Поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: в двигателестроении при создании поршневых двухтактных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорании с кривошипно-шатунной камерой газообмена, содержит цилиндр с впускными продувочными и выпускными окнами, которые сообщены с кривошипно-шатунной камерой. Впускное окно в стенке цилиндра расположено с возможностью его перекрытия боковой стенкой поршня в нижней части которого выполнено впускное окно поршня и лепестковый клапан, внутренняя сторона впускного окна поршня выполнена в виде седла лепесткового клапана, образованного пластиной из упругого материала, жестко соединенной с верхней головкой шатуна с возможностью закрывания впускного окна поршня при его движении от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и с возможностью открывания впускного окна поршня при движении поршня обратно. Лепестковый клапан снабжен ограничителем, закрепленным верхней частью с верхней головкой шатуна, ограничитель выполнен в виде кронштейна, головка шатуна выполнена с приливом. 6 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при создании поршневых двухтактных двигателей внутреннего сгорания.

Известен поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания с прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена /см. например. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей /Б. П. Алексеев, В. Ф.Воронин, Л.В. Грехов и др, Под общ.ред. А.С.Орлина и М.Г. Круглова 4-е изд. М, Машиностроение, 1990, с.19-20/, содержащий цилиндр, поршень, выпускные клапана с механизмом привода, воздушный ресивер и продувочный насос.

Недостатком известного двигателя является сложность конструкции, обусловленная наличием продувочного насоса, ресивера и выпускных клапанов с механизмов привода.

Известен также поршневой двухтактный двигатель с золотниковым механизмом газораспределения /см. там же с.80-81/, отличающийся наличием плоского или цилиндрического золотника с приводом.

Недостатками этого двигателя являются сложность конструкции, трудность обеспечения уплотнения, смазывания и охлаждения золотника и его повышенный износ.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением прототипом является поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, герметично соединенный с картером, поршень, связанный шатуном с коленчатым валом и лепестковый клапан образованный пластинками из упругого материала, укрепленными в корпусе, и соединенный через промежуточный патрубок с цилиндром двигателя. При этом открывание и закрывание лепесткового клапана осуществляется пассивно за счет изгиба его пластинок вследствие перепада давления рабочего тела в кривошипной камере и карбюраторе двигателя /СССР, а.с. N 1190072, кл. F 02 В 33/02, 1986/.

Недостатками известного двигателя являются сложность конструкции, обусловленная сложностью деталей лепесткового клапана и наличием промежуточного патрубка. Последнее приводит также к снижению экономичности двигателя из-за увеличения объема кривошипной камеры, что приводит, в свою очередь, к увеличению степени предварительного расширения рабочего тела и уменьшению термического КПД рабочего цикла двигателя. Кроме того, известный двигатель не обеспечивает необходимую устойчивость работы при высоких частотах вращения из-за инерционности лепесткового клапана.

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и снижение инерционности лепесткового клапана, а также уменьшение объема кривошипной камеры. Решение технической задачи заключается в упрощении конструкции, повышении экономичности, мощности и устойчивости работы двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что известный поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания с кривошипно- камерной схемой газообмена, содержащий по меньшей мере один цилиндр, в стенках которого расположены впускное, выпускное и продувочные окна, последние из которых сообщены с кривошипной камерой, образованной герметичным картером и внутренними поверхностями цилиндра и поршня, расположенного в цилиндре и связанного посредством шатуна с коленчатым валом двигателя, причем впускное окно в стенке цилиндра расположено с возможностью его перекрытия боковой стенкой поршня, в нижней части которого со стороны впускного окна цилиндра выполнено впускное окно поршня, и лепестковый клапан, отличается тем, что внутренняя сторона пускного окна поршня выполнена в виде седла лепесткового клапана, который, в свою очередь, образован пластинкой из упругого материала, жестко соединенной с верхней головкой шатуна с возможностью закрывания впускного окна поршня при движении последнего из верхнего /ВМП/ в нижнее /НИЛ/ мертвое положение и с возможностью открывания впускного окна поршня при его движении из НМП в ВМП.

Дополнительное снабжение лепесткового клапана ограничителем отгиба, жестко соединенным с верхней головкой шатуна, обеспечивает повышение надежности двигателя благодаря ограничению угла отгиба упругой пластинки лепесткового клапана и, следовательно предотвращения ее необратимой деформации и /или/ поломки.

Ограничитель отгиба пластинки лепесткового клапана может быть выполнен в виде кронштейна, жестко соединенного одним концом с верхней головкой шатуна, а второй конец кронштейна выполнен в виде выпуклой цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна оси вращения верхней головки шатуна.

С целью упрощения конструкции двигателя роль ограничителя отгиба пластинки лепесткового клапана может выполнять верхняя головка шатуна, снабженная со стороны, обращенной к лепестковому клапану, приливом, имеющим форму выпуклой цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна оси вращения верхней головки шатуна.

Анализ аналогов предполагаемого изобретения показывает, что, несмотря на содержание признаков, сходных с отличительными признаками предлагаемого двигателя: пластина /лепесток/ из упругого материала, седло и ограничитель лепесткового клапана, только наличие в заявляемом двигателе этих элементов в совокупности с другими признаками обуславливает получение требуемого технического результата, а именно упрощение конструкции, повышение экономичности, мощности и устойчивости работы двигателя. При этом упрощение конструкции двигателя достигается благодаря исключению промежуточного патрубка и корпуса лепесткового клапана а также благодаря совмещению выполняемых функций: внутренняя сторона впускного окна поршня является одновременно седлом лепесткового клапана, а верхняя головка шатуна выполняет дополнительно роль механического привода упругой пластинки лепесткового клапана, и, в частном случае пред полагаемого изобретения,роль ограничителя отгиба этой пластинки.

Исключение промежуточного патрубка и расположение лепесткового клапана внутри поршня, т.е. внутри кривошипной камеры приводит к уменьшению объема последней, и, как следствие, к уменьшению степени предварительного расширения рабочего тела и увеличения термического КПД рабочего цикла двигателя, в результате чего повышаются его экономичность и мощность. Последние повышаются также благодаря улучшению наполнения кривошипной камеры и, следовательно, цилиндра двигателя рабочей смесью в связи с уменьшением сопротивления впуска, обусловленным дополнительным механическим управлением /открыванием/ лепесткового клапана.

Механическое управление /открывание и закрывание/ лепесткового клапана посредством верхней головки шатуна при движении поршня из ВМП в НМП и наоборот обеспечивает повышение устойчивости работы двигателя особенно при высоких частотах вращения.

Промышленное применение предлагаемое техническое решение может найти в производстве сравнительно простых, экономичных и мощных двухтактных двигателей, например, для лодочных моторов, а также мотоциклетных двигателей, особенно для спортивных мотоциклов.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1-4 приведена схема работы предложенного двигателя соответственно в начале и середине первого, а также в начале и в конце второго тактов рабочего цикла, на фиг.5 и 6 - варианты реализации лепесткового клапана с ограничителем отгиба его пластинки Двигатель содержит следующие основные узлы и детали /фиг. 1-4/: цилиндр 1, картер 2, поршень 3, шатун 4, коленчатый вал 5, впускное окно 6 поршня 3, впускное окно 7 цилиндра 1, выпускное окно 8, продувочные окна 9 и 10, кривошипную камеру 11, верхнюю головку 12 шатуна 4, нижнюю головку 13 шатуна 4, пластинку 14 и седло 15 лепесткового клапана. На фиг.1-4 условно обозначено: сплошными линиями направление вращения коленчатого вала двигателя; штриховыми направление перемещения рабочей смеси, штрих-пунктирными направление перемещения продуктов сгорания рабочей смеси.

На фиг.5-6 позициями обозначено: кронштейн 16 ограничитель отгиба пластинки 14 лепесткового клапана, винт 17 крепления кронштейна 16 и пластинки 14, дополнительный прилив 18 верхней головки 12 шатуна 4.

Для обеспечения возможности закрывания /открывания/ пластинкой 14 лепесткового клапана впускного окна 6 поршня 3 при движении последнего от ВМТ /НМТ/ в НМТ /ВМТ/ впускное окно 6 должно быть расположено в стенке поршня 3, прямо противоположной направлению смещения нижней головки 13 шатуна 4 при движении поршня 3 из ВМТ в НМТ, а плоскость седла 15 лепесткового клапана параллельна оси вращения верхней головки 12 шатуна 4. Двигатель работает следующим образом. Первый такт рабочего цикла соответствует ходу поршня 3 из НМТ в ВМТ /см. фиг.1 и 2/. При этом объем пространства под поршнем 3 увеличивается и давление падает ниже атмосферного, т.е. в кривошипной камере 11, образованной картером 2 и внутренними поверхностями цилиндра 1 и поршня 3, создается разряжение. Вследствие этого рабочая смесь устремляется в кривошипную камеру 11 через впускное окно 7 цилиндра 1, впускное окно 6 поршня 3 и через лепестковый клапан, пластинка 14 которого отгибается внутрь цилиндра 1 за счет перепада давлений внутри и вне кривошипной камеры 11, а также благодаря механическому открыванию лепесткового клапана вследствие поворота верхней головки 12 шатуна 4. При таком "двойном" управлении впуском существенно снижается сопротивление впуска, что приводит к улучшению наполнения кривошипной камеры 11 и, следовательно, цилиндра 1 рабочей смесью и что, в свою очередь, обеспечивает повышение экономичности и мощности двигателя.

Наряду с наполнением, как описано выше, кривошипной камеры 11 рабочей смесью, как и в известном двигателе в начале первого такта рабочего цикла заканчиваются процессы удаления продуктов сгорания через выпускное окно 8, продувки и наполнения через продувочные окна 9 и 10 надпоршневого пространства цилиндра 1 предыдущей порцией рабочей смеси. При дальнейшем ходе поршня 3 происходит сжатие рабочей смеси, а затем ее воспламенение.

После воспламенения и сгорания рабочей смеси начинается второй такт рабочего цикла двигателя, обусловленный расширением продуктов сгорания и соответствующий ходу поршня 13 из ВМП в НМП /см. фиг.3 и 4/. При этом происходит поворот верхней головки 12 шатуна 4 в сторону, противоположную ее повороту в первом такте, и, как следствие, механическое закрывание пластинки лепесткового клапана. Одновременно, благодаря перемещению поршня 3 из ВМП в НМП происходит предварительное сжатие рабочей смеси в кривошипной камере 11, что приводит к повышению давления в камере 11 и, следовательно, к дополнительному прижатию пластинки 14 лепесткового клапана к впускному окну 6 поршня 3 /к седлу 15 лепесткового клапана/.

В конце второго такта, как и в известном двигателе, осуществляется начало процессов выпуска продуктов сгорания через выпускное окно 8, продувки и наполнения через продувочные окна 9 и 10 надпоршневого пространства цилиндра 1 свежей порцией рабочей смеси.

Далее цикл работы двигателя повторяется аналогичным образом.

На фиг.5 приведено схематичное изображение лепесткового клапана, дополнительно снабженного ограничителем отгиба пластинки 14 в виде кронштейна 16, жестко соединенного /например, с помощью винтов 17/ с верхней головкой 12 шатуна 4 и основанием пластин и 14 лепесткового клапана, при этом второй конец кронштейна 16, выполняющий собственно роль ограничителя отгиба пластинки 14, выполнен в форме выпуклой цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна оси вращения верхней головки 12 шатун 4. Кронштейн 16 ограничивает угол отгиба пластинки 14 лепесткового клапана, предотвращая ее деформацию и/или/ поломку, и, тем самым, повышая надежность предлагаемого двигателя. В варианте исполнения, приведенном на фиг.6, роль ограничителя отгиба пластинки 14 лепесткового клапана выполняет прилив 18 верхней головки 12 шатуна 4, обращенный к лепестковому клапану и имеющий форму выпуклой цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна оси вращения верхней головки 12 шатуна 4.

Очевидно, что изменяя стелено упругости и угол первоначального изгиба пластинки 14 лепесткового клапана, выбирая форму и степень кривизны ограничителя отгиба /кронштейна 16 или прилива 18/ и изменяя взаимное начальное положение ограничителя отгиба пластинки 14 лепесткового клапана, а также угол наклона плоскости седла 15 лепесткового клапана к плоскости симметрии поршня 3, проходящей через ось вращения верхней головки 12 шатуна 4, важно в широких пределах регулировать размер и расположение относительно ВМП фазы впуска двигателя и, следовательно, получать требуемое сочетание мощности, экономичности и устойчивости работы предлагаемого двигателя.

Формула изобретения

1. Поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными, продувочными и выпускными окнами, последние из которых сообщены с кривошипной камерой, образованной герметичным картером и внутренними поверхностями цилиндра и поршня, расположенного в цилиндре и связанного посредством шатуна с коленчатым валом двигателя, причем впускное окно в стенке цилиндра расположено с возможностью его перекрытия боковой стенкой поршня, в нижней части которого со стороны впускного окна цилиндра выполнено впускное окно поршня и лепестковый клапан, отличающийся тем, что внутренняя сторона впускного окна поршня выполнена в виде седла лепесткового клапана, образованного пластиной из упругого материала, жестко соединенной с верхней головкой шатуна с возможностью закрывания впускного окна поршня при его движении от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и с возможностью открывания впускного окна поршня при его движении от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что лепестковый клапан снабжен ограничителем отгиба пластины лепесткового клапана, жестко закрепленным с верхней частью, в частности с верхней головкой шатуна.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что ограничитель отгиба выполнен в виде кронштейна, жестко соединенного одним концом с верхней головкой шатуна и основанием пластины лепесткового клапана, а другой конец кронштейна выполнен в виде цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна оси вращения верхней головки шатуна.

4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что верхняя головка шатуна со стороны лепесткового клапана выполнена с приливом в виде цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна оси вращения верхней головки шатуна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6