Двотактний двигун внутрішнього згоряння

Корисна модель стосується двигунів вн утрішнього згоряння і зокрема двотактних двигунів без кривошипношатунних механізмів. Відомі двигуни внутрішнього згоряння без кривошипно-шатунних механізмів, так звані роторні двигуни, зокрема двигун Ф. Ванкеля [1], який має корпус з камерою згоряння, ексцентрично розташований, відносно центральної осі камери ротор з периферійними та торцевими ущільненнями, планетарну зубчасту передачу, вал, систему подачі паливної суміші, кришку камери і т.і. Недоліки цих двигунів полягають у: 1. складності конструкції і малій надійності периферійних та торцевих ущільнень ротора; 2. затрудненні охолодження корпусу, а також у тому, що енергія вихлопних газів не використовується. Відомі також поршневі двохтактні двигуни вн утрішнього згоряння без кривошипно-шатунних механізмів. Близьким за технічним рішенням є двотактний двигун внутрішнього згоряння без кривошипно-шатунного механізму Пола Брайтона (США) [2]. Цей двигун має нерухомий циліндр з вихлопним вікном, встроєні в циліндр кулачки для перетворення зворотнопоступального руху поршня в обертальний за допомогою двох, пов'язаних з поршнем, взаємодіючих з кулачками товкачів. Поршень рухається по квадратній головці вала, який водночас виконує функцію патрубка подачі в циліндр паливної суміші. Недоліки двигуна П. Брайтона: 1. розташування вихлопного вікна у нерухомому циліндрі, не дозволяє використати енергію вихлопних газів, що знижує питому потужність двигуна; 2. квадратне спряжіння поршня з валом не може бути як слід ущільнене, що не дозволяє створити необхідний тиск для продувки циліндра і повноцінного заповнення його паливною сумішшю; 3. тертя ковзання між товкачами і кулачками знижує ККД; 4. погані умови роботи поршневих кілець під час обертання поршня. Метою даного винаходу є підвищення питомої потужності, рівномірності крутного моменту, коефіцієнта корисної дії і покращення умов роботи поршневих кілець. Ця мета досягається завдяки тому, що: 1. ви хлопні вікна циліндра виконані по дотичних до його внутрішнього діаметра і спрямовані в бік, протилежний напрямку обертання, а сам циліндр виконай у вигляді встановленого на двох опорах Сегнерова колеса і водночас у вигляді вала і сепаратора спеціального шарикопідшипника з кількома шариками; Зовнішня обійма підшипника нерухомо закріплена в корпусі двигуна, а вн утрішня - виконана у вигляді циліндричного, взаємодіючого з шариками кулачка, який своєю робочою поверхнею за допомогою шариків перетворює зворотнопоступальний рух поршня в обертальний рух циліндра, причому один кінець кулачка з'єднаний з поршнем з можливістю його обертання разом з циліндром, а другий - своїм отвором спряжен з, ексцентрично розташованим, відносно кулачка, циліндричним патрубком подачі в циліндр паливної суміші. 2. робоча поверхня кулачка виконана на його зовнішній циліндричній поверхні у вигляді замкненої хвилеподібної канавки - бігової доріжки напівкруглого поперечного перетину, яка складається з декількох хвиль, висотою рівною ходу поршня, причому для зменшення впливу на крутний момент коливань тиску в циліндрі сторона кожної хвилі, відповідна ходу поршня з ВМТ до НМТ нахилена відносно осі циліндра в один бік, а сторона хвилі, відповідна ходу поршня з НМТ до ВМТ на хилена відносно осі циліндра в протилежний бік . 3. на кінці патрубка подачі паливної суміші, спряженому з кулачком встановлені поршньові кільця. 4. поршень з'єднай з кулачком через шарикопідшипник і тому може обертатись разом з циліндром, не пошкоджуючи поршневих кілець і дзеркала циліндра. На фіг.1 представлений загальний вигляд двигуна збоку; На фіг.2 представлений вид на двигун спереду по стрілці А на фіг.1; На фіг.3 представлений поздовжний перетин Г-Г на фіг.2; На фіг.4 представлений поперечний перетин Б-Б на фіг.3; На фіг.5 представлений поперечний перетин В-В на фіг.3; На фіг.6 представлена розгортка бігової доріжки кулачка, поз.3 На фіг.7 представлена спрощена схема сил, діючих між кулачком, поз.3 на фіг.3 і шариком, поз.2 на фіг.3 при ході поршня з ВМТ до Н МТ. На фіг.8 представлена спрощена схема сил, діючих між шариком, поз.2 на фіг.3 і кулачком поз.3 на фіг.3 при ході поршня з НМТ до ВМТ. Пропонуємий двигун складається зі слідуючих основних елементів: виконаного у вигляді Сегнерова колеса циліндра - вала 1, розташованих в його радіальних отворах шариків 2, взаємодіючих з біговими доріжками циліндричного кулачка-перетворювача рухів 3, і водночас - з біговою доріжкою нерухомої обійми 4, кулачок 3 з одного боку через шарикопідшипник 5 співвісно з'єднаний з поршнем 6, а з другого - своїм отвором спряжен з, ексцентрично розташованим відносно кулачка патрубком 7 подачі паливної суміші, який зафіксований гайкою 8; циліндр спирається на шарикопідшипник 9, змонтований в корпусі 10 і шарикопідшипник 11, змонтований в корпусі 12. Корпуси 10 та 12 з'єднані між собою через охоплюючий кільцевий гребінь з вихлопними вікнами циліндра 1, колектор 13 з вихлопним патрубком 14 і закриті кришками 15, 16. В головці поршня 6, та на виході з патрубка 7 встановлені нормально закриті самодіючі клапана 17, 18, через які паливна суміш поступає спочатку в порожнину кулачка 3 і поршня 6, а потім - в камеру згоряння циліндра-вала 1. Для захисту шариків 2 і шарикопідшипника 9 від вихлопних газів передбачені ущільнення з сіліцірованого графіту 19, притиснуті до торцевих поверхонь гребня пружинами 20. В центральному аксіальному отворі циліндра-вала 1 розташована електрозапалювальна свічка 21, центральний електрод якої через провідник 22 з'єднаний з кільцевим колектором 23, контактуючим з щіткою 24, встановленою в діелектричному корпусі 25. Змащення шариків 2 та шарикопідшипника 11 здійснюється рідким мастилом, яке заливається через пробку 26. Для злива відпрацьованого мастила передбачена заглушка 27. Змащення шарикопідшипника 5 здійснюється парами масла з паливної суміші, а змащення шарикопідшипника 9, порожнина якого ущільнена сальником 28, здійснюється через пресмасленку 29. Бігова доріжка виконана на зовнішній циліндричній поверхні кулачка у вигляді замкненої хвилеподібної канавки напівкруглого поперечного перетину, яка складається з декількох хвиль (фіг.6) висотою, рівною ходу поршня, причому для зменшення впливу на крутний момент коливань тиску в циліндрі і підтримання на більшменш сталому рівні діючого на циліндр колового зусилля (тобто і крутного моменту), сторона кожної хвилі, відповідна ходу поршня з ВМТ до Н МТ, нахилена відносно осі циліндра в один бік на кут, середнє значення якого: a сер = arctgFPze n2 HM / PoZ + arctgFPze n2 НБ / PoZ 2 де F - площа поршня; Pz - тиск у циліндрі після згоряння; e - ступінь стиснення; HM ,(1) HБ n2 , n2 - найменший і відповідно найбільший показник політропи розширення; Ро - колове зусилля кулачка, яке приймається сталою величиною і залежить від потужності двигуна і частоти обертання його вала; Z - кількість шариків, а сторона хвилі, відповідна ходу поршня з НМТ до ВМТ нахилена відносно осі циліндра в інший бік на кут, середнє значення якого: b сер = arctgPoZ / FPae n1 НM + arctgPoZ / FPae n1 НБ 2 ,(2) Pa - тиск у циліндрі на початку стиснення; HM n2 HБ , n2 - найменший і відповідно найбільший показник політропи стиснення, але з технологічних міркувань, для спрощення виготовлення кулачка, пропонується виконувати кут b = a . Формули (1) і (2) одержані з аналізу спрощених схем силової взаємодії між кулачком і шариком, фіг.7 і шариком і кулачком, фіг.8. На схемах проігноровані кути тертя кочення шариків в зв'язку з їх дуже малим значенням. В залежності від бажаної кількості робочих ходів за кожний оберт вала кількість хвиль бігової доріжки - m може бути 2, 3, 4, 5 і т.і. При m=2 двигун працюватиме як двохциліндровий, при m=5 - як п'ятициліндровий. Дуга кола кулачка, яка відповідає одній хвилі дорівнює: l= pDк m ,(3) де Dк - діаметр кулачка. Завдяки тому, що поршень 6 з'єднаний з кулачком 3 через шарикопідшипник 5, поршень окрім зворотнопоступального руху матиме ще й обертальний рух разом з циліндром, що значно поліпшить умови роботи поршневих кілець, а завдяки тому, що патрубок 7 розташований ексцентрично відносно кулачка 3, останній під час роботи двигуна матиме лише зворотно-поступальний рух разом з поршнем 6. Для охолодження циліндра-вала 1 в його головній частині розташовані лопаті за допомогою яких циліндр нагнічує свіже повітря, що втікає через вікна Д (фіг.1) корпуса 10, вздовж порожнини між корпусами 10, 12 і циліндром-валом 1, а для протікання повітря через гребінь в ньому передбачені отвори Е (фіг.4). Розташування вихлопних вікон по дотичних до внутрішнього діаметра циліндра під час вихлопу газів створюватиме додатковий крутний момент і сприятиме рівномірності роботи двигуна, а заміна тертя ковзання між товкачами і кулачками тертям кочення шариків по бігових доріжках сприятиме підвищенню коефіцієнта корисної дії. Працює двигун слідуючим чином: при повороті циліндра-вала 1 шарики 2, взаємодіючи з біговими доріжками кулачка 3 витискують його разом з поршнем 6 до ВМТ, під час чого в порожнину кулачка 3 через патрубок 7 і клапан 18 засмоктується порція паливної суміші, яка при подальшому обертанні циліндра-вала 1 через клапан 17 вприскується в циліндр. Після згоряння суміші поршень тиском газів разом з кулачком рухається до НМТ, який своїми біговими доріжками через шарики 2 обертає циліндр-вал. Використання корисної моделі дасть можливість створити компактні багатообертові двигуни, які матимуть більшу питому потужність ніж аналогічні існуючі.