Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в автостроении, изготовлении переносных инструментов. В цилиндре установлен поршень. Поршень содержит каналы для подвода и отвода смазки от стенок цилиндра масляным насосом телескопического типа. Шток поршня содержит двухзаходный винт с ходовой крестовой резьбой, который проходит в маховике. Газораспределительный механизм включает в себя впускные электроклапаны, установленные в поршне, выпускные электроклапаны, каждый из которых установлен в головке цилиндра и содержит разгрузочный клапан, каналы для пропуска газов в головке выпускного электроклапана и кольцевую проточку в седле выпускного электроклапана. Электровоспламенительный электроуправляемый насос-форсунка содержит предкамеру, подпружиненный поршень с распылителем, иглу, управляемую электромагнитом, и запальную спираль. Предложенные конструкции газораспределительного механизма, насоса-форсунки и преобразователя механической энергии обеспечивают уменьшение размеров и веса двигателя, увеличение управляемости и стабильности в работе на различных оборотах и режимах, уменьшение расхода смазывающих материалов, уменьшение потерь на трение в паре поршень - цилиндр. 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в автостроении, изготовлении переносных инструментов.

Известен двигатель внутреннего сгорания (SU, авторское свидетельство 1038487 А, кл. F 01 В 9/08, опубл. в бюлл. N 32, 30.08.1983) содержащий по меньшей мере один модуль, включающий цилиндр, поршень, газораспределительный механизм и преобразователь механической энергии. Однако в известном двигателе преобразователь механической энергии сложен и объемен, нетехнологичен. В двигателе не предусмотрена возможность изменения степени сжатия, сложен, громоздок и малофункционален газораспределительный механизм. В предложенном в качестве прототипа указанном двигателе поршень установлен в цилиндре неподвижно, а цилиндр - с возможностью возвратно-поступательного перемещения.

Однако схема, при которой через неподвижный поршень проходит силовой вал с сидящими на нем обгонными муфтами, приводимый во вращение подвижным цилиндром, неэффективна, т.к. появляется много проблем по охлаждению, смазке, гашению сил инерции, передаче импульсного крутящего момента на силовой вал, в данном виде исполнение может быть только с оппозитным расположением камер сгорания в подвижном цилиндре, а применение обгонных муфт приведет к разрыву жесткой связи между маховиком и силовым валом при снижении оборотов двигателя. По этой причине нельзя будет управлять оборотами двигателя при торможении или тормозить двигателем.

Задачей изобретения является уменьшение размеров и веса двигателя, увеличение управляемости и стабильности работы на различных оборотах и режимах, уменьшение расхода смазывающих материалов, уменьшение потерь на трение в паре поршень - цилиндр.

Технический результат достригается тем, что бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один модуль, включающий цилиндр, поршень, газораспределительный механизм и преобразователь механической энергии, масляный насос телескопического типа и блок управления, при этом поршень имеет шток, содержащий двухзаходный винт с ходовой крестовой резьбой, и каналы для подвода и отвода смазки от стенок цилиндра масляным насосом телескопического типа, газораспределительный механизм включает в себя впускные электроклапаны, установленные в поршне, выпускные электроклапаны, каждый из которых установлен в головке цилиндра и содержит разгрузочный клапан, каналы для пропуска газов в головке выпускного электроклапана и кольцевую проточку в седле выпускного электроклапана, электро-воспламенительный электроуправляемый насос-форсунку, содержащий предкамеру, подпружиненный поршень с распылителем, иглу, управляемую электромагнитом, и запальную спираль, а преобразователь механической энергии включает в себя тормозные диски, установленные с возможностью противоположного вращения, электроуправляемые фрикционные механизмы и маховик переменной массы.

На фиг. 1 изображен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с преобразователем механической энергии на основе двухзаходного винта с ходовой крестовой резьбой.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема выпускного электроклапана.

На фиг. 3 изображен электроуправляемый насос-форсунка.

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один модуль, содержащий один цилиндр 1 (фиг. 1). Цилиндр снабжен ребрами охлаждения 45. В цилиндре установлен поршень 6. Поршень содержит компрессионные кольца 8 и каналы 42, 43 для подвода и отвода смазки от стенок цилиндра масляным насосом телескопического типа. Масляные насосы телескопического типа состоят из двух пар патрубков 14, 15 и 40, 41, входящих один в другой, при этом направление движения смазки определяется обратными клапанами 38 в масляных магистралях. Шток 13 поршня, установленный так, чтобы исключить его проворачивание, содержит двухзаходныи винт с ходовой крестовой резьбой 39, который проходит в маховике 16. Винт имеет продолжение в виде полого силового вала 25 со шлицами 26 на конце.

Газораспределительный механизм включает в себя впускные электроуправляемые электроклапаны 7, установленные в поршне. Впускные электроклапаны 7 приводятся в действие электромагнитом 10, питание на который поступает от блока управления (не показан). Приводятся в действие впускные электроклапаны 7 посредством ферромагнитной втулки 11 и возвратной пружины 9.

Подача воздуха к впускным электроклапанам 7 осуществляется через воздушный фильтр 30. На корпусе маховика имеется крыльчатка 21, прогоняющая воздух через воздушный фильтр 30, для охлаждения ребер охлаждения и подачи воздуха в цилиндр 1.

Газораспределительный механизм включает в себя выпускные электроклапаны 2 (фиг. 2), каждый из которых установлен в головке 4 цилиндра.

Выпускной электроклапан 2 содержит разгрузочный клапан 49, назначение которого в снятии силы давления газов, действующей на головку 50 выпускного электроклапана со стороны камеры сгорания. В головке 50 выпускного электроклапана выполнены газовые каналы 51 для пропуска газов, ведущие к кольцевой проточке 52 в седле клапана 53. Стержень 63 выпускного клапана заполнен натрием 47. На верхнем конце стержня установлен сердечник 60 с поворотными зубьями 48, которые имеются и на нижней части стержня. Головка выпускного электроклапана также оборудована поворотными зубьями 48, заполнена натрием 47 и имеет защитный теплопроводный экран 54. Сердечник 60 удерживается в верхнем положении пружиной 64 и расположен в корпусе 62, в котором расположена обмотка электромагнита 61. Предусмотрен источник напряжения 58 для электромагнита 57. В головке 4 цилиндра имеются выпускные коллекторы 44 (фиг. 1,2).

Газораспределительный механизм включает в себя электровоспламенительный электроуправляемый насос-форсунку 3 (фиг. 1,3).

Электроуправляемый насос-форсунка состоит из корпуса 68, в который вставлен между слоями изоляции 67 токопроводящий стакан 66 и стакан 80 с поршнем 78. Стакан 80 закрыт заглушкой 81, а корпус 68 закрыт заглушкой 86. Заглушки 81 и 86 разделены изоляционными прокладками 87 и контактным кольцом 82. Через заглушки проходит топливная магистраль 85 с обратным клапаном 83. В предкамере 74 установлена запальная спираль 71. Клемма 84 подводит электроэнергию к электромагниту 77, а клемма 88 - к запальной спирали 71. Воздух поступает в предкамеру 74 через сопло 72. Поверхность 69 поршня 78 находится в контакте с воздухом в предкамере. Управление шайбы 75 с иглой 70 осуществляется электромагнитом 77. Движение шайбы с иглой к электромагниту, преодолевая сопротивление возвратной пружины 76, освобождает распылитель (сопло) 73.

Преобразователь механической энергии (фиг. 1) расположен в картере 36 и включает в себя тормозные диски 31, 34, установленные с возможностью противоположного вращения, между которыми установлены электромагниты 32, 33 с питающим коллектором 29, соединенные с корпусом маховика 16. Тормозные диски имеют зубья противоположной направленности 24, 23. Тормозные диски разделены пружинной шайбой. В маховике расположены электроуправляемые фрикционные механизмы 46.

По окружности маховика 15 имеется кольцевая емкость 22 для жидкости, поступающей из резервуара 20 и изменяющей, при необходимости, массу маховика 16. Якорь 17 электромотора вращает винт 18 и предназначен для перемещения поршня. На верхней плоскости маховика 16 расположен якорь 35 генератора, статор 37 установлен в кронштейнах подшипников маховика 16. Двухзаходный винт с ходовой крестовой резьбой 39 противоположного направления имеет нисходящую проточку 27 и восходящую проточку 28.

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания работает как обычный двигатель внутреннего сгорания по двух- или четырехтактному циклу, т.е. давление расширяющихся газов в цилиндре 1 (фиг. 1) давит на поршень 6 и через непроворачивающийся шток 13 давление передается на двухзаходный винт с ходовой крестовой резьбой 39, который, опускаясь вниз, раскручивает тормозные диски 31, 34 с противоположно направленными зубьями 23, 24, скользящими по проточкам двухзаходного винта с ходовой крестовой резьбой противоположного направления 39 в разные стороны. Между тормозными дисками 31, 34 расположены электромагниты 32, 33, соединенные с корпусом маховика 16 и включающиеся в зависимости от направления движения двухзаходного винта с ходовой крестовой резьбой 39. Фрикционные механизмы 46 принимаются к тормозным дискам при помощи электромагнитов 32, 33. Электромагниты притягивают к себе тормозные диски и посредством силы трения устанавливают зацепление двухзаходного винта с ходовой крестовой резьбой 39 и маховиком 16.

При движении вниз (в такте рабочего хода или впуска) от верхней мертвой точки поршня 6 с непроворачивающимся штоком 13 тормозной диск 34 вместе с зубом 23, скользящим по нисходящей проточке 27 опускающегося двухзаходного винта с ходовой крестовой резьбой 39, вынужден будет раскручиваться, а блок управления работой двигателя (не показан) выдаст команду на подачу напряжения на электромагнит 33, соединенный с маховиком, который притянется к тормозному диску 34 и тем самым передаст крутящий момент на маховик 16. Тормозной диск 31 в этот момент будет крутиться в противоположную сторону свободно без зацепления с электромагнитом 32 и маховиком 16. При достижении поршнем 6 нижней мертвой точки, обусловленной необходимыми условиями работы двигателя, блок управления переключит напряжение с электромагнита 33 на электромагнит 32 и соединит тормозной диск 31 с маховиком 16, сила инерции которого будет принудительно вращать тормозной диск 31, а зуб 24, двигаясь по восходящей проточке 28, заставит шток 13 подниматься вверх и совершить такт сжатия (или выпуска) в цилиндре 1, причем блок управления может отключить электромагнит 32 при достижении любой необходимой степени сжатия. Таким образом, переключающиеся в зависимости от направления движения поршня 6 электромагниты 32, 33 обеспечат однонаправленное вращение силового вала 25.

Газораспределительный механизм состоит из электроуправляемых клапанов и форсунки. Воздух в камеру сгорания принудительно поступает через воздушный фильтр 30 посредством разрежения в подпоршневом пространстве и крыльчатки 21, которая наддувает воздух в подпоршневое пространство, а избыточный поток воздуха охлаждает ребра охлаждения 45. Из подпоршневого пространства воздух в камеру сгорания поступает через впускные электроуправляемые клапаны 7. Впускной воздушный клапан 7 приводится в действие электромагнитом 10, питание на который поступает от блока управления (не показан). При движении поршня 6 вниз и подаче напряжения на обмотку электромагнита 10 ферромагнитная втулка 11 притянется вверх и, преодолевая сопротивление возвратной пружины 9, откроет клапан 7 и даст возможность воздуху из подпоршневого пространства переместиться в рабочую зону цилиндра.

Смазка стенок цилиндра осуществляется под давлением через каналы 43 от телескопического насоса, патрубки 14, 15 которого при движении поршня вверх входят один в другой и, уменьшая внутренний объем телескопической пары, под давлением выдавливают смазку между кольцами 8. В другой телескопической паре 40, 41 в этот момент происходит выдавливание смазки в сливную магистраль и далее в бак (не показано). При опускании поршня в телескопической паре 14,15 происходит закачивание смазки в увеличивающийся объем телескопической пары из бака, а в паре 40, 41 в увеличивающийся объем через каналы 42 засасывается смазка, соскребаемая со стенок цилиндра кольцами 8.

Питание блока управления и систем двигателя электричеством осуществляется от генератора-статора 37 и якоря 35, установленного на маховике.

Для экономичной работы двигателя в зависимости от выбранного режима предусмотрена возможность изменения массы маховика и его самобалансировки посредством заполнения жидкостью емкости 22, которая поступает по каналу из насоса, включающего резервуар 20 и поршень 19, сидящий на винте 18, приводимый якорем 17 электромотора.

Питание электромагнитов 32, 33 осуществляется через коллектор 29 от блока управления (не показан).

Зубья 23, 24 находятся в противоположно направленных проточках ходовой резьбы на штоке 39 и при любом ходе винтового штока придают вращение тормозным дискам 31, 34 в разные стороны.

Выпускной электроклапан (фиг. 2) оборудован разгрузочным клапаном 49, назначение которого в снятии силы давления газов, действующей на головку клапана 50 со стороны камеры сгорания.

Выпускной клапан работает следующим образом. При подаче напряжения от блока управления на обмотку электромагнита 61 магнитная сила тянет ферромагнитный сердечник 60 вниз, преодолевая сопротивление возвратной пружины 64. При этом давление газов в камере сгорания удерживает головку клапана 50 в закрытом положении, так как сила давления газов в камере сгорания прижимает головку клапана к седлу со значительным усилием и усилия электромагнита хватит только на продавливание в катеру сгорания головки разгрузочного клапана 49, который и откроет каналы 51 для пропуска газов к кольцевой проточке 52 в седле клапана 53, что уравновесит силы давления, действующие на головку клапана 50 с внешней и внутренней сторон, и позволит электромагниту 57 втянуть сердечник 60 до конца, и тем самым позволит стержню клапана 63 надавить своими заплечиками на головку клапана 50 и вытолкнуть ее в камеру сгорания, т. е. открыть выпускной клапан. Для лучшего отвода тепла от более нагретых частей клапана к менее нагретым служит наполнение пустот клапанной головки 50 и стержня 63 натрием 47 и оборудование головки 50 защитным и передающим тепло от головки 50 на стержень 63 экраном 54. После открытия клапана выхлопные газы по коллектору 44, оборудованному в головке цилиндра 4, отводятся в атмосферу.

При снятии напряжения электромагнита 57 возвратная пружина 64 поднимает сердечник 60 вверх, а клапан 49 своей головкой притянет головку 50 к седлу 53, что обеспечит закрытие выпускного клапана. Для повышения срока службы клапана предусмотрен механизм принудительного проворачивания клапана - зубцы 48, установленные на корпусе клапана 62, сердечнике 60, стержне 63 и головке 50, у которых скосы выполнены в противоположные стороны и при поднимании стержня клапана происходит проворот стержня клапана 63, а при опускании - проворот головки 50.

Насос-форсунка 3 работает следующим образом. В такте сжатия часть воздуха в цилиндре из надпоршневого пространства через сопло 72 (фиг. 3) перетекает в предкамеру 74 и давит на поверхность 69 поршня 78, но сдвинуть его не может, т.к. объем жидкости в объеме 79 заперт клапаном 83 и иглой 70. При достижении определенного давления в цилиндре блок управления выдаст сигнал на подачу напряжения на электромагнит 77 и шайба 75 с иглой 70, преодолев сопротивление возвратной пружины 76, притянется к электромагниту 77 и освободит распылитель (сопло) 73, что позволит давлению воздуха в цилиндре 1 (фиг. 1) вытеснить топливо из объема 79 (фиг. 3), что освободит распылитель (сопло) 73, которое при вытеснении соприкоснется с раскаленной спиралью 71 и воспламенится. Так как объем предкамеры сравнительно невелик, то в ней сгорит только часть топлива, вследствие чего давление в предкамере резко повысится, и несгоревшее топливо вместе с продуктами сгорания с большой скоростью выбросится в основную камеру сгорания, перемешается там с воздухом и сгорит. Это позволит осуществить впрыск топлива при меньших давлениях и использовать распылители (сопла) форсунок с одним отверстием относительно большого диаметра, а также использовать без особых трудностей различные виды топлив. После вытеснения нужного количества топлива из объема 79 блок управления прекратит подачу напряжения на электромагнит 77 и распылитель (сопло) 73 закроется иглой 70 посредством пружины 76. В такте выпуска, когда давление в цилиндре снизится, пружина 65 возвратит поршень 78 в исходное состояние, при этом восполнится объем топлива в объеме 79, которое поступит в него по трубопроводу 85 через клапан 83. Напряжение на спираль 71 поступает от клеммы 88 по токопроводящему стакану 66, расположенному между корпусом 68 и стаканом 80 в электроизоляционных слоях 67. Напряжение на электромагнит 77 поступает от клеммы 84, кольцо 82, заключенные между изоляционных прокладок 87, и пружину 65, которая одновременно является проводником тока, вторым проводником является корпус форсунки ("масса").

Предлагаемая конструкция двигателя позволит изменять циклы в ходе его работы, использовать различные виды топлив, регулировать мощность и обороты двигателя степенью сжатия посредством клапанов и амплитудой хода поршня в широких пределах без коробки передач, модульно компоновать силовую установку, активно управлять торможением двигателя при помощи клапанов.

Формула изобретения

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один модуль, включающий цилиндр, поршень, газораспределительный механизм и преобразователь механической энергии, отличающийся тем, что он снабжен масляным насосом телескопического типа и блоком управления, поршень имеет шток, содержащий двухзаходный винт с ходовой крестовой резьбой, и каналы для подвода и отвода смазки от стенок цилиндра масляным насосом телескопического типа, газораспределительный механизм включает в себя впускные электроклапаны, установленные в поршне, выпускные электроклапаны, каждый из которых установлен в головке цилиндра и содержит разгрузочный клапан, каналы для пропуска газов в головке выпускного электроклапана и кольцевую проточку в седле выпускного электроклапана, электровоспламенительный электроуправляемый насос-форсунку, содержащий предкамеру, подпружиненный поршень с распылителем (соплом), иглу, управляемую электромагнитом, и запальную спираль, а преобразователь механической энергии включает в себя тормозные диски, установленные с возможностью противоположного вращения, электроуправляемые фрикционные механизмы и маховик переменной массы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3