ДВУХТАКТНЫЙ РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02B75/26 F16J1/24 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы для привода транспортных средств, мотоблоков, переносного моторного инструмента, 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), что позволяет добиться несимметричных фаз газораспределения.

Известен двигатель [3], 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. Его охватывают два ролика. При перемещении поршня кольцо, 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.

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

В двигателе [4] вращательное звено выполнено в виде кривошипа, ось вращения которого параллельна и эксцентрична продольной оси поршня, который снабжен установленным на части наружной кройки его днища козырьком для перекрытия окон система газораспределения, при этом преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное выполнен в виде установленной на поршне эксцентрично 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 эксцентриситет шарнирной опоры e1 соответствует значению: R > е1 > 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 (кривошипом вала) и стенками цилиндра, поворачивает кривошипный вал и совершает поступательное движение и одновременно вращательное (винтовое движение). Наличие козырька на днище поршня и выреза в юбке поршня обеспечивают при винтовом движении поршня своевременное открытие и закрытие окон системы газораспределения, обеспечивая оптимальные фазы впуска, продувки и выхлопа.

Однако наличие данных поверхностей трения в поступательном сочленении шип вала - шарнир поршня увеличивает габариты двигателя и создает значительные трудности в компоновке двигателя и в применении стандартных подшипников.

Описанная схема двигателя, в котором управление подачей горючей смеси и выпуском отработавших газов осуществляется посредством возвратно-поступательного и вращательного движения поршня, выбрана в качестве прототипа.

Задача изобретения - создание двигателя внутреннего сгорания с несимметричными фазами газораспределения, с двухтактным циклом.

Поставленная задача 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, цилиндр двигателя имеет по меньшей мере один продувочный канал, вход которого расположен в подпоршневой полости, а выход - с надпоршневой, часть днища, поршня имеет выступ (или козырек). При наличии одного продувочного канала выступ образован выемкой на днище поршня и расположен на одной стороне поршня. При наличии нескольких продувочных каналов выступ образован несколькими боковыми выемками на днище поршня. Кромки выступа и днища поршня, соприкасающиеся со стенками цилиндра, при вращательном и поступательном движении поршня, управляют открытием окон системы газораспределения, обеспечивая несимметричные фазы газораспределения. Согласно изобретению, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выполнен в виде шатуна, кривошипная головка которого через универсальный шарнир (шарнир Гука) соединяется с кривошипом вала, поршневая головка шатуна сочленена с поршнем также посредством универсального шарнира.

Указанное выполнение двигателя устраняет возникновение перекрашивающих усилий между поршнем и цилиндром и способствует более надежной передаче вращательного движения от кривошипного вала на поршень и уменьшению потерь на трение.

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 следующее.

На фиг. 1 показана кинематическая схема заявляемого двигателя с шатуном, снабженным универсальными шарнирами (поршень условно показан прозрачным). Обозначения: 1 - картер (основание) двигателя, 2 - цилиндр, 6 - поршень, 7 - кривошип, 8 - шатун, 9 - универсальный шарнир Гука кривошипной головки шатуна, 10 - универсальный шарнир Гукa поршневой головки шатуна, 17 - выступ поршня (козырек).

На фиг. 2 - чертеж двигателя с кинематической схемой, показанной на фиг. 1, где 5 - выпускное окно, 11 - вырез юбки поршня, 18 - игольчатый подшипник, остальные обозначения те же, что на предыдущей иллюстрации.

На фиг. 3 - то же, что на фиг. 2, сечение Б-Б, где 4 - продувочное окно, 13 - глушитель шума, 25 - продувочный канал, остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 4 - то же, что на фиг. 2, сечение В-В, где 3 -впускное окно, 12 - карбюратор, 14 - вентилятор-маховик, 15 - дефлектор, 16 - ребра охлаждения цилиндра, остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 5 - кинематическая схема двигателя, вариант выполнения универсального шарнира кривошипной головки шатуна (поршень условно показан прозрачным), где 20 - вилка головки шатуна, остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 6 - то же, что на фиг. 5, но вилки 20 поршневой и кривошипной головок шатуна развернуты на 90^o относительно продольной оси шатуна (вилки могут быть выполнены расположенными под любам другим углом на этой и всех других схемах, приведенных в этой заявке). Обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 7 - чертеж макета двигателя с кинематической схемой, показанной на фиг. 6 (цилиндр 2 показан условно - пунктиром), где 19 - магнето, 22 - подшипник скольжения, 23 - коренной подшипник, остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 8 - то же, что на фиг. 7, сечение А-А, где 21 - противовес кривошипа, 24 - стопор поршневого кольца, остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 9 - кинематическая схема двигателя, вариант выполнения универсального шарнира кривошипной головки шатуна (поршень условно показан прозрачным). Обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 10 - чертеж макета двигателя с кинематической схемой, показанной на фиг. 9 (цилиндр 2 показан условно - пунктиром). Обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 11 - то же, что на фиг. 10, сечение А-А.

На фиг. 12 - схема взаимного расположения деталей двигателя при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), сечения А-А и Б-Б (карбюратор, глушитель, свеча зажигания, другие узлы и детали условно не показаны), где 27 - впускной патрубок (от карбюратора в картер).

На фиг. 13 - то же, что на фиг. 12, при положении поршня за 50^o поворота коленвала (ПКВ) до НМТ, сечение В-В и Б-Б, где 28 - выпускной патрубок (из цилиндра в глушитель), остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 14 - то же, что на фиг. 12, при положении поршня в НМТ сечения В-В и Б-Б, где 26 - выемки на днище поршня, остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 15 - то же, что на фиг. 12, при положении поршня 60^o ПКВ после НМТ, сечение В-В и Б-Б.

На фиг. 16 - схема газообмена, момент начала закрытия впускного окна, сечения А-А и Б-Б, стрелками показано движение потоков газа, обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 17 - то же, что на фиг. 16, начало открытия выпускного окна, сечения А-А и Б-Б, где 29 - направляющие пластины в продувочных каналах на входе в цилиндр, остальные обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 18 - то же, что на фиг. 16. Продувка цилиндра, открыты выпускные и продувочные окна, сечения В-В и Б-Б, обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

На фиг. 19 - то же, что на фиг. 16. Дозаброс горючей смеси в цилиндр и завихрение топливного заряда, открыто одно продувочное окно. Сечения В-В и Б-Б.

На фиг. 20 - схема охлаждения двигателя с центробежным вентилятором (стрелками показано направление движения охлаждающего воздуха), обозначения те же, что на предыдущих иллюстрациях.

Ниже приводится сквозная нумерация обозначений всех узлов и деталей на фиг. 1-20.

1 - картер (основание) двигателя, 2 - цилиндр, 3 - впускное окно, 4 - продувочное окно, 5 - выпускное окно, 6 - поршень, 7 - кривошип, 8 - шатун, 9 - универсальный шарнир Гука кривошипной головки шатуна, 10 - универсальный шарнир Гука поршневой головки шатуна, 11 - вырез юбки поршня, 12 - карбюратор, 13 - глушитель шума, 14 - вентилятор-маховик, 15 - дефлектор, 16 - ребра охлаждения цилиндра, 17 - выступ поршня (козырек), 18 -игольчатый подшипник, 19 - магнето, 20 - вилка головки шатуна, 21 - противовес кривошипа, 22 - подшипник скольжения, 23 - коренной подшипник, 24 - стопор поршневого кольца, 25 - продувочный канал, 26 - выемки на днище поршня, 27 - впускной патрубок (от карбюратора в картер), 28 - выпускной патрубок (из цилиндра в глушитель), 29 - направляющие пластины в продувочных каналах на входе в цилиндр.

Двигатель содержит картер 1, цилиндр 2, имеющий впускное 3, продувочные 4 и выпускное 5 окна системы газораспределения и поршень 6, кинематически связанный, через преобразователь его возвратно-поступательного движения во вращательное, с кривошипом 7, при этом цилиндр имеет один (как на фиг. 2, 3, 4) или несколько (например на фиг. 12-19 показано два) продувочных каналов 25, вход которых расположен в подпоршневой полости, а выход - в надпоршневой. Часть днища поршня имеет выступ (козырек) 17. При наличии одного продувочного канала выступ образован выемкой на днище поршня и расположен на одной стороне поршня (см, фиг. 1-9). При наличии нескольких продувочных каналов, выступ образован боковыми выемками на днище поршня (на фиг. 10-19 - две 26 по числу продувочных каналов). Кромки выступа и днища поршня, соприкасающиеся со стенками цилиндра, при вращательном и поступательном движении поршня управляют открытием окон системы газораспределения, обеспечивая несимметричные фазы газораспределения.

Преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выполнен в виде шатуна 8, кривошипная головка которого выполнена в виде универсального шарнира (шарнира Гука) 9, взаимодействующего с кривошипом 7, поршневая головка также выполнена в виде универсального шарнира 10 (фиг. 1-19). Причем двигатель может быть выполнен с расположением вилок 20 головок шатуна, находящихся в одной плоскости, как на фиг. 5, так и с расположением вилок в поперечных плоскостях, как на фиг. 6. Исполнение двигателя возможно с любым другим углом расположения вилок. Указанное замечание применимо ко всем описанным в данной заявке схемам двигателя.

Поршень на юбке может иметь вырез 11 (фиг. 2, 4, 12-19) для управления открытием впускного окна в кривошипной камере двигателя при вращательном движении поршня.

Двигатель кроме описанных выше конструктивных узлов и деталей может содержать также систему питания с карбюратором 12 (фиг. 4), глушитель шума 13 (фиг. 3), систему зажигания с магнето 19 (фиг. 7, 10). Система охлаждения может быть оснащена как приведенным на фиг. 4 осевым вентилятором-маховиком 14, так и центробежным вентилятором-маховиком 14 (фиг. 20), дефлектором 15 и продольными ребрами охлаждения 16 цилиндра 2 (фиг. 4, 20). Смазка осуществляется путем добавляемых к топливу смазочных масел, что аналогично смазке двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой.

Работа двигателя осуществляется следующим образом: поршень 6 под давлением газов, двигаясь от ВМТ к НМТ, воздействует на шатун 8, который передает это воздействие вдоль своей оси через универсальный шарнир 9 на кривошип 7, поворачивая его на 180^o Движение поршня от НМТ к BМT осуществляется за счет инерции вращающихся масс (маховика, вала, шатуна, поршня).

Поршневая головка шатуна кинематически связана с поршнем, как и кривошипная головка, посредством универсального шарнира 10, что обеспечивает вращение поршня совместно с телом шатуна относительно оси цилиндра, при вращении вала.

Взаимное перемещение описанных деталей, согласно фиг. 12-15, осуществляется следующим образом: поступательное движение поршня 6 передается вдоль оси шатуна на его кривошипную головку 9, поворачивает тело шатуна относительно оси цилиндра, вращение шатуна через поршневую головку 10 передается на поршень, обеспечивая преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное.

Работа газораспределения на примере схемы с двумя продувочными каналами (по фиг. 16-19) осуществляется следующим образом. Топливная смесь от карбюратора по впускному патрубку 27 поступает в кривошипную камеру при движении поршня от HМT к ВМТ. После прохождения ВМТ при движении поршня вырез 11 (фиг. 16) на юбке поршня своей кромкой начинает перекрывать, при повороте поршня, впускное окно 3, предотвращая обратный выброс заряда во впускной патрубок, при сжатии топливного заряда в кривошипной камере. В надпоршневой полости цилиндра при движении поршня вниз кромка днища поршня открывает выпускное окно 5 цилиндра (фиг. 17), происходит выпуск отработавших газов, продувочные окна 4 при этом закрыты выступом 17 поршня. При дальнейшем движении вниз (фиг. 18) поршень, поворачиваясь, открывает кромками выступа продувочные окна 4 и начинает прикрывать выпускное окно 5 другой боковой кромкой выступа, происходит продувка цилиндра. При этом для предотвращения бокового отклонения продувочных струй газа на выходе из продувочных окон продувочные каналы на входе в цилиндр могут оснащаться направляющими пластинами 29 (фиг. 16-19). Поршень проходит НМТ, начинает подниматься и, поворачиваясь, кромкой выступа полностью закрывает выпускное окно, предотвращая выброс свежего заряда с выхлопом, продувочные окна при этом еще открыты, что обеспечивает дополнительный заброс свежего заряда в камеру сгорания. Поршень, поднимаясь к ВМТ, начинает прикрывать продувочные окна кромкой днища поршня. При этом, если верхняя кромка одного из продувочных окон будет расположена выше верхней кромки другого продувочного окна или кромки днища поршня, закрывающие продувочные окна будут расположены на различном уровне по высоте, закрытие одного из продувочных окон произойдет позднее (фиг. 10). В результате смесь в цилиндр будет продолжать поступать через одно окно. Поскольку на входе в цилиндр продувочный канал имеет тангенциальный наклон, это позволяет создать интенсивный вихрь в камере сгорания двигателя. Возможен вариант исполнения двигателями, при котором кромки продувочных окон расположены на одном уровне, и они закрываются одновременно.

Список использованной литературы
1. Ленин И.М. Теория автомобильных двигателей. - М., 1958, с. 87.

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

3. США, патент 2962008, F Q2 B 75/26, 1960.

4. РФ, патент 2023894, F 02 В 57/00, 1992.

Изобретение относится к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Для обеспечения несимметричности фаз газорас- пределения двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой придают поршню вращательное движение, при котором выступ на днище поршня и вырез на юбке поршня осуществляют золотниковое управление открытием окон системы газораспределения. Преобразователь возвратно-поступательного движения поршня (6) во вращательное выполнен в виде шатуна (8), кривошипная головка которого выполнена в виде универсального шарнира (9), взаимодействующего с кривошипом (7). Поршневая головка также выполнена в виде универсального шарнира (10). Вращательное звено двигателя выполнено в виде кривошипа (7), ось вращения которого ориентирована под острым углом к продольной оси цилиндра. Технический результат заключается в создании двигателя с несимметричными фазами газораспределения с двухтактным циклом. 1 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Двигатель, содержащий картер, цилиндр, имеющий впускное, продувочное и выпускное окна системы газораспределения и поршень, кинематически связанный через преобразователь его возвратно-поступательного движения во вращательное с шипом кривошипного вала, при этом цилиндр имеет один или несколько продувочных каналов, вход которых расположен в подпоршневой полости, а выход - в надпоршневой, часть днища поршня имеет выступ или козырек для перекрытия окон системы газораспределения при вращении поршня, отличающийся тем, что преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выполнен в виде шатуна, кривошипная головка которого выполнена в виде универсального шарнира, взаимодействующего с шипом кривошипного вала, а поршневая головка также выполнена в виде универсального шарнира. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения снабжена центробежным вентилятором охлаждающего воздуха, направление движения охлаждающего воздуха - вдоль цилиндра.