ДВИГАТЕЛЬ ДВУХТАКТНЫЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B33/02 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую работу, и может найти широкое применение на транспортных средствах всех марок, а также для других целей.

Известные двухтактные двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для вышеуказанных целей, это применяемые, существующие двигатели, которые установлены в основном на мотоциклах и имеют ряд серьезных недостатков, из-за которых не нашли широкого применения.

Наиболее близким по своей технической сущности является двухтактный двигатель внутреннего сгорания автора Ю.Н. Скрипова, описанный в журнале "Техника молодежи" в N 4 за 1997 год, содержащий головку блока, верхний блок цилиндров, нижний блок цилиндров, закрытый с нижнего торца поддоном, где в центральных полостях размещены верхний и нижний поршни, жестко связанные штоком установленного по свободной посадке в центральном отверстии, центральной перегородки, кинематически связанные с шатуном и коленчатым валом, а в центральной перегородке установлены четыре клапана управления согласно рабочему циклу, связанные с впускным коллектором, с двумя компрессорными полостями и с перепускным коллектором, который связан с полостью рабочего цилиндра через плавающий клапан управления.

Недостатками вышеуказанного двухтактного двигателя является установка четырех клапанов управления в зоне центральной перегородки и установки пятого клапана в зоне камеры сжатия, связанного с перепускным коллектором, резко снижают надежность работы в целом двухтактного двигателя. Размещение за центральной перегородкой верхнего цилиндра делает невозможным обеспечить качественную смазку трущихся деталей: поршень, цилиндр, шток, что делает двухтактный двигатель неработоспособным при применении обычных материалов в существующих двигателях. Несмотря на то, что количество чистого воздуха поступает для продувки рабочего цилиндра и его полного наполнения достаточно много, но этого недостаточно, чтобы повысить резко в несколько раз мощность двухтактного двигателя. Для резкого повышения мощности необходимо в рабочий цилиндр закачивать несколько рабочих объемов, чтобы можно больше сжигать топлива и получать большее давление на малой площади. Конструктивно габарит по высоте двигателя всегда будет большим. В двухтактном двигателе с высокой точностью невозможно изменять количество чистого воздуха в рабочем цилиндре и изменять степень сжатия в широком интервале в зависимости от нагрузки.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е. резко повысить надежность работы двухтактного двигателя, резко повысить долговечность работы двухтактного двигателя, резко повысить мощность двухтактного двигателя, снизить габарит по высоте двухтактного двигателя, обеспечить возможность изменения количества чистого воздуха в рабочем цилиндре и степени сжатия в широком диапазоне.

Поставленная задача достигается за счет того, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит головку цилиндра, верхний блок цилиндра, нижний опорный блок, компрессорный и рабочий цилиндры с установленным в них по свободной посадке соответствующими поршнями, кинематически связанными с шатуном и коленчатым валом, впускной коллектор, впускной клапан, перепускное окно, связанное с внутренней полостью рабочего цилиндра, выпускное окно, при этом компрессорный цилиндр размещен во внутренней полости рабочего цилиндра с поперечной рабочей площадью, равной или в несколько раз больше поперечной рабочей площади рабочего цилиндра, где во внутренней полости по свободной посадке установлен компрессорный поршень в компрессорном цилиндре, а между наружной рабочей поверхностью компрессорного цилиндра и внутренней рабочей поверхности рабочего цилиндра установлен рабочий поршень, между внутренней поверхностью рабочего поршня, наружной поверхностью компрессорного поршня и нижним торцем компрессорного цилиндра образована смазывающая полость, постоянно связанная через нижние торцы поршней с внутренней полостью опорного блока, работающих, согласно рабочему циклу, с помощью золотника управления, установленного в верхнем торце в центральной расточке компрессорного цилиндра, связанного своим хвостовиком с шаговым электродвигателем, управляемым контактным электрическим распределителем, связанным с коленчатым валом. Контактный электрический распределитель управления подает электроэнергию на шаговый электродвигатель для поворота в начале такта сжатия, когда рабочий поршень закроет выпускное окно.

Данная компановка двухтактного двигателя обеспечивает технический положительный эффект за счет размещения в центральной полости рабочего цилиндра компрессорного цилиндра, где установлен параллельно и независимо друг от друга рабочий поршень с компрессорным поршнем, работающие как одно целое, связанные с шатуном одним пальцем обеспечивает резкое снижение габарита по высоте по сравнению с аналогом и упрощает конструкцию в целом. Установка одного золотника управления, работающего с помощью шагового электродвигателя, который поворачивает золотник управления на 180^o согласно рабочему циклу, получая команду от контактного электрического распределителя, связанного с коленчатым валом, такая система управления циклом работы двухтактного двигателя обеспечивает высокую надежность работы в целом на протяжении длительной эксплуатации по сравнению с пятью клапанами управления циклом работы у аналога. Установка параллельно друг другу через разделительный компрессорный цилиндр как одно целое, где между внутренней поверхностью рабочего поршня и наружной поверхностью компрессорного поршня образуется смазывающая полость, постоянно связанная через нижние торцовые окна с внутренней полостью опорного блока и при движении поршней вниз в смазывающей полости происходит разрежение, что обеспечивает всасывание смазывающей жидкости совместно с воздухом, отлетающей от коленчатого вала под действием центробежной силы, обеспечивая качественную смазку всем трущимся поверхностям, и таким образом резко повышается долговечность работы двухтактного двигателя. Установка компрессорного цилиндра с большой поперечной площадью в несколько раз больше, чем поперечная рабочая площадь рабочего цилиндра, позволяет за один рабочий цикл накачивать в рабочий цилиндр с высокой точностью несколько рабочих объемов чистого воздуха, не считая предварительной продувки оставшихся газов, что позволяет сжигать в несколько раз больше топлива и получать высокие давления на малой площади и соответственно резко увеличить мощность двухтактного двигателя в несколько раз. Применив существующую систему электронного впрыска топлива непосредственно в цилиндр, бензина или дизельного топлива, вместо контактного электрического распределителя, добавив к существующей системе дополнительно датчик давления и расчетную программу изменения количества воздуха и топлива в зависимости от нагрузки двигателя, обеспечит резкое снижение расхода топлива и улучшится экологичность последнего. Конструкция двухтактного двигателя позволяет производить частично или полное дожигание отработавших газов благодаря возможности подачи в рабочий цилиндр большого количества чистого воздуха, прямо непосредственно в цилиндре, что может повысить КПД в пределах 5% и еще улучшить экологичность. Дожигаются остаточные газы после такта выпуска.

Описание устройства и работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания показано на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.

На чертежах представлены:
Фиг. 1 - поперечный разрез двухтактного двигателя.

Фиг. 2 - разрез А-А двухтактного двигателя.

Фиг. 3 - рабочий поршень, компрессорный поршень совместно с шатуном в сборе.

Фиг. 4 - разрез В-В поршней в сборе.

Фиг. 5 - продольный разрез компрессорного цилиндра.

Фиг. 6 - разрез Д-Д компрессорного цилиндра.

Двухтактный двигатель состоит из следующих узлов и деталей, это головка блока 1, имеющая прямоугольную форму и внутреннюю цилиндрическую или прямоугольную форму. Головка блока 1 крепится через прокладку 2 уплотнения к верхнему блоку 3 с помощью шайб и болтов 4. Верхний блок 3 в своей внутренней полости имеет рабочий цилиндр 5, соединенный как одно целое с помощью двух ребер жесткости, имеющий с верхнего торца расточку и окно для форсунки или свечи зажигания 6. Внутреннее пространство между внутренней полостью верхнего блока 3 и наружным диаметром рабочего цилиндра 5 является зарубашечным пространством 7, связанным с зарубашечным пространством 8 головки блока 1. Своим кольцевым выступом с верхнего торца компрессорный цилиндр 9 сцентрирован в верхней расточке рабочего цилиндра 5 и уплотняется прокладкам 10 и 11. Компрессорный цилиндр 9 неподвижно закреплен головкой блока 1. В центральной расточке с верхнего торца по свободной посадке установлен золотник 12 управления циклом работы двухтактного двигателя, имеющий уплотнительные компрессионные кольца 13, и своим хвостовиком связан с ротором шагового электродвигателя 14, закрепленного к головке блока 1 болтами 15. Центральная полость золотника 12 управления постоянно связана с внутренней полостью компрессорного цилиндра 9, с боковым окном 16. При повороте золотника 12 управления на 180^o окно 16 попеременно, согласно рабочему циклу, соединяется с всасывающей магистралью 17 и с камерой сжатия 18, имеющей незамкнутое кольцо прямоугольной формы или сферической, через неподвижное окно 19 с верхнего торца компрессорного цилиндра. В верхнем блоке 3 в ребре жесткости, расположенном в нижней мертвой точке НМТ и сообщающемся с внутренней полостью рабочего цилиндра 5, сделано выпускное окно 20. Во внутренних полостях рабочего цилиндра 5 и компрессорного цилиндра 9 по свободной посадке установлены рабочий поршень 21 и компрессорный поршень 22, соединенные с помощью пальца 23 с шатуном 24. Между внутренней полостью рабочего поршня 21, нижним торцем компрессорного цилиндра 9, наружным диаметром компрессорного поршня 22 образуется смазывающая и охлаждающая полость 25, связанная постоянно с внутренней полостью нижнего опорного блока 26 окнами 27, через которые при работе двигателя, когда поршень движется вниз, засасывается воздушно-масляная смесь и таким путем обеспечивается качественная смазка трущихся пар и дополнительное охлаждение поршней и компрессорного цилиндра. Во внутренней полости рабочего поршня 21 неподвижно установлена гильза 28 из расчетного материала, чтобы обеспечить нужную долговечность работы в паре компрессорного цилиндра 9. Верхний блок 3 крепится неподвижно через прокладку 29 к нижнему опорному блоку 26 с помощью болтов 30. Нижний торец опорного блока 26 закрывается через прокладку 31 поддоном 32, закрепленным неподвижно болтами 33. Нижняя головка шатуна 24 по свободной посадке вместе с вкладышами крепится крышкой 34 и болтами 35 на шатунной шейке коленчатого вала 36. Коленчатый вал 35 укладывается вместе с вкладышами в опорные подушки опорного блока 26 и закрепляется крышками 37 и болтами 38. Контактный электрический распределитель выполняется по принципу работу распределителя зажигания как в существующих двигателях и кинематически связывается с коленчатым валом, работая согласно рабочему циклу двухтактного двигателя. Таким образом устроен новый двухтактный двигатель. В окне 39 устанавливается форсунка впрыска бензина.

Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом, смотрите фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.

В начале рабочего хода поршни 21, 22 движутся вниз, в данный момент времени происходят следующие процессы: с помощью шагового электромотора 14 золотник 12 перекрывает перепускное окно 19, связанное постоянно с камерой сжатия 18, а распределительное окно 16 соединяется с всасывающей магистралью 17.

В данный момент под действием разрежения в полости компрессорного цилиндра 9 чистый воздух в дизельном исполнении двигателя или воздушно-топливная смесь в карбюраторном исполнении двигателя заполняет полость компрессорного цилиндра 9, идет такт впуска. При дальнейшем движении поршней 21 и 22 вниз, когда верхний торец рабочего поршня 21 откроет выпускное окно 20, начинается такт выпуска и заканчивается, когда рабочий поршень 21 дойдет до НМТ. В данный момент времени внутренняя полость компрессорного цилиндра 9 полностью заполнена чистым воздухом, а контактный электрический распределитель подал электроэнергию на шаговый электромотор 14, который поворачивает на 180^o золотник 12 управления, закрывая окно всасывающей магистрали 17, одновременно открывая перепускное окно 19, связанное с камерой сжатия 18. Когда рабочий поршень 21 и компрессорный поршень 22 начинают движение к ВМТ, то в данный момент времени компрессорный поршень 22 начинает вытеснять из внутренней полости компрессорного цилиндра 9 чистый воздух, если двигатель сделан в дизельном исполнении или воздушно-топливную смесь, если двигатель сделан в карбюраторном исполнении, через перепускное окно 19, камеру сжатия 18, вытесняя оставшиеся отработанные газы из полости рабочего цилиндра 5 через выпускное окно 20, пока оно не перекроется рабочим поршнем 21. В данный промежуток времени происходит предварительная продувка рабочего цилиндра 5. Чем выше выпускное окно 20, тем больше количество чистого воздуха из полости компрессорного цилиндра поступит на предварительную продувку, если двигатель выполнен в дизельном исполнении, но если двигатель выполнен в карбюраторном исполнении, то выпускное окно 20 необходимо делать как можно ниже с таким расчетом, чтобы воздушно-топливания смесь не успевала доходить до выпускного окна 20, а частично оставшиеся отработавшие газы будут дожигаться непосредственно в цилиндре благодаря большему количеству чистого воздуха, накаченного в рабочий цилиндр 5. При дальнейшем движении рабочего поршня 21 и компрессорного поршня 22 к ВМТ, когда закроется выпускное окно 20, происходит такт сжатия. В данный момент времени в рабочем цилиндре 5 происходит сжатие чистого воздуха или воздушно-топливной смеси, а в компрессорном цилиндре 9 происходит тоже сжатие и оставшийся чистый воздух или воздушно-топливная смесь полностью вытесняется в рабочий цилиндр 5 с камерой сжатия 18 через перепускное окно 19. Учитывая то, что поперечная рабочая площадь компрессорного цилиндра 9 в несколько раз больше рабочей площади рабочего цилиндра 5, то во столько же раз к одному объему рабочего цилиндра 5 добавится дополнительных объемов чистого воздуха или воздушно-топливной смеси, что позволит во столько же раз сжигать больше топлива и резко увеличить в целом мощность двухтактного двигателя по сравнению с существующими двухтактными двигателями. Когда рабочий поршень 21 не дойдет до ВМТ 20....25^o, производится впрыск топлива в камеру сжатия 18 через форсунку, установленную в окне 6, если двигатель сделан в дизельном исполнении, а за 10...15^o до ВМТ производится зажигание смеси через свечу зажигания, установленную в окне 6. В данный момент времени в обоих случаях контактный электрический распределитель должен подать электроэнергию на шаговый электрический двигатель 14 немного раньше, чем произойдет вспышка или загорание топлива, чтобы золотник 12 управления поворотом на 180^o успел закрыть перепускное окно 19 и соединить распределительное окно 16 с впускной магистралью 17.

После воспламенения рабочей смеси снова происходит такт рабочего хода. Таким образом, работает новый двухтактный двигатель внутреннего сгорания в дизельном и карбюраторном исполнении. Самый выгодный цикл работы двигателя - это в карбюраторном исполнении с полным дожиганием оставшихся после выпуска отработавших газов непосредственно в цилиндре. Для этого необходимо, чтобы контактный электрический распределитель подавал электроэнергию на шаговый электродвигатель в тот момент, когда рабочий поршень 21 закроет выпускное окно 20. Такой вариант приемлем для любого исполнения двигателя. Описан вариант работы двухтактного двигателя, когда изменяется в широком диапазоне подача в рабочий цилиндр 5 топлива, но количество чистого воздуха остается постоянным на всех режимах двухтактного двигателя. Для того чтобы сделать двухтактный двигатель еще экономичнее по расходу топлива и экологичнее, необходимо вместо контактного электрического распределителя применить существующие электронные системы разделенного непосредственного впрыска в цилиндр бензина или дизельного топлива, составив дополнительно программу. в зависимости от нагрузки двигателя менялась подача количества топлива и количество чистого воздуха в рабочем цилиндре 5, а также и степень сжатия в широком диапазоне. Диапазон регулирования должен быть таким: устанавливается сначала максимально допустимая степень сжатия и минимально допустимая степень сжатия, а зная в данном интервале, какая степень сжатия, легко определить, при какой нагрузке двигателя и сколько можно подавать количества воздуха и топлива. В заданном интервале с помощью команд электронного блока можно через шаговый электродвигатель управлять золотником 12 управления. В данном случае форсунка впрыска бензина устанавливается в окне 39, а сам впрыск производится непосредственно в цилиндр 5, при ходе сжатия, когда рабочий поршень 21 закроет выпускное окно 20. В дизельном исполнении двигателя форсунка впрыска устанавливается в окне 6. Таким образом будет работать двухтактный двигатель с электронной системой управления золотником 12 с помощью шагового мотора 14.

Предложенная конструкция двигателя может работать в любом положении.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит головку цилиндра, верхний блок цилиндра, нижний опорный блок, компрессорный и рабочий цилиндры с соответствующими поршнями, причем компрессорный цилиндр размещен во внутренней полости рабочего цилиндра с поперечной рабочей площадью, равной или в несколько раз больше поперечной рабочей площади рабочего цилиндра, где во внутренней полости установлен компрессорный поршень, а между наружней рабочей поверхностью компрессорного цилиндра и внутренней рабочей поверхностью рабочего цилиндра установлен рабочий поршень. Контактный электрический распределитель управления подает электроэнергию на шаговый электродвигатель. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий головку цилиндра, верхний блок цилиндра, нижний опорный блок, компрессорный и рабочий цилиндры с установленными в них по свободной посадке соответствующими поршнями, кинематически связанными с шатуном и коленчатым валом, впускной коллектор, впускной клапан, перепускное окно, связанное с внутренней полостью рабочего цилиндра, выпускное окно, отличающийся тем, что компрессорный цилиндр размещен во внутренней полости рабочего цилиндра с поперечной рабочей площадью, равной или в несколько раз больше поперечной рабочей площади рабочего цилиндра, где во внутренней полости по свободной посадке установлен компрессорный поршень в компрессорном цилиндре, а между наружной рабочей поверхностью компрессорного цилиндра и внутренней рабочей поверхностью рабочего цилиндра установлен рабочий поршень, между внутренней поверхностью рабочего поршня, наружной поверхностью компрессорного поршня и нижним торцом компрессорного цилиндра образована смазывающая полость, постоянно связанная через нижние торцы поршней с внутренней полостью опорного блока, работающих, согласно рабочему циклу, с помощью золотника управления, установленного в верхнем торце в центральной расточке компрессорного цилиндра, связанного своим хвостовиком с шаговым электродвигателем, управляемым контактным электрическим распределителем, связанным с коленчатым валом. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что контактный электрический распределитель управления подает электроэнергию на шаговый электродвигатель для поворота в начале такта сжатия, когда рабочий поршень закроет выпускное окно.