Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с дополнительным поршнем Российский патент 2024 года по МПК F02B75/28 F01L11/02 

Изобретение относится к двухтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), а именно, к двухтактным двигателям с дополнительным поршнем, разделяющим процессы впуска и выпуска. Изобретение может быть использовано как в карбюраторных двигателях, так и в двигателях с впрыском топлива, в том числе - дизельных.

Известны 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 топливовоздушной смесью в бензиновых двигателях с кривошипно-камерной продувкой. (Кузнецов А.В. "Устройство и эксплуатация двигателей внутреннего сгорания", М.: Высшая школа, 1984, стр.10-13).

Известен двухтактный циклический двигатель (патент США F02B 33/04 №4206727 1980 г.), содержащий головку цилиндра с системой вращающихся клапанов для впуска горючей смеси или воздуха, цилиндр с нижним выпускным окном, основной поршень, связанный с коленчатым валом двигателя, выше которого установлен дополнительный поршень с полым штоком, разделяющий смесь и отработанные газы во время очистки и нового наполнения цилиндра, внутри штока которого установлен ещё один дополнительный клапан, 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 механического 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.

Недостатками этого двигателя являются: наличие сложного механизма привода дополнительного поршня, содержащего распределительный вал, шестеренные передачи и возвратно-поступательные механизмы; наличие встроенного в полый шток перепускного клапана ещё одного, дополнительного клапана; отсутствие механизма, обеспечивающего алгоритм движения дополнительного поршня; сложная конструкция привода вращающихся клапанов, что затрудняет практическое применение изобретения.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания с дополнительным поршнем (Двигатель Солдатова) RU 2330970C2 2004 года с подачей свежей топливовоздушной смеси или воздуха через нижнее входное окошко в цилиндре, а выпуск отработанных газов производится через клапан, установленный в головке цилиндра, который открывается штоком с головкой, установленным в основном поршне. Дополнительный поршень приводится в движение вверх давлением воздуха, подаваемого нагнетателем, а вниз- штоком с головкой, установленным в основном поршне. Из описания патента не ясны схема кинематического взаимодействия составных частей газораспределительного механизма и механизм работы гидроамортизаторов, обеспечивающих задержку дополнительного поршня в крайних положениях, особенно, при высоких оборотах, что ставит под сомнение работоспособность подобного двигателя. Также для его работы обязательно нужен нагнетатель, создающий достаточное давление для привода в движение дополнительного поршня вверх, при этом не определены скоростные характеристики движения дополнительного поршня, сам дополнительный поршень и система привода выпускного клапана имеют сложную конструкцию.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является двухтактный ДВС с дополнительным поршнем (патент Японии, кл. 51 A1, (F02b), №47-50522, заявленный 23.02.70г, опубликованный 19.12.72г.), который взят как прототип.

Данный двигатель имеет над основным поршнем (ОП) дополнительный поршень (ДП), движущийся по определённому закону в результате взаимодействия штока ДП с кулачком, приводимым от коленчатого вала. Поршни движутся в цилиндре, в нижней части стенки которого выполнено выпускное окно, а в головке цилиндра - впускной клапан. В конце рабочего хода ОП открывает выпускное окно и за время, пока ОП 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 топливовоздушная смесь (свежий заряд) через обратный клапан, встроенный в теле ДП, перепускается в пространство между поршнями. ОП закрывает выпускное 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 кинематически сложного механизма управления дополнительным поршнем и впускным клапаном, приводимым в действие распределительным валом и кулачковыми механизмами, содержащими звёздочки, цепи, толкатели и другие взаимодействующие детали привода, которые требуют наличие сложной системы смазки, и которые, при наличии высоких инерционных нагрузок, становятся ненадёжными.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании простого по конструкции, надёжного, ремонтопригодного, технологичного и экологичного, двухтактного ДВС с дополнительным поршнем.

Поставленная цель достигается за счет того, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания с дополнительным поршнем, включающим, по меньшей мере, один цилиндр с выпускным окном, расположенным в его нижней части, головку цилиндра, в которой встроены впускные обратные (перепускные) клапана, основной поршень с поршневыми кольцами и юбкой, который связан с коленчатым валом двигателя и движется в цилиндре возвратно-поступательно; дополнительный поршень с поршневыми кольцами, с встроенными в его тело обратными (перепускными) клапанами, установленный в цилиндре выше основного поршня, а в его верхней центральной части закреплён шток, проходящий через стенку головки цилиндра с соответствующим уплотнением; камеру сгорания, образованную между основным и дополнительным поршнями, отличающийся тем, что для управления возвратно - поступательным движением дополнительного поршня применена гидравлическая система привода, содержащая полый шток, закреплённый к верхней центральной части дополнительного поршня, который конструктивно является плунжерной парой вместе с полым плунжером, вставленным в шток через его верхнюю часть. На конце штока установлена упорная шайба, в которую упирается пружина сжатия, предпочтительно, коническая, второй конец которой упирается в головку цилиндра. Внешний конец плунжера установлен на головке цилиндра без возможности осевого (аксиального) перемещения, а его внутренняя полость соединена с помощью трубопровода (трубки или шланга высокого давления) с выходным отверстием гидравлического цилиндра, стационарно закреплённого на двигателе. Полости штока, плунжера, трубопровода, гидроцилиндра заполнены рабочей жидкостью. Поршень гидроцилиндра взаимодействует с кулачком заданной конфигурации, установленным на коленчатом валу двигателя или на другом, синхронно вращающемся с ним, валу. Контур кулачка определяет алгоритм движения дополнительного поршня, причём, при заданном полном заходе поршня гидроцилиндра внутрь под воздействием кулачка коленвала, из цилиндра выдавливается в плунжерную пару объём рабочей жидкости строго равный объёму, необходимому для обеспечения перемещения дополнительного поршня от ВМТ до верхнего края выпускного окна.

Устройство двигателя поясняется чертежами, представленными ниже на фигурах.

Фиг.1. где:

1. Цилиндр двигателя

2. Основной поршень (ОП)

3. Дополнительный поршень (ДП)

4. Шток дополнительного поршня

5. Полый плунжер

6. Выпускное окно

7. Окно для свечи или форсунки

8. Поршневые кольца

9. Перепускные клапана головки цилиндров

10. Перепускные клапана дополнительного поршня

11. Упорная шайба штока.

12. Пружина дополнительного поршня

13. Место крепления полого плунжера

14. Коленчатый вал

15. Кулачок коленчатого вала

16. Гидроцилиндр плунжерного типа

17. Поршень гидроцилиндра

18. Ролик поршня гидроцилиндра

19. Штуцер канала управления

20. Штуцер плунжера

21. Пружина гидроцилиндра

22. Окошко отводного канала гидроцилиндра

23. Штуцер отводного канала гидроцилиндра

24. Край окошка отводного канала

25. Пружина перепускного клапана ДП

26. Пружина перепускного клапана головки цилиндра

27. Головка цилиндра

ВМТ - верхняя мертвая точка

НМТ - нижняя мёртвая точка

ТВД - трубка высокого давления

РВД - рукав высокого давления

На Фиг 2 показан момент достижения ОП верхнего края выпускного окна 6 в конце рабочего хода.

На Фиг. 3 показан момент выдавливания продуктов сгорания дополнительным поршнем через выпускное окно и одновременного всасывания свежего заряда топливовоздушной смеси или воздуха в полость между ДП и головкой цилиндра.

На Фиг. 4 показан момент полной очистки продуктов сгорания из полости между ОП и ДП и конец такта впуска (всасывания) свежей порции топливовоздушной смеси или воздуха.

На Фиг. 5 показан момент перехода топливовоздушной смеси или воздуха из полости между головкой цилиндра и ДП в полость между ДП и ОП.

На Фиг. 6 показан момент дожимания топливовоздушной смеси ОП-м при нахождении ДП в ВМТ.

Двигатель работает следующим образом: Смотрите Фиг. 1, где показан момент сжатия горючей смеси, когда основной поршень и дополнительный поршень находятся в ВМТ и камера сгорания образована между ними.

При воспламенении горючей смеси ОП движется вниз, ДП прижат к головке цилиндра. Перепускные клапаны головки цилиндров 9 и перепускные клапаны 10 ДП закрыты. Происходит рабочий ход. При достижении и переходе верхним краем ОП 2 верхнего края выпускного окна 6 (Фиг.2), отработанные газы устремляются в выхлопной коллектор, давление в полости между ДП и ОП уменьшается, в это время или ещё немного ранее (с опережением) кулачок коленчатого вала 15 начинает толкать поршень 17 гидроцилиндра16, воздействуя на него через ролик 18. Жидкость, выдавленная поршнем гидроцилиндра 17 через трубопровод (трубку или рукав высокого давления (ТВД или РВД)), поступает из канала управления 19 к полому плунжеру 5, верхний конец которого закреплён в месте 13 на головке цилиндра 27 без возможности аксиального перемещения, и выдвигает относительно себя шток дополнительного поршня 4 вместе с ДП 3, как показано на Фиг. 3. В это время перед ДП 3 сохраняется повышенное давление, а в полости между ДП 3 и головкой цилиндра 27 образуется разрежение, вследствие чего перепускные клапаны 10 на ДП 3 остаются закрытыми, а перепускные клапаны 9 на головке цилиндра открываются. За момент времени, пока основной поршень переместится от верхнего края выпускного окна 6 к его нижнему краю (к НМТ) и обратно к верхнему краю выпускного окна 6, ДП 3 достигает верхнего края выпускного окна 6, как показано на Фиг. 4, тем самым полностью выдавливает отработанные газы из полости между поршнями. Время очистки отработанных газов и всасывания свежей топливной смеси или воздуха соответствует времени совершения коленчатым валом поворота на угол от 70 до 90 градусов, что определяется высотой выпускного окна и применяемым опережением начала хода ДП после рабочего хода. Кулачок коленвала 15 в это время освобождает ролик 18 поршня гидроцилиндра 17, пружина дополнительного поршня 12, которая обладает заданной жёсткостью, и которая находится в сжатом состоянии в этот момент, быстро перемещает вверх шток вместе с ДП 3, который, в свою очередь, выдавливает жидкость из плунжера, соединённого трубопроводом с гидроцилиндром. Количеством выдавливаемой жидкости и соответствующим ему ходом ДП 3 управляет контур кулачка 15 коленвала 14, по которому катится ролик поршня гидроцилиндра 18, который установлен на наружном основании поршня гидроцилиндра и прижимается к кулачку 15 коленвала силой давления рабочей жидкости, создаваемой действием пружины 12 дополнительного поршня 3 и пружиной гидроцилиндра 21. При этом давление в полости между ДП и головкой цилиндра 27 повышается, вследствие чего перепускные клапаны 10 ДП 3 открываются, а перепускные клапаны 9 головки цилиндра 27 под действием пружин 26 закрываются, как показано на Фиг. 5. Топливная смесь или воздух из полости между головкой цилиндра и ДП постепенно поступает в полость между ДП 3 и ОП 2, а при достижении ДП 3 ВМТ, как показано на Фиг. 6, полностью переходит в полость между ДП 3 и ОП 2, а перепускные клапаны 10 ДП 3 под действием пружин перепускных клапанов 25 закрываются. Контур кулачка коленвала не допускает удара ДП 3 об головку цилиндра 27 в конце его хода, т.к. несжимаемая рабочая жидкость из плунжера 5 выдавливается строго по программе, задаваемой контуром кулачка 15 коленвала 14. Двигаясь к ВМТ ОП 2 дожимает топливную смесь, после чего происходит ее воспламенение в камере сгорания, образовавшейся между ОП и ДП от искры или впрыска топлива через окно 7. Дальше все процессы повторяются.

В стенке гидроцилиндра, в месте нахождения дна поршня гидроцилиндра при его конечном выходе из гидроцилиндра под воздействием рабочей жидкости, выжимаемой из плунжера, находится край 24 окошка отводного канала 22, соединенного с расширительным баком (не показан) через штуцер отводного канала 23. Между внутренним основанием поршня 17 гидроцилиндра и дном гидроцилиндра 16 установлена пружина 21, выталкивающая поршень 17 из гидроцилиндра 16. Под внутренним основанием поршня гидроцилиндра нужно понимать основание поршня гидроцилиндра, находящееся внутри гидроцилиндра, а на внешнем основании установлен ролик, который катится по поверхности кулачка 15 коленвала 14. Объем гидроцилиндра, заключённый между краем 24 окошка отводного канала 22 и местом гидроцилиндра, куда доходит поверхность внутреннего основания поршня гидроцилиндра при полном выдавливании поршня кулачком 15 коленвала 14, точно равняется объёму полости штока от его дна до внутреннего конца плунжера 5 при полном выдвижении штока, что соответствует положению ДП, когда он достигает края выпускного окна 6. После достижения ДП ВМТ, контур кулачка коленвала позволяет поршню гидроцилиндра выдвинуться ещё на 2-3 мм под действием внутренней пружины гидроцилиндра 21 при уже открытом окошке 22 отводного канала. Увеличивщийся при этом объём гидроцилиндра занимает рабочая жидкость, поступающая из расширительного бака. При обратном ходе поршня 17, пока дно поршня гидроцилиндра снова не достигнет края 24 окошка отводного канала 22, излишняя рабочая жидкость через него поступит в расширительный бак прежде, чем начнёт выдавливаться поршнем гидроцилиндра 17 в плунжер через трубопровод. Таким образом, при каждом ходе поршня гидроцилиндра будут восполняться возможные утечки рабочей жидкости в плунжерной паре и гидроцилиндре при их износе в результате длительной эксплуатации, а выдавливаемый объём рабочей жидкости будет всегда постоянным.

Охлаждение дополнительного поршня происходит за счёт обтекания его потоками холодной топливно-воздушной смеси или воздуха, проходящих через каналы перепускных клапанов, а основного поршня - за счёт масла, разбрызгиваемого на поршень через специальные распылители, соединённые с масляным насосом двигателя или отдельным масленым насосом.

Один кулачок коленвала может управлять несколькими цилиндрами (множеством цилиндров) в многоцилиндровом двигателе, где гидроцилиндры могут быть размещены вокруг кулачка коленвала под необходимыми углами.

Также может быть применена крейцкопфная система привода поршней гидроцилиндра для исключения угловых усилий на стенки гидравлического цилиндра. Гидроцилиндры могут быть как поршневого типа, так и плунжерного типа.

В таком двигателе может быть применён наддув, что повысит его мощность и экономичность.

В данном двигателе может быть применена такая же система смазки, какая традиционно используется в четырёхтактных двигателях, что повысит его ресурс.

Если сравнить время открытого состояния выпускного клапана четырёхтактного двигателя ЯМЗ 238, который считается наиболее удачным дизельным двигателем отечественного производства, исходя из его диаграммы фаз газораспределения, в течение которого продукты сгорания топлива перестают действовать на поршень двигателя, то оно соответствует 266-272,5 градусам из 720 градусов, соответствующих двум оборотам коленвала, т.е. 37% от времени совершения двух оборотов коленвала. Учитывая то, что ход поршня указанного двигателя равен 140 мм., в случае перевода такого двигателя в двухтактный режим, при высоте выпускного окна 10 мм., время прохождения краем ОП этого расстояния туда и обратно соответствует повороту коленвала на 76 градусов из 360 градусов, что составляет 21% от времени совершения одного оборота, т.е. почти в 2 раза меньше, чем у такого же 4-тактного, что продлевает время воздействия газов с высоким давлением после взрыва топливной смеси на ОП, соответственно, увеличивается удельная мощность, отнесённая к количеству сгораемого топлива и, следовательно, мощность и экономичность двигателя.

У данного 4-тактного двигателя угол одновременно открытого состояния впускного и выпускного клапанов составляет 40 градусов, что даёт возможность смешиваться продуктам сгорания со свежим зарядом топливной смеси или воздуха и ухудшает качество горючей смеси, полноту её сгорания, соответственно, уменьшает мощность и экономичность, понижает экологический класс двигателя.

В предлагаемом двигателе практически полностью исключена возможность смешивания свежей смеси с продуктами сгорания предыдущего такта, что повышает мощность двигателя из-за полноты сгорания горючей смеси.

Отсутствие в предлагаемом двухтактном двигателе в сравнении с прототипом управляемых впускных клапанов, распределительного вала, шестерён, цепей, толкателей, коромысел упрощает конструкцию двигателя, увеличивает ресурс, надёжность и улучшает его ремонтопригодность.

Сохранение системы смазки такой же, как у четырёхтактных двигателей, повышает его ресурс по отношению к существующим двухтактным двигателям.

Такие двигатели могут быть использованы для установки на любых видах транспорта и силовых установок. Использование таких двухтактных двигателей особенно целесообразно на крупногабаритном морском транспорте, на быстроходных военных кораблях, где используются многотонные крупногабаритные малооборотистые четырёхтактные дизельные двигатели, а также на воздушном винтомоторном транспорте.

Изобретение может быть использовано в двухтактных двигателях внутреннего сгорания. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с дополнительным поршнем содержит по меньшей мере один цилиндр (1), головку (27) цилиндра, основной поршень (2), коленчатый вал (14), дополнительный поршень (3). Цилиндр (1) выполнен с выпускным окном (6), расположенным в его нижней части. В головке цилиндра (27) встроены впускные обратные или перепускные клапаны (9). Основной поршень (2) выполнен с поршневыми кольцами (8) и юбкой и связан с коленчатым валом (14) двигателя. Дополнительный поршень (3) выполнен с поршневыми кольцами и с встроенными в его тело обратными или перепускными клапанами (10). Дополнительный поршень (3) установлен в цилиндре (1) выше основного поршня (1). В верхней центральной части дополнительного поршня (3) закреплен шток (4), проходящий через стенку головки (27) цилиндра с уплотнением. Камера сгорания образована между основным и дополнительным поршнями (2) и (3). Шток (4) дополнительного поршня (3) сделан полым и образует плунжерную пару совместно с полым плунжером (5), вставленным в шток (4) через его верхнюю наружную часть. Плунжер (5) стационарно установлен на головке (27) цилиндра. Шток (4) перемещается относительно плунжера (5) в осевом направлении. На конце штока (4) установлена ограничительная шайба (12), в которую упирается пружина сжатия (12). Второй конец пружины (12) упирается в головку (27) цилиндра. Внутренняя полость плунжера (5) соединена трубопроводом с выходным отверстием гидравлического цилиндра (16). Гидравлический цилиндр (16) стационарно закреплен на двигателе. Поршень (17) гидравлического цилиндра (16) взаимодействует с кулачком (15), который установлен на коленчатом валу (14) двигателя или на другом синхронно вращающемся с ним валу. Полости штока (4), плунжера (5), трубопровода и гидравлического цилиндра (16) заполнены рабочей жидкостью. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении надежности двигателя внутреннего сгорания с дополнительным поршнем. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с дополнительным поршнем, включающий по меньшей мере один цилиндр с выпускным окном, расположенным в его нижней части, головку цилиндра, в которой встроены впускные обратные или перепускные клапаны, основной поршень с поршневыми кольцами и юбкой, который связан с коленчатым валом двигателя, дополнительный поршень с поршневыми кольцами, с встроенными в его тело обратными или перепускными клапанами, установленный в цилиндре выше основного поршня, причем в верхней центральной части дополнительного поршня закреплен шток, проходящий через стенку головки цилиндра с соответствующим уплотнением, камеру сгорания, образованную между основным и дополнительным поршнями, отличающийся тем, что шток дополнительного поршня сделан полым и образует плунжерную пару совместно с полым плунжером, вставленным в шток через его верхнюю наружную часть и стационарно установленного на головке цилиндра, а шток имеет возможность перемещаться относительно плунжера в осевом направлении, а на его конце установлена ограничительная шайба, в которую упирается пружина сжатия, второй конец которой упирается в головку цилиндра, внутренняя полость плунжера соединена трубопроводом с выходным отверстием гидравлического цилиндра, стационарно закрепленного на двигателе, причем поршень гидравлического цилиндра взаимодействует с кулачком заданной конфигурации, который установлен на коленчатом валу двигателя или на другом синхронно вращающемся с ним валу, полости штока, плунжера, трубопровода и гидравлического цилиндра заполнены рабочей жидкостью.

2. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с дополнительным поршнем по п. 1, в котором для взаимодействия поршня гидроцилиндра с кулачком коленчатого вала применен ролик, установленный на внешнем основании поршня гидроцилиндра.

3. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с дополнительным поршнем по п. 1, в котором для взаимодействия поршня гидроцилиндра с кулачком коленчатого вала применена крейцкопфная система привода.