Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2023 года по МПК F02B25/12 F02B75/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к устройству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Уровень техники

Тактность ДВС определяется количеством ходов, которые совершает поршень двигателя для совершения одного рабочего цикла и в случае применения кривошипно-шатунного механизма двухтактный двигатель осуществляет один оборот коленчатого вала, а четырехтактный - два оборота. "Поскольку число рабочих циклов больше в 2 раза, ожидаемый рост мощности двухтактного двигателя выше в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5…1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затрат мощности на приведение в действие продувочного насоса." [1].

В связи с интенсивным развитием гибридных силовых установок для автомобильного транспорта, ДВС получают роль вспомогательного источника механической энергии, используемой непосредственно для передачи в трансмиссию или для привода электрогенератора. Это обстоятельство выдвигает дополнительное требование к улучшению массо-габаритных показателей ДВС. Наилучшие массо-габаритные показатели имеют 2-х тактные ДВС.

Первый 2-х тактный ДВС был создан Дугалдом Клерком (Dugald Clerk) [2] по патенту [3], согласно которому часть хода поршня предлагалось использовать для осуществления газообмена с применением поршневого нагнетателя (компрессора), имеющего привод от коленчатого вала двигателя. По более позднему патенту [4] в 2-х тактном ДВС применена прямоточная продувка за счет использования двух параллельно расположенных цилиндров, в которых поршни (выпускной и продувочный) управляли процессами газообмена. Такая схема газообмена (схема Цоллера / A.Zoller [5]) применялась на протяжении длительного периода времени, начиная с [6] и заканчивая [7]. Принцип использования дополнительного поршневого нагнетателя в 2-х тактном ДВС применен в [8].

Недостатком подобных ДВС являлась повышенная работа сил трения из-за бокового давления поршня на стенки цилиндра. Известно, что радикальным способом уменьшения такого давления является применение в ДВС бесшатунного силового механизма (БСМ) для передачи механической энергии от поршня к коленчатому валу двигателя как в [9, 10], когда два противоположных поршня связывались общим штоком.

В объемной поршневой машине [11] предложено общий для двух противоположных поршней шток соединять с коленчатым валом двигателя посредством механизма Чебышева. В самом описании изобретения содержится противоречие, так как говорится о сохранении "приближенно прямолинейного движения поршня", тогда как совместное движение поршней в соосных цилиндрах является строго прямолинейным. Известно, что шарнирно-рычажный четырехзвенный лямбдообразный прямолинейно направляющий механизм Чебышева (№621) [12] обеспечивает прямолинейное движение конечной точки шатуна лишь на части траектории, что делает абсолютно невозможным применение решения [11] в ДВС, который является машиной циклического действия.

В то же время известен шарнирный механизм, используемый в поршневой машине (двигатель Стерлинга), который обеспечивает приближенно прямолинейное движение штока поршня расширения с приводом от первого плеча коромысла как в прямом, так и в обратном направлении [13]. Второе плечо коромысла используется для привода поршня сжатия. Авторами утверждается, что угловое отклонение штока поршня не превышает 0,2 град.

Однако если для поршня двигателя Стирлинг, имеющего манжетное уплотнение между стенкой цилиндра, такое отклонение приемлемо, то для ДВС такое отклонение штока, жестко связанного с поршнем, недопустимо.

Указанный в [4] двигатель в сочетании с механизмом передачи движения из [13] по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения может быть выбран в качестве прототипа.

Целью изобретения является повышение эффективности ДВС за счет совершенствования процессов газообмена, а также за счет снижения механических потерь на трение.

Раскрытие изобретения

Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в среднем однонаправленно, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, происходит посредством двух идентичных наборов звеньев кривошипно-коромыслового механизма в составе трехшарнирного коромысла, направляющего шатуна с подвижным центром качания и кривошипа, кривошипы имеют фазовый сдвиг для организации прямоточной продувки цилиндров посредством двухпоршневого нагнетателя продувочного воздуха, поршни которого попарно соосны с выпускным и продувочным поршнями и связаны с ними общими штоками.

На Фиг. 1 показана схема устройства [11], из которой видно, что кривошип 5, коромысло 6, шатун 7, шток 3, поршни 2, размещенные в цилиндре 1 представляют собой набор из четырех (n=4) звеньев, связанных 5 (пятью) шарнирами и 1 (одной) парой скольжения (поршни-цилиндр). Таким образом имеется 6 кинематических пар 5-го класса (p₅=6). Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:

w=3n-2p₅=3*4-2*6=0.

Это позволяет сделать вывод о том, что устройство по приведенной схеме не имеет подвижности, а значит не может считаться механизмом, т.е. подтверждается сделанное ранее заключение о непригодности решения [11] в качестве механизма преобразования движения звеньев в ДВС.

Ситуация с подвижностью кривошипа 5 может быть исправлена путем добавления еще одного звена к центру качания коромысла 6. Таким звеном может быть шарнир в форме эксцентрика. В этом случае и количество звеньев и количество шарниров увеличится на 1, т.е. получаем n=5 и р₅=7. Число степеней свободы модифицированного механизма составит:

w=3*5-2*7=1.

Однако даже этот результат не позволяет использовать подобный механизм в ДВС, т.к. он не обладает свойством прямолинейности движения конечной точки шатуна 7 в прямом и обратном направлении. Следует признать неверным наименование звеньев 6 и 7, и будет правильно поменять их местами: 6 - шатун, а 7 - коромысло.

Известен механизм Росса ("Ross yoke mechanism"), примененный в приводе поршней двигателя Стерлинг [13] и изображенный в виде схемы на Фиг. 2. Указанный механизм обладает замечательным свойством прямолинейности движения конечной точки А коромысла, как в прямом так и в обратном направлении. Этот факт иллюстрируется Фиг. 3, на которой показана траектория движения точки А (масштаб изображения по горизонтали увеличен в 5 раз). Таким образом при ходе поршня 100 мм отклонение точки А от оси цилиндра составит не более 0,5 мм. Столь малые отклонения траектории движения точки А от прямой линии позволяют внести в схему механизма дополнительное звено компенсации таких отклонений при условии, что стенки цилиндра будут играть роль направляющей и шток поршня будет двигаться строго по прямой линии. Направляющая для самого штока не потребуется если на его концах расположить два поршня, движущихся в соосных цилиндрах, как в [11]. В качестве звена компенсаций отклонений может быть использован эксцентриковый шарнир, размещенный в центре качания шатуна (точка D).

На Фиг. 4 показана схема модифицированного механизма Росса, в который добавлен эксцентриковый шарнир 4, с величиной эксцентриситета между шейками шарниров порядка 5% от хода S поршней 6 и 7. Это обеспечивает движение точки А (на Фиг. 2) коромысла 2 по прямой между точками M₁ и М₂, а с ней и штока 4. Размах колебаний центра качания шатуна 3 по горизонтали не превышает величины 3%S (см. Фиг. 5). Поршень 7 относится к нагнетателю продувочного воздуха.

Работоспособность предложенного механизма легко доказывается использованием формулы А.П. Малышева. Схема содержит 7 звеньев, 8 шарниров и 2 пары скольжения "поршень-цилиндр". Таким образом n=7, p₅=8+2=10, что дает подвижность (число степеней свободы):

w=3*7-2*10=1,

которая соответствует простому механизму.

Для реализации в ДВС прямоточной продувки по схеме Цоллера достаточно в его конструкции добавить еще одну группу цилиндров и дополнительно разместить второй набор звеньев механизма, но с кривошипом, сдвинутым по фазе по отношению первому кривошипу. Таким образом в рядом стоящих цилиндрах, объединенных общей головкой цилиндров, будут протекать процессы, соответствующие 2-х тактному циклу ДВС в верхней (см. Фиг. 4) паре цилиндров, и работе одноступенчатого поршневого компрессора в нижней паре цилиндров.

Краткое описание чертежей На Фиг. 1 приведены изображения, относящиеся к механизму-аналогу [11]. На Фиг. 2 приведены изображения, относящиеся к схеме механизма [13]. На Фиг. 3 показана траектория движения точки А (см. Фиг. 2) с увеличенным по горизонтали масштабом изображения.

На Фиг. 4 показана схема модифицированного механизма Росса.

На Фиг. 5 показана траектория движения центра качания шатуна.

На Фиг. 6 показан поперечный разрез заявляемого ДВС.

На Фиг. 7 показан продольный разрез заявляемого ДВС.

На Фиг. 8 показана схема вихревого движения продувочного воздуха.

На Фиг. 9 показана диаграмма фаз газораспределения.

На Фиг. 10 показана траектория движения центра качания шатуна.

На Фиг. 11 показан колебательный характер вращения эксцентрика.

На Фиг. 12 показаны зависимости хода и скорости выпускного поршня от угла поворота кривошипного вала.

На Фиг. 13 показаны зависимости ускорения выпускного поршня и центра масс коромысла от угла поворота кривошипного вала.

Осуществление изобретения Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 6. и Фиг. 7. Осуществление изобретения предполагает использование двух, движущихся в среднем однонаправленно, поршней 6 и 8, связанных попарно с двумя компрессорными поршнями 13 посредством штоков 5. Противоположные пары цилиндров, выполненные в блоках 10 и 12 являются соосными, что обеспечивает строго линейное перемещение штока 5 вдоль общей оси рабочего и компрессорного цилиндров. Передача движения от штока 5 на кривошипный вал 1 отбора мощности осуществляется с помощью модифицированного механизма Росса, состоящего из коромысла 2, направляющего шатуна 3 и эксцентрика 4. За счет эксцентрика 4 с фиксированной осью вращения центр качания направляющего шатуна 3 смещается по дуге, что позволяет компенсировать небольшую нелинейность механизма Росса. В механизм заявленного ДВС входит два одинаковых набора звеньев 2, 3, 4 и 5, каждый из которых связан с продувочным 6 и выпускным 8 поршнями так, что между их кривошипами 1 имеется постоянный фазовый сдвиг, например, из интервала от 10 до 30 град. п.к.в. Увеличенное время-сечение выпускных органов в период свободного выпуска позволяет уменьшить высоту выпускных окон 9 и, в частности, сделать ее одинаковой с высотой продувочных окон 7, тем самым увеличив рабочий ход двигателя.

Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.

В положении механизма в районе объемной НМТ (НОМТ), как на Фиг. 7, из воздушного коллектора 17 через продувочные окна 7 воздух поступает в цилиндр 10 и вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 9 в выпускной коллектор 18.

Одновременно с движением поршней 6 и 8 в направлении к объемной ВМТ (ВОМТ) происходит движение поршней 13 в обоих компрессорных цилиндрах 12, объединенных головкой цилиндров 16. Головка 16 оборудована двумя парами самодействующих прямоточных клапанов: нагнетательных 14 и всасывающих 15. В положении механизма, как на Фиг. 6, происходит всасывание воздуха в цилиндры компрессора как через клапан 20 так и со стороны приводного объемного нагнетателя 25, например, типа Рутс. В последней фазе продувки, когда расход воздуха через продувочные окна 7 резко снижается, производительность нагнетателя 25 становится избыточной, что приводит к росту давления во впускном трубопроводе 19 и закрытию клапана 20. Компрессорный поршень 13, связанный с выпускным поршнем 8, в этот момент находится достаточно далеко от плоскости головки компрессора 16, что позволяет сжатому воздуху перетекать из трубопровода 19 транзитом через клапаны 14 и 15 во впускной коллектор 17, чем обеспечивается наддув рабочих цилиндров 10.

Далее закрываются продувочные окна 7 и начинается процесс сжатия воздушного заряда. В положении кривошипа 1 в районе ВОМТ воздушный заряд находится в сжатом состоянии и в него производится (с некоторым опережением до ВОМТ) впрыск топлива через форсунку (не показана), ориентированную в сторону камеры сгорания в головке блока 11. После прохождения ВОМТ завершается процесс сгорания топлива и начинается процесс расширения газов с совершением полезной работы, при котором поршень 8 опережает поршень 6 в своем движении к НМТ. Поршень 8 достигает верхней кромки выпускных окон 9, при этом продувочные окна 7 перекрыты юбкой поршня 6. В дальнейшем начинается свободный выпуск отработавших газов через выпускные окна 9 в выпускной коллектор 18, а поршень 6 достигает верхней кромки продувочных окон 7. Далее через продувочные окна 7 воздух, поступая в надпоршневое пространство, вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 9 в выпускной коллектор 18 - начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. После закрытия продувочных окон 7 надпоршневое пространство снова замыкается и начинается процесс сжатия воздушного заряда, до достижения ВОМТ. Двухтактный цикл завершается.

Диаметр цилиндров 12 поршневого компрессора должен быть больше диаметра впускного / выпускного цилиндров 10 на 25-30%, чтобы обеспечить избыток продувочного воздуха на уровне 1,5-1,7 [5]. Производительности поршневого компрессора может быть достаточно на режимах малых нагрузок, и не достаточно в режиме полной нагрузки, поэтому дополнительная подача воздуха может производиться от объемного нагнетателя 25, который может подключаться с помощью электромагнитной муфты. Впускной коллектор 17 выполняет роль ресивера (накопителя) и имеет объем незначительно превосходящий суммарный рабочий объем компрессорных цилиндров. Это позволяет к моменту открытия продувочных окон создать в коллекторе 17 давление воздуха существенно выше, чем может обеспечить объемный нагнетатель 25, а значит и увеличить интенсивность продувки.

Близкое расположение оси вращения кривошипа 1 к оси цилиндров 10, обусловленное кинематикой механизма Росса, не позволяет решать проблему уравновешивания сил инерции механизма ДВС традиционным способом, путем размещения противовесов на коленчатом валу двигателя. Для уравновешивания сил инерции 1-го порядка применены два балансирных вала 22 и 23, вращающихся в противоположных направлениях (противовесы лежат в разных плоскостях). Балансирный вал 22 имеет связь с кривошипным валом 1 с помощью шестерни 21. Для уравновешивания сил инерции 2-го порядка может быть применен механизм Ланчестера (не показан) с балансирными валами, вращающимися с удвоенной частотой вращения по отношению частоте вращения кривошипного вала. На фиг. 6 показано возможное размещение пары шестерен 24, имеющих связь с шестерней 23.

Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.

Исходные данные:

1. Мощность - 50 кВт

2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин

3. Ход поршней - 85 мм

4. Диаметр цилиндров - 80 мм

5. Диаметр компрессорных цилиндров - 108 мм

6. Радиус кривошипа - 30 мм

7. Длина шатуна - 100 мм

8. Эксцентриситет шарнира шатуна - 4 мм

Заявляемая конструктивная схема не накладывает ограничений на тип ДВС, т.е. на способ смесеобразования и способ воспламенения. Однако в любом случае важным фактором эффективного сгорания является высокая интенсивность вихревого движения воздушного заряда и продуктов неполного сгорания топлива.

Из-за фазового сдвига поршней имеет место увеличение объема суммарного надпоршневого пространства, поэтому для обеспечения степени сжатия и выше необходимо минимизировать объем камеры сгорания, выполненной в головке блока цилиндров. С другой стороны, необходимо обеспечить минимальное сопротивление перетеканию газа из одного цилиндра (впускного) в другой (выпускной) при продувке. С этой целью открытый канал 27 ориентирован в направлении касательной к окружностям, на которых максимальна окружная скорость вихревого движения воздуха, а камера сгорания 26 полуэллипсоидной формы, большая ось которой коллинеарная с осью указанного канала, как на Фиг. 8.

Особенностью механизма Росса является то, что время движения точки коромысла, совершающей возвратно-поступательное линейное перемещение в прямом и обратном направлении, существенно отличается. Поэтому перемещение поршней от НОМТ к ВОМТ (сжатие) сопровождается поворотом кривошипа на 200 град. п.к.в., а перемещение от ВОМТ к НОМТ (расширение) - на 160 град. п.к.в. При этом не исключается и обратный вариант подключения цилиндров к механизму, когда компрессорные и рабочие цилиндры меняются местами и сжатие будет занимать 160 град. п.к.в., а расширение будет занимать 200 град. п.к.в.

Заявляемая конструктивная схема ДВС обеспечивает фазовый сдвиг 20 град. п. к.в. зависимостей хода поршней от угла п. к.в, что является благоприятным для осуществления прямоточной продувки в процессе газообмена. Как видно из Фиг. 9 при общей продолжительности газообмена 110 град. п.к.в., на период продувки (перекрытие фаз открытия органов газообмена) приходится 70 град. п.к.в.

Главным достоинством заявляемой конструктивной схемы ДВС является отсутствие возможности передачи усилия от действия газовых сил на стенки цилиндра, что означает существенное уменьшение сил трения между поршнем и цилиндром, поэтому можно считать оправданным некоторое усложнение механизма передачи движения, в виде добавления звеньев типа коромысла. Внесение нового элемента в механизм Росса в виде эксцентрикового шарнира для направляющего шатуна не может оказать негативного влияния на динамику механизма в силу малости корректирующего влияния такого шарнира.

Из Фиг. 11 следует, что за один оборот кривошипного вала 1 происходит три самостоятельных корректировки центра качания шатуна 3 при максимальном его смещении по горизонтали (см. Фиг. 10) не более 2 мм при величине эксцентриситета 4 мм.

На Фиг. 12 показаны зависимости хода и скорости выпускного поршня от угла поворота кривошипного вала, при этом в качестве опорной координаты взят угол достижения ВОМТ, принятый за 180 град. п.к.в. В качестве двигателя-аналога принят условный двигатель с противоположно движущимися поршнями (ПДП) с относительной длиной шатуна 5,4 (дизель 10Д100 [5]). Все диаграммы имеют сдвиг (опережение) относительно ВОМТ равный 10 град. п.к.в.

На Фиг. 13 показаны зависимости ускорения выпускного поршня от угла поворота кривошипного вала. Форма зависимости существенно отличается от гармонической (косинусоидальной), что указывает на присутствие составляющих ускорения гармоник более высоких порядков (2-го и выше).

Приведенные кинематические характеристики заявленного механизма показывают, что не существует принципиальных ограничений для реализации на его базе известных рабочих процессов ДВС.

Таким образом предлагаемый двигатель обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности за счет совершенствования процессов газообмена, а также за счет снижения механических потерь на трение. Двигатель может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.

Поскольку предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в области двигателестроения, а само изобретение допускает множество вариаций, модификаций и изменений в деталях, подразумевается, что весь материал, содержащийся в вышеприведенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничительном смысле.

Источники информации:

1. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Алексеев В.П., Воронин В.Ф., Грехов Л.В. и др. М., «Машиностроение», 1990, 284 с.

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Dugald_Clerk.

3. Pat. US249307, 08.11.1881.

4. Pat. US896893, 25.08.1908.

5. Комбинированные двухтактные двигатели. Орлин А.С., Круглов М.Г., М., «Машиностроение», 1968, 576 с.

6. DE 411181, 25.03.1925.

7. RU 2744797, 15.03.2021.

8. WO 2011/101878, 25.08.2011.

9. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. Баландин С.С, М., «Машиностроение», 1972, 176 с.

10. А.с. СССР №118471, 10.12.1973.

11. А.с. СССР №323562, 10.12.1971.

12. Механизмы в современной технике. Справочное пособие в 7 томах. Т.1. Артобалевский И.И., М., «Наука», 1978, 496 с.

13. Pat. US4738105, 19.04.1988.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двухтактный двухпоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит головку (11) цилиндров, блок цилиндров и поршни. В одном из цилиндров (10) выполнены продувочные окна (7). В другом цилиндре выполнены выпускные окна. Поршни в цилиндрах перемещаются однонаправленно. Поршень (6) управляет продувкой. Другой поршень управляет выпуском. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала производится посредством двух идентичных наборов звеньев кривошипно-коромыслового механизма в составе трехшарнирного коромысла (2), направляющего шатуна (4) с подвижным центром качания и кривошипа (1). Кривошипы (1) имеют фазовый сдвиг для организации прямоточной продувки цилиндров посредством двухпоршневого нагнетателя продувочного воздуха. Поршни (13) нагнетателя попарно соосны с выпускным поршнем и продувочным поршнями и связаны с ними общими штоками (5). Технический результат заключается в улучшении условий газообмена и снижения потерь на трение. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Двухтактный двухпоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий головку цилиндров, блок цилиндров, снабженный в одном из цилиндров продувочными окнами, а в другом - выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в основном однонаправленно, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, отличающийся тем, что преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала производится посредством двух идентичных наборов звеньев кривошипно-коромыслового механизма в составе трехшарнирного коромысла, направляющего шатуна с подвижным центром качания и кривошипа, кривошипы имеют фазовый сдвиг для организации прямоточной продувки цилиндров посредством двухпоршневого нагнетателя продувочного воздуха, поршни которого попарно соосны с выпускным и продувочным поршнями и связаны с ними общими штоками.

2. Двухтактный двухпоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что подвижный центр качания направляющего шатуна имеет возможность смещения по дуге в результате поворота эксцентрикового шарнира относительно фиксированной оси.

3. Двухтактный двухпоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 2, отличающийся тем, что фазовый сдвиг между кривошипами должен быть не менее 10 град, и не более 30 град.

4. Двухтактный двухпоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что блок цилиндров на стороне, примыкающей к головке цилиндров, имеет соединяющий цилиндры открытый канал, ось которого является касательной одновременно к двум окружностям, на которых максимальна окружная скорость вихревого движения воздуха в цилиндрах.

5. Двухтактный двухпоршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 4, отличающийся тем, что головка цилиндров на стороне, примыкающей к блоку цилиндров, имеет открытую камеру сгорания полуэллипсоидной формы, большая ось которой коллинеарная с осью открытого канала для суммирования их поперечных сечений и минимизации сопротивления протеканию продувочного воздуха.