.

Поршень может быть цилиндрическим, как на фиг. 1 или со сторонами, концентричными той же оси 19. Это удлиняет зазоры, улучшая уплотнение камер.

Прилив, закрывающий выходное отверстие на стенке 4 на фиг. 3 не виден, так как попал в разрез рамки. Заполнение камеры горючей смесью также показано в варианте с углублением 27 в стенке 3 и отверстием 28 в полость 29.

Компоновка двигателя по фиг. 1-3 показана в замкнутой полости 29, т.е. с дополнительными стенками, перпендикулярными к стенкам 3 и 4 камеры. Если двигатель хорошо защищен от пыли, например, работает в крытом помещении, дополнительные стенки могут быть с множеством окон или вообще заменены стойками. При этом будет обеспечено простое и интенсивное охлаждение камеры и удобный доступ для смазки стенок 3 и 4. В таком исполнении двигатель должен работать с входным отверстием 10 в стенке 3, соединенным с карбюратором и с использованием прилива 15 рамки.

В исполнении по фиг. 4 стенки рамки цилиндрические и концентричные оси 26. При этом работа будет с постоянными зазорами между ротором 23 и крышкой 22, а также между поршнем 5 и крышкой 21. Необходимые зазоры между поршнем и стенками 20 также могут быть обеспечены. В результате все рабочие части будут перемещаться без трения. Трение остается только в подшипниках осей и шарниров рычагов. Такое трение всегда будет существенно меньше трения в рабочих частях, что позволит еще больше форсировать двигатель при высокой износостойкости и экономичности.

Исполнение по фиг. 4 с двумя рабочими камерами в одном роторе, с общим статором и общими для обеих камер входным и выходным отверстиями 10 и 11 упрощает конструкцию. Кроме того, камеры, поочередно сообщаясь с одними и теми же отверстиями, обеспечивают более равномерное (с меньшими перерывами) движение потоков горючей смеси и отработанных газов, улучшая работу карбюратора и снижая шум на выхлопе.

Во всех исполнениях двигателя обеспечен кратчайший путь горючей смеси из впускной камеры в рабочую, а именно внутри полости 1 цилиндра, огибая поршень 5 при подходе к нему расширения рамки 2. При этом, по сравнению с прототипом, не требуется каких-либо дополнительных уплотнений канала подвода горючей смеси. Свеча также работает стационарно.

Эти особенности повышают надежность в работе, мощность двигателя и упрощают конструкцию.

Использование: двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус, подвижно установленный цилиндр с внутренней полостью, две крышки, прилегающие к основанию цилиндра, коленчатый вал, кинематически связанный с цилиндром, камеру сгорания, перегородку, установленную во внутренней полости цилиндра и разделяющую последнюю на впускную и рабочую камеры, канал подвода рабочей среды и канал отвода отработанных газов, выполненный в одной из крышек с возможностью периодического сообщения с рабочей камерой. Одна из крышек жестко соединена с перегородкой, внутренняя полость цилиндра со стороны впускной камеры снабжена расширяющимся участком, выполненным внутри цилиндра с возможностью периодического сообщения с рабочей камерой, канал подвода рабочей среды выполнен в одной из крышек с возможностью его периодического сообщения с впускной камерой, а камера сгорания размещена внутри перегородки со стороны рабочей камеры. Внутренняя полость цилиндра образована концентрическими поверхностями, крышки выполнены цилиндрическими. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий неподвижный корпус, подвижно установленный цилиндр с внутренней полостью, две крышки, прилегающие к основаниям цилиндра, коленчатый вал, кинематически связанный с цилиндром, камеру сгорания, перегородку, установленную во внутренней полости цилиндра и разделяющую последнюю на впускную и рабочую камеры, канал подвода рабочей среды и канал отвода отработанных газов, выполненный в одной из крышек с возможностью периодического сообщения с рабочей камерой, отличающийся тем, что по крайней мере одна из крышек жестко соединена с перегородкой, внутренняя полость цилиндра со стороны впускной камеры снабжена расширяющимся участком, выполненным внутри цилиндра с возможностью периодического сообщения с рабочей камерой, канал подвода рабочей среды выполнен в одной из крышек с возможностью его периодического сообщения с впускной камерой, а камера сгорания размещена внутри перегородки со стороны рабочей камеры. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость цилиндра образована концентричными поверхностями. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что крышки выполнены цилиндрическими.