ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B25/20 

Изобретение относится к тепловым двигателям, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по крайней мере одну пару цилиндров, снабженных поршнями, кинематически связанными с коленчатым валом с возможностью их синхронного движения и образующими камеры сжатия разного объема в цилиндрах, впускными, продувочными и выпускными каналами и изолированными кривошипными камерами, подключенными к продувочным каналам, и сообщенных между собой при помощи соединительного канала, площадь сечения которого выполнена равной 4-10% от площади днища поршня, свечу зажигания, размещенную в камере сжатия первого цилиндра, и два карбюратора. Первый карбюратор установлен во впускном канале первого цилиндра и предназначен для приготовления горючей смеси с коэффициентом избытка воздуха α 0,75-1,2. Второй карбюратор установлен во впускном канале второго цилиндра и предназначен для приготовления горючей смеси с α 0,75. Выходные окна выпускных каналов в цилиндрах выполнены разной высоты так, что высота выходного окна выпускного канала второго цилиндра превышает высоту выходного окна выпускного канала первого цилиндра на 10-20^о коленчатого вала. Свеча зажигания установлена в камере сжатия первого цилиндра центрально, и камера сжатия последнего выполнена большей по объему, чем камера сжатия второго цилиндра [1]
Однако данный двигатель имеет значительные потери топлива при продувке.

Известен также двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий два смежных цилиндра, снабженных поршнями, работающими в одной и той же фазе и сообщенных между собой при помощи перепускного канала, выполненного в головке цилиндров, канал перепуска отработанных газов, подключенный к первому цилиндру, два подключенных к второму цилиндру продувочных канала, один из которых связан с источником обогащенной горючей смеси, а другой с источником обедненной горючей смеси, свечу зажигания, установленную во втором цилиндре. Головка цилиндров снабжена дефлектором, размещенным во втором цилиндре между свечой зажигания и перепускным каналом. Продувочные каналы подключены к второму цилиндру по обеим сторонам от плоскости, проходящей через дефлектор параллельно оси цилиндра, причем канал, связанный с источником обедненной рабочей смеси, расположен со стороны перепускного канала [2]
Однако эффективность сокращения расхода топлива невелика.

Кроме этого, синфазное движение поршней приводит к увеличению неравномерности крутящего момента и как следствие к неравномерности хода.

Наиболее близким к изобретению является двухтактный двигатель внутреннего сгорания, который содержит цилиндр с выхлопными и продувочными окнами, кривошипно-шатунный механизм с поршнем, герметичную кривошипную камеру, по крайней мере один продувочный канал, сообщающий продувочное окно цилиндра с объемом кривошипной камеры, а также основной смесеобразующий впускной тракт, содержащий основную дроссельную заслонку. Таким образом, этот двигатель относится к классу двигателей внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием, осуществляемым, например, с помощью карбюратора в основном впускном тракте. Основным его конструктивным отличием является наличие дополнительного нагнетательного канала и дополнительного воздушного компрессора, приводимого от двигателя либо за счет кинематической связи с кривошипно-шатунным механизмом, либо за счет энергии выхлопных газов (турбокомпрессорный вариант). При этом нагнетательный канал содержит приводной дозирующий клапан и соединяет воздушный компрессор с продувочным каналом в области продувочного окна.

При работе двигателя после заполнения кривошипной камеры горючей смесью (движение поршня вверх) полость продувочного канала наполняется чистым воздухом от компрессора через нагнетательный канал. Необходимая дозировка такого наполнения осуществляется за счет приводного дозирующего клапана. При следующей продувке цилиндра в него в первую очередь поступает из продувочного канала чистый воздух и лишь в завершающей стадии продувки горючая смесь. В силу этого продувочные потери газа оказываются состоящими в основном из чистого воздуха, не содержащего топлива. Благодаря этому продувочные потери топлива сокращаются до минимума. Двигатель может быть выполнен как в варианте с поршневым, так и в вариантах с клапанным или золотниковым управлением впуска горючей смеси в кривошипную камеру [3]
Однако наличие специального воздушного компрессора и приводного дозирующего клапана значительно усложняет конструкцию.

Целью изобретения является упрощение конструкции.

Это достигается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием, содержащий поршень, цилиндр, соединенный с кривошипной камерой при помощи, по меньшей мере одного продувочного канала через продувочное окно, смесеобразующий впускной канал, снабжен по меньшей мере одним дополнительным впускным воздушным каналом, соединенным с продувочным каналом со стороны продувочного окна, причем диаметр и длину дополнительного впускного воздушного канала определяют из условий
d_дк= d_вк
l_дк= l_вк где d_дк, d_вк диаметры дополнительного воздушного и смесеобразующего впускных каналов;
l_дк, l_вк длины дополнительного воздушного и смесеобразующего впускных каналов;
n количество дополнительных впускных воздушных каналов.

Смесеобразующий впускной канал имеет дроссельную заслонку, а дополнительный впускной воздушный канал дополнительную дроссельную заслонку.

На чертеже схематически изображен предложенный двигатель. Он содержит цилиндр 1, поршень 2, кривошипную камеру 3, продувочный канал 4, продувочное окно 5, основной впускной канал, карбюратор 7 основного впускного канала, лепестковый (автоматический) или золотниковый клапан 8 основного впуска, основную дроссельную заслонку 9, дополнительный воздушный канал 10, лепестковый или золотниковый клапан 11 дополнительного воздушного канала, дополнительную дроссельную заслонку 12, канал выхлопа 13, выхлопное окно 14 и свечу зажигания 15.

Двигатель работает следующим образом.

При движении в цилиндре 1 поршня 2 вверх в кривошипной камере 3 создается разрежение, под действием которого через одновременно открывающиеся клапаны 8 и 11 в камеру 3 поступает горючая смесь по основному впускному тракту, образованному основным впускным каналом 6 и карбюратором 7, а в полость продувочного канала 4 чистый воздух через дополнительный воздушный канал 10. Одновременно в надпоршневом объеме цилиндра 1 сжимается горючая смесь. При подходе поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) срабатывает свеча зажигания 15 и смесь над поршнем сгорает, а температура и давление газа повышаются до максимума. К этому же моменту максимальный объем кривошипной камеры 3 заполняется свежим зарядом горючей смеси, а полость канала 4 воздухом. После ВМТ с некоторым запозданием (на инерционный наддув) клапаны 8 и 11 закрываются.

При движении поршня 2 вниз (рабочий ход) горячий газ высокого давления над поршнем отдает свою энергию последнему, а через связанный шатун и кривошип валу отбора мощности двигателя. Одновременно в камере 3 и в канале 4 протекает сжатие горючей смеси и воздуха с повышением их давления. В момент пересечения кромкой головки поршня верхней кромки выхлопного окна 14 начинается процесс выхлопа отработавшего надпоршневого газа. Основная его масса выносится из цилиндра через выхлопной канал 13 с гиперзвуковой скоростью в первые же мгновения выхлопа, в результате давление в цилиндре резко падает. Вслед за этим открывается продувочное окно 5 и цилиндровый объем начинает продуваться чистым воздухом, поступающим в него из полости продувочного канала 4. При этом возможна любая геометрия продувки дефлекторная, возвратно-петлевая или смешанная.

Вслед за продувкой воздухом цилиндр продувается горючей смесью, поступающей из объема камеры 3 через продувочный канал 4. Эта смесь вытесняет из цилиндра остатки выхлопного газа вместе с продувочным воздухом в канал 13. Процесс продувки протекает и после прохождения поршнем нижней мертвой точки (НМТ) и заканчивается к моменту закрытия поршнем 2 выхлопного окна 14 при движении его вверх. В этот момент двигатель приходит в начальное состояние. Описанный цикл работы является двухтактным, так как совершается за два такта (хода поршня) вверх и вниз или за один оборот коленчатого вала. Благодаря тому, что продувочные потери газа представляют собой в основном чистый воздух, не содержащий топлива, продувочные потери последнего очень невелики.

Для правильной работы двигателя важно, чтобы объем впускаемого в канал 4 воздуха был бы не меньше объема газа, теряемого при продувке. В противном случае на продувочные потери будет затрачена заметная часть горючей смеси, что приведет к росту продувочных потерь топлива. Если же воздуха будет впущено значительно больше его потерь при продувке, то он займет в цилиндре заметный объем, на величину которого уменьшается объем заполняющей горючей смеси. В результате этого уменьшается мощность, развиваемая двигателем. Для того, чтобы объем впускаемого воздуха был бы оптимальным, необходимо поддерживать производительность дополнительного воздушного канала 10 на уровне 20-30% от производительности основного впускного канала 6 с учетом дополнительного сопротивления карбюратора 7. На режиме максимальной мощности такое соотношение производительностей обеспечивается конструктивным выбором геометрии каналов 6 и 10 (соотношением сечений и длин).

При регулировке мощности двигателя основной дроссельной заслонкой 9 производительность канала 6 изменяется в очень широких пределах. Для поддержания указанного соотношения производительностей на режимах частичной мощности в канале 10 установлена дополнительная дроссельная заслонка 11, кинематически связанная с заслонкой 9. При этом вполне допустимо, а во многих случаях крайне желательно, чтобы по мере снижения мощности (увеличения дросселирования) относительная производительность дополнительного воздушного канала 10 возрастала до 35-40% Это означает переход на обедненную смесь или частичный ввод регулирования качеством горючей смеси, что может заметно повысить экономичность двигателя. При этом не следует опасаться ухудшения воспламеняемости горючей смеси (ухудшения надежности зажигания), так как последовательная продувка воздухом и горючей смесью обеспечивает их послойное распределение в цилиндре. При этом слой с нормальной смесью будет иметь вполне хорошую воспламеняемость. В отличие от прототипа данный двигатель хорошо совместим с различными системами предварительного общего наддува воздуха, в частности с предварительным турбонаддувом.

Приведенные пределы отношения производительностей каналов можно сформулировать как условия по соотношению конструктивных параметров каналов. Для этого следует учесть следующее.

Как следует из закона Бернулли для идеальных потоков, под действием разности давлений Δ Р на концах каналов в них устанавливаются одинаковые скорости потока V
V 1
(1) где С_р теплоемкость при постоянном давлении;
Т* температура в атмосфере;
Р давление в камере;
Р* атмосферное давление;
γ показатель адиабаты.

Указанное равенство скоростей будет соблюдаться и при учете дополнительного сопротивления потоку за счет потерь на вязкое трение при соблюдении условия сохранения геометрического подобия каналов и вихревого взаимодействия между потоком и стенками каналов. Поскольку производительность канала G можно представить в виде
G SV V (2) где S,D площадь и диаметр канала, то соотношение производительностей будет иметь вид
(3) где G_дк производительность дополнительного канала;
G_ок производительность основного смесеобразующего (карбюраторного) канала;
D_дк диаметр дополнительного канала;
D_ок эффективный (с поправкой за диффузорное сужение) диаметр основного (смесеобразующего) канала.

Продувочный канал в цилиндре может быть не один, а два или три в зависимости от конкретной конструкции. В общем случае имеется n продувочных каналов. Каждый продувочный канал может быть связан с отдельным дополнительным воздушным каналом, так что общее их число на цилиндр также равно n. При этом производительность отдельного дополнительного канала должна быть уменьшена в n раз. Таким образом, условие соотношения производительностей трансформируется к виду
или
D_дк= · D_ок (4)
Кроме того, для соблюдения геометрического подобия длина дополнительного воздушного канала l_дк должна быть равной
l_дк= l_ок · l_ок (5) где l_ок длина впускного смесеобразующего канала.

Условия (4) и (5) и есть конструктивные условия правильной работы двигателя.

Использование в тепловых двигателях, а именно в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: дополнительный впускной воздушный канал 10 соединен с продувочным каналом 4 со стороны продувочного окна 5. Диаметр и длину дополнительного впускного воздушного канала 10 определяют из условия, приведенного в описании изобретения. 1 ил.

ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий поршень, цилиндр, соединенный с кривошипной камерой при помощи по меньшей мере одного продувочного канала через продувочное окно и смесеобразующий впускной канал, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним дополнительным впускным каналом, соединенным с продувочным каналом со стороны продувочного окна, причем диаметр и длину дополнительно впускного канала определяют в соответствии с зависимостями


где d_дк, d_ск диаметры дополнительного впускного и смесеобразующего каналов;
l_дк, l_ск длины дополнительного впускного и смесеобразующего каналов;
n количество дополнительных каналов.