устройство для воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Устройство для воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащее электроды, первый из которых установлен в головке цилиндра, а второй выполнен с выступом над наружной поверхностью днища поршня, причем оба электрода электрически связаны с размещенным в поршне пьезоэлектрическим элементом, контактирующим с установленным в поршне нажимным элементом, а также содержащее прикрепленный к шатуну, связанному с поршнем, механический привод, отличающееся тем, что механический привод шарнирно прикреплен к шатуну, нажимной элемент выполнен упругим, при этом нажимной и пьезоэлектрический элементы установлены так, что один из них размещен с контактом одним концом с механическим приводом, а другой шарнирно связан с головкой поршня.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пьезоэлектрический элемент размещен в одном из коаксиально установленных цилиндров с возможностью их взаимного перемещения вдоль оси, при этом один из цилиндров одним торцом шарнирно прикреплен к шатуну, а другой шарнирно соединен с головкой поршня.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что механический привод выполнен в виде полого цилиндра, одним торцом шарнирно прикрепленного к шатуну, а с другого открытого торца в нем коаксиально размещен с возможностью перемещения вдоль оси второй полый цилиндр с открытым первым торцом, второй торец которого шарнирно соединен с головкой поршня, причем пьезоэлектрический элемент размещен в одном из цилиндров.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что внутренний диаметр первого цилиндра соответствует внешнему диаметру второго цилиндра.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что со второго торца второго цилиндра установлен защитный колпачок, закрывающий торец первого цилиндра и выступающую над ним часть второго цилиндра.

6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что нажимной элемент выполнен в виде пружины.

7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что первый и/или второй цилиндры выполнены из изолирующего материала.

8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что пьезоэлектрический элемент установлен покрытым защитным электронепроводящим материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к устройствам для воспламенения посредством искрового зажигания и сжигания горючей смеси, и может быть использовано, например, в лесном хозяйстве - в бензопилах, а также в мотоциклах и других отраслях техники, где применяются бензиновые карбюраторные двигателя.

Известно устройство для воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащее электроды, первый из которых установлен в головке цилиндра, причем оба электрода электрически связаны с пьезоэлектрическим элементом, контактирующим с нажимным элементом, и механический привод, установленный с возможностью воздействия на нажимной элемент (Патент США N 344850, кл. F 02 P 3/12, 1969).

Механический привод выполнен в виде кулачка, связанного с коленчатым валом. Пьезоэлемент расположен вне цилиндра.

Данное устройство характеризуется достаточно сложной электрической и механической связью пьезоэлектрического элемента с конструктивными элементами двигателя. Для работы необходимы провода высокого напряжения. Это уменьшает надежность его работы и может привести к необходимости частой регулировки момента зажигания (усложняет обслуживание двигателя).

Известно устройство для воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащее электроды, первый из которых установлен в головке цилиндра, а второй выполнен с выступом над наружной поверхностью днища поршня, причем оба злектрода электрически связаны с размещенным в поршне пьезоэлектрическим элементом, контактирующим с установленным в поршне нажимным элементом, и содержащее прикрепленный к шатуну, связанному с поршнем, механический привод. (Патент России N 2064078, F 02 P 3/12, 1996).

Пьезоэлектрический и нажимной элементы жестко установлены в головке поршня. Механический привод жестко прикреплен к шатуну, связанному с поршнем.

Данное изобретение до некоторой степени решает задачу повышения надежности устройства.

Вместе с тем при работе такого устройства пьезоэлемент находится в высокотемпературной зоне, что способствует преждевременному выходу его из строя. При работе устройства механический привод ударяет по нажимному устройству тем сильнее, чем сильнее износ подшипников шатуна, что способствует преждевременному разрушению пьезоэлемента. Трудно изолировать находящийся в днище поршня пьезоэлемент от попадания на него масла, влаги и т.д., что также может привести к отказам в работе. При применении устройства необходимо специально изготавливать поршень с увеличенной толщиной головки. При этом величина пьезоэлемента ограничивается толщиной головки, что ограничивает параметры электрического разряда. При создании системы необходимо изготавливать специальные шатуны с удлиненным верхним концом.

Была поставлена задача создания такого устройства для воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, которое позволило бы обеспечить более высокие параметры разряда, способствовало бы лучшей защите пьезоэлемента от разрушающих и мешающих работе факторов.

Данная задача была решена настоящим изобретением. В устройстве для воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащем электроды, первый из которых установлен в головке цилиндра, а второй выполнен с выступом над наружной поверхностью днища поршня, причем оба электрода электрически связаны с размещенным в поршне пьезоэлектрическим элементом, контактирующим с установленным в поршне нажимным элементом, и содержащим прикрепленный к шатуну, связанному с поршнем, механический привод, согласно изобретению, механический привод шарнирно прикреплен к шатуну, нажимной элемент выполнен упругим, при этом нажимной и пьезоэлектрический элементы установлены так, что один из них размещен с контактом одним концом с механическим приводом, а другой шарнирно связан с головкой поршня.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения пьезоэлектрический элемент размещен в одном из коаксиально установленных цилиндров с возможностью их взаимного перемещения вдоль оси, при этом один из цилиндров одним торцом шарнирно прикреплен к шатуну, а другой шарнирно соединен с головкой поршня.

В этом случае предпочтительным вариантом выполнения изобретения будет такой, при котором механический привод выполнен в виде полого цилиндра, одним торцом шарнирно прикрепленного к шатуну, а с другого открытого торца в нем коаксиально размещен с возможностью перемещения вдоль оси второй полый цилиндр с открытым первым торцом, второй торец которого шарнирно соединен с головкой поршня, причем пьезоэлектрический элемент размещен в одном из цилиндров.

При этом предпочтительно, чтобы внутренний диаметр первого цилиндра соответствовал бы внешнему диаметру второго цилиндра.

В наилучшем варианте выполнения изобретения со второго торца второго цилиндра установлен защитный колпачок, закрывающий торец первого цилиндра и выступающую над ним часть второго цилиндра.

Нажимной элемент может быть выполнен, например, в виде пружины.

Первый и/или второй цилиндры предпочтительно выполнены из изолирующего материала.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения пьезоэлектрический элемент установлен покрытым защитным электронепроводящим (диэлектрическим) материалом, т.е. размещен в капсуле.

Пьезоэлектрический элемент, электрически связанный с электродами и контактирующий с нажимным элементом, позволяет при воздействии нажимного элемента на пьезоэлектрический элемент обеспечить подачу на электрод высокого потенциала, необходимого для проскакивания искры и зажигания горючей смеси.

Расположение второго электрода с выступом над наружной поверхностью днища поршня является оптимальным для обеспечения искрового разряда между данным выступом и первым электродом.

Конец выступа второго электрода может иметь заостренную, преимущественно коническую форму, а первый электрод имеет отверстие, аналогичное по форме концу выступа второго электрода, что обеспечивает надежный вход второго электрода в отверстие первого даже при определенном износе поршня.

Первый электрод может быть для облегчения обслуживания выполнен съемным. Выступ второго электрода может быть вмонтирован в головку поршня во вкладыше из изолирующего материала, что позволяет обеспечить эффективную изоляцию электрода.

Шарнирное прикрепление механического привода к шатуну позволяет избежать резких ударов пьезоэлемента, что уменьшает вероятность его разрушения.

Нажимной и пьезоэлектрический элементы установлены так, что один из них размещен с контактом одним концом с механическим приводом, а другой шарнирно связан с головкой поршня. Это позволяет наряду с синхронизацией работы устройства с работой поршня избежать резких ударов пьезоэлемента.

Последнему способствует и выполнение нажимного элемента упругим, например, в виде пружины. В частности, пружина является стабилизатором давления на пьезоэлемент.

Одним из оптимальных вариантов осуществления вышеописанной установки нажимного пьезоэлектрического элемента и механического привода является следующий. Пьезоэлектрический элемент размещен в одном из коаксиально установленных цилиндров с возможностью из взаимного перемещения вдоль оси, при этом один из цилиндров одним торцом шарнирно прикреплен к шатуну, а другой шарнирно соединен с головкой поршня. Такое выполнение устройства обеспечивает защиту пьезоэлемента от высоких температур, увеличивает диапазон размеров пьезоэлемента, обеспечивает также устойчивые крепление и связь его элементов, а также создает защиту пьезоэлемента от вредных факторов внешней среды (масло, влага и т.д.), что уменьшает вероятность отказа пьезоэлемента при работе.

Оптимальным с точки зрения обеспечения защиты пьезоэлемента от факторов внешней среды является такой, когда механический привод выполнен в виде полого цилиндра, одним торцом шарнирно прикрепленного к шатуну, а с другого открытого торца в нем коаксиально размещен с возможностью перемещения вдоль оси второй полый цилиндр с открытым первым торцом, второй торец которого шарнирно соединен с головкой поршня, причем пьезоэлектрический элемент размещен в одном из цилиндров.

Для наиболее полной защиты пьезоэлектрического элемента от вредных воздействий окружающей среды и надежного крепления элементов конструкции осуществляют такой вариант выполнения изобретения, когда внутренний диаметр первого цилиндра соответствует внешнему диаметру второго цилиндра. Термин "соответствует" означает, что внешний диаметр второго цилиндра примерно равен внутреннему диаметру первого, но несколько меньше его, чтобы обеспечить незатрудненное перемещение цилиндров один в другом, и в то же время заметный зазор между стенками цилиндров отсутствует (плотное, герметичное соединение).

Дополнительную защиту пьезоэлектрического элемента обеспечивает защитный колпачок, закрывающий торец первого цилиндра и выступающую над ним часть второго цилиндра.

Полная защита пьезоэлектрического элемента от внешней среды, что обеспечивает его долговечность, достигается тогда, когда пьезоэлектрический элемент установлен покрытым токонепроводящим материалом, например расположен в каучуковой капсуле. При этом необходимо отметить, что для обеспечения наиболее полной герметичности пьезоэлемента его соединение с электродами осуществляют только на стадии сборки, применяя плоские токоотводы с острыми концами в виде кнопок, прорезая ими очень узкие отверстия для токоотводов в защитной пленке.

Выполнение первого и/или второго цилиндров из изолирующего материала позволяет создать дополнительную защиту пьезоэлемента, что обеспечивает устойчивую его электроизоляцию при работе, в особенности с высоким напряжением.

Конкретный пример выполнения устройства показан на фиг. 1 и фиг. 2

На фиг. 1 изображен общий вид устройства. На фиг. 1 подробно показаны пьезоэлемент, нажимной элемент и механический привод.

Двигатель содержит цилиндр 1 с головкой 2, поршнем 3. Предлагаемое устройство содержит электроды, первый 4 из которых установлен в головке 2 цилиндра. Электрод 4 содержит съемную пластину 5 с выполненным в ней отверстием 6. Второй электрод содержит выступ 7 над наружной поверхностью днища поршня и установлен во вкладыше 8 из изолирующего материала (фарфора), вмонтированного в головку поршня 3. Механический привод 9 выполнен в виде полого цилиндра, одним торцом шарнирно прикрепленного к шатуну 10.

С другого открытого торца в цилиндре 1 коаксиально размещен с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра второй полый цилиндр 11 с открытым первым торцом. Второй торец цилиндра 11 шарнирно соединен с головкой поршня 3. Пьезоэлектрический элемент 12 размещен в цилиндре 11 и контактирует с установленным в цилиндре 1 нажимным элементом - пружиной 13, которая, в свою очередь, контактирует с механическим приводом 9 и электрически посредством контакта 14 с шатуном 10 и через него с электродом 4. Посредством другого контакта 15 пружина 13 электрически контактирует с пьезоэлектрическим элементом 12. Через контакт 16 и палец 17 пьезоэлектрический элемент контактирует со вторым электродом 7. Пьезоэлектрический элемент 12 покрыт капсулой 18 из диэлектрика - бутадиенстирольного каучука. Контакты 15 и 16, выполненные в виде кнопок, имеют острые выступы 19, обеспечивающие электрическое соединение их с пьезоэлектрическим элементом 12 посредством протыкания капсулы 18. Позицией 20 обозначен палец крепления механического привода 9 к шатуну 10; 21 - защитный колпачок.

Устройство работает следующим образом.

При движении поршня 3 к верхней мертвой точке (ВМТ) шатун 10 стремится занять вертикальное положение. В это же время в цилиндре 1 осуществляется такт "сжатие". При этом цилиндр 9 вдвигается в цилиндр 11 вследствие уменьшения расстояния между пальцами 17 и 20 соответствующих шарнирных креплений. При этом происходит сжатие пружины 13, которая оказывает возрастающее давление на пьезоэлектрический элемент 12. Вблизи ВМТ на пьезоэлектрическом элементе 12 генерируется разность потенциалов, достаточная для проскакивания искры зажигания между электродами 4 и 7. При этом положительный потенциал подается на электрод 7 через контакт 16 и палец 17. Отрицательный потенциал подается на массу (первый электрод 4) через контакт 15, пружину 13, контакт 14, палец 20. Между электродами 4 и 7 вблизи ВМТ происходит электрический разряд. После разряда поршень 4 продолжает движение в ВМТ в течение некоторого времени, и выступ электрода 7 входит в калиброванное отверстие 6 пластины 5 электрода 4. При этом происходит очищение как выступа электрода 7, так и отверстия 6 от нагара. При обратном движении поршня от ВМТ к нижней мертвой точке цикл повторяется, однако разряд не происходит из-за удаления электродов 4 и 7 на достаточно большое расстояние.

Предлагаемое устройство позволяет также автоматически регулировать опережение зажигания при увеличении числа оборотов двигателя. Действительно, при более высоких оборотах двигателя сжатие пьезоэлектрического элемента происходит за более короткое время. Это, как показывает практика, создает на пьезоэлементе более высокую разность потенциалов, и проскок искры (пробой) происходит ранее, чем при низких оборотах двигателя.

По мере износа поршня 3 возможно отклонение траектории движения выступа электрода 7 от первоначальной, что могло бы привести к невозможности попадания выступа электрода 7 в отверстие 6. Однако этого не происходит из-за автоматической коррекции положения "плавающей" пластины 5, установленной с возможностью перемещения в зазорах.