Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. Сущность изобретения: двухтактный двигатель внутреннего сгораниям, содержащий цилиндр 1, установленный в нем с образованием подпоршневой и надпоршневой полостей поршень 2 со штоком 3, кинематически связанным с валом бесшатунного механизма 5, перегородку 6 с бобышкой 7, направляющей штока 8 и уплотнением 9, отделяющую подпоршневую полость 10 от полости картера 11, надпоршневую полость 12, головку цилиндра 13 с камерой 14, выполненные в цилиндре впускное 15 и выпускное 16 окна и продувочные каналы 17 с входными 18 и выходными 19 окнами, выполненное в юбке поршня боковое окно 20, дополнительно снабжен ползуном 4, передаточным валом 27 и промежуточными шестернями 28, передающими вращение от вала штоку, и топливоподающим устройством 26, связанным с выполненным в стенке цилиндра смесеподающим каналом 23 с входным 24 и выходным 25 окном, в днище поршня выполнено углубление 22, а в юбке - вырезы 21. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания / а.с. N 787696, М. кл. F02B 77/00/, содержащий два ступенчатых цилиндра, два ступенчатых поршня, разделяющих каждый цилиндр на рабочую полость с камерой сгорания, камеру сжатия и кривошипную камеру, шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, выполненные в цилиндре продувочные каналы, соединяющие рабочую полость с кривошипной камерой, впускные каналы бедной и богатой топливной смеси, выпускные каналы, перепускные каналы, золотник, кинематически связанный посредством конических шестерен с коленчатым валом. Бедная топливная смесь по перепускным каналам из кривошипной камеры поступает в нижнюю часть рабочей полости. Богатая топливная смесь из камеры сжатия первого цилиндра по перепускным каналам через золотник поступает в камеру сгорания второго цилиндра, при этом обеспечивается расслоение топливной смеси в рабочей полости цилиндра. Аналогично, богатая топливная смесь из камеры сжатия второго цилиндра поступает в камеру сгорания первого цилиндра, так как поршни движутся в противофазе, а золотник обеспечивает изменение направления потоков.

Недостатком такого двигателя является сложность изготовления ступенчатых цилиндров и поршней, сложность уплотнения золотника от прорыва расширяющихся газов, прямой выброс топливной смеси вместе с выхлопными газами, с чем связала его недостаточная экономичность.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания /а.с. N 1300166, М. кл. F02B 33/04/, содержащий цилиндр, поршень, соединенный посредством штока с валом бесшатунного механизма, перегородку с бобышкой, направляющей штока и уплотнениями, отделяющую подпоршневую полость от полости картера, головку цилиндра с камерой сгорания и свечой, выполненные в цилиндре выпускное и впускное окна, смесеподающие каналы с входными и выходными окнами, выполненные в юбке поршня боковые окна, причем отношение высоты выпускного окна к расстоянию от верхней его кромки до днища поршня, изморенном при совмещении нижней кромки бокового окна с верхней кромкой входного окна, составляет 2 5. В таком двигателе, как и в описанном выше, процесс продувки осуществляется топливной смесью, и хотя фаза продувки смещена относительно фазы выпуска, это не устраняет выброса топливной смеси вместе с выхлопными газами, поэтому экономичность такого двигателя невысокая. Указанный двигатель имеет симметричную фазу впуска, при которой происходит обратный выброс топливной смеси из одпоршневой полости в конце фазы впуска, что снижает его экономичность и удельную мощность. Кроме того, в таком двигателе не предусмотрена смазка трущихся поверхностей цилиндра и поршня иначе как посредством присутствующих в топливной смеси частичек масла, что приводит к повышенному расходу масла и токсичности выхлопных газов.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности двухтактного двигателя внутреннего сгорания, а именно: повышение его экономичности и удельной мощности, снижение токсичности. Для достижения поставленной задачи, двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, установленный в нем с образованием подпоршневой и надпоршневой полостей поршень со штоком, кинематически связанный с валом бесшатунного механизма, перегородку с бобышкой, направляющей штока и уплотнением, отделяющую подпоршневую полость от полости картера, головку цилиндра с камерой сгорания, выполненные в цилиндре впускные и выпускные окна и продувочные каналы с входными и выходными окнами, выполненное в юбке поршня боковое окно, дополнительно снабжено ползуном, передаточным валом, промежуточными шестернями, топливоподающим устройством, а в стенке цилиндра выполнен смесеподающий канал с входным и выходным окнами. Передаточный вал с шестерней размещен в ползуне и образует с шейкой вала бесшатунного механизма червячную передачу, а шестерня кинематически связана с шестерней, установленной на штоке поршня, при этом шток закреплен в ползуне с возможность осевого вращения. Топливоподающее устройство сообщено со смесеподающим каналом, а в днище поршня выполнено углубление с возможностью совмещения с выпускным окном в момент открывания последнего. Боковое окно в юбке поршня выполнено с возможностью совмещения с входным окном смесеподающего канала при положении поршня под верхней кромкой выходных окон продувочных каналов, а в юбке поршня выполнены вырезы с возможностью совмещения с входными окнами продувочных каналов при положении поршня в нижней мертвой точке. Выполнение углубления и вырезов в юбке поршня приводит к тому, что процесс выпуска начинается и заканчивается раньше начала и окончания процесса продувки соответственно, в результате чего уменьшается прямой выброс воздуха и топливной смеси, улучшается наполняемость цилиндра, что служит повышению экономичности и удельной мощности двигателя. Выполнение бокового окна указанным способом приводит к тому, что процесс продувки вначале осуществляется воздухом, и лишь затем топливной смесью, образующейся в смесеподающих каналах под воздействием топливоподающего устройства. В результате уменьшается прямой выброс топливной смеси, повышается экономичность. Впускное окно может быть выполнено с возможностью совмещения в момент открывания с одним из вырезов в юбке поршня. В этом случае обеспечивается несимметричная фаза впуска, что приводит к большему наполнению цилиндра воздухом и, следовательно, увеличению удельной мощности.

Камера сгорания может быть выполнена смещенной относительно оси цилиндра в сторону выпускного окна, а смесеподающий канал направленным в сторону камеры сгорания. В этом случае обеспечивается разделение богатой и бедной топливной смеси в момент воспламенения, в результате чего повышается эффективность сгорания, увеличивается экономичность двигателя.

В предлагаемом двигателе может быть осуществлена раздельная система смазки трущихся поверхностей цилиндра и поршня по выполненным в цилиндре масляным каналам и маслосборным канавкам. Это приводит к уменьшению расхода масла и токсичности двигателя.

Отличительные от прототипа признаки обеспечивают достижение положительного эффекта: повышение экономичности двигателя, увеличение удельной мощности, снижение токсичности.

На фиг. 1 представлена схема двигателя; на фиг. 2 представлен узел ползуна; на фиг. 3 развертка зеркала цилиндра; на фиг. 4 диаграмма фаз газораспределения двигателя; на фиг. 5 схема распределения газовых потоков в цилиндре; на фиг. 6 начало и окончание фазы впуска; на фиг. 7 начало и окончание фазы выпуска; на фиг. 8 начало и окончание фазы впуска топливной смеси; на фиг. 9 схема перемещения механизма.

На фиг. 1 представлен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр 1, поршень 2, соединенный посредством штока 3 и ползуна 4 с валом бесшатунного механизма 5, перегородку 6 с бобышкой 7, направляющей штока 8 и уплотнениями 9, отделяющую подпоршневую полость 10 от полости картера 11, надпоршневую полость 12, головку цилиндра 13 с камерой сгорания 14, выполненные в цилиндре впускное 15 и выпускное 16 окна, продувочные каналы 17 с входными 18 и выходными 19 окнами, выполненные в юбке поршня боковое окно 20 и вырезы 21, а в головке поршня углубление 22. В цилиндре выполнен смесеподающий канал 23 с входным 24 и выходным 25 окнами. Топливоподающее устройство 26 соединено со смесеподающим каналом.

Боковое окно 20 в юбке поршня выполнено таким образом, что его передняя по ходу вращения поршня кромка совмещается с первой по ходу вращения кромкой входного окна 25 смесеподающего канала в момент, когда днище поршня находится под верхней кромкой выходных окон продувочных каналов. Вырезы 21 выполнены совмещенными с входными окнами 18 продувочных каналов при положении поршня под верхней кромкой выходных окон 19 продувочных каналов. Углубление 22 в днище поршня выполнено совмещенным с выпускным о ном 16 в момент открывания последнего. Расстояние А от днища поршня до верхней кромки выпускного окна 16 меньше расстояния В от днища поршня до верхней кромки выходящих окон 19 продувочных каналов при положении поршня в нижней мертвой точке, а глубина углубления определяется выражением Н > В А. Впускное окно 15 выполнено с возможностью совмещения в момент открывания с одним из вырезов 27 в юбке поршня.

В ползуне 4 расположен передаточный вал 27. На передаточном вале и на штоке закреплены промежуточные шестерни 28.

На фиг. 2 показан ползун 4, который выполнен разъемным по плоскости, проходящей через ось штока 3 и ось шейки вала 5. Передаточный вал 27 расположен в ползуне параллельно оси штока и перпендикулярно оси шейки вала, образуя с последней червячную передачу с передаточным отношением 1 1. Шток закреплен в ползуне с возможностью осевого вращения посредством выполненной на нем юбки 29, помещающейся внутри выполненных в ползуне проточках 30, и кинематически связан с передаточным валом посредством промежуточных шестерен 28 с передаточным отношением 1 1.

На фиг. 3 показана развернутая внутренней поверхности цилиндра, на которой между уровнем нижней кромки выходных окон и уровнем верхней кромки впускного окна выполнены маслосборные канавки 31, сходящиеся по ходу вращения поршня. В цилиндре выполнены масляные каналы 32 и 33.

При возвратно-поступательном движении поршня со штоком и ползуном вдоль оси цилиндра вал 5 бесшатунного механизма совершает сложное движение, которое можно разделить на поступательное движение вместе с ползуном и вращательное движение вала с шейкой округ ее оси. При этом шейка вала посредством червячной передачи приводит во вращение передаточный вал 27, а тот в свою очередь посредством промежуточных шестерен 28 приводит во вращение шток 3 с поршнем 2. Юбка штока 29, помещенная в проточках 3 ползуна, ограничивает продольное смещение штока относительно ползуна. Таким образом, поршень совершает сложное движение, а так как передаточные отношения в кинематических связях равны 1 1, то за полный цикл совершаемого им возвратно-поступательного движения он поворачивается вокруг своей оси на 360^o. Это дает возможность использовать его в качестве золотника для регулирования фаз газораспределения. При движении поршня 2 вверх топливная смесь, содержащаяся в надпоршневой полости цилиндра 12, сжимается, а в подпоршневой полости 10 создается разрежение. При положении поршня, соответствующем углу α на круговой диаграмме фаз газораспределения /фиг. 4/, верхняя кромка выреза 21 в юбке поршня совместится с нижней кромкой впускного окна 15, начнется фаза впуска /фиг. 6/. По достижении поршнем верхней мертвой точки /ВМТ/ в камере сгорания 14 начнется воспламенение топливной смеси. Под действием расширяющихся газов поршень движется вниз, вращаясь под действием передаточного вала 27 и промежуточных шестерен 28, а так как вырез 21 при этом повернется относительно впускного окна 15, то оно будет перекрыто нижней кромкой поршня в конце фазы пуска /фиг.7/, что соответствует углу aʹ на круговой диаграмме. Начнется сжатие воздуха в подпоршневой полости 10, отделенной от полости картера 11 перегородкой 6, через которую по направляющей 8 проходит ток. Бобышка 7 и уплотнение 9 предназначены для повышения степени сжатия в подпоршневой полости.

По достижении нижней кромкой углубления 22 в днище поршня верхней кромки выпускного окна 16 начинается фаза выпуска /фиг. 8/, что соответствует углу на круговой диаграмме. По достижении верхней кромки поршня верхней кромки выходных окон 19 продувочных каналов 17 начнется фаза продувки, что соответствует углу β на круговой диаграмме. Возникает петлеобразный поток воздуха, вытесняющий отработавшие газы /см. фиг. 5/. Вслед за этим, когда днище поршня опустится ниже уровня верхней кромки выходных о он 19 и 24, передняя по ходу вращения) поршня кромка бокового окна 20 совмещается с первой по ходу вращения кромкой входного окна 25, что соответствует углу на круговой диаграмме, начнется фаза впуска топливной смеси, образованной в смесеподающем канале 23 смешением воздуха с топливом, поступившим из топливоподающего устройства 26. Поток топливной смеси направляется в сторону камеры сгорания 14. В результате взаимодействия потоков возле камеры сгорания создается область с обогащенной рабочей смесью, а в остальном объеме область с обедненной рабочей смесью. Вырезы 21 совмещены с входными окнами 18 продувочных каналов на всем протяжении фазы продувки.

При движении поршня от НМТ вверх углубление 22 поворачивается относительно выпускного окна 16 и последнее перекрывается днищем поршня в конце фазы выпуска /фиг. 9/, что соответствует углу на круговой диаграмме. Затем верхняя кромка поршня перекрывает верхнюю кромку выходных окон 19 и 24, заканчивая фазы продувки и впуска топливной смеси, что соответствует углу b на круговой диаграмме.

При дальнейшем сжатии области обогащенной и обедненной смеси сохраняются, и к моменту прихода поршня в ВМТ в камере сгорания находится обогащенная топливная смесь, а в углублении поршня 22, расположенном в этот момент в противоположной от камеры сгорания стороне цилиндра, находится обедненная топливная смесь воспламеняется свечой, продукты ее сгорания через зазор между днищем поршня и головкой цилиндра 13 поступают в углубление поршня, где поджигают обедненную топливную смесь, обеспечивая ее полное сгорание. Затем описанный рабочий цикл повторяется.

Смазка трущихся поверхностей цилиндра и поршня обеспечивается подачей масла по входному каналу 32. Маслосборные канавки 31 уменьшают попадание масла в полости цилиндра, так как вращающийся поршень сгоняет масло от из периферии к масляному каналу 32 Для получения теоретических выкладок, подтверждающих достижение описываемого эффекта, рассмотрим схему на фиг. 10. Вертикальное перемещение X любой точки поршня относительно точки, соответствующей положению днища поршня в мертвой точке /верхней или нижней/, связано с углом поворота v коленчатого вала бесшатунного механизма относительно его положения в соответствующей мертвой точке выражением X Хо + 0,5S /1- Со v/, /1/ где Хо расстояние от днища поршня до указанной точки на поршне, S ход поршня.

Для углов a и αʹ это выражение приобретает вид С /Н-Д/ + 0,5S/ 1 СО α /, 0,5S Соs a Н-Д + 0,5 S С, C H + 0,5 S /1-Соs aʹ /, 0,5S Cos αʹ H +0,5S -С, где H высота поршня, Д высота выреза 21 в юбке поршня,
С расстояние от ВМТ до нижней кромки впускного окна.

Отсюда имеем, что α>αʹ, то есть фаза впуска несимметрична относительно ВМТ.

Для углов β и βʹ из выражения /1/ имеем
А +0,5 S /1-Соs β/,
0,5 S Cos b -h+0,5S-A,
А 0,5 S /1-Соs bʹ/, 0,5S Cos βʹ 0,5 S A,
а для углов У и У' имеем
В 0,5 S /l-Cos У/ 0,5S /l-Cos У'/,
cледовательно, β>βʹ, а У У'.

Учитывая, что h>B A, а B>A, получим, что βʹ <У< β.

Таким образом, фаза выпуска несимметрична относительно НМТ, начинается и заканчивается она раньше начала и окончания фазы продувки, которая симметрична относительно НМТ.

Для углов W и W' из выражения /1/ имеем
X=0,5S/l-CosW/; 0,5 S CosW 0,5 S X,
X0,5S/l-СоsW'/; 0,5 CosW'=0,5 S X',
где X расстояние от НМТ до днища поршня в начале фазы впуска топливной смеси;
X расстояние от днища поршня до НМТ в конце фазы, а так как X<X' то W<W'<BR> Описанный двигатель обладает рядом преимуществ.

Во-первых, осуществление продувки воздухом и обеспечение несимметричных фаз выпуска и впуска топливной смеси повышает экономичность двигателя и его удельную мощность.

Во-вторых, осуществление несимметричной фазы впуска улучшает наполнение цилиндра воздухом и продувку, что повышает удельную мощность двигателя.

В-третьих, обеспечено разделение богатой и бедной топливной смеси, что повышает экономичность двигателя.

В-четвертых, применение раздельной смазки деталей поршневой группы снижает расход масла и уменьшает токсичность выхлопных газов. 2 4

Формула изобретения

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндр, установленный в нем с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей, поршень со штоком, кинематически связанным с выходным валом бесшатунного механизма, перегородку с бобышкой, направляющей штока и уплотнением, головку цилиндра с камерой сгорания, выполненные в цилиндре впускные и выпускные окна и продувочные каналы с входными и выходными окнами, боковые окна в юбке поршня, выполненные с возможностью совпадения с входными окнами продувочных каналов при положении поршня под верхней кромкой выходных окон продувочных каналов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, двигатель дополнительно снабжен ползуном, передаточным валом, промежуточными шестернями, топливоподающим устройством, а в стенке цилиндра выполнен смесеподающий канал, причем в ползуне размещен передаточный вал с шестерней, образующий с шейкой выходного вала червячную передачу, а шестерня кинематически связана с шестерней, установленной на штоке поршня, при этом шток закреплен в ползуне с возможностью осевого вращения, топливоподающее устройство сообщено со смесеподающим каналом, в днище поршня выполнено углубление с возможностью совмещения с выпускным окном в момент открывания последнего, а в юбке поршня выполнены вырезы с возможностью совмещения с входными окнами продувочных каналов при положении поршня в нижней мертвой точке.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что впускное окно выполнено с возможностью совмещения с одним из вырезов в юбке поршня в момент его открывания.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что камера сгорания смещена относительно оси цилиндра в сторону выпускного окна.

4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что на внутренней поверхности цилиндра выполнены масляные каналы и маслосборные канавки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9