ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B33/12 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкциям ДВС с системой охлаждения свежего заряда.

Известны двигатели внутреннего сгорания (ДВС), содержащие цилиндр с поршнем и впускными отверстиями, к которым подключена система подачи свежего заряда, состоящая из по крайней мере одного компрессора и холодильника, соединенных последовательно (1, 2).

Однако в известных технических решениях устройства охлаждения и сжатия свежего заряда не совмещены, в результате чего происходит чередование циклов охлаждения и сжатия. Это приводит к значительным потерям на сжатие, не позволяет достичь высоких КПД двигателя и эффективности охлаждения.

Известен ДВС, содержащий цилиндр, спаренные поршни со штоком, разделяющие внутрицилиндровый объем на рабочую надпоршневую камеру и две компрессорные камеры в межпоршневом пространстве, разделенные перегородками с клапанами, связанными с впускным трактом, рубашки охлаждения цилиндра, окружающие указанные камеры, и выполненные в штоке каналы для циркуляции охлаждающей жидкости (3).

Однако рубашки цилиндра и каналы в штоке известного устройства служат в основном для охлаждения этих деталей двигателя, то есть эффективность охлаждения заряда за счет снижения температуры этих элементов конструкции крайне низка. Увеличение же эффективности охлаждения заряда путем наращивания поверхности теплообмена в известном устройстве невозможно, поскольку внутренняя поверхность цилиндра и шток не могут быть оребрены.

Цель изобретения - повышение КПД двигателя путем увеличения эффективности охлаждения свежего заряда.

Для достижения указанной цели в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере один цилиндр с выполненными в нем выпускными окнами, по меньшей мере, один поршень, размещенный в цилиндре, имеющий шток, связанный с валом, и разделяющий цилиндр на рабочую надпоршневую камеру и компрессорную подпоршневую камеру, ограниченную подпоршневой перегородкой и снабженную впускными отверстиями, и теплообменник, расположенный в компрессорной камере соосно цилиндру и имеющий каналы для циркуляции хладагента, связанные с насосом, теплообменник выполнен оребренным, а оси впускных отверстий направлены на ребра теплообменника, ребра теплообменника выполнены по огибающей, соответствующей по форме внутренней поверхности поршня, впускные отверстия выполнены в цилиндре, оси впускных отверстий сонаправлены с ребрами теплообменника, а привод насоса связан с валом.

Именно предлагаемое взаимное расположение осей впускных отверстий и оребрения теплообменника обеспечивают более высокую по сравнению с прототипом эффективность охлаждения свежего заряда на впуске и сжатии, в результате чего уменьшается средняя температура сжатия заряда, снижается работа сжатия подпоршневого компрессора, возрастает наполнение цилиндра, а следовательно, и мощностные характеристики двигателя и его КПД. Таким образом, заявляемая совокупность признаков обеспечивает достижение положительного эффекта.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель (осевой разрез цилиндра); на фиг. 2 - поперечный разрез компрессорной камеры по теплообменнику, вариант расположения впускных отверстий на подпоршневой перегородке; на фиг. 3, 4 - расположение впускных отверстий в стенке цилиндра, варианты.

Двигатель содержит цилиндр с выпускными окнами 2, поршень 3 с перепускным клапаном 4, размещенный в цилиндре 1 и разделяющий внутрицилиндровый объем на рабочую надпоршневую камеру 5 и компрессорную подпоршневую камеру 6, которая ограничена подпоршневой перегородкой 7 с выполненными в ней впускными отверстиями 8. В компрессорной камере 6 размещен соосный с цилиндром 1 оребренный теплообменник 9, ребра 10 которого выполнены по огибающей, соответствующей по форме внутренней поверхности юбки поршня. В теле теплообменника 9 расположены каналы 11 циркуляции хладагента, связанные с насосом 12, имеющим привод от вала двигателя (не показан). Оси впускных отверстий 8 могут быть сонаправлены с ребрами 10 (фиг. 1, 2). Впускные отверстия 8 в другом варианте двигателя (фиг. 3, 4) могут быть выполнены в стенке подпоршневой части цилиндра 1 и иметь оси, направленные на ребра 10 теплообменника 9.

Двигатель работает следующим образом.

Насос 12 постоянно прокачивает хладагент по каналам 11 теплообменника, охлаждая поверхность ребер 10. В начале движения поршня 3 к верхней мертвой точке в замкнутой компрессорной камере 6 создается начальное разряжение, в результате чего открываются клапаны впускных отверстий 8 и начинает поступать свежий заряд. Потоки заряда из отверстий 8 попадают непосредственно на охлаждаемую хладагентом оребренную поверхность теплообменника 9 и проходят вдоль оребрения, эффективно охлаждаясь. Температура заряда уменьшается, плотность возрастает, в результате чего в конце впуска при подходе поршня к верхней мертвой точке в компрессорной камере 6 скапливается масса газа больше, чем у прототипа.

С началом рабочего хода поршня 3 впускные клапаны закрываются и в компрессорной камере 6 начинается сжатие свежего заряда при продолжающемся его охлаждении. Поскольку форма огибающей оребрения соответствует внутренней поверхности юбки поршня, движущийся к нижней мертвой точке поршень 3 передавливает заряд преимущественно в межреберное пространство теплообменника 9, где эффективность теплообмена относительно велика. При достижении в компрессорной камере 6 заданной степени сжатия открывается перепускной клапан 4 и начинается заполнение рабочей камеры 5 охлажденным зарядом, поступающим под давлением. Поток заряда повышенной плотности способствует эффективной очистке рабочей камеры 5 от отработанных газов и обеспечивает качественное наполнение цилиндра.

Проведенные авторами расчеты показывают, что при заявленной совокупности признаков работа сжатия в компрессорной камере уменьшается на 25%, дополнительное охлаждение воздуха (по сравнению с адиабатным процессом) составляет 20-40^оС при степени сжатия в компрессорной камере 2-4. Эффективность ребра на стадии перепуска Е = 0,9827, а на стадии сжатия Е = 0,999, т.е. практически максимальна.

Сущность изобретения: для повышения КПД двигателя и увеличения эффективности охлаждения свежего заряда предлагается в подпоршневой компрессорной камере размещать оребренный теплообменник, содержащий каналы для циркуляции хладагента, связанные с насосом, приводимым от вала двигателя. Оси впускных отверстий направлены на оребренную поверхность теплообменника и, в частности, сонаправлены с оребрением. 4 ил.

1. ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с выполненными в нем выпускными окнами, по меньшей мере один поршень, размещенный в цилиндре, имеющий шток, связанный с валом, и разделяющий цилиндр на рабочую надпоршневую камеру и компрессорную подпоршневую камеру, ограниченную подпоршневой перегородкой и снабженную впускными отверстиями, и теплообменник, расположенный в компрессорной камере соосно с цилиндром и имеющий каналы для циркуляции хладагента, связанные с насосом, отличающийся тем, что теплообменник выполнен оребренным, а оси впускных отверстий направлены на ребра теплообменника. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ребра теплообменника выполнены по огибающей, соответствующей по форме внутренней поверхности поршня. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что впускные отверстия выполнены в цилиндре. 4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что оси впускных отверстий сонаправлены с ребрами теплообменника. 5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что привод насоса связан с валом.