Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области двигателестроения. Предложена конструкция двигателя, содержащего цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, и два коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, с комплексом технических решений, обеспечивающих его работу по двухтактному циклу с кривошипно-камерной схемой газообмена. Результат, в основном достигается за счет применения поршня в виде головки с двухсторонней юбкой, нижняя часть которой при положении поршня в НМТ, размещена в зоне, занимаемой коленчатыми валами, а верхняя часть, при положении поршня в ВМТ, входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания, причем впускные и выпускные окна расположены на двух уровнях: впускные над днищем головки поршня, выпускные - над верхней кромкой юбки поршня. При этом повышается объемный КПД продувочного насоса, частично используется более прогрессивная прямоточная схема продувки, увеличивается "время-сечение" окон, исключается возможность прямого выброса горючей смеси из впускных окон в выпускные, уменьшаются газодинамические потери при продувке и выпуске, улучшается процесс сгорания топлива. Область применения: насосы гидроприводов, мотокомпрессоры, аварийные мотопомпы, привод ручных механизмов различного назначения, беспилотные летательные аппараты, мопеды, лодочные моторы и другие средства индивидуального транспорта. Эффективность: отпадает необходимость применения автономного нагнетателя, литровая мощность двигателя увеличивается на 35-38%, уменьшаются: удельные масса и габариты в 1,8-1,9 раза, удельный расход топлива на 5-10%, снижается уровень вибрации.

Полезная модель относится к области двигателестроения. Известны двигатели внутреннего сгорания, содержащие цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, и два параллельных коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра и связанных между собой шестернями, причем каждый из валов сочленен шатуном с одним их поршневых пальцев. [1, 2, 3]

Указанные двигатели обладают рядом преимуществ, главные из которых: хорошая возможность уравновешенности сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, отсутствие сил, вызывающих повышенное трение поршня о стенки цилиндра; отсутствие реактивного крутящего момента.

Двигатели, выполненные по данной схеме, могут быть как четырехтактными, так и двухтактными. [3]

Четырехтактные двигатели [1, 2], обладающие меньшим удельным расходом топлива, имеют на 5070% меньшую литровую мощность, более сложны в изготовлении, имеют большую удельную массу и габариты. Несмотря на возможность их снижения за счет использования более короткого поршня, выполненного в виде головки без тронка (юбки) [1], применение таких двигателей для привода мотоциклов, мопедов, лодочных моторов, средств малой механизации на приусадебных участках, в строительстве и в других отраслях маловероятно, т.к. расход топлива для них не является определяющим.

Двухтактный двигатель [3] - (прототип) состоит из двух рядом расположенных цилиндров с общей камерой сгорания, в которых перемещаются жестко соединенные между собой поршни, сопряженные шатунами с двумя параллельными коленчатыми валами, симметрично расположенными относительно осей цилиндров и связанными между собой шестернями, вращающимися в противоположенные стороны.

К недостаткам двигателей со сдвоенными цилиндрами относят: трудность охлаждения поршня, управляющего выпуском отработавших газов, отсутствие возможности создания камеры сгорания рациональной формы, необходимость повышения давления топливной смеси для продувки вследствие потерь в проходном сечении между цилиндрами, а также изменения направления ее движения. [4] Наличие дополнительной детали и ее крепежа для фиксации поршней между собой увеличивает массу поступательно движущихся частей и противовесов коленчатого вала, а также увеличивает объем кривошипной камеры, что приводит к снижению давления продувки, ухудшающего наполнение цилиндров топливной смесью и, как следствие, снижающего мощность двигателя. При отсутствии фиксации поршней между собой, например, у двигателя А. Иваницкого [5], возникает повышенное давление поршней на стенку цилиндров, что увеличивает их износ и снижает механический кпд двигателя. Кроме того, в связи с увеличенными объемами внутрикартерного пространства, для организации очистки и наполнения цилиндров (газообмена) они требуют наличия автономных нагнетателей [3, 5], что для указанных выше портативных двигателей неприемлемо.

Планируемый технический результат - повышение эффективности работы продувочного насоса двухтактного двигателя с кривошипно-камерной системой газообмена, выполненного по схеме один цилиндр - два коленчатых вала, исключающее необходимость применения автономных нагнетателей.

Для реализации двухтактного цикла работы двигателя с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащего цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, и два параллельных коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра и связанных между собой шестернями, причем каждый из валов сочленен шатуном с одним из поршневых пальцев, и улучшения его параметров предложены следующие конструктивные решения:

1) поршень выполнен в виде головки с двусторонней юбкой, высотой, на 1-2 мм, превышающей ход поршня, причем, нижняя часть юбки, при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ), в значительной мере (ограничение - габариты коренных подшипников), размещена в зоне, занимаемой коленчатыми валами, а верхняя часть юбки, при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), частично входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания и связанное с ней каналами; при этом впускные и выпускные окна расположены на двух уровнях: впускные - над днищем головки поршня, при его положении в НМТ, выпускные - над верхней кромкой юбки поршня. Таким образом, используется комбинированная (прямоточно-петлевая) система продувки: в нижней зоне рабочего объема цилиндра (от головки поршня до середины выпускных окон) продувка отработавших газов происходит по прямоточной, более прогрессивной схеме, в верхней части (от верхней стенки камеры сгорания до середины выпускных окон) - по петлевой. При этом увеличиваются «время-сечение» окон, исключаются явления «короткого замыкания» - прямого выброса продувочной (топливной) смести из впускных окон в выпускные, снижается уровень остаточных газов, весь периметр выпускных окон становится доступным для истечения отработавших газов и почти в два раза сокращается их путь; что способствует сохранению параметров газообмена при увеличении скоростного режима работы двигателя;

2) для повышения объемного кпд продувочного насоса, объем кривошипной камеры дополнительно уменьшен, за счет удаления из него шестерен, связывающих между собой коленчатые валы. Кинематическая связь между валами может быть осуществлена снаружи картера, в редукторе или, при условии равной загрузки валов, может отсутствовать;

3) гильза цилиндра снабжена профильным кольцом, обеспечивающим более плавный вход продувочной смеси со стороны нижней ее кромки. Кольцо фиксируется канавкой, выполненной в картере, и может быть разрезным или состоять из двух половин. По данным [9] наличие с указанной стороны округления радиусом 23 мм снижает потери давления потока продувочной смеси в коленах с изгибом 90° примерно на 2025%, что оказывает положительное влияние на наполнение цилиндра.

4) с целью создания вихревого движения рабочей смеси в камере сгорания, способствующего ускорению процесса сгорания, последняя соединена с кольцевым пространством тангенциальными каналами. Мероприятие полезно при увеличении скоростного режима двигателя и необходимо при применении в перспективе непосредственного впрыска топлива.

Для выявления эффективности применения двигателя с двумя коленчатыми валами и одним цилиндром был проведен сравнительный анализ параметров одноцилиндрового двигателя Б-21 «Марс» [6] и двигателя, выполненного на его базе по вышеуказанной схеме.

Анализ показал, что мощность такого двигателя возрастает как минимум в 2 раза, при этом его масса увеличивается на 11%, габариты всего на 5%, при значительном улучшении удельных показателей: литровая мощность увеличивается в 1,38 раза, удельная масса снижается в 1,79 раза, удельные габариты - в 1,9 раза.

Указанные параметры получены, в основном, за счет увеличения диаметра с 42 до 52 мм при снижении хода поршня с 36 до 34 мм, т.е. за счет преимуществ короткоходной конструкции, о которых имеются сведения в литературе [4, 7, 8], а ее применение обусловлено самой схемой.

На фиг.1 изображен поперечный разрез предлагаемого двигателя, состоящего из двух половинок картера 1, в котором размещены коленчатые валы 2, связанные шатунами 3 с поршнем 4.

Поршень имеет форму стакана (юбки) с головкой, размещенной в отличие от известных поршней, не в верхней части поршня, а в средней, разделяя таким образом юбку на верхнюю часть 5 и нижнюю 6. Головка состоит из днища и примыкающей к нему по периферии утолщенной части стенки с канавкой для компрессионного кольца. Термин головка сохранен, поскольку ее состав и выполняемые функции не изменились. Впускные (продувочные) окна 7 расположены над головкой поршня в гильзе цилиндра 8 и в юбке поршня. Выпускные окна 9 расположены в гильзе цилиндре над кромкой юбки поршня.

Нижняя часть юбки закрывает выпускные окна при положении поршня в ВМТ. Наружная кромка верхней части юбки 5 управляет фазой выпуска, фазой впуска управляет нижняя кромка впускных окон, совпадающая с наружной поверхностью днища.

В поршне установлены два поршневых пальца, сочлененные верхними головками шатунов при помощи игольчатых сепараторных подшипников. Нижние (большие) головки также на игольчатых подшипниках сочленены с пальцами кривошипа коленчатых валов.

Кольцевое пространство 10 соединено с камерой сгорания тангенциально расположенными каналами 11 (показано условно). Полукольца 12 обеспечивают улучшение условий поступления потока горючей смеси в цилиндр.

По результатам авторских проработок ожидается, что реализация предлагаемых конструктивных решений обеспечит работоспособность одноцилиндрового двухвального двигателя по двухтактному циклу с использованием кривошипно-камерной схемы газообмена, при этом удельные масса и габариты двигателя уменьшатся примерно в 1,81,9 раз, литровая мощность увеличится на 3538%, габариты в осевом направлении (расстояние от оси коленчатого вала до торца отверстия под свечу) уменьшается на 2025%, удельный расход топлива снизится на 5-10%.

Возможная область применения: насосы гидроприводов, мотокомпрессоры, аварийные мотопомпы, ручные механизмы различного назначения, беспилотные летательные аппараты, мотоциклы, мопеды, лодочные моторы и других средств индивидуального транспорта и т.д.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, два коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, каждый из них соединен шатуном с одним из поршневых пальцев, отличающийся тем, что поршень выполнен в виде головки с двухсторонней юбкой, нижняя часть юбки при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ) размещена в зоне, занимаемой коленчатыми валами, верхняя часть юбки, при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), частично входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания, причем впускные и выпускные окна расположены на двух уровнях: впускные окна расположены над головкой поршня при его положении в НМТ, а выпускные - над верхней кромкой юбки.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выполнен с кривошипно-камерной схемой газообмена.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в картере, ниже впускных окон предусмотрена кольцевая канавка для установки кольца с профильной образующей.

4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что камера сгорания соединена с кольцевым пространством тангенциальными каналами.