Экологичный двухтактный двигатель
ENVIRONMENTALLY FRIENDLY TWO-STROKE ENGINE

Изобретение относится к поршневым двухтактным двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в создании двигателя для мобильных (например, автомобили, тепловозы, корабли) и стационарных (например, электрические генераторы, насосы) устройств.
Известные двухтактные ДВС отличаются от четырехтактных повышенным расходом масла и выбросом вредных веществ, что связано с тяжелыми условиями смазывания цилиндра в поясе впускных и выпускных окон, где существуют благоприятные условия для сдувания масла с поверхностей колец поршня в момент прохождения их мимо продувочных окон. Кроме того, в двухтактных двигателях в горючее добавляют масло, которое при неполном сгорании загрязняет выхлопные газы вредными веществами. В четырехтактных двигателях смазка цилиндра осуществляется за счет разбрызгивания масла из картера на стенки рабочего цилиндра, а с помощью маслосъемного поршневого кольца обеспечивается равномерное распределение масла по поверхности цилиндра и удаление его излишка в картер. Расход масла в известных двухтактных двигателях в 10 раз превышает расход масла в известных четырехтактных двигателях (например, расход масла четырехтактного двигателя КАМАЗ-740.31-240 (EURO-2) в автобусной комплектации составляет 0,2% от расхода топлива, а в двухтактном двигателе YAMAHA 40XWS - 2%). По этой причине они применяются только в переносном инструменте, где решающим фактором является удельная мощность.
Все известные двухтактные двигатели, нашедшие практическое применение, имеют нагнетатель воздуха, при этом в прямоточной схеме газораспределения имеется два продувочных окна или одно продувочное окно и выпускной клапан на крышке цилиндра, в петлевой схеме газораспределения имеются впускные и выпускные продувочные окна (Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко и др. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1983, с. 50-77).
Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, в котором некоторого снижения расхода масла предлагается достичь с помощью маслосъемного поршневого кольца, не выходящего за пределы продувочных окон и отсоса собранного им масла в полость разряжения системы вентиляции картера. [Изобретение № SU 1346838, дата публикации 23.10.1987]. Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, у которого в положении поршня в нижней мертвой точке верхнее маслосъемное кольцо поршня расположено выше окон продувки, а в положении поршня в верхней мертвой точке нижнее маслосъемное кольцо расположено ниже окон продувки, при этом в поршне выполнены отверстия, соединяющие канавки верхнего и нижнего маслосъемных колец с подпоршневой полостью. [Патент на изобретение №2276738, дата публикации 20.05.2006]
Недостатком известных устройств является то, что при движении поршня компрессионные поршневые кольца пересекают продувочные окна и поэтому без добавления масла в горючее невозможно добиться удовлетворительной смазки цилиндра, удаление излишков масла с помощью маслосъемных колец и повторное его использование не может дать существенного эффекта, поэтому экологические характеристики и расход масла остаются на том же уровне, что и у широко применяемых двухтактных двигателей внутреннего сгорания.
Все имеющие практическое применение двухтактные двигатели внутреннего сгорания отличаются повышенным расходом масла и выбросом вредных веществ, но по сравнению с четырехтактными двигателями имеют большую удельную мощность.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является двухтактный двигатель Лену ара (см. http://delay-auto.ru/ystroistvo_avtomobilya/1739-dvustoronniy-dvigatel-dvoynogo-deystviya.html), содержащий на крышке цилиндра впускной и выпускной клапаны и по экологичности приближающийся к четырехтактному двигателю. Принцип работы двигателя заключался в следующем. При прохождении поршнем половины хода от верхней мертвой точки, в освободившийся за поршнем объем цилиндра подавалась горючая воздушно-газовая смесь. Она находилась в цилиндре под атмосферным давлением, воспламенялась при помощи электрической искры, и вторую половину хода поршень проходил под воздействием усилия давления расширяющихся газов, что и обеспечивало полезную работу двигателя. При движении от нижней мертвой точки открывался выпускной клапан и обеспечивался выход отработавших газов. Двигатель не нашел применения из-за чрезвычайно низкого коэффициента полезного действия (КПД) - единица выработанной мощности при использовании двигателя Ленуара обходилась в 7 раз дороже, чем при применении парового двигателя.
Таким образом, в зависимости от конструкции, все известные двухтактные двигатели либо отличаются повышенным расходом масла и низкой экологичностью, либо низким КПД и низкой удельной мощностью.
Технической задачей, на разрешение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение экологических характеристик аналогов, повышение КПД и удельной мощности прототипа.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении удельной мощности двигателя близкой к двухтактным, а экологичности и КПД к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания.
Поставленная задача решается тем, что в двухтактном двигателе, содержащем цилиндр, внутри которого расположен поршень, впускной и выпускной клапаны, установленные на крышке цилиндра, причем на впускном клапане установлена решетка, а нижний край решетки в открытом положении впускного клапана расположен выше нижнего края крышки цилиндра.
На поршне выполнены выступы, симметрично расположенные относительно оси поршня и соответствующие положению и размерам узлов клапанов.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими рисунками:
Фиг. 1 - вид двухтактного двигателя при расположении поршня в нижней мертвой точке (далее - НМТ).
Фиг. 2 - вид двухтактного двигателя при расположении поршня в верхней мертвой точке (далее - ВМТ).
Фиг. 3 - вид узла впускного клапана с решеткой.
Двухтактный двигатель (фиг. 1 и фиг. 2) содержит цилиндр 1, внутри которого расположен поршень 2 с маслосъемным кольцом 3 и компрессионными кольцами 4, впускной клапан 5 и выпускной клапан 6, форсунка 7, на поршне могут быть выступы 8, узел впускного клапана (фиг. 3) содержит втулку 9, а на самом клапане имеется решетка 10.
Принцип действия заявляемого изобретения заключается в следующем.
Первый такт работы двигателя показан на фиг. 1.
Под действием давления газов поршень 2 движется вниз от ВМТ к НМТ, совершая рабочий ход и производя при этом полезную работу. В это время клапаны 5 и 6 закрыты.
Второй такт работы двигателя показан на фиг. 2.
При подходе поршня 2 к НМТ, выпускной клапан 6 открывается, давление воздуха в цилиндре 1 падает почти до атмосферного и открывается впускной клапан 5, цилиндр 1 заполняется свежим воздухом, отработанные газы удаляются поднимаемым от поршня свежим воздухом через выпускной клапан 6. Выпускной клапан 6 закрывается и давление воздуха в цилиндре 1 повышается до давления на выходе нагнетателя воздуха, затем впускной клапан 5 закрывается. Поршень 2 за счет кинетической энергии маховика движется к ВМТ, происходит сжатие воздуха. В конце сжатия, в положении поршня 2 в районе ВМТ в цилиндр 1 с помощью форсунки 7 впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется и сгорает.
После этого цикл повторяется.
Установленная на впускном клапане решетка позволяет повысить эффективность газообмена, а выступы на поршне позволяют обеспечить требуемую степень сжатия.
В предлагаемом устройстве в качестве топлива могут использоваться бензин или газ, но тогда на крышке цилиндра должна быть дополнительно установлена свеча зажигания, либо форсунка для впрыскивания дизельного топлива для возгорания горючей смеси воздуха и бензина (газа).
Расположение нижнего края решетки впускного клапана в открытом положении выше нижнего края крышки цилиндра обеспечивает необходимую скорость и направление струи продувочного воздуха в сторону поршня, а не в сторону выпускного клапана, что позволяет вытеснить отработанные газы через выпускной клапан, тем самым исключается необходимость добавления масла в топливо, и, как следствие, снижается его расход и улучшаются экологические характеристики двигателя. Количество впускных и выпускных клапанов может быть более двух, а решетка закреплена неподвижно во втулке 9.
Использование заявляемого изобретения позволяет снизить расход масла до 10 раз в сравнении с известными двухтактными двигателями, что обеспечивает решение проблемы по улучшению экологических характеристик двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, предлагаемый двухтактный двигатель в отличие от аналогов сохраняет преимущества двухтактного и четырехтактного двигателей (соответственно - высокую удельную мощность и экологичность).
Симметричное расположение выступов на поршне не дает перекоса поршня, который мог бы приводить к неравномерному износу поршневых колец и увеличению газодинамических потерь.