двигатель с несимметричными фазами газораспределения

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.

Описание изобретения к патенту

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.