ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ Российский патент 2014 года по МПК F02B25/06 F02B33/18 

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным двигателям с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащим цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, два коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, причем каждый из них соединен шатуном с одним из поршневых пальцев [1].

Указанные двигатели обладают рядом преимуществ, главные из которых - возможность уравновешенности сил инерции возвратно-поступательных движущихся масс только за счет противовеса коленчатого вала, отсутствие сил, вызывающих повышенное трение поршня о стенки цилиндра, отсутствие реактивного крутящего момента, улучшенные удельные энергоэкономические параметры по мощности, массе и габаритам. Однако, учитывая темпы роста параметров классических двухтактных карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена и необходимость обеспечения конкурентоспособности предлагаемых двигателей, выполненных по схеме один цилиндр - два коленчатых вала, потребность в разработке мероприятий по дальнейшему повышению литровой мощности и снижению общей массы моторной установки становится очевидной.

Значительное увеличение мощности двигателей достигается за счет применения наддува. Только использование наддува за счет волновых явлений в выпускных системах в современных «двухтактниках» позволяет повысить их мощность на 40% [2], однако из-за больших габаритов и значительной массы такие системы для портативных изделий неприемлемы.

Для наддува двухтактных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена без применения настроенных выпускных систем необходимы компрессоры (нагнетатели), в которых сжимается воздух или горючая смесь до их поступления в цилиндр, и возможность осуществления дозарядки, для чего выпускные окна в цилиндре, как правило, должны закрываться раньше впускных.

Известны двигатели, например конструкции А. Иваницкого [3], использующие для обеспечения высоких энергоэкономических параметров автономные компрессоры и несимметричные фазы газораспределения за счет применения двухпоршневых двигателей со смещением одного из коленчатых валов по углу поворота. Известны двигатели «Цоллер» (прототип) [3], отличающиеся встроенным компрессором с картером переменного объема и обеспечением несимметричности фаз газораспределения аналогичным способом за счет наличия второго поршня, управляемого прицепным шатуном. Для привода картерного (нагнетательного) поршня используется дополнительный шатун, сочлененный с эксцентриком на коленчатом валу двигателя.

Подобные конструкции обычно используются для спортивных двигателей, которые по экономическим соображениям не могут конкурировать с обычными одноцилиндровыми двигателями той же мощности, достигаемой за счет простого увеличения объема.

Техническим результатом предлагаемого конструктивного решения является повышение мощности двигателя за счет увеличения среднего эффективного давления как минимум на 25…30% путем применения наддува при снижении его удельной массы на 15…20%, что обеспечит ему конкурентноспособность в условиях общего рынка.

Для достижения указанного результата двухтактный двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, два параллельных коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, причем каждый из валов соединен шатуном с одним из поршневых пальцев, снабжен с внутренней стороны соосно оси цилиндра двигателя встроенным компрессором (нагнетателем), поршень которого при помощи штока соединен с поршнем двигателя, наружная (нагнетательная) полость насоса соединена каналами с внутрикартерным пространством и служит для увеличения его наполнения топливной смесью, а внутренняя полость изолирована от внутрикартерного пространства с помощью уплотняющей втулки, размещенной в картере, и может использоваться в качестве компрессора для хозяйственных нужд; при этом для осуществления дозарядки цилиндр двигателя оборудован дополнительными впускными окнами, расположенными над основными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, а для предотвращения попадания продуктов сгоревшего топлива из цилиндра в картер в плоскости их разъема установлен обратный пластинчатый клапан (ОПК), перекрывающий газам доступ в картер, когда давление в нем меньше давления в цилиндре.

На фиг.1 изображен поперечный разрез предлагаемого двигателя, состоящего из двух половинок картера 1, в котором размещены коленчатые валы 2, связанные шатунами 3 с поршнем 4. Поршень имеет головку, размещенную не в верхней части поршня, а несколько ниже, образуя сверху как бы мини-юбку с впускными (продувочными) окнами 6, совпадающими с аналогичными окнами в гильзе 7 цилиндра 8. Выпускные окна 10 расположены над верхней кромкой юбки поршня при его положении в нижней мертвой точке (НМТ). Конструкция ОПК 9, устанавливаемого между цилиндром и картером, может быть выполнена в различных вариантах, например, см. фиг.2. Карбюратор (на чертеже не показан) устанавливается на крышку компрессора 16, также снабженную ОПК 15. Шток 12 имеет уплотняющую втулку 5, зафиксированную между половинками картера, и пластмассовый поршень 13 с компрессионным кольцом 14. Цилиндр компрессора снабжен гильзой. Для интенсификации процесса горения камера сгорания соединена с кольцевым пространством тангенциальными каналами 11. При использовании двигателя в качестве мотокомпрессора внутренняя полость насоса 17 оборудуется клапанной коробкой 18 с отсасывающими и нагнетательными клапанами, расположенными на пластине 19.

Применение двигателей с использованием предлагаемых технических решений целесообразно для привода различных механизмов, к которым предъявляются высокие требования по удельной массе и габаритам. Учитывая наличие у двигателя двух ведущих валов, вращающихся в противоположных направлениях, они особенно перспективны для создания портативных компрессоров и насосов роторно-шестеренчатого типа для механизмов с пневмо- и гидроприводом.

Результаты конструкторской проработки двигателя с рабочим объемом 75 см³ выполненного по схеме один цилиндр - два коленчатых вала, показали, что применение встроенного компрессора (нагнетателя) с диаметром, равным диаметру цилиндра двигателя, а также ОПК и других деталей для осуществления дозарядки цилиндра, увеличивает его массу примерно на 8% (400 г), что с учетом повышения мощности только на 25% снижает его удельную массу на 17% и обеспечивает ему конкурентные преимущества по сравнению с двигателями обычного исполнения.

Для справок: в литературе приводятся сведения, что наддув повышает мощность двигателей от 40 до 100% и более [4]).

Список документов, упомянутых в описании

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Патент RU №116906 U₁ (Беднягин Л.В., Лебединская О.Л., опубл. 10.06.12. Бюл.№16).

2. Двухтактные двигатели в авиации. Александр Гомберг(http:// engine.aviaport.ru/issues/02/page 38.html).

3. Гусев Е.М., Осипов М.С. Пособие для автомоделистов. - М.: Изд-во ДОСААФ СССР, 1980 г.(с.72, рис.59 д, 59 г, с.7).

4. Теплотехника. Учеб.пособие /Хазен М.М., Матвеев Г.А., Гриневский М.Е. и др. Под ред. Г.А. Матвеева. - М.: Высш.шк., 1981.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-камерной схемой газообмена содержит цилиндр (8), размещенный в нем поршень (4) с двумя поршневыми пальцами и два коленчатых вала (2), симметрично расположенных относительно оси цилиндра (8). Каждый коленчатый вал (2) соединен шатуном (3) с одним из поршневых пальцев. С внутренней нижней стороны двигателя соосно оси цилиндра (4) размещен цилиндр компрессора (16). Поршень (13) компрессора при помощи штока (12) соединен с поршнем (4) двигателя. Наружная полость компрессора (16) соединена каналами с внутрикартерным пространством. Внутренняя полость компрессора (16) от внутрикартерного пространства изолирована с помощью уплотняющей втулки (5), размещенной на штоке (12). Втулка (5) зафиксирована между двух половинок картера. Технический результат заключается в возможности дозарядки цилиндра двигателя. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, два коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, каждый из которых соединен шатуном с одним из поршневых пальцев, отличающийся тем, что с его внутренней нижней стороны соосно оси цилиндра размещен цилиндр компрессора (нагнетателя), поршень которого при помощи штока соединен с поршнем двигателя, наружная полость компрессора соединена каналами с внутрикартерным пространством, его внутренняя полость от внутрикартерного пространства изолирована с помощью уплотняющей втулки, размещенной на штоке с ее фиксацией между двух половинок картера.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр двигателя оборудован дополнительными впускными (продувочными) окнами, расположенными над основными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, при этом между ними в плоскости разъема цилиндра и картера размещен(ы) обратный(е) пластинчатый(е) клапан(ы), предотвращающий(е) попадание продуктов сгоревшего топлива из цилиндра в картер, когда давление в нем превышает давление внутри картера.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве компрессора (нагнетателя) применен поршневой насос двухстороннего действия, наружная полость которого обеспечивает дополнительную подачу топливной смеси в картер двигателя, а внутренняя полость используется для подачи сжатого воздуха потребителю.