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

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкциям двигателей внутреннего сгорания с системой охлаждения свежего заряда.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, поршень со штоком, связанный с валом и разделяющий внутрицилиндровое пространство на рабочую камеру и компрессорную камеру, ограниченную подпоршневой перегородкой, а также впускные отверстия, подключенные к компрессорной камере, в которой размещен соосный с цилиндром теплообменник (Патент США N 4332229, кл. F 02 B 33/10, 123-65, 1982).

Однако расположение впускных отверстий не является оптимальным с точки зрения направления потока свежего заряда. Это приводит к низкой эффективности работы теплообменника, а следовательно, к значительным потерям на сжатие заряда, к низкому КПД.

Целью изобретения является повышение 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, теплообменник выполнен оребренным, а оси впускных отверстий расположены наклонно к ребрам теплообменника. При этом оребрение может быть продольным или выполняться с винтовой закруткой относительно оси цилиндра, а оси впускных отверстий, соответственно, располагаться под углом или параллельно оси цилиндра. В оптимальном случае теплообменник содержит по периметру 6-10 ребер, выполненных в виде гофр, а величина угла между осью впускного отверстия и оребрением составляет 10-15^о.

Именно выполнение теплообменника оребренным и взаимное расположение осей впускных отверстий и оребрения теплообменника под углом 10-15^о, а также винтовая закрутка ребер с возможным выполнением их в виде гофр обеспечивают более высокую, по сравнению с прототипом, эффективность охлаждения свежего заряда на впуске и сжатии, поскольку заявленное направление потока свежего заряда по отношению к оребрению обеспечивает эффективный срыв и перемешивание пограничного слоя на поверхности теплообменника. В частности, наличие у прототипа этого пограничного слоя, являющегося теплоизолятором, ухудшает теплообмен на стадии впуска и перепуска, когда потоки свежего заряда направлены вдоль гладкой поверхности теплообменника. Кроме этого, наличие оребрения, тем более закрученного, увеличивает поверхность теплообмена. При использовании в двигателе заявленной совокупности признаков уменьшается средняя температура сжатия заряда, снижается работа сжатия подпоршневого компрессора, возрастает наполнение цилиндра, а следовательно, улучшаются энергетические характеристики двигателя. Таким образом, заявляемая совокупность признаков обеспечивает достижение положительного эффекта.

На фиг. 1 изображен заявляемый двигатель (осевой разрез цилиндра); на фиг. 2 - поперечный разрез цилиндра по теплообменнику.

Двигатель содержит цилиндр 1 с выпускными окнами 2, поршень 3 с перепускным клапаном 4. Поршень 3 разделяет внутрицилиндровый объем на надпоршневую рабочую камеру 5 и подпоршневую компрессорную 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 в виде гофр, расположены под углом к осям впускных отверстий и закручены относительно оси цилиндра. В теле теплообменника 9 расположены каналы 11 для циркуляции хладагента, связанные с насосом 12, имеющим привод от вала двигателя (не показан).

Двигатель работает следующим образом. Насос 12 постоянно прокачивает хладагент по каналам 11 теплообменника 9, охлаждая поверхность ребер 10. В начале движения поршня 3 к верхней мертвой точке в компрессорной камере 6 содержится начальное разрежение, в результате чего открываются клапаны впускных отверстий 8 и начинает поступать свежий заряд. Потоки заряда из отверстий 8 омывают охлажденную поверхность теплообменника в виде гофр, перемешивая пограничный слой, и эффективно охлаждаются. При движении поршня 3 к нижней мертвой точке и достижении в 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 от отработанных газов и обеспечивает качественное наполнение цилиндра.

В таблице приведена зависимость чисел Нуссельта (N_u), характеризующих эффективность теплообмена, от угла закрутки гофр, при числах Рейнольдса R_e = 6˙ 10⁴ в канале d₁/d₂ = 0,95; d₃/d₂ = 0,83, где d₁ - диаметр выступов гофр, d₂ - диаметр внутренней поверхности цилиндра, d₃ - диаметр впадин гофр. Из таблицы видно, что оптимальным углом закрутки является угол в 10-15^о. Оптимальное число гофр по периметру 6-10. При указанных углах закрутки коэффициенты теплоотдачи максимальны. Следовательно, температура заряда будет понижаться наиболее эффективно и плотность заряда будет возрастать, в результате чего в компрессорной камере 6 накопится масса газа большая, чем у прототипа.

Сущность изобретения: в двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр с размещенным в нем поршнем и теплообменник, расположенный в подпоршневой камере, снабженной впускными отверстиями, теплообменник выполнен оребренным, оси впускных отверстий расположены наклонно к ребрам теплообменника, а винтовая закрутка ребер с возможным выполнением их в виде гофр обеспечивает более высокую эффективность охлаждения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

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 надпоршневую рабочую камеру и подпоршневую компрессорную камеру, ограниченную подпоршневой перегородкой и снабженную впускными отверстиями, и теплообменник, расположенный в компрессорной камере соосно с цилиндром, отличающийся тем, что теплообменник выполнен оребренным, а оси впускных отверстий расположены наклонно к ребрам теплообменника. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что угол наклона осей впускных отверстий к ребрам теплообменника равен 10 - 15^o. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ребра теплообменника выполнены с винтовой закруткой относительно оси цилиндра. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что ребра теплообменника выполнены в виде гофр. 5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что теплообменник выполнен с 6 - 10 ребрами по периметру.