двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндр, установленный в нем с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей, поршень со штоком, кинематически связанным с выходным валом бесшатунного механизма, перегородку с бобышкой, направляющей штока и уплотнением, головку цилиндра с камерой сгорания, выполненные в цилиндре впускные и выпускные окна и продувочные каналы с входными и выходными окнами, боковые окна в юбке поршня, выполненные с возможностью совпадения с входными окнами продувочных каналов при положении поршня под верхней кромкой выходных окон продувочных каналов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, двигатель дополнительно снабжен ползуном, передаточным валом, промежуточными шестернями, топливоподающим устройством, а в стенке цилиндра выполнен смесеподающий канал, причем в ползуне размещен передаточный вал с шестерней, образующий с шейкой выходного вала червячную передачу, а шестерня кинематически связана с шестерней, установленной на штоке поршня, при этом шток закреплен в ползуне с возможностью осевого вращения, топливоподающее устройство сообщено со смесеподающим каналом, в днище поршня выполнено углубление с возможностью совмещения с выпускным окном в момент открывания последнего, а в юбке поршня выполнены вырезы с возможностью совмещения с входными окнами продувочных каналов при положении поршня в нижней мертвой точке.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что впускное окно выполнено с возможностью совмещения с одним из вырезов в юбке поршня в момент его открывания.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что камера сгорания смещена относительно оси цилиндра в сторону выпускного окна.

4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что на внутренней поверхности цилиндра выполнены масляные каналы и маслосборные канавки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания / а.с. N 787696, М. кл. F02B 77/00/, содержащий два ступенчатых цилиндра, два ступенчатых поршня, разделяющих каждый цилиндр на рабочую полость с камерой сгорания, камеру сжатия и кривошипную камеру, шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, выполненные в цилиндре продувочные каналы, соединяющие рабочую полость с кривошипной камерой, впускные каналы бедной и богатой топливной смеси, выпускные каналы, перепускные каналы, золотник, кинематически связанный посредством конических шестерен с коленчатым валом. Бедная топливная смесь по перепускным каналам из кривошипной камеры поступает в нижнюю часть рабочей полости. Богатая топливная смесь из камеры сжатия первого цилиндра по перепускным каналам через золотник поступает в камеру сгорания второго цилиндра, при этом обеспечивается расслоение топливной смеси в рабочей полости цилиндра. Аналогично, богатая топливная смесь из камеры сжатия второго цилиндра поступает в камеру сгорания первого цилиндра, так как поршни движутся в противофазе, а золотник обеспечивает изменение направления потоков.

Недостатком такого двигателя является сложность изготовления ступенчатых цилиндров и поршней, сложность уплотнения золотника от прорыва расширяющихся газов, прямой выброс топливной смеси вместе с выхлопными газами, с чем связала его недостаточная экономичность.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания /а.с. N 1300166, М. кл. F02B 33/04/, содержащий цилиндр, поршень, соединенный посредством штока с валом бесшатунного механизма, перегородку с бобышкой, направляющей штока и уплотнениями, отделяющую подпоршневую полость от полости картера, головку цилиндра с камерой сгорания и свечой, выполненные в цилиндре выпускное и впускное окна, смесеподающие каналы с входными и выходными окнами, выполненные в юбке поршня боковые окна, причем отношение высоты выпускного окна к расстоянию от верхней его кромки до днища поршня, изморенном при совмещении нижней кромки бокового окна с верхней кромкой входного окна, составляет 2 5. В таком двигателе, как и в описанном выше, процесс продувки осуществляется топливной смесью, и хотя фаза продувки смещена относительно фазы выпуска, это не устраняет выброса топливной смеси вместе с выхлопными газами, поэтому экономичность такого двигателя невысокая. Указанный двигатель имеет симметричную фазу впуска, при которой происходит обратный выброс топливной смеси из одпоршневой полости в конце фазы впуска, что снижает его экономичность и удельную мощность. Кроме того, в таком двигателе не предусмотрена смазка трущихся поверхностей цилиндра и поршня иначе как посредством присутствующих в топливной смеси частичек масла, что приводит к повышенному расходу масла и токсичности выхлопных газов.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности двухтактного двигателя внутреннего сгорания, а именно: повышение его экономичности и удельной мощности, снижение токсичности. Для достижения поставленной задачи, двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, установленный в нем с образованием подпоршневой и надпоршневой полостей поршень со штоком, кинематически связанный с валом бесшатунного механизма, перегородку с бобышкой, направляющей штока и уплотнением, отделяющую подпоршневую полость от полости картера, головку цилиндра с камерой сгорания, выполненные в цилиндре впускные и выпускные окна и продувочные каналы с входными и выходными окнами, выполненное в юбке поршня боковое окно, дополнительно снабжено ползуном, передаточным валом, промежуточными шестернями, топливоподающим устройством, а в стенке цилиндра выполнен смесеподающий канал с входным и выходным окнами. Передаточный вал с шестерней размещен в ползуне и образует с шейкой вала бесшатунного механизма червячную передачу, а шестерня кинематически связана с шестерней, установленной на штоке поршня, при этом шток закреплен в ползуне с возможность осевого вращения. Топливоподающее устройство сообщено со смесеподающим каналом, а в днище поршня выполнено углубление с возможностью совмещения с выпускным окном в момент открывания последнего. Боковое окно в юбке поршня выполнено с возможностью совмещения с входным окном смесеподающего канала при положении поршня под верхней кромкой выходных окон продувочных каналов, а в юбке поршня выполнены вырезы с возможностью совмещения с входными окнами продувочных каналов при положении поршня в нижней мертвой точке. Выполнение углубления и вырезов в юбке поршня приводит к тому, что процесс выпуска начинается и заканчивается раньше начала и окончания процесса продувки соответственно, в результате чего уменьшается прямой выброс воздуха и топливной смеси, улучшается наполняемость цилиндра, что служит повышению экономичности и удельной мощности двигателя. Выполнение бокового окна указанным способом приводит к тому, что процесс продувки вначале осуществляется воздухом, и лишь затем топливной смесью, образующейся в смесеподающих каналах под воздействием топливоподающего устройства. В результате уменьшается прямой выброс топливной смеси, повышается экономичность. Впускное окно может быть выполнено с возможностью совмещения в момент открывания с одним из вырезов в юбке поршня. В этом случае обеспечивается несимметричная фаза впуска, что приводит к большему наполнению цилиндра воздухом и, следовательно, увеличению удельной мощности.

Камера сгорания может быть выполнена смещенной относительно оси цилиндра в сторону выпускного окна, а смесеподающий канал направленным в сторону камеры сгорания. В этом случае обеспечивается разделение богатой и бедной топливной смеси в момент воспламенения, в результате чего повышается эффективность сгорания, увеличивается экономичность двигателя.

В предлагаемом двигателе может быть осуществлена раздельная система смазки трущихся поверхностей цилиндра и поршня по выполненным в цилиндре масляным каналам и маслосборным канавкам. Это приводит к уменьшению расхода масла и токсичности двигателя.

Отличительные от прототипа признаки обеспечивают достижение положительного эффекта: повышение экономичности двигателя, увеличение удельной мощности, снижение токсичности.

На фиг. 1 представлена схема двигателя; на фиг. 2 представлен узел ползуна; на фиг. 3 развертка зеркала цилиндра; на фиг. 4 диаграмма фаз газораспределения двигателя; на фиг. 5 схема распределения газовых потоков в цилиндре; на фиг. 6 начало и окончание фазы впуска; на фиг. 7 начало и окончание фазы выпуска; на фиг. 8 начало и окончание фазы впуска топливной смеси; на фиг. 9 схема перемещения механизма.

На фиг. 1 представлен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр 1, поршень 2, соединенный посредством штока 3 и ползуна 4 с валом бесшатунного механизма 5, перегородку 6 с бобышкой 7, направляющей штока 8 и уплотнениями 9, отделяющую подпоршневую полость 10 от полости картера 11, надпоршневую полость 12, головку цилиндра 13 с камерой сгорания 14, выполненные в цилиндре впускное 15 и выпускное 16 окна, продувочные каналы 17 с входными 18 и выходными 19 окнами, выполненные в юбке поршня боковое окно 20 и вырезы 21, а в головке поршня углубление 22. В цилиндре выполнен смесеподающий канал 23 с входным 24 и выходным 25 окнами. Топливоподающее устройство 26 соединено со смесеподающим каналом.

Боковое окно 20 в юбке поршня выполнено таким образом, что его передняя по ходу вращения поршня кромка совмещается с первой по ходу вращения кромкой входного окна 25 смесеподающего канала в момент, когда днище поршня находится под верхней кромкой выходных окон продувочных каналов. Вырезы 21 выполнены совмещенными с входными окнами 18 продувочных каналов при положении поршня под верхней кромкой выходных окон 19 продувочных каналов. Углубление 22 в днище поршня выполнено совмещенным с выпускным о ном 16 в момент открывания последнего. Расстояние А от днища поршня до верхней кромки выпускного окна 16 меньше расстояния В от днища поршня до верхней кромки выходящих окон 19 продувочных каналов при положении поршня в нижней мертвой точке, а глубина углубления определяется выражением Н > В А. Впускное окно 15 выполнено с возможностью совмещения в момент открывания с одним из вырезов 27 в юбке поршня.

В ползуне 4 расположен передаточный вал 27. На передаточном вале и на штоке закреплены промежуточные шестерни 28.

На фиг. 2 показан ползун 4, который выполнен разъемным по плоскости, проходящей через ось штока 3 и ось шейки вала 5. Передаточный вал 27 расположен в ползуне параллельно оси штока и перпендикулярно оси шейки вала, образуя с последней червячную передачу с передаточным отношением 1 1. Шток закреплен в ползуне с возможностью осевого вращения посредством выполненной на нем юбки 29, помещающейся внутри выполненных в ползуне проточках 30, и кинематически связан с передаточным валом посредством промежуточных шестерен 28 с передаточным отношением 1 1.

На фиг. 3 показана развернутая внутренней поверхности цилиндра, на которой между уровнем нижней кромки выходных окон и уровнем верхней кромки впускного окна выполнены маслосборные канавки 31, сходящиеся по ходу вращения поршня. В цилиндре выполнены масляные каналы 32 и 33.

При возвратно-поступательном движении поршня со штоком и ползуном вдоль оси цилиндра вал 5 бесшатунного механизма совершает сложное движение, которое можно разделить на поступательное движение вместе с ползуном и вращательное движение вала с шейкой округ ее оси. При этом шейка вала посредством червячной передачи приводит во вращение передаточный вал 27, а тот в свою очередь посредством промежуточных шестерен 28 приводит во вращение шток 3 с поршнем 2. Юбка штока 29, помещенная в проточках 3 ползуна, ограничивает продольное смещение штока относительно ползуна. Таким образом, поршень совершает сложное движение, а так как передаточные отношения в кинематических связях равны 1 1, то за полный цикл совершаемого им возвратно-поступательного движения он поворачивается вокруг своей оси на 360^o. Это дает возможность использовать его в качестве золотника для регулирования фаз газораспределения. При движении поршня 2 вверх топливная смесь, содержащаяся в надпоршневой полости цилиндра 12, сжимается, а в подпоршневой полости 10 создается разрежение. При положении поршня, соответствующем углу на круговой диаграмме фаз газораспределения /фиг. 4/, верхняя кромка выреза 21 в юбке поршня совместится с нижней кромкой впускного окна 15, начнется фаза впуска /фиг. 6/. По достижении поршнем верхней мертвой точки /ВМТ/ в камере сгорания 14 начнется воспламенение топливной смеси. Под действием расширяющихся газов поршень движется вниз, вращаясь под действием передаточного вала 27 и промежуточных шестерен 28, а так как вырез 21 при этом повернется относительно впускного окна 15, то оно будет перекрыто нижней кромкой поршня в конце фазы пуска /фиг.7/, что соответствует углу a на круговой диаграмме. Начнется сжатие воздуха в подпоршневой полости 10, отделенной от полости картера 11 перегородкой 6, через которую по направляющей 8 проходит ток. Бобышка 7 и уплотнение 9 предназначены для повышения степени сжатия в подпоршневой полости.

По достижении нижней кромкой углубления 22 в днище поршня верхней кромки выпускного окна 16 начинается фаза выпуска /фиг. 8/, что соответствует углу на круговой диаграмме. По достижении верхней кромки поршня верхней кромки выходных окон 19 продувочных каналов 17 начнется фаза продувки, что соответствует углу на круговой диаграмме. Возникает петлеобразный поток воздуха, вытесняющий отработавшие газы /см. фиг. 5/. Вслед за этим, когда днище поршня опустится ниже уровня верхней кромки выходных о он 19 и 24, передняя по ходу вращения) поршня кромка бокового окна 20 совмещается с первой по ходу вращения кромкой входного окна 25, что соответствует углу на круговой диаграмме, начнется фаза впуска топливной смеси, образованной в смесеподающем канале 23 смешением воздуха с топливом, поступившим из топливоподающего устройства 26. Поток топливной смеси направляется в сторону камеры сгорания 14. В результате взаимодействия потоков возле камеры сгорания создается область с обогащенной рабочей смесью, а в остальном объеме область с обедненной рабочей смесью. Вырезы 21 совмещены с входными окнами 18 продувочных каналов на всем протяжении фазы продувки.

При движении поршня от НМТ вверх углубление 22 поворачивается относительно выпускного окна 16 и последнее перекрывается днищем поршня в конце фазы выпуска /фиг. 9/, что соответствует углу на круговой диаграмме. Затем верхняя кромка поршня перекрывает верхнюю кромку выходных окон 19 и 24, заканчивая фазы продувки и впуска топливной смеси, что соответствует углу b на круговой диаграмме.

При дальнейшем сжатии области обогащенной и обедненной смеси сохраняются, и к моменту прихода поршня в ВМТ в камере сгорания находится обогащенная топливная смесь, а в углублении поршня 22, расположенном в этот момент в противоположной от камеры сгорания стороне цилиндра, находится обедненная топливная смесь воспламеняется свечой, продукты ее сгорания через зазор между днищем поршня и головкой цилиндра 13 поступают в углубление поршня, где поджигают обедненную топливную смесь, обеспечивая ее полное сгорание. Затем описанный рабочий цикл повторяется.

Смазка трущихся поверхностей цилиндра и поршня обеспечивается подачей масла по входному каналу 32. Маслосборные канавки 31 уменьшают попадание масла в полости цилиндра, так как вращающийся поршень сгоняет масло от из периферии к масляному каналу 32

Для получения теоретических выкладок, подтверждающих достижение описываемого эффекта, рассмотрим схему на фиг. 10. Вертикальное перемещение X любой точки поршня относительно точки, соответствующей положению днища поршня в мертвой точке /верхней или нижней/, связано с углом поворота v коленчатого вала бесшатунного механизма относительно его положения в соответствующей мертвой точке выражением

X Хо + 0,5S /1- Со v/, /1/

где Хо расстояние от днища поршня до указанной точки на поршне, S ход поршня.

Для углов a и это выражение приобретает вид

С /Н-Д/ + 0,5S/ 1 СО /,

0,5S Соs a Н-Д + 0,5 S С,

C H + 0,5 S /1-Соs a /,

0,5S Cos H +0,5S -С,

где H высота поршня,

Д высота выреза 21 в юбке поршня,

С расстояние от ВМТ до нижней кромки впускного окна.

Отсюда имеем, что >, то есть фаза впуска несимметрична относительно ВМТ.

Для углов и из выражения /1/ имеем

А +0,5 S /1-Соs /,

0,5 S Cos b -h+0,5S-A,

А 0,5 S /1-Соs b/, 0,5S Cos 0,5 S A,

а для углов У и У" имеем

В 0,5 S /l-Cos У/ 0,5S /l-Cos У"/,

cледовательно, >, а У У".

Учитывая, что h>B A, а B>A, получим, что <У< .

Таким образом, фаза выпуска несимметрична относительно НМТ, начинается и заканчивается она раньше начала и окончания фазы продувки, которая симметрична относительно НМТ.

Для углов W и W" из выражения /1/ имеем

X=0,5S/l-CosW/; 0,5 S CosW 0,5 S X,

X0,5S/l-СоsW"/; 0,5 CosW"=0,5 S X",

где X расстояние от НМТ до днища поршня в начале фазы впуска топливной смеси;

X расстояние от днища поршня до НМТ в конце фазы, а так как X<X" то W<W"<BR> Описанный двигатель обладает рядом преимуществ.

Во-первых, осуществление продувки воздухом и обеспечение несимметричных фаз выпуска и впуска топливной смеси повышает экономичность двигателя и его удельную мощность.

Во-вторых, осуществление несимметричной фазы впуска улучшает наполнение цилиндра воздухом и продувку, что повышает удельную мощность двигателя.

В-третьих, обеспечено разделение богатой и бедной топливной смеси, что повышает экономичность двигателя.

В-четвертых, применение раздельной смазки деталей поршневой группы снижает расход масла и уменьшает токсичность выхлопных газов. 2 4