ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОРШНЕМ (ДВИГАТЕЛЬ СОЛДАТОВА) Российский патент 2008 года по МПК F02B25/10 F02B75/28 

Изобретение относится к двухтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), а именно к двухтактным двигателям с дополнительным поршнем, т.е. с разделением процессов впуска и выпуска с помощью дополнительного поршня, разделяющего отработанные газы и топливно-воздушную смесь или воздух во время очистки и нового наполнения цилиндра. Изобретение может быть использовано как в карбюраторных двигателях, так и в двигателях с впрыском топлива, в том числе дизельных.

Известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания, в которых рабочий цикл совершается за два такта, т.е. за один оборот коленчатого вала: первый такт "сжатие" и второй такт "рабочий ход", в конце которого происходит продувка цилиндра сжатым воздухом от нагнетателя или продувка топливно-воздушной смесью в бензиновых двигателях с кривошипно-камерной схемой продувки (Кузнецов А.В. "Устройство и эксплуатация двигателей внутреннего сгорания", М.: Высшая школа, 1984, стр.10-13). Известны двухтактные ДВС с дополнительным поршнем, который разделяет топливно-воздушную смесь и отработанные газы во время очистки и нового наполнения цилиндра.

Например, известен двухтактный ДВС с дополнительным поршнем (патент Японии, кл. 51 A1, (F02b), №47-50522, заявл. 23.02.70, опубл. 19.12.72).

Известный двигатель имеет над поршнем (П) дополнительный поршень (ДП), движущийся по определенному закону в результате взаимодействия штока ДП с кулачком, приводимым от коленчатого вала. Поршни движутся в цилиндре, в стенке которого выполнено выпускное окно (средство выпуска), а в головке цилиндра - впускной клапан (средство впуска). В конце рабочего хода П открывает выпускное окно и за время, пока П идет до НМТ и обратно, выпускное окно открыто; ДП под действием кулачка идет вниз, производит очистку цилиндра и одновременно осуществляет всасывание свежей порции смеси через верхний впускной клапан. Затем ДП под действием кулачка резко перемещается вверх, при этом топливно-воздушная смесь (свежий заряд) через перепускной клапан (элемент перепуска смеси), образованный перепускным каналом с обратным клапаном в теле ДП, перепускается в пространство между поршнями. П закрывает впускное окно и производит сжатие смеси; ДП в это время находится в верхнем крайнем положении. Между поршнями образуется камера сгорания, где смесь поджигается, и далее происходит рабочий ход, во время которого ДП находится в верхнем положении.

Недостатком известного двигателя, в частности, является наличие перепускного клапана в теле дополнительного поршня, который работает в условиях высоких температур и больших инерционных нагрузок, что уменьшает надежность работы перепускного клапана и двигателя в целом. Кроме того, расположение камеры сгорания между основным и вспомогательным поршнем делает ее некомпактной, что увеличивает склонность к детонации смеси, а конструктивная схема с верхним впускным клапаном и нижним выпускным окном в стенке цилиндра ведет к большим тепловым нагрузкам на поршень.

Известен двухтактный циклический двигатель, имеющий дополнительный поршень, клапанное приспособление и присоединенный механизм привода (патент США F02B 33/04 №4206727, приоритет 11.12.1978 г., опубликован 10.06.1980 г.), взятый за прототип.

Этот двигатель содержит цилиндр с нижним выпускным окном (средство выпуска), головку цилиндра с вращающимся впускным клапаном (средство впуска), основной поршень (поршень мощности), связанный с коленчатым валом двигателя, выше которого установлен дополнительный поршень с полым стержнем (штоком), разделяющий смесь и отработанные газы во время очистки и нового наполнения цилиндра и имеющий специальный привод, связанный с коленчатым валом двигателя. Привод обеспечивает и ограничивает движение дополнительного поршня между головкой цилиндра и нижним выпускным окном в стенке цилиндра. Для перепуска смеси (свежего заряда) в камеру сгорания, которая образуется в пространстве между поршнями, имеется элемент перепуска в виде перепускного клапана в теле дополнительного поршня. Когда основной поршень подходит к ВМТ, на свечу зажигания подается электрический разряд, топливно-воздушная смесь между поршнями загорается и происходит рабочий ход основного поршня, во время которого дополнительный поршень находится вверху. После открытия выпускного окна основным поршнем давление в цилиндре падает и в это время дополнительный поршень под действием привода идет вниз, выталкивает остаточные газы и производит всасывание смеси через впускной клапан. Когда основной поршень начинает двигаться вверх и закрывает выпускное окно, дополнительный поршень также движется вверх под действием привода и производит сжатие и перепуск смеси через перепускной клапан в пространство между поршнями, после чего останавливается в верхнем положении. Основной поршень сжимает смесь, которую поджигают с помощью свечи, и цикл повторяется.

К недостаткам этого двигателя можно отнести следующие: дополнительный поршень имеет специальный привод, связанный с коленчатым валом, который усложняет конструкцию двигателя и уменьшает его надежность, конструктивная схема с верхним впускным клапаном и нижним выпускным окном не выгодна, т.к. ведет к большим тепловым нагрузкам на основной поршень (поршень мощности) и поэтому в двухтактных двигателях, как правило, не применяется; расположение камеры сгорания между основным и вспомогательным поршнем делает ее некомпактной, что увеличивает склонность к детонации смеси; элемент перепуска смеси в камеру сгорания выполнен в виде перепускного клапана в теле дополнительного поршня, что усложняет и утяжеляет его конструкцию, что, в конечном счете, уменьшает надежность двигателя в целом, т.к. работа перепускного клапана в условиях высоких температур и высоких инерционных нагрузок становится ненадежной; впускной клапан с приводом от коленчатого вала также усложняет конструкцию, т.к. содержит обычно звездочки, цепи и другие детали механизма привода клапана.

Перед изобретением поставлена задача сделать двухтактный ДВС с дополнительным поршнем более надежным.

Поставленная задача решается за счет того, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания с дополнительным поршнем, включающем, по меньшей мере, один цилиндр, головку цилиндра, средство впуска, средство выпуска, камеру сгорания, основной поршень с поршневыми кольцами и юбкой, движущийся в цилиндре возвратно-поступательно и связанный с коленчатым валом двигателя; дополнительный поршень, движущийся в цилиндре выше основного поршня, дополнительный поршень снабжен штоком, закрепленным на нем сверху, с возможностью ограничения хода дополнительного поршня; элемент перепуска свежего заряда в камеру сгорания, согласно изобретению средство впуска-выполнено в виде, как минимум, одного нижнего впускного окна в стенке цилиндра, которое сообщено с нагнетателем; средство выпуска выполнено в виде выпускного клапана, содержащего тарелку со стержнем клапана и седла выпускного клапана, установленных в головке цилиндра, в выпускном клапане выполнена осевая полость, в которой подвижно размещен шток дополнительного поршня с выступом в виде головки на его верхнем конце, при этом осевая полость сверху ограничена заглушкой, а снизу в полости образован внутренний выступ, в который упирается головка штока при ходе вниз. ограничивая ход дополнительного поршня, выпускной клапан оснащен приводом, содержащим один или несколько толкателей, размещенных на штоке дополнительного поршня и воздействующих на клапан, обеспечивая его работу; выпускной клапан оснащен амортизатором; выпускной клапан оснащен средством удержания клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных отработанных газов; камера сгорания размещена между головкой цилиндра и дополнительным поршнем при его верхнем крайнем положении; дополнительный поршень связан с основным поршнем с возможностью его ограниченного продольного перемещения относительно основного поршня для обеспечения фиксированного расстояния между поршнями во время наполнения цилиндра свежим зарядом.

В двухтактном двигателе внутреннего сгорания (ДВС) в нижней внутренней части седла выпускного клапана может быть выполнена цилиндрическая расточка размером под наружный диаметр тарелки клапана, в которую подвижно входит эта тарелка при закрытии клапана.

В двухтактном ДВС привод выпускного клапана может содержать один толкатель, в качестве которого использована головка штока, которая размещена в осевой полости выпускного клапана с возможностью взаимодействия с заглушкой полости при ходе штока вверх и с внутренним выступом полости при ходе штока вниз, обеспечивая закрытие и открытие выпускного клапана.

В двухтактном двигателе привод выпускного клапана может содержать два толкателя, верхний и нижний, при этом в качестве верхнего толкателя использована головка штока, взаимодействующая с внутренним выступом осевой полости клапана при ходе штока вниз, а нижним толкателем является дополнительный поршень, закрепленный в нижней части штока с возможностью воздействия на клапан при подходе дополнительного поршня к его крайнему верхнему положению.

В двухтактном ДВС амортизатор выпускного клапана может быть выполнен в виде гидроамортизатора, который содержит гидроцилиндр, заполненный жидкостью и закрепленный в головке цилиндра, в котором подвижно установлен гидропоршень с наклонными боковыми продольными пазами, закрепленный на стержне клапана.

В двухтактном ДВС выпускной клапан может иметь возвратную пружину, установленную под гидропоршнем на стержне клапана.

В двухтактном ДВС средство удержания выпускного клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных газов может содержать упругое разрезное кольцо, установленное на стержне клапана с натягом, размещенное в кольцевой канавке, выполненной в отверстии под стержень, и кольцевую канавку на стержне клапана.

В двухтактном ДВС средство удержания выпускного клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных газов может быть выполнено в виде пружины, создающей постоянное давление на клапан, направленное вниз.

В двухтактном ДВС камера сгорания может быть выполнена в виде одной или нескольких открытых снизу полостей в нижнем торце головки цилиндра, имеющих боковое расположение относительно продольной оси цилиндра и примыкающих сбоку снаружи к седлу выпускного клапана, при этом в каждой из них может быть установлена свеча зажигания и/или топливная форсунка.

В двухтактном ДВС дополнительный поршень подвижно связан с основным поршнем, например, с помощью нижнего штока, закрепленного в дополнительном поршне снизу и подвижно установленного в отверстии ограничительной втулки, которая закреплена в днище основного поршня, при этом на нижнем конце нижнего штока выполнен упор.

В двухтактном ДВС фиксированное расстояние между дополнительным и основным поршнем во время наполнения цилиндра, умноженное на степень повышения давления в нагнетателе, может быть меньше полной длины хода дополнительного поршня в цилиндре двигателя и может составлять 50-60% от полной длины хода дополнительного поршня.

В двухтактном ДВС компрессионные кольца могут быть установлены в верхней и нижней частях юбки основного поршня, а маслосъемное кольцо - в нижней части юбки.

В двухтактном ДВС дополнительный поршень может быть выполнен из титана или стали, при этом толщина его днища может составлять 5% и меньше от его наружного диаметра.

В двухтактном ДВС дополнительный поршень может быть снабжен упругой тарельчатой шайбой, закрепленной на нем сверху, которая может быть выполнена из титана.

В двухтактном ДВС элемент перепуска свежего заряда в камеру сгорания может быть выполнен в виде одного или нескольких углублений в верхней части внутренней поверхности стенки цилиндра, выходящих в камеру сгорания и образующих перепускные каналы, сообщающие камеру сгорания с рабочей полостью цилиндра при крайнем верхнем положении дополнительного поршня.

Сущность изобретения заключается в том, что двухтактный ДВС с дополнительным поршнем совершенствуется по нескольким направлениям, а именно средство впуска выполнено в виде нижнего впускного окна, которое сообщено с нагнетателем, что позволяет отказаться от механизма привода дополнительного поршня, т.к. дополнительный поршень получает возможность двигаться вверх за счет избыточного давления свежего заряда, создаваемого нагнетателем. Это повышает надежность и быстроходность двигателя. Выпускной клапан, установленный в головке цилиндра соосно с цилиндром двигателя, имеет осевую полость, в которой подвижно размещен шток дополнительного поршня с выступом в виде головки на его верхнем конце, при этом осевая полость сверху ограничена заглушкой, а снизу в полости образован внутренний выступ, выполненный, например, в виде кругового выступа, в который упирается головка штока, ограничивая ход дополнительного поршня. Одно из назначений этого узла - ограничить ход дополнительного поршня, т.е. остановить его в районе верхней кромки впускного окна и за счет этого обеспечить надежное разделение отработанных газов и свежего заряда во время открытия впускного окна. Такое конструктивное выполнение клапана и штока с выступом в виде головки позволяет обеспечить движение дополнительного поршня между камерой сгорания и верхней кромкой впускного окна, при этом термин "между" верхней кромкой впускного окна обозначает, что верхняя кромка дополнительного поршня при движении вниз не переходит верхнюю кромку впускного окна, т.к. в противном случае нарушается работоспособность двигателя в целом.

Выпускной клапан оснащен приводом, содержащим один или несколько толкателей, размещенных на штоке дополнительного поршня. При выполнении привода с одним толкателем в качестве толкателя использована головка штока, которая размещена в осевой полости выпускного клапана с возможностью взаимодействия с заглушкой полости и с внутренним выступом полости, т.е. головка штока толкает клапан вверх, закрывая его, и вниз, открывая клапан. При выполнении привода выпускного клапана с двумя толкателями в качестве верхнего толкателя использована головка штока, взаимодействующая с внутренним выступом осевой полости, а нижним толкателем является дополнительный поршень, установленный в нижней части штока с возможностью воздействия на клапан при подходе дополнительного поршня к своему верхнему крайнему положению, т.е. открытие клапана осуществляет головка штока, толкающая клапан вниз, открывая его, а закрывает клапан дополнительный поршень, толкая его снизу.

Вышеуказанное выполнение привода выпускного клапана значительно проще и надежнее механизма привода клапанов, применяющегося в известных двигателях, т.к. в качестве толкателей используются элементы конструкции двигателя, которые имеют другое назначение, и отпадает необходимость введения дополнительных элементов, выполняющих функции толкателей, а также отпадает необходимость в распределительном вале, цепи, звездочках и т.д.

Выпускной клапан оснащен амортизатором, обеспечивающим смягчение удара клапана о седло, при его закрытии, если амортизатор выполнен гидравлическим, он попутно выполняет роль гидротормоза для дополнительного поршня при его подходе к своему крайнему верхнему положению. Это позволяет тормозить не только клапан, но и дополнительный поршень. Выпускной клапан может быть оснащен возвратной пружиной, установленной под гидропоршнем и толкающей клапан вверх, которая помогает закрывать клапан и обеспечивает его более четкую работу.

Выпускной клапан оснащен средством удержания клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных отработанных газов, которое может содержать упругое разрезное кольцо, установленное на стержне клапана с натягом, размещенное в кольцевой канавке, выполненной в отверстии под стержень клапана в гидроцилиндре, и кольцевую канавку на стержне клапана под кольцо. Или средство удержания выпускного клапана в открытом положении может быть выполнено в виде пружины, создающей постоянное давление на клапан, направленное вниз, в этом случае возвратная пружина клапана не устанавливается. Вышеназванные средства не допускают самопроизвольного закрытия выпускного клапана от разности давлений под клапаном и над клапаном во время очистки цилиндра от остаточных газов.

Камера сгорания размещена между головкой цилиндра и дополнительным поршнем при его верхнем крайнем положении. Это позволяет выполнить ее в виде одной или нескольких, например двух, открытых снизу полостей в нижнем торце головки цилиндра, имеющих боковое расположение относительно продольной оси цилиндра и примыкающих сбоку снаружи к седлу выпускного клапана, при этом в каждой полости может быть установлена свеча зажигания и/или топливная форсунка. Такое выполнение камеры сгорания делает ее более компактной, а значит уменьшает тепловые потери и склонность к детонации, что позволяет также увеличить быстроходность двигателя, т.к. фронт пламени от свечи распространяется со скоростью примерно 40 м/с, что определяет размеры камеры сгорания.

Дополнительный поршень подвижно связан с основным поршнем, с возможностью его ограниченного продольного перемещения относительно основного поршня, для обеспечения фиксированного расстояния между поршнями во время наполнения цилиндра свежим зарядом. Такая связь может быть выполнена с помощью нижнего штока, закрепленного на дополнительном поршне снизу и подвижно установленного в отверстии ограничительной втулки, которая закреплена в днище основного поршня, при этом на нижнем конце нижнего штока выполнен упор, упирающийся в ограничительную втулку и обеспечивающий фиксированное расстояние между поршнями во время наполнения цилиндра свежим зарядом. Такое выполнение подвижной связи между поршнями позволяет простыми средствами контролировать движение дополнительного поршня относительно основного и обеспечить фиксированное расстояние между поршнями, а значит и фиксированный объем свежего заряда, подаваемого в цилиндр.

Фиксированное расстояние между дополнительным и основным поршнем во время наполнения цилиндра, умноженное на степень повышения давления в нагнетателе, может быть меньше полной длины хода дополнительного поршня в цилиндре, оптимально, оно может составлять 50-60% от полной длины хода дополнительного поршня. Это позволяет осуществлять работу двигателя с перерасширением (дополнительным расширением) сгоревшей смеси во время рабочего хода, что увеличивает термодинамический кпд цикла, а значит и топливную экономичность двигателя.

Элемент перепуска свежего заряда в камеру сгорания может быть выполнен в виде одного или нескольких углублений в верхней части внутренней поверхности цилиндра, выходящих в камеру сгорания и образующих каналы, сообщающие камеру сгорания с рабочей полостью цилиндра, при крайнем верхнем положении дополнительного поршня.

Словосочетание "крайнее верхнее положение дополнительного поршня" означает его наивысшую точку подъема, когда он или его шток упирается в какой-либо ограничивающий элемент конструкции двигателя, например в головку цилиндра, выпускной клапан и т.д. При выполнении камеры сгорания в виде нескольких, например двух, открытых снизу полостей в нижнем торце головки цилиндра, примыкающих сбоку снаружи к седлу выпускного клапана, углубления в верхней части внутренней поверхности цилиндра выходят в каждую полость и обеспечивают сообщение каждой полости камеры сгорания с рабочей полостью цилиндра при крайнем верхнем положении дополнительного поршня.

Выполнение элемента перепуска вышеуказанным способом позволяет исключить из конструкции ДВС нестабильный и ненадежный элемент. В известных ДВС элемент перепуска, выполненный в виде перепускного клапана, является элементом, подверженным активным динамическим нагрузкам, т.к. расположен в теле дополнительного поршня. Под воздействием сильных динамических нагрузок перепускной клапан подвержен деформациям и т.п., что значительно снижает стабильность и надежность его работы и ограничивает быстроходность двигателя.

Дополнительный поршень выполнен из титана или стали, при этом толщина его днища составляет 5% и меньше, преимущественно 1,5-2% размера его наружного диаметра, что позволяет сделать дополнительный поршень легким, прочным и жаростойким, что снижает инерционные нагрузки на дополнительный поршень, увеличивает его надежность и позволяет увеличить быстроходность двигателя.

Совокупность вышеприведенных существенных признаков позволяет увеличить как минимум надежность, а в частных случаях выполнения упростить конструкцию и улучшить топливную экономичность двухтактного ДВС с дополнительным поршнем, что и является техническим результатом изобретения.

Анализ известных технических решений, касающихся двухтактных двигателей внутреннего сгорания с дополнительным поршнем, а также анализ совокупности существенных признаков заявляемого изобретения позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».

Возможность обеспечения предлагаемой совокупностью существенных признаков поставленной технической задачи позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения критерию «изобретательский уровень».

Возможность реального осуществления предлагаемого изобретения позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».

Заявленное изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан заявленный двигатель в разрезе, в момент начала рабочего хода. Основной поршень находится в ВМТ (внутренняя мертвая точка), дополнительный поршень прижат к основному и находится в верхнем крайнем положении. Стрелки на основном поршне на всех фигурах означают направление его движения.

На фиг.2 показано окончание рабочего хода, момент остановки дополнительного поршня и отрыва от него основного поршня.

На фиг.3 - основной поршень в НМТ (наружная мертвая точка) и начинает движение вверх, упор нижнего штока упирается в упорную втулку и обеспечивает фиксированное расстояние между поршнями.

На фиг.4 - окончание очистки цилиндра, дополнительный поршень в верхнем крайнем положении, и начинается процесс сжатия смеси основным поршнем и ее перепуск в камеру сгорания.

На фиг.5 показан вариант выполнения привода выпускного клапана с одним толкателем, а также показано средство удержания выпускного клапана в открытом положении, выполненное в виде пружины.

На фиг.6 - сечение по А-А (фиг.2), вариант камеры сгорания с одной боковой полостью.

На фиг.7 - сечение по А-А (фиг.2), вариант камеры сгорания с двумя боковыми полостями.

Заявленный двухтактный ДВС содержит (фиг.1) цилиндр 1 с нижним впускным окном 2, сообщающимся с нагнетателем 3 с присоединенным к нему карбюратором 4. В полости цилиндра 1 установлен основной поршень 5 с юбкой поршня 6 и наклонными пазами 7 (фиг.4), выполненные на верхней наружной кромке поршня. В верхней и нижней частях юбки 6, на ее наружной поверхности, установлены компрессионные кольца 8, а в нижней части юбки установлено маслосъемное кольцо 9 (фиг.1). Основной поршень 5 связан с коленчатым валом двигателя (не показан) посредством шатуна 10. В рабочей полости цилиндра 1 выше основного поршня 5 установлен дополнительный поршень 11, на котором сверху закреплен шток 12 с выступом на его верхнем конце в виде головки 13. Дополнительный поршень 11 (фиг.3) подвижно связан с основным поршнем 5 с возможностью его ограниченного продольного перемещения относительно основного поршня 5. Связь осуществляется при помощи нижнего штока 14 с упором большего диаметра 15 на его нижнем конце, при этом шток 14 закреплен в дополнительном поршне 11 снизу и подвижно размещен в отверстии ограничительной втулки 16 (фиг.3), закрепленной в днище основного поршня 5, которая ограничивает перемещение дополнительного поршня относительно основного.

Цилиндр 1 закрыт сверху головкой цилиндра 17с выпускной трубой 18. Между дополнительным поршнем 11 при его крайнем верхнем положении и головкой цилиндра 17 размещена камера сгорания, содержащая одну (фиг.1, 6) или несколько, например две (фиг.1, 7), открытые снизу полости, левую 19 и правую 20, прилегающие сбоку снаружи к седлу выпускного клапана 21. В каждой полости камеры сгорания установлена свеча зажигания 22. Элемент перепуска свежего заряда выполнен в виде перепускного канала в верхней части внутренней стенки цилиндра 1, образованного одним или несколькими углублениями 23 (фиг.4), выходящими непосредственно в левую полость камеры сгорания 19 и правую полость 20 и сообщающими камеру сгорания с рабочей полостью цилиндра 1 во время сжатия и перепуска смеси. В головке цилиндра 17 соосно с цилиндром 1 установлен выпускной клапан, содержащий тарелку 24 со стержнем клапана 25 (фиг.2). В теле выпускного клапана выполнена осевая полость 26, в которой размещена головка штока 13 с возможностью ее свободного перемещения вдоль полости. В осевой полости снизу образован внутренний выступ 27, выполненный в виде кругового выступа 12 (фиг.1), а сверху полость 26 ограничена заглушкой 28.

Выпускной клапан упирается в седло клапана 21, закрепленное в головке цилиндра, при этом седло клапана и сам клапан установлены соосно с цилиндром двигателя. Для смягчения удара при закрытии выпускного клапана он имеет гидроамортизатор, заполненный маслом, содержащий гидроцилиндр 29 (фиг.4), закрепленный на головке цилиндра 17, в котором установлен гидропоршень 30 с наклонными боковыми продольными пазами 31, закрепленный на стержне клапана 25.

Средство удержания выпускного клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных газов содержит упругое, разрезное кольцо 32 (фиг.1), установленное на стержне клапана 25 с натягом и размещенное в кольцевой канавке 33, которая выполнена в отверстии гидроцилиндра 29 под стержень клапана 25, на котором выполнена фиксирующая канавка 34 под кольцо 32. При этом на стержне выпускного клапана 25 под гидропоршнем 30 установлена возвратная пружина 35 (фиг.2), толкающая клапан вверх, но она не является обязательным элементом конструкции. Средство удержания клапана в открытом положении может быть выполнено также в виде пружины 36, создающей постоянное давление на выпускной клапан, направленное вниз (фиг.5), при этом возвратная пружина 35 в конструкции не устанавливается.

Выпускной клапан оснащен приводом, содержащим один или несколько, например два, толкателя (верхний и нижний), размещенных на штоке дополнительного поршня 12 и воздействующих на клапан, обеспечивая его работу. Привод выпускного клапана не содержит новых конструктивных элементов, он использует уже имеющиеся, изменяется только их взаимное расположение. При выполнении привода с одним толкателем, в качестве толкателя использована головка штока 13, которая размещена в осевой полости 26 (фиг.5) с возможностью взаимодействия с заглушкой полости 28 при ходе штока вверх и с внутренним выступом 27 при ходе штока вниз. При выполнении привода выпускного клапана с двумя толкателями в качестве верхнего толкателя использована также головка штока 13, взаимодействующая с выступом 27, а нижним толкателем является дополнительный поршень 11, закрепленный в нижней части штока 12 с возможностью воздействия на клапан при подходе дополнительного поршня к его крайнему верхнему положению, т.е. головка штока 13 толкает клапан сверху вниз, открывая его, а дополнительный поршень толкает клапан снизу вверх, закрывая его, в этом случае головка штока 13 не достает до заглушки полости 28 (фиг.1). Тогда, как в случае с одним толкателем, дополнительный поршень 11 не достает до тарелки клапана 24 (фиг.5). Возможен средний вариант, при котором головка штока 13 и дополнительный поршень 11, при его подходе к крайнему верхнему положению, толкают клапан одновременно, закрывая его (на чертеже не показан).

На дополнительном поршне 11 закреплена тарельчатая упругая шайба 37 (фиг.2), смягчающая удар дополнительного поршня о клапан. Чтобы исключить или уменьшить утечку смеси через выпускной клапан во время его закрытия, в нижней внутренней части седла выпускного клапана 21 может быть выполнена цилиндрическая расточка 38 (фиг.2, 4) размером под наружный диаметр тарелки клапана 24 (тарелка - нижняя часть клапана) и в которую свободно входит тарелка при закрытии клапана.

Работа заявленного ДВС осуществляется следующим образом.

Основной поршень 5 (фиг.1), находящийся в положении ВМТ, под давлением сгорающей смеси в камере сгорания (19, 20), размещенной между головкой цилиндра 17 и дополнительным поршнем 11, начинает двигаться вниз, совершая рабочий ход. При этом дополнительный поршень 11 прижат давлением газов к основному поршню 5 и движется вместе с ним.

Шток 12 с головкой штока 13 также движется вниз вместе с дополнительным поршнем. При этом головка штока 13 свободно движется в осевой полости 26. Когда дополнительный поршень 7 подходит к верхней кромке впускного окна 2, головка штока 13 толкает внутренний выступ 27 (фиг.2), а через него и выпускной клапан, который открывается, и отработанные газы начинают выходить в атмосферу через выпускную трубу 18, т.е. головка штока 13 выполняет роль толкателя выпускного клапана в механизме привода выпускного клапана. При движении выпускного клапана вниз во время его открытия упругое разрезное кольцо 32 (фиг.1) скользит по стержню клапана 25 и заскакивает в фиксирующую канавку 34, при этом выпускной клапан останавливается и фиксируется в открытом положении. В случае выполнения средства удержания выпускного клапана в открытом положении в виде пружины 36, которая постоянно давит на клапан, клапан остается в открытом положении, т.к. пружина 36 преодолевает динамические усилия от выходящих отработанных газов через выпускной клапан. Дополнительный поршень 11, дойдя до верхней кромки впускного окна 2, также останавливается, обеспечивая возможность разделения отработанных газов и свежей порции смеси, т.к. головка штока 13 упирается во внутренний выступ выпускного клапана 27, а выпускной клапан через гидропоршень 30, закрепленный на стержне клапана 25, упирается в элемент конструкции двигателя, в данном случае в головку цилиндра 17 (фиг.2), таким образом обеспечивается движение дополнительного поршня между камерой сгорания и верхней кромкой впускного окна 2.

Основной поршень 5 продолжает движение вниз и отрывается от дополнительного поршня 11 (фиг.2). В этот момент заканчивается рабочий ход основного поршня, т.к. сгоревшие газы больше не давят на него через дополнительный поршень 11, а их избыточное давление уходит в атмосферу через выпускной клапан, т.е. длина рабочего хода равна полному ходу дополнительного поршня от верхнего крайнего положения до верхнего края впускного окна 2 (фиг.2).

Основной поршень 5, продолжая двигаться вниз, открывает впускное окно 2 и доходит до НМТ, при этом ограничительная втулка 16 скользит по нижнему штоку 14, а топливно-воздушная смесь из карбюратора 4, сжатая нагнетателем 3, через впускное окно 2 устремляется в пространство между поршнями (фиг.3), толкает дополнительный поршень 11 вверх и упор штока 15, упирается в упорную втулку 16.

Таким образом, подвижная связь между дополнительным и основным поршнями позволяет обеспечить фиксированное расстояние между поршнями Н (фиг.3), а значит и фиксированный объем смеси, подаваемой в цилиндр, и фиксированную степень сжатия смеси основным поршнем 5.

Весовое количество смеси регулируется дроссельной заслонкой карбюратора 4 (не показана), за счет чего изменяется давление смеси на выходе из нагнетателя. Оптимально, нагнетатель 3 может сжимать смесь в 1,5-2 раза, а избыточное давление на выходе из нагнетателя за счет дроссельной заслонки изменяется от 0,5-1 атм (0,5-1 кгс/см²) до 0,2 атм и ниже, т.е. минимальное избыточное давление смеси при полностью закрытой дроссельной заслонке может опуститься до 0,2 кгс/см² (в режиме холостого хода) и ниже (при торможении двигателем), при этом количество смеси, подаваемой в цилиндр, уменьшается в режиме холостого хода почти в 2 раза, а при торможении двигателем за счет более высоких оборотов двигателя разрежение за дроссельной заслонкой увеличивается и на выходе из нагнетателя давление смеси упадет до атмосферного и ниже, при этом подача смеси в цилиндр будет происходить через один, два такта, по мере накопления давления смеси на выходе из нагнетателя.

Достигнув НМТ, основной поршень 5 (фиг.3) начинает двигаться вверх (к головке цилиндра), при этом дополнительный поршень 11 также движется вверх под избыточным давлением смеси, т.е. движется согласованно с основным поршнем, сохраняя фиксированное расстояние между поршнями Н и фиксированную порцию смеси, подаваемой в цилиндр. Такая конструкция позволяет осуществлять работу двигателя с перерасширением (дополнительным расширением) сгоревшей смеси во время рабочего хода.

Для обеспечения работы заявленного двигателя в режиме дополнительного расширения сгоревших газов во время рабочего хода фиксированное расстояние между поршнями во время наполнения цилиндра Н (фиг.3) и степень повышения давления в нагнетателе ε_к могут быть выбраны исходя из условия Н×ε_к<L,

где ε_к - степень повышения давления смеси в компрессоре (нагнетателе), определяется как отношение давления на выходе из компрессора к давлению на входе. Для роторно-шестеренчатого нагнетателя 3, изображенного на фиг.1, оптимально ε_к=1,5-2;

L - полный ход дополнительного поршня в цилиндре во время рабочего хода (от его крайнего верхнего положения до верхней кромки впускного окна).

Оптимально Н×ε_к может составлять 50-60% от полной длины хода дополнительного поршня (от верхнего крайнего положения до верхней кромки впускного окна). При этом объем камеры сгорания соответственно уменьшен до значений, обеспечивающих оптимальную степень сжатия смеси в конце такта "сжатие", т.е. геометрическая степень сжатия смеси может достигать 18-20 и более, но не переходя границы детонации смеси, обеспечивая глубокое расширение (дорасширение) сгоревшей смеси во время рабочего хода. Это позволяет увеличить термодинамический кпд двигателя, что значительно улучшает его топливную экономичность.

Конструкция позволяет также осуществлять работу двигателя при H×ε_к≥L, при этом топливная экономичность будет уменьшаться, но расти его литровая мощность.

После прохождения НМТ основной поршень 5 продолжает двигаться вверх, закрывает впускное окно 2 и продолжает двигаться дальше вверх совместно с дополнительным поршнем 11, т.к. последний поджат давлением смеси. При этом дополнительный поршень 11 производит очистку цилиндра 1 от остаточных, отработанных газов.

При подходе дополнительного поршня 11 к крайнему верхнему положению он толкает тарелку клапана 24 снизу (фиг.4), закрывая выпускной клапан и выполняя роль нижнего толкателя клапана. При выполнении привода выпускного клапана с одним толкателем головка штока при подходе дополнительного поршня 11 к его крайнему верхнему положению толкает заглушку полости 28 (фиг.5) и закрывает выпускной клапан, при этом дополнительный поршень 11 не достает до тарелки клапана 25 (фиг.5). Упругое разрезное кольцо 32 при закрытии клапана выходит из фиксирующей канавки 34 и освобождает выпускной клапан, а возвратная пружина 35 помогает закрывать клапан, но она не является обязательным элементом конструкции. Удар дополнительного поршня 11 о тарелку выпускного клапана 24 смягчается за счет тарельчатой упругой шайбы 37.

Тарельчатая упругая шайба 37 (фиг.2) может устанавливаться преимущественно на быстроходных двигателях и выполняться из титана, при этом сам дополнительный поршень, выполненный из титана или стали с толщиной днища 5% и меньше от его наружного диаметра, обладает приемлемой упругостью.

При закрытии выпускного клапана вступает в работу гидроамортизатор клапана (фиг.5), который смягчает удар за счет того, что гидропоршень 30, закрепленный на стержне клапана 25, сжимает масло в гидроцилиндре 29 и выдавливает его через пазы 31, проходное сечение пазов 31 по мере движения стержня клапана 25 вверх вместе с гидропоршнем 30 уменьшается и сходит на нет, при этом вертикальная скорость выпускного клапана также уменьшается и сходит на нет в момент посадки его в седло клапана 21.

За время хода выпускного клапана из открытого положения в закрытое может произойти утечка свежей смеси через выпускной клапан, т.к. дополнительный поршень 11 одновременно открывает перепускные каналы 23, через которые смесь устремляется в камеру сгорания. Если седло выпускного клапана 21 выполнено с цилиндрической расточкой 38 (фиг.2, 4), тарелка клапана 24 входит в цилиндрическую расточку 38 и закрывает клапан раньше, чем полностью откроются полости перепускного канала 23, а когда тарелка клапана 24 доходит до конца и упирается в седло 21, происходит более герметичное закрытие клапана. При этом качество очистки цилиндра от остаточных газов ухудшается, т.е. цилиндрическая расточка 38 не является обязательным признаком, это вопрос выбора. Расчет показывает, что утечка смеси без цилиндрической расточки может составить 3-5%.

С момента закрытия выпускного клапана начинается процесс сжатия и перепуска топливно-воздушной смеси из рабочей полости цилиндра в полости камеры сгорания 19 и 20 (фиг.5) по перепускному каналу 23 за счет движения основного поршня 5 вверх к ВМТ. Дополнительный поршень 11 в это время находится в верхнем крайнем положении и прижат напором перепускаемой смеси к внутренней торцевой стенке головки цилиндра 17 или к выпускному клапану 24. При подходе основного поршня 5 к дополнительному 11 вблизи ВМТ сжатая смесь уходит из пространства между поршнями через косые пазы 7 в расположенные напротив выемки перепускного канала 23. Вблизи ВМТ, на свечи зажигания 22 подается электрический разряд, смесь в полостях камеры сгорания воспламеняется, начинается процесс сгорания смеси, и когда основной поршень 5 перейдет ВМТ, начинается новый рабочий ход, описанный выше.

Для уменьшения утечки газов, смеси и масла через зазор: основной поршень-цилиндр, компрессионные кольца могут быть установлены в верхней и нижней частях юбки, а маслосъемное кольцо - в нижней части юбки. Хотя это не обязательный признак, заявленный двигатель может работать и при обычной схеме установки колец (все кольца установлены в верхней части юбки поршня).

Для компенсации увеличенного трения при установке маслосъемного кольца в нижней части юбки могут быть использованы более вязкие масла.

Заявленный двигатель может работать с нагнетателем (компрессором) преимущественно объемного типа, жестко связанным с коленчатым валом двигателя механической передачей. Например, нагнетатель может быть выполнен в виде роторно-шестеренчатого или поршневого компрессора (не показан). Хотя возможны и схемы с использованием турбокомпрессора, связанного или не связанного с коленчатым валом двигателя.

Заявленный двигатель может быть выполнен без карбюратора, с впрыском топлива, в том числе с непосредственным впрыском в камеру сгорания, его работа не будет отличаться от описанной выше.

Заявленный двигатель может работать и в варианте дизеля, для этого вместо свечи зажигания устанавливают топливные форсунки, объем камеры сгорания соответственно уменьшают и из конструкции убирают карбюратор.

Изобретение относится к двухтактным ДВС с дополнительным поршнем. Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение надежности двигателя внутреннего сгорания этого типа. Технический результат достигается тем, что средство впуска выполнено в виде, как минимум, одного нижнего впускного окна в стенке цилиндра, которое сообщено с нагнетателем. Средство выпуска выполнено в виде выпускного клапана, содержащего тарелку со стержнем клапана и седла выпускного клапана, установленных в головке цилиндра соосно с цилиндром. В выпускном клапане выполнена осевая полость, в которой подвижно размещен шток дополнительного поршня с выступом в виде головки на его верхнем конце, при этом осевая полость сверху ограничена заглушкой, а снизу в полости образован внутренний выступ, в который упирается головка штока при ходе вниз, ограничивая ход дополнительного поршня. Выпускной клапан оснащен приводом, содержащим один или несколько толкателей, размещенных на штоке дополнительного поршня и воздействующих на клапан, обеспечивая его работу, при этом выпускной клапан оснащен амортизатором, обеспечивающим смягчение удара выпускного клапана о седло при его закрытии, а также выпускной клапан оснащен средством удержания клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных отработанных газов. Камера сгорания размещена между головкой цилиндра и дополнительным поршнем при его верхнем крайнем положении, при этом движение дополнительного поршня осуществляется между камерой сгорания и верхней кромкой впускного окна. Дополнительный поршень подвижно связан с основным поршнем с возможностью его ограниченного продольного перемещения относительно основного поршня для обеспечения фиксированного расстояния между поршнями во время наполнения цилиндра свежим зарядом. 21 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с дополнительным поршнем, включающий, по меньшей мере, один цилиндр, головку цилиндра, средство впуска, средство выпуска, камеру сгорания, основной поршень с поршневыми кольцами и юбкой, движущийся в цилиндре возвратно-поступательно и связанный с коленчатым валом двигателя; дополнительный поршень, движущийся в цилиндре выше основного поршня, дополнительный поршень снабжен штоком, закрепленным на нем сверху, с возможностью ограничения хода дополнительного поршня; элемент перепуска свежего заряда в камеру сгорания, отличающийся тем, что средство впуска выполнено в виде, как минимум одного, нижнего впускного окна в стенке цилиндра, которое сообщено с нагнетателем; средство выпуска выполнено в виде выпускного клапана, содержащего тарелку со стержнем клапана, и седла выпускного клапана, установленных в головке цилиндра, в выпускном клапане выполнена осевая полость, в которой подвижно размещен шток дополнительного поршня с выступом в виде головки на его верхнем конце, при этом осевая полость сверху ограничена заглушкой, а снизу в полости образован внутренний выступ, в который упирается головка штока при ходе вниз, ограничивая ход дополнительного поршня; выпускной клапан оснащен приводом, содержащим один или несколько толкателей, размещенных на штоке дополнительного поршня и воздействующих на клапан, обеспечивая его работу; выпускной клапан оснащен амортизатором, выпускной клапан оснащен средством удержания клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных отработанных газов; камера сгорания размещена между головкой цилиндра и дополнительным поршнем при его верхнем крайнем положении, дополнительный поршень связан с основным поршнем, с возможностью его ограниченного продольного перемещения относительно основного поршня, для обеспечения фиксированного расстояния между поршнями во время наполнения цилиндра свежим зарядом.2. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в нижней внутренней части седла выпускного клапана выполнена цилиндрическая расточка под наружный диаметр тарелки клапана, в которую подвижно входит тарелка при закрытии клапана.3. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренний выступ в нижней части осевой полости выпускного клапана выполнен в виде кругового выступа.4. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что привод выпускного клапана содержит один толкатель, в качестве которого использована головка штока, которая размещена в осевой полости выпускного клапана с возможностью взаимодействия с заглушкой полости при ходе штока вверх и с внутренним выступом полости при ходе штока вниз, обеспечивая закрытие и открытие выпускного клапана.5. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что привод выпускного клапана содержит два толкателя, верхний и нижний, при этом в качестве верхнего толкателя использована головка штока, взаимодействующая с внутренним выступом осевой полости клапана при ходе штока вниз, а нижним толкателем является дополнительный поршень, закрепленный в нижней части штока с возможностью воздействия на клапан при подходе дополнительного поршня к его крайнему верхнему положению.6. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что амортизатор выпускного клапана выполнен в виде гидроамортизатора.7. Двухтактный двигатель по п.6, отличающийся тем, что гидроамортизатор содержит гидроцилиндр, заполненный жидкостью и закрепленный в головке цилиндра, в котором подвижно установлен гидропоршень с наклонными боковыми продольными пазами, закрепленный на стержне клапана.8. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что выпускной клапан имеет возвратную пружину, установленную под гидропоршнем на стержне выпускного клапана и толкающую клапан вверх.9. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что средство удержания выпускного клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных газов, содержит упругое разрезное кольцо, установленное на стержне клапана с натягом и размещенное в кольцевой канавке, выполненной в отверстии под стержень клапана в гидроцилиндре, при этом на стержне клапана выполнена фиксирующая канавка.10. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что средство удержания выпускного клапана в открытом положении во время очистки цилиндра от остаточных газов выполнено в виде пружины, создающей постоянное давление на клапан, направленное вниз.11. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания содержит одну открытую снизу полость в нижнем торце головки цилиндра, примыкающую сбоку к седлу выпускного клапана.12. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания содержит несколько, например, две открытые снизу полости в нижнем торце головки цилиндра, примыкающие сбоку к седлу выпускного клапана.13. Двухтактный двигатель по п.1 или 12, отличающийся тем, что в каждой полости камеры сгорания установлена свеча зажигания и/или топливная форсунка.14. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поршень подвижно связан с основным поршнем с помощью нижнего штока, закрепленного на дополнительном поршне снизу, и подвижно установленного в отверстии ограничительной втулки, которая закреплена в днище основного поршня, при этом на нижнем конце нижнего штока выполнен упор.15. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что фиксированное расстояние между дополнительным и основным поршнем во время наполнения цилиндра умноженное на степень сжатия нагнетателя меньше полной длины хода дополнительного поршня в цилиндре двигателя.16. Двухтактный двигатель по п.1 или 15, отличающийся тем, что фиксированное расстояние между поршнями, умноженное на степень сжатия нагнетателя составляет 50-60% полного хода дополнительного поршня.17. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессионные кольца установлены в верхней и нижней части юбки основного поршня, а маслосъемное кольцо - в нижней части юбки.18. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поршень выполнен из титана или стали, с толщиной днища составляющей 5% и менее от его наружного диаметра.19. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поршень снабжен упругой тарельчатой шайбой, закрепленной на нем сверху и смягчающей удар дополнительного поршня о клапан.20. Двухтактный двигатель по п.14, отличающийся тем, что упругая тарельчатая шайба выполнена из титана.21. Двухтактный двигатель по п.1, отличающийся тем, что элемент перепуска свежего заряда в камеру сгорания выполнен в виде одного или нескольких углублений в верхней части внутренней поверхности цилиндра, выходящих в камеру сгорания и образующих перепускной канал, сообщающий камеру сгорания с рабочей полостью цилиндра при крайнем верхнем положении дополнительного поршня.22. Двухтактный двигатель по п.1, или 12, или 21, отличающийся тем, что углубления в верхней части внутренней поверхности цилиндра выходят в каждую полость камеры сгорания и обеспечивают сообщение каждой полости камеры сгорания с рабочей полостью цилиндра при крайнем верхнем положении дополнительного поршня.