ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B33/22 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для преобразования тепловой энергии на транспортных средствах всех марок, работающих на бензине, дизтопливе, а также для других целей.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров с установленными в них по свободной посадке поршнями, штоки которых кинематически связаны с шатунами и коленчатым валом, головку цилиндров, впускную магистраль, впускной клапан, нагнетающий клапан, перепускное окно, связанное с внутренними полостями рабочего и компрессорного цилиндров, выпускное окно (США патент 3880126, F 26 D 33/22, 1975).

Недостатком вышеуказанного двигателя является повышенные габариты по высоте и ширине.

Технической задачей настоящего изобретения является снижение габаритов, упрощение сборки и конструкции в целом.

Поставленная задача решается за счет того, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащим блок цилиндров с установленными в них по свободной посадке поршнями, штоки которых кинематически связаны с шатунами и коленчатым валом, головку цилиндров, впускную магистраль, впускной клапан, нагнетающий клапан, перепускное окно, связанное с внутренними полостями рабочего и компрессорного цилиндра, выпускное окно, в центральной полости блока цилиндров выполнены одно центральное и боковое ребра жесткости, компрессорный цилиндр выполнен с большей рабочей площадью в несколько раз по сравнению с рабочей площадью рабочего цилиндра, при этом шатунная шейка коленчатого вала, связанная с шатуном компрессорного поршня, смещена на 30-40^o и может быть смещена до 180^o относительно шатунной шейки, связанной с шатуном рабочего поршня по ходу вращения коленчатого вала, а нагнетающий клапан размещен в центральной расточке ребра жесткости в верхнем торце блока цилиндров с перепускным окном, связанным с внутренними полостями компрессорного и рабочего цилиндров, закрывающиеся с верхнего торца общей крышкой, где в расточке размещен впускной клапан, сообщающийся с впускной магистралью и внутренней полостью компрессорного цилиндра. Нагнетающий клапан подпружинен с усилием, которое удерживает последний в закрытом положении, пока рабочий поршень не закроет выпускное окно, связанное с рабочим цилиндром. Впрыск бензина или газа производится в момент хода сжатия, когда рабочий поршень закроет выпускное окно, а давление сжатого воздуха будет минимальным.

Установка компрессорного цилиндра с большей рабочей площадью в несколько раз больше рабочей площади рабочего цилиндра, обеспечивает резкое повышение мощности двухтактного двигателя за счет накачивания в рабочий цилиндр нескольких рабочих объемов чистого воздуха, что позволяет сжигать больше топлива во столько же раз, резко повышая рабочее давление в рабочем цилиндре. Смещение шатунной шейки коленчатого вала компрессорного цилиндра относительно шатунной шейки рабочего цилиндра по ходу вращения коленчатого вала от 30^o обязательной величины, до 180^o обеспечивает в широком диадпазоне изменение рабочего цикла двухтактного двигателя по способу сжигания топлива, что делает его универсальным. Смещение шатунной шейки компрессорного цилиндра на 30. . .40^o обеспечивает свободное закрывание нагнетающего клапана до момента вспышки топлива, ликвидируя быстрый износ и стук.

На чертежах представлены:
фиг. 1 - продольный разрез двухтактного двигателя;
фиг. 2 - разрез А-А двухтактного двигателя;
фиг. 3 - продольный разрез крышки;
фиг. 4 - вид сверху крышки;
фиг. 5 - продольный разрез нагнетающего клапана в сборе;
Головка 1 блока цилиндров прикреплена через прокладку 2 уплотнения к верхнему торцу блока цилиндров 3, где в центральной плоскости размещен компрессорный цилиндр 4 с большей в несколько раз рабочей площадью, чем рабочая площадь рабочего цилиндра 5, что обеспечивает при работе двухтактного двигателя накачивание за одно движение компрессорного поршня несколько расчетных рабочих объектов чистого воздуха в рабочий цилиндр 5. Рабочий цилиндр 5 имеет боковое ребро, где размещено выпускное окно 6, а с компрессорным цилиндром 4 дополнительно соединен центральным ребром жесткости (см. разрез А-А). В центральном ребре жесткости в верхнем торце сделано перепускное окно 7, связанное с полостью компрессорного цилиндра 4, где установлен нагнетающий клапан 8, связанный с перепускным окном 9 в крышке 10 цилиндров и с полостью рабочего цилиндра 5. Нагнетающий клапан 8 на своем хвостовике имеет лыску для перепуска воздуха. Между наружными поверхностями компрессорного цилиндра 4, рабочего цилиндра 5 и внутренней поверхности блока 3 цилиндров образуется зарубашечное пространство 11, где будет происходить циркуляция охлаждающей жидкости. Зарубашечное пространство 11 связано с зарубашечным пространством 12 между головкой 1 и крышкой 10, где установлен в расточке впускной клапан 13, подпружиненный пружиной 14. Впускной клапан 13 сообщается с выпускной магистралью 15 и с внутренней полостью компрессорного цилиндра 4. Впускной клапан 13 имеет ограничитель 16 хода. Верхний торец крышки 10 цилиндров уплотняется прокладкой 17. В крышке 10 цилиндров против полости рабочего цилиндра 5 в центральном гнезде 18 устанавливается форсунка впрыска топлива в дизельном исполнении, а впрыск бензина производится через форсунку низкого давления в момент, когда рабочий поршень 19 закроет выпускное окно 6 при ходе сжатия, а два потока воздуха, идущие навстречу друг другу, быстро испарят и качественно перемешают топливо с воздухом, поэтому нет необходимости производить впрыск бензина под большим давлением как дизтопливо. В карбюраторном исполнении предложенный двухтактный двигатель может работать, но чтобы экономичность была удовлетворительной, необходимо делать высоту выпускного окна 8 минимально допустимой. Рабочий поршень 19 крепится к верхней головке шатуна 20 с помощью пальца 21 и стопорных колец 22, с помощью пальца 25 и стопорных колец 26. Шатуны 20 и 24 своими нижними головками совместно со вкладышами 27 по свободной посадке крепятся к шатунным шейкам коленчатого вала 28 с помощью подушек 29. Шатунная шейка, где крепится шатун 24 компрессорного цилиндра 4, должна быть смещена на 30...40^o относительно шатунной шейки, где крепится шатун 20 рабочего цилиндра 5 по ходу вращения коленчатого вала 28. Смешение шатунных шеек требуется для того, чтобы компрессорный поршень 23 двигался при ходе сжатия впереди с целью опережающего вытеснения чистого воздуха через нагнетающий клапан 8, перепускные окна 7 9 в рабочий цилиндр 5, что гарантирует закрытие нагнетающего клапана 8 до начала вспышки топлива в рабочем цилиндре 5 и камере сжатия 30 и обеспечивается работа нагнетающего клапана 8 без стука и быстрого износа или просто выхода из строя. Чем больше угол смещения относительно друг друга шатунных шеек коленчатого вала 28, тем меньше будет оставаться чистого воздуха в рабочем цилиндре 5 и меньше можно получать мощность двухтактного двигателя, но качество продувки рабочего цилиндра 5 резко улучшится из-за большого количества продуваемого воздуха.

Экономически все равно выгодно и можно смещать шатунные шейки до 180^o, и рабочий цикл будет таким, как у существующих двухтактных двигателей, но продувка рабочего цилиндра 5 и его наполнение чистым воздухом будут намного лучше и экономичность топлива будет лучше, чем у существующих двухтактных двигателей, в том числе повысится долговечность в целом.

Коленчатый вал 28 указывается в опорных подушках 31 совместно со вкладышами 32 и крепится крышками 33. Крышка 10 цилиндров крепится головкой 1 с помощью болтов 34. Общий ход поршней 19 и 23 складывается из рабочего хода 35 и хода 36 такта выпуска и предварительной продувки. С целью обеспечения низкого давления отработавших газов до 0,5 атмосферы, когда рабочий поршень 19 придет в НМТ, необходимо рабочий ход 35 и ход 36 выпуска делать одинаковыми по размерам. Данная компоновка нового двухтактного двигателя существенно отличается от существующих двухактных двигателей и четырехтактных, а также и от аналога, что расширит область применения.

Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания в дизельном исполнении (см. фиг. 1 - 5).

В начале рабочего хода рабочий поршень 19 движется к НМТ. В данный момент времени нагнетающий клапан 8 закрыт, а впускной клапан 13 открыт и в компрессорном цилиндре 4 происходит под действием движения поршня 23 разряжение. В этот момент происходят совмещенные циклы "Рабочий ход" и "Впуск'. Благодаря разряжению в компрессорном цилиндре 4 его полость заполняется чистым воздухом через впускную магистраль 15, открытый впускной клапан 13. При дальнейшем движении поршней 19 и 23 к НМТ, когда рабочий поршень 19 начнет открывать впускное окно 9, начинается такт выпуска отработанных газов. В момент прихода рабочего поршня в НТМ давление газов снижается до 0,5 атмосферного и предварительно за это время в компрессорном цилиндре 4 с помощью опережающего компрессорного поршня 23 на 30^o рабочий поршень 19 уже создалось расчетное давление сжатого воздуха, который открывает через перепускное окно 7 нагнетающий клапан 8. При движении рабочего поршня 19 и компрессорного поршня 23 к ВМТ чистый воздух вытесняется компрессорным поршнем 23 через перепускное окно 7, открытый нагнетающий клапан 8, перепускное окно 9 в крышке 10 цилиндров, вытесняя из полости рабочего цилиндра 5 отработавшие газы через выпускное окно 6. В данный момент впускной клапан 13 закрыт и происходит такт предварительной продувки. Когда рабочий поршень 19 закроет выпускное окно 6, кончается такт предварительной продувки и начинается такт сжатия одновременно в рабочем цилиндре 5 и в компрессорном цилиндре 4. В данный момент времени оставшийся чистый воздух в компрессорном цилиндре 4 поршнем 23 вытесняется в камеру сжатия 30, и когда рабочий поршень 19 будет находиться за 30^o до ВМТ, то из компрессорного цилиндра 4 чистый воздух будет полностью вытеснен в рабочий цилиндр 5 с камерой сжатия 30. При дальнейшем движении рабочего поршня 19 к ВМТ, а компрессорного поршня 23 к НМТ, в данный момент автоматически закрывается нагнетающий клапан 8 из-за разности давлений в рабочем цилиндре и в компрессорном цилиндре 4, где происходит впуск чистого воздуха и впускной клапан 13 уже открыт. После закрытия нагнетающего клапана 8 происходит впрыск топлива через форсунку 18, установленную в гнезде крышки 10 цилиндров, а когда рабочий поршень дойдет до ВМТ, топливо воспламеняется от температуры сжатого воздуха и происходит снова рабочий ход. Таким образом работает новый двухтактный двигатель, а большая мощность в несколько раз больше известных двухтактных двигателей получается за счет большого количества воздуха и топлива, находящихся в полости камеры сжатия 30. Экономически это очень выгодный вариант. В дизельном исполнении без электронной начинки за счет долгого сгорания топлива резко повысится экономичность.

Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания с непосредственным механическим вспрыском в рабочий цилиндр бензина.

На место форсунки высокого давления 18 устанавливают форсунку низкого давления до 5 кг/см², рядом устанавливают свечу зажигания и топливный насос. Цикл работы отличается только тем, что при ходе сжатия, когда рабочий поршень 19 закроет выпускное окно 6, в данный момент времени необходимо производить непосредственный впрыск бензина в рабочий цилиндр 5, когда так незначительно давление. После выпрыска бензина непосредственно в цилиндр происходят следующие процессы. При дальнейшем движении рабочего поршня 19 и компрессорного поршня 23 в рабочем цилиндре 5 образуются два встречных потока движения чистого воздуха и при этом давление потока воздуха, поступающего из компрессорного цилиндра 23, больше, чем встречный поток в рабочем цилиндре 5, что обеспечивает быстрое испарение фракций бензина и хорошее перемешивание топлива с чистым воздухом, а хорошая смесь является главным фактором полного сгорания топлива. В результате обеспечиваются высокая экономичность с экологичностью. При этом время приготовления рабочей смеси непосредственно в цилиндре намного больше, чем непосредственного впрыска под большим давлением, который освоен одной Японской фирмой. Когда рабочий поршень придет в ВМТ, происходит зажигание рабочей смеси с помощью свечи зажигания и происходит такт рабочего хода и впуска. Таким образом работает новый двухтактный двигатель с непосредственным впрыском.

Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания с дожиганием оставшихся отработавших газов непосредственно в цилиндре после такта выпуска (см. фиг.5 и фиг. 1 - 4).

Для нормальной работы необходимо установить вместо плавающего нагнетательного клапана подпружиненный нагнетающий клапан 8 в сборе в расточке центрального ребра жесткости, состоящего из корпуса 37, нагнетающего клапана 8, подпружиненного пружиной 38, опирающейся на неподвижный ограничитель - 39, связанного с хвостовиком нагнетающего клапана 8, окно совместить с окном 7 в центральном ребре жесткости. Расчетное усилие пружины 38 должно быть таким, чтобы при ходе сжатия, когда рабочий поршень 19 движется к ВМТ, пока рабочий поршень 19 не закроет выпускное окно 6, нагнетающий клапан 8 не должен открываться. В данный момент времени в компрессорном цилиндре происходит сжатие чистого воздуха или рабочей топливной смеси, если двигатель выполнен в карбюраторном исполнении, что препятствует смеси вылетать в выпускное окно 6. Таким образом резко повысится экономичность двухтактного двигателя, работающего от карбюратора. Практически в данном рабочем цикле нет предварительной продувки рабочего цилиндра 5.

При дальнейшем движении рабочего поршня 19 к ВМТ нагнетающий клапан 8 под действием давления рабочей смеси или чистого воздуха открывается и полный рабочей объем чистого воздуха или рабочей смеси вытесняется компрессорным поршнем 23 в полость рабочего цилиндра 5, где происходит сжатие уже рабочей смеси или чистого воздуха совместно с оставшимися отработавшими газами. Когда поршень 19 дойдет до ВМТ, происходит зажигание рабочей смеси и начинаются "Рабочий ход" и "Впуск". Таким образом работает двухтактный двигатель с дожиганием оставшихся газов непосредственно в рабочем цилиндре 5. Это осуществимо потому, что конструктивно двухтактный двигатель за одно движение компрессорного поршня 23 позволяет закачать в рабочий цилиндр несколько рабочих объемов чистого воздуха, что и обеспечивает полное сгорание и незначительно отражается на мощности. Данный цикл очень выгодно применять на мотоциклах в карбюраторном исполнении с воздушным охлаждением, высокая экономичность к долговечность работы обеспечены, а трудоемкость почти одинакова. Резко повысится экологичность по сравнению с известными двигателями. Внедрение нового двухтактного двигателя на автомобильном и другом транспорте даст очень высокую экономию в металле и снизит трудоемкость там, где в основном применяются сложные четырехтактные двигатели.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров с установленными в них поршнями, штоки которых кинематически связаны с шатунами и коленчатым валом, в центральной полости блока цилиндров выполнены центральное и боковое ребра жесткости, компрессорный цилиндр выполнен с большей рабочей площадью в несколько раз по сравнению с рабочей площадью рабочего цилиндра, при этом шатунная шейка коленчатого вала, связанная с шатуном компрессорного поршня, смещена на 34-40° и может быть смещена до 180° относительно шатунной шейки, связанной с шатуном рабочего поршня по ходу вращения коленчатого вала. Изобретение снижает габариты, упрощает сборку и конструкцию в целом. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров с установленными в них по свободной посадке поршнями, штоки которых кинематически связаны с шатунами и коленчатым валом, головку цилиндров, впускную магистраль, впускной клапан, нагнетающий клапан, перепускное окно, связанное с внутренними полостями рабочего и компрессорного цилиндров, выпускное окно, отличающийся тем, что в центральной полости блока цилиндров выполнены одно центральное и боковое ребра жесткости, компрессорный цилиндр выполнен с большей рабочей площадью в несколько раз по сравнению с рабочей площадью рабочего цилиндра, при этом шатунная шейка коленчатого вала, связанная с шатуном компрессорного поршня, смещена на 30 - 40^o и может быть смещена до 180^o относительно шатунной шейки, связанной с шатуном рабочего поршня по ходу вращения коленчатого вала, а нагнетающий клапан размещен в центральной расточке ребра жесткости в верхнем торце блока цилиндров с перепускным окном, связанным с внутренними полостями компрессорного и рабочего цилиндров, закрывающиеся с верхнего торца общей крышкой, где в расточке размещен впускной клапан, сообщающийся с впускной магистралью и внутренней полостью компрессорного цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что нагнетающий клапан подпружинен с усилием, которое удерживает последний в закрытом положении пока рабочий поршень не закроет выпускное окно, связанное с рабочим цилиндром. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что врыск бензина или газа производится в момент хода сжатия, когда рабочий поршень закроет выпускное окно, а давление сжатого воздуха будет минимальным.