Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в производстве двухтактных двигателей внутреннего сгорания, преимущественно для транспортных средств.
Использование двигателей внутреннего сгорания (ДВС) приводит к загрязнению окружающей среды из-за токсичных выбросов в атмосферу продуктов неполного сгорания топлива. Особенно высокие требования предъявляются к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, применяющимся в транспортных средствах.
Известен ДВС, содержащий форкамеру с факельными каналами (RU 30397 U1 F02B 19/00, опубл. 27.06.2003 Бюл. №18). Недостаток этого технического решения - низкая эффективность форкамеры, вследствие того, что суммарная площадь факельных отверстий ее конического днища меньше площади поперечного сечения камеры воспламенения. Это приводит к загрязнению окружающей среды выхлопными газами.
Используют также ДВС с приставной форкамерой (SU 229881 F1, F02B 19/02, опубл. 08.09.1970 Бюл. №12). Данный ДВС имеет сложную конструкций, токсичен.
Известен ДВС, содержащий выносную форкамеру (RU 94021297 A1 F02B 19/16, опубл. 20.09.1996). Указанный двигатель имеет громоздкую конструкцию, загрязняет окружающую среду продуктами неполного сгорания топлива из-за низкой эффективности воспламенения основного заряда топлива.
Известен ДВС с наличием зоны первичного воспламенения, реализующий способ работы поршневого двигателя путем впрыскивания в цилиндр топлива из форсунки с одновременным наполнением его воздухом, сжатия смеси, двухступенчатого поджига, вначале источником воспламенения в зоне первичного воспламенения, затем факелом продуктов сгорания во всем объеме камеры сгорания (RU 2598120 С2, F02B 17/00, F02B 23/10, F02B 1/10, опубл. 20.09.2016 Бюл №26). Однако недостатком указанного двигателя является сложность конструкции, наличие в выхлопных газах большого количества несгоревших частиц топливной смеси, выбрасываемых в окружающую среду и приводящих к ее загрязнению. Недостаточным является и эффект распространения горения на топливовоздушную газовую смесь в камере сгорания. Кроме того, запуск двигателя при отрицательных температурах вызывает затруднения из-за охлаждения воспламеняющего факела от холодных металлических частей головки цилиндра.
Известен ДВС (RU 2044897 C1, F02B 19/00. опубл. 27.09.1995) с форкамерно-факельным зажиганием, в котором в такте впуска из распылителя в цилиндр через полость впрыскивания и полость зажигания (вместе образуют форкамеру) впрыскивается топливо. В процессе впуска и сжатия происходит его испарение и смешение с зарядом цилиндра. При этом в зоне вытеснителя под форкамерой создается зона обогащения. Смесь из упомянутой зоны направленным потоком поступает в форкамеру, вытесняя остаточные от предыдущего цикла газы, образуя легковоспламеняющуюся смесь в полости зажигания. В конце такта сжатия смесь в форкамере поджигается свечой зажигания.
В это время поршень подходит к вытеснителю и через щелевой объем факел из форкамеры воспламеняет смесь во всем объеме камеры сгорания. Однако в данном двигателе не в достаточной степени реализуется возможность получения более высокого термического КПД. Указанный ДВС является достаточно токсичным с высокой степенью загрязнения атмосферы выхлопными газами.
Указанный двигатель является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению и принят за прототип.
Перед изобретением была поставлена задача улучшения экологических показателей двухтактного двигателя внутреннего сгорания за счет лучшего сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания.
Техническим результатом изобретения является улучшение экологических показателей, повышение эффективности работы двигателя.
Технический результат достигается за счет того, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащим цилиндр с поршнем и камерой сгорания, форкамеру, форкамера содержит установленную в камере сгорания и выполненную в виде полусферы полость зажигания, продольная ось которой совпадает с продольной осью цилиндра и которая обращена выходом в сторону поршня (открыта в кольцевую щель), при этом примерное значение расстояния от боковых стенок полости зажигания форкамеры до поршня в его верхней мертвой точке в конце такта сжатия определяют из соотношения h=R/2π мм,
где h - расстояние от боковых стенок полости зажигания форкамеры до поршня в его верхней мертвой точке в конце такта сжатия;
R - радиус внутренней сферической поверхности полости зажигания;
π=3,14…
На чертеже условно показан двигатель внутреннего сгорания при положении, поршня в верхней мертвой точке, поперечный разрез.
ДВС содержит цилиндр 1 с поршнем 2 и камерой сгорания 3, форкамеру 4 с полостью зажигания 5.
Ширина кольцевой щели h равна расстоянию от торца полости зажигания 5 форкамеры 4 до поршня 2 в верхней мертвой точке в конце такта сжатия.
Соотношение h=R/2π мм получено расчетным путем для обеспечения наибольшего перехода потенциальной энергии топливовоздушной смеси, находящейся в полости зажигания 5, в кинетическую энергию факела воспламенения на выходе из кольцевой щели 6.
Из уровня техники известен насос для перекачивания жидкости различной вязкости (RU 2412374 C1, F04D 7/04, F04D 11/00, опубл. 20.02.2011 Бюл. №5).
2
2
Из данного источника следует, что максимальное давление на выходе насоса устанавливается при отношении площади входа в колесо к площади выхода из него (площади кольцевой щели), примерно равном числу π. Указанное в предлагаемом изобретении соответствует отношению площади входа Sвx. топливовоздушной смеси, равной πR, к площади выхода Sвых. из щелевого зазора 6, равной 2πRh. Sвx./Sвых.=nR/2πRh=π, откуда следует h=R/2π.
ДВС работает следующим образом.
Топливовоздушная смесь одновременно впрыскивается в камеру сгорания 3 цилиндра 1 и в полость зажигания 5 форкамеры 4 для ее предварительного воспламенения. После впрыскивания топливовоздушной смеси в камеру сгорания 3 цилиндра 1 и в полость зажигания 5 форкамеры 4 происходит ее сжатие и воспламенение.
После срабатывания находящейся в полости зажигания 5 свечи зажигания (не показана) форкамеры 4 воспламеняется топливовоздушная смесь с образованием факела воспламенения. Далее факел воспламенения из полости зажигания 5 через кольцевую щель 6 попадает в камеру сгорания 3 цилиндра 1. Происходит объемное воспламенение топливовоздушной смеси, находящейся в камере сгорания 3 ДВС. Потенциальная энергия давления переходит в кинетическую энергию, образуя ударную волну, резко активизирующую процессы окисления компонентов топливовоздушной смеси.
Воздействие ударной волны на топливовоздушную смесь в предлагаемой конструкций ДВС по своим параметрам отличается от воздействия повышенного давления, создаваемого поршнем 2 в такте сжатия. Ударная волна во много раз превышает силу сжатия. Проходя через газовую смесь в камере сгорания 3, она резко и многократно повышает ее давление, плотность и температуру, и это является главной особенностью указанного процесса.
Высокое давление в камере сгорания 3 под воздействием ударной волны и высвобождающаяся в результате расширения образующихся при горении топливовоздушной смеси газов энергия заставляют поршень 2 перемещаться от его верхней мертвой точки в конце такта сжатия к его нижней мертвой точке в соответствии с циклом работы ДВС.
В предлагаемом двухтактном ДВС при ширине кольцевой щели, равной расстоянию h от боковых стенок полости зажигания 5 форкамеры 4 до поршня 2 в его верхней мертвой точке в конце такта сжатия и определяемой по формуле h=R/2π мм, обеспечивается возникновение наибольшей по величине ударной волны, воздействующей на находящуюся в камере сгорания 3 топливовоздушную смесь.
Указанное приводит к созданию оптимальных условий для достижения заявляемого технического результата, а именно, улучшения экологических показателей, повышения эффективности работы двигателя.
Заявителем изготовлен и эксплуатируется опытный образец предлагаемого двухтактного ДВС.
3
Опытный образец предлагаемого ДВС характеризуется шириной кольцевой щели h равной 2,54 мм. Объем полости зажигания 3 форкамеры 4 составляет 4,5 см и выполнен в пределах (10…15) % от объема камеры сгорания 3. Форкамера 4 изготовлена из жаропрочной стали, что исключило калильное зажигание. Быстрый процесс окисления углеводородов вызвал необходимость уменьшения опережения зажигания с рекомендованных (3,5 мм…4.0) мм до (1.5…2.0) мм.
При эксплуатации двигателя наличие выхлопа практически не наблюдается, зато происходит интенсивное выделение воды.
Таким образом, за счет предварительного поджига и сгорания ограниченной части топливовоздушной смеси, находящейся в полости зажигания 5 форкамеры 4, выполненной и установленной в камере сгорания 3 в соответствии с предложенным техническим решением повышается эффективность использования ДВС и снижается его токсичность.