ШИБЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F02B53/00 F01C9/00 

Изобретение относится к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, преобразующим тепловую энергию в механическую работу, и может найти самое широкое применение в машиностроении, а главным образом в малогабаритной бытовой технике.

В настоящее время самое широкое применение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве рабочих элементов поршневые пары /поршень-цилиндр/ цилиндрической формы, работающие по четырехтактной схеме, которые содержат газораспределительный механизм. /см. стр. 100 и стр. 132, "Политехнический словарь" издательства "Советская энциклопедия", Москва, 1977 г./.

Наименьшее распространение получили двухтактные поршневые двигатели, у которых газораспределение осуществляется путем продувания рабочих камер /поршневых полостей/ свежим зарядом воздуха с топливом, сжимаемым в кривошипной камере поршнем при его движении к НМТ, через щелеобразные окна, выполненные в стенках цилиндра /поперечная схема продувки/.

В двигателях большей мощности продувка полостей цилиндров осуществляется специальным продувочным насосом /нагнетателем/, который приводится в действие самим двигателем. /см. стр. 742, "Краткий политехнический словарь". Издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1956 г./.

Существует несколько схем продувок цилиндров от отработанных газов. Наиболее совершенной, обеспечивающей наилучшую очистку полостей цилиндров от продуктов сгорания и заполнения ее свежим зарядом воздуха, является прямоточная клапанно-щелевая продувка, которая включает в себя одновременно и клапанный газораспределительный механизм и продувочные окна, выполненные в стенках цилиндров.

Главным достоинством поршневой пары у поршневых двигателей является то, что уплотнение зазоров между стенками цилиндра и поршня достигается за счет простейших упругих поршневых колец, которые обеспечивают надежную герметичность рабочего пространства над поршнем при высоких давлениях в нем.

Недостатком четырехтактных и двухтактных двигателей, содержащих клапанный газораспределительный механизм, является то, что сам клапанно-распределительный механизм сложный по своей конструкции, включает в себя много дополнительных трущихся деталей, приводящихся в действие специальным приводом от самого двигателя, что приводит к потере мощности и снижает эффективность у этих двигателей.

Недостатком двухтактных двигателей, использующих для продувания полостей цилиндров поперечную схему продувки за счет выполнения щелеобразных окон в стенках цилиндров, является то, что продув осуществляется рабочей смесью. В результате происходит неполноценный продув, что приводит к излишнему расходу топлива, а это приводит к неэкономичности и малоэффективности этих двигателей.

Кроме этих недостатков все известные поршневые двигатели имеют несколько других, очень существенных недостатков, а именно:
- возвратно-поступательное движение поршня направлено под углом к шатуну, в результате этого стенки поршневой пары испытывают взаимное давление друг на друга, что приводит к повышенному трению поверхностей и, следовательно, к их износу. Для устранения трения применяется обильная смазка, что приводит к дополнительному усложнению устройства;
- сложное движение шатуна не дает возможности использовать поршневые пары с двухсторонним действием или требует дополнительного усложнения всей конструкции при попытке осуществлять эту возможность;
- затруднительный трудоемкий доступ к кривошипно-шатунному механизму для осмотра с целью профилактических работ и в случае его замены.

Все эти недостатки отсутствуют у шиберного двигателя, кроме того, он имеет ряд преимуществ:
- рабочий элемент /шибер/ имеет четырехстороннее действие /две внешние полости и две внутренние/;
- малогабаритный, компактный и в тоже время обладает большим /не хуже/ радиусом кривошипа и большим объемом рабочих камер;
- двигатель может работать в любой плоскости и может выдерживать более мощные динамические нагрузки;
- двигатель способен работать одновременно и по отдельности как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием, а также работать с зажиганием от свечи и от воспламенения при нагреве воздуха в процессе сжатия;
- полость, в которой помещен кривошипно-шатунный механизм, может быть выполнена герметично от внешней среды, что позволит обеспечивать механизм также обильной смазкой, но более незкотемпературной, что очень важно для зимнего периода;
- продувание полостей осуществляется тремя способами:
в первом периоде выпускаются газы большого давления через выхлопное окно, затем открываются поперечно-продувочные окна и только после поступает рабочая смесь под давлением из нагнетательных камер по специальным каналам, открывающимся к этому моменту сопряженными поверхностями поворотной втулки и корпуса, образуя прямоточную щелевую схему продувания камер от отработанных газов, без наличия клапанного механизма.

Что касается средства уплотнения зазоров между соприкасающимися и сопрягающимися поверхностями шибера и поверхностями корпуса, то для этих целей есть несколько вариантов, которые не хуже известных компрессионных колец, один из вариантов предложен в схемах.

Единственным недостатком шиберного двигателя является то, что силы, действующие на кривошип в моменты рабочих ходов шибера с левой и правой сторон, не одинаковы, но они будут компенсироваться противодействующими силами, возникающими в моменты сжатия рабочей смеси. Неравнозначное приложение сил к кривошипу в его верхнем и нижнем положениях обуславливается тем, что шибер одним своим боком закреплен жестко к поворотной втулке /оси/, а условный центр шибера соединен через систему рычагов с переменным плечом кривошипа. Чем ближе будет находиться центр кривошипа к поворотной оси, тем эффективнее будет произведена работа газами при их расширении и, наоборот, тем труднее будет сжиматься воздух в противоположной камере. Приложенная сила к шиберу всегда будет компенсироваться противодействующей силой, возникающей в процессе сжатия.

С целью устранения указанных недостатков у поршневых двигателей, упрощения конструкции, уменьшения габаритов, повышения мощности, эффективности и экономичности в основу шиберного двигателя взято поворотное устройство, преобразующее энергию потока рабочей среды /жидкости, газа/ в поворотное движение выходного звена с ограниченным углом поворота, включающее в себя разборный корпус, в полости которого установлен шибер двухстороннего действия, жестко закрепленный на поворотной оси, установленной в стенках корпуса и связанной через систему рычагов с кривошипом вала, вынесенным за пределы корпуса. /см. стр. 245, "Словарь-справочник по механизмам" А.Ф. Крайнева, Москва, Машиностроене, 1981 г./. Сопрягающиеся и соприкасающиеся поверхности шибера с поверхностями корпуса и стенками корпуса снабжены уплотнительными средствами.

Эта цель достигается за счет выполнения шибера в виде пустотелого цилиндра, жестко закрепленного своей боковой поверхностью к боковой поверхности втулки, которая жестко закреплена на поворотной оси. Внутренняя полость шибера разделена на две равные нагнетательные полости неподвижным сектором /разделителем/, жестко закрепленным своими торцевыми поверхностями к стенкам корпуса. Внутри сектора установлен вал кривошипа, снабженный радиальной прорезью /с углом выреза 140-160 град./, сообщающейся с внутренней полостью кривошипного вала, выполненной с торцевого конца, выходящего наружу и связанного системой переходных патрубков с карбюратором. В радиальной плоскости прорези, на стенках сектора, выполнены два противолежащих друг другу, всасывающих канала, каждый из которых сообщается с соответствующей ему нагнетательной полостью. Нагнетательные полости снабжены нагнетательными каналами, входные отверстия которых постоянно сообщаются с нагнетательными камерами, а выходные отверстия периодически открываются /в момент нагнетания/ сопрягающимися поверхностями корпуса и поверхностями втулки, в которой они выполнены и соединяются с рабочими камерами. Рабочие камеры снабжены выхлопным окном, выполненным в корпусе, и продувочными окнами, выполненными в стенках корпуса. Камеры сжатия снабжены свечами зажигания и форсунками для подачи топлива. На выходном конце кривошипного вала установлено колесо с лопастями /вентилятор/, а с торцевых боков в корпусе, по его периметру, выполнены щелеобразные вентиляционные окна.

На фиг. 1 показан шиберный двигатель в сборе, разрез по А-А на фиг. 2.

На фиг. 2 показан шиберный двигатель, вид сбоку со снятой передней стенкой, кривошипный вал показан в поперечном разрезе.

На фиг. 3 показан шиберный двигатель, вид сбоку, кожух снят, вид кривошипно-шатунного механизма.

Шиберный двигатель содержит корпус 1 со съемными стенками 2 и 3 и с выполненными полостями 4 и 5, разделенными шибером 6 цилиндрической формы с внутренними нагнетательными полостями 7 и 8. Шибер 6 жестко закреплен боковой поверхностью с поверхностью втулки 9, которая жестко закреплена на поворотной оси 10, установленной в стенках корпуса с ограниченным поворотным движением. Внутренние полости шибера разделены неподвижным сектором 11, образуя две дополнительные нагнетательные полости. Сектор своими торцевыми поверхностями жестко крепится к стенкам корпуса шпильками 12. Для обеспечения герметичности рабочие полости 4 и 5 и нагнетательные полости 7 и 8 снабжены уплотнительными средствами 13, 14, 15 и 16, установленными на торцевых соприкасающихся поверхностях цилиндрического шибера и втулки. На сопрягающихся поверхностях шибера и втулки, а также и на секторе и корпусе установлены продольные уплотнительные полоски 17, 18, 19, 20 и 21.

Кривошипный вал 22 проходит через центр сектора и стенки корпуса и установлен в них со свободным вращением. Кривошипный вал содержит полость 23, которая сообщается через вырез 24 и каналы 25 и 26 с нагнетательными полостями 7 и 8. Вырез 24 с обеих сторон также защищен уплотнительными средствами /не показано/. Полость 23, проходящая внутри вала, сообщается через систему переходных патрубков с карбюратором /не показано/. На втулке выполнены нагнетательные каналы 27 и 28, которые периодически соединяются с рабочими камерами 4 и 5. Корпус снабжен выхлопным окном 29, а на стенках 2 и 3 выполнены продувочные окна 30.

Рабочие камеры снабжены камерами сжатия 31 и 32, свечами зажигания 33 и 34 и форсунками 35 и 36. Кривошипно-шатунный механизм вынесен за пределы корпуса и закрывается кожухом 37. Механизм включает в себя кривошип 38, жестко закрепленный на валу 22, шатун 39, рычаг 40, жестко закрепленный на поворотной оси 10.

На противоположном конце вала установлено и жестко закреплено колесо с лопастями 41 и 42. Вентилятор закрывается кожухом 43. Массивное колесо вентилятора служит в другой роли как маховик.

По периметру корпуса и его стенок выполнены продувочные окна 44. На кожухах 37 и 43 выполнены входные 45 и выходные 46 окна. Стенки 2 и 3 жестко крепятся к корпусу шпильками.

Работает двигатель следующим образом.

При вращении кривошипного вала 22 по часовой стрелке /см. фиг. 2/ движение будет передаваться через шатун 39, поворотный рычаг 40, поворотную ось 10 на шибер 6. При этом поворотный рычаг будет совершать заодно с шибером 6 возвратно-поступательные движения. При движении шибера в правую сторону /см фиг. 2/ в рабочей камере 5 будет происходить процесс сжатия, а в левой камере 4 будет протекать рабочий процесс. В этом положении выхлопное окно 29 еще закрыто уплотняющей пластиной 17. В нагнетательных камерах действия будут происходить в обратном порядке. В камере 8 будет происходить всасывание рабочей смеси через всасывающий канал 26, вырез 24, полость 23, карбюратор /не показано/. Нагнетательный канал 28 закрыт пластиной 19.

В камере 7 будет происходить сжатие свежего заряда рабочей смеси. Всасывающий канал 25 закрыт сопрягающейcя поверхностью кривошипного вала. Нагнетательный канал 27 также еще закрыт сопрягающейся поверхностью корпуса и продольной уплотнительной пластиной 18.

Когда шибер повернется еще на несколько градусов в правую сторону и когда продольная пластина 17 откроет выхлопное окно 29, тогда произойдет выхлоп отработанных газов. В этот момент выпускаются газы большого давления. При дальнейшем повороте шибера откроются дополнительные продувочные окна 30. К этому времени давление газов значительно уменьшится и остаточные газы будут уходить через продувочные окна 30 под напором свежего воздуха, созданного лопастями 41 и 42 вентилятора. Свежий воздух будет засасываться через входные окна 45, кривошипную полость 47, продувочные окна 30, через полость вентилятора 48 и выходное окно 46. В этот период будет осуществляться поперечная принудительная продувка рабочих камер.

При дальнейшем повороте шибера в правую сторону в левой нагнетательной камере 7 рабочая смесь будет сжиматься до тех пор, пока выходное отверстие нагнетательного канала 27 не выйдет за пределы полоски 18. Как только отверстие канала 27 совместится с полостью 4, вся рабочая смесь из нагнетательной камеры 7 перегонится под давлением по нагнетательному каналу 27 в рабочую полость 4.

Возникшее избыточное давление рабочей смеси возле камеры сжатия 31 будет воздействовать на остаточный отработанный газ и будет вытеснять его к выхлопному и продувочным окнам 29 и 30. В этот третий момент будет осуществляться канально-щелевая проточная продувка.

Рабочая смесь не успеет дойти до выхлопных окон, шибер, пройдя ВМТ, вернется и закроет все выходные окна. В рабочей камере 4 наступит процесс сжатия рабочей смеси. При подходе шибера к ВМТ в левой камере 4 произойдет воспламенение рабочей смеси от сжатия или от свечи зажигания. Далее весь процесс в этой камере повторится.

Угол α- ход шибера.

Аналогичным образом будут протекать процессы и в правой камере с участием правой нагнетательной камеры 8, всасывающих каналов 24 и 26 и нагнетательного канала 28. Выпускные и продувочные окна 29 и 30 являются одними для обоих рабочих камер 4 и 5.

Двигатель способен переходить с одного вида топлива на другое во время работы двигателя, например, для запуска двигателя можно использовать карбюратор, а для дальнейшей работы можно использовать более тяжелое топливо, подаваемое через форсунку.

Охлаждение двигателя предлагается принудительно-продувочное от вентилятора 41. Забор воздуха происходит через входные окна 45, через полости 47, через продувочные щели 44 и через полость вентилятора 48 к выходным окнам 46.5

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет обеспечить уменьшение габаритов, повышение мощности и экономичности. Двигатель содержит разъемный корпус. В корпусе выполнено выхлопное окно. В стенках корпуса выполнены окна поперечной продувки. Шибер выполнен в виде полого цилиндра. Цилиндр боковой поверхностью жестко закреплен к боковой поверхности втулки, которая жестко закреплена на поворотной оси. Внутренняя полость цилиндра разделена на две нагнетательные полости неподвижным сектором, жестко закрепленных своими торцевыми поверхностями к стенкам корпуса, внутри неподвижного сектора установлен вал кривошипа с выполненной радиальной прорезью, сообщающейся с полостью вала, выполненной с одного его торца и соединяющейся через систему патрубков с карбюратором, в радиальной плоскости прорези на стенках сектора выполнены два противолежащих друг другу всасывающих канала, выходные отверстия которых сообщаются с соответствующей им нагнетательной полостью, а входные отверстия периодически сообщаются с радиальной прорезью. Нагнетательные каналы выполнены на втулке шабера, соединяют нагнетательные полости с рабочими полостями, выходные отверстия которых закрываются и открываются сопрягающимися поверхностями корпуса и втулки. 3 ил.

Шиберный двухтактный двигатель, содержащий разъемный корпус, в полости которого установлен шибер двухстороннего действия, жестко закрепленный на поворотной оси, установленной в стенках корпуса, кривошипно-шатунный механизм, размещающийся за пределами корпуса и связанный через систему рычагов с поворотной осью, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции поршневых двухтактных двигателей, уменьшения габаритов, повышения мощности и экономичности в корпусе выполнено выхлопное окно, а в стенках корпуса выполнены окна поперечной продувки, шибер выполнен в виде полого цилиндра, который своей боковой поверхностью жестко закреплен к боковой поверхности втулки, которая жестко закреплена на поворотной оси, внутренняя полость цилиндра разделена на две нагнетательные полости неподвижным сектором, жестко закрепленные своими торцевыми поверхностями к стенкам корпуса, внутри неподвижного сектора установлен вал кривошипа с выполненной радиальной прорезью, сообщающейся с полостью вала, выполненной с одного его торца и соединяющейся через систему патрубков с карбюратором, в радиальной плоскости прорези на стенках сектора выполнены два противолежащих друг другу всасывающих канала, выходные отверстия которых сообщаются с соответствующей им нагнетательной полостью, а входные отверстия периодически сообщаются с радиальной прорезью, нагнетательные каналы выполнены на втулке шибера, соединяющие нагнетательные полости с рабочими полостями, выходные отверстия которых закрываются и открываются сопрягающимися поверхностями корпуса и втулки.