Двухтактный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2025 года по МПК F01L1/38 F01L9/16 F01L9/20 F02B3/00 F02B29/00 F02B33/04 F02B75/02 F02F3/00 F02M35/10 

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а именно к способам питания и конструкциям газораспределительных систем поршневых двухтактных двигателей.

Воспламенение топливно-воздушной смеси в двухтактном двигателе внутреннего сгорания происходит во время рабочего хода поршня. При опускании поршня к нижней мертвой точке открывается сначала выпускное окно и отработанные газы начинают покидать цилиндр, а затем при дальнейшем движении поршня к нижней мертвой точке открывается впускное окно и из под поршневого пространства в рабочую полость цилиндра начинает поступать топливно-воздушная смесь вытесняя выхлопные газы. После прохождения нижней мертвой точки и начала подъёма поршня вверх сначала закрывается впускное окно, а потом выпускное, и начинается сжатие топливно-воздушной смеси, которое в верхней мертвой точке завершается воспламенением. Процессы очистки от выхлопных газов и наполнения цилиндра в двухтактном двигателе совмещены и осуществляются за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мёртвой точки.

Известен способ питания поршневого двигателя внутреннего сгорания (патент № 2725310), который включает в себя удаление отработанных газов сжатым воздухом высокого давления в короткий промежуток времени перед прохождением поршнем верхней мертвой точки, а также формирование рабочей смеси сжатым воздухом высокого давления, подаваемым в короткий промежуток времени после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Для реализации указанного способа питания поршневого двигателя внутреннего сгорания используют устройство подачи воздуха, содержащее двухкамерный ресивер, с камерами разного объема, с управляемыми впускными, для камеры сгорания, клапанами и компрессор с впускным и выпускными клапанами. Ресивер сжатого воздуха выполнен для высокого давления (около 2 МПа). Малая секция предназначена для активной продувки камеры сгорания, а основная секция - для формирования рабочей смеси. Объем основной секции ресивера, по меньшей мере, равен объему камеры сгорания.

Известен двухтактный двигатель (патент CN115324728), состоящий из цилиндра сжатия, механизма перемещения, устройства впрыска смазочного масла и масляно-газового сепаратора. Цилиндр сжатия состоит из корпуса цилиндра и продувочного канала, соединенного с корпусом цилиндра, а корпус цилиндра снабжен впускным и выпускным отверстиями для воздуха. Воздуховод продувки состоит из первого и второго портов, которые сообщаются, а первый порт сообщается с воздухозаборником. Механизм движения подвижно расположен в корпусе цилиндра. Когда механизм перемещения расположен в первом положении, выпускное отверстие и второе отверстие экранированы. Когда механизм перемещения расположен во втором положении, выпускное отверстие сообщено с первым отверстием. Устройство впрыска смазочного масла используется для впрыска смазочного масла в механизм движения. Нефтегазовый сепаратор расположен в продувочном канале и используется для разделения смазочного масла и газа, проходящих через первый порт.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания (патент №2349769), взятый в качестве прототипа, в котором при работе осуществляется заполнение камеры сгорания сжатым воздухом и топливом, или воздушно-топливная смесь формируется под давлением вне камеры сгорания. Данная схема позволяет не только полнее сжигать топливо, но и изменять автоматически различные задаваемые параметры при работе двигателя с целью получения максимально возможного КПД, а также использовать различные виды топлива и их смесей без изменения конструкции двигателя внутреннего сгорания. Двигатель работает с максимально возможным КПД при любой нагрузке на валу двигателя, так как на всех режимах работы осуществляется автоматический выбор необходимого количества работающих цилиндров, концентрации топлива в смеси и выбор давления в камере сгорания. Применение данного двигателя возможно под водой, разреженных средах. Для работы данного двигателя можно использовать любое топливо, исключая твердое. Возможно использование вместо воздуха или воздушно-топливной смеси кислорода или кислородно-топливной смеси.

Основным недостатком существующих двухтактных двигателей внутреннего сгорания является низкая эффективность по сравнению с четырехтактными двигателями, низкая экологичность из-за горения масла, добавляемого в топливо. Низкая эффективность связана с конструкцией системы газо-распределения. Подача топливно-воздушной смеси и выпуск продуктов горения происходит через окна в цилиндре, открывающиеся при движении поршня вниз в нижней мертвой точке. Это приводит к одновременному протеканию процессов наполнения цилиндра и его очистки от продуктов сгорания. Как следствие, негативные явления, снижающие эффективность работы: перемешивание топливно-воздушной смеси с выхлопными газами, частичное удаление топливно-воздушной смеси вместе с выхлопными газами, затраты энергии на сжатие части оставшихся выхлопных газов.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции двухтактного двигателя внутреннего сгорания, которая значительно повысит его функциональные возможности.

Техническим результатом, получаемым при практическом использовании предлагаемого изобретения, является изолирование процессов удаление выхлопных газов и напуска топливно-воздушной смеси и сжатия топливно-воздушной смеси; увеличение эффективности работы до уровня четырехтактных двигателей; возможность форсирования с помощью увеличения количества топлива, сжигаемого на один такт напуском необходимого количества воздуха; увеличение эффективности при применении корректора степени сжатия; улучшение экологичности за счет подачи в камеру сгорания чистого топлива без примеси масла.

Техническая проблема решается за счет того, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр с камерой сгорания, поршень; свечу зажигания, топливную форсунку, воздушную форсунку и выпускной клапан с электроприводом, установленные в головку цилиндра двигателя и электрически соединенные с блоком управления двигателем, согласно заявляемому технической решению выпускной клапан выполнен с электроприводом и пневмоприводом, картер двигателя с воздушной форсункой и пневмоприводом выпускного клапана соединен с помощью трубки-ресивера, на трубке-ресивере установлен перепускной клапан и электроуправляемый перепускной клапан, электроуправляемый перепускной клапан электрически соединен с блоком управления двигателем, на картере установлен воздушный фильтр с клапаном, на поршне выполнены выпуски.

Предлагаемая конструкция двухтактного двигателя внутреннего сгорания поясняется чертежами: фиг. 1 - чертеж двигателя (движение поршня вниз), фиг. 2 - чертеж двигателя (движение поршня вверх), фиг. 3 - нахождение поршня в нижней мертвой точке.

Введены следующие обозначения:

1 - воздушная форсунка, 2 - топливная форсунка, 3 - свеча зажигания, 4 - электропривод клапана, 5 - пневмопривод выпускного клапана, 6 - перепускной клапан, 7 - трубка-ресивер, 8 - электроуправляемый перепускной клапан, 9 - сжатый воздух, 10 - воздушный фильтр, 11 - удаление выхлопных газов, 12 - поступление воздуха в картер, 13 - клапан.

Топливная форсунка 2, воздушная форсунка 1, свеча зажигания 3 и выпускной клапан с электроприводом 4 установлены в головку цилиндра двигателя и электрически соединены с блоком управления двигателем.

Трубка-ресивер 7 соединяет картер двигателя, где происходит сжатие воздуха, с воздушной форсункой 1 и пневмоприводом выпускного клапана 5.

Трубка-ресивер 7 служит для накопления сжатого воздуха для последующего впрыска воздуха и использования для управления выпускным клапаном.

Перепускной клапан 6, установленный на трубке-ресивере 7 служит для регулировки давления в ней, давление в трубке-ресивере 7 зависит от силы поджатия иглы электроуправляемого перепускного клапана 8 к седловине, усилие регулируется изменением магнитного поля соленоида, воздействующего на иглу, управляется блоком управления двигателем.

Воздух в картер поступает через воздушный фильтр 10, выходу воздуха при сжатия препятствует клапан 13.

Работает двухтактный двигатель внутреннего сгорания следующим образом.

Во время работы все процессы изолированы: рабочий ход, подача топливно-воздушной смеси, удаление выхлопных газов. При первом такте происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, рабочий ход поршня одновременно со сжатием воздуха под поршнем. При втором такте происходит выброс выхлопных газов и одновременное наполнение подпоршневого пространства воздухом для дальнейшего сжатия, завершается такт впрыском сжатого воздуха и топлива форсунками в камеру сгорания.

Во время рабочего хода поршень сжимает в картере воздух (фиг. 1). Сжатый воздух 9 через перепускной клапан 6 поступает под давлением в трубку-ресивер 7, которая соединена с воздушной форсункой 1 и пневмоприводом выпускного клапана 5. Давление в трубке-ресивере 7 регулируется электроуправляемым перепускным клапаном (корректором степени сжатия) 8. Электроуправляемый перепускной клапан 8 может быть выполнен в виде поджимаемой магнитным полем иглы, а соответственно и усилием поджатия регулируется давление в трубке-ресивере 7.

Воздух хранится под давлением в трубке-ресивере 7 в объёме, необходимом для следующего такта впрыска и управления пневмоприводом выпускного клапана 5.

После прохождения нижней мертвой точки открывается пневмопривод выпускного клапана 5 и до достижения поршня верхней мертвой точки удерживается открытым для удаления выхлопных газов 11 (фиг. 2).

Одновременно происходит наполнение подпоршневого пространства и картера новой порцией воздуха 12 через воздушный фильтр 10.

При достижении поршня верхней мертвой точки электропривод 4 и пневмопривод выпускного клапана 5 закрываются и происходит впрыск топлива и воздуха в камеру сгорания с помощью топливной форсунки 2 и воздушной форсунки 1 и последующий поджиг смеси свечой зажигания 3.

Диаметр трубки-ресивера 7 подобран, чтобы хранить объём воздуха, необходимый для 2 тактов работы двигателя.

Для достижения необходимого давления необходимо использование поршня особой формы для сжатия воздуха, находящегося в картере до давления 10-12 атм, чтобы соотношение объёма картера и цилиндра в верхней мертвой точке и объёма картера и цилиндра в нижней мертвой точке было не менее, чем 1 к 15 (фиг. 3).

В обычном двигателе внутреннего сгорания в нижней мертвой точке остается много воздуха в картере между щеками коленвала, что не позволяет достичь максимального давления в картере 12-15 атм. Для того чтобы уменьшить остаточный объём воздуха между щеками на поршне выполнены выпуски, которые заполняют пространство между щеками в нижней мертвой точке (фиг. 3).

Примерный расчет объёма воздуха, который сжимается поршнем, и воздуха, который остается в пространстве картера и коленчатого вала, показывает, что максимальное расчётное давление, которое можно создать без выпусков на поршне 8-9 атм (в реальности 5-6 атм), а используя выпуски на поршне, которые в нижней мертвой точке заполняют около половины пространства между щеками, расчётное до 18 атм, а в реальности 13-15 атм, что достаточно для работы двигателя внутреннего сгорания.

Заявляемая конструкция позволяет перенести процесс сжатия воздуха в подпоршневое пространство и картер и объединить процесс сжатия с рабочих ходом. Внесение в конструкцию корректора степени сжатия, реализованного с помощью электроуправляемого перепускного клапана 8, позволяет изменять объём сжимаемого воздуха (изменением давления в трубке-ресивере 7) в зависимости от объёма топлива сжигаемого в следующем такте (сжимается только то количество воздуха, которое необходимо в следующем такте, а лишний воздух сбрасывается через электроуправляемый перепускной клапан 8, что позволяет не расходовать энергию рабочего хода на сжатие лишнего воздуха). Изменение конструкции коленчатого вала и поршня позволяет создать максимальное давление в нижней мертвой точке с целью минимизации остаточного объёма воздуха в картере.

По заявляемой конструкции был изготовлен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, который в процессе работы показал реализацию технического результата.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Технический результат - увеличение эффективности и улучшение рабочих характеристик ДВС. Предложен двухтактный ДВС, содержащий цилиндр с камерой сгорания, поршень, свечу зажигания 3, топливную форсунку 2, воздушную форсунку 1 и выпускной клапан с электроприводом 4 и пневмоприводом 5, установленные в головку цилиндра ДВС и электрически соединенные с блоком управления двигателем. Картер двигателя соединен с воздушной форсункой 1 и пневмоприводом 5 выпускного клапана с помощью трубки-ресивера 7, на которой установлен перепускной клапан 6 и электроуправляемый перепускной клапан 8, регулирующие давление воздуха в трубке-ресивере 7. Электроуправляемый перепускной клапан 8 электрически соединён с блоком управления двигателем. На картере установлен воздушный фильтр 10 с клапаном 13. Для повышения давления сжатия воздуха в картере ДВС нижней частью поршня на поршне выполнены выпуски, заполняющие пространство между щеками коленчатого вала в нижней мертвой точке. 3 ил.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с камерой сгорания, поршень; свечу зажигания, топливную форсунку, воздушную форсунку и выпускной клапан с электроприводом, установленные в головку цилиндра двигателя и электрически соединенные с блоком управления двигателем, отличающийся тем, что выпускной клапан выполнен с электроприводом и пневмоприводом, картер двигателя с воздушной форсункой и пневмоприводом выпускного клапана соединен с помощью трубки-ресивера, на трубке-ресивере установлены перепускной клапан и электроуправляемый перепускной клапан, служащие для регулирования давления в трубке-ресивере, электроуправляемый перепускной клапан электрически соединен с блоком управления двигателем, на картере установлен воздушный фильтр с клапаном, препятствующим выходу сжимаемого воздуха из картера двигателя, для повышения давления сжимаемого поршнем воздуха в картере двигателя на поршне выполнены выпуски, заполняющие пространство между щеками коленчатого вала в нижней мертвой точке.