СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ ЦИЛИНДРА
METHOD OF OPERATION OF TWO-STROKE FORCED CYLINDER FILLING ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способам работы двухтактных двигателей.
Известен способ работы двухтактного двигателя путем освобождения полости цилиндра от продуктов сгорания через выпускные органы газораспределения, выпуска их в атмосферу через выпускной коллектор с образованием волны давления, направленной в сторону цилиндра, для создания сопротивления движению подаваемого в полость цилиндра свежего заряда и уменьшения за счет этого прямого выброса свежего заряда в атмосферу (см. В.М.Кондратов, Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. М.: «Машиностроение», 1990, с.140).
Недостатками известного способа являются малая эффективность возврата заряда в цилиндр и создание постоянного сопротивления движению свежего заряда при вытеснении им продуктов сгорания из полости цилиндра, что препятствует решению проблем наполнения двухтактного двигателя.
Известен способ работы двухтактного двигателя путем освобождения полости цилиндра от продуктов сгорания через выпускные органы газораспределения, выпуска их в атмосферу через выпускной коллектор с перекрытием проходного сечения выпускных каналов с целью предотвращения прямого выброса свежего заряда в атмосферу (см. заявку США 2003/0230258, опуб. 18.12.2003).
Эффективность данного способа выше, чем способа с волновым выпуском, однако увеличивается и сопротивление движению продуктов сгорания. Кроме того, появляются проблемы с термостойкостью золотникового органа, расположенного рядом с выпускными окнами, и уплотнением его привода.
Техническим результатом описываемого изобретения являются повышение литровой мощности двигателя за счет лучшего наполнения цилиндра с созданием благоприятных условий по термонапряженности двигателя, повышение КПД за счет утилизации энергии продуктов сгорания, при использовании простых в изготовлении деталей из дешевых и доступных материалов.
Поставленная задача достигается тем, что способ работы двухтактного двигателя с принудительным наполнением цилиндра заключается в том, что полость цилиндра освобождают от продуктов сгорания через выпускные органы газораспределения с направлением их в атмосферу через выпускной коллектор, свежим зарядом продувают и наполняют полость цилиндра через продувочные органы газораспределения, перепускают, не ограничивая, часть свежего заряда из полости цилиндра в выпускной коллектор вслед за продуктами сгорания с заполнением свежим зарядом части выпускного коллектора, затем возвращают часть продуктов сгорания обратно, в направлении к полости цилиндра путем перекрытия сечения выпускного коллектора золотниковым органом и отражения от него газового потока в направлении цилиндра, закрывают продувочные органы газораспределения, вытесняют отраженным газовым потоком свежий заряд, поступивший во время продувки и наполнения полости цилиндра в выпускной коллектор, в направлении цилиндра, и нагнетают свежий заряд из выпускного коллектора в полость цилиндра через открытые выпускные органы за счет энергии отраженного газового потока, перекрывают выпускные органы цилиндра и освобождают выпускной коллектор от продуктов сгорания.
Поставленная задача достигается также тем, что выпускной коллектор могут освобождать от продуктов сгорания после перекрытия выпускных органов цилиндра за счет использования энергии повторного отражения газового потока от закрытого выпускного органа газораспределения в атмосферу через предварительно открытый золотниковый орган.
Поставленная задача достигается также тем, что двигатель могут надувать.
Поставленная задача достигается также тем, что выпускные и продувочные органы газораспределения могут выполнять в виде отдельных поясов окон в стенке цилиндра, открываемых и закрываемых кромкой поршня, перемещающегося в цилиндре, при этом вокруг пояса выпускных окон образуют кольцевой канал, и сообщают его с выпускным коллектором.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 представлена схема двухтактного двигателя при положении его рабочих элементов в момент начала выпуска;
на фиг.2 - то же, в момент начала продувки;
на фиг.3 - то же, в момент наполнения части выпускного коллектора;
на фиг.4 - то же, в момент перекрытия золотникового органа;
на фиг.5 - то же, в момент нагнетания свежего заряда из выпускного коллектора обратно в полость цилиндра;
на фиг.6 - то же, после закрытия поршнем выпускных органов.
Заявленный способ реализуется при помощи двигателя, содержащего цилиндр 1, с рабочей полостью 2, поршень 3, расположенный в цилиндре 1 с возможностью перекрытия своей кромкой выпускных 4 и продувочных 5 окон. Полость 2 цилиндра 1 связана с атмосферой посредством выпускных окон 4 и выпускного коллектора 6. На выходе из коллектора 6 установлен золотниковый орган 7 с возможностью перекрытия поперечного сечения коллектора 6 и разобщения его с атмосферой. Золотниковый орган 7 синхронизирован с вращением коленчатого вала (не показан) двигателя и может быть установлен непосредственно на коленчатом валу. При реализации фонтанной продувки вокруг пояса выпускных окон 4 образуют кольцевой канал 8 и соединяют его с выпускным коллектором 6.
Описываемый способ работы реализуется следующим образом. В конце расширения в цилиндре продуктов сгорания 1 открываются кромкой поршня 3 выпускные окна 4. Происходит свободный выпуск продуктов сгорания через выпускной коллектор 6 в атмосферу, после чего открываются продувочные окна 5, и свежий заряд подается в полость 2 цилиндра, наполняя ее и вытесняя остатки продуктов сгорания. Расход газов во время свободного выпуска в двухтактном двигателе значительно превышает расход газов в четырехтактном двигателе за счет большей скорости роста сечения окон, поэтому во время выпуска возникает явление разрежения как в полости цилиндра, так и выпускном коллекторе. Из-за этого явления, называемого эффектом Каденаси, свежий заряд при наполнении цилиндра двухтактного двигателя, как правило, увлекается продуктами сгорания в выпускной коллектор. При этом чем больше скорость роста сечения выпуска, тем больше разрежение. С одной стороны, двигателю необходимо как можно быстрее освободить цилиндр от продуктов сгорания, а с другой - чем выше скорость очистки, тем больше прямые потери свежего заряда при продувке. В том числе и поэтому конструкция классического двухтактного двигателя является следствием выбора компромиссных конструкторских решений, в совокупности ухудшающих рабочий процесс двигателя. В описываемом двигателе не осуществляют мероприятий по увеличению сопротивления движению газов в сторону выпускных окон 4, а наоборот, создают условия для быстрого наполнения как полости 2 цилиндра, так и части объема выпускного коллектора 6 за выпускными окнами 4. Затем сечение выпускного коллектора 6 перекрывают золотниковым органом 7 на относительно короткое время после прохода через указанное сечение большей части продуктов сгорания. Газы ударяются о преграду и меняют направление своего движения, возвращаясь обратно к цилиндру 1, толкая перед собой свежий заряд, ушедший в выпускной коллектор 6 вслед за продуктами сгорания. К моменту нагнетания свежего заряда из выпускного коллектора 6 в полость 2, продувочные окна 5 уже закрыты перемещающимся в сторону ВМТ поршнем 3, поэтому нагнетаемый в цилиндр 1 заряд остается в его полости 2, и после закрытия поршнем выпускных окон 4 осуществляется сжатие свежего заряда с последующим сгоранием. Продукты сгорания, совершившие работу нагнетания заряда, ударившись о боковую стенку перекрывшего выпускные окна 4 поршня 3 или другого запирающего органа, покидают выпускной коллектор 6 через сечение, открытое к этому моменту золотниковым органом 7.
Описанным способом осуществляется не только предотвращение потерь свежего заряда путем его возврата в цилиндр, но и наддув полости цилиндра. Известно, что наддув возможен только в случае перекрытия выхода свежего заряда из цилиндра. В двухтактных двигателях такое явление возможно только при использовании несимметричных фаз газораспределения, например, с клапанными системами (имеющими низкий предел по степени форсирования). Проблемой же щелевых двухтактников, при всех их достоинствах, всегда была потеря заряда и невозможность в связи с этим их наддува.
Описываемый способ позволяет подать свежий заряд в избытке по отношению к объему полости цилиндра без боязни его потерять. Более того, использование энергии отработавших газов возвращает не только свежий заряд в цилиндр, но и возвращает в рабочий цикл часть энергии отработавших газов, значительно улучшая экономичность двигателя. Испытания опытных образцов на моторных стендах показали рекордную удельную экономичность, не достигнутую в настоящее время даже четырехтактными двигателями.
Следует при этом отметить, что подача нагнетателем свежего заряда в полость цилиндра осуществляется с минимальным сопротивлением и с минимальной степенью повышения давления, что снижает затраты на привод нагнетателя. Заполняется при этом не только полость цилиндра, но и прилегающая к нему полость выпускного коллектора, а работа на сжатие заряда при последующем его нагнетании в полость цилиндра отбирается от уже отработавших в цилиндре продуктов сгорания. Описываемые явления похожи на явления, происходящие в известном волновом обменнике давления.
Следует также отметить, что перекрытие выпускного коллектора 6 после прохода наиболее горячей части отработавших газов позволяет использовать доступные дешевые материалы для изготовления золотникового органа. На опытных образцах в качестве золотникового органа использовался лепесток, изготовленный из стали 65Г и установленный с зазором относительно стенок корпуса золотника, т.е. не требовал дополнительных затрат энергии на привод.
Для усиления эффекта при реализации описываемого способа работы следует использовать фонтанную продувку, при которой выпуск осуществляется сразу через весь пояс окон 4, расположенных по всему периметру окружности цилиндра 1. В этом случае происходит практически мгновенное освобождение полости 2 цилиндра с возникновением ощутимого эффекта Каденаси. Без использования средств возврата заряда в цилиндр двигатель с такой продувкой будет обладать очень низким значением литровой мощности и иметь повышенный удельный расход топлива. Но в данном способе именно такая организация продувки оптимальна, так как позволяет достичь максимальной скорости очистки полости цилиндра от продуктов сгорания сразу после открытия выпускных окон и получить максимальное сечение тех же окон при нагнетании заряда обратно в цилиндр из выпускного коллектора при уже закрытых продувочных окнах. Кроме того, такой тип продувки позволяет создать более благоприятные условия по термонапряженности двигателя в силу более равномерной по окружности цилиндра тепловой нагрузки.
Кроме того, использование подачи относительно холодного свежего заряда через выпускные окна позволяет охладить нагретые во время выпуска кромки поршня и выпускных окон, что снижает в целом термонапряженность двигателя и позволяет увеличить количество сжигаемого за цикл заряда. Считается, что двухтактный цикл является более напряженным из-за большей, по сравнению с четырехтактным, частоты рабочих тактов. Однако представляется, что большая термонапряженность двухтактного двигателя является следствием меньшего расхода свежего заряда через полость цилиндра (коэффициент наполнения цилиндра двухтактника с кривошипно-камерной продувкой равен, примерно, 0,5), а также следствием местного перегрева кромок выпускных окон и поршня из-за большей скорости горячих газов в момент начала выпуска. Представляется также, что наиболее неприятным для двигателя является не непосредственно нагрев кромок окон, а возникающее в результате этого коробление цилиндра из-за неравномерности такого нагрева по его окружности, что, в свою очередь, приводит к потере уплотнения рабочей полости. В связи с этим следует отметить такое явление, как скин-эффект: чем быстрее отбирается с поверхности тела подведенное к нему тепло, тем большее количество этого тепла может быть отобрано. В двухтактных двигателях начало контакта нагретых деталей с холодным свежим зарядом происходит в два раза меньшим запаздыванием, чем в четырехтактных, а возможность, кроме того, охлаждения нагретых кромок выпускных окон и поршня по заявленному способу позволит получить предельные значения литровой мощности именно в двухтактном двигателе. Увеличение же количества перепускаемого через выпускные окна свежего заряда при наддуве двигателя позволяет компенсировать рост термонапряженности, возникающей неизбежно при увеличении количества сжигаемого в цилиндре заряда за цикл. Необходимо при этом отметить, что предельная величина литровой мощности в описываемом двигателе определяется лишь предельными механическими возможностями кривошипно-шатунного механизма преобразования движения поршня.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет решить в комплексе проблемы экономичности рабочего процесса двухтактных двигателей, повысить КПД двигателей и их литровую мощность. Кроме того, использование описанного способа расширяет возможности по использованию различных видов наддува двухтактных двигателей для достижения гораздо более высоких значений литровой мощности по сравнению с четырехтактными двигателями.