ДВУХТАКТНЫЙ ДВС СО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ЦИЛИНДРОМ (ВАРИАНТЫ)
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SLAVE CYLINDER (VERSIONS)

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкциям двухтактных ДВС.
Известен и широко применяется двухтактный ДВС с кривошипно-камерной продувкой, достоинства и недостатки которого также широко известны. (А.М. Гуревич. Тракторы и автомобили. М.: Колос, 1983, с. 25…26).
Известен двигатель Ольшевского, содержащий кривошипно-шатунный механизм, цилиндропоршневую группу, системы питания, смазки охлаждения, газораспределения, корпус, свободную подвижную перегородку, приводимую в действие энергией сжатого газа, впускные и выпускные окна в нижней части цилиндра, а также впускные и выпускные клапаны в верхней части цилиндра. Система газораспределения снабжена золотником с толкателями, открывающим впускные и выпускные окна в нижней части цилиндра, при этом толкатели управляют впускными и выпускными клапанами посредством распределительного вала с кулачками (патент RU 2120555).
Данное техническое решение достаточно сложно в изготовлении и эксплуатации, не обеспечивает возможности изменения степени сжатия на ходу двигателя.
Известен кривошипно-шатунный механизм (варианты), содержащий коленчатый вал, шатун и поршень с элементом, изменяющим величину хода поршня. (патент RU 2222703).
Недостатками данного технического решения являются усложнение конструкции и увеличение массы возвратно-поступательно движущихся частей, что дополнительно требует увеличение прочности, что также ведет к увеличению массы, а это увеличивает нагрузки на детали и неравномерность работы двигателя. Кроме того, все усложнение направлено лишь на улучшение очистки камеры сгорания от отработавших газов и также не обеспечивает возможности изменения степени сжатия на ходу двигателя.
Целью изобретения является разделение системы смазки на отдельную систему смазывания цилиндропоршневой группы и остальных механизмов двигателя, что повысит их ресурс при снижении расхода смазочного масла, а также обеспечение возможности плавного на ходу двигателя изменения его степени сжатия, что позволить запускать двигатель и работать на легких топливах с переходом на ходу в режим дизельного двигателя, а также оптимизировать режим продувки цилиндра в зависимости от частоты его вращения и степени сжатия.
Поставленная цель осуществлена тем, что двухтактный ДВС со вспомогательным цилиндром содержит корпус, в котором установлены цилиндропоршневая группа, кривошипно-шатунный механизм, системы питания, зажигания, смазки, охлаждения и газораспределения с впускными и выпускными клапанами и окнами на рабочем цилиндре. По первому варианту соосно рабочему цилиндру установлен вспомогательный цилиндр, диаметр которого больше диаметра рабочего цилиндра, и на общем штоке для обоих цилиндров жестко закреплены поршни. Со стороны днища поршня торец рабочего цилиндра закрыт герметично головкой и образовавшийся над днищем поршня объем при максимальном приближении поршня к головке является камерой сгорания. На обоих торцах вспомогательного цилиндра также герметично установлены головки с уплотненными отверстиями по центру для движении штока, в результате чего объем между поршнем и головкой со стороны рабочего цилиндра образует камеру всасывания а с противоположной стороны - камеру предварительного сжатия. Свободный конец штока поршней шарнирно соединен с шатуном кривошипно-шатунного механизма и в зоне этого шарнира на нем закреплен подвижный (скользящий) упор, взаимодействующий с корпусом. Камера сгорания соединена с камерой предварительного сжатия воздуховодом, где по ходу газов установлен обратный клапан, а камера предварительного сжатия, в свою очередь, соединена воздуховодом с камерой всасывания, где также по ходу газов установлен обратный клапан, причем камера всасывания соединена также и с атмосферой через обратный клапан по ходу газов, что образует систему впуска, в которой установлена форсунка подачи смазочного масла от системы смазки двигателя с расходом, равным расходу масла на угар нового двигателя.
В нижней части рабочего цилиндра выполнено выпускное окно через которое внутренний объем этого цилиндра сообщается с атмосферой при положении поршня, близком к нижней мертвой точке, образуя систему выпуска газов, в которой установлено дросселирующее устройство в виде подвижного элемента, перемещение которого осуществлено от сигналов тахометра числа оборотов двигателя и датчика давления в камере предварительного сжатия вспомогательного цилиндра.
В двухтактном ДВС со вспомогательным цилиндром по второму варианту рабочий и вспомогательный цилиндры установлены в корпусе параллельно друг другу, а в кинематической цепи соединения штоков поршней рабочего и вспомогательного цилиндров дополнительно установлено коромысло, ось качания которого установлена на корпусе с возможностью перемещения между продольными осями этих цилиндров, причем направление в величину перемещения задает тахометр числа оборотов двигателя.
Изобретение пояснено схемами. На фиг. 1 изображена схема ДВС со вспомогательным цилиндром, где в корпусе ДВС 1 закреплен рабочий цилиндр 2 с поршнем 3 и штоком 4, вспомогательный цилиндр 5 с поршнем 6, головка 7 с уплотненным отверстием для перемещения штока 4 со стороны рабочего цилиндра 2 и головка 8 с уплотненным отверстием для перемещения общего по данному варианту штока поршней 3 и 6, на свободном конце которого закреплен шарнир для соединения с кривошипно-шатунным механизмом двигателя и скользящий по корпусу 1 упор 9.
Воздуховод 10 на пути потока газов, в котором в камеру сгорания 11, образованную безштоковым объемом рабочего цилиндра 2, из камеры предварительного сжатия 12, образованной объемом вспомогательного цилиндра, между головкой 8 и поршнем 6 установлен обратный клапан 13. Камера предварительного сжатия 12, в свою очередь, соединена воздуховодом 14 с установленным в нем на пути потока газов обратным клапаном 15 с объемом камеры всасывания 16, образованным во вспомогательном цилиндре 5 между поршнем 6 и головкой 7. Камера всасывания 16 соединена также в свою очередь с атмосферой воздуховодом 17, в котором установлен по ходу газов обратный клапан 18 и форсунка 19 системы смазки цилиндропоршневых групп рабочего 2 и вспомогательного 5 цилиндров.
Выпускное окно рабочего цилиндра 2 соединено воздуховодом 20 с атмосферой, где на пути потока отработанных газов установлен подвижный элемент 21 изменения сопротивления выпуску, перемещение которого осуществлено от сигналов тахометра числа оборотов двигателя и датчика давления в камере предварительного сжатия 12. На фиг. 2 изображена схема двигателя по второму варианту с параллельным расположением продольных осей рабочего 2 и вспомогательного 5 цилиндров, штоки поршней которых содержат поводок 22 штока рабочего цилиндра 2 и поводок 23 штока вспомогательного 5 цилиндра, которые взаимодействуют с коромыслом 24, ось 25 качания которого закреплена на корпусе 1 с возможностью перемещения между продольными осями рабочего 2 и вспомогательного 5 цилиндров.
Работает описываемый ДВС следующим образом. При движении поршней 3 и 6 в сторону нижней мертвой точки кривошипно-шатунного механизма (от головки камеры сгорания 11) в камере всасывания 16 создается разрежение, под действием атмосферного давления открывается обратный клапан 18 и воздух (либо топливовоздушная смесь при работе на легких видах топлива) заполняет объем камеры всасывания. Одновременно через форсунку 19 впрыскивается порция смазочного масла из расчета расхода масла на угар нового двигателя по отношению к часовому числу оборотов двигателя для смазывания цилиндропоршневых групп рабочего 2 и вспомогательного 5 цилиндров. При обратном ходе поршней в камере всасывания 16 давление начнет повышаться и при превышении величины атмосферного давления обратный клапан 18 закроется, а при превышении его выше величины давления в камере предварительного сжатия 12 откроется обратный клапан 15 и газы начнут перетекать по воздуховоду 14 из камеры всасывания 16 в камеру предварительного сжатия 12.
При последующем ходе поршней в сторону нижней мертвой точки кривошипно-шатунного механизма давление в камере предварительного сжатия начнет повышаться, под действием чего вначале закроется обратный клапан 15, а затем при превышении давления в камере предварительного сжатия 12 давления в камере сгорания 11 (где в это время заканчивается рабочий ход и начинается выпуск отработанных газов через выпускное окно по воздуховоду 20) откроется и обратный клапан 16 и газы начнут перетекать по воздуховоду 10 из камеры предварительного сжатия 12 в камеру сгорания 11.
Часть свежих газов, вытесняя отработанные, также начнет вместе с последними поступать в воздуховод 20. Количество потерянного свежего заряда будет тем больше, чем большее время будет открыто выпускное окно, то есть чем ниже число оборотов двигателя. Увеличивается величина «время-сечение». Для того чтобы снизить эту величину, подвижный элемент 21 по команде тахометра, перемещаясь в воздуховоде 20, уменьшает сечение, поддерживая произведение «время-сечение» на постоянной величине.
При работе двигателя по второму варианту давление в камере 12 предварительного сжатия при работе в режиме дизеля будет выше, чем при работе на легком топливе, в результате чего открытие обратного клапана 16 произойдет ранее, чем полностью закончиться рабочий ход в рабочем цилиндре 2 и большая, чем при работе на легком топливе, часть свежего заряда газов потеряется при выпуске отработанных газов. Чтобы сократить эти потери, подвижный элемент 21 также дросселирует отработанные газы в воздуховоде 20 по команде датчика давления камеры 12 предварительного сжатия.
Подвижный (скользящий) упор 9 воспринимает боковую нагрузку кривошипно-шатунного механизма на стенку цилиндра, разгружая в данной схеме уплотненные отверстия в головках 7 и 8, а также и сам шток 4. В двигателе по второму варианту, где оси рабочего 2 и вспомогательного 5 цилиндров расположены параллельно друг другу, штоки этих цилиндров кинематически соединены между собой посредством поводков 22 и 23 и коромысла 24, ось качания 25 которого установлена с возможностью перемещения между продольными осями цилиндров 2 и 5. При перемещении оси 25 в сторону рабочего 2 цилиндра плечо коромысла 24 со стороны этого цилиндра уменьшается, а со стороны вспомогательного цилиндра 5 увеличивается, в результате чего увеличивается и величина перемещения поршня 6 во вспомогательном цилиндре при постоянной величине перемещения поршня 3 рабочего цилиндра 2, обусловленной двумя радиусами кривошипа кривошипно-шатунного механизма. А при увеличении величины перемещения (хода) поршня 6 в цилиндре 5 изменится и отношение рабочего объема цилиндра, равного произведению площади поршня (величина постоянная) на ход поршня к объему камеры предварительного сжатия 12, да и сам полный объем цилиндра увеличиться, что приведет к увеличению степени сжатия в этом цилиндре.
При постоянной степени сжатия рабочего цилиндра 2, например равной 4, и степени сжатия в цилиндре 5, равной 1, общая степень сжатия в камере сгорания 11 составит 4, что позволит двигателю работать на керосине, при степени сжатия во вспомогательном цилиндре 5, равной 4, суммарная степень сжатия в камере сгорания 11 рабочего цилиндра 2 составит уже 16 и позволит работать двигателю в режиме дизеля. Возможность перемещения оси качания 25 коромысла 24 между продольными осями цилиндров 2 и 5 позволяет настроить двигатель на работу на любом топливе, а также существенно облегчить запуск двигателя, работающего по дизельному циклу, снизив степень сжатия, запустить его как карбюраторный с последующим выводом по степени сжатия в режим дизеля. Диаметр вспомогательного цилиндра целесообразнее выбирать больше диаметра рабочего цилиндра, что по обоим вариантам скомпенсирует утечки газа через клапан и уплотнения поршней, а по второму варианту еще и позволит снизить скорость поршня 6 вспомогательного цилиндра 5, что, в свою очередь, позволит снизить инерционные нагрузки на двигатель. Наличие вспомогательного цилиндра ненамного увеличит габариты описываемого двигателя по сравнению с двухцилиндровым четырехтактным двигателем такого же рабочего объема, поскольку в описываемом двигателе в рабочем цилиндре рабочий ход происходит за каждый оборот коленвала, а в четырехтактном за два оборота.
Изобретение позволяет также из-за большего рабочего объема вспомогательного цилиндра увеличить величину наполнения рабочего объема рабочего цилиндра свежим зарядом, то есть снять с той же величины рабочего объема рабочего цилиндра повышенную мощность как у турбированного двигателя. Поршни в рабочем и вспомогательном цилиндрах движутся разнонаправлено - это также снижает неуравновешенность возвратно-поступательно движущихся масс, а при малой степени сжатия во вспомогательном цилиндре при работе в режиме карбюраторного двигателя на легких топливах соответственно на повышенных (против работы двигателя в режиме дизеля) оборотах ход поршня вспомогательного двигателя, а следовательно, и скорость поршня снижаются, что также снижает неуравновешенность двигателя. При увеличении степени сжатия до режимов дизеля хотя ход поршня вспомогательного цилиндра и увеличивается, увеличивая скорость поршня, но одновременно с этим снижаются обороты, уменьшая эту скорость. Так же следует учитывать, что нагрузки на шток и поршень вспомогательного цилиндра ниже, чем у рабочего, следовательно, ниже и требуемая прочность и, как следствие, масса деталей, что также снижает инерционные нагрузки. Кроме того, наличие отдельной системы смазки цилиндропоршневых групп рабочего и вспомогательного цилиндров посредством установки во впускном тракте форсунки подачи масла от основной системы смазки двигателя с расходом, равным расходу нового двигателя, не увеличивает расход смазочного масла на угар при износе цилиндропоршневых групп, а сама система смазки всех деталей двигателя (за исключением цилиндропоршневых групп) выполнена по классической комбинированной схеме.