БЕСШАТУННЫЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02B75/28 F02B33/14 

Настоящее техническое решение относится к области двигателестроения, а более конкретно к поршневым двигателям.

Известен двигатель с противоположно расположенными поршнями (патент Японии N 58-5317, МПК F 02 B 75/28, 1983).

Двигатель содержит блок цилиндров (или один цилиндр) с размещенными в цилиндре двумя поршнями и установленными с каждой стороны цилиндра по коленчатому валу, каждый в автономном картере. В картере размещены также опоры коренных шеек коленчатого вала. Связь между шатунной шейкой вала и поршнем реализуется обычным шатуном.

К преимуществам такого двигателя относятся взаимная уравновешенность поршней, возможность исполнения бесклапанной и безгазового стыка камеры сгорания при двухтактном цикле. Однако в этой схеме сложен передаточный механизм между двумя коленчатыми валами, состоящий из нескольких пар шестерней, соответственно валики габаритные размеры двигателя по картеру одного и другого коленчатого вала, значительная часть рабочего хода поршней приходится на процесс продувки.

Лучшими показателями по габаритным размерам обладает известный двигатель с поршнями двойного действия (патент Японии N 49-17962 МПК F 01 B 1/08, 1974).

У этого двигателя поршень и коленчатый вал соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала. Оба днища поршня рабочие.

Массово-габаритные показатели двигателя выше, чем двигателя с шатунами, однако одиночный поршень двойного действия обладает значительной массой, для уравновешивания которой необходимы соответствующие противовесы на коленчатом валу.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению, принятым за прототип, является бесшатунный двухтактный двигатель с противоположно расположенными в одном цилиндре двумя поршнями двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинематически связанными между собой парой шестерней, в котором коленчатый вал и поршень соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, при этом ориентированные к друг другу днища поршней образуют камеру сгорания, а противоположные днища - продувочную часть, известный из заявки ФРГ N 3039536, МПК F 01 B 9/02, 1982.

Недостаток известного двигателя заключается в увеличенной скорости поршней перед верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ), что ухудшает эффективность работы двигателя.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы двигателя.

Поставленная задача решается тем, что бесшатунный двухтактный двигатель с противоположно расположенными в одном цилиндре двумя поршнями двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинематически связанными между собой одной парой цилиндрических шестерней, коленчатый вал и поршень двигателя соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, ориентированные друг к другу днища поршней образуют камеру сгорания, противоположные же днища используются для продувки и заполнения цилиндра свежим зарядом воздуха, причем паз для размещения звена связи выполнен под углом 80^o к оси поршня (наклонный паз), а для улучшения очистки цилиндра, или создания избыточного давления в нем в процессе продувки продувочные части цилиндра имеют больший диаметр в 1,2-1,3 раза больше, чем диаметр его рабочей части.

Схема бесшатунного двигателя приводится на фиг. 1.

Кинематика поршня бесшатунного двигателя с наклонным пазом в поршне приведена на фиг. 2, а кинематика поршня с прямым пазом в поршне - на фиг. 3.

Двигатель (фиг. 1) содержит разъемный по коренным опорам цилиндр 1; крышки цилиндра 2, 12 с нагнетательным и обратными клапанами (на фиг. 1 клапаны не показаны); продувочные полости цилиндров 3, 13; диаметром D₂ поршни 4, 14; коленчатые валы 5, 15; шатунные шейки коленчатых валов 6, 16; звенья связи 7, 17; пазы поршней 8, 18; рабочую полость цилиндра диаметром D₁ 9; форсунку 10; водяную рубашку цилиндра 11; (продувочные окна и каналы, а также шестерни кинематической связи валов, на схеме не показаны).

Двигатель работает следующим образом: при синхронном вращении коленчатых валов круговое движение шатунной шейки вала с помощью звена связи раскладывается на возвратно-поступательное движение поршня вдоль оси цилиндра и на движение звена связи по пазу поршня. При встречном движении поршней в рабочей полости цилиндра осуществляется сжатие воздуха, а в продувочных полостях их наполнение свежим зарядом, на обратном ходу, соответственно, рабочий ход, продувка и нагнетание продувочного воздуха. Расчетный коэффициент избытка воздуха получают принятием отношения D₁/D₂ цилиндра.

Расположение паза в поршне наклонным увеличивает неравномерность возвратно-поступательного движения поршней, таким образом, что в конце такта сжатия и в конце рабочего хода поршень останавливается в ВМТ раньше, чем центр шатунной шейки коленчатого вала пересечет ось цилиндра. Тем самым увеличивается (по углу поворота коленчатого вала) длительность движения поршня с минимальной скоростью в конце такта сжатия и в конце рабочего хода. Соответственно повышается скорость движения поршня на такте рабочего хода. Изложенное поясняется диаграммой (фиг. 2).

На диаграмме (фиг. 2) обозначено α = (10) градусов - угол наклона паза поршня относительно перпендикуляра к продольной оси поршня, ϕ₁ = 20 градусов - угол поворота коленчатого вала, соответствующий минимальной скорости движения поршня, а ΔS₁ - ход поршня за угол поворота коленчатого вала, равный 20^o в конце такта сжатия. Соответственно ϕ₂ = 20^o и ход поршня ΔS₂ в конце рабочего хода.

Указанные обозначения сохранены на диаграмме (фиг. 3), которая приводится для сравнения при α = 0 (прямой паз в поршне).

Сравнивая значения ΔS₁ и а также ΔS₂ и (фиг. 2 и 3), можно заключить, что за последние 20^o поворота коленчатого вала до ВМТ (или НМТ) поршень с наклонным пазом проходит путь в несколько раз меньший, чем поршень с пазом под прямым углом (фиг. 3) (замеленное движение поршня до ВМТ, например, при частоте вращения вала двигателя 2000 мин^-1) достаточно по времени для впрыска топлива, подготовки топливо-воздушной смеси к воспламенению, воспламенения и сгорания основной его части к моменту поворота коленчатого вала, соответствующему расчетному объему камеры сгорания над поршнями.

Замедленное движение поршня перед ВМТ (участок ΔS₂ ) увеличивает время на продувку цилиндра при минимальной потере рабочего хода поршня, обусловленного необходимостью продувки.

Замедленное движение поршня перед ВМТ и НМТ приводит к увеличению скорости движения поршня во время рабочего хода и сжатия. Такое увеличение способствует снижению объемных потерь рабочего тела и воздуха на указанных тактах.

Таким образом, наклон паза в поршне способствует повышению экономичности двигателя и проявляется при сохранении возможности обеспечения высокой степени уравновешенности и других преимуществ двигателя с противоположным расположением поршней и двумя коленчатыми валами, а также при сохранении компактности бесшатунного двигателя с поршнями двойного действия. Кроме этого поршни двойного действия путем вариации отношений диаметров рабочего и продувочного днищ поршней позволяют выбрать оптимальную степень очистки цилиндра при разработке конструкции двигателя.

Изобретение относится к двухтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания. В одном цилиндре двигателя расположены два поршня двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинетически связанные между собой парой шестерен. Коленчатый вал и поршень соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, при этом ориентированные к друг другу днища поршней образуют камеру сгорания, противоположные днища - продувочную часть. Двигатель оснащен поршнями, в которых паз для размещения звена связи выполнен под углом 80^o к оси поршня (наклонный паз), а для улучшения очистки цилиндра или создания избыточного давления в нем продувочные части цилиндра имеют больший диаметр, чем диаметр его рабочей части. Технический результат заключается в том, что неравномерность возвратно-поступательного движения поршней увеличивается так, что в конце такта сжатия и в конце рабочего хода поршень останавливается в верхней мертвой точке раньше, чем центр шатунной шейки пересекает ось цилиндра. Указанная особенность кинематики поршня используется для организации смесеобразования и сгорания основной части топлива, в расчетном объеме камеры сгорания, а также для улучшения продувки цилиндра и заполнения его свежим зарядом воздуха за относительно меньший ход поршней. Разница в диаметрах цилиндра в его рабочей и продувочной части обеспечивает улучшение продувки и наддув двигателя. 3 ил.

Бесшатунный двухтактный двигатель с противоположно расположенными в одном цилиндре двумя поршнями двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинематически связанными между собой одной парой шестерен, в котором коленчатый вал и поршень соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, при этом ориентированные к друг другу днища поршней образуют камеру сгорания, противоположные днища - продувочную часть, отличающийся тем, что паз в поршне для размещения звена связи выполнен наклонным, под углом 80^o к оси поршня, а диаметр продувочных частей каждого цилиндра в 1,2 - 1,3 раза больше, чем диаметр его рабочей части.