Двигатель с несимметричными фазами газораспределения

Двигатель с несимметричными фазами газораспределения

Реферат

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы для переносного моторного инструмента. Целью изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с несимметричными фазами газораспределения с двухтактным циклом. Двигатель содержит корпус 1, имеющий цилиндр 2, поршень 3, кинематически связанный с вращающимся звеном, при этом кинематическая связь имеет преобразователь возвратно-поступательного движения, выполненный в виде установленной на поршне эксцентрично его продольной оси шарнирной опоры 13, с внутренним отверстием которой соединен с образованием поступательной пары шип 10 кривошипа продувочный канал 6; вращательное звено двигателя выполнено в виде кривошипа 9. 1 з.п.ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы для переносного моторного инструмента.

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 [1]. Конструкция таких двигателей используется в переносном моторном инструменте [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 предпочтителен двигатель с несимметричным газораспределением.

Известны некоторые конструкции двигателей, в которых оптимизация фаз газораспределения достигается сочетанием возвратно-поступательного и вращательного движений поршня (или вращением гильзы цилиндра), что позволяет добиться несимметричных фаз газораспределения, в частности двигатель [3], в котором осуществляется вращение гильзы цилиндра в корпусе двигателя и синхронное вращательное и возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре.

Указанное движение поршня 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 несимметричного 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 применения 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 двигатель с несимметричными фазами газораспределения, содержащий корпус с цилиндром, имеющим впускные и выпускные окна система газораспределения и поршень, кинематически связанный с вращающимся звеном, при этом кинематическая связь имеет преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное для перекрытия указанных окон системы газораспределения [4].

В данном техническом решении 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, поворачивают 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 двигателя промежуточного преобразователя усложняет конструкцию, увеличивает материалоемкость, что ограничивает возможности использования известного двигателя в компоновке переносных моторных инструментов, ограниченных по массе, в частности для бензопил. Кроме того, наличие большого количества поверхностей трения значительно снижает эффективность двигателя.

Цель изобретения - создание двигателя внутреннего сгорания с несимметричными фазами газораспределения с двухтактным циклом, повышенной мощности, низкой материалоемкости и простой конструкции.

Для этого в двигателе, содержащем корпус, цилиндр с впускными, выпускными окнами системы газораспределения и поршнем, кинематически связанным с вращающимся звеном, кинематическая связь имеет преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное, обеспечивающее перекрытие указанных окон системы газораспределения. Цилиндр двигателя снабжен по меньшей мере одним продувочным каналом, вход которого расположен в подпоршневой полости, а выход - в надпоршневой полости цилиндра выше впускного окна, причем вращательное звено двигателя 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 вращении поршня, при этом преобразователь 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 е₁ соответствует значению R>е₁ е, где R - радиус поршня, е - эксцентриситет оси поворота кривошипа относительно продольной оси поршня. При этом юбка поршня имеет вырез.

На фиг. 1 показан продольный разрез двигателя с несимметричными фазами газораспределения по осям вращения поршня и кривошипного вала в положении поршня в НМТ; на фиг.2 - 5 - различные положения поршня относительно окон газораспределения; на фиг. 6 - 13 - взаимное расположение поршня и кривошипного вала в зависимости от поворота кривошипного вала, соответственно вид сверху и сбоку для каждого случая (на фиг.6, 10 показано положение поршня в ВМТ, на фиг.7, 11 - положение поршня и вала при повороте вала на 90^о; на фиг. 8, 12 - положение при повороте вала на 180^о относительно исходного положения (фиг. 6); на фиг.9, 13 - положение при повороте вала на 270^о от исходного; на фиг. 14 приведены схемы фаз газораспределения двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой с симметричными фазами (схема А) и фазы газораспределения предлагаемого двигателя (схема Б).

Двигатель с несимметричными фазами газораспределения содержит корпус 1, имеющий цилиндр 2, поршень 3, кинематически связанный с вращающимся звеном, при этом кинематическая связь имеет преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное.

Цилиндр двигателя оснащен кривошипно-камерной продувкой камеры сгорания, имеющей в своем составе впускной патрубок 4 с впускным окном 5 (для подачи топливной смеси в подпоршневую полость двигателя), по крайней мере один продувочный канал 6 (для подачи топливной смеси из подпоршневой полости в камеру сгорания), выпускной патрубок 7 с выпускным окном 8, при этом выход продувочного канала 6 расположен выше впускного окна 5. Вращательное звено двигателя выполнено в виде кривошипа 9, с шипом 10 которого кинематически связан преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное.

Шип 10 кривошипа расположен под острым углом к поворотному звену 11. Ось вращения 12 кривошипа параллельна продольной оси I-I поршня и расположена со смещением относительно нее на величину эксцентриситета е. Преобразователь выполнен в виде установленной на поршне шарнирной опоры 13, имеющей внутреннее отверстие, с которым соединен с образованием поступательной пары шип 10. Ось поворота шарнирной опоры 13 параллельна продольной оси поршня и эксцентрична относительно нее, при этом величина эксцентриситета е₁ этой опоры относительно оси I-I соответствует значению R>е₁ е, где R - радиус поршня. Шарнирная опора 13 размещена по внутренней полости поршня и образована, например, выполненным в поршне отверстием или специальным держателем 14 под свободно установленную в нем втулку 15, имеющую расположенное под углом внутреннее отверстие под шип 10 кривошипа.

На части кромки днища 16 поршня 3 установлен козырек 17, а юбка поршня имеет вырез 18. Наличие козырька 17 и выреза 18 обеспечивает при возвратно-поступательном и вращательном движениях поршня перекрытие окон системы газораспределения.

Расположение впускных и выпускных окон продувочного канала, а также козырька на днище и выреза на юбке поршня зависит от конструктивных параметров двигателя (расположение оси поворота кривошипа, угол установки его шипа, шарнирной опоры преобразователя). Конкретные значения эксцентриситетов е и е₁ зависят от параметров двигателя, в частности от хода поршня.

Двигатель с несимметричными фазами газораспределения, кроме описанных выше конструктивных узлов и деталей, содержит также систему питания с карбюратором для создания топливно-воздушной смеси, систему зажигания для воспламенения рабочей смеси в надпоршневой полости (камере сгорания) цилиндра, систему охлаждения цилиндра, преимущественно воздушную. Смазка двигателя осуществляется путем добавляемых к топливу смазочных масел, что аналогично смазке двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой. Указанные системы двигателей (системы питания, зажигания), конструктивно соответствуют аналогичным системам двухтактных двигателей.

Работает двигатель следующим образом.

Поршень 3 под действием давления газов, взаимодействуя с вращающимся звеном (кривошипным валом) 9 и стенками цилиндра 2, поворачивает кривошипный вал и совершает поступательное движение вниз и одновременно вращательное движение (винтовое движение). Движение поршня от НМТ вверх осуществляется воздействием на поршень кривошипного вала, который продолжает вращаться по инерции. При этом винтовое движение поршня сообщается газом, находящимся в цилиндре как в камере сгорания, так и в надпоршневой полости. За один оборот вала осуществляется один оборот поршня в том же направлении и два хода поршня (вверх и вниз). При этом угловые скорости поршня и вала не совпадают, поскольку наклонный к оси вращения шип кривошипного вала имеет различные радиусы от оси вращения 12 до точки контакта шипа 10 с шарниром 13 при перемещении поршня (см. фиг.1).

Поскольку этот радиус около ВМТ является наименьшим, то угловая (а также линейная) скорость поршня в области ВМТ наименьшая (при постоянной угловой скорости вала), что позволяет осуществить сгорание топливной смеси при уходящем поршне в меньшем объеме камеры сгорания, чем в традиционном поршневом двухтактном двигателе. Это в сочетании с вихревым движением заряда дает более полное сгорание и более высокое давление в камере сгорания.

При работе двигателя топливная смесь от карбюратора поступает в подпоршневую полость (см. фиг.4, 5, фиг.15, схема Б) при движении поршня от НМТ к ВМТ. После прохождения ВМТ при движении поршня вниз вырез 18 на юбке поршня своей кромкой перекрывает впускное окно 5 (см. фиг.2), предотвращая обратный выброс заряда во впускной патрубок. При движении поршня вниз происходит не только сжатие заряда, но и придание ему вихревого вращения, т.е. нижняя часть поршня работает, как центробежный насос при наличии уклона продувочного канала в направлении вращения, способствуя созданию дополнительного давления на впуске при открытии продувочного окна. В камере сгорания при движении поршня вниз кромка поршня открывает впускное окно 8 (см. фиг.3), происходит очистка цилиндра, продувочное окно при этом закрыто козырьком 17 поршня. При дальнейшем движении вниз поршень, поворачиваясь, открывает краем козырька продувочное окно и начинает прикрывать выпускное (см. фиг.4), происходит продувка цилиндра. Поршень проходит НМТ и начинает подниматься. Козырек полностью закрывает впускное окно, предотвращая выброс свежего заряда с выхлопом, продувочное окно при этом еще открыто, обеспечивая дополнительный дозаброс свежего заряда в камеру сгорания (см. фиг.5).

Благодаря наклону впускного патрубка и продувочного канала на входе в цилиндр по потоку движения, а выпускного канала - навстречу вихревому движению смеси создается дополнительный подсос свежего заряда на впуске и надпор отработавших газов на выпуске.

В результате двигатель с несимметричными фазами газораспределения, имея меньший или такой же вес по сравнению с традиционными двухтактными ДВС с кривошипно-камерной продувкой, более прост по конструкции и в изготовлении. Вихревое движение заряда, создаваемое винтовым движением, способствует равномерному перемешиванию топливно-воздушной смеси, более полному и быстрому ее сгоранию и, следовательно, увеличению топливной экономичности двигателя. Этому способствует также несимметричность фаз газораспределения как на выпуске и продувке, так и на впуске в подпоршневую полость. Динамика движения поршня, при которой поршень движется медленно около ВМТ, приводит к сгоранию смеси в меньшем объеме, увеличению давления в камере сгорания и соответственно увеличению мощности, снижению теплонапряженности двигателя.

Компактная конструкция двигателя с несимметричными фазами газораспределения может быть использована в переносном моторном инструменте, например бензопиле, имеющем ограничения по массе и габаритам.

Формула изобретения

1. ДВИГАТЕЛЬ С НЕСИММЕТРИЧНЫМИ ФАЗАМИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ, содержащий корпус с цилиндром, имеющим впускные и выпускные окна системы газораспределения и поршень, кинематически связанный с вращающимся звеном, при этом кинематическая связь имеет преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное для перекрытия указанных окон системы газораспределения, отличающийся тем, что цилиндр снабжен по меньшей мере одним продувочным каналом, вход которого расположен в подпоршневой полости, а выход - в надпоршневой и выше впускного окна, причем вращательное звено двигателя 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 вращении поршня, при этом преобразователь 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 > e₁ e, где R - радиус поршня; e - эксцентриситет оси поворота кривошипа относительно продольной оси поршня.

2. 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