Двотактний безшатунний двигун внутрішнього згоряння

1 Двухтактный бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с установленным на нем цилиндром, имеющим выпускное окно и другие органы газораспределения, размещенный в цилиндре поршень, образующий камеру сгорания и соединенный при помощи штока с кулисой, снабженной направляющей, по меньшей мере один коленчатый вал с добавочными противовесами, на кривошипной шейке которого установлен каток, образующий с направляющей кулисы кинематическую пару и снабженный для возможности качения без скольжения механизмом принудительного проворота, выполненным в виде реечной зубчатой передачи, у которой зубчатое колесо жестко связано с катком, а зубчатая рейка - с кулисой, и устройство силового замыкания катка с направляющей кулисы, выполненное в виде, например, пружины, один конец которой соединен с неподвижным элементом картера, а другой конец связан с кулисой через тарелку, свободно посаженную на шток, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжают системой автоматического управления устройством силового замыкания катка с направляющей кулисы, содержащей узел блокировки пружины в сжатом состоянии и два механизма управления узлом блокировки - по нагрузке двигателя и частоте вращения коленчатого вала, причем узел блокировки пружины выполнен в виде стопора, который связан с одной стороны с механизмом управления узлом блокировки по нагрузке двигателя, выполненным в виде пневматического реле давления, подключенного к камере сгорания, а с другой стороны - с механизмом управления узлом блокировки по частоте вращения коленчатого вала, представляющим собой центробежный регулятор, кинематически связанный с коленчатым валом ю 2 Двигатель по п 1, отличающийся тем, что стопор содержит размещенный в теле картера с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно оси цилиндра полый корпус, снабженный двумя управляемыми элементами в виде выступа и паза для связи с механизмами управления узлом блокировки соответственно по нагрузке двигателя и частоте вращения коленчатого вала, ползун, выполненный за одно с корпусом и имеющий на конце два скоса в вертикальной плоскости для взаимодействия с тарелкой, пружину стопора, помещенную в корпусе, и проходящий через отверстие в корпусе с возможностью поступательного перемещения стержень, один конец которого упирается своей опорной частью в пружину стопора, а другой свободный конец служит для связи с механизмом управления узлом блокировки по частоте вращения коленчатого вала, причем верхний скос ползуна выполнен под углом, обеспечивающим удержание стопором пружины в сжатом состоянии, а нижний скос ползуна выполнен с возможностью автоматического срабатывания стопора (как защелки) под действием пружины стопора 3 Двигатель по п 1, отличающийся тем, что пневматическое реле давления включает в себя размещенные в гнезде, выполненном в теле цилиндра, управляемый поршень, образующий верхнюю и нижнюю полости, пружину поршня, расположенную в верхней полости гнезда, и выполненную за одно с управляемым поршнем штангу, имеющую на свободном конце скос, который находится в скользящем контакте с управляемым элементом в виде выступа и обеспечивает при действии пружины поршня перемещение корпуса стопора в противоположную от оси цилиндра сторону, причем нижняя полость гнезда соединена при помощи впускного канала с камерой сгорания, а верхняя полость сообщена с выпускным окном 4 Двигатель по п 1, отличающийся тем, что центробежный регулятор включает в себя корпус регулятора с размещенным в нем валом, снабженным шестерней для связи с коленчатым валом двигателя, шары-грузы, расположенные в крестовине, выполненной в виде звездочки, жестко посаженной на вал регулятора, пружину регулятора и муфту с исполнительным органом, снабженным вилкой, один конец которой соединен со стержнем стопора, а другой конец оборудован опорным элементом в виде пластины, имеющим возмож о го ГО О 42033 ность взаимодействия с корпусом стопора через двуплечий рычаг, установленный на оси с возможностью поворота, причем один конец рычага соединен с пальцем, расположенным в пазу кор пуса стопора, а другой конец снабжен опорным элементом в виде сферического наконечника для контактирования с опорным элементом в виде пластины Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к двухтактным бесшатунным двигателям внутреннего сгорания Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с установленным на нем цилиндром, имеющим органы газораспределения, размещенный в цилиндре поршень, соединенный штоком с кулисой, снабженной верхней и нижней направляющими, и по меньшей мере один коленчатый вал с добавочными противовесами, на кривошипной шейке которого установлены ползуны скольжения, перемещающиеся по направляющим кулисы в плоскости вращения валов [1] Недостатком описанной конструкции является то, что в двухтактном двигателе с кривошипнокамерной продувкой наличие смазки путем примешивания масла в бензин обусловливает полусухое трение в паре ползун - направляющая кулисы, которое приводит к повышенному нагреву трущихся деталей, схватыванию и заеданию ползунов и направляющих кулисы, что значительно уменьшает надежность и долговечность работы пары трения и двигателя в целом Кроме того, при знакопеременной динамической нагрузке, которая имеет место при работе двигателя, так называемая "перекладка" ползуна в пределах зазора с одной направляющей кулисы на другую приводит к жестким ударам, что вызывает дополнительный износ рабочих поверхностей ползунов и направляющих кулисы, а также вызывает колебания звеньев кривошипно-кулисного механизма, которые могут служить источником вибрации и шума двигателя К тому же, кулиса такой конструкции двигателя имеет большую массу, что ограничивает увеличение частоты вращения коленчатого вала и повышение его мощности двигателя Однако в данной конструкции, как и в вышеописанном двигателе, использовано геометрическое замыкание кинематической пары каток - направляющая кулисы, при котором всегда имеются зазоры между контактирующими поверхностями этой пары Наличие зазоров приводит при знакопеременной динамической нагрузке к жестким ударам в момент замыкания кинематической пары каток направляющая кулисы, в результате чего происходит быстрый износ рабочих поверхностей катка и направляющих кулисы, что снижает надежность и долговечность работы двигателя в целом Кроме того, при жестких ударах возникают колебания звеньев кривошипно-кулисного механизма, которые могут служить источником вибрации и шума двигателя К тому же, наличие нижней направляющей кулисы, которая является обязательным звеном при геометрическом замыкании кинематической пары каток - направляющая кулисы, существенно увеличивает массу кулисы, что ограничивает увеличение частоты вращения коленчатого вала и повышение мощности двигателя Известен также бесшатунный двигатель, содержащий картер с установленным на нем цилиндром, имеющим органы газораспределения, размещенный в цилиндре поршень, соединенный при помощи штока с кулисой, снабженной верхней и нижней направляющими, по меньшей мере один коленчатый вал с добавочными противовесами, на кривошипной шейке которого установлены два катка, один из которых образует кинематическую пару с верхней направляющей кулисы, а второй с нижней направляющей, причем катки снабжены для возможности качения без скольжения механизмом принудительного проворота, выполненным в виде реечной зубчатой передачи, у которой зубчатое колесо жестко связано с катком, а зубчатая рейка - с направляющей кулисы [2] В описанном двигателе благодаря наличию трения качения в кинематической паре каток - направляющая кулисы, а также наличию механизма принудительного проворота катка, устраняющего проскальзывание катка относительно направляющей кулисы, существенно уменьшен нагрев и износ деталей кривошипно-кулисного механизма Наиболее близким к предложенному решению является бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с установленным на нем цилиндром, имеющим выпускное окно и другие органы газораспределения, размещенный в цилиндре поршень, образующий камеру сгорания и соединенный при помощи штока с кулисой, снабженной направляющей, и по меньшей мере один коленчатый вал с добавочными противовесами, на кривошипной шейке которого установлен каток, образующий с направляющей кулисы кинематическую пару и снабженный для возможности качения без скольжения механизмом принудительного проворота, выполненным в виде реечной зубчатой передачи, у которой зубчатое колесо жестко связанно с катком, а зубчатая рейка жестко соединена с направляющей кулисы, причем кулиса снабжена устройством силового замыкания катка с направляющей кулисы, выполненным в виде, например, пружины, один конец которой связан с кулисой, а другой конец - с неподвижным элементом картера В описанной конструкции применение силового замыкания катка с направляющей кулисы взамен геометрическому замыканию позволяет избавиться от зазоров в данной кинематической паре В результате этого при знакопеременной динамической нагрузке вместо жестких ударов происходят мягкие удары, вследствие чего повышается надежность и долговечность работы кинематической пары и двигателя в целом К тому же выполнение кулисы с одной направляющей значительно уменьшает ее массу, что позволяет форсировать двигатель по частоте вращения и тем самым повысить его мощность Недостатком данной конструкции является то, что пружина во время работы двигателя на различных режимах постоянно связана с кулисой 42033 и при этом всегда находится в рабочем состоянии Это приводит к снижению долговечности и надежности работы пружины и двигателя в целом Кроме того, постоянная связь пружины с кулисой увеличивает массу поступательно движущихся деталей кривошипно-кулисного механизма на всех режимах работы двигателя, что в целом снижает его мощность Техническим заданием создания настоящего изобретения является повышение долговечности и надежности работы двигателя, а также увеличение его мощности Для решения поставленной задачи в известном двухтактном бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем картер с установленным на нем цилиндром, имеющим выпускное окно и другий органы газораспределения, размещенный в цилиндре поршень, образующий камеру сгорания и соединенный при помощи штока с кулисой, снабженной направляющей, по меньшей мере один коленчатый вал с добавочными противовесами, на кривошипной шейке которого установлен каток, образующий с направляющей кулисы кинематическую пару и снабженный для возможности качения без скольжения механизмом принудительного проворота, выполненным в виде реечной зубчатой передачи, у которой зубчатое колесо жестко связано с катком, а зубчатая рейка с кулисой, и устройство силового замыкания катка с направляющей кулисы, выполненное в виде, например, пружины, один конец которой соединен с неподвижным элементом картера, а другой конец связан с кулисой через тарелку, свободно посаженную на шток, двигатель дополнительно снабжают системой автоматического управления устройством силового замыкания катка с направляющей кулисы, содержащей узел блокировки пружины в сжатом состоянии и два механизма управления узлом блокировки - по нагрузке двигателя и частоте вращения коленчатого вала Узел блокировки пружины в сжатом состоянии выполнен в виде, например, стопора, содержащего полый корпус, размещенный в теле цилиндра или картера с возможностью поступательного перемещения приблизительно перпендикулярно оси цилиндра, ползун, выполненный заодно или соединенный с корпусом и имеющий на конце два скоса в вертикальной плоскости для взаимодействия с тарелкой, пружину стопора, помещенную в корпусе, и проходящий через отверстие в корпусе с возможностью поступательного перемещения стержень, один конец которого упирается своей опорной частью в пружину стопора, а другой свободный конец служит для связи с механизмом управления узлом блокировки по частоте вращения коленчатого вала, причем верхний скос ползуна выполнен под углом, обеспечивающим удержание стопором пружины в сжатом состоянии, а нижний скос ползуна выполнен с возможностью автоматического срабатывания стопора (как защелки) под действием пружины стопора Корпус стопора снабжен двумя управляемыми элементами в виде выступа и паза для связи с механизмами управления узлом блокировки соответственно по нагрузке двигателя и частоте вращения коленчатого вала Механизм управления узлом блокировки по частоте вращения коленчатого вала представляет собой центробежный регулятор, включающий корпус регулятора с размещенным в нем валом, снабженным шестерней для связи с коленчатым валом двигателя, шары-грузы, расположенные в крестовине, выполненной в виде звездочки, жестко посаженной на вал регулятора, пружину регулятора и муфту с исполнительным органом, снабженным вилкой, один конец которой жестко или шарнирно соединен со стержнем стопора, а другой конец оборудован опорным элементом в виде пластины, имеющим возможность взаимодействия с корпусом стопора через двуплечий рычаг, установленный на оси с возможностью поворота, причем один конец рычага соединен с пальцем, расположенным в пазу корпуса стопора и образующим поступательную кинематическую пару, а другой конец снабжен опорным элементом в виде сферического наконечника для контактирования с опорным элементом в виде пластины Механизм управления узлом блокировки по нагрузке двигателя включает в себя размещенные в гнезде, выполненном, например, в теле цилиндра, управляемый поршень, образующий верхнюю и нижнюю полости, пружину поршня, расположенную в верхней полости гнезда, и выполненную заодно или соединенную с управляемым поршнем штангу, снабженную уплотнителем и имеющую на свободном конце скос, который находится в скользящем контакте с управляемым элементом в виде выступа и обеспечивает при действии пружины поршня перемещение корпуса стопора в противоположную от оси цилиндра сторону, причем нижняя полость гнезда соединена при помощи впускного канала с камерой сгорания, а верхняя полость сообщена с выпускным окном Предложенное решение поясняется чертежами, где на фиг 1 изображен предлагаемый двигатель с устройством силового замыкания катка с направляющей кулисы во включенном положении, на фиг 2 - то же, в выключенном положении, на фиг 3 - то же, что и на фиг 1, на фиг 4 - узел блокировки пружины, на фиг 5 - механизм управления узлом блокировки по нагрузке двигателя Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит картер 1 с установленным на нем цилиндром 2, имеющим выпускное окно 3 и другие органы газораспределения, поршень 4, соединенный при помощи штока 5 с кулисой 6, два коленчатых вала 7, 8 с добавочными противовесами 9, 10 и катки 11, установленные на кривошипных шейках коленчатых валов 7, 8 Механизм принудительного проворота катка включает зубчатое колесо 12, которое жестко связано с катком 11, и зубчатую рейку 13, жестко соединенную с кулисой 6 Коленчатые валы 7, 8 кинематически связаны между собой с помощью шестерен 14 для синхронного вращения в противоположные стороны Устройство силового замыкания катка с направляющей кулисы выполнено в виде пружины 15, нижний конец которой упирается в подвижную тарелку 16, а верхний конец - в центрирующий элемент 17, жестко соединенный с картером 1 Тарелка 16 упирается в буртик 18, выполненный заодно или соединенный со штоком 5, и имеет возмож 42033 ность перемещения относительно последнего в направлении оси цилиндра 2 Система автоматического управления устройством силового замыкания катка с направляющей кулисы состоит из узла 19 блокировки пружины 15 и двух механизмов 20 и 21 управления узлом блокировки соответственно по частоте вращения коленчатого вала (п) и нагрузке двигателя (Ne) Узел 19 блокировки выполнен в виде стопора, содержащего полый корпус 22, ползун 23, выполненный заодно с корпусом 22 и имеющий на конце два скоса А и В под углами соответственно а и р для взаимодействия с тарелкой 16, пружину 24 стопора, помещенную в корпусе 22, и стержень 25, проходящий через отверстие 26 в корпусе 22 и упирающийся своей опорной частью 27 в пружину 24 стопора Корпус 22 расположен в теле картера 1 с возможностью поступательного перемещения в сторону оси цилиндра 2 и снабжен двумя управляемыми элементами, выполненными в виде выступа 28 и паза 29 Углы а и р скосов А и В выбираются из условий соответственно самоторможения и несамоторможения пары тарелка 16 ползун 23 а > arctgl 2f — p > arctg 2f - , где L - вылет поступательной пары, включающей ползун 23 и корпус 22 стопора, I - длина направляющих упомянутой поступательной пары, f - коэффициент трения в направляющих стопора Механизм 20 управления узлом блокировки по п предназначен для включения устройства силового замыкания катка с направляющей кулисы при частоте вращения коленчатого вала меньше 10-15% и больше 80-90% от максимальной частоты вращения (nmax) и выполнен в виде центробежного регулятора, включающего в себя корпус 30, шары-грузы 31, расположенные в крестовине 32, жестко посаженной на вал 33, снабженный шестерней 34 для связи с коленчатым валом 8, пружину 35 регулятора и муфту 36 с исполнительным органом 37, снабженным вилкой 38, один конец которой шарнирно соединен со стержнем 25, а другой конец оборудован опорным элементом 39 в виде пластины, имеющим возможность взаимодействия с корпусом 22 стопора через установленный на оси 40 с возможностью поворота двуплечий рычаг 41, один конец которого соединен с пальцем 42, расположенным в пазу 29 корпуса 22 стопора, а другой конец снабжен сферическим наконечником 43 для контактирования с опорным элементом 39 Механизм 21 управления узлом блокировки по N e обеспечивает принудительное включение устройства силового замыкания катка с направляющей кулисы, если давление сгорания (pz) в цилиндре составляет меньше 20-30% от давления сгорания при максимальной мощности (pzmax), и выполнен в виде пневматического реле давления, которое состоит из размещенных в цилиндрическом гнезде 44, выполненном в теле цилиндра 2, управляемого поршня 45, образующего полости 46 и 47 соответственно верхнюю и нижнюю, пружины 48 поршня, расположенной в верхней полости 46, и соединенного с управляемым поршнем 45 штока 49, который проходит через отверстие 50, выполненное в теле картера 1, и снабжен уплотнителем 51 На конце штока 49 выполнен скос С под углом у, находящийся в скользящем контакте с выступом 28 корпуса 22 стопора с возможностью перемещения последнего в противоположную от оси цилиндра 2 сторону при действии пружины 48 поршня Угол у скоса С штока 49 определяется из условия самоторможения пары выступ 28 - шток 49 у < arctg 2f] где fi - коэффициент трения в направляющих штока 49 и управляемого поршня 45, 11 - рабочая длина штока 49 вместе с управ_ ляемым поршнем 45, h - положение управляемого поршня 45 в гнезде 44 Нижняя полость 47 соединена с камерой 52 сгорания при помощи впускного канала 53, а верхняя полость 46 соединена посредством выпускного канала 54 с выпускным окном 3 Протекание термодинамических процессов и кинематика в предложенном двигателе принципиально такие же, как и в известном бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, принятом за прототип В работе системы автоматического управления устройством силового замыкания катка с направляющей кулисы характерны следующие моменты Когда двигатель работает при низкой частоте вращения коленчатого вала (п 0,8 0,9 n m a x силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс возрастают настолько, что даже при максимально возможном давлении сгорания в цилиндре 2 сила, прижимающая кулису 6 к каткам 11, становится отрицательной и появляется необходимость включения в работу устройства силового замыкания катка с направляющей кулисы В этом случае механизм 20 управления узлом блокировки по п переводит пружину 15 в рабочее состояние (фиг 3) При этом шары-грузы 31 максимально удалены от оси вращения, муфта 36 занимает свое крайнее положение, пружина 35 регулятора максимально сжата и вилка 38 через опорный элемент 39 контактирует со сферическим наконечником 43 В результате контакта вилки 38 со сферическим наконечником 43 проворачивается двуплечий рычаг 41 относительно своей оси 40 по ходу часовой стрелки При этом палец 42 перемещает корпус 22 в противоположную от оси цилиндра 2 сторону, преодолевая усилие пружины 24 стопора, и выводит ползун 23 из зацепления с тарелкой 16, включая таким образом пружину 15 в работу При малой нагрузке двигателя, при которой давление сгорания р 0,2 0,3 pzmax, управляемый поршень 45 под действием давления газов в нижней полости 47 перемещен в верхнее положение (см фиг 2, 3), при этом пружина 48 поршня максимально сжата, а шток 49 занимает свое нейтральное (выключенное) положение и не взаимодействуете корпусом 22 1 Патент ФРГ №902925, кп 47h, 1 опубл 1954 2 ЕР № 0203395, кл F 16 Н 21/18, опубл 1986 3 Решение о выдаче патента России по заявке № 5028733/08 (008649) от 30 11 94 42033 Фиг. 1 42033 24 29 22 к 19 Фиг. 4 Фиг. 5 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 42033