двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, имеющими штоки и движущимися в противофазе, надпоршневые объемы с камерами сгорания, ограниченные головками поршней и верхними крышками цилиндров, подпоршневые объемы, ограниченные донышками поршней и нижними крышками цилиндров, выхлопные клапаны в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и по меньшей мере одну пару перепускных каналов с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного цилиндра с надпоршневым объемом другого цилиндра, причем ввод каждого из каналов расположен в нижних крышках цилиндров, а вывод - в камере сгорания, отличающийся тем, что выхлопные клапаны расположены в центральных частях верхних крышек цилиндров, а вывод каждого из перепускных каналов ориентирован тангенциально к боковой поверхности цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тепловым двигателям, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Известен двухтактный ДВС (авт.св. N 1002627), содержащий пару цилиндров, снабженных поршнями синфазного хода и образующими камеры сжатия разного объема в цилиндрах, впускными, продувочными и выпускными каналами и изолированными кривошипными камерами, подключенными к продувочным каналам. Цилиндры сообщены между собой в верхней части соединительным каналом сечением в 4-10% от сечения поршня. ДВС имеет два карбюратора. Карбюратор первого цилиндра предназначен для приготовления горючей смеси с избытком воздуха 0,75-1,2. Карбюратор второго цилиндра рассчитан на 7,5. Свеча зажигания расположена в камере сжатия первого цилиндра, которая имеет объем, больший объема камеры сжатия второго цилиндра. Высота окна выпускного канала второго цилиндра превышает высоту такого же окна первого цилиндра на 10-20^о поворота коленчатого вала.

Такая конструкция сокращает топливные потери, связанные с продувкой двухтактных ДВС. Однако продувочные потери топлива не устраняются совсем и имеют довольно высокий уровень, ухудшающий экономичность ДВС.

Более совершенным является двухтактный ДВС с внутрицилиндровым впрыском топлива (Двигатели внутреннего сгорания, устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина, М. Машиностроение, 1970, с. 294-298). Он содержит, по крайней мере, один цилиндр с поршнем штоковой конструкции. Надпоршневой объем цилиндра, ограниченный головкой поршня и верхней крышкой, снабжен камерой сгорания, имеющей устройство впрыска топлива и выхлопной клапан, расположенный по оси цилиндра (центрально). Подпоршневой объем, ограниченный донышком поршня и нижней крышкой, имеет впускной клапан. Подпоршневой и надпоршневой объемы связаны продувочным каналом через продувочные окна, расположенные в нижней части цилиндра, Данный ДВС не имеет системы зажигания, так как воспламенение топливной смеси происходит от высокой температуры сжатия (дизельный цикл). Благодаря внутрицилиндровому впрыску топлива, осуществляемому после процесса продувки, двигатель не имеет продувочных потерь топлива, так что его топливная экономичность возрастает до уровня четырехтактных ДВС.

Однако из-за несовершенства продувки, осуществляемой при максимальном значении надпоршневого объема, теряется около 25% воздуха, предварительно впущенного в подпоршневой объем. Следствием этого является уменьшение эффективного литрового объема на 25% сравнительно с его геометрическим значением. Кроме того, значительная часть (до 25%) рабочего хода поршня оказывается неэффективной, так как эта часть занята процессом продувки. Это дает дополнительное снижение эффективного литрового объема. В силу указанных потерь воздуха и рабочего хода литровая мощность двухтактного ДВС возрастает не в 2 раза, как было бы при отсутствии указанных потерь, а всего лишь в 1,1-1,2 раза сравнительно с четырехтактным ДВС. Это сильно ограничивает потенциальный весовой выигрыш 2-х-тактных ДВС. Кроме того, как и другие двухтактные двигатели, данные ДВС имеет худшие экологические показатели выхлопа из-за повышенного содержания остаточных (рециркулирующих) отработанных газов после продувки.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому является двухтактный ДВС, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с противофазными поршнями штоковой конструкции. Надпоршневые объемы цилиндров, ограниченные головками поршней и верхними крышками, снабжены выхлопными и перепускными затворами, а также устройством впрыска топлива и имеют камеры сгорания. Подпоршневые объемы цилиндров, ограниченные донышками поршней и нижними крышками, снабжены впускными клапанами. Подпоршневой объем первого цилиндра сообщен с надпоршневым объемом второго цилиндра посредством перепускного канала через перепускной затвор, а подпоршневой объем второго цилиндра сообщен с надпоршневым объемом первого цилиндра посредством другого перепускного канала через перепускной затвор.

Данная конструкция позволяет организовать процессы выхлопа и продувки каждого из надпоршневых объемов не в широкой окрестности нижней мертвой точки (НМТ) соответствующего поршня, как обычно, а вблизи верхней мертвой точки (ВМТ). Эти процессы протекают целиком в пределах подъема поршня и не занимают никакой доли рабочего хода поршня (вниз). Благодаря полноте рабочего хода эффективный литровый объем возрастает, а удельный вес двигателя уменьшается. Значение продуваемого надпоршневого объема при этом оказывается намного меньшим, чем в аналогах, что несколько снижает количество рециркулирующих (остаточных) газов, что равносильно некоторому улучшению цилиндрового наполнения, или дополнительному повышению литровой мощности. Кроме того, процессы перепуска воздуха и впрыска топлива здесь оказываются совмещенными по времени. Количественные расходные параметры перепуска и впрыска можно подобрать таким образом, чтобы образующаяся при смешении горючая смесь имела бы в течение воспламенения и основного горения состав, обеспечивающий максимум скорости и полноты сгорания. Завершающая стадия горения (дожигание) может протекать с большим избытком перепускаемого воздуха. Реализация указанных возможностей даст значительное увеличение полноты сгорания топлива, что дает некоторый прирост КПД и обеспечивает снижение экологического вреда выхлопа.

Однако из-за несовершенства собственно процесса продувки количество остаточных (рециркулирующих) газов в прототипе оказывается существенно большим, чем в четырехтактном двигателе. Соответственно более высоким является и экологический вред выхлопа. Улучшению параметров горения сильно препятствует большая неравномерность образующейся горючей смеси в различных местах камеры сгорания. Поскольку оптимизировать процесс горения во всех этих местах одновременно невозможно, указанные возможности увеличения полноты сгорания оказываются сильно ограниченными. Так что повышение КПД невелико, а токсичность выхлопа остается высокой.

Техническим результатом является дальнейшее повышение КПД и снижение вредности выхлопа.

Технический результат достигается тем, что в двухтактном ДВС, содержащем по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, имеющими штоки и движущимися в противофазе, надпоршневые объемы с камерами сгорания, ограниченные головками поршней и верхними крышками цилиндров, подпоршневые объемы, ограниченные донышками поршней и нижними крышками цилиндров, выхлопные клапаны, установленные в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и по меньшей мере одну пару перепускных каналов с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного цилиндра с надпоршневым объемом другого цилиндра, причем ввод каждого из каналов расположен в нижних крышках цилиндров, а вывод в качестве сгорания, выхлопные клапаны расположены в центральных частях верхних крышек цилиндров, а вывод каждого из перепускных каналов ориентирован тангенциально к боковой поверхности цилиндра.

По имеющимся у автора сведениям из патентных и научно-технических источников на данный момент неизвестен двухтактный ДВС, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, имеющими штоки и движущимися в противофазе, надпоршневые объемы с камерами сгорания, ограниченные головками поршней и верхними крышками цилиндров, подпоршневые объемы, ограниченные донышками поршней и нижними крышками цилиндров, выхлопные клапаны в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и по меньшей мере одну пару перепускных каналов с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного цилиндра с надпоршневым объемом другого цилиндра, причем ввод каждого из каналов расположен в нижних крышках цилиндров, а вывод в камере сгорания, в котором с целью дальнейшего повышения КПД и снижения вредности выхлопа содержались бы следующие отличительные признаки:

вывод каждого из перепускных каналов ориентирован тангенциально к боковой поверхности цилиндра,

выхлопные клапаны расположены в верхних крышках центрально, по оси соответствующего цилиндра.

Благодаря первому признаку воздух, входящий в надпоршневой объем из перепускного канала под большим перепадом давления, движется вдоль боковой стенки цилиндра (камеры сгорания), по окружности и образует мощный вихрь (циклон). Этот вихрь обладает центробежным сепарирующим свойством, благодаря которому довытесняемый выхлопной газ, имеющий пониженную плотность вследствие высокой температуры, удерживается в центральной, осевой области надпоршневого объема. Частный объем этой области последовательно уменьшается благодаря вытесняющему действию входящего из перепускного канала в виде вихря холодного воздуха. Благодаря же центральному (совмещенному) расположению выхлопного клапана (второй отличительный признак), в него почти не попадает холодного вытесняющего воздуха, что минимизирует продувочные потери свежей дозы воздуха. Такая продувка почти без потерь завершается в момент полного исчезновения центральной горячей области выхлопных газов, которые практически полностью довытесняются из надпоршневых объемов. В силу описанных особенностей процессов продувки, она отличается крайне высокой степенью совершенства, уровень рециркуляции становится более низким, чем в четырехтактном двигателе.

Следствием совершенства продувки является улучшение среднего химического состава подготавливаемой при впрыске топлива и дальнейшем перепуске воздуха горючей смеси (практическое отсутствие остаточных рециркулирующих примесей отработавшего газа). Такая смесь быстрее воспламеняется и полнее и быстрее сгорает без детонационного эффекта. Кроме того, наследуемый от продувки мощный газовый вихрь непрерывно перемешивает горящую смесь и выравнивает по объему ее химический состав, температуру и другие параметры (гомогенизация). Благодаря этому появляется хорошая возможность оптимизировать процесс горения во всем объеме камеры сгорания и добиться повышения полноты сгорания топлива. Это дает ощутимый прирост КПД по полноте сгорания. Одновременно увеличение полноты сгорания снижает в выхлопе долю непрогоревшего топлива и его вредных активных соединений и радикалов. Снижению токсичности выхлопа способствует также указанное снижение рециркуляции. Таким образом, поставленная цель оказывается достигнутой.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемой конструкции ДВС изобретательского уровня.

На чертеже дана схема простейшего ДВС (с одной парой цилиндров), где 1 и 2 цилиндры; 3 и 4 поршни; 5 и 6 поршневые штоки; 7 и 8 выхлопные клапаны; 9 и 10 устройства впрыска топлива, например форсунки; 11 и 2 перепускные каналы; 13 и 14 перепускные затворы; 15 и 16 впускные клапаны; 17 картер.

Внутреннее устройство картера 17 обеспечивает противофазный ход штоков 5 и 6 и соответственно 3 и 4. Оно может быть, например, кривошипно-шатунным механизмом с крейцкопфами. Двигатель содержит две независимые газодинамические системы, действующие противофазно относительно друг друга. Первая из них образована надпоршневым объемом цилиндра 1 с выхлопным клапаном 7 и устройством впрыска 9 и подпоршневым объемом цилиндра 2 с впускным клапаном 16. Эта система включает также перепускной канал 11 с затвором 13. Вторая газодинамическая система образована надпоршневым объемом цилиндра 2, подпоршневым объемом цилиндра 1 и перепускным каналом 12 с соответствующими элементами 8, 10, 15 и 14. Для уянения принципа действия двигателя достаточно уяснить работу одной газодинамической системы.

Первая газодинамическая система действует следующим образом. Пусть в начальный момент поршень 3 находится в НМТ, а поршень 4 в ВМТ. При этом выпускной клапан 7 открыт, а затвор 13 и впускной клапан 16 закрыты. При движении поршня 3 вверх в верхнем объеме цилиндра 1 протекает процесс выхлопа отработавших газов через открытый клапан 7. Одновременно в подпоршневом объеме цилиндра 2 при движении поршня 4 вниз ранее впущенная доза свежего воздуха предварительно сжимается. По достижении таким сжатием степени 4-6, то есть вблизи положения НМТ поршня 4 открывается перепускной затвор 13 и предсжатый воздух устремляется через канал 11 в надпоршневой объем цилиндра 1, который к этому моменту имеет малое значение, поскольку поршень 3 почти подходит к ВМТ. При этом процесс выхлопа из этого объема переходит в процесс его продувки перепускаемым чистым воздухом. В этот момент в надпоршневом объеме 1 остается не более 15-20% отработавших газов низкого давления ввиду малого значения объема и совершенного выхлопа. В этот же момент на вводном и выводном концах канала 11 действует максимальный перепад давления предсжатия, поэтому перепускаемый воздух приобретает очень высокую сверхзвуковую скорость течения. Втекающий по каналу 11 быстрый воздух в надпоршневом объеме 1 встречает на своем пути препятствие в виде боковой поверхности цилиндра (камеры сгорания), его поток непрерывно изменяет направление под действием этого препятствия, что формирует мощный вихрь (циклон) внутри 1. Для улучшения эффективности перепуска и продувки путем увеличения мощности такого вихря вывод канала 11 ориентирован тангенциально относительно боковой стенки цилиндра 1. За счет центробежных сил втекающий холодный и плотный воздух оттесняется ближе к стенке цилиндра и образует аксиальную периферическую область наполнения. Наоборот, довытесняемый (продуваемый) отработавший газ оттесняется в центральную осевую область объема, которая последовательно сужается за счет расширения первой области по мере перепуска. Для улучшения параметров продувки выхлопной клапан 7 также размещают по оси цилиндра, так что вытесняемый (выдуваемый) горячий выхлопной газ все время находится в зоне действия этого клапана, что повышает эффективность продувки, которая заканчивается в момент закрытия выхлопного клапана 7.

После этого перепуск воздуха через канал 11 продолжается, за счет чего плотность воздуха и его давление в камере сгорания цилиндра 1 непрерывно возрастает. Одновременно с этим срабатывает устройство 9 и топливо начинает поступать в воздушный вихрь в виде тонкодисперсного брызгового факела, который подхватывается вихрем, благодаря чему топливо эффективно и достаточно равномерно перемешивается с воздухом с образованием горючей смеси, которая через очень короткий индукционный период задержки воспламеняется от высокой температуры (например температуры сжатия, или калильной свечи). Воспламененная и горящая первоначальная порция горючей смеси служит мощным воспламенительным факелом для последующих порций топлива, возникающих по мере перепуска воздуха и впрыска топлива. Такой характер процессов обеспечивает максимальную скорость горения в сочетании с достаточно плавным бездетонационным нарастанием давления и очень высокую полноту сгорания. При этом процесс впрыска заканчивают раньше окончания перепуска воздуха при ВМТ поршня 3. К этому моменту основное сгорание переходит в стадию дожигания со значительным избытком воздуха, что также способствует повышению полноты сгорания топлива.

В тот же момент поршень 4 занимает положение НМТ, затвор 13 при этом закрывается. Для улучшения полноты перепуска значение подпоршневого объема 2 в этот момент должно быть теоретически нулевым, практически возможно более малым. Далее поршень 3 начинает опускаться при максимальном, термически нагнетенном давлении надпоршневых газов (рабочий ход). При этом высокотемпературный газ над поршнем подвергается почти адиабатному расширению с совершением индикаторной положительной работы. Такой рабочий ход является геометрически почти полным, поскольку завершается открытием клапана 7 при подходе поршня 3 к НМТ, точнее с небольшим опережением на предвыхлоп, как в четырехтактном двигателе. Одновременно поршень 4 поднимается от НМТ к ВМТ и в подпоршневой объем 2 впускается свежая доза воздуха через открывающийся впускной клапан 16. Процесс впуска заканчивается при подходе 4 к ВМТ с закрытием клапана 16. Этим завершается описанный полный цикл первой газодинамической системы, который затем последовательно повторяется в процессе непрерывной работы двигателя. Вторая газодинамическая система работает аналогично, но со сдвигом по фазе на 180^о, что непосредственно следует из ее конструктивной симметрии и противофазности хода поршней.

ДВС по данной конструктивной схеме может иметь две и более независимых пары цилиндров, работающих на общий картер. Многоцилиндровость позволяет улучшить равномерность крутящего момента и обеспечить необходимое увеличение суммарной мощности двигателя при ограничениях на мощность одной пары цилиндров.

Для достижения максимального положительного эффекта важно "поймать" совмещение моментов закрытия выхлопных клапанов с соответствующими моментами исчезновения центральных областей горячего выхлопного газа при завершении продувки. Если выхлопной клапан закрыть раньше, то центральная область не успеет исчезнуть и в верхнем объеме цилиндра возникнет большая доза рециркулирующих отработанных газов, хотя продувочные потери чистого воздуха будут отсутствовать. Если же клапан закрыть позже, то после исчезновения центральной зоны на выхлоп будет поступать чистый воздух и его потери сильно возрастут, хотя уровень рециркуляции будет нулевым. В обоих случаях параметры двигателя по совокупности заметно ухудшается сравнительно со случаем указанного совмещения моментов. Практически осуществить такое совмещение не так уж просто. Дело в том, что оптимальная продувка протекает очень быстро из-за высокой скорости перепускной струи и длится определенный отрезок времени. На различных оборотах двигателя этот временной отрезок будет занимать различные отрезки по углу поворота вала. Поэтому управление моментов отсечки выхлопного клапана после открытия перепускного затвора должно быть временным, а не угловым. Дело усложняется тем, что при регулировках мощности указанная временная задержка будет также изменяться, при этом характер изменения будет зависеть от способа регулирования (например, качеством или количеством). Все это определяет довольно кропотливую конструкторскую проработку управления для конкретного двигателя, хотя это вовсе не требует изобретательского уровня.

В двигателе в варианте с калильным принудительным зажиганием допустимы способы регулирования мощности как количеством, так и качеством горючей смеси. Разумная комбинация этих способов способствует достижению наилучшего компромисса между экономическими и ресурсными показателями.

Данный двигатель имеет значительное преимущество в литровой мощности относительно всех известных поршневых ДВС. Однако это теоретически двойное преимущество практически заметно снижается неполнотой перепуска до уровня 1,5-1,7 сравнительно с четырехтактным двигателем. Из-за ненулевого значения подпоршневых объемов и наличия паразитных объемов перепускных каналов трудно добиться большего преимущества, хотя применение предварительного турбонаддува позволяет это осуществить довольно эффективно. Однако это уже нельзя считать преимуществом только данного двигателя, поскольку турбонаддув достаточно эффективен и для обычного двигателя. Здесь важно другое. Следствием неполноты перепуска является снижение эффективной степени сжатия относительно геометрического значения. Поскольку степень расширения фактически всегда равна геометрическому значению, то данный двигатель обладает характерной особенностью степень его сжатия заметно ниже степени расширения. Известно, что ограничения по жесткости хода прежде всего ограничивают допустимую степень сжатия. Указанная здесь особенность позволяет сконструировать ДВС с умеренной степенью сжатия, но с высокой степенью расширения. Поскольку термический КПД ДВС определяется в гораздо большей мере степенью расширения, чем сжатия, данный двигатель окажется существенно экономичней обычного ДВС с тем же сжатием. Иногда соответствующее топливное преимущество целесообразно усилить за счет искусственного увеличения разницы степеней расширения и сжатия, хотя такой способ неизбежно связан с искусственным уменьшением полноты перепуска, что вызывает падение литровой мощности и увеличение удельного веса двигателя. Такая новая конструкторская ветвь как бы пролонгирует классическую дизельную ветвь повышения экономичности за счет веса и в комбинации этих линий заложена возможность разработки сверхэкономичных, но тяжелых ДВС. Впрочем, употребление преимущественно первой ветви всегда дает некоторое весовое преимущество сравнительно со второй.

Вариант двигателя с высокими оборотами, низкой эффективной степенью сжатия и предварительным турбонаддувом может оказаться значительно более легким, чем самые легкие известным поршневые ДВС. В области скоростных судов и не очень скоростных летательных аппаратов он сможет составить достойную конкуренцию газовым турбинам как более экономичный двигатель.

Как и обычные ДВС данный двигатель может запускаться от тех же стартерных устройств. Он вполне совместим также с запуском сжатым воздухом.

К недостатку двигателя следует отнести повышение жесткости хода, связанное с тем, что до закрытия перепускного затвора пиковое давление газа действует не на один, а на два поршня сразу, поскольку давления в надпоршневом и подпоршневом объемах каждой газодинамической системы к этому моменту становятся одинаковыми ввиду обращения скорости перепуска в нуль.