Система наддува для двухтактных двигателей внутреннего сгорания
SUPERCHARGING SYSTEM FOR TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС).
Известна система наддува для двухтактных двигателей с прямоточно-клапанной продувкой, содержащая турбонагнетатель, подпоршневые насосы и общий для всех цилиндров продувочный коллектор (см. патент РФ №1120522/24-б, МКП F02B, опубл. 1969.11.25).
Недостатками данной системы является сложность конструкции и наличие импульсов давления газов перед турбиной компрессора, приводящие к ухудшению коэффициента полезного действия (КПД) и мощности двигателя.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является система наддува для двухтактных двигателей, содержащая турбонагнетатель, каналы впуска и выпуска [см. Белов П.М., Бурячко В.Р., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория. - М.: Воениздат, 1971 г. - 512 с, - С. 396].
Недостатком данной системы является низкий коэффициент полезного действия и мощность двухтактных ДВС из-за наличия механических потерь на преодоление сопротивления турбонаддува в каналах впуска двигателя.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД и мощности двухтактных двигателей внутреннего сгорания за счет исключения механических потерь в каналах впуска двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе наддува, содержащей нагнетатель, согласно изобретению, отличающийся тем, что нагнетатель выполнен в виде цилиндра, содержащего поршень, два впускных и два выпускных отверстия, симметрично расположенных друг относительно друга и снабженных впускными и выпускными штуцерами, соответственно, причем впускные отверстия снабжены запорными клапанами, а штуцеры объединены между собой, дополнительно введены два блока преобразования энергии отработавших газов, каждый из которых содержит цилиндр с поршнем, впускные и выпускные отверстия, снабженные штуцерами и расположенные ассиметрично друг к другу.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе наддува, содержащей нагнетатель, согласно изобретению, отличающийся тем, что цилиндр нагнетателя установлен соосно с цилиндрами блоков преобразования энергии отработавших газов между ними, поршни которых соединены с поршнем нагнетателя штоком равноудаленно.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе наддува, содержащей нагнетатель, согласно изобретению, отличающийся тем, что ход поршней блоков преобразования энергии отработавших газов соответствует расстоянию между осями впускного и выпускного отверстий блока.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе наддува, содержащей нагнетатель, согласно изобретению, отличающийся тем, что блоки преобразования энергии отработавших газов установлены зеркально, а расстояние между осями впускного и выпускного отверстий блока соответствует расстоянию между осями выпускных отверстий нагнетателя.
Сущность изобретения заключается в том, что нагнетатель выполнен в виде цилиндра, содержащего поршень, два впускных и два выпускных отверстия, симметрично расположенных друг относительно друга и снабженных впускными и выпускными штуцерами, соответственно, причем впускные отверстия снабжены запорными клапанами, а штуцеры объединены между собой, дополнительно введены два блока преобразования энергии отработавших газов, каждый из которых содержит цилиндр с поршнем, впускные и выпускные отверстия, снабженные штуцерами и расположенные ассиметрично друг к другу, а цилиндр нагнетателя установлен соосно с цилиндрами блоков преобразования энергии отработавших газов между ними, поршни которых соединены с поршнем нагнетателя штоком равноудаленно, при этом ход поршней блоков преобразования энергии отработавших газов соответствует расстоянию между осями впускного и выпускного отверстий блока, и блоки преобразования энергии отработавших газов установлены зеркально, а расстояние между осями впускного и выпускного отверстий блока соответствует расстоянию между осями выпускных отверстий нагнетателя.
Известно (см., например, http://avtomoto-best.ru/princip-raboty-dvukhtaktnogo-dvigate.html. Дата обращения 15.02.2019 г), что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала двигателя за два хода поршня или два такта: первый такт -сжатие (впуск и сжатие рабочего тела), второй такт - рабочий ход (сгорание рабочего тела и выпуск отработавших газов). При работе двухцилиндрового двухтактного двигателя в одном цилиндре происходит рабочий ход, а в другом - такт сжатия, то есть цилиндры работают в противофазе.
В известной системе (прототипе [см., например, Белов П.М., Бурячко В.Р., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория. - М.: Воениздат, 1971 г. - 512 с, - С. 406]) в момент закрытия поршнем впускного канала цилиндра, в нем создается постоянное избыточное давление, препятствующее движению рабочего колеса турбонагнетателя, что приводит к механическим потерям и уменьшению коэффициента полезного действия и мощности ДВС.
Согласно изобретению, при работе системы наддува, которая подключается к паре цилиндров двигателя, работающих в противофазе, с помощью впускных и выпускных штуцеров, избыточное давление создается не постоянно, а дозированно, в момент открытия каналов впуска каждого из двух цилиндров. При этом, при такте рабочего хода первого цилиндра происходит выпуск отработавших газов через впускное и выпускное отверстия левого блока преобразования энергии отработавших газов, в котором они преобразуются в механическую энергию поршня нагнетателя и поршня правого блока преобразования энергии отработавших газов, заставляя их перемещаться влево. Затем, в цилиндре нагнетателя, слева от поршня, запорный клапан закрывает впускное отверстие, происходит сжатие рабочего тела и подача его под давлением выше атмосферного, дозированно, в первый цилиндр, в момент открытия его впускного канала. А справа от поршня создается зона разряжения, за счет которой правый запорный клапан открывается и рабочее тело поступает из канала впуска через впускной штуцер, впускное отверстие в цилиндр нагнетателя, и через выпускное отверстие - во впускной канал второго цилиндра двигателя, в котором происходит такт сжатия. В этот же момент, поршень в правом блоке преобразования энергии отработавших газов занимает крайнее левое (исходное) положение. Далее, при такте рабочего хода второго цилиндра, происходит выпуск отработавших газов через впускное и выпускное отверстия правого блока преобразования энергии отработавших газов, в котором они преобразуются в механическую энергию поршня нагнетателя и поршня левого блока преобразования энергии отработавших газов, заставляя их перемещаться вправо. И, при дальнейшей работе ДВС, все вышеописанные процессы для первого цилиндра повторяются для второго цилиндра двигателя. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
Структурная схема системы наддува для двухтактного двигателя внутреннего сгорания представлена на фигуре, где показаны: 1 - нагнетатель; 2 - блок преобразования энергии отработавших газов; 3 - цилиндр; 4 - поршень; 5 - впускное отверстие; 6 - выпускное отверстие; 7 - впускной штуцер; 8 - выпускной штуцер; 9 - запорный клапан; 10 - шток.
Нагнетатель 1 предназначен для впуска рабочего тела из канала впуска двигателя, его сжатия, и подачи под давлением выше атмосферного, дозированно, в момент открытия канала впуска, в каждый из двух цилиндров двигателя, работающих в противофазе. В качестве такого нагнетателя может быть использован, например, поршневой насос двустороннего действия (см., например, https://poznayka.org/s68352t1.html. Дата обращения 10.02.2019 г.)
Блок преобразования энергии отработавших газов 2 предназначен для преобразования кинетической энергии отработавших газов в механическую энергию движения поршня 4. В качестве такого блока может быть использован, например, поршневой насос одностороннего действия (см., например, https://studfiles.net/preview/4242393/page:7/. Дата обращения 10.02.2019 г.)
Назначение поршня 4, запорного клапана 9 и штока 10 ясны из их названий. Они могут быть выполнены в виде типовых технических устройств. Поршень 4 может быть выполнен, например, в виде дискового поршня (см., например, http://www.nektoinnasos.ru/articles/ porshnevoi_i_plungernii_nasos/porshnevoi_i_plungernii_nasos.php. Дата обращения 10.02.2019 г.) или тефлоновой мембраны (см., например, http://met-all.org/nasosy/membrarnnyj-diafragmennyj-nasos.html. Дата обращения 10.02.2019 г. ). Запорный клапан 9 может быть выполнен, например, в виде дискового обратного клапана (см., например, https://otoplenie.site/nasos/vidy-obratnyh-klapanov.html. Дата обращения 10.02.2019 г.). Шток 10 может быть выполнен, например, в виде плунжера или стержня, перемещающегося в уплотняющих сальниках (см., например, http://www.nektonnasos.ru/articles/porshnevoi_i_plungernii_nasos/porshnevoi_i_plungernii_nasos.php. Дата обращения 10.02.2019 г.).
Система работает следующим образом. Подключают систему к паре цилиндров двигателя, работающих в противофазе, с помощью впускных 7 и выпускных штуцеров 8
При такте рабочего хода первого цилиндра происходит выпуск отработавших газов через впускное 5 и выпускное 6 отверстия левого блока преобразования энергии отработавших газов 2, в котором они преобразуются в механическую энергию поршня 4 нагнетателя и поршня 4 правого блока преобразования энергии отработавших газов 2, заставляя их перемещаться влево. Затем, в цилиндре 3 нагнетателя, слева от поршня 4, запорный клапан 9 закрывает впускное отверстие 5, происходит сжатие рабочего тела и подача его под давлением выше атмосферного, дозированно, в первый цилиндр, в момент открытия его впускного канала. А справа от поршня 4 создается зона разряжения, за счет которой правый запорный клапан 9 открывается и рабочее тело поступает из канала впуска через впускной штуцер 7, впускное отверстие 5 в цилиндр 3 нагнетателя, и через выпускное отверстие 6 - во впускной канал второго цилиндра двигателя, в котором происходит такт сжатия. В этот же момент, поршень 4 в правом блоке преобразования энергии отработавших газов 2 занимает крайнее левое (исходное) положение. Далее, при такте рабочего хода второго цилиндра, происходит выпуск отработавших газов через впускное 5 и выпускное 6 отверстия правого блока преобразования энергии отработавших газов 2, в котором они преобразуются в механическую энергию поршня 4 нагнетателя и поршня 4 левого блока преобразования энергии отработавших газов 2, заставляя их перемещаться вправо. И, при дальнейшей работе ДВС, все вышеописанные процессы для первого цилиндра повторяются для второго цилиндра двигателя.
Таким образом, предлагаемая система наддува позволяет сжать рабочее тело и подать его под давлением выше атмосферного, дозированно, в момент открытия каналов впуска каждого из двух цилиндров, работающих в противофазе, и тем самым исключить механические потери в каналах впуска двигателя, и повысить КПД и мощность двухтактных ДВС.
Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые устройства.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить КПД и мощность двухтактных двигателей внутреннего сгорания на 10…15%, а так же обеспечить работу кривошипно-шатунного механизма (КШМ) таких двигателей в условиях смазки - с использованием масляной ванны в картере ДВС, что дополнительно приведет к повышению надежности КШМ и двигателей в целом, а также позволит осуществить работу двухтактных ДВС на различных видах топлива (в том числе и на газообразном). При этом достигается экономия топлива до 15%, и увеличение ресурса двигателя на 10…12%.