ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B17/00 

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

Известен двухтактный ДВС, содержащий пару цилиндров с поршнями синхронного хода и с камерами сжатия разного объема, изолированные кривошипные камеры с продувочными каналами. Камеры сжатия соединены перепускным каналом с сечением в 4-10% от сечения поршня. Камера сжатия первого цилиндра с большим объемом имеет свечу зажигания. Кривошипные камеры снабжены на впуске двумя карбюраторами, рассчитанными на приготовление горючей смеси с различным избытком воздуха. Такая конструкция уменьшает продувочные потери топлива [1] Однако эти потери остаются существенными, что значительно ухудшает топливную экономичность двигателя.

Наиболее близким и совершенным является ДВС с внутрицилиндровым впрыском топлива ("Двигатели внутреннего сгорания, устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей" Под ред. А.С.Орлина, Машиностроение" 1970, М. ст. 293-298). Он содержит по меньшей мере один цилиндр с поршнем, имеющим шток. Подпоршневой объем, ограниченный донышком поршня и нижней крышкой цилиндра, соединен продувочными каналами с надпоршневым объемом, ограниченным головкой поршня и верхней крышкой цилиндра. Надпоршневой объем в верхней части образует камеру сжатия, снабженную устройством впрыска топлива и выхлопным клапаном, расположенным центрально, по оси цилиндра. Впускной клапан установлен на нижней крышке цилиндра. В таком двигателе топливо в надпоршневой объем поступает после его продувки, благодаря чему продувочные потери топлива полностью отсутствуют.

Однако из-за несовершенства продувки теряется около 25% воздуха, впущенного в подпоршневой объем. Соответственно уменьшается эффективный литровый объем цилиндра, сравнительно с геометрическим значением. Значительная часть (до 25%) рабочего хода поршня неэффективна, так как занята вблизи нижней мертвой точки (НМТ) поршня процессом продувки. Это также снижает эффективный литровый объем. В результате литровая мощность двигателя в сравнении с четырехтактным ДВС возрастает не вдвое, как было бы при полном рабочем ходе и отсутствии потерь воздуха, а всего лишь в 1,1-1,2 раза. При этом двухтактный ДВС имеет более высокий уровень экологической вредности выхлопа, чем четырехтактный, из-за большой рециркуляции отработанных газов и худших параметров горения.

Непосредственным прототипом заявляемого решения является двухтактный ДВС, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров, снабженных противофазными поршнями штоковой конструкции. Надпоршневые объемы цилиндров, ограниченные головками поршней и верхними крышками, образуют в положении поршней в верхней мертвой точке (ВМТ) камеры сжатия, снабженные устройствами впрыска топлива и выхлопными клапанами. Подпоршневые объемы, ограниченные донышками поршневой и нижними крышками снабжены впускными клапанами. ДСВ содержит также пару перепускных каналов с затворами. Каждый из них соединяет подпоршневой объем одного цилиндра с надпоршневым объемом другого [2]
Такой ДВМ имеет полный рабочий ход поршней, что увеличивает эффективный литраж. Кроме того, он имеет несколько лучшее качество продувки, также увеличивающее эффективный литраж. Это связано с тем, что продувка здесь организована в конце обратного хода поршня, когда выхлоп отработавших газов почти завершен и в надпоршневом объеме малого размера остается небольшое количество недвытесненных отработавших газов, подлежащих продувке. Поэтому на продувку требуется меньшее количество чистого воздуха. Соответственно уменьшаются его продувочные потери.

Однако описанный прототип имеет ряд следующих недостатков. Процесс перепуска воздуха через перепускной канал с открытым затвором здесь совмещен с процессом сжатия и с неизбежностью должен заканчиваться не раньше, чем поршни займут положение ВМТ и НМТ. К этому моменту над поршнем с ВМТ, то есть в камере сжатия, завершается процесс горения и надпоршневое давление газов достигает пикового значения. Но в силу открытости затвора это давление передается через перепускной канал и на другой поршень, находящийся в НМТ. Таким образом, пиковое давление газов действует не на один поршень, как в обычном ДВС, а на два поршня. Это обстоятельство делает ход двигателя вдвое более жестким и ухудшает равномерность крутящего момента. Кроме того, как и в обычном двухтактном ДВС собственно процесс продувки остается очень несовершенным. Поэтому, несмотря на некоторое повышение качества продувки, количество рециркулирующих отработанных газов, остается все же высоким. Это ухудшает состав горючей смеси и параметры горения, что отрицательно сказывается на КПД двигателя и увеличивает токсичность выхлопа.

Технический результат достигается тем, что в двухтактном ДВС, содержащем по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, снабженными штоками, надпоршневые объемы с камерами сгорания, каждый из которых образован головкой поршня и верхней крышкой цилиндра, подпоршневые объемы, каждый из которых образован донышком поршня и нижней крышкой цилиндра, выхлопные клапаны, установленные в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и перепускные каналы с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного из цилиндров с надпоршневым объемом другого цилиндра, каждая пара цилиндров дополнена третьим цилиндром с размещенным в нем поршнем, содержащим шток, имеющим надпоршневой и подпоршневой объемы, выхлопной клапан в верхней крышке третьего цилиндра, впускной клапан в его нижней крышке, а также третьим перепускным клапаном с затвором, при этом первый перепускной канал соединяет подпоршневой объем первого цилиндра с надпоршневым объемом второго цилиндра, второй перепускной канал соединяет подпоршневой объем второго цилиндра с надпоршневым объемом третьего цилиндра, третий перепускной канал соединяет подпоршевой объем третьего цилиндра с надпоршневым объемом первого цилиндра, выводы перепускных каналов в надпоршневые объемы ориентированы тангенциально к боковым поверхностям цилиндров, выхлопные клапаны каждого цилиндра установлены в их верхних крышках центрально, по оси цилиндра, а поршни выполнены с возможностью перемещения одного относительно другого со сдвигом по фазе на 120^о.

По имеющимся у автора сведениям из патентной и научно-технической литературы на данный момент неизвестен двухтактный ДВС, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, снабженными штоками, надпоршневые объемы с камерами сгорания, каждый из которых образован головкой поршня и верхней крышкой цилиндра, подпоршневые объемы, каждый из которых образован донышком поршня и нижней крышкой цилиндра, выхлопные клапаны, установленные в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и перепускные каналы с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного из цилиндров с надпоршневым объемом другого цилиндра, который с целью уменьшения жесткости хода, повышения КПД и снижения токсичности выхлопа содержал бы следующую совокупность отличительных признаков:
1) каждая пара цилиндров дополнена третьим цилиндром с размещенным в нем поршнем, содержащим шток, имеющим надпоршневой и подпоршневой объемы, выхлопной клапан в верхней крышке третьего цилиндра и впускной клапан в его нижней крышке,
2) каждая пара цилиндров дополнена третьим перепускным каналом с затвором,
3) первый перепускной канал соединяет подпоршневой объем первого цилиндра с надпоршневым объемом второго цилиндра, второй перепускной канал соединяет подпоршневой объем второго цилиндра с надпоршневым объемом третьего цилиндра, а третий перепускной канал соединяет подпоршневой объем третьего цилиндра с надпоршневым объемом первого цилиндра,
4) выводы перепускных каналов в надпоршневые объемы ориентированы тангенциально к боковым поверхностям цилиндров,
5) выхлопные клапаны каждого цилиндра установлены в их верхних крышках центрально, по оси цилиндра,
6) поршни выполнены с возможностью перемещения одного относительно другого со сдвигом по фазе на 120^о.

При такой конструкции процесс перепуска в каждом из перепускных каналов завершается закрытием затвора в момент, когда сопряженный с ним по вводу подпоршневой объем обращается в минимум, то есть когда соответствующий поршень достигает НМТ. В силу признака 6 сопряженный по выводу надпоршневой объем не достигает минимума, поскольку соответствующий поршень отстает от ВМТ на 60^о, что соответствует текущей степени сжатия около 3-х. Таким образом, процесс перепуска полностью заканчивается до начала горения при сравнительно низком давлении предсжатия. Дальнейшее сжатие, впрыск топлива и горение протекают в изолированном надпоршневом объеме, так что пик газового давления прикладывается не к двум, а к одному поршню. Соответственно вдвое снижается жесткость работы двигателя.

За счет тангенциальной ориентации выводов каналов (признак 4) перепускаемый воздух с большой скоростью движется по стенкам цилиндра в надпоршневом объеме каждого цилиндра с образованием мощного вихря. При продувке холодный входящий воздух за счет центробежных сил сосредотачивается в периферийной околостеночной зоне, оттесняя более горячий и легкий выхлопной газ в центральную (осевую) область надпоршневого объема. Поскольку выхлопной клапан также расположен центрально (признак 5), в него попадает только выхлопной газ, который полностью довытесняется (продувается) в процессе продувки практически без потерь воздуха. В результате качество цилиндровой очистки получается даже более высоким, чем в четырехтактном двигателе. Практическое отсутствие остаточных рециркулирующих примесей значительно улучшает средний химический состав горючей смеси, образующейся при впрыске топлива, а мощное вихревое движение в камере сгорания обеспечивает высокую равномерность ее распределения (гомогенизация). Следствием высокой гомогенности и чистого состава смеси является ее лучшее воспламенение и более быстрое и полное сгорание. Наследуемое от перепуска вихревое движение при горении также повышает его скорость и полноту. Более полное сгорание топлива заметно повышает КПД двигателя, а в его выхлопе резко снижается количество непрогоревшего топлива и химически активных промежуточных соединений (радикалов). Это приводит к существенному снижению токсичности выхлопа, то есть его экологического вреда. Таким образом поставленная цель достигается в полном объеме.

Из сказанного следует, что заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем.

На чертеже дана схема простейшего двигателя с одной тройкой цилиндров.

Приняты следующие обозначения на чертеже: 1, 2, 3 первый, второй и третий цилиндры; 4, 5, 6 верхние крышки цилиндров; 7, 8, 9 нижние крышки цилиндров; 10, 11, 12 первый, второй и третий поршни; 13, 14, 15 поршневые штоки; 16, 17, 18 выхлопные клапаны; 19, 20, 21 устройства впрыска топлива; 22, 23, 24 впускные клапаны; 25, 26, 27 уплотнения штоков; 28, 29, 30 первый, второй и третий перепускные каналы, 31, 32, 33 затворы перепускных каналов.

Двигатель содержит три независимых газодинамических системы. Первая из них состоит из поршневого объема цилиндра 1 с надпоршневого объема цилиндра 2. Система включает также перепускной канал 28 с затвором 31, соединяющий объемы системы друг с другом, выхлопной клапан 17, устройство впрыска 20 и впускной клапан 22.

Вторая система содержит подпоршневой объем цилиндра 2, надпоршневой объем цилиндра 3, перепускной канал 29 с затвором 32, клапаны 18 и 23 и устройство впрыска 21. Третья система содержит подпоршневой объем цилиндра 3, надпоршневой объем цилиндра 1, перепускной канал 30 с затвором 33, клапаны 16 и 24 и устройство впрыска 19. Поршни 10-12 выполнены с возможностью перемещения со сдвигом по фазе друг относительно друга на 120^о. Для уяснения работы двигателя необходимо уяснить работу одной из газодинамических систем. Пусть это будет первая система.

Первая газодинамическая система действует следующим образом. Пусть в начальный момент Φ 0 поршень 10 находится в ВМТ, а поршень 11 опережает его на 120^о, т. е. находится в 180-120^о 60^о от НМТ в процессе рабочего хода вниз. Клапаны 17, 22, а также затвор 31 в этот момент закрыты, а цилиндровые объемы системы разобщены. При дальнейшем движении поршня 10 вниз в подпоршневом объеме цилиндра 1 происходит предсжатие ранее впущенного воздуха. Одновременно движется вниз и поршень 11, совеpшая рабочий ход под действием высокого надпоршневого давления горячих газов, которые претерпевают примерно адиабатное расширение в увеличивающемся надпоршневом объеме цилиндра 2. При подходе поршня 11 к НМТ открывается клапан 17 и начинается процесс истечения отработавших газов из надпоршневого объема через клапан 17 в выхлопную магистраль (на фиг. не обозначена). В первые моменты истечение имеет сверхзвуковую скорость и носит характер интенсивного предвыхлопа. При этом давление в надпоршневом объеме быстро падает и процесс выхлопа плавно переходит в стадию поршневого вытеснения при околоатмосферном давлении, так как поршень 11 уже движется вверх. При этом поршень 10 продолжает движение вниз, осуществляя в подпоршневом объеме 1 дальнейшее предсжатие воздуха.

В момент, когда поршень 10 не доходит до НМТ 30-40^о, открывается затвор 31 и предсжатый воздух устремляется из подпоршневого объема 1 в надпоршневой объем 2 через канал 28. Из-за большого перепада давлений в объемах скорость воздуха в канале вначале также сверхзвуковая. В силу того, что вывод канала в объем 1 ориентирован тангенциально к поверхности цилиндра, входящий в него быстрый воздух движется вдоль цилиндрической стенки цилиндра и закручивается по ее круговой геометрии с образованием мощного вихря. В этом вихре входящий холодный и плотный воздух прижимается центробежными силами к стенкам цилиндра, а более горячий и легкий выхлопной газ оттесняется в центральную область надпоршневого объема. При этом указанная центральная область быстро уменьшается в диаметре за счет увеличения объема втекающего холодного воздуха. Этот процесс и есть продувка надпоршневого объема. Процесс продувки заканчивается в момент закрытия выхлопного клапана 17, когда центральная область выхлопных газов практически полностью исчезает. Описанная вихревая организация продувки резко улучшает ее качество количество остаточных (рециркулирующих) газов становится меньшим, чем в четырехтактном двигателе, а продувочные потери воздуха на выхлоп также очень малы.

После закрытия клапана 17 продолжающийся перепуск воздуха переходит из стадии продувки в стадию наполнения надпоршневого объема с повышением в нем давления воздуха. Эта стадия завершается в момент, когда поршень 10 достигает НМТ. При этом затвор 31 закрывается и разобщает объемы. В этот момент поршень 11 находится за 60^о до ВМТ. При его дальнейшем движении вверх перепущенный воздух подвергается в надпоршневом объеме дальнейшему окончательному сжатию. При подходе поршня 11 к ВМТ срабатывает устройство впрыска 20. Поступающее из него топливо смешивается с воздухом с образованием горючей смеси. Дальнейшее воспламенение и сгорание смеси протекают примерно так же, как в прототипе, с резким нарастанием газового давления в объеме 2 (камере сгорания). Однако образующаяся горючая смесь здесь более чистая из-за практического отсутствия рециркуляции, а продолжающееся мощное вихревое движение обеспечивает высокую степень ее гомогенности. В результате смесь быстрее воспламеняется и сгорает с большей скоростью и полнотой. Продолжающееся вихревое движение также способствует повышению скорости и полноты сгорания, что повышает КПД и снижает токсичность выхлопа.

Одновременно с этим поршень 10 движется вверх и в расширяющийся подпоршневой объем 1 через открывающийся клапан 22 входит новая доза чистого атмосферного воздуха. Этот процесс впуска завершается, когда поршень 10 достигает ВМТ. К этому моменту опускающийся поршень 11 совершает часть рабочего хода под большим надпоршневым давлением раскаленных газов. При этом система приходит в исходное состояние Φ 360^о, что равносильно Φ 0. Далее описанный цикл работы системы повторяется в процессе непрерывной работы.

Работа второй и третьей газодинамических систем аналогична описанной. Их различие между собой сводится лишь к взаимному сдвигу по фазе на 120^о в соответствии с различием фаз поршневых ходов в двигателе. Описанный двигатель может работать как в режиме самовоспламенения горючей смеси (дизельный цикл), так и в режиме принудительного зажигания при пониженных степенях сжатия, что может иметь смысл при разработке легких конструкций. При применении принудительного электроискрового зажигания внутрицилиндровое смесеобразование может быть заменено на внешнее, например, карбюраторное. Однако в этом случае возникнут дополнительные продувочные потери топлива (сравнительно очень небольшие) и появится опасность детонационного эффекта при сгорании, которая может быть устранена понижением степени сжатия. Двигатель может иметь как рядную, так и звездообразную компоновку цилиндров в тройке. Кроме того, двигатель может иметь не одну, а несколько независимых троек цилиндров. Для улучшения равномерности крутящего момента разность фаз в работе троек должна быть установлена по формуле
ΔΦ где Z число независимых троек цилиндров в двигателе. Разумным мотивом к применению многоцилиндровых конструкций может быть повышение мощности при ограниченном литраже одного цилиндра.

При применении дизельного цикла (воспламенение от сжатия) предпочтительно регулирование мощности качества горючей смеси. Применение электроискрового зажигания диктует установку регулирования количеством при очень малых коррекциях качества. При использовании калильного или факельного зажигания допустима любая разновидность регулирования мощности, в том числе комбинированная.

Пуск двигателя не имеет каких-либо существенных особенностей сравнительно с известными ДВС. Применение конструкций с двумя и, тем более, с тремя тройками цилиндров значительно облегчает пуск и требует меньшего стартового проворота вала.

Использование: в тепловых двигателях, а именно поршневые двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения:двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры 1,2,3 с верхними 4,5,6 и нижними 7,8,9 крышками, поршни 10,11,12 со штоками 13,14,15. По центру верхних крышек установлены выхлопные клапаны 16,17,18, на нижних крышках установлены впускные клапаны 22,23,24. Двигатель содержит дополнительно три перепускных канала 28,29,30 с затворами 31,32,33. Перепускные каналы 30,28,29 соединяют соответственно надпоршневыми объемами цилиндров 1,2,3 с подпоршневами объемами цилиндров 3,1,2. Поршни выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга со сдвигом по фазе на 120^o. 1 ил.

ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, снабженными штоками, надпоршневые объемы с камерами сгорания, каждый из которых образован головкой поршня и верхней крышкой цилиндра, подпоршневые объемы, каждый из которых образован донышком поршня и нижней крышкой цилиндра, выхлопные клапаны, установленные в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и перепускные каналы с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного из цилиндров с надпоршневым объемом другого цилиндра, отличающийся тем, что каждая пара цилиндров дополнена третьим цилиндром с размещенным в нем поршнем, содержащим шток, имеющим надпоршневой и подпоршневой объемы, выходной клапан в верхней крышке третьего цилиндра, впускной клапан в его нижней крышке, а также третьим перепускным каналом с затвором, при этом первый перепускной канал соединяет подпоршневой объем первого цилиндра с надпоршневым объемом второго цилиндра, второй перепускной канал соединяет подпоршневой канал второго цилиндра с надпоршневым объемом третьего цилиндра, третий перепускной канал соединяет подпоршневой объем третьего цилиндра с надпоршневым объемом первого цилиндра, выводы перепускных каналов в надпоршневые объемы ориентированы тангенциально к боковым поверхностям цилиндров, выхлопные клапаны каждого цилиндра установлены в их верхних крышках центрально по оси цилиндра, а поршни выполнены с возможностью перемещения одного относительно другого со сдвигом по фазе на 120^oС.