Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом и несколькими рабочими цилиндрами (11, 12), имеющими дно и разделенными поршнями на нижнюю и верхнюю камеры, при этом нижние камеры цилиндров используются в основном для сжатия рабочей смеси, а верхние (41, 42) служат в основном для ее сжигания, причем в двигателе имеются накопительные цилиндры, которые могут соединяться с камерами (28), в частности с рабочими цилиндрами двигателя и камерами обработки, и выполнены таким образом, что каждая соседняя камера имеет по крайней мере одно перекрываемое впускное окно (33), через которое топливовоздушная смесь может, например, поступать из накопительного цилиндра в камеру, и по крайней мере одно перекрываемое выпускное окно (31), через которое смесь может поступать из камеры в накопительный цилиндр (28). В накопительную полость (28) из нижних камер (11, 12, 41, 42) рабочих цилиндров поступает топливовоздушная смесь, которая при необходимости подается из нее в верхние камеры рабочих цилиндров, в которых происходит ее сгорание, или же смесь из нижних камер рабочих цилиндров попадает в определенные отсеки накопительного цилиндра, из которого она подается в камеру обработки на обработку. После обработки смесь возвращается в те же отсеки накопительного цилиндра и затем подается из них в верхние камеры рабочих цилиндров, в которых происходит ее сгорание. Наличие накопительного цилиндра позволяет избежать потерь на продувку, поскольку при этом топливовоздушная смесь не подается в цилиндр в момент прохождения его поршнем нижней мертвой точки, а подается в него в течение всего хода сжатия, например, когда выпускное окном закрыто. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к двухтактному двигателю внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами, где каждый имеет днище и разделен своим поршнем на верхнюю и нижнюю камеры, при этом во время работы в нижней камере цилиндра в основном происходит сжатие рабочей смеси, а в верхней камере происходит в основном сжатие и сгорание рабочей смеси.

Двухтактный двигатель подобного типа описан в патенте DE 409919. Он содержит несколько рабочих цилиндров, каждая пара которых разделена корпусом кривошипа и расположена оппозитно на одной оси, причем каждый рабочий цилиндр отделен от корпуса кривошипа своим дном, имеющим отверстие для прохода поршневого штока, общего для двух оппозитных рабочих цилиндров. Двигатель оснащен кривошипным устройством, в частности, кривошипно-шатунным механизмом, расположенным приблизительно в средней части поршневого штока и снабженным шатунным блоком, возвратно подвижным в направлении, перпендикулярном продольной оси коленчатого вала, палец кривошипа которого проходит через шатунный блок. Поршень рабочего цилиндра разделяет его пространство на верхнюю и нижнюю камеры, где нижняя камера служит, в частности, для подачи в цилиндр во время движения поршня вверх топливовоздушной смеси и для ее сжатия при движении поршня вниз, а верхняя камера служит для сжатия рабочей смеси при движении поршня вверх и получения полезной мощности при движении поршня вниз.

Недостатком такого кривошипно-шатунного двухтактного двигателя внутреннего сгорания является наличие продувки, когда при прохождении поршня через нижнюю мертвую точку из рабочего цилиндра удаляются отработанные газы и он заполняется свежей топливовоздушной смесью (свежим газом). В связи с необходимостью одновременного открытия в этот момент как впускного, так и выпускного отверстий цилиндра из него вместе с отработанными газами неминуемо уносится некоторая часть свежего газа. Такие потери на продувку повышают расход топлива, увеличивают содержание в отработанных газах моноксида углерода и углеводородов и способствуют образованию частиц, являющихся причиной обугливания и повышенного износа двигателя.

Целью настоящего изобретения является разработка конструкции двигателя, лишенного недостатков, присущих известным конструкциям двигателей такого типа.

Согласно изобретению в двухтактном двигателе внутреннего сгорания нижняя и верхняя камеры каждого рабочего цилиндра приспособлены для избирательного соединения с накопительной полостью через по крайней мере одно впускное окно, расположенное рядом с головкой цилиндра, или по крайней мере одно выпускное окно, расположенное рядом с дном цилиндра, при этом накопительные полости размещены параллельно с двумя оппозитными рабочими цилиндрами, а внутри каждой накопительной полости расположен с возможностью перемещения в направлении продольной оси рабочего цилиндра регулирующий золотник в виде полого цилиндра с отверстиями, положение которых соответствует положению окон накопительной полости и которые могут совмещаться с этими окнами, соединяя при этом камеры цилиндра с накопительной полостью.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения накопительная полость разделена на несколько расположенных рядом друг с другом накопительных полостей, внутри каждой из которых размещен один подвижный регулирующий золотник, при этом торцы регулирующего золотника закрыты крышками.

Целесообразно, чтобы полость регулирующего золотника была разделена перегородками и его движения были согласованы с движениями соответствующего поршня рабочего цилиндра.

В одном из вариантов выполнения двигателя по изобретению коленчатый вал несет кулачок, взаимодействующий с регулирующим золотником для его перемещения, причем регулирующий золотник установлен с возможностью изменения положения относительно коленчатого вала.

В еще одном варианте выполнения изобретения коленчатый вал смещен вбок в корпусе двигателя, а две оппозитные накопительные полости имеют общий примыкающий с двух сторон к корпусу кривошипа регулирующий золотник с не разделенной на части полостью, приводимый в движение кулачком расположенного с боковым смещением коленчатого вала через выступающую вбок обойму устройства, в частности, закрепленный сбоку на коленчатом валу шатун.

Регулирующие золотники двух оппозитных накопительных полостей могут быть соединены друг с другом штоком в общий золотниковый блок, перемещаемый кулачком коленчатого вала через промежуточное устройство, например, шатун.

При работе двигателя по изобретению при перемещении регулирующего золотника первое выпускное окно первого рабочего цилиндра вместе с впускным окном находящегося в противоположной фазе рабочего цикла второго рабочего цилиндра сначала открываются, а затем закрываются, и находящийся в первом рабочем цилиндре сжатый газ сначала поступает внутрь регулирующего золотника, а затем - во второй рабочий цилиндр, после чего сначала открываются, а затем закрываются выпускное окно второго рабочего цилиндра и впускное окно первого рабочего цилиндра, и находящийся в первом рабочем цилиндре сжатый газ сначала поступает в полость регулирующего золотника, а затем - во второй рабочий цилиндр.

В результате того что полость регулирующего золотника разделена поперечными перегородками, поток газа из одного рабочего цилиндра подается в камеру обработки, после прохождения через которую газ попадает во второй рабочий цилиндр.

Целесообразно в рабочих цилиндрах выполнить окна, образующие впускные каналы для свежего воздуха или топливовоздушной смеси и продувочного воздуха, а также выпускные каналы для отработанных газов, перекрываемые дополнительными регулирующими золотниками, перемещаемыми кулачком коленчатого вала.

Для перекрывания впускных отверстий для продувочного воздуха и выпускных отверстий для отработанных газов служит общий регулирующий золотник, регулирующий прохождение продувочного воздуха и отработанных газов, при этом полость, в которой перемещается золотник, образует часть канала для прохождения продувочного воздуха и соединена окнами с рабочим цилиндром.

Желательно двигатель по изобретению оснастить дополнительным компрессором, в частности, работающим на отработанных газах турбокомпрессора, используемым для продувки верхних камер рабочих цилиндров и одновременно для наполнения нижних камер рабочих цилиндров.

Кроме того, предложенный двигатель в одном из вариантов выполнения имеет дополнительные камеры, в частности камеры обработки, которые соединены с накопительными полостями, и по крайней мере одно впускное отверстие для перетекания газа из дополнительной камеры в накопительную полость, а также по крайней мере одно выпускное отверстие для перетекания газа из накопительной полости в дополнительную камеру.

Таким образом, предлагается двигатель, работающий без продувки и не имеющий благодаря этому потерь на продувку. В этом двигателе в тот момент, когда поршень проходит через нижнюю мертвую точку, продукты сгорания выходят из цилиндра через его выпускное отверстие. При высоких температурах после закрытия выпускного окна в цилиндре остается весьма незначительное количество отработанного газа. Во время сжатия поступающий в цилиндр свежий газ смешивается с оставшимся в нем отработанным газом. Отсутствие продувки и образование за счет этого в цилиндре хорошо дозированной смеси отработанного и свежего газа снижает вредные выбросы в атмосферу окиси азота.

В предложенном двигателе снижение потерь на продувку достигается за счет использования чистого свежего воздуха, нагнетаемого в цилиндр дополнительным компрессором (например, турбокомпрессором, установленным в системе выхлопа). В тот момент, когда поршень проходит через нижнюю мертвую точку, отработанный газ принудительно выводится из цилиндра через его выпускное окно. Оставшийся в цилиндре воздух вместе со свежим газом, который поступает в цилиндр во время следующего цикла сжатия, увеличивает в два раза массу находящегося в цилиндре химически активного газа, что позволяет рассчитывать на приблизительно двукратное увеличение мощности двигателя. При наличии отдельного агрегата, используемого для наддува двигателя, мощность двигателя можно увеличить еще больше. Использование отдельного агрегата для продувки и наддува позволяет лучше распределить нагрузку на нем и реализовать положительный эффект от использования дополнительного компрессора в двигателях с меньшим количеством цилиндров.

Одним из преимуществ настоящего изобретения является возможность любой технически осуществимой и целесообразной обработки находящегося в накопительной полости свежего газа, направленной на улучшение его свойств и осуществляемой в различных камерах обработки. К таким камерам обработки газа относятся: - камера, представляющая собой теплообменник, например, промежуточный воздушный охладитель, позволяющий отбирать из системы выделяющееся в ней тепло; - камера, представляющая собой теплообменник, позволяющий нагревать систему за счет тепла, содержащегося, например, в отработанных газах, либо тепла, выделяемого горелкой, которая используется в двигателях, работающих на горячем воздухе, или в двигателях, в которых используется горячий воздух и одновременно сжигается топливо; - камера для получения топливной эмульсии путем добавления к топливу воды либо пара или эмульгатора; - камера, снабженная фильтром; - камера, снабженная каталитическим нейтрализатором отработанных газов; - камера, представляющая собой реакционный аппарат, в котором с помощью специальных химически активных материалов повышается качество отработанных газов или снижается количество содержащихся в них загрязняющих атмосферу вредных веществ; - камера, представляющая собой комбинацию перечисленных выше вариантов либо позволяющая осуществлять другую, не указанную в описании обработку.

Другие преимущества изобретения раскрыты в описании и показаны на приложенных к нему чертежах конструктивных вариантов выполнения двигателя. Перечисленные выше и рассмотренные ниже отличительные особенности предлагаемого двигателя могут быть реализованы как по отдельности, так и в любой их комбинации. Приведенные в описании варианты реализации изобретения не ограничивают его объем и носят исключительно иллюстративный характер.

Ниже дается более подробное описание вариантов конструктивного выполнения изобретения, показанных на чертежах, на которых: на фиг. 1 схематично без соблюдения масштаба показан вид сверху четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению; на фиг. 2 показано поперечное сечение двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению.

Как показано на фиг. 1, в корпусе двигателя выполнены рабочие цилиндры 11 и 12, внутри которых возвратно-поступательно перемешаются поршни 13 и 14. Поршни 13 и 14 имеют штоки 15 и 16, которые соединены с кривошипно-шатунными механизмами 17 и 18. С кривошипно-шатунными механизмами 17 и 18 подвижно соединены шатунные блоки 19 и 20, которые приводятся в движение поршнями 13 и 14 и механизмами 17 и 18. Шатунные блоки 19 и 20 непосредственно передают усилия на пальцы кривошипов (не показаны) коленчатого вала 23.

Когда поршни 13 и 14 находятся в первой мертвой точке, золотник 27 свежего газа находится в среднем положении. В этом положении окна 30, 31, 32 и 33 накопительной полости 28 перекрыты золотником 27. После образования искры в свече 26 поршень 13 перемещается вниз и проходит первую половину своего рабочего хода, а поршень 14 поднимается вверх, проходя при этом первую половину своего рабочего хода. Золотник 27 свежего газа поднимается вверх на половину своего хода и открывает впускное окно 30 накопительной полости 28. При этом топливовоздушная смесь, находящаяся в нижней камере рабочего цилиндра 11, поступает в накопительную полость 28. Золотник 27 свежего газа, имеющий отверстия 28a, получает поступательное перемещение в накопительной полости 28 от кулачка коленчатого вала 23 через шатун, как это показано на центральной части фиг. 1.

В предложенном по изобретению двухтактном двигателе имеются объединенные по циклу работы в две группы рабочие цилиндры с противоположными в каждой группе циклами работы, которые соединены с одной накопительной полостью. В такой схеме объем газа, поступающего в накопительную полость из рабочих цилиндров одной группы, приблизительно равен объему газа, поступающего из накопительной полости в работающие в противофазе рабочие цилиндры другой группы. При этом давление в накопительной полости во время работы двигателя остается постоянным. Находящиеся в противофазе рабочие цилиндры 12 и 11 принадлежат разным группам рабочих цилиндров с противоположным циклом работы.

В показанном положении в верхнюю камеру рабочего цилиндра 12 подают топливовоздушную смесь из имеющейся в двигателе накопительной полости 28. При движении золотника 27 свежего газа вверх на половине рабочего хода открывается выпускное окно 31 накопительной полости 28, и находящаяся в накопительной полости 28 топливовоздушная смесь поступает из нее в верхнюю камеру рабочего цилиндра 12. При прохождении поршнем второй половины рабочего хода золотник 27 свежего газа, проходя вторую половину своего рабочего хода, опускается вниз и возвращается в промежуточное положение.

Когда поршни 13 и 14 находятся во второй мертвой точке, окна 30, 31, 32 и 33 накопительной полости 28 также перекрыты золотником 27 свежего газа. После образования искры в свече 34 поршень 14 опускается вниз на первой половине своего рабочего хода, а поршень 13 на первой половине своего рабочего хода поднимается вверх. Золотник 27 на первой половине своего рабочего хода опускается вниз и открывает впускное окно 33 накопительной полости 28. При этом топливовоздушная смесь, находящаяся в нижней камере рабочего цилиндра 12, поступает в накопительную полость 28.

В этот момент в верхнюю камеру рабочего цилиндра 11 подают соответствующее количество топливовоздушной смеси из накопительной полости 28. При движении золотника 27 вниз на половине рабочего хода открывается также выпускное окно 32 накопительной полости 28, и находящаяся в накопительной полости 28 топливовоздушная смесь поступает из нее в верхнюю камеру рабочего цилиндра 11.

При движении поршня на второй половине рабочего хода золотник 27 поднимается вверх и проходит в обратном направлении вторую половину своего рабочего хода, возвращаясь в среднее положение и закрывая впускное 33 и выпускное 32 окна накопительной полости 28. К этому моменту все элементы двигателя возвращаются в исходное положение.

Непосредственно против рабочих цилиндров 11 и 12, в которых установлены свечи 26 и 34 системы зажигания, находятся рабочие цилиндры 41 и 42. Поршни 43 и 44 рабочих цилиндров 41 и 42 соединены с кривошипно-шатунными механизмами 17 и 18 общими для оппозитных цилиндров штоками 15 и 16. При этом движение поршня 43 соответствует движению соединенного с ним поршня 13, а движение поршня 44 согласуется с движением соединенного с ним поршня 14. Золотник 47 свежего газа, имеющий отверстия 48а, размещен в накопительной полости 48 с окнами 51; 52, 53 и 50, которая расположена напротив накопительной полости 28 с золотником 27 свежего газа и окнами 30, 31, 32 и 33. Движение золотника 47 согласуется с движением соединенного с ним золотника 27.

Может быть другой вариант выполнения двигателя, когда вместо накопительных полостей 28 и 48 и размещенных в них золотников, соответственно 27 и 47, используется одна общая накопительная полость с группой впускных и выпускных окон и расположенный в ней общий полый золотник с группой впускных и выпускных отверстий, положение которых соответствует положению указанных выше окон. Но в этом случае коленчатый вал 23 должен быть смещен вбок, чтобы была возможность разместить общую накопительную полость с общим золотником, а устройства, соединяющие коленчатый вал со штоками поршней, должны быть расположены по разные стороны коленчатого вала.

Как показано на фиг. 2, в рабочих цилиндрах 70 и 90 имеются перекрываемые всасывающими клапанами каналы 61 и 81, через которые в цилиндры поступает свежий воздух, каналы 62 и 82 для выхода отработанных газов и впускные каналы 63 и 83 для продувочного воздуха, открытие и закрытие которых осуществляется соединенными с кривошипно-шатунным механизмом 66 золотниками 65 и 85, одновременно регулирующими прохождение свежего воздуха и отработанных газов. Соединение золотников 65 и 85 с кривошипно-шатунным механизмом позволяет согласовать перемещение золотников с движением поршней 67 и 87 и, как следствие этого, с вращением коленчатого вала 92, несущего кулачок, воздействующий через механизм 66 на золотники 65 и 85. Свободные концы золотников 65 и 85 открывают и закрывают впускные каналы 63 и 83 для продувочного воздуха. В золотниках 65 и 85, которые регулируют прохождение отработанных газов и продувочного воздуха, выполнены сквозные отверстия 71 и 91, которые при прохождении поршнями 67 и 87 нижней мертвой точки совмещаются с выпускными каналами 62 и 82, через которые в этот момент из цилиндров вместе с поступающим в них продувочным воздухом выходят отработанные газы. При движении золотников 65 и 85 вниз их сквозные отверстия 71 и 91 пересекают выполненные в цилиндрах сквозные отверстия 69 и 89, наличие которых позволяет снизить высокое давление отработанных газов, поступающих из цилиндров в систему выхлопа.

Формула изобретения

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с несколькими рабочими цилиндрами, каждая пара которых разделена корпусом кривошипа и расположена на одной оси друг против друга, а каждый рабочий цилиндр отделен от корпуса кривошипа своим дном с отверстием для прохода поршневого штока, общего для двух оппозитных рабочих цилиндров, соединенного своими концами с поршнями рабочих цилиндров, при этом двигатель имеет кривошипное устройство, в частности, кривошипно-шатунный механизм, расположенный приблизительно в средней части поршневого штока и снабженный шатунным блоком, возвратно подвижным в направлении, перпендикулярном продольной оси коленчатого вала, палец кривошипа которого проходит через шатунный блок, причем поршень рабочего цилиндра разделяет цилиндр на верхнюю и нижнюю камеры, где нижняя камера служит, в частности, для подачи в цилиндр во время движения поршня вверх топливо-воздушной смеси и для ее сжатия при движении поршня вниз, а верхняя камера служит для сжатия рабочей смеси при движении поршня вверх и получения полезной мощности при движении поршня вниз, отличающийся тем, что нижняя и верхняя камеры каждого рабочего цилиндра приспособлены для избирательного соединения с накопительной полостью через по крайней мере одно впускное окно, расположенное рядом с головкой цилиндра, или по крайней мере одно выпускное окно, расположенное рядом с дном цилиндра, при этом накопительные полости размещены параллельно с двумя оппозитными рабочими цилиндрами, а внутри каждой накопительной полости расположен с возможностью перемещения в направлении продольной оси рабочего цилиндра регулирующий золотник в виде полого цилиндра с отверстиями, положение которых соответствует положению окон накопительной полости и которые могут совмещаться с этими окнами, соединяя при этом камеры цилиндра с накопительной полостью.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что накопительная полость разделена на несколько расположенных рядом друг с другом накопительных полостей, внутри каждой из которых размещен один подвижный регулирующий золотник.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем, что торцы регулирующего золотника закрыты крышками.

4. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что полость регулирующего золотника разделена перегородками.

5. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что движения регулирующего золотника согласованы с движениями соответствующего поршня рабочего цилиндра.

6. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что коленчатый вал несет кулачок, взаимодействующий с регулирующим золотником для его перемещения.

7. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что регулирующий золотник установлен с возможностью изменения положения относительно коленчатого вала.

8. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что коленчатый вал смещен вбок в корпусе двигателя, а две оппозитные накопительные полости имеют общий, примыкающий с двух сторон к корпусу кривошипа, регулирующий золотник с не разделенной на части полостью, приводимый в движение от кулачка, расположенного с боковым смещением коленчатого вала, через выступающую вбок обойму устройства, в частности, закрепленный сбоку на коленчатом валу шатун.

9. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что регулирующие золотники двух оппозитных накопительных полостей соединены друг с другом штоком в общий золотниковый блок, перемещаемый кулачком коленчатого вала через промежуточное устройство, например, шатун.

10. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что при перемещении регулирующего золотника первое выпускное окно первого рабочего цилиндра вместе с впускным окном находящегося в противоположной фазе рабочего цикла второго рабочего цилиндра сначала открываются, а затем закрываются, и находящийся в первом рабочем цилиндре сжатый газ сначала поступает внутрь регулирующего золотника, а затем - во второй рабочий цилиндр, после чего сначала открываются, а затем закрываются выпускное окно второго рабочего цилиндра и впускное окно первого рабочего цилиндра, и находящийся в первом рабочем цилиндре сжатый газ сначала поступает в полость регулирующего золотника, а затем - во второй рабочий цилиндр.

11. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что полость регулирующего золотника разделена поперечными перегородками, за счет чего поток газа из одного рабочего цилиндра подается в камеру обработки, после прохождения через которую газ попадает во второй рабочий цилиндр.

12. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в рабочих цилиндрах выполнены окна, образующие впускные каналы для свежего воздуха или топливо-воздушной смеси и продувочного воздуха, а также выпускные каналы для отработанных газов, перекрываемые дополнительными регулирующими золотниками, перемещаемыми кулачком коленчатого вала.

13. Двигатель внутреннего сгорания по п.12, отличающийся тем, что для перекрывания впускных отверстий для продувочного воздуха и выпускных отверстий для отработанных газов служит общий регулирующий золотник, регулирующий прохождение продувочного воздуха и отработанных газов.

14. Двигатель внутреннего сгорания по п.13, отличающийся тем, что полость, в которой перемещается золотник, регулирующий прохождение продувочного воздуха и отработанных газов, образует часть канала для прохождения продувочного воздуха.

15. Двигатель внутреннего сгорания по п.14, отличающийся тем, что полость, в которой перемещается золотник, регулирующий прохождение продувочного воздуха и отработанных газов, соединена окнами с рабочим цилиндром.

16. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он имеет дополнительный компрессор, в частности, работающий на отработанных газах турбокомпрессора, используемый для продувки верхних камер рабочих цилиндров и одновременно - для наполнения нижних камер рабочих цилиндров.

17. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что имеет дополнительные камеры, в частности, камеры обработки, которые соединены с накопительными полостями, и по крайней мере, одно впускное отверстие для перетекания газа из дополнительной камеры в накопительную полость, а также по крайней мере одно выпускное отверстие для перетекания газа из накопительной полости в дополнительную камеру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2