Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочное и выпускное окна, поршень с жаропрочной вставкой в днище, кинематически связанный с коленчатым валом, и нагнетатель, согласно изобретению в головке рабочего цилиндра помещена вставка из жаропрочного материала с низкой теплопроводностью, в которой выполнена камера сгорания цилиндрической формы, отношение диаметра камеры сгорания к ее длине находится в пределах от 0,1 до 0,15, в торце камеры сгорания помещена топливная форсунка и зазор между головкой цилиндра и поршнем в положении верхней мертвой точки составляет от 0,8 до 1,0% от величины хода поршня. Изобретение обеспечивает повышение степени сжатия, повышение КПД. 2 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в двигателестроении.
Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочные и выпускные окна, с размещенным в нем поршнем, соединенным с коленчатым валом через шатун, в котором в качестве нагнетателя использован герметичный картер коленчатого вала: мотоциклетные двигатели, двигатели бензопил, триммеров и т.д. (см. кн. М.П.Исаев, В.А.Забелин. «Мотоциклы ИЖ-56 и ИЖ-Юпитер». Удмуртское книжное издательство, Ижевск. 1961, сс.14-16).
Известен двухтактный дизельный двигатель, содержащий рабочий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочные и выпускные окна, с размещенными в нем двумя поршнями, связанными кинематически, и движущимися в противоположных направлениях - тепловозные двигатели типа 2Д100, 10Д100 (кн. А.И.Володин. «Локомотивные двигатели внутреннего сгорания», Москва, «Транспорт», 1990, cc.l7-21).
Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочные и выпускные окна, с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом через шатун, и цилиндр нагнетателя, в стенке которого выполнены впускные окна с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом со смещением по фазе относительно поршня рабочего цилиндра на 180° (см. заявка Великобритания №2020738, МПК F02B 33/02, 1979). Принят в качестве прототипа.
Коэффициенты полезного действия указанных двигателей не достигают и 40%, в то время, как теоретически могут достигать от 70 до 80%.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании прототипа, относится то, что степень сжатия в современных двигателях ограничена недостаточной термостойкостью камеры сгорания.
Сущность изобретения в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в максимальном повышении коэффициента полезного действия двигателя.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении изобретения, заключающегося в обеспечении возможности повышения степени сжатия и, следовательно, повышения температуры сгорания рабочей смеси в камере сгорания.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочное и выпускное окна, в полости которого размещен рабочий поршень, имеющий жаропрочную вставку с низкой теплопроводностью и нагнетатель. В головке рабочего цилиндра помещена вставка из жаропрочного материала с низкой теплопроводностью, в которой выполнена камера сгорания цилиндрической формы, отношение диаметра которой к ее длине находится в пределах от 0,1 до 0,15. В торце камеры сгорания помещена топливная форсунка с одним отверстием для впрыска топлива, направленным вдоль оси камеры сгорания. В положении ВМТ между дном поршня и головкой цилиндра имеется зазор, составляющий от 0,8 до 1,0% от хода поршня.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяют сделать вывод, что не обнаружено аналога с признаками, тождественными признакам заявляемого изобретения.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по назначению и совокупности существенных признаков, позволило выявить существенные отличительные признаки по отношению к достигаемому изобретением техническому результату, изложенные в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемое устройство соответствует условию «новизна».
Дополнительный поиск известных технических решений показал, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не установлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение технического результата.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
На чертежах изображен предлагаемый двигатель. На фиг.1 - крайнее положение поршня при такте «продувка», на фиг.2 - крайнее положение при такте «сжатие».
Сведения, подтверждающие возможность получения вышеупомянутого технического результата, заключаются в следующем.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр 1, в головке которого установлена вставка 2 из жаропрочного материала с низкой теплопроводностью, например из карбида кремния. В стенке рабочего цилиндра 1 выполнены продувочное окно 3 и выпускное окно 4. В полости рабочего цилиндра 1 размещен поршень 5. Поршень 5 содержит керамическую жаропрочную вставку 6 с низкой теплопроводностью, например, из карбида кремния. Поршень 5 соединен с коленчатым валом (на чертеже не показан) через шатун 7. Двигатель содержит также нагнетатель 9 любой конструкции, например центробежный с механическим приводом, соединенный с продувочным окном 3 рабочего цилиндра 1. В торце цилиндра 1 установлена топливная форсунка 8. Во вставке 2 выполнена камера сгорания 10 цилиндрической формы, диаметр которой составляет от 0,1 до 0,15 от ее длины. В положении верхней мертвой точки зазор между поршнем и головкой цилиндра составляет от 0,8 до 1,0% от хода поршня.
Двигатель работает следующим образом. После вспышки топлива, поданного форсункой 8, при движении поршня 5 от верхней мертвой точки происходит рабочий ход. После начала выпуска отработавших газов через окно 4 в рабочем цилиндре 1 кромкой поршня 5 открывается продувочное окно 3 и рабочее тело из нагнетателя 9 через окно 3 поступает в рабочий цилиндр 1, вытесняя отработавшие газы через окно 4. При дальнейшем движении поршня 5 от нижней мертвой точки продувочное окно 3 и выпускное окно 4 закрываются и происходит сжатие рабочего тела. При этом благодаря наличию вставки 2 рабочего цилиндра 1 и вставки 6 поршня 5 степень сжатия у предлагаемого двигателя выполнена существенно большей, чем у прототипа, а температура сгорания может достигать 1500°С, что обеспечивает более высокий КПД двигателя по сравнению с прототипом. Дальнейшее движение поршня 5 вниз (рабочий ход) благодаря наличию вставок 2 и 6 происходит адиабатно, с минимальными потерями тепла. При дальнейшем движении поршня 5 от нижней мертвой точки продувочное окно 3 и выпускное окно 4 закрываются и происходит сжатие рабочего тела.
Благодаря тому, что камера сгорания 10 имеет удлиненную цилиндрическую форму, а форсунка 8 располагается в ее торце, оставшиеся в камере сгорания 10 после продувки продукты горения при такте сжатия не смешиваются с кислородом продувочного воздуха и концентрируются у сопла форсунки 8. Струя топлива при впрыске проходит сквозь этот защитный слой продуктов горения, не содержащих кислорода, и сгорает в камере сгорания 10 вне непосредственной близости от форсунки 8. В зазор между вставкой 2 цилиндра 1 и поршнем 5 топливо также практически не попадает, и зона экстремально высоких температур не достигает края поршня и стенок цилиндра.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности для преобразования выделяющегося тепла в механическую работу;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость».
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочное и выпускное окна, поршень с жаропрочной вставкой в днище, кинематически связанный с коленчатым валом, и нагнетатель, отличающийся тем, что в головке рабочего цилиндра помещена вставка из жаропрочного материала с низкой теплопроводностью, в которой выполнена камера сгорания цилиндрической формы, отношение диаметра камеры сгорания к ее длине находится в пределах от 0,1 до 0,15, в торце камеры сгорания помещена топливная форсунка, и зазор между головкой цилиндра и поршнем в положении верхней мертвой точки составляет от 0,8 до 1,0% от величины хода поршня.
