Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания и двухтактный двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа

 

Использование: в двигателестроении, в способах работы двухтактных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: при движении поршня в нижнюю мертвую точку осуществляют продувку рабочего объема, для этого сначала подают в рабочий объем воздух, а затем подают одновременно воздух в приосевую область рабочего объема и топливо-воздушную смесь по периферии объема из одного и того же пояса сечения рабочего объема. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр, в котором размещены два противоположно движущихся поршня, соединенные механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, цилиндр имеет торцевые стенки, а поршни - двусторонние днища, горячие днища образуют между собой рабочий объем, а холодные днища образуют с торцевыми стенками полости, одна из которых сообщена каналом с продувочными воздушными окнами и через впускное окно с атмосферой, а другая полость сообщена каналом с продувочными окнами подачи топливо-воздушной смеси и через впускное окно с карбюратором. Изобретение обеспечивает повышение КПД, экономию топлива, надежность, а также упрощение конструкции. 2 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а конкретно, к способам работы и устройствам двухтактных двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания (см. патент 46404, публ. 09.12.29, Болгария), в котором через впускное отверстие в рабочем цилиндре к двухтактному двигателю внутреннего сгорания подводится не только смесь воздуха и горючего, а также частичные потоки чистого воздуха, который осуществляет продувку рабочего объема двигателя.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания /1/, содержащий рабочий цилиндр, имеющий выпускные и продувочные окна, с размещенными в нем двумя противоположно движущимися поршнями, в котором осуществляется прямоточная, наиболее рациональная продувка. Двигатель имеет два коленчатых вала, связанных какой-либо, например шестеренчатой передачей. Двигатели этого типа имеют большие размеры, низкий механический КПД в связи с наличием нормальных сил, действующих на поршень, и не отличаются высокими эксплуатационными качествами.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания и способ работы, реализованный в нем, ближайший по технической сущности к заявляемому и принятый за прототип /2/. Способ работы двухтактного двигателя включает подачу топливо-воздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие рабочей смеси, воспламенение ее, выпуск продуктов сгорания и продувку рабочего объема потоком воздуха, причем выпуск продуктов сгорания и продувка рабочего объема осуществляется в разных поясах сечения рабочего объема. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр, имеющий выпускные и продувочные окна, с размещенными в нем двумя противоположно движущимися поршнями, в котором осуществляется прямоточная продувка. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала каждый поршень шарнирно соединен с качающимся балансиром, имеющим шарнирное соединение с опорой в картере. В средней части балансиры соединены шатунами с коленчатым валом. Такая конструкция механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала позволяет изменять степень сжатия в цилиндре за счет изменения расстояния между неподвижными опорами балансиров. Кроме того, в механизме отсутствуют нормальные силы, действующие на поршни, при этом предотвращаются вибрации цилиндра и снижаются механические потери от трения в паре поршень-цилиндр.

Недостатком прототипа является то, что для осуществления процесса продувки и наполнения цилиндра необходим дополнительный компрессор, что усложняет конструкцию. Такая конструкция используется преимущественно в двигателях с дизельным рабочим процессом.

При использовании данного двигателя в качестве карбюраторного у него недостаточно высокий КПД и низкая топливная эффективность.

Задачей, которую решает данное изобретение, является повышение КПД двигателя, повышение топливной экономичности, надежности, а также упрощение конструкции двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в способе работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, включающем подачу топливо-воздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие рабочей смеси при движении поршней в верхнюю мертвую точку, воспламенение ее, выпуск продуктов сгорания и продувку рабочего объема потоком воздуха в разных поясах рабочего объема при движении поршней в нижнюю мертвую точку, топливо-воздушную смесь подают в том же поясе сечения рабочего объема, что и воздух, при этом сначала подают часть воздуха, а затем одновременно подают воздух в приосевую зону рабочего объема и топливо-воздушную смесь по его периферии. Топливо-воздушную смесь и воздух подают в рабочий объем из соответствующих объемов за поршнями путем вытеснения рабочего тела за счет давления поршней при движении их в нижнюю мертвую точку, а при движении поршней в верхнюю мертвую точку заполняют объемы за поршнями соответственно топливо-воздушной смесью и воздухом.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа содержит рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, рабочий объем цилиндра снабжен выпускными продувочными воздушными окнами, расположенными в разных поясах сечения цилиндра. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала включает, например качающиеся балансиры, шарнирно соединенные с каждым поршнем и с опорой в картере и соединенные посредством шатунов с коленчатым валом. Новым является то, что цилиндр имеет торцевые стенки, поршни двигателя выполнены с двусторонним днищем, торцевые стенки цилиндра и холодные днища поршней образуют полости, цилиндр снабжен продувочными окнами подачи топливо-воздушной смеси, расположенными в одном поясе сечения с продувочными воздушными окнами, верхняя кромка которых расположена выше верхней кромки продувочных окон топливо-воздушной смеси, полость между торцевой стенкой цилиндра и холодным днищем одного поршня сообщена каналом с продувочными окнами топливо-воздушной смеси и через впускное окно с карбюратором, полость между торцевой стенкой цилиндра и холодным днищем другого поршня сообщена каналом с продувочными воздушными окнами и через соответствующее впускное окно с атмосферой, оси продувочных воздушных окон выполнены радиально и под углом к оси цилиндра, а оси продувочных окон подачи топливо-воздушной смеси выполнены тангенциально к внутренней поверхности цилиндра. Полости между торцевыми стенками цилиндра и холодными днищами поршней выполнены с возможностью изменения их объема за счет изменения диаметра поршня и диаметра полости или за счет изменения размера полости по длине. Кроме того, размер выпускных и продувочных окон вдоль оси цилиндра не превышает 0,15 рабочего хода одного поршня.

На фиг.1 представлена схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 представлен продольный А-А и поперечный Б-Б разрезы пояса сечения рабочего цилиндра с продувочными окнами топливо-воздушной смеси и продувочными воздушными окнами.

Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. При движении поршней в нижнюю мертвую точку сначала продувают воздухом рабочий объем, а затем послойно подают воздух по оси рабочего объема и топливо-воздушную смесь по его периферии из одного пояса сечения рабочего объема. При движении поршней в верхнюю мертвую точку происходит сжатие рабочей смеси и сжигание ее.

Подача сначала части воздуха в рабочий объем способствует быстрой очистке рабочего объема от продуктов сгорания и одновременно за счет создания воздушной завесы предотвращается выброс при продувке рабочего объема топливо-воздушной смеси, что повышает экономичность работы двигателя. Послойное распределение воздуха в приосевой части рабочего объема и топливо-воздушной смеси по его периферии приводит к тому, что зажигание богатой топливо-воздушной смеси осуществляется по периферии рабочего объема, после чего происходит быстрое перемешивание воздуха и топливо-воздушной смеси и сгорание происходит при стехиометрическом составе смеси, что приводит к повышению полноты сгорания в рабочем объеме двигателя и, следовательно, к повышению его коэффициента полезного действия. Кроме того, подача топливо-воздушной смеси и воздуха в рабочий объем за счет вытеснения их из полостей за поршнями при движении поршней в нижнюю мертвую точку упрощает конструкцию двигателя, при этом снижаются энергетические затраты, так как нет необходимости использовать дополнительный компрессор для продувки рабочего объема, что также приводит к повышению коэффициента полезного действия двигателя, а также повышается надежность его работы.

Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания реализуется следующей конструкцией двигателя. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр 1 (фиг.1) с выпускными 2 и продувочными воздушными окнами 3, расположенными в разных поясах сечения цилиндра 1. В цилиндре 1 размещены два противоположно движущихся поршня 4 и 5, образующие между собой рабочий объем 6. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение каждый из поршней 4 и 5 шарнирно соединен с качающимися балансирами 7, имеющими шарнирное соединение с опорой 8 в картере. В средней части балансиры 7 соединены шатунами 9 с коленчатым валом 10. Цилиндр 1 имеет торцевые стенки 11, 12. Поршни 4 и 5 цилиндра 1 выполнены с двусторонними днищами горячие днища 13, 14 со стороны рабочего объема 6 и холодные днища 15, 16, образующие с торцевыми стенками 11 и 12 цилиндра 1 полости 17 и 18. Цилиндр 1 дополнительно снабжен продувочными окнами подачи топливо-воздушной смеси 29, расположенными в одном поясе сечения рабочего объема 6 с продувочными воздушными окнами 3. Верхняя кромка продувочных воздушных окон 3 выполнена выше верхней кромки продувочных окон подачи топливо-воздушной смеси 19 в направлении к центру рабочего объема 6. Полость 18 между торцевой стенкой 12 цилиндра 1 и холодным днищем 16 поршня 5 сообщена каналом 20 с продувочными окнами подачи топливо-воздушной смеси 19 и через впускное окно 21 с карбюратором 22. Полость 17 между торцевой стенкой 11 цилиндра 1 и холодным днищем 15 поршня 4 сообщена каналом 23 с продувочными воздушными окнами 3 и через впускное окно 24 с дроссельной заслонкой 25 с атмосферой. Выпускные окна 2 сообщены с выпускным патрубком 27. В средней части рабочего объема 6 цилиндра 1 расположена свеча зажигания 28. Оси продувочных воздушных окон 3 (фиг.2) выполнены радиально и под углом к оси цилиндра 1, а продувочные окна топливо-воздушной смеси 19 выполнены тангенциально к внутренней поверхности цилиндра 1. Полости 17 и 18 выполнены с возможностью изменения их объема. Для этого торцевые стенки 11 и 12 цилиндра 1 выполнены съемными, что позволяет за счет установки дополнительных насадков, разных по длине и диаметру, изменять длину и диаметр полостей 17 и 18. Холодные днища 15 и 16 поршней 4 и 5 также выполнены съемными. Таким образом, при изменении диаметров полостей 17 и 18 установкой дополнительных насадков, устанавливают и холодные днища 15, 16 поршней 4, 5 соответствующего диаметра. Поршни 4 и 5 получаются ступенчатыми. Изменение объема полостей 17 и 18 позволяет повысить экономичность при работе на переменных режимах.

Кроме того, выпускные окна 2 и продувочные воздушные окна 3 выполнены таким образом, что их размер вдоль оси цилиндра 1 не превышает 0,15 рабочего хода одного поршня.

Работает двухтактный двигатель внутреннего сгорания следующим образом. После сгорания топливо-воздушной смеси в рабочем объеме 6 цилиндра 1 при движении поршней 4 и 5 от верхней мертвой точки в нижнюю в полостях 17 и 18 происходит сжатие рабочего тела. В полости 17 воздуха, в полости 18 - топливо-воздушной смеси. Кромки поршня 5 открывают выпускные окна 2, по которым выходит отработавший газ через выпускной патрубок 27. После начала выпуска отработавших газов через окна 2 в рабочем объеме 6 цилиндра 1 кромкой поршня 4 открываются продувочные воздушные окна 3 и рабочее тело воздух из полости 17 по каналу 23 поступает в рабочий объем 6, вытесняя из него отработавшие газы. При дальнейшем движении поршня 4 открываются продувочные окна 19 и рабочее тело топливо-воздушная смесь поступает из полости 18 по каналу 20 в рабочий объем 6. Таким образом, сначала в рабочий объем подается часть воздуха, так как верхние кромки продувочных воздушных окон 3 расположены выше верхних кромок продувочных окон 19. Нижние кромки окон 3 и 19 расположены в одной плоскости сечения цилиндра 1, поэтому подача воздуха и топливо-воздушной смеси заканчивается одновременно. Таким образом, поступивший из окон 3 сжатый воздух в начальный момент отделяет топливо-воздушную смесь от отработавших газов и препятствует потере топливо-воздушной смеси на прямой выброс в выпускной патрубок 27, что повышает экономичность двигателя. Воздух, поступивший через окна 3, оси которых выполнены радиально и под углом к оси цилиндра, распределяется в рабочем объеме вдоль его оси, а топливо-воздушная смесь, поступившая через окна 19, оси которых выполнены тангенциально к внутренней поверхности цилиндра 1, распределяется по периферии рабочего объема 6. Таким образом, первой к свечам зажигания 23 подходит топливо-воздушная смесь. Далее при движении поршней 4 и 5 от нижней мертвой точки в верхнюю продувочные окна 3 и 19 и выпускные окна 2 закрываются и в рабочем объеме 6 цилиндра 1 происходит сжатие рабочего тела. Сначала воспламеняется топливо-воздушная смесь по периферии рабочего объема 6. За счет высокой турбулентности происходит быстрое перемешивание топливо-воздушной смеси и воздуха в центре рабочего объема 6, и процесс идет с высокой полнотой сгорания, что приводит к повышению коэффициента полезного действия двигателя.

Одновременно при движении поршней 4 и 5 в верхнюю мертвую точку создается разрежение в полостях 17 и 18. В полость 18 при открывании впускного окна 21 всасывается топливо-воздушная смесь через впускной патрубок из карбюратора 22. В полость 17 при открывании впускного окна 24 через впускной патрубок с дроссельной заслонкой 25 всасывается воздух из атмосферы. На впуске рабочего тела воздуха и топливо-воздушной смеси соответственно в полости 17 и 18 может быть использовано устройство с автоматическими пластинчатыми клапанами. Кроме того, при расположении выпускных 2 и продувочных окон 3 и 19 в разных поясах сечения цилиндра 1 их размер вдоль оси цилиндра не превышает 0,15 рабочего хода одного поршня, при этом увеличивается длительность рабочего хода, что приводит к повышению экономичности процесса, а также к повышению КПД двигателя.

Таким образом, предлагаемый способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания и устройство для осуществления способа позволяют повысить топливную экономичность двигателя за счет организации процесса горения в рабочем объеме с высокой полнотой сгорания топливо-воздушной смеси и предотвращения потерь топливо-воздушной смеси при продувке рабочего объема, что приводит к повышению коэффициента полезного действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, упрощается конструкция двигателя и повышается надежность его работы.

Формула изобретения

1. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, включающий подачу топливовоздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие рабочей смеси при движении поршней в верхнюю мертвую точку, воспламенение ее, выпуск продуктов сгорания и продувку рабочего объема воздухом, осуществляемые в разных поясах сечения рабочего объема при движении поршней в нижнюю мертвую точку, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь в рабочий объем подают в том же поясе сечения рабочего объема, что и воздух на продувку, при этом сначала подают часть продувочного воздуха, а затем одновременно подают воздух в приосевую зону рабочего объема и топливовоздушную смесь по его периферии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь и воздух подают в рабочий объем из соответствующих объемов за поршнями путем вытеснения за счет давления поршней при движении их в нижнюю мертвую точку, а при движении поршней в верхнюю мертвую точку заполняют объем за поршнями соответственно топливо-воздушной смесью и воздухом.

3. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, рабочий объем цилиндра, снабженный выпускными и продувочными воздушными окнами, расположенными в разных поясах сечения цилиндра, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, включающий, например, качающиеся балансиры, шарнирно соединенные с каждым поршнем и с опорой в картере и соединенные посредством шатунов с коленчатым валом, отличающийся тем, что цилиндр имеет торцевые стенки, поршни двигателя выполнены с двусторонним днищем, торцевые стенки цилиндра и холодные днища поршней образуют полости, цилиндр снабжен продувочными окнами подачи топливо-воздушной смеси, расположенными в одном поясе сечения с продувочными воздушными окнами, верхняя кромка которых выполнена выше верхней кромки продувочных окон подачи топливовоздушной смеси, полость между торцевой стенкой цилиндра и холодным днищем одного поршня сообщена каналом с продувочными окнами подачи топливовоздушной смеси и через впускное окно с карбюратором, полость между торцевой стенкой цилиндра и холодным днищем другого поршня сообщена каналом с продувочными воздушными окнами и через соответствующее впускное окно с атмосферой, кроме того, оси продувочных воздушных окон выполнены радиально и под углом к оси цилиндра, а оси продувочных окон подачи топливовоздушной смеси выполнены тангенциально к внутренней поверхности цилиндра.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что полости между торцевыми стенками и холодными днищами поршней выполнены с возможностью изменения их объема за счет изменения диаметра поршня или диаметра полости или за счет изменения размера полости по длине.

5. Двигатель по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что размер выпускных и продувочных окон вдоль оси цилиндра не превышает 0,15 рабочего хода одного поршня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2