ДВУХТАКТНЫЙ ДВС Российский патент 2003 года по МПК F02B33/10 

Изобретение относится к двухтактным двухцилиндровым ДВС с прямоточной продувкой цилиндров.

Известен двухтактный ДВС Штельцера, содержащий соосно расположенных и жестко связанных два рабочих поршня со штоками и 2 рабочих цилиндра с прямоточной продувкой и кольцевыми камерами сгорания в головках цилиндра (патент SU 1192635, М.кл. F 02 В 71/00).

Его недостатки:
1. Двигатель совершенно неуравновешен.

2. Нет преобразования возвратно-поступательных перемещений поршней во вращательное для привода транспортных средств.

3. Большие потери смеси (или воздуха) при продувке из-за размещения выпускных окон в стенках цилиндра, а продувочных - в центральной части цилиндра.

4. Большой осевой габарит, увеличивающийся при установке преобразователя энергии возвратно-поступательных перемещений поршней во вращательное.

5. Большие тепловые потери из-за непосредственного контакта горящей смеси со стенками рабочей камеры и штока.

Известен также двухтактный ДВС, содержащий поршень, выполненный заодно со штоком и связанный с приводным валом, рабочий цилиндр с прямоточной продувкой, соосно расположенный и связанный с приводным валом поршневой нагнетатель (пат. России 2008461, Мкл. F 02 В 33/02, F 02 B 25/20), принятый за прототип.

Его недостатки:
1. Двигатель неуравновешен.

2. Большой поперечный габарит.

3. Большие потери воздуха или смеси при продувке, из-за нахождения выпускных окон в боковых стенках цилиндра, а продувочных - в центральной его части, большой нагрев центральной части двигателя неблагоприятен для его работы.

4. Большие тепловые потери из-за непосредственного контакта горящей смеси со стенками рабочей камеры и штока.

Цель изобретения - достижение полной уравновешенности работы двигателя и повышение его эффективности.

С этой целью в двухтактном ДВС, содержащем поршень, выполненный заодно со штоком и связанный с кривошипным валом, рабочий цилиндр с прямоточной продувкой, соосно расположенный, связанный с кривошипным валом поршень нагнетателя, такие же детали введены и зеркально расположены с противоположной стороны кривошипного вала и одноименные детали жестко связаны, нагнетательные поршни выполнены кольцевыми, охватывающими нижние части рабочих цилиндров и взаимодействующими с кривошипным валом в противофазе рабочим поршням.

Новыми отличительными признаками по сравнению с прототипом являются:
1. Зеркально с противоположной стороны кривошипного вала введены вторые жестко связанные с первыми поршень со штоком, рабочий цилиндр и поршень нагнетателя, поршневые нагнетатели выполнены кольцевыми, охватывающими нижние части рабочих цилиндров и взаимодействующими с кривошипным валом в противофазе рабочим поршням.

2. В рабочих цилиндрах управление впускными окнами осуществляется рабочими поршнями, а выпускными - их штоками.

3. В штоках и поршнях выполнены сопловые камеры с устьями, примыкающими соответственно к малому и большому диаметрам днища поршня.

4. Кольцевые камеры сгорания выполнены с радиальными ребрами-перегородками, а поверхность камер покрыта каталитическим слоем.

5. Нагнетатель выполнен с двухступенчатыми поршнями и цилиндрами, внутренняя ступень связана с воздушными и продувочными каналами, внешняя ступень связана каналами с карбюратором и автоматическими клапанами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг.2 - поперечный разрез двигателя на фиг.1; на фиг.3 - продольный разрез двигателя при рабочем ходе верхнего поршня и такте сжатия в нижнем цилиндре; на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.5 - продольный разрез двигателя со ступенчатыми нагнетательными поршнями.

Двигатель содержит соосные поршни 1, 2, жестко связанные перемычками 3 и выполненными заодно со штоками 4, 5, рабочие цилиндры 6, 7 с рабочими камерами 8, 9 и кольцевыми камерами сгорания 10, 11, нагнетатель 12 с соосными кольцевыми поршнями 13, 14, жестко связанные массивными перемычками 15 /фиг. 2/ и расположенными в соосных цилиндрах 16, 17, кривошипный вал 18 взаимодействует при помощи сухаря 19 с нижними частями /кулисами/ 20, 21 поршней 1, 2 и при помощи двух цилиндрических кулачков /эксцентриков/ 22, 23 с днищами нагнетательных поршней 13, 14. В штоках 4, 5 и рабочих поршнях 1, 2 расположены сопловые камеры 24, 25 с сопловыми устьями 26, 27. В камерах сгорания 10, 11 установлены автоматические клапаны 26 подачи сжатого газа или богатой топливовоздушной смеси. Камера сгорания 10, 11 имеет радиально расположенные ребра-перегородки 29.

На фиг.1, 2 жестко связанные рабочие поршни 1, 2 находятся в самом верхнем положении, в верхнем рабочем цилиндре 6 поршень 1 в.м.т., идет процесс сгорания и начинается рабочий ход. В нижнем рабочем цилиндре 7 поршень 2 находится в н.м.т., идет выпуск и продувка чистым воздухом, открываются автоматические клапаны 28 подачи сжатого газа или богатой смеси. А в нагнетателе 12 жестко связанные нагнетательные поршни 13, 14 находятся в самом нижнем положении, в верхнем нагнетательном цилиндре 16 поршень в н.м.т. Идет впуск воздуха через пластинчатый клапан 30. В нижнем нагнетательном цилиндре 17 поршень 14 находится в в.м.т, осуществляется подача сжатого воздуха через продувочные каналы 31 в нижний рабочий цилиндр 7. После поворота кривошипного вала 18 на 180^o процессы в цилиндрах 6, 7, 16, 17 происходят наоборот.

В конце рабочего хода поршня 1 /2/ открывается выпускное окно 32, начинается выпуск ОГ, потом открываются продувочные окна 31, начинается продувка воздухом, давление в рабочей камере 8 /9/ падает, открываются автоматические клапаны 26 и горючий газ или богатая бензиновоздушная смесь под давлением, большем чем давление воздуха при продувке, поступает в камеру сжатия /КС/ 10 /11/. После прохождения поршнем 1 /2/ н.м.т., при подъеме поршня 1 /2/ перекрываются продувочные 31 и выпускное 32 окна, в рабочей камере 8 /9/ начинается сжатие, давление повышается, воздух начинает заходить в сопловые камеры 24, 25, а автоматические клапаны 28 закрываются с запаздыванием ввиду инерции деталей клапана 28 и газ /смесь/ благодаря кинетической энергии потока продолжает поступать в КС 10 /11/, происходит дозарядка топливного заряда после закрытия выпускного окна 32. При дальнейшем подъеме поршня 1 /2/ в сопловые камеры поступает воздух, потом газ /смесь/. При подходе поршня 1 /2/ к в.м.т. происходит зажигание смеси, воспламенение и начало горения. Давление в рабочей камере 8 /9/ растет, миграция смеси в сопловые камеры 24, 25 увеличивается, вблизи в.м.т. при максимальном давлении происходит зарядка сопловых камер 24, 25. Этому благоприятствует особенность применяемого кривошипно-кулисного механизма - большее время нахождение поршня 1 /2/ у В. М. Т. Поступаемая в сопловые камеры 24, 25 горячая смесь, отдавая тепло стенкам сопел 26, 27, заходит без завихрений и перемешивания с ранее вошедшими воздухом и смесью.

При опускании поршня 1 /2/ ниже в.м.т. давление в рабочей камере 8 /9/ становится меньше, чем в сопловых камерах 24, 25, поэтому вошедшая последней в сопловые камеры 24 /25/ богатая горячая смесь с большой скоростью, благодаря эффекту сопла, возвращается обратно в кольцевой очаг пламени КС 10 /11, усиливая его и, благодаря двухстороннему касательному направлению сопловых потоков, закручивая в торообразный вихрь 33. Шток 4 и сегментообразная форма КС 10 /11/ способствуют зарождению и сохранению вихря 33. Внешний слой оболочки вихря 33, контактируя с холодными стенками рабочей камеры 8 /9/ и подпитываясь холодными потоками смеси и воздуха из сопел 26, 27, не участвует в горении. Торообразный вихрь 33 сравнительно устойчив и сохраняется в рабочей камере 8 /9/ до н.м.т. Встречное направление скоростных потоков из сопловых камер 24, 25 в КС 10 /11/ после в.м.т. и торообразный вихрь 33 при рабочем ходе поршня 1 /2/ обеспечивают большую скорость сгорания смеси и большое давление в рабочей камере 8 /9/, уменьшается токсичность ОГ и возножность детонации, что позволяет повысить в КС 10 /11/ степень сжатия.

Взаимодействие сухаря 19 кривошипа 34 с нижними частями /кулисами/ 20, 21 поршней 1, 2 упрощает конструкцию двухцилидрового двигателя, уменьшаются его поперечный габарит и вес, повышаются возможное число оборотов и мощность двигателя. Соосные, жестко связанные рабочие 1, 2 и нагнетательные 13, 14 поршни взаимодействуют с кривошипами 22 /23/, 34 вала 18, сдвинутыми на 180^o, поэтому при работе движутся навстречу друг к другу, при соответствующих их массах и радиусах кривошипов 22 /23/, 34 обеспечивается полная уравновешенность двигателя. Благодаря свободному выбору внешнего диаметра нагнетательных поршней 13, 14 и величины камеры сжатия 10, 11 возможно получить оптимальные величины производительности и давления нагнетания для качественной продувки и зарядки цилиндров 6, 7 двигателя, возможно уменьшить ход нагнетательных поршней 13, 14, их скорость движения и насосные потери. Становится возможным разместить нагнетатель 12 ниже продувочных окон 31, использовать в качестве кривошипов эксцентрики 22, 23, что упрощает конструкцию кривошипного вала 18.

Поршни 13, 14 нагнетателя 12 снабжены буферными пружинами 35, это позволяет получить силовой колебательный контур и уменьшить максимальные нагрузки в деталях привода.

При работе двигателя поперечные нагрузки на сдвоенные поршни 1, 2, возникающие при рабочем ходе поршней 1, 2 при смещении центра кривошипа 34 от оси цилиндров 6, 7, воспринимаются боковыми поверхностями двух поршней 1, 2, расположенных на противоположных сторонах кривошипного вала 18, это уменьшает их величину и снижает потери мощности на трение, уменьшает износы.

Жесткая связь поршней 1, 2 осуществлена внутри зеркала их цилиндров 6, 7, это уменьшает вес сдвоенных поршней 1, 2, упрощает конструкцию и технологию изготовления, повышается надежность соединения. Открытие и закрытие выпускного окна 32 производится штоком 4 /5/, а продувочных окон 31 - поршнем 1 /2/. Площадь выпускного окна 32 меньше площади продувочных окон 31, поэтому потери нагнетаемого воздуха через закрываемое позже выпускное окно 32 меньше / в прототипе наоборот/. При выпуске давление ОГ воздействует на торцевую поверхность штока 4 /5/ и дополнительно увеличивает силовое воздействие на поршень 1, /2/, повышая крутящий момент двигателя.

Становится возможным осуществить продувку вращающимся вокруг штока 4 /5/ воздухом путем тангенциального наклона продувочных каналов 31, улучшается охлаждение и очистка от ОГ рабочей камеры 8 /9/. Осевое вращение воздуха особенно необходимо при использовании в качестве топлива сжатого газа - для его перемешивания с воздухом перед зажиганием. Эффективная прямоточная продувка сжатым воздухом позволяет уменьшить высоту окон 31, 32, повысить степень использования рабочего хода поршня.

Радиальные ребра-перегородки 29 в камере сгорания 10, 11 при сжатии смеси, при подходе поршня 1, 2 к в.м.т. замедляют скорость вращения заряда вокруг штока 4, /5/, это увеличивает надежность зажигания при пуске. Наличие каталитического слоя /например, слоя платины толщиной 20 мкм/ на стенках КС 10, 11 обеспечивает самовоспламенение смеси в конце такта сжатия /свечи только для пуска двигателя/. При использовании в качестве топлива бензина нагнетатели 12 выполняются со ступенчатыми поршням 13а, 14а и цилиндрами для раздельного сжатия воздуха и бензиновоздушной смеси. Процессы в ступенях нагнетателя совпадают, это упрощает их изоляцию друг от друга /фиг.5/.

Сниженные максимальные давления и температуры сгорания у в.м.т. обеспечивают мягкую работу двигателя и малое количество окислов азота в ОГ. Догорание основной массы смеси в торообразном вихре 33 при большой скорости потоков и при изоляции слоем воздуха от холодных стенок рабочей камеры 8 /9/ обеспечивает большую скорость сгорания смеси, большую температуру и давление, увеличивает работу расширяющихся газов и уменьшает токсичность ОГ. Уменьшаются тепловые потери, происходит внутренняя адиабатизация - с "холодными", стенками рабочей камеры, улучшаются условия смазки поршней 1 /2/, уменьшаются механические потери.

Преимущества двигателя:
- полная уравновешенность,
- плавная и мягкая работа,
- раздельная смазка,
- эффективная прямоточная продувка чистым, сжатым в нагнетателе 12 воздухом,
- надежное зажигание при пуске и работе,
- расслоение топливного заряда обеспечивает низкий расход топлива,
- интенсифицированный тепловой процесс и внутренняя адиабатизация при сравнительно холодных стенках рабочей камеры,
- малая токсичность ОГ,
- качественное и частично качественное регулирование мощности при работе соответственно на газе и бензине,
- малый поперечный габарит и вес,
- малые механические потери.

Все это повышает эффективность работы двигателя.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя при полной его уравновешенности. Сущность изобретения: двигатель содержит рабочий цилиндр с кольцевой камерой сгорания и прямоточной продувкой, рабочий поршень с днищем, который выполнен заодно со штоком и связан с кривошипным валом. Поршень нагнетателя расположен соосно с рабочим поршнем и также связан с кривошипным валом. Согласно изобретению в штоке и поршне выполнены сопловые камеры с устьями, примыкающими к малому и большому диаметрам днища поршня. Причем камера сгорания имеет в радиальном сечении сегментную форму, а при рабочем ходе рабочего поршня благодаря двустороннему касательному направлению потоков из сопловых камер закручивается торообразный вихрь в кольцевой камере сгорания. Поршень нагнетателя может быть выполнен двухступенчатым кольцевым, охватывающим рабочий цилиндр и взаимодействующим с валом в противофазе рабочему поршню. При этом внутренняя его ступень связана с воздушными и продувочными каналами, а внешняя ступень - с карбюратором и автоматическими клапанами камеры сгорания. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двухтактный ДВС, содержащий рабочий цилиндр с кольцевой камерой сгорания и прямоточной продувкой, рабочий поршень с днищем, выполненный заодно со штоком и связанный с кривошипным валом, поршень нагнетателя, расположенный соосно с рабочим поршнем и связанный с кривошипным валом, отличающийся тем, что в штоке и поршне выполнены сопловые камеры с устьями, примыкающими к малому и большому диаметрам днища поршня, причем камера сгорания имеет в радиальном сечении сегментную форму, а благодаря двустороннему касательному направлению потоков из сопловых камер при рабочем ходе рабочего поршня закручивается торообразный вихрь. 2. ДВС по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена с ребрами-перегородками и покрыта каталитическим слоем. 3. ДВС по п.1 или 2, отличающийся тем, что управление продувочными окнами осуществляется рабочими поршнями, а выпускными окнами - их штоками. 4. ДВС по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что поршень нагнетателя выполнен двухступенчатым кольцевым, охватывающим рабочий цилиндр и взаимодействующим с валом в противофазе рабочему поршню, при этом внутренняя его ступень связана с воздушными и продувочными каналами, а внешняя ступень - с карбюратором и автоматическими клапанами камеры сгорания.