Двигатель внутреннего сгорания для инструментов ударного действия

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использована в устройствах ударного действия с возвратно-поступательным движением рабочего органа, например в отбойных молотках, перфораторах, вибраторах, трамбовках для применения в строительстве, горном деле и других отраслях народного хозяйства.
Известен ДВС для инструментов ударного действия [патент СССР №656825], содержащий корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, подпоршневую полость, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и хвостовик рабочего инструмента. В крышке установлены впускные и выпускные клапаны и электрическая цепь зажигания.
Недостатками данного ДВС является низкий КПД работы и ненадежность эксплуатации из-за сложности газораспределительного механизма.
Известен ДВС для инструментов ударного действия [патент РФ №2116188], содержащий цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, подпоршневую полость, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и хвостовик рабочего инструмента, причем камера сгорания в конце рабочего хода поршня-ударника последовательно соединяется с атмосферой и подпоршневой полостью, выполненными в корпусе впускным и продувочными клапанами, а блок зажигания электрически соединен со свечой зажигания. Недостатками являются сложность и ненадежность конструкции и отсутствие подзаряжаемой в процессе работы электрической батареи для работы систем зажигания ДВС.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ДВС для инструментов ударного действия [патент РФ №2542708], содержащий цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенные в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник и главный поршень, камеру сгорания между крышкой и главным поршнем, основную подпоршневую полость между главным поршнем и поршнем-ударником, дополнительную подпоршневую полость, образованную нижним торцем поршня-ударника и дном, с установленной в подпоршневой полости возвратной пружиной и соосно с ней хвостовиком рабочего инструмента, входящим через отверстие в дно корпуса наружу. В корпусе ДВС выполнены перепускные и выпускные каналы, ДВС содержит блок зажигания, топливную аппаратуру, электронный блок, аккумулятор, электрический генератор, имеющий охватывающие корпус обмотки статора и подвижную часть в виде главного поршня с постоянным магнитом в центре.
Недостатки прототипа заключаются в низкой надежности работы ДВС в связи с недостаточной износостойкостью цилиндро-поршневой группы, изготовленной из немагнитных материалов, малой величины напряженности магнитного поля из-за незначительных размеров одиночного постоянного магнита, что снижает эффективность работы электрогенератора. Еще одним недостатком является трудность запуска ДВС, т.к. для воспламенения смеси в камере сгорания поршень необходимо поднять к верхней мертвой точке. В конструкции прототипа предусмотрен ручной запуск двигателя, что затрудняет его эксплуатацию.
Задача полезной модели являются повышение надежности работы ДВС, увеличение эффективности работы электрогенератора и упрощения запуска ДВС.
Указанные задача достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания для инструментов ударного действия содержит цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенные в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник и главный поршень, камеру сгорания между крышкой и главным поршнем, основную подпоршневую полость между главным поршнем и поршнем-ударником, дополнительную подпоршневую полость, образованную нижним торцем поршня-ударника и дном, с установленной в подпоршневой полости возвратной пружиной и соосно с ней хвостовиком рабочего инструмента, входящим через отверстие в дно корпуса наружу, выполненные в корпусе продувочные и перепускные каналы, блок зажигания, топливную аппаратуру, электронный блок, аккумулятор, электрический генератор имеет обмотки статера и подвижную часть в виде главного поршня с постоянным магнитом.
Новым для инструмента ударного действия является снабжение главного поршня выполненным из магнитного материала штоком, выполнение сердечников обмотки статора кольцевыми двутаврового сечения и их расположение внутри корпуса, выполнение постоянных магнитов кольцевыми, охватывающими шток поршня и расположенными по обеим сторонам сердечников. При этом на штоке поршня прорезаны кольцевые каналы, заполненные немагнитным материалом.
ДВС характеризуется тем, что в качестве материала кольцевых магнитов использован сплав неодим-железо-бор.
ДВС характеризуется тем, что длина прорезей двутавровых сердечников обмотки равна длине канавок штока поршня и толщине кольцевых магнитов, а толщина полок сердечников обмотки выполняется равной толщине выступов штока поршня.
ДВС характеризуется тем, что прорези кольцевых сердечников обмотки у штока поршня заполнены немагнитным материалом.
На фиг. представлена конструктивная схема предлагаемого ДВС для инструментов ударного действия, а на фиг. 2 - шток поршня и магниты с сердечниками обмотки.
ДВС содержит цилиндрический корпус 1 с крышкой 2 и дном 3, размещенные в корпусе 1 поршень-ударник 4, опирающийся на возвратную пружину 5, и главный поршень 6, камеру сгорания 7 между крышкой 2 и главным поршнем 6, основную подпоршневую полость 8 между главным поршнем 6 и поршнем-ударником 4, дополнительную подпоршневую полость 9, образованную нижним торцем поршня-ударника 4 и дном 3, с установленной в дополнительной подпоршневой полости 9 возвратной пружиной 5 и соосно с ней хвостовиком 10 рабочего инструмента, входящим через отверстие в дно 3 наружу. В корпусе 1 выполнены выпускные 11 и перепускные 12 каналы. ДВС содержит блок зажигания 13, топливную аппаратуру 14, электронный блок 15 и аккумулятор 16.
Главный поршень 6 снабжен выполненным из магнитного материала штоком 17 у статора 18. Сердечники 19 обмотки статора (фиг. 2) выполнены кольцевыми двутаврового сечения и расположены внутри корпуса 1. Постоянные магниты 20 выполнены кольцевыми, охватывают шток 17 главного поршня 6 и расположены по обеим сторонам сердечников 19. На штоке 17 прорезаны кольцевые канавки 21, заполненные немагнитным материалом, например, сплавом на основе алюминия. Постоянные магниты 20 обращены друг к другу разноименными полюсами.
Кольцевые сердечники 19 имеют прорези длиной "h" и полки толщиной "k", длина кольцевых канавок 21 штока 17 составляет величину "H". Толщина выступов штока 17 равна "m". Толщина кольцевых магнитов 20 составляет величину "c". Длина прорезей "h" кольцевых сердечников 19 равна длине канавок "H" штока 17 и толщине "c" кольцевых магнитов 20, а толщина полок "k" кольцевых сердечников 19 равна толщине выступов "m" штока 17.
Прорези 22 кольцевых сердечников 19 у штока 17 заполнены немагнитным материалом, например сплавом на основе алюминия.
Корпус 1, также как и главный поршень 6, могут быть изготовлены из магнитных материалов, например чугунов или сталей, обеспечивающих высокую износостойкость трущихся пар при высоких температурах в камере сгорания 7.
ДВС для инструментов ударного действия работает следующим образом.
При подаче топлива в камеру сгорания 7 от топливной аппаратуры 14 и воспламенения горючей смеси от блока зажигания 13 главный поршень 6 под действием давления газов движется от ВМТ (верхней мертвой точки) внутри корпуса 1 вниз в основной подпоршневой полости 8. При достижении им границы выпускных окон 11 выхлопные газы выходят наружу.
После пересечения главным поршнем 6 верхней части перепускных каналов 12 воздух начинает перетекать из основной подпоршневой полости 8 в камеру сгорания 7, обеспечивая подачу свежего воздуха и продувку. При дальнейшем движении от ВМТ вниз главный поршень 6 перекрывает нижнюю часть перепускных каналов 12, вследствии чего воздух в основной подпоршневой полости 8 между обоими поршнями начинает сжиматься, оказывая давление на неподвижный поршень-ударник 4. Под действием этого давления поршень-ударник 4 начинает двигаться вниз, сжимая воздух в дополнительной подпоршневой полости 8 и возвратную пружину 5. При касании нижним торцем поршня-ударника 4 верхней границы хвостовика 10 рабочего инструмента будет совершаться необходимое ударное воздействие. Главный поршень 6 достигнет нижней мертвой точки (НМТ) в тот момент, когда его кинетическая энергия полностью превратиться в потенциальную энергию сжатого воздуха в основной подпоршневой полости 8.
На всем протяжении перемещении главного поршня 6 со штоком 17 от ВМТ к НМТ (фиг. 2) магнитные потоки кольцевых магнитов 20 генерируют ЭДС в обмотках сердечников 19, снимаемую с электрических разъемов. Генерирование ЭДС происходит в тот промежуток времени, когда выступы "m" штока 17 находятся вблизи полок "k" кольцевых сердечников 19 (на фиг. 2 магнитные силовые линии показаны пунктиром).
После прохождения НМТ потенциальная энергия сжатого в основной подпоршневой полости 8 воздуха перемещает главный поршень 6 со штоком 17 по направлению к ВМТ. При движении главного поршня 6 от НМТ в основную подпоршневую полость 8 поступает свежий заряд. После перекрытия главным поршнем 6 перепускных каналов 12 происходит сжатие воздуха в камере сгорания 7 вплоть до достижения главным поршнем 6 ВМТ. На всем протяжении перемещения главного поршня 6 со штоком 17 от НМТ к ВМТ магнитные потоки кольцевых магнитов 20 вновь генерируют ЭДС в обмотках сердечников 19. Далее цикл повторяется.
При остановке ДВС главный поршень 6 под действием силы тяжести опускается вниз и своим штоком 17 опирается на впадину поршня-ударника 4. Для запуска ДВС электрический ток от аккумулятора 16 через электронный блок 15 поступает к сердечникам 19 обмотка статора 18, создавая электромагнитное поле и перемещая шток 17 с главным поршнем 6 к ВМТ, что обеспечивает запуск ДВС.
В качестве материала кольцевых магнитов 20 может использоваться сплав неодим-железо-бор, обладающий высокими магнитными свойствами.
Для повышения надежности сердечников 19 обмотки статора 18 у штока 17 имеют кольцевые вставки 22, выполненные из немагнитного материала, например из алюминиевого сплава.
Использование предлагаемого технического решения способствует повышению надежности работы ДВС, увеличению эффективности работы электрогенератора и упрощению запуска ДВС.