ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B17/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двухтактных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с расслоенным зарядом.

Известна конструкция двухтактного карбюраторного ДВС, в котором продувка цилиндра производится обедненной смесью, а его наполнение - обогащенной смесью, т. е. обеспечивается расслоение рабочего заряда. Такой двигатель содержит камеру сгорания с выпускным и продувочными окнами, предкамеру со свечой зажигания, поршневой нагнетатель на каждый цилиндр, связанный с коленчатым валом при помощи кривошипно-шатунного механизма, главный и вспомогательный карбюраторы. Главный карбюратор, подающий обедненную смесь, соединен с камерой сгорания, а вспомогательный карбюратор, подающий обогащенную смесь, - с предкамерой. Наполнение предкамеры обогащенной смесью производится с помощью поршневого нагнетателя под избыточным давлением.

Наличие отдельного поршневого нагнетателя с кривошипно-шатунным механизмом на каждый цилиндр усложняет конструкцию двигателя, увеличивает его габариты и массу, снижает надежность и долговечность. Кроме того, такой двигатель имеет плохую топливную экономичность и повышенную токсичность отработавших газов вследствие увеличенных потерь тепла через стенки предкамеры, а также потерь энергии при перетекании газов в предкамеру и обратно.

Известен также двухтактный бензиновый ДВС, содержащий цилиндр с поршнем, кривошипную камеру, впускное и выпускное окна в цилиндре, продувочный и перепускной каналы, сообщающие кривошиную камеру с цилиндром, главный и вспомогательный карбюраторы, предназначенные для подачи соответственно обедненной и обогащенной смеси. Главный карбюратор сообщен через пластинчатый обратный клапан с нижней частью кривошипной камеры, а вспомогательный карбюратор - через такой же клапан с перепускным каналом. Такая конструкция двигателя позволяет при движении поршня к нижней мертвой точке обеспечить вытеснение в цилиндр вначале из кривошипной камеры обедненной смеси, а затем из перепускного канала - обогащенной смеси с образованием расслоенного заряда.

Этот двигатель по сравнению с вышеописанным двухтактным ДВС проще по конструкции компактнее и имеет меньшее количество узлов и деталей. Однако в таком двигателе наполнение цилиндра обогащенной смесью происходит одновременно с продувкой обедненной смесью при открытом выпускном окне, что приводит к неизбежному выбросу части обогащенной смеси из цилиндра с отработавшими газами. Это снижает топливную экономичность двигателя и повышает содержание токсичных веществ в отработавших газах. Кроме того, в таком двигателе не обеспечивается оптимальное расслоение заряда в цилиндре при различных режимах работы вследствие неуправляемого смешения части обогащенной смеси с обедненной смесью.

Наиболее близким по технической сущности является двухтактный ДВС, содержащий по меньшей мере один ступенчатый цилиндр с впускным, продувочным и выпускным окнами, продувочным каналом и перепускным окном, расположенным в нижней части цилиндра меньше диаметра, ступенчатый поршень, размещенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения и кинетически связанный с коленчатым валом, установленным в кривошипной камере, соединенной с камерой сгорания посредством продувочного канала и с главным карбюратором, подающим обедненную смесь, кольцевую камеру, образованную частью цилиндра большего диаметра и частью поршня меньшего диаметра, соединенную с вспомогательным карбюратором, подающим обогащенную смесь, и снабженную нагнетательным окном, расположенным в верхней части цилиндра большего диаметра, и аккумулятор давления, выполненный в виде размещенной в теле ступенчатого цилиндра замкнутой полости и имеющий возможность поочередного сообщения с камерой сгорания при помощи перепускного окна и с кольцевой камерой через нагнетательное окно, снабженное пластинчатым обратным клапаном. Кривошипная и кольцевая камеры отделены друг от друга, что позволяет осуществить требуемое расслоение рабочего заряда при различных режимах работы двигателя. Однако в таком двигателе, так же как и в вышеописанном, обогащенная смесь поступает в камеру сгорания во время продувки ее обедненной смесью. При этом теряется часть обогащенной смеси, в результате чего снижается топливная экономичность и повышается токсичность отработавших газов.

Цель изобретения - повышение экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Ожидаемые экономия топлива составляет 20-30% и уменьшение вредних выбросов - 50-60%.

Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере один ступенчатый цилиндр с впускным, продувочным и выпускным окнами и продувочным каналом, ступенчатый поршень, размещенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения и кинематически связанный с коленчатым валом, установленным в кривошипной камере, соединенной с камерой сгорания посредством продувочного канала и с главным карбюратором, подающим обедненную смесь, кольцевую камеру, образованную частью цилиндра большего диаметра и частью поршня меньшего диаметра, подключенную к вспомагательному карбюратору,подающему обогащенную смесь, и аккумулятор давления, выполненный с возможностью поочередного соединения его с камерой сгорания и с кольцевой камерой, цилиндр снабжен С-образным перепускным каналом, расположенным в нижней части цилиндра меньшего диаметра и С-образным нагнетательным каналом, расположенным в верхней части цилиндра большего диаметра. Аккумулятор давления выполнен в виде полости в поршне с размещенным в ней гнездом, снабженным ограничителями перемещения и золотником инерционного типа с возможностью его перемещения в гнезде между ограничителями и сообщения аккумулятора давления с камерой сгорания через С-образный перепускной канал после закрытия выпускного окна цилиндра. Аккумулятор давления имеет возможность соединения с кольцевой камерой при помощи С-образного нагнетательного канала. Гнездо выполнено в верхней части аккумулятора давления в виде цилиндрического отверстия с осью, параллельной оси поршня. Золотник выполнен в виде цилиндрической втулки, а втулка - в виде разрезного упругого кольца.

На фиг. 1 схематически показан двухтактный двигатель внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мертвой точке (н.м.т.); на фиг. 2 - то же, при положении поршня, соответствующем наполнению камеры сгорания обогащенной смесью; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4, 5, 6 и 7 - варианты формы замка разрезного цилиндрического кольца соответственно прямой, зубчатой, наклонной к плоскости кольца и винтовой, а на фиг. 8 - вариант замка ступенчатой формы (внахлестку); на фиг. 9 - разрез Б-Б на фиг. 8; на фиг. 10 - кривые с условными обозначениями зависимости пути и скорости поршня и силы инерции возвратно-поступательно движущегося золотника инерционного типа от угла поворота коленчатого вала; на фиг. 11 - разрезное упругое кольцо с обозначениями приложенных к нему сил.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит ступенчатый цилиндр 1 со ступенчатым поршнем 2, карбюраторы 3 и 4, соответственно главный и вспомогательный, аккумулятор 5 давления, размещенный в теле поршня 2, и коленчатый вал 6. Поверхности цилиндра 1 и поршня 2 образуют камеру 7 сгорания и камеры 8 и 9 соответственно кривошипную и кольцевую. Камера 7 сгорания снабжена свечой 10 зажигания, окнами 11 и 12, соответственно продувочным и выпускным, и С-образным перепускным каналом 13, расположенным в нижней части цилиндра 1 меньшего диаметра. Кривошипная камера 8 имеет впускное окна 14 для соединения с главным карбюратором 3 и сообщена с камерой 7 сгорания посредством продувочного канала 15. Кольцевая камера 9 имеет впускное окно 16 для соединения с вспомогательным карбюратором 4 и снабжена С-образным нагнетательным каналом 17, выполненным в верхней части цилиндра 1 большего диаметра. Аккумулятор 5 давления имеет возможность сообщения с камерой 7 сгорания при помощи выпускного отверстия 18, выполненного в верхней части боковой стенки поршня 2 и С-образного перепускного канала 13, а с кольцевой камерой 9 - посредством впускного отверстия 19, выполненного в нижней части боковой стенки поршня 2, и С-образного нагнетательного канала 17. Аккумулятор 5 давления имеет гнездо 20 в виде цилиндрического отверстия, в котором размещен между верхним 21 и нижним 22 ограничителями перемещения золотник 23 инерционного типа, выполненный в виде цилиндрической втулки, которая подключена к выпускному отверстию 18 и имеет возможность возвратно-поступательного движения при ускорении поршня 2.

Работает двухтактный двигатель внутреннего сгорания следующим образом.

Во время вращения коленчатого вала 6 поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. При движении поршня 2 от верхней мертвой точки (в.м.т.) к н.м.т. в кривошипной камере 8 сжимается обедненная смесь, поступившая из главного карбюратора 3, а в камере 7 сгорания происходит процесс сгорания и расширения. В момент соединения С-образного перепускного канала 13 с выпускным отверстием 18 газообмена между аккумулятором 5 давления и камерой 7 сгорания не происходит, т.к. золотник 23 инерционного типа прижат к верхнему ограничителю 21 силой инерции своей массы и перекрывает выпускное отверстие 18. При положении поршня 2 вблизи н.м.т. в кольцевую камеру 9 поступает обогащенная смесь из вспомогательного карбюратора 4 через впускное окно 16. В этом же время в камере 7 сгорания происходит процесс выпуска отработавших газов через выпускное окно 12 и продувка и наполнение ее обедненной смесью, поступающей из кривошипной камеры 8 через продувочное окно 11. В аккумуляторе 5 давления золотник 23 под действием силы инерции своей массы перемещается в сторону н.м.т. до упора нижнего ограничителя 22 и открывает выпускное отверстие 18.При обратном движении поршня 2 от н.м.т. к в.м.т. вначале закрывается продувочное окно 11, а затем в момент закрытия выпускного окна 12 (или несколько раньше) совмещается выпускное отверстие 18 с С-образным перепускным каналом 13, и обогащенная смесь под действием избыточного давления поступает из аккумулятора 5 давления в камеру 7 сгорания, производя ее дополнительное наполнение с образованием расслоенного заряда. Во время дальнейшего движения поршня 2 к в.м. т. в кольцевой камере 9 происходит сжатие обогащенной смеси, поступившей из вспомогательного карбюратора 4, в камере 7 сгорания - сжатие расслоенного заряда, а в аккумуляторе 5 давления закрывается выпускное отверстие 18 с помощью золотника 19, который перемещается в это время под действием силы инерции собственной массы в сторону в.м.т. до упора верхнего ограничителя 21. Когда поршень 2 находится вблизи в.м.т. происходит заполнение аккумулятора 5 давления сжатой в кольцевой камере 9 обогащенной смесью через С-образный нагнетательный канал 17 и впускное отверстие 19. При этом же положении поршня 2 в нужный момент времени между электродами свечи 10 зажигания проскакивает электрическая искра и в камере 7 сгорания происходит воспламенение обогащенной смеси с последующим поджиганием обедненной смеси. Продукты сгорания расширяются и давят на поршень 2, который, двигаясь к н.м.т., совершает рабочий ход.

Работа золотника 23 инерционного типа заключается в следующем.

Будем считать, что при отсутствии относительного перемещения путь, скорость и ускорение золотника 23 равны пути, скорости и ускорению поршня 2. Тогда рассмотрим работу золотника 23 для двух случаев его выполнения.

1. Золотник 23 выполнен в виде цилиндрической втулки.

В начале движения поршня 2 от в.м.т. к н.м.т. его скорость V_n (фиг.10) увеличивается и золотник 23 прижат к верхнему ограничителю 21, перекрывая выпускное отверстие 18, силой инерции Р_j собственной массы, которая в это время направлена от оси коленчатого вала. Перед достижением поршнем 2 максимальной скорости, когда сила инерции P_j становится равной весу золотника 23, последний как бы зависает и при дальнейшем уменьшении силы P_j начинает под действием своего веса и инерции своей массы перемещаться вниз (к оси коленчатого вала). Во время сообщения С-образного перепускного канала 13 с выпускным отверстием 18 (участок А-В) последнее остается на этом участке перекрытым золотником 23, хотя последний в это время уже начал движение к оси коленчатого вала 6, что достигается определенной его высотой. При положении поршня 2 в н.м.т. скорость V_n становится равной нулю, золотник 23 занимает положение вблизи нижнего ограничителя 22 открывая выпускное отверстие 18.

При обратном движении поршня 2 от н.м.т. к в.м.т. скорость V_n начинает возрастать в противоположном направлении, золотник 23 прижимается силой P_j к нижнему ограничителю 22 и при совмещении С-образного перепускного канала 13 с выпускным отверстием 18 (участок С-D) последнее остается открытым, обеспечивая тем самым перетекание обогащенной смеси из аккумулятора 5 давления в камеру 7 сгорания. При подходе поршня 2 к в.м.т. золотник 23 прижимается к верхнему ограничителю 21 силой инерции P_j, которая в этот момент направлена от оси коленчатого вала 6.

При обратном движении поршня 2 от в.м.т. к н.м.т. процесс повторяется.

С повышением частоты вращения коленчатого вала 6 двигателя сила инерции P_j увеличивается и возрастает при этом скорость перемещения золотника 23 к нижнему ограничителю 22. Однако при этом сокращается и время, отводимое на рабочие процессы в двигателе. Поэтому золотник 23 будет надежно работать при различных скоростных режимах работы двигателя.

2. Золотник 23 выполнен в виде упругого разрезного кольца.

В этом случае к золотнику 23 приложены активные силы: его вес Q и сила P_j инерции, нормальная реакция N со стороны стенок гнезда 20 в виде цилиндрического отверстия и сила F трения (фиг.11). Предельное равновесие золотник 23 выражается уравнением P_j - Q - F = 0. Здесь P_j = -m_j, где m - масса золотника 23; j - ускорение поршня 2. F = fхN, где f - коэффициент трения между золотником 23 и стенками гнезда 20; N = P_R + P_см, где P_R - сила радиального давления золотника 23 на стенки гнезда 20 от сил упругости; Р_см - сила, вызванная давлением смеси в аккумуляторе давления.

Если величина силы P_j инерции станет больше значения (Q + F), то золотник 23 в соответствии с приведенным уравнением начнет перемещаться в направлении этой силы.

При движении поршня 2 от в.м.т. к н.м.т. на участке О-А (фиг.10), где сила инерции P_j > (Q + F) и направлена от оси коленчатого вала 6, золотник 23 прижат к верхнему ограничителю 21. В момент соединения выпускного отверстия 18 с С-образным перепускным каналом 13 (участок А-В) сила инерции P_j направлена к оси коленчатого вала 6 (участок A'-B'), однако золотник 23 удерживается силой F трения вблизи верхнего ограничителя 21, т.к. при этом P_j < (-Q + F) и выпускное отверстие 18 перекрыто, в результате чего предотвращается заброс продуктов сгорания в аккумулятор 5 давления или выброс обогащенной смеси в камеру 7 сгорания. После разобщения выпускного отверстия 18 с С-образным перепускным каналом 13 (точка В) сила P_j инерции становится больше величины (-Q + F) и золотник 23, перемещаясь в сторону силы P_j инерции (т.е. к оси коленчатого вала 6), прижимается к нижнему ограничителю 22, открывая тем самым выпускное отверстие 18. В начале движения поршня 2 от н.м.т. к в.м.т. сила P_j инерции направлена к оси коленчатого вала 6 и золотник 23 находится вблизи нижнего ограничителя 22, в результате чего выпускное отверстие 18 остается открытым и при совмещении его с С-образным перепускным каналом 13 обогащенная смесь из аккумулятора 5 давления перетекает в камеру сгорания (участок C-D). Когда сила P_j инерции изменится по направлению и станет больше значения (Q + F), золотник 23 начнет перемещаться от оси коленчатого вала и при положении поршня 2 в в.м.т. будет прижат этой силой к верхнему ограничителю 21, занимая первоначальное положение.

Сущность изобретения: в двигателе аккумулятор давления имеет гнездо, в котором размещены совпадающий по форме с гнездом золотниковый орган инерционного типа, подключенный к выпускному отверстию с возможностью сообщения аккумулятора давления с камерой сгорания после закрытия выпускных окон и два ограничителя перемещения золотникового органа. Золотниковый орган выполнен с возможностью перемещения между ограничителями при ускорении ступенчатого поршня. Гнездо расположено в верхней части аккумулятора давления и имеет форму цилиндра, расположенного параллельно оси ступенчатого поршня. Золотниковый орган выполнен в виде цилиндрической втулки с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Высота цилиндрической втулки составляет 1,2 - 1,5 высоты выпускного отверстия. Цилиндрическая втулка выполнена в виде разрезного упругого кольца. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один ступенчатый цилиндр с впускным, продувочным и выпускным окнами и продувочным каналом, ступенчатый поршень, размещенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения и кинематически связанный с коленчатым валом, установленным в кривошипной камере, соединенной с камерой сгорания посредством продувочного канала и с главным карбюратором, кольцевую камеру, образованную частью цилиндра большего диаметра и частью поршня меньшего диаметра и сообщенную с вспомогательным карбюратором, и аккумулятор давления, выполненный с возможностью поочередного его соединения с камерой сгорания и с кольцевой камерой, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов, цилиндр снабжен С-образным перепускным каналом, расположенным в нижней части цилиндра меньшего диаметра, С-образным нагнетательным каналом, расположенным в верхней части цилиндра большего диаметра, аккумулятор давления выполнен в виде полости в поршне с размещенным в ней гнездом, снабженным ограничителями перемещения и золотником инерционного типа с возможностью его перемещения в гнезде между ограничителями и сообщения аккумулятора давления с камерой сгорания через перепускной и нагнетательный каналы после закрытия выпускного окна цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что гнездо выполнено в верхней части аккумулятора давления в виде цилиндрического отверстия с осью, параллельной оси поршня, а золотник выполнен в виде цилиндрической втулки. 3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что втулка выполнена в виде разрезного упругого кольца.