Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Использованиe: в автомобилестроении, в частности двигателестроении. Сущность изобретения: на юбке поршня выполнен радиальный паз со сквозными отверстиями, а в пазу соосно поршню установлен кольцевой клапан с возможностью осевого перемещения и перекрытия отверстий паза и впускных окон, причем юбка поршня, кольцевой клапан и компрессорная часть цилиндра, содержащая впускные окна, образуют полость переменного объема, сообщающуюся на части хода поршня с компрессорной камерой через отверстия в пазу юбки поршня. 6 з. п. ф-лы., 9 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий ступенчатый цилиндр, больший диаметр которого образует компрессорную камеру, к которой подключен впускной клапан с установленным в нем обратным пластинчатым клапаном, а меньший рабочую камеру, имеющую выпускной канал, размещенный в цилиндре поршень, кинематически связанный с коленчатым валом, и промежуточную камеру, подключенную к рабочей камере при помощи по меньшей мере одного перепускного канала и изолированную от картера ДВС.

Однако применение пластинчатого обратного клапана во впускном канале повышает газодинамическое сопротивление впускной системы. Кроме того, поскольку для открывания указанного клапана необходим перепад давления, время открывания впускных окон уменьшается до 150 160^oC угла поворота вала в зависимости от упругости обратного клапана. В результате уменьшается время-сечение впуска в компрессорный цилиндр и ухудшается его наполнение свежим зарядом. Использование в известном ДВС перепускной камеры, имеющей значительный паразитный объем и связанной с рабочей камерой через управляемый поршнем перепускной канал, приводит к обратному сбросу части свежего заряда из рабочей камеры в промежуточную в начале такта сжатий. Это делает неэффективной фазу наддува ДВС и ухудшает наполнение цилиндра. Наличие указанных недостатков приводит к снижению удельной мощности и КПД в известном ДВС.

Цель изобретения повышение удельной мощности и КПД ДВС за счет улучшения наполнения цилиндра.

Для достижения цели в двухтактном ДВС, содержащем по меньшей мере один основной ступенчатый цилиндр, больший диаметр которого образует компрессорную камеру, имеющую систему впуска свежего заряда, а меньший рабочую камеру, имеющую систему выпуска отработавших газов, размещенный в основном цилиндре поршень с юбкой, разделяющий компрессорную и рабочую камеры и кинематически связанный с выходным валом, система впуска свежего заряда выполнена в виде пояса впускных окон, на юбке поршня выполнен радиальный паз со сквозными отверстиями, а в пазу соосно поршню установлен кольцевой клапан с возможностью осевого перемещения и перекрытия отверстий паза, причем юбка поршня, кольцевой клапан и компрессорная часть основного цилиндра, содержащая впускные окна, образуют полость переменного объема, сообщающуюся на части хода поршня с компрессорной камерой через отверстия в пазу юбки поршня. В одном из вариантов ДВС в стенке компрессорной камеры могут быть выполнены перепускные окна, а в стенке рабочей камеры управляющие поршнем продувочные окна, сообщенные с перепускными окнами посредством перепускного канала, при этом контактирующая с цилиндром поверхность кольцевого клапана имеет ширину не менее ширины перепускных окон. В другом варианте ДВС в днище поршня выполнен перепускной канал с клапаном, а система выпуска отработавших газов выполнена в виде управляемых поршнем выпускных окон в стенке рабочей камеры. Оба варианта могут быть реализованы на основе ДВС с противоположно движущимися поршнями и применимы,как в ДВС с воспламенением от сжатия, так и с искровым зажиганием. В компрессорной камере по меньшей мере одного цилиндра на втулке может быть размещен оребренный теплообменник, наружная поверхность которого выполнена в форме, соответствующей профилю внутренней поверхности поршня, причем теплообменник снабжен системой подвода и отвода охлаждающей среды. Поверхность кольцевого клапана, контактирующая с цилиндром, может быть снабжена по меньшей мере одним уплотнительным кольцом и имеет ширину не менее ширины впускных окон.

Сущность изобретения заключается в том, что кольцевой клапан, установленный на юбке поршня с образованием полости переменного объема, совмещает функции трех клапанов: впускного и двух перепускных (из полости переменного объема в компрессорную камеру и из последней в рабочую камеру), а также контролирует объем уплотнительной полости. Газораспределение в заявленном ДВС полностью управляется поршнем с многофункциональным кольцевым клапаном, что позволяет отказаться от традиционных упругих элементов обратных клапанов, обуславливающих потерю части хода поршня на стадии впуска как в прототипе. Благодаря этому существенно уменьшено газодинамическое сопротивление на впуске и перепуске, а также достигнута полная синхронизация между всеми стадиями газораспределения, положением поршня и процессами в цилиндре. Стадия впуска в компрессорную камеру увеличена почти до 180^o угла поворота вала. Кроме того, использование кольцевого клапана, смещающегося относительно поршня на ширину паза в юбке при изменении направления движения поршня, позволяет исключить обратный сброс смеси по перепускным каналам в компрессорную камеру с началом такта сжатия в рабочей камере. Наличие подключенной к впускным окнам полости переменного, управляемого кольцевым клапаном объема дает возможность увеличить до 320^o продолжительность фазы впуска свежего заряда в цилиндр двухтактного ДВС. Таким образом, организация практически непрерывного потока свежего заряда при уменьшении потерь давления и энергии на впуске позволяет с большой эффективностью использовать турбонаддув компрессорной камеры, увеличить наполнение компрессора и количество продувочного воздуха, улучшив при этом охлаждение поршня и цилиндра. Расчетный коэффициент наполнения компрессорной камеры ДВС равен 0,9 1. Тем самым достигается цель повышение удельной мощности и КПД, особенно на больших оборотах.

На фиг. 1 7 схематично изображена цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) двухтактного дизеля на разных стадиях цикла: фиг. 1 поршень расположен во внутренней мертвой точке (ВМТ); фиг. 2 начало рабочего хода поршня, впускные окна перекрыты; фиг. 3 рабочий ход; фиг. 4 поршень расположен в наружной мертвой точке (НМТ); фиг. 5 начало такта сжатия и впуска в компрессорную камеру; фиг. 6 движение поршня к ВМТ, перекрытие продувочных окон; фиг. 7 - середина такта сжатия; на фиг. 8 изображен вариант ЦПГ заявляемого ДВС с противоположно движущимися поршнями, продольный разрез; на фиг. 9 вариант выполнения ДВС с противоположно движущимися поршнями, содержащими перепускные тарельчатые клапаны, продольный разрез (оба последних варианта ДВС снабжены теплообменниками, расположенными в компрессорных камерах.

П р и м е р 1. (фиг. 1 7). Двухтактный дизель содержит ступенчатый цилиндр 1, больший диаметр которого образует компрессорную камеру 2, а меньший диаметр рабочую камеру 3. Эти камеры разделены поршнем 4 с юбкой 5, который жестко соединен с приводным штоком 6. Шток размещен во втулке 7, которая расположена в компрессорной камере 2, и связан с преобразовательным механизмом (не показан). В компрессорной части цилиндра выполнены пояса впускных 8 и перепускных 9 окон. Рабочая камера выполнена с поясом продувочных окон 10, которые соединены с перепускными окнами 9 перепускными каналами 11. В головке 12 цилиндра установлены форсунка 13 и выпускной клапан 14, закрывающий выхлопной канал 15. На юбке поршня выполнен радиальный паз 16, в котором, в свою очередь, выполнены сквозные отверстия 17 и установлен кольцевой клапан 18 Г-образного сечения с уплотнительным кольцом 19 на поверхности, контактирующей с цилиндром 1. Между юбкой 5 и стенкой компрессорной части 2 цилиндра образуется кольцевая полость 20 переменного объема, ограниченная с одной стороны кольцевым клапаном 18 и периодически соединяющаяся с впускными окнами 8.

Двигатель по примеру 1 работает следующим образом.

При расположении поршня 4 в ВМТ (фиг. 1) юбка 5 поршня перекрывает продувочные окна 10, кольцевой клапан 18 впускные окна 8, а выпускной клапан 14 выхлопной канал 15. В рабочей камере 3 начинается сгорание топлива, впрыснутого форсункой 13. Под действием продуктов сгорания поршень 4 начинает двигаться к НМТ, сжимая свежий заряд в компрессорной камере 2 и перепускных каналах 11. При этом поршень 4 смещается относительно неподвижного в этот момент кольцевого клапана 18, который таким образом отсекает компрессорную камеру 2 от полости 20 переменного объема путем перекрытия отверстий 17 паза 16 (фиг. 2). В определенный момент рабочего хода поршня, зависящий от ширины радиального паза 16, правая (на чертеже) кромка этого паза подходит к кольцевому клапану 18 и начинает его смещать, открывая впускные окна 8 (фиг. 3). Дальнейшее движение поршня 4 к НМТ происходит вместе с кольцевым клапаном 18. Свежий заряд засасывается через впускные окна 8 в полость 20 за счет разрежения, возникающего в ней при смещении кольцевого клапана 18 к НМТ. Одновременно нарастает степень сжатия в компрессорной камере 2 и перепускных каналах 11. При подходе поршня 4 к НМТ (фиг. 4) открывается выпускной клапан 14 и отработавшие газы выбрасываются из рабочей камеры 3 через выхлопной канал 15. Несколько позже днищем поршня 4 открываются продувочные окна 10, начинается вытеснение остатков продуктов сгорания из рабочей камеры 3 и заполнение ее свежим зарядом, подаваемым под давлением из компрессорной камеры 2 по перепускным каналам 11. В конце продувки выхлопной канал 15 перекрывается клапаном 14, поршень 4 находится в НМТ и кольцевой канал 18 закрывает перепускные окна 9. В начале такта сжатия (фиг. 5) кольцевой клапан 18 продолжает перекрывать перепускные окна 9, изолируя перепускные каналы 11, в которых осталась под повышенным давлением часть свежего заряда, от компрессорной камеры 2, в которой начинается разряжение при отходе поршня от НМТ. Сначала поршень 4 движется к ВМТ относительно неподвижного кольцевого клапана 18, скользящего по радиальному пазу 16. При этом отверстия 17 паза, также смещаясь относительно кольцевого клапана 18, открывают полость 20, и новая порция свежего заряда из впускных окон 8 через полость 20 начинает поступать в компрессорную камеру 2 в самом начале такта сжатия. Как только днище поршня 4 перекрывает продувочные окна 10 (фиг. 6), левая (по чертежу) кромка паза 16 подходит к кольцевому клапану 18, и он начинает двигаться вместе с поршнем 4, открывая при этом перепускные окна 9 (фиг. 7). Наполнение компрессорной камеры 2 через отверстия 17 паза и впускные окна 8 продолжается вплоть до перекрытия последних кольцевых клапанов 18 вблизи ВМТ (фиг. 1). Одновременно завершается сжатие воздушного заряда в рабочей камере 3, форсунка 13 впрыскивает топливо, которое воспламеняется от сжатия. Поршень 4 находится в ВМТ. Цикл повторяется.

П р и м е р 2 (фиг. 8). ДВС может содержать две ЦПГ, соединенный с образованием общей рабочей камеры 21, ограниченной днищами противоположно движущихся поршней 4, аналогичных по конструкции поршню по примеру 1. В этом случае обе компрессорные камеры 2 содержат впускные 8 и перепускные 9 окна, а рабочая камера 21 кроме пояса продувочных окон 10, управляемых одним поршнем, имеет пояс выпускных окон 22, управляемых вторым поршнем. Эти управляющие газораспределением поршни имеют угол рассогласования, равный 7 15^o угла поворота вала. Перепускные окна 9 обоих цилиндров 1 соединены отдельными перепускными каналами 11 с общим для них поясом продувочных окон 10. В компрессорной камере одного или обоих цилиндров на втулке 7 штока может быть размещен оребренный теплообменник 23 с системой подвода и отвода охлаждающей жидкости (трубопроводы 24). Наружная поверхность (оребрение 25) теплообменника имеет форму, соответствующую внутренней поверхности юбки 5 поршня.

Двигатель по примеру 2 работает следующим образом.

Кольцевой клапан 14 в обоих цилиндрах управляет впускными 8 и перепускными 9 окнами так же, как описано в примере 1. Обе компрессорные камеры 2 используются для продувки и наполнения свежим зарядом рабочей камеры 3 через общий для них пояс продувочных окон 10, который открывается в рабочую камеру 3 позже открывания пояса выпускных окон 22 на время, обусловленное углом рассогласования поршней. В процессе наполнения компрессорных камер 2 свежим зарядом (при движении поршней 4 к ВМТ) и при сжатии свежего заряда в этих камерах (рабочий ход поршней) происходит интенсивное омывание зарядом холодных оребренных поверхностей 25 теплообменников 23, в результате чего температура заряда уменьшается, а наполнение компрессорных и рабочей камер увеличивается.

П р и м е р 3 (фиг. 9). ДВС с противоположно движущимися поршнями 26, расположенными в ступенчатом цилиндре 27, содержит общую рабочую камеру 28 и две подпоршневые компрессорные камеры 29. В стенках цилиндра меньшего диаметра выполнены два пояса выпускных окон 30, управляемые днищами поршней 26, а в стенках большего диаметра два пояса впускных окон 31 по одному в каждой компрессорной камере 29. Кроме того, в компрессорных камерах размещены оребренные теплообменники 32 с системами 33 циркуляции хладагента, а в рабочей камере установлена свеча 34 зажигания. Впускные окна 31 соединены впускными трубопроводами с карбюратором (не показан). На юбках 35 обоих поршней 26 аналогично поршню из примера 1 выполнены радиальные пазы 36 с отверстиями 37 и установлены кольцевые клапаны 38 с уплотнительными кольцами 39. В днищах поршней 26 выполнены перепускные каналы 40, закрываемые подпружиненными и размещенными в штоке 41 тарельчатыми клапанами 42. Описанная конструкция ДВС может работать в дизельном варианте, при этом свеча зажигания заменяется на топливную форсунку, а система впуска отключается от карбюратора.

Двигатель по примеру 3 работает следующим образом.

При расположении поршней 26 во внутренней мертвой точке выпускные окна перекрыты юбками 35 поршней, а впускные окна кольцевыми клапанами 38. Тарельчатые клапаны 42 закрывают перепускные каналы 40. Под действием продуктов сгорания горючей смеси, подожженной в рабочей камере 28 свечой 34, поршни совершают рабочий ход, сжимая при этом в компрессорных камерах 29 накопленный ранее свежий заряд смеси. Расположенная ближе к днищу поршня кромка паза 36 входит в контакт с кольцевым клапаном 38 и начинает перемещать его по направлению к НМТ, открывая при этом пояс впускных отверстий 31. В кольцевой полости 43 переменного объема образовавшейся между юбкой 35 и стенкой цилиндра, накапливется свежий заряд для следующего цикла. Свежий заряд, находящийся в компрессорной камере 29, сжимается между оребрением теплообменника 32, эффективно охлаждаясь при этом. Вблизи НМТ днища поршней проходят пояса выпускных окон 30. Давление в рабочей камере 28 падает. Под действием перепада давления в камерах 28 и 29 (или под действием толкателя в штоке) открывается тарельчатые клапаны 42 и свежий заряд под давлением по каналам 40 перепускается в рабочую камеру 28. С началом движения поршней 26 к ВМТ выпускные окна 30 и перепускные каналы 40 закрываются. Происходит перекладка кольцевого клапана 38 на другую кромку паза 36, расположенную дальше от днища поршня. При этом кольцевая полость 43 открывается через отверстия 37 паза в компрессорную камеру 29 и поток свежего заряда из этой полости и из впускных окон 31 попадает на оребрение теплообменника 32, охлаждаясь при этом. Давление горючей смеси в рабочей камере нарастает, и вблизи ВМТ свеча поджигает смесь. Накопление свежего заряда в компрессорной камере продолжается вплоть до подхода поршней к ВМТ. Цикл повторяется.

Формула изобретения

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один основной ступенчатый цилиндр, больший диаметр которого образует компрессорную камеру, имеющую систему впуска свежего заряда, а меньший - рабочую камеру, имеющую систему выпуска отработавших газов, размещенный в основном цилиндре поршень с юбкой, разделяющий компрессорную и рабочую камеры и кинематически связанный с выходным валом, отличающийся тем, что система впуска свежего заряда выполнена в виде пояса впускных окон, на юбке поршня выполнен радиальный паз со сквозными отверстиями, а в пазу соосно поршню установлен кольцевой клапан с возможностью осевого перемещения и перекрытия отверстий паза, причем юбка поршня, кольцевой клапан и компрессорная часть основного цилиндра, содержащая впускные окна, образуют полость переменного объема, сообщающуюся на части хода поршня с компрессорной камерой через отверстия в пазу юбки поршня.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что контактирующая с цилиндром поверхность кольцевого клапана выполнена шириной, не меньшей ширины впускных окон.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным цилиндром с поршнем, соединенным с основным цилиндром с образованием общей рабочей камеры, ограниченной днищами поршней основного и дополнительного цилиндров, а система выпуска отработавших газов выполнена в виде управляемых поршнем выпускных окон в стенке рабочей камеры.

4. Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что в стенке компрессорной камеры выполнены перепускные окна, а в стенке рабочей камеры управляемые поршнем продувочные окна, сообщенные с перепускными окнами посредством перепускных каналов, причем контактирующая с цилиндром поверхность кольцевого клапана имеет ширину не менее ширины перепускных окон.

5. Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что в днище поршня выполнен перепускной канал с клапаном.

6. Двигатель по пп.1-5, отличающийся тем, что в компрессорной камере установлена втулка, а на последней размещен теплообменник, который снабжен системой подвода и отвода охлаждающей среды и имеет оребренную наружную поверхность, выполненную в форме, соответствующей профилю внутренней поверхности поршня, причем поршень жестко соединен с приводным штоком, размещенным во втулке.

7. Двигатель по пп. 1-6, отличающийся тем, что поверхность кольцевого клапана, контактирующая с цилиндром, снабжена по меньшей мере одним уплотнительным кольцом.

РИСУНКИ

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