Устройство смесеобразования двухтактного двигателя
TWO-STROKE ENGINE MIXING DEVICE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, а именно, к топливным системам двухтактных двигателей внутреннего сгорания.
Известно устройство смесеобразования двухтактного двигателя (В.М. Кондратов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов, P.P. Силлат, В.И. Абрамов, А.А. Строкин «Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1990 г, Стр.49, Рис. 2.19), в котором используются две раздельные фазы: одна - воздух для выпуска и вытеснения отработавших газов, другая - топливно-воздушная смесь для заполнения рабочего объема цилиндра. Топливно-воздушная смесь подается в продувочный канал из впускного канала, где после карбюратора установлен пластинчатый впускной клапан. Чистый воздух подводится непосредственно в полость картера через отдельный (второй) пластинчатый впускной клапан и вытесняется в рабочий объем цилиндра через боковые продувочные каналы (~80%). По каналу с топливом ~20%.
Недостатком этого варианта устройства является необходимость в установке двух клапанов, что снижает надежность системы в два раза, т.к. по опыту эксплуатации пластинчатые клапаны являются наиболее слабым звеном конструкции двухтактных двигателей. Кроме того, такая схема приводит к дополнительному повышению температуры огневой части поршня из-за отсутствия охлаждающего эффекта топливно-воздушной смеси в картерном объеме.
Известно устройство смесеобразования двухтактного двигателя (В.М. Кондратов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов, P.P. Силлат, В.И. Абрамов, А.А. Строкин «Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1990 г, Стр.50, Рис. 2.20), в котором также используются две раздельные фазы: одна - воздух, другая - топливно-воздушная смесь. С этой целью двухтактный двигатель выполнен по схеме с противоположно движущимися поршнями, лежащими на одной оси и имеющими различный рабочий объем. Цилиндр меньшего объема (вспомогательный) имеет продувочные окна только для топливно-воздушной смеси. В цилиндре большего объема (основном) размещены продувочные окна для чистого воздуха и выхлопное окно. В процессе продувки воздух, поступающий в основной цилиндр двигателя, вытесняет отработавшие газы, которые выходят в выхлопное окно, в то время как свежая смесь подается через окна вспомогательного цилиндра. Затем, после закрытия выпускного окна следует такт сжатия и в результате турбулентного перемешивания струй смеси и воздуха происходит разбавление рабочей смеси до стехиометрического состава.
Недостатком этого варианта устройства является избыточная сложность и многодетальность двигателя с двумя механизмами преобразования движения и устройством синхронизации вращения валов. Кроме того, такой вариант дает пониженную литровую мощность по сравнению с этим же показателем для форсированных двухтактных двигателей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является первый вариант известного устройства (В.М. Кондрашов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов, P.P. Силлат, В.И. Абрамов, А.А. Строкин «Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания» Машиностроение, 1990 г, Стр.49, Рис. 2.19), в котором проявляется недостаточная надежность двигателя и отсутствует охлаждающий эффект топливно-воздушной смеси в картерном объеме.
Задачей изобретения является повышение надежности и качества процесса смесеобразования двухтактного двигателя без существенного усложнения конструкции и реализация возможности усиления охлаждающего эффекта топливно-воздушной смеси.
Задача изобретения решается тем, что воздух, участвующий в продувке и сгорании разделен на две порции - чистый воздух, заполняющий подпоршневой объем в каналах вне цилиндрового подпоршневого объема, и топливно-воздушная смесь, заполняющая цилиндровый подпоршневой объем. С этой целью применен инжекторный впрыск топлива через форсунку, установленную в подпоршневом цилиндровом объеме, струя топлива от которой направлена снизу на днище поршня.
Технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
Предложено устройство смесеобразования двухтактного двигателя, содержащее цилиндр с впускными и выпускными окнами, поршень, соединенный с валом двигателя посредством механизма преобразования движения, впускные каналы, для поступления воздуха в подпоршневое пространство и выхлопной патрубок для удаления отработавших газов из двигателя. С целью разделения продувочного потока на порцию чистого воздуха и порцию топливно-воздушной смеси, а также с целью улучшения параметров рабочего процесса двигателя, в цилиндровой части подпоршневого объема установлена топливная форсунка таким образом, чтобы струя топлива имела возможность попадать снизу на днище поршня при любом его положении в пределах рабочего хода, и имела способность снимать с него часть тепла для повышения гомогенизации смеси, при этом реализована возможность подготовки цикловой порции подачи топливно-воздушной смеси в пределах границ цилиндрового подрпоршневого объема.
На Фиг. 1 показана схема двигателя в бесшатунном исполнении и момент работы устройства смесеобразования при положении поршня в ВМТ.
На Фиг. 2 показана схема двигателя в бесшатунном исполнении и момент работы устройства смесеобразования при положении поршня в НМТ.
На Фиг. 3 показана схема двигателя в бесшатунном исполнении и момент работы устройства смесеобразования при положении поршня в такте сжатия на участке, когда продувочные окна цилиндра уже закрыты, а выхлопное окно еще открыто.
Устройство смесеобразования двухтактного двигателя включает (Фиг. 1, 2, 3): Цилиндр (1) с продувочными и выхлопным окнами и камерой сгорания со свечой, поршень (2), шток (3), который может быть выполнен в виде шатуна КШМ, корпус картера (4), продувочный канал (5), впускной патрубок (6), выхлопной патрубок (7), форсунку (8), установленную со стороны расположения выхлопного патрубка (7), струю топлива (9) и впускной пластинчатый клапан (10).
Устройство смесеобразования двухтактного двигателя работает следующим образом (Фиг. 1, 2, 3):
Работа устройства описана на примере бесшатунного двухтактного двигателя, в котором подпоршневые объемы отделены от картера герметичной стенкой. Устройство работоспособно и в обычном двухтактном двигателе с КШМ без разделяющей герметичной стенки, однако в бесшатунном варианте с разделяющей стенкой реализуются лучшие результаты.
За исходное принято состояние подхода поршня (2) к ВМТ, показанное на Фиг. 1. При этом форсунка (8) подает струю топлива (9), которая попадая на днище поршня (2) растекается по нему, отнимая часть тепла, и смешивается с воздухом, ускоренно испаряясь за счет принятого тепла и образуя смесь с высоким уровнем гомогенизации. В цилиндровом подпоршневом объеме этот процесс происходит непрерывно независимо от положения поршня на участках рабочего хода. На Фиг. 1 при подходе поршня к ВМТ практически весь цилиндровый подпоршневой объем оказывается заполненным подготовленной топливно-воздушной смесью. В то же время, в продувочные каналы (5), составляющие подпоршневой объем вне цилиндра (1), заканчивается поступление чистого воздуха через впусконой пластинчатый клапан (10) и впускной патрубок (6). Далее в такте расширения после ВМТ поршень (2) движется в сторону НМТ, сжимая в подпоршневых объемах разделенные порции воздуха и топливно-воздушной смеси и после открытия продувочных окон, когда давление в каналах (5) станет больше остаточного давления газов, покидающих цилиндр через выхлопное окно и патрубок (7), в рабочий объем цилиндра устремляется порция чистого воздуха и начинает вытеснять оставшиеся газы. За чистым воздухом следует топливно-воздушная смесь, которая заполняет рабочий объем цилиндра за воздушной завесой, оттесняя ее к выхлопному окну. Этот процесс наиболее интенсивно происходит до прихода поршня (2) в НМТ, как показано на Фиг. 2, и далее продолжается после НМТ до закрытия впускных окон. При этом во внутреннем объеме поршня (2) остается невытесняемая часть топливно-воздушной смеси, которая потом участвует в подготовке следующей порции подачи.
Сразу после закрытия впускных окон (Фиг. 3) в каналах (5) и в подпоршневых объемах в целом быстро нарастает разряжение, открываются впускные пластинчатые клапаны (10) и воздух через впускной патрубок (6) начинает поступать в каналы (5), вытесняя остатки топливно-воздушной смеси в цилиндровый подпоршневой объем, где он смешивается с отраженным от днища поршня (2) распыленным топливом и с топливом, оставшимся от предыдущей подачи. Процесс смешения продолжается непрерывно в течение двух тактов и граница между чистым воздухом и смесью в зависимости от режима и количества подаваемого форсункой (8) топлива изменяется смещаясь вверх или вниз по сечению гильзы цилиндра (1). И только после открытия продувочных окон граница раздела с большой скоростью начинает двигаться за порцией воздуха по каналам (5) и далее в рабочий объем цилиндра (1).
Объемы продувочных каналов (5) подбираются так, чтобы на максимальном режиме работы двигателя после вытеснения отработавших газов в момент закрытия выпускного окна в рабочем объеме цилиндра (1) оставалось немного чистого продувочного воздуха, что минимизирует вероятность потерь топлива. Максимальная экономичность рабочего процесса при прочих равных условиях будет зависеть от этого фактора и от качества очистки продувочных каналов (5) от остатков топливно-воздушной смеси предыдущей подачи в период всасывания чистого воздуха в цилиндровый подпоршневой объем. Для этого продувочные каналы (5) должны оптимально профилироваться.
Предложенное устройство позволило повысить надежность и качество процесса смесеобразования двухтактного двигателя без существенного усложнения конструкции, устранить потери топлива в выхлопную систему, повысить степень гомогенизации топливно-воздушной смеси и усилить ее охлаждающий эффект.
Кроме того, за счет жидкостного охлаждения днища поршня в наиболее нагретой зоне (на стороне выхлопного окна) уменьшена вероятность прогара поршня при нарушении теплового баланса двигателя, а более низкая температура огневой поверхности поршня благоприятно сказывается на эффективных параметрах рабочего процесса, в том числе на возможности работы при более высокой степени сжатия или на бензине с более низким октановым числом.