ДВУХТАКТНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания применяемых в автомобилях, авиации и других областях машиностроения.
Наиболее близким решением к заявленной полезной модели является двухтактный четырехцилиндровый поршневой двигатель, содержащий поршневой цилиндр, поршни со штоками, системы подачи топливной смеси, зажигания и выпуска отработанных газов и роторное кольцо, установленное неподвижно на валу двигателя и имеющее наружную и внутреннюю дорожки, контактирующие соответственно с наружными и внутренними роликами поршней (см. патент РФ №2103530, МПК F02B 75/22, F01B 9/06, опубл. 1998 г.)
Недостатками известного двигателя является:
- излишне сложный громоздкий и мало эффективный механизм преобразования обратно поступательных движений поршня во вращательные;
- штоки имеют большую массу, создающую дополнительную нагрузку при обратно поступательных движениях поршня;
- на штоках имеются уплотнительные кольца и большое количество подшипников, которые могут быстро изнашиваться;
- роторное кольцо имеет в верхней мертвой точке тупой угол дорожки относительно движению штоков и оказывают большое сопротивление поршню при рабочем ходе;
- конструктивная особенность данного механизма не позволяет сделать угол дорожки острее, что непременно увеличило бы КПД двигателя.
Целью настоящей полезной модели является простота конструкции, повышение мощности на объем цилиндра, снижение расхода топлива на лошадиную силу, надежность в работе, небольшая масса двигателя и высокий КПД
Для решения поставленной цели в предлагаемом двигателе, содержащем картер, поршневой цилиндр, поршень с толкателем, систему подачи топливной смеси зажигания и выпуска отработанных газов, двигатель оснащен кулачковым механизмом двустороннего действия, подвижно соединенного пальцем с толкателем. Кулачковый механизм состоит из вала отбора мощности, на котором жестко закреплены с промежутком под толкатель два маховика. С их внутренней стороны зеркально выполнены одинаковые направляющие кулачковые пазы, образующие каждый два кулачка двустороннего действия. По пазам движется палец толкателя установленный в них своими концами между маховиков, поэтому кулачки работают в паре как один кулачек. Толкатель устанавливается на палец между маховиков от поперечного смещения относительно центра оси вращения кулачкового механизма его подвижно, удерживают два упора с противоположенных сторон. Установлены упоры между маховиков и жестко крепятся к картеру двигателя. На них и на прилегающих к ним стенках толкателя выполнены направляющие дорожки с ограничителями хода роликов в виде бобышек, по которым катятся удерживающие толкатель ролики, длинна дорожек в два раза меньше хода толкателя. Упоры стальные, их ширина соответствует ширине толкателя. Ролики стальные, имеют диаметр достаточный для выполнения своей функции, их ширина равна ширине толкателя, устанавливаются между упором и толкателем не менее одного на две дорожки.
Толкатели стальные квадратного сечения, с одного конца в головке выполнено калиброванное отверстие, в которое через роликовый подшипник вставляется палец толкателя, с другого конца толкателя выполнено резьбовое соединение для крепления поршня. Длина толкателя достаточная чтобы юбка поршня не задевала маховики в нижней мертвой точке, настенках с двух сторон от диаметра пальца выполнены дорожки для удерживающих его роликов.
Картер двигателя металлический состоит из двух половин, внутри размещается кулачковый механизм и упоры, снаружи крепится цилиндр.
Поршень выполнен из легкого сплава, цилиндрический, имеет в нижней части направляющую юбку, регулирующую продувку картера, головку с канавками под компрессионные кольца и по центру диаметра выполнено крепление для толкателя.
Палец толкателя стальной, цилиндрический, диаметр соответствует ширине направляющего кулачкового паза, длина достаточная для работоспособности и палец не упирался в торцы паза, от возможных перекосов его удерживает толкатель.
Маховики стальные, круглые, по центру окружности выполнено отверстие для крепления на вал отбора мощности. Кулачки в них выполнены попарно в виде пазов фигуры параллелограмма. С равным удалением всех сторон от указанного, отверстия, две его торцовые стенки скошены по ходу вращения маховиков. Скосы выполнены неравномерно радиально выпуклыми с уменьшением радиуса к вершине, место соединения скосов с прилегающей рабочей плоскостью образуют вершины кулачков. Глубина пазов образует плоскости кулачков шириной достаточной для удержания в них и работоспособности пальца толкателя. Высота пазов равна толщине пальца, во время движения по ним палец своими концами катится по плоскостям паза, вращаясь в подшипнике толкателя. Для исключения поломки механизма, палец толкателя и направляющие пазы должны иметь минимальный зазор. Кулачки имеют форму неправильной пирамиды с плоскостями на ней: прилегающею к центру пирамиды - основную и противоположенную ей - возвратную. Основная плоскость делится на рабочую и толкающую.
Рабочая плоскость имеет прямолинейную поверхность от основания до вершины. Толкающая плоскость сильно выпуклая относительно осевой линии, проходящей между вершинами кулачков и центром оси вала, состоит из двух частей, от основания до середины кулачка она прямолинейная, выполнена параллельно рабочей плоскости, далее радиально выпуклой, к вершине радиус плавно уменьшается. Выпуклая поверхность значительно увеличивает длину плоскости от основания до вершины. Возвратная плоскость повторяет профили основных плоскостей и в любом случае возвращает поршень в нижнюю мертвую точку поворотом кулачка. Кулачки у основания вокруг своей оси вращения имеют невидимую окружность, диаметр которой равен ширине основания кулачка, имеется в виду, основная плоскость кулачка. Диаметр позволяет при прохождении по нему пальца в нижней мертвой точке не задевать головкой толкателя за вал отбора мощности. Для уменьшения диаметра этой окружности предпочтительно в валу выполнить углубления в местах прохождения головки толкателя. Расстояние от диаметра окружности до вершины кулачка соответствует ходу поршня в цилиндре.
Плоскости кулачка постоянно находятся под углом относительно упоров. При этом угол наклона плоскостей меняется в зависимости от места положения вершины кулачка к упору и влияет на скорость движения и ход поршня, относительно градуса поворота кулачка, с обострением угла увеличивается скорость и ход поршня. Выпуклая толкающая плоскость регулирует ход поршня относительно градуса поворота кулачка, управляет нагрузкой на кулачковый механизм. Так от нижней мертвой точки до середины хода она толкает поршень с ускорением. А далее до верхней мертвой точки с замедлением путем изменения угла наклона плоскости кулачка к упору.
При рабочем цикле пальцу легче сместить кулачок, так как он вклинивается в острый угол между упором и плоскостью кулачка в верхней мертвой точке. При этом поршень проходит большее расстояние, чем поворот кулачка с постепенным замедлением хода к нижней мертвой точке. При повороте кулачка на 90* поршень проходит от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг 1 - изображено продольное сечение двигателя; на фиг 2 - поперечное сечение двигателя; на фиг 3 - кулачковый механизм - продольное сечение; на фиг 4 - кулачковый механизм - поперечное сечение; на фиг 5 - толкатель; на фиг 6 - упор; на фиг 7 - маховики - поперечное сечение; на фиг 8 - маховики - продольное сечение.
Двухтактный поршневой двигатель содержит; разъемный картер двигателя 1, цилиндр 2, впускное окно 3, выпускное окно 4, Поршень 5, головка поршня 6, юбка поршня 7, толкатель 8, дорожка ролика толкателя 9, ограничитель хода ролика толкателя 10, ролик 11, гнездо пальца 12, подшипник пальца 13, палец 14, упор толкателя 15, дорожка ролика на упоре 16, ограничитель хода ролика 17, кулачковый механизм 18, маховики 19, направляющий кулачковый паз 20, рабочая плоскость кулачка 21, толкающая прямолинейная плоскость 22, радиальная плоскость 23, вершина кулачка 24, основание кулачка 25, возвратная плоскость 26, радиус кулачка 27, свеча зажигания 28. Двухтактный поршневой двигатель работает следующим образом.
При повороте маховиков 19 толкающие прямолинейные плоскости кулачка 22 вытесняют палец 14 из тупого угла между упором 15, в который через ролик 11 упирается толкатель 8 с плоскостью кулачка 22, палец 14 катится по плоскости 22, поднимая поршень 5 к верхней мертвой точке. Так как плоскость кулачка 22 выпуклая относительно основания и вершины кулачка 24, то она очень быстро станет под острым углом к упору 15 и с ускорением переместит поршень 5 до середины его хода. Юбка поршня 7 откроет впускное окно 3 и полость картера заполнится горючей смесью. Далее выпускное окно 4 цилиндра 2 закроет головка поршня 6, давление в цилиндре начнет увеличиваться, сжимая горючею смесь, плоскость кулачка 23 плавно преобразуется в тупой угол поршень 5 пойдет с замедлением относительно градуса поворота кулачка. В верхней мертвой точке вершина кулачка 24 проходит середину диаметра пальца 14, его рабочая плоскость 21 станет под острым положительным углом к упору 15, так как основание кулачка 25 будет выше пальца 14. Свеча зажигания 28 воспламенит сжатую горючею смесь и начнется рабочий ход, где под давлением газов поршень 5 пойдет к нижней мертвой точке. Палец 14 начнет смещать вершину кулачка практически под прямым углом относительно своего хода, упираясь в рабочую плоскость 21. От поперечного смещения его будет удерживать толкатель 8, упираясь в упор 15 через катящиеся по дорожкам 9 и 16 ролик 11. А так как наибольшее давление газов в цилиндре тогда, когда поршень 5 находится в верхней мертвой точке, при этом вершина кулачка 24 находится в наибольшем удалении от центра вращения кулачкового механизма 18 и имеет наибольший рычаг, именно здесь будет достигнут наибольший крутящий момент. По мере приближения поршня 5 к середине хода рычаг кулачка уменьшится, угол станет тупее и снизится давление на поршень. В конце рабочего хода откроется выпускное окно 4 и начнется продувка цилиндра новой смесью, при этом кулачковый механизм повернется на 50*.
Преимущества предлагаемого двигателя:
Снижение расхода топлива на лошадиную силу, повышение мощности на объем цилиндра за один рабочий цикл, небольшая масса двигателя, надежность в работе, простота конструкции, высокий КПД.
Предлагаемый механизм технологичен, в нем можно предавать плоскостям нужные профили, углы наклона относительно движения толкателя, менять количество кулачков и цилиндров для достижения требуемого результата от двигателя.
Предлагаемая конструкция позволит получить лучший результат на малообъемных двигателях, применяемых в авиации, лодках, мотоциклах, а также и бытовой технике.
В целях снижения вибрации от дисбаланса рекомендуется оснащать двигатель двумя противоположными цилиндрами, работающими одновременно. Конструкция позволяет изготовить четырехтактный вариант двигателя, но предпочтительнее двухтактный двигатель, так как наибольший крутящий момент достигается в верхней мертвой точке, а снижается к середине хода поршня, где рабочий ход заканчивается, при этом минимальный объем пустот картера обеспечивает более полно наполнение цилиндра горючей смесью. Таким образом, поставленная цель достигнута.