ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ТОПЛИВЕ Российский патент 2010 года по МПК F02B25/08 F01B7/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к двухтактному двигателю внутреннего сгорания на топливе.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, работа которого оптимизирована и в котором устранены типичные недостатки двухтактных и четырехтактных двигателей.

Уровень техники

Начиная с 19 столетия не прекращается изучение и усовершенствование двигателей внутреннего сгорания с целью повышения их кпд при одновременном уменьшении загрязнения окружающей среды.

Технические особенности двух- и четырехтактных двигателей хорошо известны и далее обсуждаться не будут.

Однако следует отметить, что двухтактные двигатели имеют недостатки, сопряженные с удалением отработанных газов, а именно с загрязнением, вызванным выбросом масла, поступающего в камеру сгорания вместе с топливом, а также сопряженные с недостаточной надежностью двигателей. Напротив, четырехтактные двигатели имеют недостаточно высокий кпд, однако они надежнее двухтактных двигателей и поэтому более предпочтительны.

Сущность изобретения

В рамках концепции, охватывающей известные виды двигателей, включая дизельные, авторы изобретения предлагают новаторское решение для создания усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания.

Решение, предложенное в соответствии с настоящим изобретением, позволяет реализовать двигатель внутреннего сгорания на бензине или дизельном топливе, в соответствии с особенностями выбранной конструкции, благодаря чему максимально используются его возможности, в потребляемом топливе отсутствуют примеси, и смазка осуществляется отдельно, как в четырехтактных двигателях.

Предлагаемое решение вызвано необходимостью оптимизации рабочих циклов, в особенности двухтактных двигателей, которая обеспечивала бы полный выпуск сожженных газов и при этом максимальное заполнение цилиндра свежим воздухом без смешивания сожженных газов и свежего воздуха.

Другой задачей настоящего изобретения является создание двигателя, который обеспечивает лучшее сгорание и лучшее расширение.

Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является создание двухтактного двигателя внутреннего сгорания на бензине, дизельном топливе или других традиционных видах топлива, содержащего узел из поршня и цилиндра, цилиндр которого имеет выпускные отверстия и которое имеет головку, установленную с возможностью перемещения внутри указанного цилиндра между верхней мертвой точкой хода поршня и положением закрытия выпускных отверстий, причем перемещаемая головка имеет перепускной клапан для перепуска свежего воздуха или его смеси с топливом внутрь камеры сжатия и сгорания узла из цилиндра и поршня, перемещение указанной перемещаемой головки внутри цилиндра осуществляется приводными средствами, взаимодействующими с системой привода поршня, над указанной перемещаемой головкой расположен механизм впуска, обеспечивающий всасывание свежего воздуха или его смеси с топливом при нахождении перемещаемой головки между верхней мертвой точкой и точкой закрытия выпускного отверстия, указанные приводные средства перемещаемой головки содержат коленчатый вал, соединенный с выходным валом посредством зубчатого приводного ремня с передаточным отношением 1:1, указанный кулачок имеет такую кривизну толкающей поверхности, которая обеспечивает возможность воздействия с задержкой на перемещаемую головку несмотря на ее вращение, и содержит прямолинейную часть, позволяющую осуществлять быстрый подъем головки под действием пружин, так что при закрытии поршнем выпускных отверстий головка оказывается в верхней мертвой точке, выполнив действие впуска свежей горючей смеси через перепускной клапан.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения указанная перемещаемая головка имеет перепускной клапан, управляемый по меньшей мере пружиной.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением указанные приводные средства перемещаемой головки обеспечивают передачу движения от выходного вала к вращающему валу перемещаемой головки.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением над указанной перемещаемой головкой выполнено окно для поступления свежего воздуха или его смеси с топливом, при этом на указанном вращательном валу перемещаемой головки размещен вращающийся диск, на котором размещено второе окно, которое совмещается с указанным первым окном для поступления свежего воздуха или его смеси с топливом в соответствии с ходом указанной перемещаемой головки между верхней мертвой точкой и точкой закрытия выпускного отверстия.

Предлагаемая указанная перемещаемая головка может приводиться в действие механической, гидравлической или пневматической системой, или электромагнитной катушкой.

Кроме того, предлагаемая указанная перемещаемая головка может перемещаться под действием пружины.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением в верхней части двигателя может быть установлена свеча зажигания, которая также может быть установлена на перемещаемой головке.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением перепускной клапан перемещаемой головки может быть выполнен в виде пружинной пластины или в виде клапана другого типа, ограничиваемого внутренними размерами перемещаемой головки. В соответствии с настоящим изобретением на верхней поверхности поршня может находиться гнездо клапана, согласованное с формой указанной перемещаемой головки.

Двигатель в соответствии с настоящим изобретением может работать на бензине или дизельном топливе.

Кроме того, двигатель может быть укомплектован типовой системой подачи топлива, как, например, карбюраторной системой или системой прямого впрыска.

Также в соответствии с настоящим изобретением могут быть предусмотрены средства для уменьшения воздействия вспышки пламени на перемещаемую головку.

В соответствии с настоящим изобретением указанная головка может приводиться в действие электрической катушкой, сжатым воздухом или гидравлическими механизмами.

Предлагаемый двигатель обеспечивает следующие преимущества:

- оптимизированные циклы выброса выхлопных газов, а также всасывания свежего воздуха внутрь цилиндра;

- одновременный и разделенный обмен (отработанного и свежего) газов внутри цилиндра, который особенно важен для двухтактных двигателей, в настоящее время страдающих от недостаточной или неэффективной продувки цилиндра и недостаточного наполнения его свежим воздухом;

- управляемое воспламенение горючей смеси и ход перемещаемой головки;

- полное исключение необходимости применения классических клапанов, а также сопутствующих механизмов управления и движения;

- двигатель, обладающий преимуществами четырехтактных двигателей с тем отличием, что, в то время как полный цикл традиционного четырехтактного двигателя требует двух оборотов выходного вала, двигатель в соответствии с настоящим изобретением совершает полный цикл за один оборот выходного вала, как в традиционных двухтактных двигателях;

- ликвидированы каналы передачи смеси газа и топлива от картера двигателя к цилиндру;

- возможность применения типичной смазки для четырехтактных двигателей;

- отсутствие необходимости использования смеси масла и топлива, обеспечивая, таким образом, заметные преимущества в отношении защиты окружающей среды;

- возможность предотвратить все недостатки традиционных двухтактных двигателей и в то же время сохранить их преимущества;

- другие конструктивные преимущества, в особенности относящиеся к форме головки двигателя.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее будет описано с целью иллюстрации, а не ограничения, в соответствии с предпочтительными вариантами конструкции, с конкретными ссылками на приложенные чертежи, на которых:

на фиг.1 представлен вид в разрезе первого варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением в первом рабочем положении;

на фиг.2 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на фиг.1, во втором рабочем положении;

на фиг.3 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на фиг.1, в третьем рабочем положении;

на фиг.4 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на фиг.1, в четвертом рабочем положении;

на фиг.5 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на фиг.1, в пятом рабочем положении;

на фиг.6 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на фиг.1, в шестом рабочем положении;

на фиг.7 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на фиг.1, в седьмом рабочем положении;

на фиг.8 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на предыдущих чертежах, в последующем рабочем положении;

на фиг.9 представлен вид в разрезе двигателя, представленного на предыдущих чертежах, подобных фиг.8, еще в одном рабочем положении;

на фиг.10 представлен вид в разрезе второго варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением в первом рабочем положении;

на фиг.11 представлен вид в разрезе второго варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением во втором рабочем положении;

на фиг.12 представлен вид в разрезе второго варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением в третьем рабочем положении;

на фиг.13 представлен вид в разрезе третьего варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением в первом рабочем положении;

на фиг.14 представлен вид в разрезе третьего варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением во втором рабочем положении;

на фиг.15 представлен вид в разрезе четвертого варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением в первом рабочем положении;

на фиг.16 представлен вид в разрезе четвертого варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением во втором рабочем положении; и

на фиг.17 представлен вид в разрезе четвертого варианта реализации двигателя в соответствии с настоящим изобретением в третьем рабочем положении.

Осуществление изобретения

На фиг.1-9 приложенных чертежей представлен первый вариант реализации предлагаемого двигателя, содержащего цилиндр 1, поршень 2, кривошипно-шатунный механизм, образованный шатуном 3 и кривошипом 4 и служащий для перемещения поршня 2, перемещаемую головку 5, которая подробно описана далее, кривошипно-шатунный механизм, образованный шатуном 6 и кривошипом 7 и служащий для перемещения перемещаемой головки, всасывающий механизм 8 для всасывания воздуха и/или топлива, который подробно описан далее, а также подробно описанный далее передаточный механизм 10 для передачи движения (см. фиг.8 и 9) кривошипно-шатунного механизма, образованного шатуном 6 и кривошипом 7 и служащего для перемещения головки 5.

Как видно из чертежей, двигатель в соответствии с настоящим изобретением содержит расположенное в цилиндре 1 стандартного двухтактного двигателя дискообразное цилиндрическое тело 5 с воздушным перепускным клапаном 9, которое имеет большой диаметр и приводится в действие пружиной 10.

Перемещаемая головка 5 вместе с клапаном 9 представляет собой многофункциональный механизм, служащий для продувки цилиндра, благодаря которой происходит выпуск выхлопных газов через выпускные отверстия 11 с одновременным впуском свежего воздуха внутрь цилиндра 1.

Цикл работы двигателя, показанного на фиг.1-9 приложенных чертежей, вкратце описан далее.

На фиг.1 поршень 2 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), в которой происходит воспламенение с помощью свечи 12 зажигания. Следует подчеркнуть, что воспламенение топливной смеси может быть осуществлено любыми другими средствами, при этом топливная смесь может всасываться вместе с воздухом или вводиться отдельно, например впрыском с электронным управлением.

Как следует из чертежей, над перемещаемой головкой 5 установлен диск 8, выполненный с обеспечением возможности его вращения и имеющий окно 13, предназначенное для поступления воздуха или воздушно-топливной смеси и взаимодействующее с окном 14, показанным пунктирной линией на фиг.1-7 и основной линией на фиг.8 и 9.

В положении, показанном на фиг.1, окно 13 не совмещено с окном 14, и свежий воздух, таким образом, не поступает.

Процесс расширения происходит после воспламенения (фиг.2.), так что поршень 2 достигает позиции, близкой к перекрытию выпускного отверстия 11, выполненного в корпусе цилиндра.

В дальнейшем (фиг.3 и 4.) поршень 2 продолжает перемещаться вниз, открывая выходные отверстия 11 для выброса выхлопных газов. После этого перемещаемая головка 5 начинает движение вниз под действием средств передачи движения от шатуна 3 и кривошипа 4, составляющих механизм движения поршня 2, к головке 5, как подробно описано далее.

Как следует из чертежей, перемещаемая головка 5 проходит через всю камеру 15 цилиндра, в то время как поршень 2 закрывает место расположения отверстий 11.

Таком образом происходит полная продувка камеры 15 с выпуском всех содержащихся в ней газов.

В то же время окно 13 полностью совмещено с окном 14 и обеспечивает поступление воздуха или воздушно-топливной смеси в камеру 16 и, следовательно, также в камеру 15 по мере ее расширения.

После достижения нижней мертвой точки (НМТ) снова начинается подъем поршня 2 и головки 5.

В то время как поршень 2 полностью перекрывает отверстия 11, головка 5 достигает верхней мертвой точки, обеспечивая, таким образом, подачу свежего воздуха из камеры 16 в камеру 15 через перепускной клапан 9. По существу, внутри камеры 16, доступ в которую снаружи в этой фазе закрыт, поскольку окна 13 и 14 не совмещены, происходит сжатие, которое преодолевает силу пружины 10 и открывает перепускной клапан 9, сохраняя такое состояние до закрытия клапана 9 в позиции, показанной на фиг.6.

В этой позиции поршень 2 закрывает выходные отверстия 11, и начинается фаза сжатия, которая продолжается до достижения позиции, показанной на фиг.7.

Таким образом, в предлагаемом двигателе фаза очистки цилиндра и поступления свежего воздуха совпадает с движением перемещаемой головки 5 к НМТ (фиг.2 и 3).

В течение фазы подъема перемещаемой головки 5 к НМТ, перепускной клапан 9 остается открытым, обеспечивая, таким образом, доступ воздуха из верхней части 16 в нижнюю часть 15, то есть в пространство между головкой 5 и поршнем 2.

Механизм реализован таким образом, что перемещаемая головка 5 начинает движение от своего ВМТ к НМТ именно тогда, когда поршень начинает открывать отверстия 11, и оканчивает тогда, когда поршень 2 приходит в свою НМТ (фиг.4).

Когда поршень 2 оказывается в этой позиции, перемещаемая головка 5 совершает полный такт и находится в своей НМТ.

В то время как поршень 2 начинает движение вверх и пока выходные отверстия 11 остаются закрытыми, перемещаемая головка 5 совершает движение вверх к своей ВМТ.

Движение головки 5 осуществляется посредством механизма передачи движения 10, который вместе с выходным валом 17 передает вращение на ось 18 перемещаемой головки 5.

Передача вращения происходит в соответствии с величиной установленного угла поворота выходного вала 17, и в частности при угле величиной примерно 104 градуса, который соответствует дуге между точкой, в которой выходные отверстия начинают открываться, и точкой, в которой выходные отверстия 11 закрываются (поршень 2 во время поворота выходного вала 17 в пределах указанного угла открывает выходные отверстия 11 и, пройдя свою НМТ, начинает двигаться к ВМТ до закрытия выходных отверстий 11).

Как следует из чертежей, верхняя часть 19 поршня 2 повторяет форму перемещаемой головки 5.

В варианте реализации, показанном на фиг.10, 11 и 12, на которых повторяющиеся номера позиций обозначают уже указанные в предыдущих вариантах реализации узлы и детали, кроме того, предусмотрена пружина 20, которая телескопически установлена внутри шатуна 6 механизма перемещения перемещаемой головки 5 и которая обеспечивает демпфирование удара, вызванного воспламенением горючей смеси, и уменьшает давление на шток перепускного клапана 9.

Пружины 21 предусмотрены для получения того же результата и расположены выше перемещаемой головки 5 (предпочтительное число пружин не указано).

Фиг.13 и 14, на которых повторяющиеся номера позиций обозначают уже указанные в предыдущих вариантах реализации узлы и детали, показывают еще один вариант реализации механизма 40 для передачи движения от шатуна 3 и кривошипа 4, образующих механизм перемещения поршня 2, к перемещаемой головке 5.

Механизм 40 включает диск 30 с дугообразным выступом 31, дуга которого приблизительно составляет 104 градуса в соответствии с дугой выходного вала 17, и который взаимодействует с зубчатым колесом 32 гидравлического насоса 33. Когда гидравлический насос приходит в действие, он поднимает давление масла, достаточное для активации движения перемещаемой головки 5.

На фиг.15-17, на которых повторяющиеся номера позиций обозначают уже указанные в предыдущих вариантах реализации узлы и детали, представлен еще один вариант реализации механизма приведения в движение перемещаемой головки 5.

В данном случае такое движение обеспечивает коленчатый вал, который связан с выходным валом 17 через зубчатый ремень (не показан) с передаточным отношением 1:1.

Кулачок 34 имеет такую кривизну толкающей поверхности, которая обеспечивает возможность воздействия указанного кулачка при его вращении с задержкой на перемещаемую головку.

Прямолинейная сторона кулачка обеспечивает быстрый подъем головки 5 под действием пружины 35, причем в то время, когда поршень 2 закрывает выходные отверстия 11, головка 5 находится в верхней мертвой точке, уже завершив передачу свежей смеси через клапан 9.

Таким образом, головка 5 совершает полный такт в тот промежуток времени, когда поршень 2 открывает и закрывает выходные отверстия 11.

Кроме того, указанная головка 5 может приводиться в действие электрической катушкой, сжатым воздухом или гидравлическими механизмами (не показаны), наряду с техническими решениями предыдущих вариантов реализации, которые также остаются допустимыми.

Настоящее изобретение описано исключительно с целью иллюстрации, а не с целью ограничения, в соответствии с предпочтительными вариантами реализации, однако следует отметить, что любые модификации и/или изменения могут быть внесены специалистами в этой области, если эти изменения не выходят за пределы объема настоящего изобретения, установленные прилагаемой формулой изобретения.

Двигатель включает узел из поршня (2) и цилиндра (1), имеющий выпускные отверстия (11) и головку (5), установленную с возможностью перемещения в цилиндре и включающую перепускной клапан (9) для перепуска воздуха (В) или смеси воздуха и топлива (ВТ) в камеру сжатия и сгорания (15). Перемещение головки внутри цилиндра осуществляется средствами приведения в действие, которые согласованы с системой приведения в действие поршня. Над перемещаемой головкой расположен механизм впуска (13, 14), обеспечивающий всасывание В или смеси (ВТ) при нахождении перемещаемой головки между ВМТ и положением закрытия выпускного отверстия. Средства приведения в действие перемещаемой головки включают вращающийся вал, соединенный с выходным валом посредством зубчатого приводного ремня с передаточным отношением 1:1. Кулачок имеет кривизну толкающей поверхности, которая обеспечивает возможность воздействия кулачка при его вращении с задержкой на головку и имеет прямолинейную часть, обеспечивающую быстрый подъем головки под действием пружин. Когда поршень закрывает выходные отверстия, головка оказывается в ВМТ, выполнив перепуск смеси через перепускной клапан. Такое выполнение позволяет оптимизировать циклы двигателя. 10 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания на топливе, который включает узел из поршня и цилиндра, имеющий выпускные отверстия и головку, установленную с возможностью перемещения в цилиндре между верхней мертвой точкой поршня и положением закрытия выпускных отверстий и включающую перепускной клапан для перепуска свежего воздуха или смеси свежего воздуха и топлива в камеру сжатия и сгорания узла из поршня и цилиндра, при этом перемещение указанной головки внутри цилиндра осуществляется средствами приведения в действие, которые согласованы с системой приведения в действие поршня, над перемещаемой головкой расположен механизм впуска, обеспечивающий всасывание свежего воздуха или смеси свежего воздуха с топливом при нахождении перемещаемой головки между верхней мертвой точкой и положением закрытия выпускного отверстия, указанные средства приведения в действие перемещаемой головки включают вращающийся вал, соединенный с выходным валом посредством зубчатого приводного ремня с передаточным отношением 1:1, а кулачок имеет такую кривизну толкающей поверхности, которая обеспечивает возможность воздействия указанного кулачка при его вращении с задержкой на перемещаемую головку, а также имеет прямолинейную часть, обеспечивающую быстрый подъем головки под действием пружин, причем когда поршень закрывает выходные отверстия, головка оказывается в верхней мертвой точке, выполнив перепуск свежей горючей смеси через перепускной клапан.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что указанная перемещаемая головка включает перепускной клапан, управляемый, по меньшей мере, пружиной.

3. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что указанные средства приведения в действие перемещаемой головки обеспечивают передачу движения от выходного вала к вращающемуся валу перемещаемой головки.

4. Двигатель внутреннего сгорания по пп.1 или 2, отличающийся тем, что над указанной перемещаемой головкой предусмотрено окно для поступления свежего воздуха или свежей воздушно-топливной смеси, а также вращающийся диск, который установлен на указанном вращающемся валу перемещаемой головки и в котором имеется второе окно, совмещаемое с указанным первым окном для поступления свежего воздуха или свежей топливной смеси в соответствии с перемещением указанной перемещаемой головки между верхней мертвой точкой и положением закрытия выходного отверстия.

5. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что свеча зажигания установлена на перемещаемой головке.

6. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что перепускной клапан перемещаемой головки выполнен в виде пружинной пластины.

7. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что на верхней поверхности поршня находится гнездо клапана, согласованное с формой указанной перемещаемой головки.

8. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что он работает на бензине или дизельном топливе.

9. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит типовую систему подачи топлива с применением карбюратора.

10. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что содержит систему подачи топлива с прямым впрыском.

11. Двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что включает средства уменьшения действия вспышки пламени на перемещаемую головку.