УСТРОЙСТВО С ПОРШНЕМ, ИМЕЮЩИМ ВЕРХНИЕ УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE WITH PISTON INCORPORATING TOP ELONGATED ELEMENTS (VERSIONS)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Приоритет данной заявки заявляется по заявке на патент США №10/804351, поданной 17 марта 2004, озаглавленной «Устройство с поршнем, имеющим верхние удлинительные элементы», описание которой целиком включено в данный документ для всех целей.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение, в целом, относится к устройствам, приводимым в действие поршнем, например насосам и двигателям. В одном конкретном варианте выполнения данное изобретение относится к двухтактным двигателям.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существующие двухтактные двигатели с цилиндром с окнами и с продувкой картера двигателя обычно используются в многочисленных областях применения, где требуется малая мощность. Однако известные двухтактные двигатели имеют несколько недостатков.
Один недостаток обусловлен тем фактом, что впускное и выхлопное окна известных двухтактных двигателей обычно расположены практически на одном уровне. Это приводит к тому, что некоторое количество всасываемой топливной смеси следует за выхлопными газами наружу из выхлопного окна, с уменьшением, тем самым, эффективности и увеличением выбросов загрязняющих веществ.
Другой недостаток известных двухтактных двигателей обусловлен тем, что некоторое количество смазочного масла может проходить к выхлопному окну, вызывая выбросы загрязняющих веществ и часто оставляя отложения на стенках этого окна, образуя твердый слой углерода или «кокса», который ограничивает выхлоп и является причиной других проблем.
Еще одним недостатком известных двухтактных двигателей является сложность доведения засосанной топливной смеси из нижней части цилиндра двигателя к верхней части цилиндра, где расположен поджигающий электрод. Во время работы с приоткрытым дросселем наибольшую часть того, что остается в цилиндре, составляют отработанные газы. Перемещение небольшого количества свежей топливной смеси, неразбавленной отработанными газами, к поджигающему электроду становится весьма проблематичным. Типичными являются пропуски зажигания, приводящие к неравномерной работе, и пульсации. В связи с этим были предложены различные устройства такие, как контурная продувка или отклоняющие поршни, для того, чтобы смесь проходила в камеру сгорания без вытекания некоторой ее части через выхлопное окно. Однако ни одно из этих различных устройств не является полностью удачным.
Еще одним недостатком известных двухтактных двигателей является сложность смазки стенки цилиндра, а также поршня. При прохождении поршня над впускным окном и выхлопным окном вокруг нижней периферии цилиндра ограничивается количество масла, которое может быть доставлено к верхней стенке цилиндра. Поршень осуществляет боковое давление на стенку цилиндра, что приводит к истиранию и преждевременному износу.
Еще одним недостатком известных двухтактных двигателей является использование картера двигателя в качестве нагнетательного насоса для заряда продувкой. Это приводит к доставке заряда при весьма ограниченном давлении, ограничивающем регулировку процесса продувки. Кроме того, поскольку на парах масла работоспособность сохраняют лишь более дорогостоящие подшипники, требуется смесь масла с топливом или дорогая система смазки.
С целью уменьшения выбросов и для задержки впрыскивания топлива до тех пор, пока не закроется выхлопное окно, использовались системы впрыскивания топлива. Однако подобные системы являются обычно дорогостоящими и часто приводят к новым проблемам.
В течение многих лет предпринимались попытки, связанные с подачей заряда свежей топливной смеси непосредственно к свече зажигания для обеспечения зажигания при любом ходе поршня. Однако ни одна из этих попыток не была действительно успешной.
Соответственно, существует потребность в создании двухтактного двигателя, у которого эффективным и недорогим способом решены вышеупомянутые проблемы, свойственные известным двигателям.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение удовлетворяет эту потребность. В самом широком смысле данное изобретение представляет собой устройство, пригодное для использования как в двухтактном двигателе, так и в насосе. Устройство содержит: (а) цилиндр, имеющий верхнюю часть, нижнюю часть, внутреннюю боковую стенку и верхнюю крышку и дополнительно содержащий впускное окно, выполненное в верхней части, и выхлопное окно, выполненное в нижней части; (b) промежуточную головку цилиндра, неподвижно расположенную внутри цилиндра для отделения верхней части цилиндра от его нижней части, проходящую поперек через внутреннюю часть цилиндра и имеющую верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем головка цилиндра расположена внутри цилиндра с обеспечением ограничения по меньшей мере одного зазора между внутренней боковой стенкой и головкой цилиндра; (с) поршень, с возможностью скольжения расположенный внутри цилиндра и имеющий наружную боковую стенку, размеры и протяженность которой достаточны для создания функционального уплотнения с внутренней боковой стенкой цилиндра, при этом поршень также имеет нижнюю часть с верхней поверхностью, расположенной внутри нижней части цилиндра, и верхнюю часть, имеющую по меньшей мере один прямой удлинительный элемент, имеющий самую верхнюю часть и проходящий вверх от нижней части поршня через указанный по меньшей мере один зазор головки с возможностью прохождения вверх в верхнюю часть цилиндра, при этом верхняя поверхность нижней части поршня выполнена с обеспечением создания, вместе с внутренней боковой стенкой цилиндра и нижней поверхностью головки цилиндра, замкнутой нижней камеры, а поршень функционально присоединен к коленчатому валу посредством штока и расположен с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра между ходом вверх и ходом вниз; и (d) верхнюю стенку поршня, расположенную перпендикулярно внутренней боковой стенке цилиндра, прикрепленную к самой верхней части указанного по меньшей мере одного прямого удлинительного элемента и выполненную с обеспечением создания, совместно с внутренней боковой стенкой цилиндра, замкнутой верхней камеры в верхней части цилиндра непосредственно над верхней стенкой поршня, при этом верхняя стенка поршня также выполнена с обеспечением создания, совместно с указанным по меньшей мере одним прямым удлинительным элементом, внутренней боковой стенкой цилиндра и верхней поверхностью головки цилиндра, замкнутой промежуточной камеры непосредственно под верхней стенкой поршня.
В одном конкретном варианте выполнения изобретения, в котором изобретение является полезным для использования в двухтактном двигателе, данное изобретение дополнительно содержит клапан для поочередного впуска текучих сред в промежуточную камеру, а также для поочередного предотвращения выпуска текучих сред из промежуточной камеры; средство обеспечения поочередного перемещения текучих сред между промежуточной камерой и нижней камерой; и поджигающий электрод, расположенный вблизи нижней камеры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие свойства, аспекты и преимущества данного изобретения будут более понятны путем обращения к последующему описанию, прилагаемой формуле изобретения и сопроводительным чертежам, на которых:
фиг.1 представляет собой продольный разрез первого устройства, имеющего признаки согласно настоящему изобретению;
фиг.2 представляет собой продольный разрез устройства, показанного на фиг.1, по линии 2-2;
фиг.3 представляет собой другой продольный разрез устройства, показанного на фиг.1, изображающий поршень в другом положении;
фиг.4 представляет собой аксонометрический вид компонента поршня устройства, показанного на фиг.1;
фиг.5 представляет собой аксонометрический вид клапана верхней стенки поршня, пригодного для данного устройства;
фиг.6 представляет собой аксонометрический вид поршня в разобранном виде и связанных с ним компонентов, показанных на фиг.4;
фиг.7 представляет собой аксонометрический вид, показывающий первый вариант клапана верхней стенки поршня в разобранном виде, пригодного для данного устройства;
фиг.8 представляет собой аксонометрический вид, показывающий второй вариант клапана верхней стенки поршня, в разобранном виде, пригодного для данного устройства;
фиг.9 представляет собой продольный разрез второго устройства, имеющего признаки согласно настоящему изобретению;
фиг.10 представляет собой продольный разрез третьего устройства, имеющего признаки согласно настоящему изобретению;
фиг.11 представляет собой другой продольный разрез устройства, изображенного на фиг.10, показывающий клапан в закрытом положении;
фиг.12 представляет собой аксонометрический вид поршня с вырезанной частью, имеющего признаки согласно настоящему изобретению, показывающий прямой удлинительный элемент;
фиг.13 представляет собой другой вид поршня с вырезанной частью, имеющего признаки согласно настоящему изобретению, показывающий компонент головки цилиндра по отношению к прямому удлинительному элементу;
фиг.14 и 15 представляют собой аксонометрические виды прямого удлинительного элемента поршня с вырезанной частью во взаимосвязи с элементом головки цилиндра;
фиг.16 представляет собой аксонометрический вид элемента головки цилиндра во взаимосвязи со свечой зажигания;
фиг.17 представляет собой аксонометрический продольный разрез четвертого устройства, имеющего признаки согласно настоящему изобретению;
фиг.18 представляет собой первый вид устройства, показанного на фиг.17, в разобранном виде;
фиг.19 представляет собой второй вид устройства, показанного на фиг.17, в разобранном виде;
фиг.20 представляет собой первый продольный разрез устройства, показанного на фиг.17;
фиг.21 представляет собой второй продольный разрез устройства, показанного на фиг.17;
фиг.22 представляет собой аксонометрический продольный разрез устройства, имеющего признаки согласно настоящему изобретению, показывающий расположение гребней уплотнения относительно внутренней части цилиндра и головки цилиндра;
фиг.23А, 23В и 23С представляют собой поперечные сечения, соответственно, по линиям 23А, 23В и 23С, показанным на фиг.3;
фиг.24 представляет собой поперечное сечение по линии 24-24, показанной на фиг.23А;
фиг.25 представляет собой поперечное сечение по круговой стрелке 25, показанной на фиг.23А;
фиг.26 представляет собой частичный продольный разрез по круговой стрелке 26, показанной на фиг.23С;
фиг.27 представляет собой продольный разрез пятого устройства, имеющего признаки согласно настоящему изобретению; и
фиг.28 представляет собой продольный разрез шестого устройства, имеющего признаки согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Последующее изложение представляет собой подробное описание одного варианта выполнения данного изобретения и нескольких разновидностей данного варианта выполнения. Данное изложение не следует рассматривать как ограничивающее данное изобретения этими частными вариантами выполнения. Также, специалисты в данной области техники смогут признать и другие варианты выполнения.
Данное изобретение представляет собой устройство 10, которое может использоваться как в двухтактном двигателе 11, так и в насосе 12. Фиг.1-26 иллюстрируют устройство 10, которое может использоваться в двухтактном двигателе 11. Фиг.27 и 28 иллюстрируют устройство 10, которое может использоваться в насосе 12.
Данное изобретение содержит поршень 13 особой конструкции, расположенный в цилиндре 14 особой конструкции. Цилиндр 14 содержит верхнюю часть 16, нижнюю часть 18 и верхнюю крышку 20. Цилиндр 14 дополнительно содержит одну или несколько боковых стенок 22, каждая из которых имеет внутреннюю поверхность 24.
В варианте выполнения, в котором устройство 10 используется в двухтактном двигателе 11, в верхней части 16 цилиндра выполнено по меньшей мере одно впускное окно 26, а в нижней части 18 цилиндра выполнено по меньшей мере одно выхлопное окно 28. Впускное окно 26 предназначено для выпуска топливной смеси 30 в верхнюю часть 16 цилиндра 14, например, через карбюратор или инжектор (не показаны).
Внутри цилиндра 14 неподвижно расположена промежуточная головка 32 цилиндра с обеспечением отделения верхней части 16 от нижней части 18 цилиндра. Головка 32 проходит поперек внутренней части цилиндра 14 и имеет верхнюю поверхность 34, нижнюю поверхность 36 и боковые стенки 38.
Головка 32 может быть неподвижно установлена в цилиндре 14 любым подходящим способом, например сваркой, прессовой посадкой или формированием как единое целое с цилиндром 14. Между головкой 32 и внутренней стенкой каждого прямого удлинительного элемента 66 (описан ниже) поршня возможно выполнение упругого уплотнения 40.
Головка 32 расположена внутри цилиндра 14 так, что ограничивает по меньшей мере один зазор 42 головки между боковой стенкой 22 и головкой 32. В вариантах выполнения, показанных на чертежах, головка 32 имеет пару противолежащих боковых стенок 38 для ограничения пары противолежащих зазоров 42 головки.
Также, в показанном на чертежах варианте выполнения цилиндр содержит охлаждающие ребра 44, расположенные вокруг его наружной поверхности. Как вариант, вместо охлаждающих ребер 44 могут быть выполнены внутренние каналы для охлаждения жидкостью.
Поршень 13 расположен внутри цилиндра 14 с возможностью скольжения. Поршень 13 функционально присоединен к коленчатому валу 46 посредством штока 48 поршня и выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра 14 между тактом хода вверх и тактом хода вниз. В нижней части 59 поршня 13 с возможностью вращения расположен палец 50 кривошипа. Верхняя часть штока 48 расположена вокруг пальца 50 кривошипа, а сам шток проходит с обеспечением взаимодействия с традиционным коленчатым валом 46, расположенным внутри традиционного картера 56 двигателя.
Поршень 13 лучше всего виден на фиг.4, 5 и 6. Поршень 13 имеет по меньшей мере одну наружную боковую стенку 58. Указанная по меньшей мере одна наружная боковая стенка 58 поршня выполнена с размерами и объемом для обеспечения функционального уплотнения внутренней поверхности 24 по меньшей мере одной боковой стенки 22 цилиндра.
Поршень 13 имеет нижнюю часть 59, расположенную внутри нижней части цилиндра. Нижняя часть поршня имеет верхнюю поверхность 60, которая предназначена совместно с внутренней поверхностью 24 боковой стенки 22, прямыми удлинительными элементами 66 и нижней поверхностью 36 головки 32 для ограничения замкнутой нижней камеры 62. При использовании устройства 10 в двухтактном двигателе 11 нижняя камера 62 служит в качестве камеры сгорания.
Поршень 13 также имеет верхнюю часть 64, которая содержит по меньшей мере один прямой удлинительный элемент 66. Указанный по меньшей мере один прямой удлинительный элемент 66 проходит вверх от нижней части 59 поршня через указанный по меньшей мере один зазор 42 головки и выполнен с возможностью прохождения вверх в верхнюю часть 16 цилиндра.
В показанном на данных чертежах вариантах выполнения указанный по меньшей мере один прямой удлинительный элемент 66 содержит пару противолежащих прямых удлинительных элементов 66. В подобных вариантах выполнения головка 32 расположена внутри цилиндра 14 так, что ограничивает пару противолежащих зазоров 42 между внутренней поверхностью 24 боковой стенки 22 и головкой 32. Каждый из пар противолежащих прямых удлинительных элементов 66 проходит вверх от нижней части 59 поршня через один или два противолежащих зазора 42 головки и выполнен с возможностью прохождения в верхнюю часть 16 цилиндра.
Верхняя стенка 68 поршня расположена поперек внутренней части цилиндра 14 и прикреплена к самой верхней части указанного по меньшей мере одного прямого удлинительного элемента 66. Верхняя стенка 68 поршня предназначена совместно с внутренней поверхностью 24 боковой стенки 22 для ограничения замкнутой верхней камеры 70 в верхней части 16 цилиндра непосредственно над верхней стенкой 68 поршня. При использовании устройства 10 в двухтактном двигателе 11 верхняя камера 70 служит в качестве входного коллектора.
Верхняя стенка 68 поршня также предназначена совместно с указанным по меньшей мере одним прямым удлинительным элементом 66, внутренней поверхностью 24 боковой стенки 22 и верхней поверхностью 34 головки 32 для образования замкнутой промежуточной камеры 72. При использовании устройства 10 в двухтактном двигателе 11 промежуточная камера 72 служит в качестве канала продувки.
Внутри цилиндра 14 выполнен клапан 74 для поочередного впуска текучих сред в промежуточную камеру 72 и для поочередного предотвращения выпуска текучих сред из промежуточной камеры 72.
В варианте выполнения, показанном на фиг.1-8, клапан 74 представляет собой инерционный клапан, расположенный в верхней стенке 68 поршня. Инерционный клапан 74 приспособлен для открытия, на ходе поршня 13 вниз, за счет сил инерции и давления, и закрытия, на ходе поршня 13 вверх, за счет обратных сил инерции и давления. На фиг.5 и 6 показан первый инерционный клапан 74, пригодный для данного изобретения. На фиг.7 и 8 показаны два альтернативных инерционных клапана 74, пригодных для данного изобретения.
В вариантах выполнения, показанных на фиг.9 и 28, клапан 74 является наружным клапаном 74, обычно механическим или электромеханическим клапаном 74 (фиг.9), или откидным или пластинчатым клапаном 74 (фиг.28). В обоих случаях клапан 74 управляет потоком текучих сред, впрыскиваемых непосредственно в промежуточную камеру 72 через канал 75, проходящий через боковую стенку 22 цилиндра. В случае, когда клапан 74 является откидным или пластинчатым клапаном, он приводится в открытое состояние потоком поступающих текучих сред во время движения поршня 13 вверх и приводится в закрытое состояние за счет давления внутри промежуточной камеры 72 во время движения поршня 13 вниз.
Для поочередного перемещения текучих сред между промежуточной камерой 72 и нижней камерой 62 и для поочередного предотвращения перемещения текучих сред между промежуточной камерой 72 и нижней камерой 62 предусмотрено также средство 76. В одном варианте выполнения функцию подобного средства 76 выполняет клапан 78. На фиг.10 и 11 показан подобный вариант выполнения. Клапан 78 представляет собой дисковый клапан, имеющий удлиненный шток 80, который проходит через верхнюю крышку 20 цилиндра, через отверстие 81 клапана в верхней стенке 68 поршня и через увеличенный канал 82 в головке цилиндра. Диск 84 расположен у конца штока 80 клапана. Дисковый клапан может приводиться в действие с возможностью перемещения вверх и вниз посредством различных средств 76, обычно посредством электромеханического исполнительного механизма 85. Дисковый клапан выполнен с возможностью перемещения в нижнее положение, как это показано на фиг.10, где дисковый элемент и канал 82 в головке 32 разнесены друг от друга. При нахождении дискового клапана в верхнем положении, как показано на фиг.11, канал 82 в верхней стенке 68 поршня герметично закрыт дисковым клапаном с удержанием, таким образом, топливной смеси 30 в нижней камере 62.
Средство 76, предназначенное для поочередного перемещения текучих сред между промежуточной камерой 72 и нижней камерой, альтернативно представляет собой по меньшей мере один канал 86 продувки, расположенный внутри указанного по меньшей мере одного прямого удлинительного элемента 66. Во время прохождения поршня 13 как вверх, так и вниз, каналы 86 открыты и для промежуточной камеры 72, и для нижней камеры 62. Таким образом, во время прохождения поршня 13 вниз он осуществляет сжатие текучих сред в промежуточной камере 72 между головкой 32 и верхней стенкой 68 поршня. В результате такого сжатия текучие среды внутри промежуточной камеры 72 принудительно перемещаются в нижнюю камеру 62 через каналы 86.
В варианте выполнения, показанном на фиг.1-9, 12-16 и 23-26, каждая из пар прямых удлинительных элементов 66 содержит каналы 86 продувки. В варианте выполнения, показанном на этих чертежах, некоторые из каналов 86 в каждой из пар прямых удлинительных элементов 66 не имеют верхней стенки 88. Те каналы 86, которые имеют верхнюю стенку 88, также имеют нижнюю стенку 90, которая расположена ниже нижней стенки 90 каналов 86, которые не имеют верхней стенки 88. Возможно выполнение множества других конструктивных решений канала продувки.
Размер и длина каналов 86 заданы и конструктивно решены с обеспечением создания большего или меньшего усилия, действующего в каналах 86 продувки, для обеспечения достаточного количества свежей смеси в заданном местоположении внутри нижней камеры 62 с возможностью воспламенения в каждом такте. Конструктивное решение каналов 86 продувки, а также их размеры обеспечивают создание потока с большим процентным содержанием топливной смеси 30 из промежуточной камеры 72 в нижнюю камеру 62. Соответствующие конструкции каналов продувки обеспечивают подачу желательного количества или процентного содержания топливной смеси 30 к заданному местоположению в нижней камере 62. Как показано на фиг.12-15, форма каналов 86 также может быть такой, чтобы направлять топливную смесь 30 в конкретное местоположение внутри нижней камеры 62.
В верхней части хода поршня все каналы 86 закрыты головкой 32, препятствуя, таким образом, сообщению текучих сред между промежуточной камерой 72 и нижней камерой 62.
В варианте выполнения, в котором устройство 10 используется в двухтактном двигателе 11, оно дополнительно содержит поджигающий электрод 92, расположенный вблизи нижней камеры 62, для воспламенения текучих сред внутри нижней камеры 62. Обычно подобный поджигающий электрод 92 выполнен в виде обычной свечи зажигания. В одном варианте выполнения поджигающий электрод 92 расположен по центру с возможностью сведения к минимуму цикла сгорания и, тем самым, улучшения сгорания.
Фиг.17-21 показывают другой вариант выполнения, в котором поджигающий электрод 92 установлен вертикально в головке 32. Этот вариант выполнения также показывает другой способ установки головки 32 в цилиндр 14 с использованием воротника 93 головки цилиндра, имеющего собственные охлаждающие ребра 44. В этом варианте выполнения электроды поджигающего электрода расположены в нижней камере 62, а его верхняя часть расположена в продольно расположенной трубке 94, проходящей через верхнюю стенку 68 поршня и закрепленной на головке 32. Трубка 94 служит в качестве доступа к свече зажигания. Этот вариант выполнения обеспечивает наилучшее сгорание смеси за счет центрального расположения свечи зажигания. Поскольку объем, занимаемый трубкой 94, эффективно снижает объем верхней части 16 цилиндра, диаметр верхней части 16 может быть увеличен, как показано, для компенсации такой потери объема.
Как показано на фиг.22-26, на внутренней поверхности 24 боковой стенки 22 в продольно проходящих разнесенных по периферии пазах 98 могут быть установлены вертикальные, ориентированные в осевом направлении гребни 96 уплотнения. Гребни 96 расположены в цилиндре 14 с возможностью уплотнения обеих сторон каждого прямого удлинительного элемента 66. Обычно гребни 96 проходят на длину хода поршня. В варианте выполнения, показанном на чертежах, гребни 96 с возможностью скольжения также расположены внутри вертикальных пазов 99 поршня, границы которых определены во внешних боковых стенках поршня 13. При размещении гребней 96 в пазах 99 они служат для сведения к минимуму вращательного перемещения поршня 13 внутри цилиндра 14.
Гребни 96 предназначены для ограничения двух диаметрально противолежащих тяговых квадрантов 100 и двух диаметрально противолежащих выпускных квадрантов 102 на внутренней поверхности 24 стенки цилиндра. Тяговые квадранты 100 показаны на фиг.23А, а выпускные квадранты 102 показаны на фиг.23В. Тяговые квадранты 100, расположенные по существу параллельно коленчатому валу 46, берут на себя всю нагрузку преобразования возвратно-поступательного движения поршня 13 во вращательное движение коленчатого вала 46.
Гребни 96 выполняют четыре функции: создают газонепроницаемое уплотнение, осуществляют рассеивание тепла у острой кромки удлинительных элементов 66, осуществляют регулирование масла на внутренней поверхности 24 цилиндра и поршня 13 и служат для предотвращения вращения поршня 13.
На каждой боковой стенке головки 32 расположен боковой гребень 106 уплотнения для уплотнения удлинительного элемента 66 и головки 32. Каждый соответствующий конец на боковых гребнях 106 уплотнения совпадает с краями гребня 96.
В вариантах выполнения, показанных на чертежах, гребни уплотнения 96 и 106 подталкиваются радиально к поршню 13 посредством удлиненных волнообразных синусоидальных пружинных элементов 104, установленных в пазах 98 гребней уплотнения.
В разнесенных друг от друга кольцевых пазах 109, выполненных на наружной поверхности поршня в нижней части 59 поршня 13 для создания эффективного уплотнения между поршнем 13 и стенкой 22 цилиндра, расположены кольца 108 поршня. В варианте выполнения, показанном на чертежах, в соответствующих кольцевых пазах 109 поршня 13 расположено пять колец 108. Первое кольцо 108а установлено в кольцевом пазе 109 в верхнем конце нижней части 59 поршня, а три кольца 108 - второе кольцо 108b, третье кольцо 108с и четвертое кольцо 108d - установлены в соответствующих кольцевых пазах 109 в нижней части 59 поршня 13. Пятое кольцо 108е расположено в кольцевом пазе 109 поршня в нижней части 59 поршня.
Кольца 108 являются кольцами традиционного типа, большего размера по сравнению с цилиндром 14, причем каждое имеет зазор 111 для создания постоянного радиального направленного наружу пружинящего давления, действующего на стенку 22, чтобы кольцо 108 поршня заполнило зазор между поршнем 13 и цилиндром 14.
Каждое кольцо 108 поршня имеет ограниченные по своему периметру два диаметрально противолежащих тяговых квадранта 110 и два диаметрально противолежащих выпускных квадранта 112. Эти квадранты соответствуют квадрантам, которые ограничены гребнями 96 уплотнения. Некоторые из квадрантов 110 или 112 колец 108 поршня, за исключением первого кольца 108а, имеют периферийные участки, уменьшенные по диаметру, например, сточенными, как показано на фиг.23А и 23В. Уменьшенные кромки квадрантов соответствующих колец 108 поршня обеспечивают возможность прохода масла вверх на стенку 22 цилиндра для обеспечения смазки между стенкой 22 цилиндра и поршнем 13.
Кольца 108 предназначены для создания возможности смазки верхних частей поршня 13, при этом их расположение и конструктивное решение обеспечивает прохождение масла через удлинительные элементы 66 для обеспечения смазки верхней стенки 22 и смежных компонентов. Масло может проходить вверх по стенке 22 для смазки удлинительных элементов 66, относительно стенки 22, и в то же время эти же самые кольца герметизируют нижнюю камеру 62.
Углубления 114 в соответствующих кольцах 108 поршня совмещены с гребнями 96 уплотнения для предотвращения контакта между кольцами 108 поршня и гребнями 96 уплотнения. Углубления 114 в кольцах 108 поршня служат дополнительной цели, которая заключается в предотвращении вращения колец поршня.
Первое кольцо 108а служит в качестве компрессионного кольца. Первое кольцо 108а имеет равномерный полный наружный диаметр. Это кольцо 108а служит для предотвращения достижения маслом верхней камеры 70 и обеспечивает компрессионное уплотнение для промежуточной камеры 72.
Второе кольцо 108b также выполняет функцию компрессионного кольца. Это второе кольцо 108b имеет уменьшенный диаметр у его тяговых квадрантов 110. Назначение этого кольца 108b заключается в создании возможности перемещения масла вверх цилиндра 14 на тяговые квадранты 100 и осуществления смазки удлинительных элементов 66 поршня. Это кольцо 108 также способствует герметизации нижней камеры 62.
Третье кольцо 108с служит в качестве маслосъемного кольца. Третье кольцо 108с имеет тяговые квадранты 110 уменьшенного диаметра для создания возможности поступления масла вверх по стенке 22 цилиндра через тяговые квадранты 110 для смазки удлинительных элементов 66 поршня и стенки 22 цилиндра.
Четвертое кольцо 108d служит в качестве кольца 108, регулирующего масло. Четвертое кольцо 108d имеет уменьшенный диаметр в его выпускных квадрантах 112 и способствует регулировке подачи масла на тяговые квадранты 100 и сведению к минимуму масла на выпускных квадрантах 102.
Пятое кольцо 108е служит в качестве маслосъемного кольца. Это самое нижнее кольцо 108е имеет уменьшенный диаметр у его тяговых квадрантов 110, служит для снятия масла с выпускных квадрантов 102 и создает возможность прохождения масла вверх по тяговой стороне 110 цилиндра 14.
При эксплуатации двухтактный двигатель 11, показанный на фиг.1-6, осуществляет работу следующим образом. Когда поршень 13 достигает своей самой низкой точки в конце такта, инерционный клапан 74 закрыт, некоторые каналы 86 продувки могут быть закрыты, а выхлопное окно 28 открыто. Верхняя камера 70 увеличена до максимального размера и заполнена свежей топливной смесью 30. Промежуточная камера 72 уменьшена до минимального размера и заполнена остаточными продуктами топливной смеси 30 от только что завершившегося такта поршня. Нижняя камера 62 увеличена до максимального размера и заполнена двумя составами газов. В нижней части нижней камеры 62 находятся выхлопные газы от только что завершившегося такта поршня, а в верхней части нижней камеры 62 находится свежая топливная смесь 30, которая предварительно располагалась внутри промежуточной камеры 72. Выхлопное окно 28 открыто, и выхлопные газы внутри нижней части нижней камеры 62 вытесняются из нижней камеры 62 свежей топливной смесью 30 в верхней части нижней камеры 62. Устройство 10 конструктивно решено так, что прежде чем свежая топливная смесь 30 внутри нижней камеры 62 достигнет выхлопного окна 28, поршень 13 начинает совершать ход вверх, при этом наружная поверхность нижней части 59 поршня перемещается вверх для закрытия выхлопного окна 28.
После начала перемещения поршня 13 вверх инерционный клапан 74 приводится в открытое состояние. Как только верхняя стенка 68 поршня начинает сокращать верхнюю камеру 79 и расширять промежуточную камеру 72, свежая топливная смесь 30 поступает из верхней камеры 70 в промежуточную камеру 72. Каналы 86 продувки мгновенно приводятся в открытое состояние, а затем снова закрываются для герметичного закрытия нижней камеры 62. Соответственно, по мере продолжения перемещения поршня 13 вверх, свежая топливная смесь 30 внутри нижней камеры 62 начинает сжиматься.
После того, как поршень 13 проходит свое самое верхнее положение и начинает движение вниз, инерционный клапан 74 приводится в закрытое положение, а размер верхней камеры 70 доводится до минимума. При этом размер промежуточной камеры 72 доводится до максимума и заполняется свежей топливной смесью 30. Каналы 86 продувки закрыты. Размер нижней камеры 62 доводится до минимума и заполняется сжатой топливной смесью 30.
Непосредственно перед этим срабатывает поджигающий электрод 62, взрывая сжатую топливную смесь 30 внутри нижней камеры 62, приводя тем самым поршень 13 в движение вниз.
По мере продолжения движения поршня 13 вниз инерционный клапан 74 остается закрытым. Размер верхней камеры 70 увеличивается, перемещая свежую топливную смесь 30 внутрь верхней камеры 70. Размер промежуточной камеры 72 уменьшается, при этом свежая топливная смесь 30 внутри промежуточной камеры 72 начинает сжиматься. Нижняя камера 62 расширяется и заполняется выхлопными газами.
По мере продолжения дальнейшего продвижения поршня 13 вниз выхлопное окно 28 открывает каналы 86 продувки, и свежая топливная смесь 30 внутри промежуточной камеры 72 вытесняется в верхнюю часть нижней камеры 62. Поток свежей топливной смеси 30 из промежуточной камеры 72 в верхнюю часть нижней камеры 62 заставляет выхлопные газы внутри нижней камеры 62 проходить вниз.
После этого некоторые из каналов 86 продувки закрываются по мере приближения поршня 13 к самой нижней точке. После того, как поршень 13 достиг самой нижней точки, начинается новый такт поршня.
Как было отмечено выше, устройство 10 также может быть эффективно использовано в насосе 12. Возможно создание разных конструктивных решений насоса 12. На фиг.27 и 28 показаны только два из них. На фиг.27 показано, что все три камеры 62, 70 и 72 используются для нагнетания текучей среды, например, жидкости. Устройство 10 аналогично вышеописанному устройству. Однако в варианте выполнения, показанном на фиг.27, верхняя камера 70 поочередно сообщается с впускным окном 116 верхней части и выпускным окном 118 верхней части. Также, как промежуточная камера 72, так и нижняя камера поочередно сообщается с впускным окном 120 промежуточной части и выпускным окном 122 промежуточной части.
Для обеспечения впуска текучих сред в верхнюю камеру 70 через впускное окно 116 верхней части во время хода поршня 13 вниз и для предотвращения выхода текучих сред из верхней камеры 70 через впускное окно 116 верхней части во время хода поршня 13 вверх имеется впускной клапан 124 верхней камеры.
Для обеспечения впуска текучих сред в промежуточную камеру 72 через впускное окно 120 промежуточной части во время хода поршня 13 вверх и для предотвращения выхода текучих сред из промежуточной камеры 72 через впускное окно 120 промежуточной части во время хода поршня вниз имеется впускной клапан 126 промежуточной камеры.
Для обеспечения впуска текучих сред в нижнюю камеру 62 через впускное окно 120 промежуточной части во время хода поршня 13 вниз и для предотвращения выхода текучих сред из нижней камеры 62 через впускное окно 120 промежуточной части во время хода поршня 13 вверх имеется впускной клапан 128 нижней камеры.
Для обеспечения выхода текучих сред из верхней камеры 70 через выпускное окно 118 верхней части во время хода поршня 13 вверх и для предотвращения входа текучих сред в верхнюю камеру 70 через выпускное окно 118 верхней части во время хода поршня 13 вниз имеется выпускной клапан 130 верхней камеры.
Для обеспечения выхода текучих сред из промежуточной камеры 72 через выпускное окно 122 промежуточной части во время хода поршня 13 вниз и для предотвращения входа текучих сред в промежуточную камеру 72 через выпускное окно 122 промежуточной части во время хода поршня 13 вверх имеется выпускной клапан 132 промежуточной камеры.
Наконец, для обеспечения выхода текучих сред из нижней камеры 62 через выпускное окно 122 промежуточной части во время хода поршня 13 вверх и для предотвращения входа текучих сред в нижнюю камеру 62 через выпускное окно 122 промежуточной части во время хода поршня 13 вниз имеется выпускной клапан 134 нижней камеры.
На фиг.28 показано второе конструктивное решение насоса 12. В варианте выполнения, показанном на фиг.28, для нагнетания текучих сред, например воздуха, используется верхняя камера 70, а промежуточная и нижняя камеры используются в двухтактном двигателе 11 для приведения в действие насоса 12.
Верхняя часть цилиндра 14 определяет границы впускного окна 116 верхней части и выпускного окна 118 верхней части. Нижняя часть 18 цилиндра 14 определяет границы выхлопного окна 28 (на фиг.28 не показан).
Для обеспечения впуска текучих сред в верхнюю камеру 70 через впускное окно 116 верхней части во время хода поршня 13 вниз и для предотвращения выхода текучих сред из верхней камеры 70 через впускное окно 116 верхней части во время хода поршня 13 вверх имеется впускной клапан 124 верхней камеры.
Для обеспечения выхода текучих сред из верхней камеры 70 через выпускное окно 118 верхней части во время хода поршня 13 вверх и для предотвращения входа текучих сред в верхнюю камеру 70 через выпускное окно 118 верхней части во время хода поршня 13 вниз имеется выпускной клапан 130 верхней камеры.
Для поочередного перемещения текучих сред в промежуточную камеру 72 и для поочередного предотвращения перемещения текучих сред из промежуточной камеры 72 выполнен клапан 74. В варианте выполнения, показанном на фиг.28, подобный клапан 74 выполнен в виде откидного или пластинчатого клапана 74. В других вариантах выполнения откидной или пластинчатый клапан 74 может быть заменен внутренним инерционным клапаном 74, расположенным в верхней стенке 68 поршня 13.
Для поочередного перемещения текучих сред между промежуточной камерой 72 и нижней камерой 62 и для поочередного предотвращения перемещения текучих сред между промежуточной камерой 72 и нижней камерой 62 выполнено также средство 76. В варианте выполнения, показанном на фиг.28, подобное средство 76 выполнено в виде каналов 86 продувки в удлинительных элементах 66, как описано в отношении варианта выполнения, показанного на фиг.1-9 и 12-26.
И, наконец, вблизи нижней камеры 62 расположен поджигающий электрод 92, предназначенный для воспламенения текучих сред внутри нижней камеры 62.
Как показано на фиг.28, выпускное окно 118 верхней камеры может быть соединено с выхлопным окном 28 для создания комбинированной смеси из воздуха и выхлопных газов. В других вариантах выполнения выпускное окно 118 верхней камеры может быть не соединено с выхлопным окном 28.
Данное изобретение обеспечивает недорогой, эффективный и результативный способ решения проблемы, присущей предшествующему уровню техники, связанной с двухтактными двигателями, которая заключается в выбросе втянутой топливной смеси через выхлопное окно. В данном изобретении эта проблема решается введением топливной смеси в верхней части камеры сгорания. Таким образом, данная смесь должна совершать перемещение вниз цилиндра, заполняя камеру сгорания, прежде чем она достигнет выхлопного окна. Путем регулировки количества втянутой смеси поршень приводится в движение вверх с закрытием выхлопного окна, прежде чем смесь вытечет.
Данное изобретение также обеспечивает простой, эффективный и недорогой способ решения проблемы, присущей предшествующему уровню техники, связанной с двухтактными двигателями, которая заключается в прохождении смазочного масла к выхлопному окну. В данном изобретении эта проблема решается введением квадрантной системы колец и уплотнений, а также расположением выхлопного канала не на тяговом квадранте. Длинные уплотнения в цилиндре изолируют квадранты, а кольца ограничивают допуск масла к нетяговым квадрантам. Это не оказывает отрицательного действия на работу двигателя, так как нагрузка поршня на эти квадранты минимальна.
Данное изобретение также обеспечивает простое, эффективное и недорогое решение проблемы, присущее предшествующему уровню техники, связанной с двухтактными двигателями, которая заключается в переносе втянутой топливной смеси из нижней части двигателя к верхней части цилиндра, где расположен поджигающий электрод. В данном изобретении эта проблема решается выполнением продувочной камеры более высокого давления, способной к подаче втянутой смеси непосредственно к верхней части камеры сгорания. Имея определенную форму и направление, каналы подачи обеспечивают доставку воспламеняемой смеси к поджигающему электроду даже при очень небольших открытиях дросселя.
Данное изобретение также обеспечивает простое, эффективное и недорогое решение проблемы, присущей предшествующему уровню техники, связанной с двухтактными двигателями, которая заключается в сложности смазки стенок цилиндра. В данном изобретении эта проблема решается непрерывной подачей масла к тяговым квадрантам. Эти квадранты не подвергаются воздействию теплоты сгорания, так как продвижение поршня вверх закрывает эти квадранты во время работы двигателя. В этих квадрантах нет окон, так что масло может свободно поступать вверх между стенкой цилиндра и поршнем.
Данное изобретение также обеспечивает простое, эффективное и недорогое решение проблемы, присущей предшествующему уровню техники, связанной с двухтактными двигателями, которая заключается в использовании картера двигателя в качестве нагнетательного насоса для продувки. В данном изобретении эта проблема решается выполнением промежуточной камеры. Эта камера поставляет втянутую смесь непосредственно к камере сгорания с возможностью сжатия, во много раз превышающего сжатие насоса картера. Кроме того, это создает возможность использовать картер двигателя в качестве маслоотстойника, с устранением смешивания масла с топливом и позволяет использовать недорогие подшипники скольжения.
Исходя из описанного таким образом данного изобретения, следует понимать, что возможны многочисленные конструктивные модификации и изменения без отклонения от объема правовой охраны и сущности настоящего изобретения, как изложено выше.