ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F01L3/06 

Изобретение относится к двухтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания с продолженным расширением в основных цилиндрах и может использоваться на транспорте и других отраслях.

Двухтактные двигатели обычно имеют кривошипно-камерную продувку, то есть продувка цилиндра осуществляется через окна на боковой поверхности цилиндра за счет всасывания, сжатия и нагнетания смеси в кривошипной камере под поршнем двигателя и подачи смеси в цилиндр двигателя через впускные окна. (И. Я. Райков, Г.Н.Рытвинский. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1986. - 112-113 с., рис.3.5г).

Главный недостаток двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой заключается в повышенном содержании вредных продуктов сгорания масла в отработанных газах, так как масло для смазки двигателя подмешивается в топливо.

В обычных двигателях степень сжатия близка к степени расширения и давление газа в начале выпуска из цилиндра в несколько раз превышает атмосферное давление, то есть энергия газа в начале выпуска довольно высока и эта энергия не используется.

Известны многочисленные схемы двигателей, в которых искались пути использования давления газа в конце расширения увеличением степени расширения в сравнении со степенью сжатия.

Например, известен четырехтактный двигатель с продолженным расширением в основных цилиндрах, в котором впускной клапан закрывается на половине хода поршня, то есть степень расширения в 2 раза больше степени сжатия (Ю.Мацкерле. Современный экономичный автомобиль. - М.: Машиностроение, 1987. - 110 с.).

КПД данного двигателя при максимальной нагрузке выше, чем КПД обычного двигателя с такой же степенью сжатия, но его КПД будет снижаться на частичных нагрузках в два раза быстрее, чем в обычном двигателе. Это происходит потому, что механические потери двигателя в основном определяются размерами двигателя и скоростью вращения вала двигателя и мало зависят от давления газа в цилиндрах. На единицу массы газа механические потери будут в два раза больше, так как в двигателе работает в два раза меньшая масса газа по сравнению с обычным двигателем такого же размера. При нагрузке менее 50% КПД данного двигателя будет ниже, чем КПД обычного двигателя, но он будет иметь в два раза большую массу и объем цилиндров, чем обычный двигатель такой же мощности.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры, имеющие впускные окна, расположенные на боковой поверхности цилиндра около нижней мертвой точки, крышки, закрывающие цилиндры и снабженные выпускными клапанами, поршни, совершающие возвратно-поступательные движения между нижней и верхней мертвыми точками, расположенные в цилиндрах и соединенные механизмом преобразования движения с валом, устройство подачи топлива, механизм управления клапанами, устройство для осуществления продувки, например приводной нагнетатель, соединенный впускным трубопроводом с впускными окнами (Ю. Мацкерле. Современный экономичный автомобиль. М.: Машиностроение, 1987. - 221 с.).

В данном двигателе нет кривошипно-камерной продувки, масло в топливо не добавляют и в отработанных газах нет повышенного содержания вредных продуктов сгорания масла.

Недостатками данных двухтактных двигателей является то, что степень расширения близка к степени сжатия и в начале выпуска отработанные газы имеют давление 0,4-0,5 МПа, то есть имеют значительную энергию, которая не используется.

Для продувки цилиндра через впускные окна необходимо подавать за цикл объем воздуха не менее объема цилиндра. Для обеспечения качественной продувки цилиндра с невысокими затратами энергии на продувку нужно использовать на продувку до 40% времени цикла и нужны впускные окна высотой 25-30% хода поршня. Выпускной клапан тогда должен будет открываться в 40-50% хода поршня от НМТ. То есть до 30-40% объема цилиндра не используются для расширения газов во время рабочего хода и этот объем называют потерянным объемом.

Но если сделать впускные окна меньшей высоты, то есть уменьшить долю времени на продувку, увеличатся затраты энергии на продувку.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение степени расширения в цилиндрах в сравнении со степенью сжатия в цилиндрах без увеличения удельной массы и объема двигателя и без ухудшения качества продувки, за счет снижения доли потерянного объема цилиндра и увеличения удельной работы, производимой газом при продолженном расширении.

Для достижения этого технического результата двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит как минимум один цилиндр, крышку цилиндра, впускное устройство, выпускное устройство, например клапан, расположенный в крышке, поршень, совершающий возвратно-поступательные движения между нижней и верхней мертвыми точками, расположенный в цилиндре и соединенный механизмом преобразования движения с валом, устройство подачи топлива, механизм управления клапанами, устройство для осуществления продувки, например нагнетатель, соединенный впускным трубопроводом с впускными устройствами.

Отличительными признаками предлагаемого двигателя является то, что впускное устройство выполнено в виде впускного клапана, установленного в крышке цилиндра и соединенного с механизмом управления клапанами, а двигатель имеет направляющий щиток, прикрепленный к впускному клапану, расположенный в цилиндре и отгораживающий впускной клапан от выпускного клапана.

Дополнительно предлагаемый двигатель отличается тем, что механизм управления клапанами выполнен с возможностью открытия выпускного клапана, когда поршень двигателя на 5-10% хода поршня не доходит до НМТ, и закрытия выпускного клапана, когда поршень на 30-50% хода поршня не доходит до ВМТ, и открытие впускного клапана в НМТ и закрытие впускного клапана на 2-5% хода поршня позднее закрытия выпускного клапана.

Данные дополнительные признаки характеризуют некоторые возможные формы реализации изобретения.

Дополнительно предлагаемый двигатель отличается тем, что направляющий щиток представляет собой пластину в форме половины круга диаметром на 1-3 миллиметра меньше диаметра цилиндра с бортиком в сторону крышки цилиндра, расположенным по диаметру пластины, высотой больше величины открытия впускного клапана, а крышка цилиндра имеет паз, по форме и размерам соответствующий бортику.

Дополнительно предлагаемый двигатель отличается тем, что направляющий щиток имеет по всей поверхности, кроме бортика, отверстия диаметром, близким к толщине щитка, и отверстия выполнены в виде диффузоров, раструбами направленными в сторону поршня, и общая площадь отверстий больше половины площади щитка.

Данные дополнительные признаки характеризуют один из возможных вариантов исполнения частей двигателя, приведенных в независимом пункте формулы на уровне функциональных признаков.

Работает двигатель следующим образом. Когда поршень двигателя находится в НМТ, открыты впускной клапан и выпускной клапан и воздух подается нагнетателем через впускной клапан, а отработанные газы удаляются из цилиндра через выпускной клапан. Поршень движется к ВМТ, и когда до ВМТ останется 30-50% хода поршня, закроется выпускной клапан, а воздух продолжит поступать через впускной клапан, то есть происходит дозарядка. Через 2-5% хода поршня закроется впускной клапан и в цилиндре начнется сжатие. В начале сжатия форсунка впрыскивает топливо и образуется горючая смесь. При подходе поршня к ВМТ свеча зажигания воспламеняет смесь, происходит сгорание топлива и температура и давление газов в цилиндре повышаются. Поршень проходит ВМТ и под давлением газов движется к НМТ, то есть происходит рабочий ход. Когда до НМТ останется 5-10% хода поршня, открывается выпускной клапан и начинается выпуск отработанных газов. Давление газа в конце расширения 0,15-0,2 МПа и к моменту открытия впускного клапана оно снизится до давления на напоре нагнетателя. В НМТ откроется впускной клапан, в цилиндр начнет поступать воздух с напора нагнетателя. Далее все повторяется.

Все процессы цикла происходят за один оборот вала двигателя, то есть за два такта. Как и в прототипе, на продувку будет использоваться не менее 40% времени цикла, только время продувки сдвинуто по ходу вращения вала на 40-70 градусов и затраты энергии на продувку будут не выше, чем у прототипа.

В отличие от прототипа из-за наличия впускного клапана не нужны впускные окна. Из-за низкого давления в конце расширения выпускной клапан можно открывать непосредственно при подходе поршня к НМТ. Это позволит использовать для расширения газов в 1,3-1,4 раза больший объем цилиндра, чем у прототипа.

В данном двигателе смесь перед сжатием заполняет 30-50% объема цилиндра, а для расширения продуктов сгорания используется до 95% объема цилиндра. При одинаковых степенях сжатия степень расширения в цилиндрах двигателя будет в 2-3 раза больше, чем степень расширения в цилиндрах прототипа, и энергия топлива будет использоваться полнее.

Направляющий щиток ограждает поток воздуха, входящий через впускной клапан со скоростью 50-100 метров в секунду, от попадания напрямую в выпускной клапан и предотвращает смешивание струй воздуха с отработанными газами. В полости между крышкой цилиндра и направляющим щитком струи воздуха тормозятся и далее воздух входит в диффузоры со скоростью 20-30 метров в секунду, а выходит из диффузоров сплошным потоком, занимающим половину сечения цилиндра со скоростью 10-20 метров в секунду. Данный поток будет мало смешиваться с отработанными газами и очистка цилиндра от остаточных газов будет не хуже, чем у прототипа. Можно будет подавать для продувки в 1,5-2 раза меньшее количество воздуха.

Предлагаемый двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-8.

На фиг.1 показана схема двигателя во время впуска воздуха в цилиндр через впускной клапан и выпуска отработанных газов из цилиндра через выпускной клапан, поршень в НМТ.

На фиг. 2 показан цилиндр двигателя во время продолжения впуска воздуха через впускной клапан, то есть дозарядка цилиндра.

На фиг.3 показан цилиндр двигателя во время сжатия воздуха с одновременным впрыском топлива.

На фиг.4 показан цилиндр двигателя при положении поршня в ВМТ и осуществлении сжигания топлива в цилиндре.

На фиг.5 показан цилиндр двигателя во время рабочего хода.

На фиг. 6 показан цилиндр двигателя во время начала выпуска через выпускной клапан.

На фиг.7 показана часть цилиндра в увеличенном масштабе.

На фиг.8 показана диаграмма фаз газораспределения.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) содержит цилиндр 1, крышку 2 цилиндра 1 с впускным клапаном 3 и выпускным клапаном 4, поршень 5, совершающий возвратно-поступательные движения и соединенный шатуном 6 с валом 7, форсунку 8, свечу зажигания 9, механизм управления 10 клапаном 3 и 4, нагнетатель 11, соединенный с впускным трубопроводом 12 с камерой впускного клапана 3. Имеется выпускной трубопровод 13, соединенный с камерой выпускного клапана 4. Имеется дроссельная заслонка 14, установленная на всасе нагнетателя 11. Имеется направляющий щиток 15, прикрепленный к впускному клапану 3.

Работает двигатель следующим образом. Когда поршень 5 двигателя находится в НМТ, открыты впускной клапан 3 и выпускной клапан 4 и воздух подается через впускной клапан 3 нагнетателем 11, а отработанные газы уходят из цилиндра 1 через выпускной клапан 4 (показано на фиг.1). Поршень 5 движется к ВМТ, и когда до ВМТ останется 30-50% хода поршня 5, закроется выпускной клапан 4, а через впускной клапан 3 будет поступать воздух и будет происходить дозарядка цилиндра 1 (показано на фиг.2). Через 2-5% хода поршня 5 после закрытия выпускного клапана 4 закроется впускной клапан 3 и в цилиндре 1 начнется сжатие. В начале сжатия форсунка 8 впрыскивает топливо и в цилиндре 1 образуется горючая смесь (показано на фиг.3). При подходе поршня 5 к ВМТ свеча зажигания 9 воспламеняет смесь, происходит сгорание топлива и температура и давление газов в цилиндре 1 повышаются (показано на фиг.4). Поршень 5 проходит ВМТ и под давлением газов движется к НМТ, то есть происходит рабочий ход (показано на фиг.5). Когда до НМТ останется 5-10% хода поршня 5, открываются выпускные клапана 4 и начинается выпуск отработанных газов (показано на фиг.6). Давление газа в конце расширения 0,12-0,2 МПа и к моменту открытия впускного клапана 3 оно снизится до давления на напоре нагнетателя 12. В НМТ откроется впускной клапан 3, в цилиндр 1 начнет поступать воздух. После прохождения поршнем 5 двигателя НМТ все повторяется.

На фиг.8 показана диаграмма фаз газораспределения, в которой на газообмен затрачивается не менее 40% времени цикла, только время впуска и выпуска сдвинуто по ходу вращения вала на 40-70 градусов и затраты энергии на продувку будут не выше, чем у прототипа.

При работе двигателя на неполной нагрузке прикрывается дроссельная заслонка 14. На режиме принудительного холостого хода отключается форсунка 8.

Данный двигатель можно выполнить либо дизельным, либо с принудительным зажиганием. Двигатели с принудительным зажиганием могут быть с впрыском бензина или карбюраторными.

Предложенный двигатель обеспечивает получение нового технического результата. То есть предложенный двигатель в сравнении с прототипом имеет в 2-3 раза большую общую степень расширения в цилиндрах двигателя, а это позволит более полно использовать энергию сгорания топлива. Причем этот результат достигнут без ухудшения качества газообмена и увеличения затрат энергии на продувку.

Этот технический результат получен за счет отсутствия впускных окон. В сравнении с двухтактным прототипом для расширения газа можно использовать в 1,4-1,5 раза больший объем цилиндра. А в сравнении с четырехтактным двигателем за счет двухтактного цикла увеличивается в два раза объем цилиндров, используемый для продолженного расширения без увеличения размеров двигателя и снижения его механического КПД. Кроме того, при увеличении степени расширения газ производит больше работы.

За счет увеличения работы газа при продолженном расширении и увеличения объема цилиндра, используемого для расширения, удельная мощность предложенного двигателя будет больше, а механические потери меньше, чем у двухтактного прототипа, вплоть до степени расширения в 1,5 раз большей, чем степень сжатия. В сравнении с четырехтактным двигателем удельная мощность предложенного двигателя будет выше, а механические потери меньше, вплоть до степени расширения в 3 раза большей, чем степень сжатия.

Расчеты показывают, что КПД предложенного двигателя за счет продолженного расширения в цилиндрах двигателя будет выше, чем у прототипа и предложенный двигатель обеспечит некоторую экономию топлива.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к системам впуска двухтактных двигателей. Техническим результатом является повышение эффективности за счет превышения степени расширения над степенью сжатия без ухудшения продувки и наполнения двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр, впускной и выпускной клапаны, поршень, приводной нагнетатель. К впускному клапану прикреплен направляющий щиток, отгораживающий впускной клапан от выпускного клапана. Согласно изобретению направляющий щиток расположен в цилиндре и представляет собой пластину с бортиком, при этом щиток имеет отверстия в пластине, направленные в сторону поршня. Пластина может быть выполнена в форме половины круга диаметром, меньшим диаметра цилиндра, при этом бортик направлен в сторону крышки цилиндра и выполнен с высотой, большей величины открытия впускного клапана, а крышка имеет паз, по форме и размерам соответствующий бортику. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий как минимум один цилиндр, крышку цилиндра, впускное и выпускное устройства, например клапаны, расположенные в крышке цилиндра, механизм управления клапанами, поршень, расположенный в цилиндре, совершающий возвратно-поступательные движения между нижней и верхней мертвыми точками и соединенный механизмом преобразования движения с валом, устройство подачи топлива, устройство для осуществления продувки, например приводной нагнетатель, соединенный впускным трубопроводом с впускным устройством и направляющий щиток, прикрепленный к впускному клапану и отгораживающий впускной клапан от выпускного клапана, отличающийся тем, что направляющий щиток расположен в цилиндре и при этом щиток имеет отверстия. 2. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм управления клапанами выполнен с возможностью открытия выпускного клапана, когда поршень двигателя на 5-10% хода поршня не доходит до нижней мертвой точки, и закрытия выпускного клапана, когда поршень на 30-50% хода поршня не доходит до верхней мертвой точки, и открытия впускного клапана в нижней мертвой точке и закрытия впускного клапана на 2-5% хода поршня позднее закрытия выпускного клапана. 3. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что направляющий щиток представляет собой пластину, выполненную в форме половины круга диаметром, меньшим диаметра цилиндра, и имеет бортик, направленный в сторону крышки цилиндра и выполненный с высотой, большей величины открытия впускного клапана, а крышка имеет паз, по форме и размерам соответствующий бортику. 4. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что диаметр пластины меньше диаметра цилиндра на 1 - 3 мм. 5. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что отверстия в направляющем щитке выполнены по всей поверхности пластины, кроме бортика, имеют диаметр, близкий к толщине щитка, и выполнены в виде диффузоров, раструбами направленными в сторону поршня, и суммарная площадь отверстий более половины площади щитка.