Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания (ДДВС), которые имеют кривошипно-шатунный механизм, связанный с поршнями, и рабочий цилиндр с впускными и выпускными окнами, а также источник продувки рабочих цилиндров.
В качестве группы изобретений предлагается несколько независимых вариантов ДДВС, которые имеют один вид, одинаковое назначение и обеспечивают получение сходного технического результата.
Вариант 1 (п.1 формулы)
В качестве ближайшего прототипа для двигателя по варианту 1 может рассматриваться конструкция двигателя по патенту США [2].
Недостатком ближайшего прототипа является то, что у него поршень рабочего цилиндра снабжен дефлектором-отражателем, который на цикле продувки рабочего цилиндра от сгоревших газов недостаточно эффективно преграждает проскакивание свежей порции газа из впускных окон рабочего цилиндра в его выпускные окна. В результате не обеспечивается эффективная очистка рабочего цилиндра и уменьшается коэффициент его наполнения.
Задачей изобретения является повышение экономичности и удельной литровой мощности двигателя, для чего необходимо повысить эффективность продувки рабочего цилиндра, устранить проскакивание свежей порции газа из впускных окон в выпускные окна и повысить коэффициент наполнения рабочего цилиндра.
По варианту 1 двигатель имеет следующие ограничительные и отличительные признаки.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с впускными и выпускными окнами и поршень, в верхней части которого выполнен дефлектор-отражатель, расположенный напротив впускного окна при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ), отличающийся тем, что при положении поршня в НМТ своей верхней частью поршень заслоняет впускное окно так, что верхний торец днища поршня находится выше верхней кромки впускного окна, а дефлектор выполнен на цилиндрической стенке поршня напротив впускного окна в виде кольцевой канавки, которая имеет нижнюю и верхнюю боковые стенки и по длине ограничена дугой окружности, а наружный цилиндрический край верхней боковой стенки образует диффузор для направления потока газа вдоль цилиндрической образующей стенки цилиндра.
Такой диффузор выполнен или в виде зазора между цилиндрическим краем боковой стенки канавки и зеркалом цилиндра, или образован сквозными отверстиями, выполненными в верхней боковой стенке кольцевой канавки.
Для лучшей организации потока газа при продувке в днище поршня напротив выпускного окна рабочего цилиндра выполнено углубление-канал, выход из которого совмещается с выпускным окном при подходе поршня к НМТ.
Рабочий цилиндр с поршнем описанной конструкции может работать самостоятельно, когда используется кривошипно-камерная продувка и газ поступает к впускному окну из картера двигателя, или в паре с насосным цилиндром, когда используется маслозаполненный картер, а топливная смесь поступает из насосного цилиндра в рабочий цилиндр без примеси масла.
В последнем случае двигатель дополнительно содержит насосный цилиндр с впускными и выпускными окнами, кривошип и поршень. При этом выпускное окно расположено в верхней части насосного цилиндра, а впускное окно рабочего цилиндра соединено с выпускным окном насосного цилиндра перепускным каналом.
Для лучшего заполнения рабочего цилиндра кривошип поршня насосного цилиндра и кривошип поршня рабочего цилиндра имеют отклонение между собой по углу поворота вала на угол α, при котором обеспечивается закрытие впускного окна рабочего цилиндра в момент выхода насосного поршня из верхней мертвой точки (ВМТ).
Изложенная сущность исполнения двигателя по варианту 1 поясняется на фиг.1-6, которые имеют следующий перечень позиций:
1 - рабочий цилиндр;
2 - впускные окна рабочего цилиндра;
3 - выпускные окна рабочего цилиндра;
4 - поршень;
5 - кривошип поршня;
6 - кольцевая канавка на цилиндрической стенке поршня;
7 - нижняя боковая стенка канавки;
8 - верхняя боковая стенка канавки;
9 - верхний торец днища поршня;
10 - верхняя кромка впускного окна 2;
11 - наружный цилиндрический край верхней боковой стенки канавки;
12 - цилиндрическая образующая зеркала цилиндра;
13 - диффузор, выполненный в виде зазора между цилиндрическим краем верхней боковой стенки 8 канавки 6 и зеркалом цилиндра 12;
14 - диффузор, выполненный в виде сквозных отверстий в верхней боковой стенке 8 канавки 6;
15 - верхняя кромка выпускного окна;
16 - полость рабочего цилиндра;
17 - углубление канала в днище поршня;
18 - насосный цилиндр;
19 - впускные окна насосного цилиндра;
20 - выпускные окна насосного цилиндра;
21 - поршень насосного цилиндра;
22 - кривошип поршня насосного цилиндра;
23 - перепускной канал из насосного цилиндра в рабочий цилиндр;
24 - стенка между цилиндрами;
25 - свеча зажигания или форсунка;
26 - проточная камера картера механизма движения;
26' - маслозаполненный картер механизма движения (вариант на фиг.5).
На фиг. 1-4 изображен одноцилиндровый двухтактный двигатель с проточной камерой механизма движения (кривошипно-камерная продувка с сухим картером). В таком двигателе в качестве топлива используется смесь бензина с маслом, а для воспламенения топлива используется свеча зажигания.
На фиг.1 изображен двигатель при положении поршня 4 рабочего цилиндра в НМТ, соответствующем окончанию рабочего хода поршня, когда закончился выпуск из цилиндра сгоревших газов и идет заполнение цилиндра свежей смесью. На фиг. 2 показан разрез "А - А" с видом на верхнюю часть поршня, поясняющим вариант устройства дефлектора-отражателя и диффузора для формирования потока газа. На фиг. 3 - разрез, показывающий положение поршня в момент выхода из полости рабочего цилиндра сгоревших газов перед началом продувки, когда впускное окно еще закрыто поршнем. На фиг.4 - разрез "Б - Б" с видом на верхнюю часть поршня, поясняющим второй вариант устройства диффузора.
Двигатель содержит рабочий цилиндр 1 с впускными 2 и выпускными окнами 3, поршень 4 и кривошип 5 поршня 4. В верхней части поршня 4 на его цилиндрической стенке выполнена кольцевая канавка 6, которая выполняет роль дефлектора и имеет нижнюю 7 и верхнюю 8 боковые стенки и по длине ограничена дугой окружности, определяемой выбранным углом γo. Кольцевая канавка 6 расположена так, что при положении поршня 4 в НМТ впускное окно 2 рабочего цилиндра оказывается напротив средней части длины канавки 6, а высота канавки h равна высоте впускного окна. При этом верхний торец 9 днища поршня находится выше верхней кромки 10 впускного окна 2, а наружный цилиндрический край 11 верхней боковой стенки 8 канавки 6 образует диффузор для направления потока газа вдоль цилиндрической образующей 12 зеркала цилиндра 1. Этот диффузор выполнен или в виде зазора 13 между цилиндрическим краем 11 боковой стенки 8 канавки 6 и зеркалом 12 цилиндра 1, как показано на фиг.2, или образован сквозными отверстиями 14, выполненными в верхней боковой стенке 8 канавки 6, как показано на фиг.4. При выполнении диффузора в виде зазора 13 канавка может быть выполнена по глубине с переменным сечением, которое уменьшается в сторону от ее середины, совпадающей с окном 2.
При положении поршня 4 в НМТ своей верхней частью он заслоняет выпускное окно 3 так, что верхний торец днища поршня находится на уровне или выше верхней кромки 15 выпускного окна 3, а для соединения полости 16 рабочего цилиндра 1 с выпускным окном 3 в днище поршня напротив выпускного окна выполнено углубление-канал 17.
Принцип работы двигателя заключается в следующем.
На фазе рабочего цикла - конец рабочего хода (фиг.1), когда поршень 4 находится в НМТ, кольцевая канавка 6 поршня совмещается по высоте с впускным окном 2, а углубление-канал 17 совмещается с выпускным окном 3. К этому моменту из рабочей полости 16 выпущены сгоревшие газы и происходит заполнение рабочей полости 16 свежей смесью, которая поступает через окно 2 из картера 26 двигателя. Свежая смесь, выходя из окна 2, растекается по всей длине кольцевой канавки, а затем просачивается в полость 16 рабочего цилиндра через щель, образованную зазором 13 между цилиндрическим краем 11 и зеркалом 12 цилиндра 1. Периметр щели равен заданной длине дуги окружности, которая определяется углом γo, как показано на фиг.2. В другом варианте по фиг.4 смесь из кольцевой канавки 6 просачивается через сквозные отверстия 14 в верхней боковой стенке 8, которые выполнены по периметру дуги окружности. В результате смесь, выходя из окна 2, равномерно наподобие газовой завесы растекается вверх вдоль образующей цилиндра в противоположной стороне от выпускного окна 3 и вытесняет остатки сгоревших газов. Такой направленный поток смеси вверх, а также то, что выход газа идет через углубление-канал 17, позволяет уменьшить возможность проскакивания смеси из впускного окна 2 в выпускное окно 3 и создает условия для повышения коэффициента наполнения полости 16 рабочего цилиндра 1.
На фиг. 3 показано положение поршня 4 в момент начала продувки, когда окно 2 еще перекрыто поршнем 4, а окно 3 открыто и идет интенсивный выпуск из полости 16 сгоревших газов. Затем происходит фаза продувки, показанная на фиг. 14. После закрытия окон 2 и 3 при движении поршня 4 вверх начинается сжатие топливной смеси.
При подходе поршня 4 к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит воспламенение, что вызывает расширение газов, поршень 4 движется вниз, и начинается его рабочий ход до открытия выпускного окна 3, и затем рабочие циклы повторяются.
Предыдущий вариант двигателя, изображенный на фиг.1 и 3, имеет кривошипно-камерную продувку рабочего цилиндра. Соответственно в этом варианте в качестве топлива используется смесь бензина с маслом, что вызывает ряд недостатков, в том числе большую дымность выхлопа и неполное сгорание топлива.
Для устранения известных недостатков двухтактного двигателя на фиг.5 и 6 изображен вариант двигателя с маслозаполненным и непроточным картером механизма движения. Такой вариант двигателя дополнительно содержит насосный цилиндр 18 с впускными 19 и выпускными 20 окнами, поршень 21 и кривошип 22. Выпускное окно 20 расположено в верхней части насосного цилиндра 18, а впускное окно 2 рабочего цилиндра 1 соединено с выпускным окном 20 насосного цилиндра 18 перепускным каналом 23, который расположен между рабочим и насосным цилиндром вдоль образующей цилиндра. При этом кривошип 5 рабочего поршня 4 и кривошип 22 насосного поршня 21 имеют отклонение между собой по углу поворота вала на угол αo, при котором обеспечивается закрытие впускного окна 2 полости рабочего цилиндра в момент выхода насосного поршня 21 из верхней мертвой точки, что исключает обратный отсос газа из рабочего цилиндра 1.
На фиг.6 видно, что угол αo= 180°-β°, где β° - угол отклонения кривошипа рабочего поршня 4 от НМТ до положения, когда происходит закрытие поршнем 4 впускного окна 2.
При оснащении двигателя насосным цилиндром 18 становится возможным картер двигателя сделать маслозаполненным и отказаться от использования в качестве топлива смеси бензина с маслом, что обеспечивает экологическую чистоту выхлопа. В зависимости от использования двигателя или с принудительным зажиганием или с самовоспламенением в рабочем цилиндре установлена свеча зажигания или форсунка 25. Соответственно в качестве горючего может быть использован бензин, газ или дизельное топливо. Наиболее экономичным вариантом можно считать впрыск топлива непосредственно в цилиндр через форсунку высокого давления в положении поршня в ВМТ или впрыск топлива в цилиндр через форсунку низкого давления в начале такта сжатия после закрытия поршням 4 выпускных 3 и впускных 2 окон. В этих случаях продувка цилиндра через впускное окно 2 будет вестись не топливной смесью, а чистым воздухом, т.е. исключается возможность потери части топлива через выпускное окно 3 при положении поршня 4 в НМТ.
При сравнении двухтактного двигателя по варианту на фиг. 5 с четырехтактным двигателем первый имеет явное преимущество, т.к. при наличии у того и у другого двух цилиндров на один оборот вала приходится один рабочий ход поршня, но у двухтактного двигателя нет клапанного механизма, он имеет меньшие габариты, намного проще, легче и дешевле, может развивать большее количество оборотов, а поэтому может быть мощнее при той же массе. При этом сохраняются все преимущества четырехтактного двигателя по экологической чистоте выхлопа, экономичности и надежности.
Вариант 2 (п.2 формулы)
В качестве ближайшего прототипа для двигателя по варианту 2 может рассматриваться конструкция двигателя по патенту РФ [1].
Недостатком прототипа [1] является наличие самостоятельного отдельно стоящего насосного цилиндра, что вызывает необходимость использования дополнительного цилиндра, поршня и связанного с ним кривошипа, а это усложняет конструкцию двигателя, увеличивает его габариты по длине, а также увеличивает массу двигателя.
Такой двигатель, так же как и заявляемая конструкция двигателя по варианту 2, содержит кривошипно-шатунный механизм и сдвоенный рабочий цилиндр с общей камерой сгорания и двумя поршнями, каждый из которых соединен со своим кривошипом, а кривошип поршня цилиндра с выпускным окном установлен с отклонением по углу поворота вала от кривошипа поршня цилиндра с впускным окном в направлении вращения с возможностью опережения открытия и закрытия выпускного окна по отношению к впускному окну.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение удельной литровой мощности двигателя, для чего необходимо уменьшить в конструкции двигателя количество поршней и кривошипов.
Это достигается тем, что поршни сдвоенного рабочего цилиндра установлены в цилиндрах двухстороннего действия и имеют штоки для связи с кривошипами, которые имеют отклонение между собой по углу поворота вала и обеспечивают движение поршней в одном или встречном направлении, а впускные окна сдвоенного рабочего цилиндра соединены с источником продувки, например с турбонагнетателем.
Изложенная сущность исполнения двигателя по варианту 2 поясняется на фиг.7-10, которые имеют следующий перечень позиций:
27 - сдвоенные цилиндры двухстороннего действия;
28 - поршень левый;
29 - поршень правый;
30 - полость рабочего цилиндра левая;
31 - полость рабочего цилиндра правая;
32 - общая камера сгорания;
33 - свеча зажигания или форсунка;
34 - впускное окно рабочего цилиндра правого;
35 - выпускное окно рабочего цилиндра левого;
36 - полость насосного цилиндра левая;
37 - полость насосного цилиндра правого;
38 - общая камера сжатия;
39 - впускное окно насосного цилиндра левого;
40 - выпускное окно насосного цилиндра правого;
41 - перепускной канал для соединения сдвоенного насосного цилиндра с сдвоенным рабочим цилиндром на цикле продувки рабочего цилиндра;
42 - шток;
43 - крейцкопф;
44 - кривошипно-шатунный механизм;
45 - кривошип левый;
46 - кривошип правый;
47 - форсунка низкого давления;
На фиг. 8.
48 - сдвоенные цилиндры двухстороннего действия;
49 - поршень левый;
50 - поршень правый;
51 - полость рабочего цилиндра над поршнем 49;
52 - полость рабочего цилиндра над поршнем 50,
53 - полость рабочего цилиндра под поршнем 49,
54 - полость рабочего цилиндра под поршнем 50,
55 - общая камера сгорания над поршнем 49 и 50,
56 - общая камера сгорания под поршнем 49 и 50,
57 - впускное окно сдвоенного рабочего цилиндра над поршнем 50;
58 - выпускное окно сдвоенного рабочего цилиндра над поршнем 49;
59 - впускное окно сдвоенного рабочего цилиндра под поршнем 50;
60 - выпускное окно сдвоенного рабочего цилиндра под поршнем 49;
61 - свеча зажигания;
62 - форсунка низкого или высокого давления;
63 - шток;
64 - крейцкопф;
65 - кривошипно-шатунный механизм;
66 - кривошип левый;
67 - кривошип правый;
68 - нагреватель;
69 - линия подвода газа от нагнетателя 68 к впускным окнам 57 и 59;
На фиг. 9:
70 - кривошипно-шатунный механизм;
71 - сдвоенные цилиндры двухстороннего действия;
72 - поршень левый;
73 - поршень правый;
74 - полость рабочего цилиндра над поршнем;
75 - полость рабочего цилиндра под поршнем;
76 - полость насосного цилиндра над поршнем;
77 - полость насосного цилиндра под поршнем;
78 - шток;
79 - крейцкопф;
80 - шатун;
81 - кривошип;
82 - канал - общая камера сгорания соединяет полости 74 и 75;
83 - впускные окна сдвоенного рабочего цилиндра;
84 - выпускное окно сдвоенного рабочего цилиндра;
85 - свеча зажигания или форсунка;
86 - канал перепуска из полостей 76 и 77 насосных цилиндров в полости 74 и 75 рабочих цилиндров;
87 - впускные окна полостей насосных цилиндров;
88 - выпускные окна полостей насосных цилиндров;
На фиг. 10:
89 - кривошипно-шатунный механизм (механизм движения поршней);
90 - сдвоенные цилиндры двухстороннего действия;
91 - поршень левый;
92 - поршень правый;
93 - полость рабочего цилиндра над поршнем 91;
94 - полость рабочего цилиндра под поршнем 91;
95 - полость рабочего цилиндра над поршнем 90;
96 - полость рабочего цилиндра под поршнем 90;
97 - шток;
98 - крейцкопф;
99 - шатун;
100 - кривошип;
101 - канал - общая камера сгорания соединяет полости 94 и 95 (такой же канал, который соединяет полости 93 и 96, в разрезе на фиг.10 не показан);
102 - впускные окна сдвоенных рабочих цилиндров;
103 - выпускные окна сдвоенных рабочих цилиндров;
104 - свеча зажигания или форсунка;
105 - нагнетатель;
106 - линия подвода газа от нагнетателя к впускным окнам 102.
На фиг.7 изображен двигатель, у которого цилиндры 27 имеют двухстороннее действие. В этом случае над поршнями 23 и 29 образованы полости 30 и 31 рабочего цилиндра, а под поршнями образованы полости 36 и 37 насосного цилиндра. (Возможен вариант расположения полостей рабочего цилиндра под поршнями 28 и 29, а полостей насосного цилиндра над поршнями).
Полости 30 и 31 рабочего цилиндра соединены между собой в верхней части цилиндров и имеют общую камеру сгорания 32.
Полости 36 и 37 насосных цилиндров соединены между собой в нижней части цилиндров и имеют общую камеру сжатия 38.
Т. к. полости 30 и 31 рабочего цилиндра объединены между собой и имеют общую камеру сгорания, они образуют сдвоенный рабочий цилиндр с двумя поршнями 28 и 29, а эти поршни согласно п.2 формулы изобретения установлены в цилиндрах двухстороннего действия.
В сдвоенном рабочем цилиндре впускное окно 34 расположено в цилиндре с поршнем 29, а выпускное окно 35 расположено в цилиндре с поршнем 28. Кривошип 45 поршня 28 имеет отклонение по углу поворота вала в направлении вращения от кривошипа 46 поршня 29. В результате поршень 28 опережает в своем движении поршень 29. Такое движение поршней обеспечивает опережение открытия и закрытия выпускного окна 35 по сравнению с впускным окном 34. Когда поршень 28 находится в НМТ и начинает движение вверх, выпускное окно 35 полностью открыто и происходит выпуск из полостей 30 и 31 рабочего сдвоенного цилиндра сгоревших газов. В этом положении поршня 28 поршень 29 еще не дошел до НМТ и впускное окно 34 еще не открыто. Когда поршень 28 начинает движение вверх, поршень 28 продолжает движение вниз и начинается открытие впускного окна 34, а выпускное окно 35 начинает закрываться. В этом положении поршней происходит прямоточная продувка сдвоенного рабочего цилиндра 27, т.к. свежая порция газа последовательно поступает в полость 31, а затем в полость 30. К моменту, когда выпускное окно 35 полностью закроется, начнется закрытие впускного окна 34. До закрытия впускного окна 34 продолжается наполнение цилиндра свежей порцией газа, которая поступает по каналу перепуска 41 из полостей 36 и 37 насосного цилиндра. После закрытия впускного окна 34 начинается сжатие газа в полостях 30 и 31 рабочего цилиндра. В этот момент, после закрытия выпускных 35 и впускных окон 34, как возможный вариант, непосредственно в рабочий цилиндр подается топливо путем впрыска через форсунку 47 низкого давления.
Такой вариант подачи топлива полностью исключает его возможную частичную утечку через выхлопное окно 35 в момент продувки рабочего цилиндра, когда продувка цилиндра ведется топливной смесью (карбюраторный вариант подготовки топливной смеси). При подаче топлива с использованием форсунок двухтактный двигатель по экономичности уравнивается с четырехтактным двигателем.
При подходе поршней 28 и 29 к верхней мертвой точке происходит вспышка газа или от свечи зажигания, или в результате впрыска топлива через форсунку высокого давления за счет самовоспламенения. Под действием сгоревших газов начинается рабочий ход поршней 28 и 29 до момента, когда начнет открываться выпускное окно 35. Затем процесс повторяется. Такой двигатель может быть многоцилиндровым с количеством цилиндров, кратным двум. При этом каждая пара поршней совершает движение в одном направлении.
На фиг.8 изображен двигатель, у которого цилиндры 48 имеют двухстороннее действие, т.к. с обеих сторон поршней 49 и 50 образованы рабочие полости 51, 52, 53 и 54. При этом полости 51 и 52 соединены между собой общей камерой сгорания 55, а полости 53 и 54 соединены между собой общей камерой сгорания 56. В результате полости 51 и 52 и полости 53 и 54 попарно образуют два сдвоенных рабочих цилиндра, которые работают автономно друг от друга.
В отличие от варианта двигателя, изображенного на фиг. 7, здесь отсутствуют насосные полости цилиндра, из которых газ подается в рабочие полости, а вместо насосных полостей использован внешний источник продувки в виде нагнетателя 68, который может приводиться в действие или от электромотора, или от механического привода от двигателя, или от энергии выхлопных газов (в последнем случае используется турбонагнетатель).
Сдвоенная рабочая полость над поршнями 49 и 50 имеет впускные окна 57 и выпускные окна 58, а сдвоенная рабочая полость под поршнями 49 и 50 имеет впускные окна 59 и выпускные окна 60. Газ от нагнетателя 68 по линии 69 подается с постоянным давлением к впускным окнам 57 и 59, т.е. питает оба сдвоенных рабочих цилиндра, которые каждый имеет свою свечу зажигания 61 или форсунку 62 для впрыска топлива непосредственно в цилиндр. При этом кривошип 66 поршня цилиндра с выпускными окнами 58 и 60 имеет отклонение по углу поворота вала в направлении вращения от кривошипа 67 поршня цилиндра с впускными окнами 57 и 59, что обеспечивает опережение открытия и закрытия выпускных окон по отношению к впускным окнам. Это значит, что после закрытия выпускного окна впускное окно какое-то время остается открытым и в сдвоенном рабочем цилиндре создается избыточное давление, которое создается нагнетателем, литровая производительность которого выбирается выше литровой производительности двигателя. В результате коэффициент наполнения рабочих сдвоенных цилиндров может быть получен выше 1,0, а увеличение коэффициента наполнения рабочего цилиндра при соответствующем увеличении подачи топлива пропорционально увеличивает мощность двигателя.
Принцип работы сдвоенного рабочего цилиндра в варианте двигателя на фиг. 8 не отличается от принципа работы сдвоенного рабочего цилиндра в варианте двигателя на фиг.7. Только в варианте двигателя на фиг.7 коэффициент наполнения рабочего сдвоенного цилиндра зависит от производительности насосного цилиндра, который расположен под поршнями 28 и 29.
На фиг.9 (см. приложение-перечень позиций) изображен четырехцилиндровый двигатель, который можно рассматривать как два одинаковых двухцилиндровых двигателя, каждый из которых содержит два цилиндра двухстороннего действия и пару поршней, которые по отношению друг к другу совершают встречное движение. Двигатель может быть двухцилиндровым и многоцилиндровым с количеством цилиндров, кратным двум.
Для удобства рассмотрения конструкции на фиг.9 представлен четырехцилиндровый двигатель, у которого одна пара поршней отражает одну фазу работы двигателя, а другая пара поршней по своему положению отражает другую фазу работы двигателя после поворота вала кривошипно-шатунного механизма на 180o.
У этого двигателя при встречном движении поршней в двух цилиндрах двухстороннего действия общая камера сгорания сдвоенного рабочего цилиндра включает в себя канал 82, который соединяет между собой две полости 74 и 75 рабочих цилиндров, из которых одна расположена в цилиндре двухстороннего действия над поршнем 73, а другая в другом цилиндре двухстороннего действия расположена под поршнем 72, и у этих цилиндров с обратной стороны поршней образованы полости 76 и 77 насосных цилиндров, которые имеют каждая свой перепускной канал 86, а эти каналы на цикле продувки рабочих полостей сообщаются с полостью 74 рабочего цилиндра, которая имеет только впускные окна 83. Выпускное окно 84 имеет только полость 75 рабочего цилиндра. При таком расположении впускных 83 и выпускных окон 84 обеспечивается прямоточная продувка сдвоенного рабочего цилиндра, т.к. газ сначала поступает в полость 74, проходит по каналу 82 и попадает в полость 75 рабочего цилиндра.
Для исключения проскакивания части свежей порции газа через выпускное окно 84 кривошип поршня полости 75 рабочего цилиндра с впускным окном может быть установлен с отклонением по углу поворота вала от кривошипа полости 74 с впускными окнами 83 в направлении вращения вала. В этом случае будет обеспечено опережение открытия и закрытия выпускного окна 84 полости рабочего цилиндра по отношению к впускному окну 83 полости 74 рабочего цилиндра.
На фиг.9 показано, что при положении поршня 72 в ВМТ, а поршня 73 в НМТ закончился рабочий ход этих поршней и заканчивается продувка полостей 74 и 75 рабочего сдвоенного цилиндра. При положении поршня 72 в НМТ, а поршня 73 в ВМТ, как показано в правой части двигателя, идет заполнение полостей 76 и 77 насосных цилиндров свежей порцией газа через впускные окна 87. В это же время происходит вспышка газа в рабочих полостях 74 и 75. Начинается рабочий ход поршней 72 и 73 и одновременно начинается сжатие свежей смеси в насосных полостях 76 и 77. После подхода поршня 72 к ВМТ, а поршня 73 к НМТ рабочий процесс повторяется.
Такую схему работы поршней 72 и 73, которые имеют встречное движение, можно считать оптимальной, т.к. векторы сил, действующие на кривошипы от поршней 72 и 73, взаимно сокращаются, что позволяет максимально перевести эти силы в крутящий момент на коленвал и разгрузить его коренные подшипники. При встречном движении поршней 72 и 73 обеспечивается также уравновешивание инерционных масс двигателя, что позволяет уменьшить массу противовесов.
При сравнении новой конструкции двигателя с ближайшим прототипом [1] можно утверждать, что первый имеет преимущества, т.к. отсутствует самостоятельный отдельно стоящий насосный цилиндр, а вместо него работают цилиндры двухстороннего действия, в которых с одной стороны поршня образована полость рабочего цилиндра, а с другой стороны поршня образована полость насосного цилиндра, что позволяет уменьшить в двигателе количество кривошипов, унифицировать поршни, уменьшить массу двигателя и увеличить его мощность.
На фиг. 10 изображен двухцилиндровый двигатель, у которого цилиндры 90 имеют двухстороннее действие, рабочие полости цилиндров являются сдвоенными, а их поршни 91 и 92 взаимосвязаны, образуют неразрывную пару и совершают движение в встречном направлении. В отличие от варианта двигателя на фиг.9 у такого двигателя нет насосных полостей цилиндров, а все четыре полости 93, 94, 95 и 96, расположенные над и под поршнями 91 и 92, являются рабочими полостями цилиндров. При этом сдвоенные рабочие полости 93 и 96, а также 94 и 95 имеют одинаковый вариант соединения между собой с помощью каналов 101 и одинаковый принцип работы. Т. к. в двигателе нет специальных насосных полостей для продувки рабочих полостей цилиндров, используется отдельно стоящий нагнетатель 105, который соединен линией 106 с впускными окнами 102 рабочих сдвоенных цилиндров.
Двигатель может быть двухцилиндровым и многоцилиндровым с количеством цилиндров, кратным двум.
У двигателя на фиг. 10, как и двигателя на фиг.9, впускные окна 102 расположены в одном цилиндре, а выпускные окна 103 расположены в другом цилиндре. Это позволяет за счет отклонения кривошипа поршня 91 по углу поворота вала в направлении вращения от кривошипа поршня 92 обеспечить опережение открытия и закрытия выпускных окон 103 по отношению к впускным окнам 102.
Возможность опережения закрытия выпускных окон 103 по отношению к впускным окнам 102, а также наличие нагнетателя 105, который может иметь объемную производительность больше, чем объемная производительность на впуске рабочих двигателей, позволяет получать коэффициент заполнения рабочих цилиндров выше единицы за счет создания в рабочих цилиндрах избыточного давления (выше атмосферного).
Все эти факторы, а также большее количество рабочих полостей цилиндров позволяет значительно увеличить удельную литровую мощность двигателя.
Принцип работы сдвоенных рабочих полостей 93 и 96, 94 и 95 у двигателя на фиг. 10 такой же, как работа сдвоенных рабочих полостей 74 и 75 у двигателе на фиг.9.
Проведенный анализ конструкций двигателя на фиг.7-10 показывает, что все варианты двигателя имеют общие отличительные признаки:
- поршни сдвоенного рабочего цилиндра установлены в цилиндрах двухстороннего действия;
- поршни имеют штоки для связи с кривошипами;
- кривошипы имеют отклонение между собой по углу поворота вала и обеспечивают движение поршней в одном или встречном направлении;
- впускные окна рабочих цилиндров соединены с источником продувки, например, с насосными цилиндрами или с нагнетателем.
Вариант 3 (п.3 формулы)
В качестве ближайшего прототипа для двигателя по варианту 3 может рассматриваться конструкция двигателя по патенту США [2].
Недостатком прототипа является наличие самостоятельного насосного цилиндра, предназначенного только для продувки рабочего цилиндра, что снижает удельную литровую мощность двухтактного двигателя. Такой двигатель так же, как и заявляемая конструкция по варианту 3, содержит рабочий и насосный цилиндры с впускными и выпускными окнами, у которых выпускное окно насосного цилиндра соединено перепускным каналом с впускным окном рабочего цилиндра.
Задачей изобретения является увеличение удельной литровой мощности двигателя, для чего необходимо при работе двигателя на номинальном и форсированном режиме мощности использовать насосный цилиндр в качестве рабочего цилиндра.
Это достигается тем, что к перепускному каналу подключен внешний источник продувки, а насосный цилиндр снабжен свечой зажигания или форсункой для впрыска топлива и распределительным клапаном для перекрытия выпускного окна насосного цилиндра.
Изложенная сущность исполнения по варианту 3 поясняется на фиг.11-14, которые имеют следующий перечень позиций:
107 - рабочий цилиндр;
108 - впускные окна цилиндра 107;
109 - выпускные окна цилиндра 107;
110 - поршень цилиндра 107;
111 - кривошип поршня 110;
112 - кольцевая канавка на цилиндрической стенке поршня;
113 - нижняя боковая стенка канавки;
114 - верхняя боковая стенка канавки;
115 - верхний торец днища поршня;
116 - верхняя кромка впускного окна;
117 - наружный цилиндрический край верхней боковой стенки канавки;
118 - цилиндрическая образующая зеркала цилиндра;
119 - диффузор, выполненный в виде зазора между цилиндрическим краем верхней боковой стенки 114 канавки 112 и зеркалом цилиндра 118;
120 - верхняя кромка выпускного окна;
121 - полость рабочего цилиндра 107;
122 - углубление канала в днище поршня;
123 - цилиндр двойного назначения (насосный или рабочий)
124 - впускное окно насосного цилиндра;
125 - выпускное окно насосного цилиндра;
126 - поршень двойного назначения (рабочего или насосного цилиндра);
127 - кривошип поршня 126;
128 - клапан двухпозиционный (распределительный клапан);
129 - перепускной канал из насосного цилиндра в рабочий цилиндр;
130 - свеча зажигания;
131 - форсунка низкого или высокого давления;
132 - маслозаполненный картер механизма движения;
133 - внешний источник наддува, например турбонагнетатель;
134 - канал подвода газа от турбонагнетателя к рабочим цилиндрам;
На фиг. 13:
135 - сдвоенный рабочий цилиндр;
136 - впускное окно цилиндра 135;
137 - выпускное окно цилиндра 135;
138 - цилиндр с выпускным окном 137;
139 - цилиндр с впускным окном 136;
140 - поршень цилиндра 138;
141 - поршень цилиндра 139;
142 - общая камера сгорания цилиндра 135;
143 - свеча зажигания или форсунка цилиндра 135;
144 - кривошип поршня 140;
145 - кривошип поршня 141;
146 - внешний источник продувки рабочих цилиндров, например турбонагнетатель;
147 - канал, соединяющий турбонагнетатель 146 с впускным окном 136;
148 - отсечной клапан;
149 - сдвоенный цилиндр двойного назначения (рабочий и насосный);
150 - поршни цилиндра 149;
151 - окно двойного назначения (впускное - насосного цилиндра и выпускное - рабочего цилиндра);
152 - выпускное окно насосного цилиндра;
153 - свеча зажигания или форсунка цилиндра 149;
154 - перепускной канал;
На фиг. 14:
155 - сдвоенный рабочий цилиндр;
156 - впускное окно цилиндра 155;
157 - выпускное окно цилиндра 155;
158 - цилиндр с выпускным окном 157;
159 - цилиндр с впускным окном 156;
160 - поршень цилиндра 158;
161 - поршень цилиндра 159;
162 - общая камера сгорания цилиндра 155;
163 - свеча зажигания, форсунка низкого или высокого давления;
164 - кривошип поршня 160;
165 - кривошип поршня 161;
166 - внешний источник продувки рабочих цилиндров, например турбонагнетатель;
167 - канал, соединяющий турбонагнетатель и насосный цилиндр 172 с впускным окном 156;
168 - отсечной клапан (распределительный клапан);
169 - самодействующий нагнетательный клапан;
170 - демпферная камера;
171 - обратный клапан;
172 - сдвоенный цилиндр двойного назначения (рабочий или насосный);
173 - поршни цилиндра 172;
174 - окно двойного назначения (впускное - насосного цилиндра или выпускное - рабочего цилиндра);
175 - выпускное окно насосного цилиндра.
На фиг. 11 изображен двигатель, содержащий рабочий цилиндр 107 и насосный цилиндр 123. Выпускное окно 125 насосного цилиндра с помощью перепускного канала 129 соединено с впускным окном 108 цилиндра 107. Насосный цилиндр 123 дополнительно снабжен свечой зажигания 130 или форсункой 131 для впрыска топлива. Возможен вариант, когда цилиндр 123 снабжен свечой зажигания 130 и форсункой 131 низкого давления для впрыска топлива в цилиндр в начале такта сжатия после закрытия выпускного окна 109. Для перекрытия выпускного окна 125 в начале перепускного канала 129 установлен распределительный двухпозиционный клапан 128.
В таком варианте цилиндр 123 получает двойное назначение, т.к. при открытии выпускного окна 125 может работать как насосный цилиндр, от которого газ по перепускному каналу 129 подается к впускному окну 108 рабочего цилиндра 107, а при установке распределительного клапана 128 в положение - "Закрытие выпускного окна 125 и подключение нагнетателя 133 к перепускной линии 129" может работать как рабочий цилиндр.
Поршень 110 рабочего цилиндра на фиг. 11 для повышения эффективности продувки снабжен дефлектором-отражателем, выполненным в виде кольцевой канавки 112 (см. Вариант 1 и п. 1 формулы). Таким же дефлектором-отражателем снабжен поршень 126 цилиндра 123.
Для более полного заполнения рабочего цилиндра 107 от насосного цилиндра 123 и исключения обратного отсоса газа из рабочего цилиндра 107 через выпускное окно 108 после окончания продувки, когда поршень 126 насосного цилиндра начинает движение из ВМТ к НМТ, кривошип 127 поршня насосного цилиндра 123 имеет отклонение по углу поворота вала в направлении вращения от кривошипа 111 поршня 110 рабочего цилиндра на угол α° (см. фиг. 12).
Дополнительно двигатель снабжен нагнетателем 133. От нагнетателя 133 газ по каналу 134 подводится к распределительному клапану 128.
Предполагается, что для привода нагнетателя используется или энергия выхлопных газов (используется турбонагнетатель) или механический привод от вращающегося вала двигателя. Очевидно, что эта энергия отсутствует во время пуска двигателя и имеет недостаточную величину при работе двигателя на малых оборотах. Этим объясняется необходимость оснащения двигателя и насосными цилиндрами, и турбонагнетателем. Преимуществом двигателя такой конструкции следует считать то, что наличие насосного цилиндра позволяет легко запустить двигатель, когда энергия для привода нагнетателя отсутствует и позволяет подавать достаточное количество газа при работе двигателя на малых оборотах. После запуска двигателя и перевода его на средние или большие обороты (форсированный режим по мощности) распределительный клапан 128 переводится в положение 2, что соответствует - "Закрытие выпускного окна 125 и подключение к перепускному каналу 129 нагнетателя 133". В этом случае газ от турбонагнетателя поступает к впускному окну 108 рабочего цилиндра 107, а также к впускному окну 108 рабочего цилиндра 123, и насосный цилиндр начинает работать как рабочий.
Такое сочетание в двигателе насосных цилиндров и турбонагнетателя позволяет обеспечить эффективную работу двигателя и при пуске и на всем диапазоне скорости вращения и мощности. При этом на средних и больших оборотах достигается максимальная удельная мощность двигателя, т.к. все полости цилиндра в этом случае являются рабочими и двигатель имеет максимальный литровый объем, в который входит также объем насосных цилиндров.
На фиг. 13 изображен двигатель, содержащий рабочий цилиндр 135 с впускным 136 и выпускными окнами 137, насосный цилиндр 149, нагнетатель 146 и распределительный клапан 148.
В отличие от двигателя на фиг. 11 у двигателя на фиг. 13 рабочий цилиндр 135 и насосный цилиндр 149 выполнены сдвоенными. Цилиндр 149 также имеет двойное назначение, т.к. может быть и насосным, и рабочим в зависимости от положения распределительного клапана.
Преимуществом такого двигателя является то, что рабочий цилиндр 135 является сдвоенным, а также то, что насосный цилиндр при переводе его в рабочий цилиндр также является сдвоенным.
Сдвоенные рабочие цилиндры с общей камерой сгорания 142 за счет отклонения по углу поворота вала кривошипа 144 поршня цилиндра с выпускным окном 137 от кривошипа 145 поршня цилиндра с впускным окном 136 позволяет обеспечить опережение открытия и закрытия выпускных окон 137 по отношению к впускным окнам 136.
В результате появляется возможность продолжить заполнение рабочего цилиндра после закрытия выпускных окон 137, а это позволяет создать избыточное давление в цилиндре (выше атмосферного) до величины избыточного давления, создаваемого нагнетателем 146.
Соответственно обеспечивается увеличение удельной литровой мощности двигателя на величину, пропорциональную увеличению коэффициента наполнения рабочих цилиндров.
Принцип работы двигателя на фиг. 13 на всех режимах работы такой же, как у двигателя на фиг. 11 с учетом фиг. 12.
На фиг. 14 изображен двигатель, содержащий нагнетатель 166, рабочий сдвоенный цилиндр 155 с впускными 156 и выпускными окнами 157 и общей камерой сгорания 162, а также сдвоенный цилиндр 172 двойного назначения, т.к. он может быть насосным или рабочим в зависимости от положения распределительного клапана, который перекрывает или открывает выпускное окно 175 насосного цилиндра.
В отличие от двигателя на фиг. 13 двигатель на фиг. 14 дополнительно содержит самодействующий нагнетательный клапан 169, установленный после распределительного клапана 168, демпферную камеру 170 и обратный клапан 171, установленный перед нагнетателем 166.
Принцип работы двигателя в варианте с насосным цилиндром заключается в следующем.
При пуске двигателя, а также при его работе на малых оборотах распределительный клапан 168 находится в положении "Открыто", при котором газ через выпускное окно 175 поступает из насосного цилиндра в рабочий цилиндр 155. Заполнение насосного цилиндра при положении поршней 173 в НМТ происходит через впускное окно 174 под действием вакуума. После заполнения насосного цилиндра и движения поршней 173 к ВМТ, т.к. впускные окна 156 и 174 закрываются, происходит сжатие в насосном цилиндре 172. При этом часть газа через нагнетательный клапан 169 поступает в демпферную камеру 170 и в перепускной канал 167, которые образуют дополнительный объем. Наличие дополнительного объема после нагнетательного клапана 169 позволяет снизить степень сжатия газа в насосном цилиндре, что позволяет уменьшить затраты энергии на сжатие. При подходе поршней 173 насосного цилиндра к ВМТ поршни 160 и 161 рабочего цилиндра 155 подходят к НМТ и в цилиндре 155 заканчивается рабочий ход. Сначала поршень 160 начинает открывать выпускное окно 157, и происходит выпуск сгоревших газов. Когда окно 157 полностью открывается, впускное окно 156 еще закрыто. Затем начинается закрытие окна 157 и одновременно открытие окна 156. В этот момент идет продувка рабочего цилиндра газом из рабочего цилиндра до закрытия окна 157. Когда окно 157 закрывается, окно 156 полностью открыто. Начинается заполнение рабочего цилиндра 155, и весь газ из насосного цилиндра 172 выталкивается в рабочий цилиндр 155. Когда поршни 173 насосного цилиндра 172 начинают движение из ВМТ, самодействующий клапан 169 закрывается и в насосном цилиндре начинает создаваться вакуум. В это время поршни 160 и 161 рабочего цилиндра движутся к ВМТ и в нем начинается сжатие. При подходе поршней 160 и 161 к ВМТ происходит вспышка топлива, поршни 160 и 161 движутся вниз, и в рабочем цилиндре начинается рабочий ход. В этот момент поршни 173 насосного цилиндра находятся в НМТ, впускное окно 174 полностью открывается, и под воздействием вакуума идет заполнение насосного цилиндра 172 свежим газом.
Самодействующий нагнетательный клапан 169 закрывается сразу при начале движения поршней 173 из ВМТ под действием разности давления до и после клапана. В результате исключается обратный ток газа из демпферной камеры 170 и перепускного канала 167 в насосный цилиндр. Т.к. наличие демпферной камеры снижает степень сжатия, уменьшается влияние вредного пространства насосного цилиндра на его производительность.
При достижении оборотов двигателя, необходимых для начала работы турбонагнетателя, распределительный клапан 168 закрывается, насосный цилиндр превращается в рабочий и начинает работать так же, как рабочий цилиндр 155. Мощность двигателя при том же количестве цилиндров увеличивается в два раза.
Вариант 4 (п. 4 формулы)
В качестве ближайшего прототипа для двигателя по варианту 4 может рассматриваться конструкция двухтактного двигателя по патенту США [2] и патенту СССР [3].
Недостатком ближайшего прототипа является наличие самостоятельного насосного цилиндра, который используется для продувки рабочего цилиндра и имеет свой отдельный поршень и кривошип, что увеличивает габариты двигателя и снижает его удельную литровую мощность на единицу массы.
Задачей изобретения является уменьшение габаритов и массы двигателя, повышение его экономичности и удельной литровой мощности, для чего необходимо уменьшить количество в двигателе поршней и кривошипов и улучшить продувку рабочих цилиндров.
Это достигается тем, что двигатель выполнен многорядным (двухрядным) с расположением цилиндров через разделяющую перегородку один над другим, у которых поршни цилиндров предыдущего ряда связаны штоками с поршнями цилиндров последующего ряда, а рабочий цилиндр выполнен сдвоенным с двумя поршнями и общей камерой сгорания, сообщающей две его рабочие полости, которые расположены по одну или по обе стороны перегородки.
Изложенная сущность исполнения по варианту 4 поясняется на фиг. 15-21, которые имеют следующий перечень позиций:
176 - цилиндр одностороннего действия первого ряда;
177 - поршень первого ряда;
178 - полость рабочего цилиндра 176;
179 - впускное окно цилиндра 176;
180 - выпускное окно цилиндра 176;
181 - цилиндр двухстороннего действия второго ряда;
182 - поршень цилиндра 181;
183 - полость рабочего цилиндра 181;
184 - впускное окно полости 183;
185 - выпускное окно полости 183;
186 - шток;
187 - кривошип;
188 - шатун;
189 - полость насосного цилиндра;
190 - впускное окно насосного цилиндра;
191 - выпускное окно насосного цилиндра;
192 - канал перепуска из полости насосного цилиндра в полость рабочего цилиндра;
193 - канал перепуска из одной полости рабочего цилиндра в другую полость рабочего цилиндра;
194 - свеча зажигания или форсунка;
195 - маслозаполненный картер кривошипно-шатунного механизма;
196 - разделяющая перегородка;
На фиг. 16:
197 - сдвоенный рабочий цилиндр одностороннего действия первого ряда;
198 - поршни цилиндра 197;
199 - полости рабочего цилиндра 197;
200 - впускное окно рабочего цилиндра 197;
201 - выпускное окно рабочего цилиндра 197;
202 - сдвоенный цилиндр двухстороннего действия второго ряда;
203 - поршни цилиндра 202;
204 - полости сдвоенного рабочего цилиндра;
205 - впускное окно рабочего цилиндра 202;
206 - выпускное окно рабочего цилиндра 202;
207 - штоки;
208 - кривошипы;
209 - шатуны;
210 - полость сдвоенного насосного цилиндра второго ряда;
211 - впускное окно сдвоенного насосного цилиндра;
212 - выпускное окно сдвоенного насосного цилиндра;
213 - перепускной канал;
214 - разделяющая перегородка;
215 - свеча зажигания или форсунка;
216 - маслозаполненный картер кривошипно-шатунного механизма;
217 - общая камера сгорания сдвоенного рабочего цилиндра;
218 - общая камера сжатия сдвоенного насосного цилиндра;
219 - отражательная стенка;
220 - турбонагнетатель;
221 - обратный клапан;
На фиг. 17:
222 - рабочий цилиндр левый первого ряда;
223 - рабочий цилиндр правый первого ряда;
224 - поршень цилиндра 222;
225 - поршень цилиндра 223;
226 - полость рабочего цилиндра 222;
227 - полость рабочего цилиндра 223;
228 - выпускное окно рабочего цилиндра 222;
229 - выпускное окно рабочего цилиндра 223;
230 - разделяющая перегородка;
231 - цилиндр двухстороннего действия второго ряда левый;
232 - цилиндр двухстороннего действия второго ряда правый;
233 - поршень цилиндра 231;
234 - поршень цилиндра 232;
235 - шток левый;
236 - шток правый;
237 - кривошип левый;
238 - кривошип правый;
239 - полость цилиндра левая;
240 - полость насосного цилиндра правая;
241 - самодействующий всасывающий клапан левого насосного цилиндра;
242 - самодействующий всасывающий клапан правого насосного цилиндра;
243 - впускное окно насосного цилиндра;
244 - перепускной канал насосного цилиндра левый;
245 - перепускной канал насосного цилиндра правый;
246 - коллектор всасывающих клапанов;
247 - карбюратор;
248 - источник наддува;
249 - полость рабочего цилиндра левая;
250 - полость рабочего цилиндра правая;
251 - свеча зажигания или форсунка;
252 - канал для соединения полости 249 с полостью 227;
253 - канал для соединения полости 226 с полостью 250;
254 - кривошипно-шатунный механизм;
255 - маслозаполненный картер;
На фиг. 18:
256 - насосный цилиндр первого ряда левый;
257 - насосный цилиндр первого ряда правый;
258 - поршень цилиндра 256;
259 - поршень цилиндра 257;
260 - полость насосного цилиндра 256;
261 - полость насосного цилиндра 257;
262 - впускные окна полостей насосных цилиндров;
263 - выпускные окна полостей насосных цилиндров;
264 - цилиндр двухстороннего действия второго ряда левый;
265 - цилиндр двухстороннего действия второго ряда правый;
266 - поршень цилиндра 264;
267 - поршень цилиндра 265;
268 - шток, связывающий поршни 258 и 266;
269 - шток, связывающий поршни 259 и 267;
270 - кривошип левой пары поршней;
271 - кривошип правой пары поршней;
272 - полость рабочего цилиндра над поршнем 266;
273 - полость рабочего цилиндра под поршнем 266;
274 - полость рабочего цилиндра над поршнем 267;
275 - полость рабочего цилиндра под поршнем 267;
276* - впускное окно полости 272 рабочего цилиндра;
277* - выпускное окно полости 272 рабочего цилиндра;
278 - впускное окно полости 273 рабочего цилиндра;
279 - выпускное окно полости 273 рабочего цилиндра;
280 - впускное окно полости 274 рабочего цилиндра;
281 - выпускное окно полости 274 рабочего цилиндра;
282 - впускное окно полости 275 рабочего цилиндра;
283* - выпускное окно полости 275 рабочего цилиндра;
284* - канал перепуска из полости 260 насосного цилиндра в полость 273 рабочего цилиндра;
285 - канал перепуска из полости 261 насосного цилиндра в полость 275 рабочего цилиндра;
286 - канал, соединяющий полость 273 с полостью 274;
287* - канал, соединяющий полость 275 с полостью 272;
288 - кривошипно-шатунный механизм;
289 - маслозаполненный картер кривошипно-шатунного механизма;
290 - свеча зажигания или форсунка;
291 - разделительная перегородка.
Примечание: позиции со знаком звездочка в разрезе не показаны.
На фиг. 19:
292 - рабочий цилиндр левый первого ряда;
293 - рабочий цилиндр правый первого ряда;
294 - поршень цилиндра 292;
295 - поршень цилиндра 293;
296 - полость рабочего цилиндра 292;
297 - полость рабочего цилиндра 293;
298 - впускное окно цилиндра 292;
299 - выпускное окно цилиндра 293;
300 - разделяющая перегородка;
301 - цилиндр двухстороннего действия второго ряда левый;
302 - цилиндр двухстороннего действия второго ряда правый;
303 - поршень цилиндра 301;
304 - поршень цилиндра 302;
305 - шток левый;
306 - шток правый;
307 - полость рабочего цилиндра левая второго ряда;
308 - полость рабочего цилиндра правая второго ряда;
309 - полость насосного цилиндра левая;
310 - полость насосного цилиндра правая;
311 - самодействующий нагнетательный клапан цилиндра 309;
312 - самодействующий нагнетательный клапан цилиндра 310;
313 - впускные окна насосных цилиндров;
314 - перепускной канал из полостей 309 и 310 насосных цилиндров;
315 - перепускной канал из полости 307 рабочего цилиндра в полость 297 рабочего цилиндра;
316 - перепускной канал из полости 308 рабочего цилиндра в полость 296 рабочего цилиндра;
317 - выпускное окно из полости 308 рабочего цилиндра;
318 - впускное окно полости 307 рабочего цилиндра;
319 - кривошип левый;
320 - кривошип правый;
321 - камера демпферная;
322 - клапан отсечной двухпозиционный;
323 - обратный клапан;
324 - свеча зажигания, форсунка низкого или высокого давления;
325 - внешний источник наддува, например турбонагнетатель;
На фиг. 20:
326 - сдвоенный рабочий цилиндр;
327 - впускное окно цилиндра 326;
328 - выпускное окно цилиндра 326;
329 - цилиндр с выпускным окном 328;
330 - цилиндр с впускным окном 328;
331 - поршень цилиндра 329;
332 - поршень цилиндра 330;
333 - общая камера сгорания цилиндра 326;
334 - свеча зажигания или форсунка цилиндра 326;
335 - кривошип поршня 331;
336 - кривошип поршня 332;
337 - внешний источник продувки рабочих цилиндров, например турбонагнетатель;
338 - канал, соединяющий турбонагнетатель 337 с впускным окном 327;
339 - разделяющая перегородка.
На фиг. 21:
340 - сдвоенный рабочий цилиндр одностороннего действия первого ряда;
341 - поршни цилиндра 340;
342 - полости рабочего цилиндра 340;
343 - впускное окно правого цилиндра 340;
344 - выпускное окно левого цилиндра 340;
345 - сдвоенный цилиндр двухстороннего действия второго ряда;
346 - поршни цилиндра 345;
347 - полости двойного назначения (сдвоенного насосного цилиндра и сдвоенного рабочего цилиндра);
348 - окно двойного назначения (впускное - насосного цилиндра или выпускное - рабочего цилиндра);
349 - выпускное окно насосного цилиндра;
350 - штоки;
351 - кривошипы;
352 - шатуны;
353 - полость сдвоенного рабочего цилиндра второго ряда;
354 - впускное окно рабочего цилиндра 345;
355 - выпускное окно рабочего цилиндра 345;
356 - перепускной канал из насосного цилиндра в сдвоенный рабочий цилиндр;
357 - разделяющая перегородка;
358 - свеча зажигания или форсунка;
359 - маслозащищенный картер кривошипно-шатунного механизма;
360 - общая камера сгорания сдвоенного рабочего цилиндра;
361 - общая камера сжатия сдвоенного насосного цилиндра;
362 - отражательная перегородка у сдвоенного рабочего цилиндра;
363 - отсечной клапан;
364 - клапан нагнетательный самодействующий;
365 - камера демпферная;
366 - линия подвода газа от турбонагнетателя к впускным окнам рабочих цилиндров;
367 - обратный клапан;
368 - внешний источник наддува, например турбонагнетатель.
На фиг. 15 изображен двухрядный двигатель, у которого сдвоенный рабочий цилиндр образован двумя цилиндрами, из которых цилиндр 176 находится в первом ряду, а второй цилиндр 181 находится во втором ряду и отделен от цилиндра 176 разделяющей перегородкой 196, а общая камера сгорания сдвоенного рабочего цилиндра включает в себя канал 193, который соединяет между собой синхронно работающие полости 178 и 183 рабочего сдвоенного цилиндра, которые образованы над поршнями 177 и 182 цилиндров первого и второго ряда.
Цилиндр 176 имеет размещенные в нижней части цилиндра над поршнем 177 при его положении в НМТ впускные окна 179 полости 178 рабочего цилиндра и в верхней части цилиндра над поршнем при его положении в ВМТ выпускные окна 180. Окна 179 перекрываются поршнем 177 при его движении вверх. Во втором ряду в верхней части цилиндра 181 над поршнем 182 при его положении в ВМТ размещены впускные окна 184 полости 183 рабочего цилиндра, а также выпускные окна 185, размещенные в нижней части цилиндра над поршнем 182 при его положении в НМТ. Окна 185 перекрываются поршнем 182 при его движении вверх.
Поршни 177 и 182 соединены между собой штоком 186 и движутся синхронно, обеспечивая одинаковые фазы рабочего цикла у полостей 178 и 183 рабочих цилиндров по углу поворота вала кривошипно-шатунного механизма 187, у которого шатун 188 соединен с поршнем 177.
С обратной стороны поршня 182 цилиндра 181 образована полость 189 насосного цилиндра. В этом случае поршень 182 с верхней стороны выполняют роль рабочего поршня, а с нижней стороны выполняет роль насосного поршня. Соответственно цилиндр 181 является цилиндром двухстороннего действия, т.к. у него верхняя часть цилиндра 181 над поршнем образует полость 183 рабочего цилиндра, а нижняя часть цилиндра 181 под поршнем 182 образует полость 189 насосного цилиндра. Полость 189 насосного цилиндра имеет впускные окна 190, расположенные под поршнем 182 при его положении в ВМТ и выпускные окна 191, расположенные под поршнем 182 при его положении в НМТ. Впускные окна 190 перекрываются поршнем 182 при его движении вниз. Выпускные окна 191 полости 189 насосного цилиндра соединены с впускными окнами 179 полости 178 рабочего цилиндра перепускным каналом 192, а выпускные окна 180 полости 178 соединены с впускными окнами 184 полости 183 рабочего цилиндра перепускным каналом 193, к которому подключена свеча зажигания 194 или форсунка для впрыска топлива. В таком варианте подключения источника вспышки топлива канал 193 выполняет роль форкамеры одновременно для полостей 178 и 183 рабочих цилиндров. Наличие форкамеры позволяет зажигать обедненную топливную смесь, что повышает экономичность двигателя.
Принцип работы двигателя заключается в следующем.
На фиг. 15 показана фаза рабочего цикла, когда поршни 177 и 182 находятся в НМТ, а впускные окна 179 полости 178 и выпускные окна 185 полости 183 открыты. В этом положении поршней 177 и 182 происходит выпуск сгоревших газов из полостей 178 и 183 через выпускные окна 185. При этом сгоревшие газы из рабочей полости 183 выходят сразу через окна 185, а сгоревшие газы из полости 178 выходят последовательно сначала через канал 193, затем через полость 183 и через окна 185. После падения давления в полостях 178 и 183 свежая смесь из полости 189 насосного цилиндра через выпускные окна 191 и перепускной канал 193 начинает поступать в полости 178 и 183 рабочих цилиндров. При этом происходит прямоточная продувка полостей рабочего сдвоенного цилиндра, т.к. свежая смесь сначала поступает в полость 178 через впускные окна 179, а затем через выпускные окна 180 и перепускной канал 193 поступает в полость 183.
В результате происходит окончательное вытеснение сгоревших газов и заполнение полостей 178 и 183 свежей смесью. При такой прямоточной продувке максимально сокращаются утечки свежей смеси через выпускные окна 185, что обеспечивает повышение экономичности работы двигателя. Направление движения свежей смеси при продувке показано стрелками.
Потери свежей смеси через выпускные окна 185 можно полностью исключить, если топливо подавать непосредственно в цилиндр после закрытия окон 185 с помощью форсунки низкого давления в начале цикла сжатия в сдвоенном рабочем цилиндре. Потеря давления топлива также будет исключена, если использовать двигатель как дизель с подачей топлива через форсунку в конце хода сжатия, когда все окна в цилиндре закрыты.
Следующая фаза рабочего цикла начинается, когда поршни 177 и 182 переходят из НМТ в ВМТ. При движении поршней 177 и 182 вверх выпускные окна 185 и впускные окна 179 закрываются и происходит сжатие в полостях 178 и 183, а также в перепускном канале 193. Одновременно начинает создаваться разрежение под поршнем 182 в полости 189 насосного цилиндра.
При подходе поршней 177 и 182 к ВМТ заканчивается процесс сжатия в полостях 178 и 183 рабочих цилиндров и под поршнем 182 открываются впускные окна 190 полости 189 насосного цилиндра. Вакуум под поршнем 182 срывается, и происходит заполнение полости 189 свежей смесью.
После зажигания топливной смеси под действием расширяющихся газов начинается рабочий ход поршней. При подходе поршня 182 к НМТ выпускные окна 185 рабочего цилиндра 181 открываются и происходит выхлоп сгоревших газов из полостей 178 и 183 рабочих цилиндров. К этому времени открывается впускное окно 179 полости 178 рабочего цилиндра, начинается продувка цилиндров и их заполнение свежей смесью.
Далее все фазы рабочего цикла повторяются.
У двигателя на фиг. 15 продувка полостей 178 и 183 рабочего сдвоенного цилиндра идет снизу вверх, а выпускное окно 185 находится в рабочем цилиндре второго ряда. Дополнительно возможен вариант двигателя, когда продувка полостей 183 и 178 будет вестись сверху вниз, тогда выпускное окно из полости 178 будет находиться в рабочем цилиндре первого ряда.
На фиг. 16 изображен двухрядный двигатель по варианту 4, у которого в первом ряду находится сдвоенный рабочий цилиндр 197 одностороннего действия с общей камерой сгорания 217 и двумя поршнями 198, а во втором ряду находится сдвоенный цилиндр 202 двухстороннего действия, у которого над поршнями 203 образованы соединенные между собой полости 204 рабочего цилиндра, а под поршнями образованы соединенные между собой полости насосного цилиндра 218, которые с помощью двух каналов 213 на цикле продувки рабочих цилиндров соединены с полостями рабочих цилиндров первого и второго ряда, цилиндры которых имеют только впускные окна 200 и 205.
На фиг. 16 показана фаза рабочего цикла, когда закончился рабочий ход поршней и происходит выпуск сгоревших газов в цилиндре первого ряда через выпускное окно 201, а в цилиндре второго ряда через выпускное окно 206. При дальнейшем движении поршней начинается закрытие выпускных окон 201 и 206 и открытие впускных окон 200 и 205. Когда выпускные окна 201 и 206 полностью закроются, произойдет полное открытие впускных окон 200 и 205. Во время закрытия выпускных окон и открытия впускных окон происходит продувка рабочих цилиндров. Опережение открытия и закрытия выпускных окон 201 и 206 по сравнению с впускными окнами 200 и 205 позволяет улучшить продувку рабочего цилиндра, уменьшить перемешивание сгоревших газов со свежей смесью и уменьшить потери свежей смеси. На стадии продувки свежая смесь из насосной полости цилиндра 210 одновременно поступает по каналам 213 в полость 204 рабочего цилиндра второго ряда и в полость 199 рабочего цилиндра первого ряда.
Эффективная прямоточная продувка полостей 199 и 204 обеспечивается также за счет того, что свежая смесь на пути от впускных окон 200 и 205 к выпускным окнам 201 и 206 встречает на своем пути перегородку в виде отражательной стенки 219, разделяющей сдвоенные рабочие цилиндры. Направление движения смеси при продувке показано стрелками.
Полное исключение потери свежей смеси из-за вероятности проскакивания ее части в момент продувки через выпускные окна и максимальная экономичность двигателя будет обеспечена, если подавать топливо непосредственно в цилиндр через форсунку высокого давления в конце хода сжатия (вариант дизеля) или через форсунку низкого давления в начале цикла сжатия в рабочих цилиндрах после закрытия выпускных окон 201 и 206.
Для повышения удельной мощности двигателя может быть использован внешней источник наддува, например турбонагнетатель 220, работающий от энергии выхлопных газов, который подсоединен к перепускным каналам 213 через обратный клапан 221. В этом случае предложенная схема двигателя позволяет заполнять рабочие цилиндры газом с избыточным давлением (выше атмосферного, т.к. после закрытия выпускных окон 201 и 206 давление в рабочих цилиндрах будет расти до давления, создаваемого нагнетателем, т.е. коэффициент заполнения рабочих цилиндров в этом случае будет больше единицы, а поэтому пропорционально увеличению давления вырастет мощность двигателя.
Известные схемы двухтактных двигателей с наддувом не позволяют повышать коэффициент наполнения цилиндров больше единицы, т.к. у них закрытие выпускных окон происходит после закрытия впускных окон.
Предложенный вариант двигателя на фиг. 16 предпочтительно использовать для многоцилиндрового двигателя с числом цилиндров и кривошипов в первом ряду, кратным четырем, и развернутыми кривошипами на 180o угла поворота вала одной пары поршней по отношению к другой, т.к. в этом случае обеспечивается лучшее уравновешивание инерционных движущихся масс, когда каждые две пары поршней будут иметь встречные движения и уравновешивать друг друга.
На фиг. 17 изображен двухрядный двигатель по варианту 4, у которого полости сдвоенного рабочего цилиндра находятся по обе стороны разделяющей перегородки 230, а поршни сдвоенного рабочего цилиндра совершают встречное движение. Двигатель имеет четное количество связанных штоком пар поршней; из которых каждая пара поршней связана со своим кривошипом, а кривошипы каждых двух пар поршней имеют отклонение между собой по углу поворота вала на 180o и обеспечивают встречное движение поршней и работу их цилиндров в противофазе по отношению друг к другу. У двигателя на фиг. 17 в первом ряду находятся цилиндры 222 и 223 одностороннего действия, а во втором ряду находятся цилиндры 231 и 232 двухстороннего действия. Над поршнями 233 и 234 второго ряда образованы полости 239 и 240 насосных цилиндров, а под поршнями образованы полости 249 и 250 рабочих цилиндров. Над поршнями 224 и 225 первого ряда образованы полости 226 и 227 рабочих цилиндров. Полость рабочего цилиндра 249 соединена с полостью 227 рабочего цилиндра каналом 252, а полость 250 рабочего цилиндра соединена с полостью 226 рабочего цилиндра каналом 253. Соответственно каналы 252 и 253 образуют общую камеру сгорания для сдвоенных рабочих цилиндров.
Сдвоенные рабочие цилиндры оснащены или свечами зажигания, или форсунками для впрыска топлива 251.
Принцип работы двухрядного многоцилиндрового двигателя с четным количеством пар поршней (больше двух) не будет отличаться от двухрядного двигателя, имеющего две взаимосвязанные пары поршней, а поэтому для рассмотрения предложен двигатель с двумя парами поршней. Принцип работы такого двигателя можно рассмотреть по стадиям рабочего цикла в зависимости от положения поршней по отношению к НМТ и ВМТ в интервале от 0 до 360o угла поворота вала, т.к. в этом интервале совершается полный рабочий цикл двухтактного двигателя в два такта, чередующихся через 180o. На фиг. 17 показана стадия рабочего цикла, когда поршни 224 и 233 левой пары подходят к ВМТ, а поршни 225 и 234 правой пары подходят к НМТ. При таком положении поршней происходит следующее: в насосной полости 240 второго ряда заканчивается цикл всасывания через самодействующий всасывающий клапан 242 и впускное окно 243. (Возможен вариант без использования всасывающего клапана. Тогда заполнение насосной полости 240 будет осуществляться только через впускное окно 243). Вакуум в насосной полости 240 падает, и всасывающий клапан 242 закрывается. Т.к. к коллектору 246 всасывающих клапанов 241 и 242, а также к входу в окно 243 подключен источник наддува 248 (например, турбонагнетатель), коэффициент наполнения насосного цилиндра 240 может быть получен выше единицы, что для предложенной схемы двигателя имеет положительный фактор, т.к. одна насосная полость 240 подает газ в две рабочие полости 250 и 226 и необходимо поднять производительность насосной полости 240.
В рабочей полости 226 первого ряда и в рабочей полости 250 второго ряда заканчивается цикл сжатия. В этот момент происходит впрыск топлива в рабочий цилиндр через форсунку или срабатывает свеча зажигания 251.
Т. к. рабочие полости 226 и 250 сообщаются друг с другом через канал 253 в перегородке 230, воспламенение распространяется на обе рабочие полости. В результате газ расширяется и начинается рабочий ход поршней 224 и 234, которые движутся в разных направлениях и передают усилие на свои кривошипы 237 и 238. При этом векторы сил на кривошипы имеют противоположное направление. Одновременно в насосной полости 239 заканчивается процесс сжатия свежей смеси поршнем 233, а в рабочих полостях 227 и 249 заканчивается сгорание газа и заканчивается рабочий ход поршней 225 и 233. Поршнем 225 открывается выхлопное окно 229, и происходит выхлоп сгоревших газов через окно 229 последовательно сначала из рабочей полости 227, а затем из рабочей полости 249 через канал 252, через рабочую полость 227 и через выхлопное окно 229. При этом также идет последовательная прямоточная продувка и заполнение рабочих полостей 249 и 227 свежей смесью, которая поступает под давлением из насосной полости 239 через перепускной канал 244 в рабочую полость 249, а затем через канал 252 в перегородке 230 в рабочую полость 227 и вытесняет остатки сгоревших газов из рабочих полостей 249 и 227 в выпускное окно 229.
При движении поршней левой пары вниз, а правой пары вверх в насосной полости 239 открывается всасывающий клапан 241 и происходит процесс всасывания, а в рабочих полостях 227 и 249 процесс сжатия. Одновременно в насосной полости 240 закрывается всасывающий клапан 242 и начинается сжатие свежей смеси, а в рабочих полостях 226 и 250 идет рабочий ход поршней 224 и 234. При такой схеме двигателя каждая пара соединенных каналом полостей рабочих цилиндров работает в противофазе по отношению к другой паре, т.е. когда в одной паре рабочих полостей идет сжатие, то в другой паре рабочих полостей идет рабочий ход.
При повороте вала на 180o левая пара поршней 224 и 233 подойдет к НМТ, а правая пара поршней 225 и 234 подойдет к ВМТ. При движении левой пары поршней вверх, а правой пары поршней вниз рабочий ход будет у поршней 225 и 233, а цикл сжатия будет у поршней 224 и 234. Очень важно, что при такой схеме двигателя вектор силы на кривошипы от каждых двух поршней, совершающих встречное движение и рабочий ход, имеет противоположные знаки, а единовременно на один кривошип действует сила только от одного поршня, т.к. от двух поршней, единовременно совершающих рабочий ход, загружается два кривошипа. Благодаря этому максимально уравновешиваются инерционные и поршневые силы, а также разгружаются коренные подшипники вала кривошипно-шатунного механизма 254. При этом суммарная сила от двух векторов с противоположным знаком, действующая одновременно на два кривошипа, максимально преобразуется в крутящий момент вала.
На фиг. 18 изображен двухрядный двигатель с встречным движением пар поршней, у которого в отличие от двигателя на фиг. 17 полости сдвоенного рабочего цилиндра расположены по одну сторону перегородки.
Если у двигателя на фиг. 17 полости насосного цилиндра образованы над поршнями цилиндров второго ряда, то у двигателя на фиг. 18 полости насосного цилиндра образованы над поршнями 258 и 259 первого ряда, а во втором ряду над и под поршнями 266 и 267 образованы только полости сдвоенных рабочих цилиндров. При этом синхронно работающие полости рабочего цилиндра в левой и правой паре поршней соединены между собой каналами 286 и 287 и образуют сдвоенные рабочие цилиндры.
В эти рабочие цилиндры во время продувки газ поступает из полостей насосных цилиндров по каналам 284 и 285. Из полости 260 насосного цилиндра газ поступает в полости 273 и 274 рабочего цилиндра, а из полости 261 насосного цилиндра газ поступает в полости 275 и 272 рабочего сдвоенного цилиндра.
Двигатель, состоящий из взаимосвязанных совершающих встречное движение двух пар поршней, имеет два рабочих хода на один оборот вала. Двигатель может быть также многоцилиндровым с количеством цилиндров в первом ряду, кратным двум. Так например, двухрядный двигатель, имеющий четыре цилиндра в первом ряду, может иметь четыре рабочих хода на один оборот вала, которые будут чередоваться через 90o угла поворота вала.
На фиг. 19 изображен двухрядный двигатель с встречным движением пар поршней, у которого полости сдвоенного рабочего цилиндра расположены по обе стороны перегородки 300. В отличие от двигателя на фиг. 17 над поршнями 303 и 304 второго ряда образованы автономные полости 309 и 310 насосных цилиндров, которые оснащены самодействующими нагнетательными клапанами 311 и 312 и работают на общую демпферную камеру 321. Из демпферной камеры через распределительный клапан 322 газ поступает в полости 307 и 297 сдвоенного рабочего цилиндра. Подвод газа к полостям 296 и 308 рабочего сдвоенного цилиндра ведется от нагнетателя 325, который также дополнительно подает газ в полости 307 и 297. На линии подвода газа от нагнетателя 325 к полостям 296, 308, 297 установлен обратный клапан 323, который перекрывает поступление газа от полостей 309 и 310 насосных цилиндров к полостям 296 и 308 рабочего сдвоенного цилиндра.
Подвод газа от полостей 309 и 310 насосного цилиндра и от нагнетателя 325 ведется к впускным окнам 298 и 318 рабочих цилиндров левой пары поршней 303 и 294. Такая схема подвода газа к впускным окнам рабочих сдвоенных цилиндров позволяет за счет отклонения между собой по углу поворота вала кривошипов левой и правой пары поршней обеспечить опережение открытия и закрытия выпускных окон 299 и 317 по сравнению с впускными окнами 296 и 318. Предполагается, что нагнетатель 326 приводится в действие или от энергии выхлопных газов (турбонагнетатель), или имеет механический привод от вращения вала двигателя, т. е. может включиться в работу только после запуска двигателя при достижении необходимой энергии выхлопных газов или расчетной скорости вращения вала двигателя.
Принцип работы двигателя заключается в следующем.
При запуске двигателя и начале движения поршней 303 и 304 сразу начинают работать насосные цилиндры, т.к. газ поступает в полости 309 и 310 насосных цилиндров через впускные окна 313 и выходит из этих полостей после сжатия через самодействующие нагнетательные клапаны 311 и 312.
Из насосных цилиндров газ поступает в демпферную камеру 321, проходит через открытый распределительный клапан 322 (положение 1) и поступает через впускное окно 318 в полость 307, а затем через канал 315 в полость 297 рабочего сдвоенного цилиндра. Т.е. происходит продувка рабочего сдвоенного цилиндра от сгоревших газов при открытом выпускном окне 299 и одновременно заполнение полостей 307 и 297 свежей смесью. После закрытия выпускного окна 299, а затем впускного окна 318 происходит сжатие топливной смеси, срабатывает свеча зажигания или форсунка, смесь воспламеняется и происходит рабочий ход поршней 303 и 295.
В результате двигатель запускается и может набрать расчетное число оборотов при неработающих полостях 296 и 308 рабочего сдвоенного цилиндра, т.к. нагнетатель 325 еще не набрал расчетное число оборотов и подает к впускному окну 298 недостаточное количество газа. После выхода нагнетателя 325 на расчетный режим работы он начинает подавать газ к впускному окну 298 в количестве, достаточном для начала работы полостей 296 и 308 рабочего сдвоенного цилиндра. При достаточном количестве оборотов вала двигателя и увеличении производительности нагнетателя 325 открывается обратный клапан 323, и газ от нагнетателя 325 дополнительно начинает поступать через впускное окно 318 в полости 307 и 297 рабочего сдвоенного цилиндра. После выхода нагнетателя 325 на расчетный режим работы он будет обеспечивать поступление достаточного количества газа в полости 307, 297, 286 и 308. В результате появляется возможность перевести распределительный клапан 322 в положение "11". В этом случае появляется возможность использовать насосные цилиндры для выработки сжатого воздуха и подать его на внешние нужды. Т.е. двигатель сможет работать как мотокомпрессор или работать одновременно и как силовой агрегат для привода основного механизма от вала двигателя и для выработки сжатого воздуха, который может использоваться для привода вспомогательных механизмов. Например, если использовать его для трактора, можно гидросистему для привода вспомогательных механизмов заменить пневмосистемой.
Конструкция двигателя для повышения его удельной мощности на единицу массы позволяет при увеличении производительности нагнетателя 325 обеспечить коэффициент наполнения рабочих сдвоенных цилиндров больше единицы при создании давления в рабочих цилиндрах после продувки выше атмосферного, что возможно, т.к. после закрытия выпускных окон 299 и 317 продолжается заполнение рабочих цилиндров при открытых впускных окнах 318 и 298 до избыточного давления, которое может создать нагнетатель 325.
На фиг. 20 изображен двухрядный двигатель по варианту 4, у которого полости рабочего сдвоенного цилиндра расположены по одну сторону перегородки 339.
Двигатель содержит в первом ряду рабочие сдвоенные цилиндры одностороннего действия, а во втором ряду рабочие сдвоенные цилиндры двухстороннего действия. В каждом сдвоенном цилиндре имеется два поршня 331 и 332, из которых каждый связан со своим кривошипом 335 и 336. Кривошипы имеют отклоненные между собой по углу поворота вала и обеспечивают опережение открытия и закрытия выпускных окон 328 по отношению к впускным окнам 327. Это позволяет получать коэффициент наполнения рабочих сдвоенных цилиндров выше единицы.
В качестве внешнего источника продувки рабочих сдвоенных цилиндров использован нагнетатель 337, от которого газ (воздух) поступает к впускным окнам 327 всех цилиндров. В предложенной схеме двигателя предполагается, что для нагнетателя 337 используется не внутренняя энергия двигателя, а внешний источник энергии. Например, при работе двигателя в стационарных условиях для продувки цилиндров может быть использован сжатый воздух от системы воздухоснабжения завода, которая предполагает использование автономных компрессоров.
Двигатель может быть многоцилиндровым с четным количеством пар поршней в первом ряду. На фиг. 20 изображен двигатель, имеющий в первом ряду четыре цилиндра или две пары поршней 331 и 332, работающих в противофазе по отношению друг к другу.
Принцип работы всех рабочих сдвоенных цилиндров в первом и втором ряду такой же, как у двигателя, изображенного на фиг. 16.
Т. к. две пары поршней в первом ряду работают в противофазе, двигатель имеет уравновешенные инерционные массы и чередование рабочих ходов одинакового количества поршней в первом и втором ряду через 180o угла поворота вала.
На фиг. 21 изображен комбинированный вариант двухрядного двигателя, у которого полости рабочего сдвоенного цилиндра расположены по одну сторону разделяющей перегородки 357 и который включает в себя отличительные признаки по вариантам 2, 3 и 4 (п. 2, 3 и 4 формулы).
Двигатель содержит в первом ряду рабочие сдвоенные цилиндры одностороннего действия, а во втором ряду рабочие сдвоенные цилиндры двухстороннего действия. В сдвоенном цилиндре первого ряда работают два поршня 341, а в цилиндре двухстороннего действия работают два поршня 346. В цилиндре двухстороннего действия под поршнями 346 образован рабочий сдвоенный цилиндр, а над поршнями 346 образованы цилиндры двойного назначения, т.к. могут использоваться или как насосный сдвоенный цилиндр, или как рабочий сдвоенный цилиндр. Соответственно цилиндр над поршнями 346 имеет свечу зажигания или форсунку 358, а также выпускное окно 349, распределительный клапан 363, самодействующий нагнетательный клапан 364, демпферную камеру 365 и перепускной канал 356 для перепуска газа из насосного цилиндра в рабочий цилиндр. Помимо насосного цилиндра двигатель имеет нагнетатель 368, работающий от энергии, вырабатываемой двигателем. От нагнетателя 368 газ поступает напрямую к впускным окнам 343 рабочего сдвоенного цилиндра первого ряда и через обратный клапан 367 поступает к впускным окнам 354 рабочих сдвоенных цилиндров второго ряда, расположенных над и под поршнями 346. Двигатель может работать в двух режимах, из которых режим 1 - это режим запуска двигателя и работа на малых оборотах при сниженной мощности и режим 2 - это работа на больших оборотах с максимальной мощностью.
Принцип работы двигателя заключается в следующем.
При запуске двигателя и его работе в режиме сниженной мощности распределительный клапан 363 устанавливается в положение "Открыто" (положение 1). Сразу после начала вращения вала двигателя от стартера начинает работать насосный цилиндр, в котором при открытии поршнем окон 348 происходит заполнение цилиндра, а при движении поршней 346 вверх и закрытии ими окон 348 и 354 начинается цикл сжатия, а затем выталкивания газа через самодействующий нагнетательный клапан 364 в демпферную камеру 365. В зависимости от выбранного объема камеры 365 может регулироваться степень сжатия в насосном цилиндре. Из демпферной камеры газ поступает в перепускной канал 356 и затем подается к впускному окну 354 рабочего сдвоенного цилиндра, которое при положении поршней 346 в ВМТ находится в положении "Открыто". При этом обратный клапан 367 закрыт, т.к. газ от нагнетателя 368 еще не поступает. В результате происходит продувка и заполнение рабочего сдвоенного цилиндра под поршнем 346. При начале движения поршней 346 вниз впускное окно 354 и выпускное окно 355 закрываются и происходит сжатие газа. В конце сжатия, когда поршни 346 подходят к НМТ, срабатывает свеча зажигания или форсунка 358, происходит вспышка газа, начинается рабочий ход поршней 346 снизу вверх и двигатель запускается.
При работе на холостых и сниженных оборотах производительность нагнетателя 358, работающего от энергии выхлопных газов или от энергии вращения вала двигателя, недостаточна для нормальной работы рабочего сдвоенного цилиндра первого ряда. Поэтому поршня 341 работают вхолостую. При повышении оборотов двигателя вступает в работу нагнетатель 368, начинает подаваться газ к впускным окнам 343 и запускается в работу рабочий цилиндр первого ряда. После дальнейшего повышения оборотов распределительный клапан 363 вручную или автоматически переводится в положение "Закрыто" (положение 11). Давление в перепускном канале 356 падает, открывается обратный клапан 367, и газ от нагнетателя 368 начинает поступать к впускным окнам 354 обоих рабочих сдвоенных цилиндров второго ряда. В результате насосный цилиндр над поршнями 346 начинает работать как рабочий сдвоенный цилиндр. Т.к. в работе оказываются все три рабочих сдвоенных цилиндра, двигатель переходит на режим работы с максимальной мощностью. При этом коэффициент наполнения рабочих цилиндров за счет опережения открытия и закрытия выпускных окон 348, 355 и 344 по отношению к впускным окнам 343 и 354 и при соответствующей производительности нагнетателя 368 может быть получен больше единицы.
Вариант 5 (п. 5 формулы)
В качестве ближайшего прототипа для двигателя по варианту 5 может рассматриваться конструкция двухтактного двигателя по патенту РФ [1].
Недостатком ближайшего прототипа является наличие в двигателе самостоятельного насосного цилиндра, который используется для продувки рабочего цилиндра и имеет свой отдельный поршень и кривошип, что увеличивает габариты двигателя и снижает его удельную литровую мощность на единицу массы.
Предлагаемый двигатель так же, как и прототип, содержит кривошипно-шатунный механизм и сдвоенный рабочий цилиндр с общей камерой сгорания и двумя поршнями, каждый из которых соединен со своим кривошипом, а кривошип поршня цилиндра с выпускным окном установлен с отклонением по углу поворота вала от кривошипа поршня цилиндра с впускным окном в направлении вращения с возможностью опережения открытия и закрытия выпускного окна по отношению к впускному окну.
Задачей изобретения является уменьшение габаритов двигателя, повышение его экономичности и удельной литровой мощности на единицу массы, для чего необходимо уменьшить количество в двигателе цилиндров, поршней и кривошипа, а также улучшить продувку и заполнение рабочих цилиндров.
Это достигается тем, что к впускному окну сдвоенного рабочего цилиндра подключены параллельно два нагнетателя, из которых один является пусковым с автономным приводом, а другой является основным с приводом от энергии, вырабатываемой двигателем после его пуска.
Изложенная сущность исполнения двигателя по варианту 5 поясняется на фиг. 22 и 23, которые имеют следующий перечень позиций:
на фиг. 22:
369 - рабочий цилиндр левый;
370 - рабочий цилиндр правый;
371 - поршень цилиндра 369;
372 - поршень цилиндра 370;
373 - общая камера сгорания цилиндров 369 и 370;
374 - кривошип поршня 371;
375 - кривошип поршня 372;
376 - впускное окно цилиндра 370;
377 - выпускное окно цилиндра 369;
378 - свеча зажигания;
379 - форсунка низкого или высокого давления;
380 - нагнетатель пусковой;
382 - нагнетатель основной;
382 - обратный клапан нагнетателя 380;
383 - обратный клапан нагнетателя 381;
384 - линия подвода газа от нагнетателей к впускному окну 376;
385 - мокрый картер механизма движения поршней;
на фиг. 23:
386 - сдвоенный рабочий цилиндр левый;
387 - сдвоенный рабочий цилиндр правый;
388 - впускные окна цилиндра 386 и 387;
389 - выпускные окна цилиндра 386 и 387;
390 - цилиндры с выпускным окном;
391 - цилиндры с впускным окном;
392 - поршни цилиндров 390;
393 - поршни цилиндров 391;
394 - кривошипы поршней 392;
395 - кривошипы поршней 393;
396 - общие камеры сгорания цилиндров 386 и 387;
397 - свечи зажигания цилиндров 386 и 387;
398 - форсунки низкого или высокого давления цилиндров 386 и 387;
399 - турбонагнетатель пусковой для пускового режима работы цилиндра 386;
400 - обратный клапан турбонагнетателя 399;
401 - демпферная камера;
402 - турбонагнетатель основной для рабочего режима работы цилиндра 386 и 387;
403 - обратный клапан турбонагнетателя 402;
440 - линия подвода газа к впускным окнам 388 от пускового турбонагнетателя 399;
405 - линия подвода газа к впускным окнам 388 от основного турбонагнетателя 402.
На фиг. 22 изображен двигатель, который содержит кривошипно-шатунный механизм и сдвоенный рабочий цилиндр с впускными 376 и выпускными окнами 377, с общей камерой сгорания 373 и двумя поршнями 371 и 372, каждый из которых соединен со своим кривошипом 374 и 375, а кривошип 374 поршня 371 цилиндра с выпускным окном 377 установлен с отклонением по углу поворота вала в направлении вращения от кривошипа 375 поршня 372 цилиндра с впускным окном 376 с возможностью опережения открытия и закрытия выпускного окна 377 по отношению к впускному окну 376. Сдвоенный рабочий цилиндр также содержит свечу зажигания 378 и форсунку 379 низкого или высокого давления для впрыска топлива непосредственно в цилиндр в начале или конце процесса сжатия в цилиндре после закрытия впускных 376 и выпускных окон 377.
К впускному окну 376 сдвоенного рабочего цилиндра подключены параллельно два нагнетателя 380 и 381, из которых нагнетатель 380 является пусковым, а нагнетатель 381 является основным.
Нагнетатель 380 и 381 отделены друг от друга обратными клапанами 382 и 383. Пусковой нагнетатель 380 имеет автономный привод, например, от аккумуляторной батареи, а основной нагнетатель 381 имеет привод от энергии, вырабатываемой двигателем после пуска. В качестве такой энергии может использоваться, например, энергия выхлопных газов, которая может приводить в действие турбонагнетатель, или энергия отбора мощности от вала двигателя, которая используется для вращения нагнетателя.
Принцип работы двигателя заключается в следующем.
Во время пуска двигателя включается в работу пусковой нагнетатель 380 с автономным приводом и одновременно проворачивается, например, от стартера вал двигателя. Поршни 371 и 372 начинают возвратно-поступательное движение и в определенной последовательности закрывают и открывают впускное окно 376 и выпускное окно 377. При этом идет опережение открытия и закрытия выпускного окна 377 по отношению к впускному окну 376. На фиг. 22 показано положение поршней 371 и 372, когда оба поршня 371 и 372 из НМТ идут вверх и выпускное окно 377 уже закрыто, а впускное окно 376 еще полностью открыто. В этом положении идет заполнение рабочего сдвоенного цилиндра свежей порцией газа (воздуха). Т.к. в этом положении поршня 371 выпускное окно 377 закрыто, давление газа в цилиндре может подниматься до давления, которое может создать пусковой нагнетатель 380. После закрытия впускного окна 376, когда заполнение рабочего цилиндра закончилось, начинается сжатие в рабочем цилиндре, и в начале сжатия происходит впрыск топлива непосредственно в цилиндре через форсунку низкого давления 379. При подходе поршней 371 и 372 к ВМТ, когда заканчивается процесс сжатия, происходит вспышка топливо-воздушной смеси от свечи зажигания 378.
В другом варианте для впрыска топлива в цилиндр в конце сжатия используется форсунка 379 высокого давления. В этом случае после впрыска топлива происходит его самовоспламенение в результате высокой степени сжатия и нагрева газа в процессе сжатия (дизельный вариант). В дизельном варианте свеча зажигания 378 может не использоваться. После вспышки газа начинается его расширение и рабочий ход поршней 371 и 372 и они движутся вниз к НМТ. Поршень 371 опережает движение поршня 372. В результате сначала открывается выпускное окно 377 и идет выпуск из цилиндра сгоревших газов при закрытом впускном окне 376. Когда поршень 371 оказывается в НМТ, полностью открывается выпускное окно 377, а поршень 372 еще продолжает движение вниз, и начинает открываться впускное окно 376. Пока поршень 372 идет вниз и впускное окно полностью откроется, а поршень 371 идет вверх и выпускное окно 377 полностью закроется, идет прямоточная продувка сдвоенного рабочего цилиндра от сгоревших газов и свежий газ последовательно проходит сначала в правый цилиндр, а затем поступает в левый цилиндр, вытесняя сгоревшие газы. К моменту, когда заканчивается вытеснение из цилиндра остатков сгоревших газов, выпускное окно 377 полностью закроется, а заполнение цилиндра свежей порцией газа еще продолжается до выравнивания давления в цилиндре с давлением, которое может создать нагнетатель 380. После закрытия впускных окон 376 начинается процесс сжатия газа в рабочем цилиндре, а затем все рабочие циклы повторяются и двигатель начинает работать. После выхода двигателя на расчетное количество оборотов вступает в работу основной нагнетатель 381, а пусковой нагнетатель 380 может быть остановлен или оставлен в работе параллельно с основным нагнетателем 381.
На фиг. 23 изображены двигатель по варианту 5 с двумя (левым и правым) сдвоенными рабочими цилиндрами, которые работают в противофазе по отношению друг к другу. Для продувки цилиндров используются пусковой 399 и основной нагнетатель 402. Двигатель может быть также многоцилиндровым с четным количеством сдвоенных рабочих цилиндров, что позволяет уравновесить движущиеся инерционные массы.
Принцип работы каждого сдвоенного рабочего цилиндра такой же, как у двигателя на фиг. 22, который описан выше. При многоцилиндровом исполнении двигателя пусковой нагнетатель 399 может быть подключен не ко всем, а к части сдвоенных рабочих цилиндров. На фиг. 23 показано, что пусковой нагнетатель 399 подключен только к впускным окнам 388 левого сдвоенного рабочего цилиндра, т.е. питает половину имеющихся у двигателя сдвоенных рабочих цилиндров. Такой вариант позволяет уменьшить мощность пускового нагнетателя 399, т.к. для запуска будет достаточно, если в работу сначала вступят не все цилиндры, а после запуска и вывода двигателя на расчетное количество оборотов вступит в работу основной нагнетатель 402, который запустит в работу остальную часть рабочих цилиндров и будет подавать воздух ко всем цилиндрам.
Предложенный вариант двухтактного двигателя имеет следующие преимущества перед известными:
1. Имеет высокую экономичность, т.к. отсутствует утечка несгоревшего топлива, которое подается в цилиндр после закрытия впускных и выпускных окон.
2. Имеет высокую удельную литровую мощность на единицу массы, т.к. все цилиндры являются рабочими, а коэффициент наполнения цилиндров может быть больше единицы.
3. Имеет высокую надежность и долговечность, т.к. картер является маслозаполненным, а смазка движущихся частей осуществляется чистым маслом.
Источники информации
1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Патент РФ N 2063524, МКЛ6 F 02 B 33/22, опубл. 1996, Бюл. N 19.
2. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Патент США N 2522649, МКЛ6 123-70, 1950.
3. Звездообразный двухтактный двигатель внутреннего горения с поршневыми продувочными насосами. Патент СССР N 54112, F 02 B 33/22, 1939.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПОРШНЕВАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) | 2000 |
|
RU2215879C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2001 |
|
RU2244138C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2002 |
|
RU2243386C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2002 |
|
RU2243387C2 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1996 |
|
RU2118465C1 |
| ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР | 1996 |
|
RU2156887C2 |
| ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР | 1996 |
|
RU2161732C2 |
| ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР | 2001 |
|
RU2247250C2 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОРШНЕМ (ДВИГАТЕЛЬ СОЛДАТОВА) | 2004 |
|
RU2330970C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1990 |
|
RU2139431C1 |
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Рассмотрены варианты двигателя: поршень рабочего цилиндра снабжен отражателем-дефлектором, который выполнен в виде ограниченной по длине дугой окружности кольцевой канавки, расположенной в верхней цилиндрической части поршня, а наружный цилиндрический край верхней боковой стенки канавки образует диффузор для направления потока газа вдоль цилиндрической образующей стенки цилиндра; поршни сдвоенного рабочего цилиндра установлены в цилиндрах двустороннего действия и имеют штоки для связи с кривошипами, которые имеют отклонение между собой по углу поворота вала и обеспечивают движение поршней в одном или встречном направлениях, для работы двигателя в пусковом режиме рабочий цилиндр соединен перепускным каналом с насосным цилиндром. Для работы двигателя в основном режиме после пуска насосный цилиндр превращается в рабочий; двигатель выполнен многорядным (двухрядным) с расположением цилиндров через разделяющую перегородку один над другим, у которых поршни цилиндров предыдущего ряда связаны штоками с поршнями цилиндров последующего ряда, а рабочий цилиндр выполнен сдвоенным с двумя поршнями и общей камерой сгорания, сообщающей две его рабочие полости, которые расположены по одну или по обе стороны перегородки; двигатель содержит только рабочие цилиндры, к впускным окнам которых подключены параллельно два нагнетателя, из которых один является пусковым с автономным приводом, а другой основным с приводом от энергии, вырабатываемой двигателем после его пуска. Изобретение обеспечивает повышение экономичности и удельной литровой мощности двигателя. 5 с.п. ф-лы, 23 ил.
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ И СМЕШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ | 2013 |
|
RU2522649C1 |
| RU 2063524 С1, 10.07.96 | |||
| Звездообразный двухтактный двигатель внутреннего горения с поршневыми продувочными насосами | 1936 |
|
SU54112A1 |
| Четырехтактный многоцилиндровый двигатель внутреннего горения | 1923 |
|
SU2472A1 |
| US 3880126 А, 29.04.75 | |||
| US 5265564 А, 30.11.93 | |||
| Устройство для кантования | 1981 |
|
SU994371A1 |
