СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B25/24 F02B29/06 F02B33/30 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к способам работы двухтактных двигателей внутреннего сгорания и их конструкциям.

Известен способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие и сгорание свежего заряда в цилиндре при движении поршня к верхней мертвой точке, расширение продуктов сгорания в цилиндре при движении поршня от верхней мертвой точки, выпуск отработавших газов из цилиндра через открываемое верхней кромкой поршня выпускное окно, выпускной канал и золотник в выпускную магистраль, продувку и наполнение цилиндра сжатым свежим зарядом, перепускаемым через продувочное окно при подходе поршня к нижней мертвой точке, причем при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки выпускной канал отсоединяют при помощи золотника от выпускной магистрали и соединяют его с выпускной магистралью после продувки и наполнения цилиндра [1] .

Недостатками этого способа являются его низкие удельные показатели из- за малой степени наполнения цилиндра и высокой температурной напряженности поршня, выпускных окон и всей системы выпуска.

Известен другой способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие и сгорание свежего заряда в цилиндре при движении поршня к верхней мертвой точке, расширение продуктов сгорания в цилиндре при движении поршня от верхней мертвой точки, выпуск отработавших газов из цилиндра через открываемое верхней кромкой поршня впускное-выпускное окно, впускной-выпускной канал и золотник в выпускную магистраль, продувку и наполнение цилиндра сжатым свежим зарядом, перепускаемым через продувочное окно при подходе поршня к нижней мертвой точке, причем при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки впускной-выпускной канал отсоединяют при помощи золотника от выпускной магистрали и соединяют через золотник с впускной магистралью [2].

В прототипе степень наполнения цилиндра увеличена, по сравнению с аналогом, за счет расширения время-сечения впускных органов газораспределения. Достигается это путем придания выпускным каналу и окну функции впускных органов после выполнения ими основной функции: выпуска. Вследствие этого уменьшается и температурная напряженность элементов двигателя, охлаждаемых свежим зарядом.

Однако указанные меры являются недостаточными для получения в прототипе максимально возможных удельных параметров. Кроме того, в одном из вариантов технического решения с двумя золотниками не используются значительные резервы увеличения время-сечения относительно варианта с одним золотником, описанном в этом же источнике.

Известен также двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с установленным в нем коленчатым валом и соединенный с картером по меньшей мере один цилиндр, в котором размещен поршень, кинематически связанный с валом, и выполнены продувочное окно, сообщенное с источником сжатого свежего заряда, и впускное-выпускное окно, соединенное с впускным-выпускным каналом, причем в последнем установлен золотник с возможностью периодического соединения канала с впускной и выпускной магистралями [3].

Недостатками прототипа в части устройства являются те же, что и у прототипа в части способа.

Технической задачей является повышение удельных параметров двигателя при высокой его надежности.

Поставленная задача решается тем, что перед наполнением цилиндра свежий заряд впускают в кривошипную камеру, при этом впуск в кривошипную камеру осуществляют через золотник, впускной-выпускной канал и открываемое нижней кромкой поршня впускное-выпускное окно при движении поршня к верхней мертвой точке, а продувку и наполнение цилиндра - путем перепуска заряда из кривошипной камеры.

Поставленная задача решается также тем, что по впускной магистрали свежий заряд могут подавать под избыточным давлением.

Поставленная задача решается также тем, что в кривошипной камере свежий заряд могут сжимать одновременно с расширением в цилиндре продуктов сгорания.

Поставленная задача в части устройства решается тем, что в картере образована кривошипная камера, сообщенная с продувочным окном при помощи продувочного канала и связанная с впускной магистралью через золотник, впускной-выпускной канал и впускное-выпускное окно, открываемое нижней кромкой поршня при его движении к верхней мертвой точке.

Поставленная задача решается также тем, что кривошипная камера может быть использована в качестве источника сжатого свежего заряда.

Поставленная задача решается также тем, что золотник размещен в цилиндрической полости и может быть выполнен в виде установленного на конце вала в плоскости, перпендикулярной оси его вращения, дискового разделителя с уплотнением по его радиальной поверхности и секторного элемента, расположенного на торцевой поверхности разделителя и контактирующего с торцевой поверхностью картера, причем золотник установлен в полости с образованием впускного ресивера и выпускного коллектора, связанных, соответственно, с впускной и выпускной магистралями; в золотнике, в районе расположения секторного элемента, выполнен выпускной канал, а впускной-выпускной канал выполнен в торцевой поверхности картера с возможностью периодического сообщения с выпускным коллектором при помощи выпускного канала.

Поставленная задача решается также тем, что секторный элемент может быть выполнен в виде противовеса.

Поставленная задача решается также тем, что в цилиндре симметрично впускному-выпускному окну может быть выполнено дополнительное впускное-выпускное окно, соединенное с дополнительным впускным-выпускным каналом, причем в последнем установлен дополнительный золотник с возможностью периодического соединения дополнительного канала с выпускной и впускной магистралями.

Поставленная задача решается также тем, что в цилиндре может быть выполнено дополнительное продувочное окно, сообщенное с кривошипной камерой при помощи дополнительного продувочного канала.

Поставленная задача решается также тем, что продувочные и впускные-выпускные окна могут быть расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Поставленная задача решается также тем, что он может быть снабжен нагнетателем свежего заряда, подключенным к впускной магистрали.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез двигателя, в котором реализован описываемый способ; на фиг. 2 - то же, разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - то же, разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - то же, разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 - схематичное изображение двигателя в момент начала выпуска; на фиг. 7 - то же, положение золотника на разрезе Б-Б на фиг. 3; на фиг. 8 - схема двигателя в момент продувки и начала подачи свежего заряда в цилиндр; на фиг. 9 - то же, положение золотника на разрезе Б-Б на фиг. 3; на фиг. 10 - схема двигателя в момент сжатия заряда в цилиндре и начала впуска в кривошипную камеру; на фиг. 11 - то же, положение золотника на разрезе Б-Б на фиг. 3; на фиг. 12 показан поперечный разрез двигателя по п. 8 формулы изобретения; на фиг. 13 показана шатунно-поршневая группа описываемого двигателя; на фиг. 14 - то же, разрез Д-Д на фиг. 13.

Описываемый способ реализуется в двигателе, который содержит картер 1, в котором образована кривошипная камера 2 и установлен коленчатый вал 3, цилиндр 4, в котором размещен поршень 5, кинематически связанный с валом 3. В цилиндре 4 выполнены продувочное окно 6, сообщенное с кривошипной камерой 2 при помощи продувочных каналов 7 и впускное-выпускное окно 8, соединенное с впускным- выпускным каналом 9, в котором установлен золотник 10 с возможностью периодического соединения канала 9 с впускной 11 и выпускной 12 магистралями.

Золотник 10 размещен в цилиндрической полости 13 и выполнен в виде установленного на конце вала 3 дискового разделителя 14 с уплотнением 15 по его радиальной поверхности и секторного элемента 16, расположенного на торцевой поверхности разделителя 14 и контактирующего с торцевой поверхностью картера 1, причем золотник 10 установлен в полости 13 с образованием впускного ресивера 17 и выпускного коллектора 18, связанных, соответственно, с впускной 11 и выпускной 12 магистралями, в золотнике, в районе расположения секторного элемента 16, выполнен выпускной канал 19, а впускной- выпускной канал 9 выполнен в торцевой поверхности картера 1 с возможностью периодического сообщения с выпускным коллектором 18 при помощи выпускного канала 19.

Секторный элемент 16 может быть выполнен в виде противовеса.

В цилиндре 4 симметрично впускному-выпускному окну 8 может быть выполнено дополнительное 20 впускное-выпускное окно, соединенное с дополнительным 21 впускным-выпускным каналом, в котором установлен дополнительный 22 золотник с возможностью периодического соединения дополнительного канала 21 с выпускной 12 и впускной 11 магистралями.

В цилиндре 4 может быть выполнено дополнительное 23 продувочное окно, сообщенное с кривошипной камерой 2 при помощи дополнительного 24 продувочного канала.

Продувочные 6 и 23 и впускные-выпускные 8 и 20 окна расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двигатель может быть снабжен нагнетателем свежего заряда (на чертежах не показан), подключенным к впускной магистрали 11.

Поршень 5 может быть связан с валом 3 при помощи шатуна 25, а поршневой палец 26 может быть выполнен в виде центрального цилиндрического пояса 27 и соединенных с ним соосных цилиндрических сегментов 28, при этом на поясе 27 установлена головка шатуна 25, а сегменты 28 притянуты к поршню 5 при помощи резьбовых элементов 29.

Описываемый способ реализуется следующим образом. В конце расширения продуктов сгорания в цилиндре 4 поршень 5 при движении к нижней мертвой точке открывает своей верхней кромкой впускное- выпускное окно 8 и начинается выпуск из цилиндра 4 отработавших газов по впускному-выпускному каналу 9, выпускному каналу 19 золотника 10 и выпускному коллектору 18 в выпускную магистраль 12 (фиг. 6 и 7). При дальнейшем движений поршня 5 к нижней, мертвой точке поршень 5 открывает своей верхней кромкой продувочное окно 6, через которое начинает поступать в цилиндр 4 сжатый свежий заряд, вытесняющий во впускное-выпускное окно 8 остатки отработавших газов, продувая полость цилиндра 4. В конце выпуска золотник 10 поворачивается и прекращает сообщение канала 9 с выпускным коллектором 18, в результате чего процесс выпуска заканчивается и свежий заряд, вытесняемый во время продувки из цилиндра 4 в канал 9 либо попадает опять во впускную магистраль 11, либо, в зависимости от конструкции золотника, запирается во впускном-выпускном канале 9, создавая при этом волну давления, направленную в сторону впускного-выпускного окна 8, препятствуя дальнейшему выходу свежего заряда из цилиндра 4. Таким образом (так же, как и в прототипах) предотвращаются потери свежего заряда в выпускную магистраль 12, значительно улучшая экономичность двигателя. При наличии нагнетателя (на чертежах не показан), после прекращения выпуска, во впускной- выпускной канал 9 из впускной магистрали 11 через впускной ресивер 17 поступает сжатый свежий заряд и цилиндр 4 наполняется одновременно через оба окна 6 и 8, позволяя надувать двухтактный двигатель до необходимых степеней (фиг. 8 и 9). При такой организации рабочего процесса время-сечение окон 6 и 8 в несколько раз превышает максимально возможное время-сечение клапанов в четырехтактных двигателях. Наполнение продолжается и при движении поршня 5 от нижней мертвой точки до последовательного закрытия его верхней кромкой сначала продувочного 6, затем впускного-выпускного 8 окон, после чего начинается процесс сжатия свежего заряда в цилиндре 4. При дальнейшем движении от нижней мертвой точки поршень 5 своей нижней кромкой открывает впускное-выпускное окно 8 и в кривошипную камеру 2 из впускной магистрали II через впускной коллектор 17 и канал 9 поступает свежий заряд либо под действием разрежения в камере 2, либо под давлением, создаваемым нагнетателем (фиг. 10 и 11). В цилиндре при этом происходят сгорание и расширение продуктов сгорания, после чего цикл повторяется.

Работа золотника 10 осуществляется следующим образом. Дисковый разделитель 14 постоянно разделяет полость 13 на впускной ресивер 16 и выпускной коллектор 17 при помощи радиального уплотнения 15, взаимодействующего с внутренней цилиндрической поверхностью полости 13. Секторный элемент 16 золотника 10 постоянно контактирует с торцевой поверхностью картера 1, а выполненный в золотнике 10 выпускной канал 19 расположен на том же радиусе от оси вращения вала 3, что и выполненный в торцевой поверхности картера 1 канал 9. При совмещении каналов 19 и 9 в определенном диапазоне угла поворота золотника 10 полость цилиндра 4 сообщается с выпускной магистралью 12 и происходит выпуск. При отсутствии же сообщения между собой каналов 19 и 9 впускной-выпускной канал 9 постоянно связан с впускной магистралью 11 посредством впускного ресивера 17.

В случае выполнения двигателя с двумя симметричными золотниками 10 и 22 (фиг. 12) описанный выше процесс происходит одновременно в двух идентичных системах, что значительно расширяет время-сечение органов газораспределения.

Таким образом, задача увеличения наполнения цилиндра 4 двигателя (при оптимальном его выполнении с двумя золотниками 10 и 22) решается путем предварительного наполнения кривошипной камеры 2 и, практически одновременной подачи свежего заряда в цилиндр 4 как через продувочные 6 и 23, так и через впускные-выпускные 8 и 20 окна, что почти в два раза позволяет увеличить время-сечение впуска по сравнению с двухзолотниковым вариантом прототипа [2] .

Эффект в однозолотниковом варианте достигается за счет уменьшения механических потерь на привод нагнетателя либо за счет отказа от него вообще (использование эффектов всасывания и сжатия в кривошипной камере 2), либо за счет более равномерной подачи сжатого заряда (кроме кратковременных перерывов в моменты перекрытия боковой поверхностью поршня 5 окна 8, а также в начале выпуска), позволяющей уменьшить необходимую степень повышения давления в нагнетателе и его секундный расход, а в случае использования центробежного нагнетателя - улучшить, с точки зрения газовой динамики, условия его работы. То есть процесс подачи свежего заряда даже в одноцилиндровом двигателе происходит практически непрерывно.

Еще один эффект расширения время-сечения в двигателе внутреннего сгорания заключается в возможности увеличения частоты вращения его вала без снижения эффективной мощности. Это связано с уменьшением времени, необходимого для наполнения цилиндра.

Задача снижения термической напряженности двигателя, а именно: днища поршня, кромок окон газораспределения и выпускных каналов частично решается в известных двигателях. Рабочий процесс, описанный в обоих прототипах, позволяет снизить термонапряженность указанных деталей за счет перепуска через них холодного свежего заряда. Однако возможность дополнительной его подачи через кривошипную камеру 2 в описываемом рабочем процессе позволяет в три раза увеличить количество прокачиваемого через выпускные органы холодного заряда. Это позволяет снять практически все лишнее тепло - не успевшее проникнуть в глубь материала - с поверхности наиболее нагретых деталей (кромки окна 8, стенки канала 9, поршень 5), а значит, и увеличить рабочие параметры процесса, в том числе за счет увеличения наполнения цилиндра двигателя, без снижения надежности его работы. Кроме того, использование кривошипной камеры 2 в рабочем процессе позволяет резко снизить термонапряженность всего поршня 5 не только за счет обдува его стенок холодным зарядом через окна 8 и 20, но и за счет интенсивного его охлаждения со стороны внутренней поверхности свежим зарядом при впуске в кривошипную камеру 2, сжатии в ней и продувке.

Совмещение оси вращения золотника 10 с осью вращения вала 3 позволяет оптимально согласовать размеры выпускного канала 19 с фазами газораспределения двигателя, практически без ухудшения его массо- габаритных характеристик. В известных же двигателях (2 и 3) форма и расположение золотников не позволяют расширить время- сечение переключаемых ими каналов.

Кроме того, совмещение осей золотника и вала позволяет установить на золотнике противовес. Возможность установки его на относительно большом радиусе вращения значительно снижает уравновешиваемую массу, а задаваемое относительное расположение поршня 5 и секторного элемента 16 позволяет использовать последний в качестве противовеса. При этом вынесение противовесов из кривошипной камеры позволяет сделать ее более компактной и снизить в ней до минимума вредный объем. Таким образом указанный технический прием приводит к значительному улучшению удельных массо-габаритных показателей двигателя.

Дополнительно следует отметить, что выполнение поршневого пальца 26 ступенчатым, с цилиндрическими сегментами 28, позволяет при большом диаметре его центрального пояса 27, на котором установлена головка шатуна 25, значительно снизить массу всего поршня 5, приблизить его к валу 3 и уменьшить длину и массу шатуна 25. Относительно большой диаметр центрального пояса 27 позволяет уменьшить его ширину, а значит увеличить нагрузочную способность пальца 26 как за счет увеличения поверхностей, воспринимающих газовую нагрузку, так и за счет увеличения его жесткости и устранения в нем изгибающих сил. Притягивание сегментов 28 пальца 26 к нижней поверхности поршня 5 резьбовыми элементами 29 значительно упрощает сборку шатунно-поршневой группы, особенно при наличии элементов качения в сопряжении центрального пояса 27 и головки шатуна 25. Уменьшение длины шатуна 25 позволяет уменьшить вредный объем кривошипной камеры 2 и улучшить газодинамические параметры рабочего процесса.

Таким образом, в предложенных способе и устройстве в комплексе решаются основные проблемы двухтактных двигателей, а именно: низкая экономичность вследствие больших потерь свежего заряда при продувке и механических потерь на привод нагнетателя, высокая термонапряженность поршня и элементов системы выпуска. При известных преимуществах двухтактных двигателей в удельных массо-габаритных показателях, простоте, надежности и дешевизне, решение указанных выше проблем позволяет вывести параметры двухтактного двигателя на уровень литровых мощностей "формульных" моторов с ресурсом в десятки тысяч часов.

Источники информации:
1. Патент России N 2017993, кл. F 02 B 25/20, 1992.

2. Патент США N 5081961, кл. F 02 В 25/08, опуб. 1992.

3. Авторское свидетельство СССР N 56419, кл. F 02 B 25/14, 1940.

Использование: изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно: к рабочим процессам двухтактных двигателей. Сущность изобретения: в двухтактных двигателях с щелевой продувкой в конце выпуска отработавших газов из цилиндра 4 через впускное-выпускное окно 8 и впускной-выпускной канал 9 золотник 10 переключает сообщение канала 9 с выпускным коллектором 18 на сообщение с впускным ресивером 17, связанным с впускной магистралью. После этого в цилиндр 4 поступает свежий заряд одновременно через продувочное окно 6, связанное с кривошипной камерой 2 при помощи продувочного канала, и через окно 8, сообщенное с впускной магистралью. Наполнение кривошипной камеры 2 происходит во время движения поршня 5 от нижней мертвой точки после открытия его нижней кромкой окна 8. Таким образом подача свежего заряда даже в одноцилиндровый двигатель происходит практически непрерывно (за исключением кратковременных перекрытий боковой поверхностью поршня 5 окна 8 и в начале выпуска). Это позволяет за счет увеличения время- сечения органов газораспределения максимально наполнить цилиндр 4 за минимальное время и с минимальными затратами. Одновременно с решением задачи увеличения наполнения решается и задача термонапряженности двигателя. Тепло с поверхности наиболее нагретых деталей (кромок окна 8, стенок канала 9 поршня 5) после выпуска мгновенно снимается перепускаемым через них (практически в течение всего цикла до следующего такта выпуска) холодным свежим зарядом. Решение указанных технических задач позволяет значительно повысить параметры рабочего процесса в двухтактном двигателе и улучшить удельные показатели поршневых двигателей без снижения их надежности и ресурса. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие и сгорание свежего заряда в цилиндре при движении поршня в верхней мертвой точке, расширение продуктов сгорания в цилиндре при движении поршня от верхней мертвой точки, выпуск отработавших газов из цилиндра через открываемое верхней кромкой поршня впускное-выпускное окно, впускной-выпускной канал и золотник в выпускаемую магистраль, продувку и наполнение цилиндра сжатым свежим зарядом, перепускаемым через продувочное окно, при подходе поршня к нижней мертвой точке, причем при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки впускной-выпускной канал отсоединяют при помощи золотника от выпускной магистрали и соединяют через золотник с впускной магистралью, отличающийся тем, что перед наполнением цилиндра свежий заряд впускают в кривошипную камеру, при этом впуск в кривошипную камеру осуществляют через золотник, впускной-выпускной канал и открываемое нижней кромкой поршня впускное-выпускное окно при движении поршня к верхней мертвой точке, а продувку и наполнение цилиндра путем перепуска заряда из кривошипной камеры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по впускной магистрали свежий заряд подают под избыточным давлением. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что свежий заряд сжимают в кривошипной камере одновременно с расширением в цилиндре продуктов сгорания. 4. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с установленным в нем коленчатым валом и соединенный с картером по меньшей мере один цилиндр, в котором размещен поршень, кинематически связанный с валом, и выполнены продувочное окно, сообщенное с источником сжатого свежего заряда, и впускное-выпускное окно, соединенное с впускным-выпускным каналом, причем в последнем установлен золотник с возможностью периодического соединения канала с впускной и выпускной магистралями, отличающийся тем, что в картере образована кривошипная камера, сообщенная с продувочным окном при помощи продувочного канала и связанная с впускной магистралью через золотник, впускной-выпускной канал и впускное-выпускное окно, открываемое нижней кромкой поршня при его движении к верхней мертвой точке. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что кривошипная камера использована в качестве источника сжатого свежего заряда. 6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что золотник размещен в цилиндрической полости и выполнен в виде установленного на конце вала в плоскости, перпендикулярной оси его вращения, дискового разделителя с уплотнением по его радиальной поверхности и секторного элемента, расположенного на торцевой поверхности разделителя и контактирующего с торцевой поверхностью картера, причем золотник установлен в полости с образованием впускного ресивера и выпускного коллектора, связанных соответственно с впускной и выпускной магистралями, в золотнике, в районе расположения секторного элемента выполнен выпускной канал, а впускной-выпускной канал выполнен в торцевой поверхности картера с возможностью периодического сообщения с выпускным коллектором при помощи выпускного канала. 7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что секторный элемент выполнен в виде противовеса. 8. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что в цилиндре симметрично впускному-выпускному окну выполнено дополнительное впускное-выпускное окно, соединенное с дополнительным впускным-выпускным каналом, причем в последнем установлен дополнительный золотник с возможностью периодического соединения дополнительного канала с выпускной и впускной магистралями. 9. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в цилиндре выполнено дополнительное продувочное окно, сообщенное с кривошипной камерой при помощи дополнительного продувочного канала. 10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что продувочные и впускные-выпускные окна расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. 11. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что он снабжен нагнетателем свежего заряда, подключенным к впускной магистрали.