двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с установленным в нем поршнем, впускные окна в нижней части цилиндра, выпускное окно в верхней части цилиндра, отличающийся тем, что поршень выполнен ступенчатым, при этом часть поршня большего диаметра соединена с кривошипом и перекрывает площадь проходного сечения впускных окон, а часть поршня меньшего диаметра выполнена в виде золотника, перекрывающего площадь проходного сечения выпускного окна, в верхней части золотника выполнены окна в виде выступов, а выпускное окно в верхней части цилиндра выполнено в виде гильзы, установленной соосно золотнику и являющейся его направляющей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и представляет собой новое решение организации прямоточной продувки. Двигатели с предлагаемой схемой организации прямоточной продувки могут использоваться на транспортных средствах и в стационарных установках.

Известен способ организации газообмена в цилиндре двухтактного ДВС с петлевой (контурной) продувкой, в котором воздух поступает в цилиндр через окна, расположенные в нижней его части, и выходит после рабочего хода поршня в окна, также расположенные в нижней части цилиндра (см. книгу "Автомобильные двигатели" под ред. М. С. Ховака, М. Машиностроение, 1977, стр. 65, рис. 25а). В этом простейшем и широко распространенном способе органом, осуществляющим газообмен, является поршень, и в силу этого обстоятельства фазы выпуска и впуска симметричны относительно нижней мертвой точки (НМТ) поршня.

Недостатком известного способа является встречное движение отработавших газов и свежего воздуха (или топливовоздушной смеси в случае ДВС с внешним смесеобразованием), которое при симметричности фаз выпуска и впуска обуславливает на рабочие потери части воздуха или части топливовоздушной смеси непосредственно из впускных окон в выпускные от момента открытия впускных окон до момента закрытия выпускных окон. Кроме того, при петлевой продувке образуются застойные зоны в объеме цилиндра, уменьшающие коэффициент его наполнения.

Наиболее близким к заявленному является ДВС с организацией газообмена путем разнесения по длине цилиндра окон впуска рабочей смеси и ее выпуска (прямоточная схема продувки), в которой впуск производится вблизи НМТ, а выпуск (через клапан) вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) (см. книгу Ю.А. Фомин и др. "Судовые двигатели внутреннего сгорания", Л. Судостроение, 1989, стр. 215, рис. 8.2а). При прямоточной продувке воздух за один полный цикл пересекает любое нормальное сечение цилиндра только в одном направлении. Такое движение воздуха (топливовоздушной смеси) обеспечивает меньший объем застойных зон и лучшую очистку и наполнение цилиндра по сравнению с петлевой продувкой.

Недостатком известного ДВС является его конструктивная сложность, отсюда и большая стоимость, а также и большие величины относительных размеров и массы (размеров и массы отнесенных к мощности ДВС).

Наиболее ярко указанные недостатки проявляются для малоразмерных двухтактных ДВС, к которым предъявляются повышенные требования по относительной массе, относительным размерам и стоимости (мопеды, легкие мотоциклы, подвесные лодочные двигатели и т.д.). Для них обычно применяется петлевая схема продувки цилиндров из-за ее конструктивной простоты и низкой стоимости. Можно констатировать, что в ДВС малого масштаба происходит размен высоких параметров газообмена на простоту и дешевизну изготовления, а также на простоту эксплуатации и ремонта двигателя.

Технической задачей является сохранение конструктивной простоты ДВС с петлевой продувкой при повышении степени очистки и наполнения цилиндра, а также более полного использования его рабочего объема.

Решение технической задачи достигается тем, что в двухтактном ДВС, содержащем цилиндр, поршень, впускные окна в нижней части цилиндра, выпускное окно в верхней части цилиндра, поршень выполнен ступенчатым, при этом часть поршня большего диаметра соединяется с кривошипом и перекрывает площадь проходного сечения впускных окон, а часть поршня меньшего диаметра выполнен в виде золотника, перекрывающим площадь проходного сечения выпускного окна, в верхней части золотника расположены окна в виде выступов, а выпускное окно в верхней части цилиндра выполнено в виде гильзы, установленной соосно золотнику и являющейся его направляющей.

На чертеже приведена схема двухтактного ДВС по данному изобретению. ДВС содержит ступенчатый поршень 1 с золотником 3, впускные окна 2, цилиндр 4, гильзу 5 и выпускное окно 7. Часть ступенчатого поршня 1 большего диаметра соединяется с кривошипом и перекрывает площадь проходного сечения впускных окон, а часть поршня 1 меньшего диаметра выполнена в виде золотника 3, перекрывающим площадь проходного сечения выпускного окна 7. Выпускное окно 7 выполнено в виде гильзы, установленной соосно золотнику 3 и являющейся его направляющей. Выступы 6 в верхней части золотника 3 образуют окна для прохода газов на выпуск.

При возвратно-поступательном движении поршня 1 относительно цилиндра 4 газообмен в цилиндре происходит следующим образом. При движении поршня 1 к НМТ (рабочий ход) золотник 3 открывает выпускное окно 7 и отработавшие газы через пазы между выступами 6 начинают выходить из цилиндра (процесс выпуска). Дальнейшее движение поршня 1 вниз сопровождается открытием впускных окон 2, через которые свежая рабочая смесь поступает в цилиндр 4 (процесс продувки). После прохождения НМТ и движении поршня 1 вверх верхняя кромка поршня большего диаметра закрывает впускные окна и процесс продувки заканчивается, но продолжается процесс выпуска. При дальнейшем движении поршня от НМТ к ВМТ золотник 3 закрывает выпускное окно 7 и процесс газообмена закончен.

Из чертежа видно, что единственным подвижным органом для осуществления газообмена является ступенчатый поршень, который обеспечивает симметричность фазы выпуска и впуска относительно НМТ как и в двигателях с петлевой продувкой, где органом газораспределения является только поршень. Однако продувка цилиндра прямоточная и по этой причине степень очистки и наполнения цилиндра на уровне ДВС с прямоточной продувкой.

Размещение впускных и выпускных окон по концам цилиндра дает тот же порядок величин фактора "время-площадь сечения", как и в рассмотренных схемах ДВС с прямоточной продувкой, однако в силу симметричности фаз выпуска и впуска угол поворота коленчатого вала, необходимый для осуществления газообмена, меньше, чем в прямоточных двигателях, где в силу именно несимметричности фаз выпуска и впуска этот угол больше. Следовательно, рабочий ход поршня в рассматриваемом ДВС больше, чем рабочий ход поршня ДВС с прямоточной продувкой и несимметричными фазами выпуска и впуска, т.е. в данном ДВС более полно используется рабочий объем цилиндра.

В тех конструкциях двухтактных ДВС, где нагнетателем является кривошипная камера и впуск в нее осуществляется золотником или клапаном, применение данного устройства позволяет сделать двигатель еще более компактным и легким, чем известные двигатели с петлевой продувкой, за счет уменьшения высоты цилиндра при заданном ходе поршня. Как известно, высота цилиндра двухтактного двигателя с петлевой продувкой равна сумме двух величин, одна из которых ход поршня, а другая его высота. Высота поршня больше хода поршня, поскольку юбка поршня перекрывает выпускные окна при его положении в ВМТ. В предлагаемом ДВС длина юбки поршня не связана с ходом поршня, т.к. выпускное окно открывается и закрывается золотником. Поэтому высота поршня может быть уменьшена, а значит, может быть уменьшена и высота цилиндра.

Таким образом, благодаря выполнению в ДВС поршня ступенчатым удается обеспечить схему прямоточной продувки со всеми ее преимуществами, но с сохранением простоты ДВС с петлевой продувкой. В малоразмерных ДВС обеспечивается получение более высоких удельных параметров, что в итоге приведет к их большей конкурентоспособности.