Результат интеллектуальной деятельности: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в устройствах ударного действия с возратно-поступательным движением рабочего органа, например, в отбойных молотках, перфораторах, вибраторах, трамбовках, и т.п., для применения в строительстве, горном деле и других отраслях народного хозяйства.

Известен ДВС для инструментов ударного действия [А.с. СССР N 1523331, МПК B25D 9/10, опубл. 1987], содержащий цилиндрический корпус с закрепленной в нем гильзе. В гильзу помещен поршень, шарнирно соединенный с шатуном. На другом конце шатуна имеется головка с осевым буфером-стволом. В последний, свободно установлена меньшая ступень двухступенчатого корпуса пневматического амортизатора. Механизм пуска выполнен в виде клиновидного бокового выступа, размещенного на головке шатуна, толкателя в виде двуплечего рычага, большее плечо которого взаимодействует с боковой поверхностью шатуна, а скошенный торец периодически контактирует с клиновидным боковым выступом. Механизм подъема выполнен в виде двух соосных зубчатых колес, храповой собачки и рейки, жестко связанной с боковой поверхностью шатуна.

Недостатки ДВС заключаются в том, что он имеет низкую надежность работы. В основе работы лежит принцип действия дизель-молота для забивания свай, в котором энергия падающего тяжелого цилиндра (или поршня) используется как для совершения полезной работы, так и для воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) для совершения нового цикла. Для этого необходим большой запас кинетической энергии, чтобы довести степень сжатия в камере сгорания до величины 1215, для надежного самовоспламенения ТВС и совершения полезной работы. Поэтому поршень в ДВС должен быть либо большой массы, либо падать с большой высоты. То и другое исключает ДВС из класса ручных инструментов. Поскольку в описании ДВС представлен как ручной инструмент, то вышеназванные причины приводят к ненадежности работы этого двигателя. Герметичность камеры сгорания обеспечивается тремя подвижными уплотнениями, в случае нарушения любого из них снижается надежность самовоспламенения ТВС. КПД ДВС значительно снижается в результате того, что падающий поршень совершает удар не непосредственно по поршню-бойку, а передает свою энергию через газовую подушку в камере сгорания. Пусковая шестерня постоянно находится в зацеплении с поршнем, что снижает КПД и надежность работы в результате увеличения пар трения и износа. Надежность работы дизель-молотка снижается при отклонениях его продольной оси от вертикали.

Известен ДВС для инструментов ударного действия [А.с. СССР N 656825, МПК B25D 9/10, опубл. 1979], содержащий цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, образованную торцом поршня-ударника и крышкой, подпоршневую полость, образованную вторым торцом и дном, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и соосно ей хвостовик рабочего инструмента, выходящий через отверстие в дне наружу, установленные в крышке впускные и выпускные клапаны, выполненные в виде тарелки со штоком, и электрическую цепь зажигания, в крышке установлены механизмы взвода впускного и выпускного клапанов, каждый из которых выполнен в виде двух рычагов, своими концами соответственно шарнирно связанных с крышкой и штоком клапана, и пружин, размещенных на рычагах между их шарнирными осями, и механизмом зажигания, выполненным в виде шарнирно закрепленных на крышке подпружиненного рычага, с которым периодически взаимодействует впускной клапан, и стержня, подвижно установленного в крышке, взаимодействующего с рычагом и предназначенного для включения и выключения электрической цепи, а шток впускного клапана выполнен с осевым каналом и отверстиями в тарелке, сообщенными между собой и служащими для подачи топлива в камеру сгорания.

Недостатки ДВС заключаются в том, что, во-первых, он имеет низкий КПД работы, который вызван следующими причинами: степень сжатия равна нулю, т.е. ТВС начинает гореть при атмосферном давлении, поэтому выделение энергии будет небольшим по отношению к единице объема ТВС и, как следствие, будет слабый удар поршня-ударника по рабочему инструменту; герметичность камеры сгорания, кроме неподвижных, обеспечивается двумя подвижными соединениями, при этом увеличивается вероятность утечек и уменьшается сила удара, и, во-вторых, в ненадежности его работы, которая обусловлена следующими причинами: многоэлементностью газораспределительного механизма, что в условиях динамических нагрузок приводит к отказам по причине перекосов, заклиниваний, износа и т.п.; сложностью настройки механизма взвода впускного и выпускного клапанов, т.к. в результате температурных воздействий, смолистых отложений, нагара, износа изменяются усилия открытия и закрытия клапанов; закоксовыванием канала, управляющего открытием выпускного клапана; ненадежностью работы узла зажигания, выражающаяся в заклинивании подвижных частей механизма удержания в результате нагара, возможностью сваривания контактов, сложностью регулировки момента зажигания; отсутствием пускового механизма; отсутствием охлаждения поршня, что приводит к выгоранию смазки; прекращением работы в случае пропуска зажигания, т.к. ход сжатия возвратной пружины равен полному ходу поршня. Несгоревшая ТВС не сможет продвинуть поршень до открытия выпускного канала вследствие постоянного противодействия пружины, поэтому не произойдет зарядки свежей ТВС.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ДВС для инструментов ударного действия [патент RU 2116188, МПК B25D 9/10, опубл. 27.07.1998 г.], содержащий цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, образованную торцом поршня-ударника и крышкой, подпоршневую полость, образованную вторым торцом и дном, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и соосно с ней хвостовик рабочего инструмента, выходящий через отверстие в дне наружу, причем камера сгорания в конце рабочего хода поршня-ударника последовательно соединяется с атмосферой и подпоршневой полостью посредством выполненных в корпусе выпускным и продувочным каналами, а блок зажигания электрически соединен со свечой зажигания, установленной в крышке корпуса, и с контактами управления моментом зажигания.

Недостатки прототипа заключаются в использовании возвратной пружины, в которой накапливается энергия для движения поршня-ударника вверх и сжатия ТВС. Из-за большой деформации пружины при перемещении поршня-ударника происходят достаточно большие потери энергии, запасенной в движущемся вниз поршне. Вторым недостатком прототипа является наличие ТВС в подпоршневой полости. Так как при ударах поршня-ударника об хвостовик рабочего инструмента возможно возникновение искры, это может вызвать поджиг ТВС и повреждение корпуса двигателя. Третьим недостатком прототипа является использование исторически устаревших карбюратора и механического прерывателя контактов для получения электрической искры. Четвертым недостатком является необходимость использования неподзаряжаемой в процессе работы электрической батареи для работы данного прерывателя.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является повышение КПД и надежности двигателя внутреннего сгорания.

Техническим результатом изобретения является повышения КПД и надежности работы двигателя внутреннего сгорания за счет отказа от использования карбюратора, механического прерывателя контактов и осуществления возможности подзаряжания аккумулятора устройства в процессе работы.

Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания для инструментов ударного действия, содержащем цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенным в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания под крышкой корпуса, подпоршневую полость, образованную вторым торцом поршня-ударника и дном, с установленной в подпоршневой полости возвратной пружиной и соосно с ней хвостовиком рабочего инструмента, выходящим через отверстие в дне корпуса наружу, выполненные в корпусе продувочные и перепускной каналы, блок зажигания, электрически соединенный со свечой зажигания, установленной в крышке корпуса, новым является то, что двигатель содержит немагнитный цилиндрический корпус, дополнительно содержит немагнитный главный поршень и основную подпоршневую полость между ним и поршнем-ударником, электронный блок, аккумулятор и электрогенератор, содержащий неподвижные катушки на корпусе и вмонтированный в немагнитный главный поршень магнит, топливный насос, буферную топливную емкость и электрически управляемую форсунку, а также бесконтактную систему управления моментом зажигания, содержащую неподвижную управляющую катушку на корпусе.

Отличия заявляемого технического решения от прототипа заключаются в том, что двигатель содержит немагнитный цилиндрический корпус, дополнительно содержит немагнитный главный поршень и основную подпоршневую полость между ним и поршнем-ударником, электронный блок, аккумулятор, содержащий неподвижные катушки на корпусе и вмонтированный в немагнитный главный поршень магнит, топливный насос, буферную топливную емкость и электрически управляемую форсунку, а также бесконтактную систему управления моментом зажигания, содержащую неподвижную управляющую катушку на корпусе. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Совокупность вышеперечисленных отличительных от прототипа признаков не выявлена в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания для инструментов ударного действия. Двигатель состоит из немагнитного цилиндрического корпуса 1, в котором поступательно перемещается немагнитный главный поршень 2. Между крышкой немагнитного цилиндрического корпуса и верхним торцом главного поршня образуется герметичная камера сгорания 3, в которой образуется и поджигается топливовоздушная смесь (ТВС). Ниже главного поршня в немагнитном цилиндрическом корпусе находится основная подпоршневая область 4, в средней части которой на одном уровне в немагнитном цилиндрическом корпусе прорезаны несколько выпускных каналов 5, соединенных с атмосферой. Внутри немагнитного главного поршня в аксиально просверленном отверстия находится цилиндрический мощный магнит 6. С обоих торцов магнит окружен магнитопроводами в виде двух магнитомягких (АРМКО-железо, электротехническая сталь, пермаллой и альсифер) цилиндрических вставок 22.

В средней части немагнитного цилиндрического корпуса вокруг него соосно расположен последовательный ряд 7 нескольких цилиндрических катушек электрогенератора, электрически соединенных с укрепленным на корпусе электронным блоком 8, в котором переменные электродвижущие силы (ЭДС), наводимые в этих катушках выпрямляются, обеспечивая электропитание двигателя постоянным рабочим напряжением и подзаряжая электроаккумуляторы 9, расположенные в электронном блоке.

Немного ниже верхнего края выпускных каналов 5 в немагнитном цилиндрическом корпусе 1 вырезано отверстие, в которое выходит верхний край перепускного канала 10 в виде изогнутой трубы, расположенной снаружи немагнитного цилиндрического корпуса. Нижний край перепускного канала 10 через еще одно отверстие в немагнитном цилиндрическом корпусе соединяется с нижней частью основной подпоршневой области 4. Ниже этого края перепускного канала 10 внутри немагнитного цилиндрического корпуса 1 находится подпружиненный поршень-ударник 11. Между нижним торцом поршня-ударника и дном немагнитного цилиндрического корпуса 1 расположена дополнительная подпоршневая область 12, внутри которой расположена возвратная пружина 13 для возвращения поршня-ударника в исходное положение, а также соосно с немагнитным цилиндрическим корпусом хвостовик рабочего инструмента 14, выходящий через отверстие в дне корпуса наружу.

В верхней части немагнитного цилиндрического корпуса вокруг него соосно расположена цилиндрическая управляющая катушка 15. Для образования в камере сгорания ТВС на крышке немагнитного цилиндрического корпуса расположена электрически управляемая топливная форсунка 16, а также электрическая свеча 17. Свеча 17 соединена с катушкой зажигания 18. Топливная форсунка 16 соединена с буферной топливной емкостью 19 обеспечивающей форсунку необходимым давлением топлива. При этом буферная топливная емкость также соединена с электрическим топливным насосом 20, который закачивает в нее топливо (бензин) из топливного бачка 21, соединенного с немагнитным цилиндрическим корпусом.

Двигатель работает следующим образом.

При воспламенении от свечи 17 горючей смеси в камере сгорания 3 (фиг. 1) немагнитный главный поршень 2 под действием большого давления сгоревших газов движется внутри немагнитного цилиндрического корпуса 1 вниз в основной подпоршневой области 4 с быстро возрастающей скоростью. При достижении им границы выпускных окон 5, вырубленных в корпусе 1, сгоревшие газы выходят наружу через эти окна. Далее немагнитный главный поршень по инерции движется вниз, пересекая верхнюю границу обмоток катушек 7 электрогенератора. Под действием изменяющегося магнитного поля, передающегося от магнита 6 через магнитопроводы 22 наружу немагнитного цилиндрического корпуса 1, в этих катушках будет наводиться переменная ЭДС, которая в электронном блоке 8 преобразовывается в постоянное рабочее напряжение, а также используется для заряда аккумулятора 9.

При дальнейшем движении главного поршня вниз и пересечении его нижним торцом нижней границы выпускного окна 5 воздух в нижней части основной подпоршневой области 4 начнет сжиматься и перетекать через перепускной канал 10 в камеру сгорания 3, вентилируя ее от остатков сгоревших газов.

При пересечении главным поршнем нижней границы перепускного окна 10 воздух в самой нижней части основной подпоршневой области 4 между обоими поршнями начнет быстро сжиматься, оказывая большое давление на неподвижный поршень-ударник 11. Под действием этого давления, по закону упругого соударения масс обоих поршней, поршень-ударник начнет двигаться вниз, сжимая воздух в дополнительной подпоршневой области 12 и возвратную пружину 13, в то время как немагнитный главный поршень отскочит вверх.

При касании нижним торцом поршня-ударника верхней границы хвостовика рабочего инструмента 14 импульс поршня-ударника будет передаваться рабочему инструменту, тем самым оказывая необходимое механическое действие.

При этом немагнитный главный поршень под действием большого давления сжатого воздуха между поршнями будет двигаться с возрастающей скоростью вверх. При пересечении им границы обмоток катушек 7 в них будет наводиться новый импульс ЭДС, который еще раз будет подзаряжать аккумулятор 9. При пересечении верхним торцом главного поршня верхней границы выпускных окон 5 воздух в верхней части подпоршневой области 4, образующей камеру сгорания 3, начнет сжиматься, подготавливая следующий рабочий цикл. При пересечении немагнитного главного поршня границы обмоток управляющей катушки 15 в ее обмотках будет наводиться импульс ЭДС, служащий для формирования в электронном блоке 8 импульса открытия топливной форсунки 16, впрыскивающей топливо (бензин) в камеру сгорания с дальнейшим образованием ТВС.

Синхронно, с необходимым запозданием, в электронном блоке 8 будет формироваться импульс зажигания, поступающий в катушку зажигания 18 и вызывающий в необходимый момент искру на электрической свече 17. Это вызывает взрыв ТВС в камере сгорания 1 и повтор рабочего цикла.

Для запуска работы двигателя вокруг немагнитного цилиндрического корпуса без зазора, в области между обеими катушками, напротив немагнитного главного поршня располагается разрезное кольцо (на рисунке не показано) из магнитомягкого материала (АРМКО-железо, электротехническая сталь, пермаллой и альсифер), имеющее разрез для пропуска через него изогнутой трубы перепускного канала 10. За счет замыкания магнитного потока, проходящего через магнит 6, магнитопроводы 22, немагнитный корпус 1 и данное кольцо, оно будет удерживаться напротив главного поршня с достаточной силой (~30 н). При резком движении рукой разрезного кольца вверх, до управляющей катушки 15 немагнитный главный поршень будет синхронно двигаться вверх, сжимая воздух в камере сгорания 3 и подготавливая новый цикл работы двигателя.

Увеличение надежности работы предлагаемого двигателя достигается за счет того, что вместо приготовления ТВС в карбюраторе и ее прокачки из подпоршневой области в камеру сгорания (КС) ТВС образуется непосредственно в КС при впрыске жидкого топлива из буферной топливной емкости через электрически управляемую форсунку. Также вместо использования возвратной пружины для возвратного движения немагнитного главного поршня используются упругие свойства воздуха при его сжатии, что уменьшает потери энергии. К повышению надежности работы приводит использование электрогенератора, содержащего неподвижные катушки и движущийся относительно них магнит, вмонтированный в немагнитный главный поршень и имеющий магнитопроводы.