ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B29/08 F02B25/08 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способам и устройствам двухтактных двигателей внутреннего сгорания.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр, имеющий выпускные и продувочные окна, с размещенными в нем двумя противоположно движущимися поршнями, в котором осуществляется прямоточная, наиболее рациональная продувка. Двигатель имеет два коленчатых вала, связанных какой-либо, например шестеренчатой, передачей. Двигатели этого типа имеют большие размеры, низкий механический КПД в связи с наличием нормальных сил, действующих на поршень, и не отличаются высокими эксплуатационными качествами (Бекман В.В. Гоночные мотоциклы. - М., Машиностроение, 1983, с.215) - [1].

Известны двухтактный двигатель внутреннего сгорания и способ работы, реализованный в нем (Поршневые и газотурбинные двигатели. Экспресс-информация, 28, 1977, с.27) - [2]. Способ работы двухтактного двигателя включает подачу топливо-воздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие рабочей смеси, воспламенение ее, выпуск продуктов сгорания и продувку рабочего объема потоком воздуха, причем выпуск продуктов сгорания и продувка рабочего объема осуществляется в разных поясах сечения рабочего объема.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр, имеющий выпускные и продувочные окна, с размещенными в нем двумя противоположно движущимися поршнями, в котором осуществляется прямоточная продувка. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала каждый поршень шарнирно соединен с качающимся балансиром, имеющим шарнирное соединение с опорой в картере. В средней части балансиры соединены шатунами с коленчатым валом. Такая конструкция преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала позволяет изменять степень сжатия в цилиндре за счет изменения расстояния между неподвижными опорами балансиров. Кроме того, в механизме отсутствуют нормальные силы, действующие на поршни, при этом предотвращаются вибрации цилиндра и снижаются механические потери от трения в паре поршень-цилиндр.

Здесь для осуществления процесса продувки и наполнения цилиндра необходим дополнительный компрессор, что усложняет конструкцию, кроме того при использовании такого двигателя в качестве карбюраторного у него недостаточно высокий КПД и низкая топливная эффективность.

Известен способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания и двухтактный двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа (Патент РФ 2073100, F 02 В 25/08, 25/22, опубл. Бюл. 4 от 10.02.1997 г.) - [3]. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, включает подачу топливо-воздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие ее при движении поршней в верхнюю мертвую точку, воспламенение ее, выпуск продуктов сгорания и продувку рабочего объема воздухом, осуществляемые в разных поясах сечения рабочего объема при движении поршней в нижнюю мертвую точку, при этом топливо-ваоздушную смесь в рабочий объем подают в том же поясе сечения рабочего объема, что и воздух на продувку, подавая сначала часть продувочного воздуха, а затем одновременно подают воздух в приосевую зону рабочего объема и топливо-воздушную смесь по его периферии. Топливо-воздушную смесь и воздух подают в рабочий объем из соответствующих объемов за поршнями путем вытеснения за счет давления поршней при движении их в нижнюю мертвую точку, а при движении поршней в верхнюю мертвую точку заполняют объем за поршнями соответственно топливо-воздушной смесью и воздухом.

Двигатель содержит рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, соединенными с механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала. Рабочий объем цилиндра имеет выпускные и продувочные воздушные окна, расположенные в разных поясах сечения цилиндра, и продувочные окна подачи топливо-воздушной смеси, расположенные в одном поясе сечения с продувочными воздушными окнами. Сам цилиндр имеет торцевые стенки, а поршни - двухсторонние днища, при этом горячие днища образуют между собой рабочий объем, а холодные днища образуют с торцевыми стенками полости. Полость между торцевой стенкой цилиндра и холодным днищем одного поршня сообщена каналом с продувочными окнами подачи топливо-воздушной смеси и через впускное окно с карбюратором, а полость между другой торцевой стенкой цилиндра и холодным днищем другого поршня сообщена каналом с продувочными воздушными окнами и через соответствующее впускное окно - с атмосферой, при этом полости выполнены с возможностью изменения их объемов за счет изменения диаметра поршня или диаметра полости или за счет изменения размера полости по длине.

Недостатки этого устройства и способа заключаются в том, что здесь не обеспечиваются низкое содержание токсических компонентов в выхлопных газах и высокой термический КПД цикла, а также система управления мощностью двигателя является сложной.

Для сравнительного анализа с предлагаемым изобретением взят четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ 2171901, F 02 В 21/00, 25/08, опубл. Бюл. 22 от 10.08.2001 г. - [4].

Способ работы, реализованный в этом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, включает подачу топливо-воздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие смеси при движении поршней в верхнюю мертвую точку, воспламенение ее, продувку рабочего объема и впуск свежей топливо-воздушной смеси в рабочий объем, при этом при работе на частичных режимах при движении поршней в верхнюю мертвую точку в процессе сжатия часть топливо-воздушной смеси из рабочего объема отбирают и дожимают оставшуюся часть, в процессе расширения направляют отобранную часть топливо-воздушной смеси в дополнительную емкость, на режиме продувки при движении поршней в верхнюю мертвую точку вводят в полость за поршнем топливо-воздушную смесь до объема, равного рабочему объему, на режиме впуска в цилиндр направляют полный рабочий объем топливо-воздушной смеси, включающий отобранный на режиме сжатия и введенный в полость за поршнем.

Двигатель содержит рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, снабженный впускным и выпускным клапанами, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, устройство смесеобразования. Рабочий цилиндр двигателя снабжен перепускным клапаном, полостью с отсечным клапаном за одним из поршней и ресивером, при этом перепускной клапан сообщен через ресивер с впускным клапаном и с отсечным клапаном полости за поршнем, которая снабжена окном, сообщенным с системой смесеобразования. Кроме того, двигатель имеет механизм управления перепускным и отсечным клапанами, включающий распределительный вал с кулачками переменного профиля, установленными с возможностью их перемещения вдоль него, при этом распределительный вал связан механизмом привода с коленчатым валом двигателя и с механизмами изменения степени сжатия и мощности двигателя.

Недостатком этой известной конструкции является то, что четырехтактный двигатель имеет один рабочий ход за два оборота коленчатого вала, в то время как в двухтактном двигателе на каждый оборот коленчатого вала приходится один рабочий ход. Это приводит к тому, что четырехтактный двигатель имеет мощность, в два раза меньшую по сравнению с двухтактным при одинаковых массогабаритных показателях. Так как механизм газораспределения имеет большое количество деталей, четырехтактный двигатель дороже в производстве и эксплуатации.

Изобретение решает задачу повышения мощности двигателя при неизменных массогабаритных показателях, а также уменьшения затрат при производстве и эксплуатации двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, снабженный впускными и выпускными окнами, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, устройство смесеобразования, перепускной клапан в рабочем объеме, механизм управления перепускным клапаном и механизмы изменения степени сжатия и мощности двигателя, продувочный канал полости за поршнем, подающим топливо-воздушную смесь, соединен через перепускной клапан с рабочим объемом цилиндра, при этом объем полости за поршнем, в который отбирают топливо-воздушную смесь, больше или равен рабочему объему цилиндра, а распределительный вал перепускного клапана связан с коленчатым валом передачей с передаточным числом, равным 1.

Кроме того, для уменьшения высоты двигателя и снижения сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс рабочий объем двигателя распределен по двум рабочим цилиндрам, имеющим общую камеру сгорания и перепускной канал с перепускным клапаном.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, где:
фиг.1 - продольный разрез двигателя внутреннего сгорания,
фиг. 2 а), б), в) - съемы работы двигателя внутреннего сгорания на режимах частичной нагрузки,
фиг.3 - сечение по свече зажигания и цилиндру.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Используется схема продолженного расширения, при которой степень расширения больше, чем степень сжатия. При этом происходит циркуляция части топливо-воздушной смеси из рабочего объема в полость за поршнем, а общее количество рабочей смеси, проходящей через двигатель, остается постоянным. Это позволяет исключить из конструкции устройства смесеобразования дроссельную заслонку. Без дроссельной заслонки на частичных нагрузках не создается дополнительное сопротивление во впускной системе, поэтому скоростная характеристика момента на частичных нагрузках более пологая. Схема продолженного расширения позволяет увеличить к.п.д. цикла за счет более полного использования энергии отработавших газов и уменьшения насосных потерь, кроме того, такая схема характеризуется незначительным изменением удельного расхода топлива в широком диапазоне нагрузок.

Изменение мощности осуществляется путем регулирования объема заряда с одновременным изменением степени сжатия и, соответственно, переменным ходом сжатия при постоянном ходе расширения. Изменение степени сжатия в зависимости от вида применяемого топлива позволит двигателю максимально эффективно работать как на газовом топливе, так и на всех марках товарного бензина. В предлагаемом двигателе каждому рабочему режиму соответствует своя степень сжатия и, соответственно, своя степень расширения, что позволяет достаточно легко решать проблемы существующих двигателей при работе на холостом ходу, режимах холодного пуска и прогрева, при этом состав смеси на всех рабочих режимах - стехиометрический (α=1) и количество токсических составляющих NO_х, С_nН_m, СО в отработавших газах минимально.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) содержит рабочие цилиндры 1 с противоположно движущимися поршнями 2 и 3, снабженные выпускными окнами 4 и продувочными воздушными 5 и топливо-воздушными 6 окнами. Рабочий цилиндр 1 снабжен перепускным клапаном 7, расположенным в зоне перемещения поршней 2 и 3, между которыми образован рабочий объем. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней 2 и 3 во вращательное движение коленчатого вала включает качающиеся качалки 8, шарнирно-соединенные звеньями 9 с каждым из поршней 2 и 3 соответственно и имеющие шарнирное соединение с эксцентриковыми опорами 10, закрепленными в картере. Качалки 8 соединены шатунами 11 с коленчатым валом 12. Поршень 2 выполнен ступенчатым с двухсторонними днищами разного диаметра - горячее днище 13 со стороны рабочего объема и заднее холодное днище большого диаметра 14, образующее с торцевой стенкой 15 цилиндра 1 полость 16, соединенную с продувочным 17 и перепускным 18 каналами. Полость 16 соединена через впускное окно 19 с системой смесеобразования 20 и с атмосферой. Продувочный канал 17 топливо-воздушной смеси соединен с топливо-воздушными окнами 6 цилиндра 1 и с перепускным каналом 18. Поршень 3 цилиндра 1 тоже выполнен с двухсторонними днищами - горячее днище 21 со стороны рабочего объема и заднее днище 22, образующее с торцевой стенкой 23 цилиндра 1 полость 24, соединенную продувочным каналом 25 с воздушными окнами 5 цилиндра 1 и через впускное окно 26 - с атмосферой. В рабочей полости цилиндра 1 расположена свеча зажигания 27. Двигатель снабжен механизмом управления перепускным клапаном 7 и включает распределительный вал 28 с кулачком 29 переменного профиля, установленным с возможностью перемещения вдоль него. Для изменения фазового угла открытия перепускного клапана 7 кулачок 29 перемещается вдоль оси распределительного вала 28 рычагом 30 механизма 31 регулирования мощности двигателя. Распределительный вал 28 связан с коленчатым валом 12 передачей 32 с передаточным числом n=1. Механизм регулирования мощности 31 связан с механизмом изменения степени сжатия 33 приводом 34. Эксцентриковые валы 10 соединены с механизмом изменения степени сжатия 33 приводом 35. Полость 16 выполнена с возможностью изменения объема. Для этого торцевая стенка 15 выполнена подвижной, что позволяет изменять степень сжатия в полости 16. Изменение степени сжатия увеличивает объемный к.п.д. топливо-воздушного насоса на режимах частичных нагрузок. Открытие перепускного клапана 7 управляется кулачком 29 через коромысло 36. Кроме того, рабочие цилиндры имеют общую камеру сгорания 37 и перепускной канал 18 с перепускным клапаном 7 (фиг.3).

Работает двухтактный двигатель внутреннего сгорания следующим образом.

На частичных нагрузках работы двигателя в процессе выпуска (фиг.2а) отработавших газов в рабочий объем подается сначала часть воздуха из полости 24 и продувочного канала 25 для отделения топливо-воздушной смеси от отработавших газов и предотвращения потерь топливо-воздушной смеси на прямой выброс в выпускные окна 4 и далее остальная часть воздуха и топливо-воздушная смесь из полости 16 и продувочного канала 17. При движении поршней 2 и 3 в верхнюю мертвую точку (фиг.2б) продувочные 5 и выпускные 4 окна закрываются, происходит сжатие смеси в рабочем объеме и перепуск части рабочей смеси через открытый перепускной клапан 7 по перепускному каналу 18 и продувочному каналу 17 в полость 16. Отбор части топливо-воздушной смеси осуществляется за счет давления поршней 2 и 3 в рабочем объеме и одновременно за счет создаваемого разрежения за поршнем 2 в полости 16. При этом впускное окно 19 закрыто. Разрежение, возникающее в полости 16, позволяет производить перепуск с минимальными потерями мощности. После закрытия перепускного клапана 7 дожимают оставшуюся часть топливо-воздушной смеси и при достижении поршнями верхней мертвой точки происходит воспламенение рабочей смеси от свечи зажигания 27 (фиг.2в). При этом в полости 16 происходит дозарядка топливо-воздушной смеси через впускное окно 19 из системы смесеобразования 20.

В процессе расширения (рабочего хода) при движении поршней 2 и 3 в нижнюю мертвую точку в полости 16 происходит сжатие топливо-воздушной смеси, оставшейся после перепуска и поступившей вновь в процессе дозарядки, а в полости 24 - сжатие воздуха, поступившего из атмосферы через окно 26.

На режиме впуска в рабочий объем цилиндра 1 из полости 16 направляют полный объем топливо-воздушной смеси, включающий отобранный на режиме сжатия и введенный дополнительно в процессе дозарядки.

Открытие и закрытие перепускного клапана 7 осуществляется кулачком 29 с переменной высотой профиля через коромысло 36. Кулачок 29 перемещается вдоль оси распределительного вала 28 посредством рычага 30 механизма 31 регулирования мощности двигателя. При изменении фазового угла открытия перепускного клапана 7 изменяется количество дожимаемой топливо-воздушной смеси в рабочем объеме цилиндра 1 и, соответственно, мощность двигателя. Механизм регулирования мощности двигателя 31 связан с механизмом 33 изменения степени сжатия, поэтому определенному количеству сжимаемой топливо-воздушной смеси соответствует необходимая степень сжатия.

При работе двигателя при максимальной мощности ход расширения равен ходу сжатия. При движении поршней 2 и 3 к верхней мертвой точке после процесса выпуска и впуска выпускные 4 и продувочные 5 и 6 окна закрываются, происходит сжатие смеси в рабочем объеме и разрежение в полостях 16 и 24 за поршнями, перепускной клапан 7 при этом закрыт.

При достижении поршнями 2 и 3 верхней мертвой точки происходит воспламенение рабочей смеси от свечи зажигания 17 при степени сжатия, соответствующей полному рабочему объему двигателя, и впуск топливо-воздушной смеси в полость 16 и, соответственно, воздуха в полость 24 через впускные окна 19 и 26.

Объем полости 16 подбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемую степень наддува. Увеличение плотности заряда при наддуве приведет к увеличению эффективной мощности и механического к.п.д. двигателя при работе на режиме максимальной мощности.

Механизм изменения степени сжатия 33 обеспечивает такое положение эксцентриковых валов 10, при котором сгорание рабочей смеси происходит на пределе детонации, определяемой видом топлива.

Предлагаемый двухтактный двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением позволяет повысить топливную экономичность на частичных режимах двигателя, обеспечить максимальную эффективность при работе на жидких и газообразных видах топлива за счет организации продолженного расширения на режимах частичных нагрузок, изменять степень сжатия в зависимости о нагрузки на двигатель, уменьшить насосные потери на впуске посредством исключения дросселя в системе смесеобразования, что приводит к повышению коэффициента полезного действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, повышается надежность работы двигателя и уменьшается выброс токсичных компонентов продуктов сгорания, упрощается конструкция органов смесеобразования и решаются проблемы работы двухтактного двигателя на режиме холостого хода, принудительного холостого хода и холодного пуска. На максимальном режиме работы двигателя используется полный рабочий объем двигателя для достижения максимальной мощности.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности повышения мощности двигателя при неизменных массогабаритных показателях, в уменьшении затрат при производстве и эксплуатации двигателя, а также в повышении надежности, топливной экономичности и в снижении выхода токсичных веществ в атмосферу. Двигатель содержит рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, снабженными выпускными окнами и продувочными воздушными и топливо-воздушными окнами. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала включает качающиеся качалки, шарнирно-соединенные с каждым из поршней и имеющие шарнирное соединение с эксцентриковыми опорами, закрепленными в картере. Качалки соединены шатунами с коленчатым валом. Один из поршней выполнен ступенчатым с двухсторонними днищами разного диаметра - горячее днище со стороны рабочего объема и заднее холодное днище большего диаметра, образующее с торцевой стенкой цилиндра полость, соединенную с продувочным и перепускным каналами, а также через впускное окно с системой смесеобразования и с атмосферой. Продувочный канал топливо-воздушной смеси соединен с топливо-воздушными окнами цилиндра и с перепускным каналом. Другой поршень тоже выполнен с двухсторонними днищами - горячее днище со стороны рабочего объема и заднее днище, образующее с торцевой стенкой цилиндра полость, соединенную продувочным каналом с воздушными окнами цилиндра и через впускное окно - с атмосферой. В рабочей полости цилиндра расположена свеча зажигания и перепускной клапан. Двигатель снабжен механизмом управления перепускным клапаном, который включает распределительный вал с кулачком переменного профиля, установленным с возможностью перемещения вдоль него. Открытие перепускного клапана управляется кулачком через коромысло. Для изменения фазового угла открытия перепускного клапана кулачок перемещается вдоль оси распределительного вала рычагом механизма регулирования мощности двигателя. Распределительный вал связан с коленчатым валом передачей с передаточным числом n=1. Механизм регулирования мощности связан с механизмом изменения степени сжатия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, снабженный впускными и выпускными окнами, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, устройство смесеобразования и механизм изменения мощности двигателя, отличающийся тем, что содержит механизм изменения степени сжатия и перепускной клапан с механизмом управления, расположенный в рабочем цилиндре и соединяющий продувочный канал полости за поршнем, подающим топливо-воздушную смесь, с рабочим объемом для перепуска части рабочей смеси по перепускному и продувочному каналу в полость за поршнем при сжатии на частичных нагрузках работы двигателя.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что объем полости за поршнем, в который отбирают топливо-воздушную смесь, больше или равен рабочему объему.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что распределительный вал перепускного клапана связан с коленчатым валом передачей с передаточным числом, равным 1.4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий объем двигателя распределен по двум рабочим цилиндрам, имеющим общую камеру сгорания и перепускной канал с перепускным клапаном.