Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH A CONROD-FREE MECHANISM

Изобретение предназначено для использования в двигателестроении и в других отраслях. Двигатель может быть использован в качестве источника механической энергии машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта, для привода различных промышленных и бытовых агрегатов.
Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом Власова (патент РФ на изобретение №2141046, опубл. 10.11.1999). Цилиндры двигателя расположены звездообразно. Поршни с помощью штоков связаны роликовыми опорами на их концах с внутренними рабочими кромками беговой дорожки вращающегося диска, жестко закрепленного на валу. Пары оппозитно расположенных цилиндров равномерно размещены по окружности диска, при этом цилиндры каждой пары смещены относительно их общей продольной геометрической оси в сторону, противоположную рабочему вращению диска.
Недостатками известного двигателя являются повышенный износ в результате бокового давления поршней на стенки цилиндров; сложность его конструкции и изготовления беговой дорожки, расположенной на диске, имеющей повторяющиеся выступы и впадины.
Известен двухтактный поршневой двигатель, принятый за прототип (патент РФ на изобретение №2101524, опубл. 10.01.1998), содержащий корпус, цилиндр с окнами газораспределения, поршень с уплотнительными кольцами, головку цилиндра с отверстием для форсунки или свечи, толкатель, соединенный с поршнем и скользящий в направляющих корпуса, коренной вал и подшипник, размещенный на конце толкателя, при этом подшипник воздействует на коренной вал, имеющий в сечении многогранник.
С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: корпус и коренной вал.
Недостатками прототипа являются наличие "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек; боковое давление поршней на стенки цилиндров во время работы двигателя и, следовательно, их повышенный износ; сложность изготовления коренного вала, имеющего в сечении многогранник.
Изобретение направлено на увеличение надежности двигателя за счет снижения износа его оставляющих.
Это достигается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом содержит корпус и коренной вал. В предложенном решении на корпусе закреплены под углом 90° две пары оппозитно расположенных цилиндров с поршнями, на каждом из которых закреплены два параллельных штока. Свободные концы штоков, выведены за пределы корпуса через два линейных подшипника. Штоки соединены с толкателями, на которых установлены подшипники. На коренном вале закреплен плоский диск, на котором выполнены круговая беговая дорожка, отверстие для обеспечения динамической стабилизации плоского диска и выступ для замыкания контактов зажигания, установленных на корпусе для каждого из цилиндров.
Для предотвращения поворота поршня вокруг своей оси на нем закреплены два параллельных штока, свободные концы которых, в целях уменьшения трения, выведены за пределы корпуса через два линейных подшипника для цилиндрических направляющих. Штоки поршней оппозитно расположенных цилиндров объединены толкателем, на котором установлен подшипник. Толкатель одной из пар цилиндров выполнен с изгибом, чтобы пропустить под собой толкатель другой пары цилиндров. Применение в каждом поршне двух штоков, предотвращающих поворот поршня вокруг своей оси, обеспечивает сохранение продольной оси подшипника параллельным оси вращения коренного вала с плоским диском, на котором выполнена круговая беговая дорожка с центром смещенным от центра плоского диска на 0,5 высоты хода поршня, отверстием для обеспечения динамической стабилизации плоского диска и выступом для замыкания контактов зажигания установленных на корпусе. Поршни с помощью штоков, толкателя и подшипника, связаны с внутренними рабочими кромками беговой дорожки плоского диска, жестко закрепленного на коренном валу, установленному на корпусе. Таким образом, поперечные реактивные силы, создаваемые подшипником на толкателе и штоках, могут быть переданы на корпус без передачи поперечной силы поршню, уменьшая, таким образом, рабочую нагрузку на двигатель и, следовательно, уменьшая износ цилиндра и поршня. Обеспечение параллельности осей вращения подшипника и плоского диска исключает их перекос и, следовательно, уменьшает износ подшипника и кромок беговой дорожки. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, четыре цилиндра расположены с образованием двух пар под углом 90°, оси которых пересекаются на оси коренного вала двигателя с обеспечением симметрии и возможности реверсирования направления работы двигателя. Рабочий ход в каждый момент времени работы двигателя происходит в двух прилегающих цилиндрах, исключая, тем самым, "замирание" поршней при прохождении ими верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвых точек, тем самым обеспечивается плавность хода.
Такты работы двухтактного двигателя:
Такт сжатия. Поршень перемещается от НМТ нижней к верхней ВМТ поршня, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в камере под поршнем вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого через впускное окно и приоткрытый клапан поступает горючая смесь в камеру под поршнем.
Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется от свечи. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает высокое давление в камере под поршнем, сжимая горючую смесь в ней. Под действием давления клапан закрывается, не давая, таким образом горючей смеси выходить назад из камеры. Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в камере под поршнем горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен двигатель с местными разрезами, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - циклограмма работы двигателя.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом содержит корпус 1, на котором закреплены под углом 90° друг к другу цилиндры 2, 3, 4, 5 с окнами газораспределениями. Цилиндры образуют пары 2, 4 и 3, 5 и расположены оппозитно. В каждом цилиндре 2, 3, 4, 5 установлены поршни 6 и свечи зажигания 7. На поршне 6 закреплены два параллельных штока 8, свободные концы которых, выведены за пределы корпуса 1 через два линейных подшипника 9, установленных на корпусе 1. Штоки 8 поршней 6 оппозитно расположенных цилиндров 2, 4 и 3, 5 соединены с толкателями 10 и 11, соответственно. Один из толкателей 10 выполнен с изгибом. На толкателях 10 и 11 установлены подшипники 12 и 13, соответственно. В корпусе 1 установлен коренной вал 14. На коренном вале 14 закреплен плоский диска 15. На диске 15 выполнены круговая беговая дорожка 16 с центром смещенным от центра диска на 0,5 высоты хода поршня 6, отверстие 17 для обеспечения его динамической стабилизации и выступ 18 для замыкания контактов зажигания 19. Контакт зажигания 19 установлен на корпусе 1 для каждого из цилиндров 2, 3, 4, 5.
Исходное положение двигателя - 0° (на фиг. 3). Дорожка 16 на диске 15 находится в верхнем положении, а находящийся в ней подшипник 12 через толкатель 10 и штоки 8 удерживает поршень 6 цилиндра 2 в ВМТ в готовности к такту рабочего хода, а поршень 6 цилиндра 4 в НМТ в готовности к такту сжатия. Подшипник 13 через толкатель 11 и штоки 8 удерживает поршень 6 цилиндра 3 во время его нахождения между НМТ и ВМТ, а поршень 6 цилиндра 5 находится между ВМТ и НМТ, создавая крутящий момент. Диск 15, в данном случае, вращается по часовой стрелке, а отверстие 17 на нем осуществляет динамическую стабилизацию.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ (фиг. 3)
Поворот диска 15 от 0° до 90°. Выступ 18 замыкает контакт зажигания 19 на корпусе 1 и подает напряжение на свечу 7 цилиндра 2, в котором начинается такт рабочего хода. Поршень 6 через штоки 8 с линейными подшипниками 9, толкатель 10 и подшипник 12, который, прокатываясь по дорожке 16, вращает диск 15, закрепленный на вале 14, вместе с дорожкой 16, обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 2 от ВМТ к НМТ, осуществляя такт рабочего хода, и обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 4 от НМТ к ВМТ, осуществляя такт сжатия. Подшипник 13, прокатываясь по дорожке 16, через толкатель 11 и штоки 8 перемещает поршень 6 цилиндра 3 в ВМТ в режиме такта сжатия, а поршень 6 цилиндра 5 перемещает в НМТ в режиме такта рабочего хода.
Поворот диска 15 от 90° до 180°. Выступ 18 замыкает контакт зажигания 19 на корпусе 1 и подает напряжение на свечу 7 цилиндра 3, в котором начинается такт рабочего хода. Поршень 6 через штоки 8 с линейными подшипниками 9, толкатель 11 и подшипник 13, который, прокатываясь по дорожке 16, вращает диск 15, закрепленный на вале 14, вместе с дорожкой 16, обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 3 от ВМТ к НМТ, осуществляя такт рабочего хода, и обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 5 от НМТ к ВМТ, осуществляя такт сжатия. Подшипник 12, прокатываясь по дорожке 16, через толкатель 10 и штоки 8 перемещает поршень 6 цилиндра 4 в ВМТ в режиме такта сжатия, а поршень 6 цилиндра 2 перемещает в НМТ в режиме такта рабочего хода.
Поворот диска 15 от 180° до 270°. Выступ 18 замыкает контакт зажигания 19 на корпусе 1 и подает напряжение на свечу 7 цилиндра 4, в котором начинается такт рабочего хода. Поршень 6 через штоки 8 с линейными подшипниками 9, толкатель 10 и подшипник 12, который, прокатываясь по дорожке 16, вращает диск 15, закрепленный на вале 14, вместе с дорожкой 16, обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 4 от ВМТ к НМТ, осуществляя такт рабочего хода, и обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 2 от НМТ к ВМТ, осуществляя такт сжатия. Подшипник 13, прокатываясь по дорожке 16, через толкатель 11 и штоки 8 перемещает поршень 6 цилиндра 5 в ВМТ в режиме такта сжатия, а поршень 6 цилиндра 3 перемещает в НМТ в режиме такта рабочего хода.
Поворот диска 15 от 270° до 360°. Выступ 18 замыкает контакт зажигания 19 на корпусе 1 и подает напряжение на свечу 7 цилиндра 5, в котором начинается такт рабочего хода. Поршень 6 через штоки 8 с линейными подшипниками 9, толкатель 11 и подшипник 13, который, прокатываясь по дорожке 16, вращает диск 15, закрепленный на диске 14, вместе с дорожкой 16, обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 5 от ВМТ к НМТ, осуществляя такт рабочего хода, и обеспечивает движение поршня 6 цилиндра 3 от НМТ к ВМТ, осуществляя такт сжатия. Подшипник 12, прокатываясь по дорожке 16, через толкатель 10 и штоки 8 перемещает поршень 6 цилиндра 2 в ВМТ в режиме такта сжатия, а поршень 6 цилиндра 4 перемещает в НМТ в режиме такта рабочего хода.
Далее циклы повторяются.
Использование предложенного изобретения позволяет снизить механические потери; исключить "замирания" поршней при прохождении ими верхней и нижней мертвых точек; исключить боковое давления поршней на стенки цилиндров; упростить балансировку; уменьшить износ подшипника и кромок беговой дорожки; уменьшить трения в местах прохода штоков поршней через направляющие в корпусе; обеспечить симметрию и возможность реверсирования направления работы двигателя. Все вышесказанному приводит к снижению износа и увеличению надежности двигателя. Помимо этого, предложенное решение является экономичным и отличается простой конструкции и технологией изготовления двигателя.