двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, имеющим отверстие, в котором размещен впускной клапан для впуска топливовоздушной смеси из впускного коллектора в камеру всасывания, которая расположена под поршнем, изолирована от кривошипной камеры и сообщена с расположенной над поршнем камерой сгорания посредством перепускного коллектора, на входе которого размещен впускной клапан для подачи топливовоздушной смеси из камеры всасывания в камеру сгорания, окно выпуска отработавших газов из камеры сгорания, расположенное на стенке цилиндра, дополнительный поршень, размещенный в цилиндре между кривошипной камерой и основным поршнем и жестко связанный с основным поршнем, вторую камеру всасывания, размещенную между первой камерой всасывания и дополнительным поршнем, изолированную от первой камеры всасывания посредством перегородки и сообщенную с впускным коллектором посредством клапана, установленного в отверстии на входе во вторую камеру всасывания и обращенного входом к впускному коллектору, отличающийся тем, что вторая камера всасывания сообщена с перепускным коллектором посредством клапана, обращенного входом ко второй камере всасывания, а в перепускном коллекторе у входа в камеру сгорания установлен пневматический клапан, обращенный входом к первой и второй камерам всасывания.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что перепускной коллектор выполнен в виде канала в стенке цилиндра и в головке цилиндра, один конец которого сообщен с камерой сгорания через отверстие, выполненное в головке цилиндра, а другой конец с первой и второй камерами всасывания.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что перепускной коллектор выполнен в виде трубопровода, один конец которого сообщен с камерой сгорания через отверстие, выполненное в головке цилиндра, а другой конец с первой и второй камерами всасывания.

4. Двигатель по п. 2 или 3, отличающийся тем, что перепускной коллектор снабжен средством для охлаждения.

5. Двигатель по п. 2 или 3, отличающийся тем, что перепускной коллектор снабжен средством для подогрева.

6. Двигатель по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что содержит предохранительный клапан, размещенный на перепускном коллекторе.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что основной и дополнительный поршни жестко связаны между собой посредством штока, перепускной коллектор содержит каналы, выполненные в штоке и в теле основного и дополнительного поршней и сообщающиеся между собой, при этом клапан на выходе из первой камеры всасывания установлен в канале, выполненном в теле основного поршня, клапан на выходе из второй камеры всасывания установлен в канале, выполненном в теле дополнительного поршня, а клапан, установленный в перепускном коллекторе на входе в камеру сгорания, размещен в теле основного поршня.

8. Двигатель по пп. 1-7, отличающийся тем, что клапаны, установленные на входе и выходе первой и второй камер всасывания, выполнены в виде съемного блока, расположенного на наружной стенке цилиндра.

9. Двигатель по пп. 1-8, отличающийся тем, что в головке цилиндра установлена свеча зажигания.

10. Двигатель по пп. 1-8, отличающийся тем, что содержит форсунку для впрыскивания топлива, установленную в головке цилиндра.

11. Двигатель по п. 9, отличающийся тем, что содержит форсунку для впрыскивания топлива, установленную в перепускном коллекторе.

12. Двигатель по пп. 1-11, отличающийся тем, что впускной коллектор содержит два канала, один из которых сообщен с первой камерой всасывания посредством указанного клапана, установленного в перегородке на входе в первую камеру всасывания, а другой канал сообщен со второй камерой всасывания посредством указанного клапана, установленного в перегородке на входе во вторую камеру всасывания.

13. Двигатель по пп. 1-12, отличающийся тем, что перепускной коллектор содержит два канала, один из которых сообщен с первой камерой всасывания посредством клапана, установленного на выходе из первой камеры всасывания, и с камерой сгорания посредством клапана, установленного на входе в камеру сгорания, а другой канал сообщен со второй камерой всасывания посредством клапана, установленного на выходе из второй камеры всасывания, при этом имеется дополнительный клапан, установленный на входе в камеру сгорания, посредством которого второй канал перепускного коллектора сообщен с камерой сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, точнее к двухтактному двигателю внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано в качестве двигателя для летательных аппаратов, для автомобилей, мотоциклов, в сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судовых двигателях.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, разделенный перегородкой на рабочую камеру и компрессорную камеру, в каждой из которых перемещаются поршни, закрепленные на одном штоке.

В указанном двигателе впускное и выпускное отверстие рабочей камеры расположены ниже уровня нижней кромки поршня в верхней мертвой точке. Камера сгорания сообщена с компрессорной камерой посредством перепускного канала.

Во время работы топливовоздушная смесь, предварительно сжатая в подпоршневой камере компрессорной части, поступает в подпоршневую полость рабочей части в момент прохождения поршнями нижней мертвой точки. При этом осуществляется продувка камеры сгорания. Отработанные газы пропускаются в дополнительную камеру дожигания, расположенную сбоку от основной камеры сгорания. Обработанные газы перепускаются в этот момент в камеру дожигания. При движении поршней к верхней мертвой точке воздух, сжимаемый в надпоршневой полости компрессорной части, через перепускной канал поступает в подпоршневую полость рабочей чисти, а оттуда в камеру дожигания. Здесь происходит обогащение отработавших газов кислородом воздуха для более полного дожигания.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания имеет сложную конструкцию. Множество камер затрудняет обслуживание. Наличие дополнительной камеры дожигания не позволяет получить полного сжигания топливной смеси, поэтому экологические характеристики двигателя низки.

КПД указанного двигателя невелико, поскольку мало количество топливной смеси, подаваемой в камеру сгорания. Этот двигатель имеет небольшой срок службы.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, имеющий отверстие, в котором размещен впускной клапан для выпуска топливовоздушной смеси из впускного коллектора в камеру всасывания, которая расположена под поршнем, изолирована от кривошипной камеры и сообщена с расположенной над поршнем камерой сгорания посредством перепускного коллектора, на входе которого размещен впускной клапан для подачи топливовоздушной смеси из камеры всасывания в камеру сгорания, и окно выпуска отработавших газов из камеры сгорания, расположенное на стенке цилиндра [1]

В указанном двигателе перепускной коллектор имеет расширение, которое образует камеру высокого давления, которая периодически подсоединяется через обратный клапан и перепускные окна к камерам всасывания и сгорания. А в поршне выполнен канал для периодического соединения камеры сгорания через окно с камерой высокого давления.

Кроме того, в поршне выполнен второй канал для соединения камеры сгорания с выпускным отверстием.

Когда поршень движется вниз топливная смесь в камере всасывания сжимается и принудительно подается в камеру сгорания. В нижней мертвой точке окно выпуска в боковой стенке цилиндра открывается, и отработавшие газы над поршнем выходят из камеры сгорания. На ходе вверх поршень сжимает оставшиеся газы и втягивает свежую смесь в камеру всасывания. В верхней мертвой точке канал в поршне соединяется с камерой высокого давления, и сжатая горячая смесь подается через этот канал в камеру сгорания. В этот момент происходит зажигание свечи.

В камере высокого давления топливная смесь сжимается и выпускается в камеру сгорания в момент зажигания в положении поршня в верхней мертвой точке.

Указанный двигатель обладает низким КПД, поскольку количество топливной смеси, подаваемой в камеру сгорания, очень мало. Этот двигатель внутреннего сгорания имеет малую удельную мощность. Система смазки выполнена традиционным образом, что усложняет его обслуживание и уменьшает долговечность. Выхлопные газы содержат большой процент частично сгоревшей топливной смеси, что отрицательно сказывается на его экологических характеристик.

Известен также двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, имеющий отверстие, в котором размещен впускной клапан для впуска топливовоздушной смеси из впускного коллектора в камеру всасывания, которая расположена под поршнем, изолирована от кривошипной камеры и сообщена с расположенной над поршнем камерой сгорания посредством перепускного коллектора, на входе которого размещен впускной клапан для подачи топливовоздушной смеси из камеры всасывания в камеру сгорания и окно выпуска отработавших газов из камеры сгорания, расположенное на стенке цилиндра, дополнительный поршень, размещенный в цилиндре между кривошипной камерой и основным поршнем и жестко связанный с основным поршнем, вторую камеру всасывания, размещенную между первой камерой всасывания и дополнительным поршнем, изолированную от первой камеры всасывания посредством перегородки и сообщенную с впускным коллектором посредством клапана [2]

В указанном двигателе при движении поршня вниз к нижней мертвой точке основной цилиндр сжимает воздух в камере сжатия. В результате создается тормозящий эффект, уменьшающий КПД двигателя. Устройство двигателя таково, что плохо продувается рабочий цилиндр и плохо заполняется рабочей смесью. Объем заряда в камере сгорания зависит только от геометрических размеров камеры сгорания и не может быть увеличен при использовании двух камер всасывания. Перепускной коллектор, подающий в рабочий цилиндр топливную смесь, находится на уровне нижней кромки цилиндра, что не позволяет производить продувку цилиндра и равномерно заполнять камеру сгорания. В указанной конструкции невозможно использовать подшипники скольжения и смазку опор коленчатого вала под давлением. Дожигание выхлопных газов в выпускном коллекторе не обеспечивает полного сгорания топливной смеси, находящейся в выхлопных газах, что отрицательно сказывается на экологических характеристиках двигателя.

Целью изобретения является создание двухтактного двигателя внутреннего сгорания, в котором изменение конструкции камеры всасывания позволило бы увеличить общий объем топливной смеси, подаваемой в камеру сгорания не изменив ее объема, увеличить удельную мощность двигателя и улучшить систему смазки, что в свою очередь способствует повышению долговечности двигателя, улучшению его экологических характеристик и упрощению обслуживания.

Это достигается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, имеющий отверстие, в котором размещен впускной клапан для впуска топливовоздушной смеси из впускного коллектора в камеру всасывания, которая расположена под поршнем, изолирована от кривошипной камеры и сообщена с расположенной над поршнем камерой сгорания посредством перепускного коллектора, на входе которого размещен впускной клапан для подачи топливовоздушной смеси из камеры всасывания в камеру сгорания и окно выпуска отработавших газов из камеры сгорания, расположенное на стенке цилиндра, дополнительный поршень, размещенный в цилиндре между кривошипной камерой и основным поршнем и жестко связанный с основным поршнем, вторую камеру всасывания, размещенную между первой камерой всасывания и дополнительным поршнем, изолированную от первой камеры всасывания посредством перегородки и сообщенную с впускным коллектором посредством клапана, установленного в отверстии в перегородке на входе во вторую камеру всасывания и обращенного входом к впускному коллектору, вторая камера всасывания сообщена с перепускным коллектором посредством клапана, обращенного входом ко второй камере всасывания, а в перепускном коллекторе у входа в камеру сгорания установлен пневматический клапан, обращенный входом к первой и второй камерам всасывания.

Целесообразно, чтобы перепускной коллектор был выполнен в виде канала в стенке цилиндра и в головке цилиндра, один конец которого был бы сообщен с камерой сгорания через отверстие, выполненное в головке цилиндра, а другой конец с первой и второй камерами всасывания.

Полезно, чтобы перепускной коллектор был выполнен в виде трубопровода, один конец которого был бы сообщен с камерой сгорания через отверстие, выполненное в головке цилиндра, а другой конец с первой и второй камерами всасывания.

Выгодно, чтобы перепускной коллектор был снабжен средством для охлаждения.

Полезно, чтобы перепускной коллектор был снабжен средством для подогрева.

Выгодно, чтобы двигатель содержал предохранительный клапан, размещенный на перепускном коллекторе.

Целесообразно, чтобы основной и дополнительный поршни были жестко связаны между собой посредством штока, и перепускной коллектор содержал каналы, выполненные в штоке и в теле основного и дополнительного поршней и сообщающиеся между собой, при этом клапан на выходе из первой камеры всасывания был бы установлен в канале, выполненном в теле основного поршня, клапан на выходе из второй камеры всасывания был бы установлен в канале, выполненном в теле дополнительного поршня, а клапан, установленный в перепускном коллекторе на входе в камеру сгорания, был размещен в теле основного поршня.

Полезно, чтобы клапаны, установленные на входе и выходе первой и второй камер всасывания были выполнены в виде съемного блока, расположенного на наружной стенке цилиндра.

Выгодно, чтобы в головке цилиндра была установлена свеча зажигания.

Полезно, чтобы двигатель содержал форсунку для впрыскивания топлива, установленную в головке цилиндра.

Полезно также, чтобы двигатель содержал форсунку для впрыскивания топлива, установленную в перепускном коллекторе.

Целесообразно, чтобы впускной коллектор содержал два канала, один из которых был бы сообщен с первой камерой всасывания посредством указанного клапана, установленного в перегородке на входе в первую камеру всасывания, а другой канал был бы сообщен со второй камерой всасывания посредством указанного клапана, установленного в перегородке на входе во вторую камеру всасывания.

Выгодно, чтобы перепускной коллектор содержал два канала, один из которых был бы сообщен с первой камерой всасывания посредством указанного клапана, установленного в перегородке на выходе из первой камеры всасывания, и с камерой сгорания посредством указанного клапана, установленного на входе в камеру сгорания, а другой канал был бы сообщен со второй камерой всасывания посредством указанного клапана, установленного в перегородке на выходе из второй камеры всасывания, при этом имелся дополнительный клапан, установленный на входе в камеру сгорания, посредством которого второй канал перепускного коллектора был бы сообщен с камерой сгорания.

Изобретение поясняется конкретными вариантами его воплощения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых на фиг. 1 изображен схематично двухтактный двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез; на фиг. 2 то же, но с перепускным коллектором в виде трубопровода, продольный разрез; на фиг. 3 схематично перепускной коллектор двухтактного двигателя, снабженный средством для подогрева, продольный разрез; на фиг. 4 то же, что на фиг. 1, но с каналами, выполненными в штоке и в поршнях для установки клапанов, согласно изобретению; на фиг. 5 схематично расположение клапанов в съемном блоке, продольный разрез; на фиг. 6 то же, что на фиг. 1, но с форсункой, установленной в камере сгорания; на фиг. 7 схематично форсунка, установленная в перепускном коллекторе, продольный разрез; на фиг. 8 то же, что на фиг. 1, но в случае когда впускной и перепускной коллекторы содержат два канала, согласно изобретению; на фиг. 9 то же, что на фиг. 1, но в случае, когда впускные и выпускные отверстия расположены на боковой стенке цилиндра, согласно изобретению.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1 с поршнем 2. В средней части цилиндра 1 выполнено отверстие 3, в котором размещен впускной клапан 4 для впуска топливовоздушной смеси из впускного коллектора 5 в камеру 6 всасывания Камера 6 расположена под поршнем 2 и изолирована от кривошипной камеры 7.

Над поршнем 2 расположена камера 8 сгорания, которая сообщена с камерой 6 всасывания посредством перепускного коллектора 9. На входе 10 коллектора 9 размещен впускной клапан 11 для подачи топливовоздушной смеси из камеры 6 в камеру 8.

На стенке цилиндра 1 расположено окно 12 выпуска отработавших газов из камеры 8 сгорания.

Двигатель содержит головку 13 цилиндра, в которой установлена свеча 14 зажигания.

Двигатель содержит также дополнительный поршень 15, размещенный в цилиндре 1 между кривошипной камерой 7 и основным поршнем 2 и жестко связанный с ним посредством штока 16.

Между первой камерой 6 всасывания и дополнительным поршнем 15 размещена вторая камера 17 всасывания, изолированная от первой камеры 6. Камера 17 сообщена с впускным коллектором 5 посредством клапана 18, обращенного входом к впускному коллектору 5 и установленного в отверстии 19, выполненном в перегородке 20, разделяющей камеры 6 и 17. Клапаны 4 и 11 в описываемом варианте установлены в перегородке 20 в отверстиях. Камера 17 сообщена также с перепускным коллектором 9 посредством клапана 21, обращенного входом ко второй камере 17 всасывания и установленного в отверстии 22, выполненном в перегородке 20.

В перепускном коллекторе 9 у входа в камеру 8 сгорания установлен клапан 23, обращенный входом к камере 17 всасывания.

В описываемом варианте перепускной коллектор 9 выполнен в виде канала, который проходит в стенке цилиндра 1 и в головке 13 цилиндра. Канал сообщен с камерой 8 сгорания через отверстие 24, выполненное в головке 13 цилиндра, и с камерами 6 и 17 всасывания.

Возможен также вариант, когда перепускной коллектор 9 (фиг. 2) выполнен в виде трубопровода 25, размещенного в непосредственной близости с боковой стенкой цилиндра 1. Трубопровод 25 снабжен средством 26 для охлаждения. В описываемом варианте средство 26 представляет собой рубашку 27 с входным 28 и выходным 29 патрубками для подачи охлаждающего агента.

Трубопровод 25 сообщен с камерой сгорания и с первой 6 и второй 17 камерами всасывания.

Трубопровод 25 может быть снабжен средством 30 (фиг. 3) для подогрева. В этом случае средство 30 содержит рубашку 31 с выходным 32 и выходным 33 патрубками.

На перепускном коллекторе 9 для предохранения коллектора от разрушения может быть установлен предохранительный клапан 34 (фиг. 2).

Возможен другой вариант выполнения, когда основной и дополнительный 15 поршни (фиг. 4) жестко связаны между собой посредством штока 16. В этом штоке 16, а также в поршнях 2 и 15 выполнены каналы 35, 36 и 37 соответственно, сообщающиеся между собой и образующие перепускной коллектор 9. При этом клапан 11 на выходе из первой камеры 6 всасывания установлен в канале 37, выполненном в теле основного поршня 2. Клапан 21 на выходе из второй камеры 17 всасывания установлен в канале 35, выполненном в теле дополнительного поршня 15. А клапан 23, установленный на входе в камеру 8 сгорания, размещен в канале 36 в теле основного поршня 2.

Возможен вариант, когда клапаны 4 (фиг. 5), 18, 11 и 21, установленные на входе и выходе первой и второй камер 6 и 17 всасывания, выполнены в виде съемного блока 38.

Блок 38 состоит из нескольких частей 39 и 40, которые для удобства обслуживания могут вставляться в соответствующие отверстия 41 и 42 в перегородке 20. Части 39 и 40 крепятся к перегородке 20 посредством болтового соединения 43 либо посредством фиксатора (на фиг. 5 не показан).

При подаче в камеру 8 сгорания топливной смеси через клапан 23 двухтактный двигатель содержит свечу 14 зажигания установленную в головке 13.

Возможен вариант, когда топливо подается в камеру 8 (фиг. 6) через специальную форсунку 44. установленную в головке 13. При этом свеча 14 зажигания может отсутствовать. В этом случае через клапан 23 в камеру 8 подается сжатый воздух.

Возможен вариант, когда впускной коллектор 5 разделен перегородкой 47 и содержит два канала 46 и 45. Канал 45 сообщен с первой камерой 6 всасывания через клапан 4, а канал 46 сообщен со второй камерой 17 всасывания через клапан 18.

Воздух может подаваться по одному из каналов или по обоим каналам 46 и 45. В случае, когда воздух подается по одному из каналов, например, 46, по другому каналу 45 может подаваться топливная смесь.

Форсунка 44 может быть установлена в перепускном коллекторе 9 (фиг. 7).

Возможен вариант, когда перепускной коллектор 9 (фиг. 8) содержит два канала 48 и 49. Канал 48 сообщен с первой камерой 6 всасывания посредством клапана 11 и с камерой 8 сгорания посредством клапана 23. Канал 49 сообщен со второй камерой 17 посредством клапана 21 и с камерой 8 сгорания посредством дополнительного клапана 50, установленного на входе в камеру 8 сгорания.

На фиг. 1 показан также кривошипно-шатунный механизм 51, размещенный в картере 52 двигателя, в котором находится масло 53 для смазки и масляный насос (на фиг. 7 не показан). Система смазки на чертежах не показана.

Возможен вариант, когда отверстия 3 (фиг. 9), 19, 22, 10 выполнены в средней части боковой поверхности цилиндра 1.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

Начало такта сжатия.

После нижней мертвой точки поршень 2 (фиг. 1) идет вверх. Выпускное окно 12 перекрывается, и поршень 2 сжимает топливную смесь, находящуюся в камере 8 сгорания цилиндра 1. Одновременно сжимается топливная смесь во второй камере 17 всасывания. При этом клапан открывается, и в первую камеру 6 всасывание поступает топливная смесь из впускного коллектора 5.

Конец такта сжатия.

Поршень 2 продолжает двигаться вверх. Одновременно топливная смесь, сжатая во второй камере 17 дополнительным поршнем 15, через клапаны 21 и 23 поступает в камеру 8 сгорания. В конце такта сжатия топливная смесь поджигается запальной искрой от свечи 14 зажигания.

Рабочий ход.

После запальной искры поршень 2 проходит верхнюю мертвую точку и начинает движение вниз. При этом топливная смесь, находящаяся в камере 6, сжимается, т.к. впускной клапан 4 закрыт, а выпускной клапан 11 и клапан 23 заперт высоким давлением в камере 8 сгорания. Одновременно при движении поршня 15 вниз в камеру 17 через клапан 18 засасывается топливная смесь из впускного коллектора 5, т.к. клапан 21 закрыт.

Продувка.

Поршень 2 движется вниз. Не доходя до нижней мертвой точки, поршень 2 открывает выпускное отверстие 12 в стенке цилиндра 1. Сгоревшие газы выходят из отверстия 12, и давление в камере 8 сгорания резко падает. Клапаны 11 и 23 открываются. Топливная смесь поступает из камеры 6 через коллектор 9 в камеру 8 и продувает ее, вытесняя отработавшую топливную смесь.

Когда поршень 2 и жестко связанный с ним поршень 15 находится в нижней мертвой точке, камера 8 сгорания продута, камера 6 сжата и пуста, а камера 17 заполнена топливной смесью.

Поршни 2 и 15 идут вверх, и начинается новый такт сжатия.

Поршень 2 при движении вверх перекрывает отверстие 12, и вся топливная смесь, поступившая из камеры, 6 остается в камере 8. К этой топливной смеси добавляется топливная смесь из камеры 17.

Т. е. количество топливной смеси в камере 8 сгорания увеличивается в два раза, что позволяет в 1,5-2 раза увеличить литровую мощность двигателя.

Работа в двухтактном режиме позволяет увеличить мощность и крутящий момент еще в 1,5-2 раза.

В случае, когда по коллектору 5 поступает воздух, происходит сжатие воздуха. При этом в камеру 8 двигателя подается дизельное топливо через форсунку 43 (фиг. 6).

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания может быть установлен на автомобилях, летательных аппаратах, а также на сельскохозяйственных машинах - плугах, минитракторах, бензопилах, судах, тепловозах.

Этот двигатель прост в обслуживании, экологически более чист, при малых размерах имеет большую мощность по сравнению с известными.