Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к области двигателестроения, а точнее к двигателям внутреннего сгорания с нагнетателями для заполнения или продувки с поршневыми или кривошипно-камерными нагнетателями, и может быть использовано в авиационной и автомобильной промышленности, особенно для авиации общего назначения. Двигатель дополнен распределителем топливной смеси, установленным неподвижно с возможностью снятия на коленчатом валу и выполненным в виде цилиндра, внутренняя полость которого имеет форму катушки. На боковой поверхности распределителя вырезаны асимметрично прямоугольные окна, длина которых не превышает половины длины окружности основания цилиндра, а ширина их соответствует ширине перепускного и продувочного каналов картера, образующих с внутренним объемом распределителя продувочно-перепускную полость. Изобретение обеспечивает повышение мощности двигателя и уменьшение массово-габаритных характеристик. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а точнее к двигателям внутреннего сгорания с нагнетателями для заполнения или продувки с поршневыми или кривошипно-камерными нагнетателями, и может быть использовано в авиационной и автомобильной промышленности, особенно для авиации общего назначения.
Наиболее перспективным направлением в двигателестроении для авиа-, авто- и мототранспорта считается развитие поршневых экологически чистых, экономичных, простых, дешевых в изготовлении и надежных двухтактных двигателей внутреннего сгорания, имеющих большую удельную мощность, малую массу, внешний источник продувки цилиндров и условия «мазки механизма движения, аналогичные четырехтактным двигателям.
Известны двухцилиндровый двухтактные двигатели, разработанные украинской фирмой НПФ «АВИаМотоР» с воздушным охлаждением и кривошипно-камерной продувкой цилиндров топливо-воздушной смесью или чистым воздухом, в которых используются самодействующие лепестковые клапаны во всасывающем тракте (С.Коробецкий. «На чем будем ездить и летать в XXI веке». Интернет сайт - www.GOGOGO.ru).
Основным недостатком такой конструкции является то, что она не позволяет увеличивать обороты двигателя, а следовательно, увеличивать его удельную мощность и снизить удельную массу.
Кроме того, в таких двигателях используется раздельная смазка, при которой чистое масло малыми порциями поступает для смазки поршней и подшипников, а затем смешивается с топливом, что значительно снижает надежность двигателя.
Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, выполненный многорядным с расположением цилиндров через разделяющую перегородку один над другим; поршни цилиндров предыдущего ряда связаны штоками с поршнями цилиндров последующего ряда, а рабочий цилиндр выполнен сдвоенным с двумя поршнями и общей камерой сгорания, сообщающей две его рабочие полости, которые расположены по одну или по обе стороны перегородки, в рабочем цилиндре выполнены выпускные и впускные окна, при этом последние соединены с источником продувки [Патент РФ №2143077, кл. F 02 В 33/00, заявл. 22.06.98, опубл. 20.12.99, Бюл. №35].
Этот двигатель имеет довольно сложную конструкцию, а использование многорядной системы цилиндров с общей рабочей полостью приводит к значительному увеличению массы, что ведет к снижению эффективной мощности двигателя.
Наиболее близким по технической сущности является двухтактный двигатель ВП-760, разработанный В.П.Поляковым [В.Гусев, А.Лепарский. «Отличный мотор ждет работы». АэроМастер, Популярный ежеквартальный альминах №1, 1998, Томск, стр.119-121]. В этом двигателе на картере закреплены цилиндры, состоящие из двух частей - нагнетательной и рабочей, поршни выполнены двухступенчатыми. Механизм распределения выполнен в виде золотника, установленного на коленчатом валу, соединенном пальцем кривошипа с главным шатуном, которые в свою очередь соединены с поршнем одного из цилиндров, тогда как другие поршни соединены с главным шатуном через прицепные шатуны посредством своих пальцев.
Рабочая часть цилиндра соединена с ресивером трубками впуска, подающими топливо. Смесительная камера соединяется с нагнетательными частями цилиндров каналами нагнетания. Всасывание топлива в нагнетательную часть цилиндра происходит при совмещении окна золотника с входом в канал нагнетания. Поступление топлива в ресивер, а оттуда в рабочую часть соответствующего цилиндра происходит при совмещении проточки золотника со входом в канал нагнетания и соединительным отверстием в теле смесительной камеры.
Основными недостатками такого двигателя является то, что при такой конструкции двигателя невозможно получить в ресивере двигателя высокое давление, так как при закрытии поршнем трубки впуска и отверстия золотника всегда есть значительные технологические зазоры, обеспечивающие подвижность механизмов. Наличие этих зазоров приводит к снижению давления топливной смеси в ресивере и как следствие к ухудшению наполнения цилиндров топливной смесью, а следовательно, к снижению литровой мощности двигателя.
Такая продольно-продувочная система продувки не обеспечивает эффективное выдавливание сгоревших газов из рабочей части цилиндров, что приводит к значительным затратам энергии на сжатие топливной смеси в рисерверах.
Металлоемкость такого двигателя велика, а мощности не велика, следовательно, не недостаточна и его удельная мощность.
Кроме того, такой двигатель трудоемок в изготовлении, требуется сложное оборудование для того, чтобы выполнить в виде звезды картер и сформировать в нем ресивер. Такой двигатель можно изготовить и собрать только в заводских условиях.
Задачей заявляемого изобретения является повышение удельной литровой мощности двигателя путем увеличения скорости продувочного потока, обеспечения практически полного заполнения цилиндров воздушно-топливной смесью и одновременно уменьшения его массогабаритных характеристик.
Поставленная задача решается тем, что известный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, на котором закреплены не менее двух цилиндров, поделенных на рабочую и нагнетательную части, двухступенчатые поршни, установленные в цилиндрах, коленчатый вал, соединенный через палец кривошипа с главным шатуном, соединенным в свою очередь посредством пальца с поршнем одного из цилиндров, а другие поршни соединены с коленчатым валом через прицепные шатуны посредством своих пальцев, дополнен распределителем топливной смеси, установленным неподвижно с возможностью снятия на коленчатом валу и выполненным в виде цилиндра, при этом внутренняя полость распределителя имеет форму катушки, а на его боковой поверхности в ее передней части выполнены отверстия для смазки переднего подшипника коленчатого вала, кроме того, на боковой поверхности цилиндра распределителя вырезаны асимметрично прямоугольные окна, длина которых не превышает половины длины окружности основания цилиндра, а ширина их соответствует ширине перепускного и продувочного каналов картера, образующих с внутренним объемом распределителя продувочно-перепускную полость, при этом каждый перепускной канал картера состыкован с перепускным каналом, выполненным на наружной поверхности нагнетательной части соответствующего цилиндра, в которой вырезано перепускное окно, а в рабочей части цилиндра выполнены три продувочных и одно выхлопное окно, кроме того, на щеке коленчатого вала закреплен золотник, выполненный в виде полукольца, с радиусом, превышающим радиус коленчатого вала, и высотой не менее диаметра впускных каналов картера, а продувочные каналы картера соединены тремя трубопроводами с тремя продувочными окнами цилиндров.
Для упрощения конструкции и сборки двигателя картер может быть выполнен в виде многогранника, у которого количество граней при числе цилиндров больше двух соответствует количеству цилиндров, а цилиндры могут выполнены из двух соединенных с возможностью разъема частей, при этом картер может быть составлен из двух неподвижно соединенных между собой частей, при этом в одной из частей выполнены перепускные и продувочные каналы, а в другой части картера выполнено не менее одного всасывающего отверстия, соединяющего внутреннюю полость картера с карбюратором.
Для реализации в двигателе трехканальной продувки перепускной канал и перепускное окно нагнетательной части цилиндра смещены относительно вертикальной оси двигателя, а на выходных отверстиях продувочных каналов картера установлены стаканы с отверстиями, два из которых выполнены в боковой поверхности, а одно на торцевой, при этом эти отверстия соединены тремя трубопроводами с продувочными окнами цилиндров.
Для уменьшения трения золотник может быть выполненным неметаллическим, например из текстолита.
Сравнительный анализ показал, что заявляемый двигатель отличается от известных решений принципиально новой системой продувки, содержащей установленный в картере распределитель топливовоздушной смеси в виде цилиндра, внутренняя полость которого имеет форму катушки, а на боковой его поверхности ассиметрично вырезаны прямоугольные окна, ширина которых соответствует ширине перепускного и продувочного каналов картера, образующих с внутренним объемом распределителя продувочно-перепускную полость, а также тем, что золотник установлен на щеке коленчатого вала и выполнен в виде полукольца с радиусом, превышающим радиус щеки, на которой он установлен, что позволяет судить о соответствии критерию «новизна».
Сущность заявленного решения заключается в следующем.
После наполнения нагнетательной части цилиндра свежей смесью поршень, находящийся в НМТ, начинает двигаться вверх, вытесняя воздушно-топливную смесь (ВТС) из цилиндра в перепускной канал картера, впускной канал которого при этом закрыт золотником. Через открытое окно ТВС поступает во внутреннюю полость распределителя и далее через продувочный канал картера по трубопроводам к продувочным окнам противоположного цилиндра, которые под давлениям потока открываются. Находящиеся в цилиндре газы вытесняются потоком ВТС, которая полностью заполняет объем цилиндра.
Изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан разрез по вертикальной оси двигателя, содержащего два цилиндра, на фиг.2 - цилиндр двигателя, на фиг.3 - разрез цилиндра по линии А-А, на фиг.4 - разрез распределителя в направлении Б, на фиг.5 - вид на распределитель сбоку, на фиг.6 - разрез золотника по линии А-А, на фиг.7 - разрез картера по линии С-С, на фиг.8 - разрез по линии Д-Д стакана, установленного на выходных отверстиях продувочных каналов картера, вид Д, на фиг.9 - вид этого же стакана сверху.
Двигатель содержит картер 1, закрепленные на нем два цилиндра 2 и 3, поделенные на рабочую 4 и 5 и нагнетательную 6 и 7 части, установленные в цилиндрах двухступенчатые поршни 8 и 9, коленчатый вал 10, соединенный через палец кривошипа 11 с главным шатуном 12, соединенным в свою очередь посредством пальца 13 с поршнем 8 цилиндра 2, а поршень 9 соединен с главным шатуном 12 через прицепной шатун 14 посредством своего пальца 15. На коленчатом валу 10 установлен с возможностью снятия распределитель топливной смеси 16 (фиг.4) в форме цилиндра, внутренняя полость которого имеет форму катушки. На цилиндрической поверхности распределителя 16 вырезаны ассиметрично прямоугольные окна 17 и 18. В картере 1 выполнены перепускные 19 и 20 и продувочные 21 и 22 каналы; при этом перепускные каналы 19 и 20 картера состыкованы с перепускными каналом 23, выполненным на наружной поверхности нагнетательной части 6 цилиндра 2, а канал 20 с каналом 24, выполненным в нагнетательной части 7 цилиндра 3, в нагнетательных частях 6 и 7 обоих вырезаны перепускные окна 25 и 26, а в их рабочих частях цилиндра вырезаны три продувочных окна 27 и 28 и одно выхлопное окно 29 и 30. На щеке 31 коленчатого вала 10 закреплен золотник 32, выполненный в виде полукольца, продувочные каналы 21 и 22 картера 1 соединены тремя трубопроводами 33 и 34 с тремя продувочными окнами 27 и 28 цилиндров. На передней части цилиндрической поверхности распределителя топливной смеси 16 выполнены отверстия 35 для смазывания переднего подшипника 36 коленчатого вала 10. На выходных отверстиях продувочных каналов 21 и 22 картера 1 установлены стаканы 37 и 38 с отверстиями, по два из которых 39 и 40 выполнены в боковой поверхности и по одному 41 и 42 - на торце. Эти три отверстия соединены трубопроводами 33 с продувочными окнами 27 и 28 цилиндров 2 и 3. Кроме того, на передней части картера выполнены впускные каналы 43 и 44, а на его задней части - всасывающий канал 45.
Работает двигатель следующим образом.
В момент воспламенения ВТС поршень 8 цилиндра 2 находится в ВМТ и начинает под воздействием давления газов сгоревшей топливной смеси двигаться вниз, при этом открывается сначала выхлопное окно 29 и продувочные окна 27 цилиндра 2. Выхлопные газы выходят из его рабочей полости 4. По мере перемещения поршня вниз ВТС поступает из карбюратора по всасывающему каналу 45 под действием разрежения в картер 1.
Золотник 32 открывает впускной канал 43 и закрывает канал 44, при этом перепускной канал 19 картера закрыт распределитем 16, при перемещении вниз поршня 8 создается разрежение в нагнетательной полости 6 цилиндра 2 и топливная смесь по перепускному каналу 23 через перепускное окно 25 поступает в нагнетательную часть 6.
В то же время в цилиндре 3 поршень 9, находящийся в НМТ, начинает подниматься вверх, топливная смесь из его нагнетательной части 7 выдавливается через перепускное окно 26 в перепускной канал 24 и далее по перепускному каналу 20 картера через открытое окно 17 распределителя поступает в полость распределителя 16. Продувочный канал 22 картера закрыт распределителем, топливно-воздушная смесь поступает через окно 18 в продувочный канал 21 картера и далее в установленный на нем стакан 37, из него через отверстия 39 и 41 по трубопроводам 33 поступает через открытые продувочные окна 27 цилиндра 2 в его в рабочую полость 4.
В цилиндре 3 закрываются продувочные окна 28 и выхлопное окно 30, происходит сжатие и воспламенение топливной смеси в рабочей части 5 цилиндра 3. Под действием давления образовавшихся газов поршень начинает движение вниз. Золотник открывает впускной канал 44 и закрывает канал 43, при этом канал 20 закрыт распределителем и ВТС через открытый впускной канал 44 по перепускному каналу 24 и через перепускное окно 26 под действием разрежения, создаваемого поршнем 9, заполняет нагнетательную часть 7 цилиндра 3. При движения поршня вниз открывается выхлопное окно 30 и через продувочные окна 28 выхлопные газы выходят через это выхлопное окно, освобождая рабочую часть цилиндра 3.
Под действием сгоревших газов поршень 9, перемещаясь вниз, передает усилия через прицепной шатун 14 и свой палец 15 на главный шатун 12, который посредством кривошипного пальца 11 вращает коленчатый вал 10. Одновременно главный шатун 12 через палец 13 поршня передает усилия на поршень 8 цилиндра 2, который под воздействием этих усилий перемещается вверх, закрывает перепускные и выхлопное окна и сжимает поступившую топливную смесь. В ВМТ происходит воспламенения смеси, одновременно поршень 8 начинает выдавливать топливную смесь через перепускное окно 25 и перепускной канал 23 в перепускной канал 19 картера к распределителю 16, который вращаясь с коленчатым валом, совмещает окно 17 с перепускным каналом 19 картера, а окно 18 совмещает с продувочным каналом 22 картера. При этом продувочный канал 21 и перепускной 22 закрываются распределителем. ВТС через внутреннюю полость распределителя и окно 18 поступает в продувочный канал 22, который заканчивается стаканом 38, и через отверстия 40 и 42 по трубопроводам 34 поступает к продувочным окнам 28 рабочей части 5 цилиндра 3, через которые свежая топливная смесь поступает в его рабочую часть 5. Далее цикл повторяется.
В заявленном двигателе отсутствуют затраты энергии на сжатие топливной смеси до высоких значений. Образующийся мощный высоскоростной продувочный поток позволяет эффективно освободить объем цилиндра от сгоревших газов, при этом степень износа трущихся деталей двигателя не влияет на эффективность продувки.
Конструкция двигателя значительно упрощена и сборка его возможна и не в заводских условиях, а изготовление его отдельных узлов, таких как картер, золотник и распределитель, не требует сложного оборудования.
Такая конструкция двигателя позволяет увеличить количество цилиндров, устанавливаемых на картере в зависимости от назначения двигателя.
1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, закрепленные на нем, как минимум два, цилиндры(а), поделенные на рабочую и нагнетательную части, двухступенчатые поршни, установленные в цилиндрах, коленчатый вал, соединенный через палец кривошипа с главным шатуном, соединенным, в свою очередь, посредством пальца с поршнем одного из цилиндров, а другие поршни соединены с коленчатым валом через прицепные шатуны посредством своих пальцев, отличающийся тем, что двигатель дополнен распределителем топливной смеси, установленным неподвижно с возможностью снятия на коленчатом валу и выполненным в виде цилиндра, внутренняя полость которого имеет форму катушки, а на его боковой поверхности вырезаны асимметрично прямоугольные окна, длина которых не превышает половины длины окружности основания цилиндра, а ширина их соответствует ширине перепускного и продувочного каналов картера, образующих с внутренним объемом распределителя продувочно-перепускную полость, при этом каждый перепускной канал картера состыкован с перепускным каналом, выполненным на наружной поверхности нагнетательной части соответствующего цилиндра, в которой вырезано перепускное окно, а в рабочей части цилиндра выполнены три продувочных и одно выхлопное окно, кроме того, на щеке коленчатого вала закреплен золотник, выполненный в виде полукольца с радиусом, превышающим радиус коленчатого вала, и высотой не менее диаметра впускных каналов картера, а продувочные каналы картера соединены тремя трубопроводами с тремя продувочными окнами цилиндров.
2. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что картер выполнен в виде многогранника, у которого количество граней при числе цилиндров больше двух соответствует количеству цилиндров.
3. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что цилиндры составлены из двух соединенных с возможностью разъема частей.
4. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что картер составлен из двух неподвижно соединенных между собой частей, при этом в одной выполнены перепускные, продувочные и впускные каналы, а в другой части картера выполнено не менее одного всасывающего отверстия, соединяющего внутреннюю полость картера с карбюратором.
5. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в передней боковой поверхности распределителя выполнены отверстия для смазывания переднего подшипника коленчатого вала.
6. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что перепускной канал и перепускное окно нагнетательной части цилиндра смещены относительно вертикальной оси двигателя.
7. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что на выходных отверстиях продувочных каналов картера установлены стаканы с отверстиями, два из которых выполнены в боковой поверхности, а одно на торце, при этом эти отверстия соединены тремя трубопроводами с продувочными окнами цилиндров.
8. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что золотник выполнен неметаллическим.
9. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.8, отличающийся тем, что золотник выполнен из текстолита.
