Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания
TWO-STROKE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к устройству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Уровень техники
В двигателестроении известны конструкции ДВС, в частности поршневых, в которых осуществляются процессы впуска воздушного заряда, сжатия, расширения (рабочий ход), выпуска отработавших газов. И только рабочий ход имеет отношение к преобразованию химической энергии топлива, в результате его окисления (сгорания), в полезную работу.
Известен принцип самоорганизации рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, описанный в информационном бюллетене «Идеи. Гипотезы. Решения» №1, 2000, стр. 31, как интеллектуальный продукт с регистрационным номером 70990000104, автор - Кореневский Г.В. [1]. Согласно указанного принципа, для преобразования вовзвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала может быть применен механизм с 2 (двумя) степенями свободы, за счет чего термомеханическая система, какой является ДВС, сама выбирает оптимальный вариант протекания процесса преобразования тепла в работу: «из-за избыточной степени свободы процесс получения механической энергии теперь не связан (почти) с процессом ее отвода внешнему потребителю. Значительное количество механической энергии (кинетической) циркулирует в звеньях механизма ДВС и может быть отдано потребителю в любой момент времени с к.п.д. близким к 100%» [1]. Данный принцип реализован в способе работы двухтактного поршневого ДВС с противоположно движущимися поршнями (ПДП)[2].
В указанном ДВС с ПДП для преобразования вовзвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала применен механизм с 2 (двумя) степенями свободы, что позволяет реализовать способ работы, при котором поршни перемещают при отсутствии жесткой кинематической связи с положением коленчатого вала и тем самым создают условия для возникновения автоколебаний поршней, которые не передают непосредственно на коленчатый вал, но генерируют дополнительные потоки кинетической энергии, циркулирующие в подвижных звеньях механизма преобразования движения поршней.
Зеркальная компоновка двигателя приводит в значительной степени к взаимному уравновешиванию сил инерции поршней и коромысел. Исключением является трехшарнирный шатун, для которого уравновешивание сил инерции требует специальных средств. В этой связи представляется актульным поиск технического решения по применению в указанном ДВС с ПДП бесшатунного механизма преобразования (БМП) поступательного движения звеньев двигателя во вращательное движение кривошипа. Этому поиску способствует установление того факта, что средняя точка отрезка, соединяющего две непересекающиеся дуги равных радиусов на множестве точек, движется строго по прямой (см. Фиг. 1).
В основе большинства технических решений в области БМП лежит использование теоремы Коперника [3]: «точка окружности, катящейся без скольжения по внутренней стороне окружности вдвое большего радиуса, движется по диаметру неподвижной окружности». В данном случае отрезок прямой (диаметр) представляет собой вырожденную гипоциклоиду с двумя заострениями. В качестве указанных окружностей используют начальные окружности шестерен внешнего и внутреннего зацепления. При этом малая шестерня (сателлит) свободно вращается на шейке кривошипа, называемого опорным, радиусом 1/4 от диаметра начальной окружности неподвижной шестерни внутреннего зацепления. В зависимости от назначения БМП (двигатель/компрессор) с опорного кривошипа осуществляется отбор/подвод мощности. Сателлит является носителем второго кривошипа, называемого поводковым, такого же радиуса, что и у опорного. Таким образом штоковая цапфа, через которую передается поступательное движение штока, находится на начальной окружности сателлита.
Наличие зубчатого зацепления в БМП существенно ограничивает величину передаваемой мощности, т.к. высокие контактные напряжения зубьев не способствуют долговечной работе механизма.
Известен бесшатунный механизм [4], в котором сателлит, жестко связанный с поводковым кривошипом, является двух- трехзубой шестерней, профиль которой может быть круговым или эллиптическим (см. Фиг. 2). Радиус кривизны таких зубьев оказывается в несколько раз большим, чем в случае зубьев обычного эвольвентного зацепления. Это приводит к снижению контактных напряжений и повышению надежности механизма.
Указанный в [2] двигатель в сочетании с БМП подобным [4] по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения может быть выбран в качестве прототипа.
Целью изобретения является повышение эффективности ДВС, в котором преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение кривошипа осуществляется за счет применения рычажного бесшатунного механизма с 2 (двумя) степенями свободы.
Раскрытие изобретения Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм с 2 (двумя) степенями свободы для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение опорного кривошипа (коленчатого вала) посредством шарнирно связанных через шток с каждым из поршней двух коромысел, качающихся на двухподвижных шарнирах, коромысла соединены траверсой, средняя точка которой шарнирно, через цапфу, связана с поводковым кривошипом бесшатунного механизма преобразования возвратно-поступательного движения цапфы во вращательное движение опорного кривошипа, имеющего устройство синхронизации поводкового и опорного кривошипов посредством шестерен внутреннего и внешнего зацепления.
Отличия заявляемого двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания от прототипа можно видеть из их анализа как механизмов с 2-мя степенями свободы.
У прототипа двухподвижные кинематические пары представлены вращательно-вращательными парами типа «шарнир-шарнир» с эксцентриситетом e, установленными в неподвижных центрах качания коромысел. Схема такого механизма представлена на Фиг. За.
Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:
5
4
w=3n-2p-p
п=10 - число подвижных звеньев;
5
р=14 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса
4
p=0 - число двухподвижных кинематических пар 4-го класса.
w=3*10-2*14=2
На Фиг. 3б показана замена трехшарнирного шатуна траверсой Т связанной с поводковым шарниром 2, который посредством «виртуального» звена V (сателлит) взаимодействует с неподвижной шестерней внутреннего зацепления W в виде кинематической пары 4-го класса (скольжение с перекатыванием по линии зацепления зубьев), что также обеспечивает 2-ю степень свободы и говорит об эквивалентности схем «а» и «б»:
n=11 - число подвижных звеньев;
5
p=15 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса;
Р4=1 - число двухподвижных кинематических пар 4-го класса.
W=3*11-2*15-1=2
Схема на Фиг. 3б может быть модифицирована добавлением второй цилиндро-поршневой группы, обладающей свойством центральной симметрии относительно оси вращения опорного кривошипа и заменой двухрычажных коромысел на трехрычажные. В этом случае центральный рычаг коромысел будет одновременно обслуживать оба цилиндра ДВС, но механизм по-прежнему будет обладать 2-мя степенями свободы.
При наличии еще одной, избыточной по сравнению с традиционными ДВС, степени свободы каждому фиксированному положению кривошипа/ вала отбора мощности уже не будет соответствовать строго определенное положение поршней; оно будет устанавливаться динамически, исходя из процессов протекающих в надпоршневом пространстве.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана траектория движения центра отрезка, скользящего по дугам равных радиусов.
На Фиг. 2 показан пример реализации БМП прототипа.
На Фиг. 3 показаны кинематические схемы ДВС прототипа (3а) и вариант ДВС с применением БМП (36).
На Фиг. 4 показан вариант исполнения сателлита в виде трехзубой шестерни с эллиптическим профилем и боковым смещением оси цапфы.
На Фиг. 5 показан в разрезе заявляемый ДВС в 2-х цилиндровом исполнении.
На Фиг. 6 показаны зависимости угла наклона траверсы от угла п.к.
На Фиг. 7 показана зависимость мощности тепловыделения и изменения амплитуды колебаний угла наклона траверсы от угла п.к.
На Фиг. 8 показана зависимость смещения поршней ДВС от угла п.к.
На Фиг. 9 показана зависимость удельной кинетической энергии звеньев ДВС от угла п.к.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 5. Осуществление изобретения предполагает использование противоположно движущихся поршней 7 и 8, связанных штоками 5 и 6 с парой одинаковых трехрычажных коромысел 3 и 4 соответственно, в двух одинаковых цилиндрах 16, размещенных центрально-симметрично относительно оси опорного кривошипа 1 с таким расчетом, чтобы при достижении поршнями одного цилиндра верхней объемной мертвой точки (ВОМТ), в другом поршни находились бы в положении нижней объемной мертвой точки (НОМТ). Преобразование качательных движений коромысел 3 и 4 во вращательное движение опорного кривошипа 1 происходит за счет использования траверсы 17, центр которой связан через цапфу с поводковым кривошипом 2, представленным трехзубой шестерней с эллиптическим профилем зубьев. Шестерня 2, свободно вращаясь на шейке опорного кривошипа 1, обкатывается по неподвижной шестерне (шесть зубьев) внутреннего зацепления 18 и обеспечивает синхронизацию движения поводкового 2 и опорного 1 кривошипов: крайняя внешняя точка поводкового кривошипа 2 движется по прямой, а центр траверсы 17 движется по эллиптическому контуру.
Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 в обоих цилиндрах во вращательное движение опорного кривошипа 1 (изображен условно) обеспечивается парой двухподвижных шарниров 9 и 10, типа «шарнир-шарнир», эксцентриситеты которых развернуты в разные стороны.
Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.
В положении механизма в районе нижней объемной мертвой точки (НОМТ) выпускные окна 11 открыты и закончился свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 13, продувочные окна 12 полностью открыты и через них из воздушного коллектора 14 воздух поступает в цилиндр 16 и вытесняет отработавшие газы. При вращении опорного кривошипа 1 (против часовой стрелки) первыми закрываются выпускные окна 11 и происходит наддув воздуха. Далее закрываются продувочные окна 12 и начинается процесс сжатия воздушного заряда. В варианте дизельного рабочего процесса с воспламенением от сжатия в районе ВОМТ топливо подается через форсунку 15 в камеру сгорания, образованную днищами поршней 7 и 8, и стенками цилиндра 16. В варианте рабочего процесса с внешним смесеообразованием и принудительным зажиганием форсунка (не показана) может быть расположена перед продувочными окнами 12. После прохождения поршнями 7 и 8 ВОМТ завершается процесс сгорания топлива и начинается процесс расширения газов с совершением полезной работы. Не доходя до геометрической НМТ поршня 7 открываются выпускные окна 11 и начинается свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 13. Далее, не доходя до геометрической НМТ поршня 8 открываются продувочные окна 12 и начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.
Аналогичные процессы происходят и во втором цилиндре, но со смещением 180 град. п. к. по отношению к первому цилиндру. При этом мощность, необходимая для осуществления процесса сжатия в одном цилиндре, передается от другого цилиндра непосредственно через коромысла 3 и 4, минуя БМП двигателя.
Главным следствием наличия 2-й степени свободы является то, что фиксированному положению опорного кривошипа 1 не соответствует какое-либо фиксированное положение поршней 7 и 8, как у любого другого традиционного поршневого ДВС. При этом возникают автоколебания поршней, которые порождают дополнительные потоки кинетической энергии в подвижных звеньях механизма.
Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.
e
В качестве аналога взят ДВС [5] спортивного самолета, 3-х цилиндровый дизельный двигатель с ПДП «Gemini-100» с S/D=2×72/69, мощностью N=75 кВт, при частоте вращения коленчатого вала n=4000 об/мин.
Исходные данные:
1. Мощность - 80 кВт (2 цилиндра)
2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин
3. Ход поршня - 2×100 мм
4. Диаметр цилиндра - 80 мм
5. Рабочий объем - 2,0 л
6. Радиус кривошипа - 25 мм
7. Ход траверсы - 100 мм
Параметры предлагаемого ДВС оцениваются по расчетной модели.
Перемещение цапфы траверсы строго по прямой означало бы симметрию относительно ВОМТ зависимостей перемещения выпускного и впускного поршней от угла поворота опорного кривошипа. Но в этом случае невозможно обеспечить требуемый сдвиг фаз процессов выпуска и продувки, который в известных ДВС с ПДП и двумя коленчатыми валами достигается за счет углового рассогласования последних порядка 10-12 град.
Для создания асимметрии относительно ВОМТ зависимостей перемещения выпускного и впускного поршней от угла поворота опорного кривошипа цапфа траверсы выполнена в виде эксцентрика, что позволяет сместить ось вращения траверсы относительно крайней точки поводкового кривошипа. За счет этого траектория движения оси вращения траверсы становится эллиптической (см. Фиг. 4), а продолжительность процессов сжатия и расширения становится различной.
min
min
max
Так как коромысла вращаются на двухподвижных шарнирах типа «шарнир-шарнир» с эксцентриситетом е, то мгновенные центры качания коромысел перемещаются по дугам радиуса е. Это ограничение порождает ситуацию, когда каждому положению опорного кривошипа и цапфы траверсы может соответствовать два ее крайних угловых положения, в зависимости от ориентации эксцентриситетов. Наибольшие отклонения траверсы от некоторого среднего положения наблюдаются дважды за оборот опорного кривошипа 1 в положении ВОМТ и в положении НОМТ. Само отклонение траверсы является периодической функцией угла п. к., но с частотой в 2 раза большей, чем частота вращения вала ДВС. Зависимости максимально и минимально возможного наклона траверсы от угла п. к. хорошо аппроксимируются косинусоидами (см. Фиг. 6). Минимальному размаху колебаний траверсы будет соответствовать зависимость A, кривая которой является огибающей двух граничных кривых: по точкам максимумов A и минимумов А. Таким образом колебания траверсы с минимальной амплитудой порядка 3 град, являются естественным проявлением кинематики механизма. Этой амплитуде колебаний звеньев механизма будут соответствовать минимальные значения колебательной составляющей кинетической энергии звеньев цилиндро-поршневой группы и коромысел.
амп
а/к
max
min
Но кинетическая энергия звеньев цилиндро-поршневой группы может быть локально увеличена за счет части работы, производимой в цилиндре ДВС. Предполагается, что избыточный подвод энергии при сгорании топлива является причиной возникновения автоколебаний поршней, причем интенсивность этих колебаний пропорциональна (с некоторым лагом) мощности тепловыделения, которая на Фиг. 7 представлена в произвольном масштабе кривой K*dQ/dt. Увеличение в 3 раза (в максимуме) амплитуды колебаний К траверсы по сравнению с минимальной (3 град.) приводит к зависимости А на Фиг. 6, которая находится в границах кривых А и A.
вып
впуск
а/к
вып
впуск
На Фиг. 8 показаны зависимости перемещения выпускного S и впускного S поршня с учетом колебаний траверсы по зависимости А. Как видно из Фиг. 8 на ходе расширения кривая S существенно опережает кривую S, что обеспечивает опережающее открытие выпускных окон перед открытием продувочных окон порядка 15 град. п. к.
a/к
Колебаниям траверсы по зависимости А соответствует увеличение колебательной составляющей кинетической энергии звеньев цилиндро-поршневой группы и коромысел. Это означает, что часть полезной работы, производимой в цилиндре ДВС, может не передаваться непосредственно на вал двигателя, а расходоваться на повышение кинетической энергии моторных масс. В следующей фазе колебательного процесса избыточная кинетическая энергия может быть передана маховику двигателя с эффективностью близкой к 100%.
2
2
2
В расчетной модели ДВС приняты массы поршня, штока и пальцев, приведенные к массе поршня в размере 2 кг. Момент инерции коромысла относительно центра качания принят в размере 0,05 кг*м. Кинетическая энергия колебательного движения коромысел приведена к массе поршня, что позволяет оперировать понятием удельной кинетической энергии, выраженной в [м/с], т.к. скорость поршня определятся численным дифференцированием зависимости его перемещения по времени.
p
мех
2
2
-3
3/
При принятой цилиндровой мощности 40 кВт цикловая подача топлива будет иметь порядок 0,035 г/цикл, что при теплотворной способности топлива Q=42,7 МДж/кг обеспечит тепловыделение 1,5 кДж/цикл. Пусть за 1/10 оборота (36 град, п.к.) выделится 80% тепла. Тогда мощность тепловыделения составит dQ/dt=1,5*0,8*4000*10/60=800 кВт. В интервале от 200 до 230 град. п.к. изменение удельной кинетической энергии происходит с -17 до 51 м/с (см. Фиг. 9), а само изменение кинетической энергии составит 2*68=136 Дж=0,136 кДж. Повороту кривошипа на 230-200=30 град. п.к. соответствует время 60/4000/360*30=1,25*10 с. Тогда мощность, запасенная в звеньях механизма, составит dN=0,136*10/1,25=109 кВт, что соизмеримо (1/8 часть) с мощностью тепловыделения.
2
2
2
2
В районе 230 град. п.к. изменение удельной кинетической энергии dEK порядка 50 м/с, что составляет 10% от общей (2-х цилиндров) удельной кинетической энергии звеньев Еко=500 м/с. Действительные наложенные колебания траверсы, а значит и остальных звеньев цилиндро-поршневой группы, могут быть существенно меньше, но принципиально важно, что процесс преобразования тепла в работу теперь жестко не связан с отдачей полезной работы маховику двигателя. Это означает, что термомеханическая система может сама «выбирать» траекторию движения (наклона) траверсы, что и является реализацией принципа самоорганизации рабочих процессов в ДВС.
Таким образом предлагаемый двигатель обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности, улучшении удельных массо-габаритных показателей. Двигатель может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.
Поскольку предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в области двигателестроения, а само изобретение допускает множество вариаций, модификаций и изменений в деталях, подразумевается, что весь материал, содержащийся в вышеприведенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничительном смысле.
Источники информации:
1. «Идеи. Гипотезы. Решения». Информационный бюллетень. - Москва, ВНТИЦ №1, 2000, стр. 31
2. Пат. RU 2729562, 2020
3. Циклоида. Берман Г.Н., М.: Наука, 1980, 112 с., стр. 61
4. Пат.RU 2256798, 2003
5. https://www.geminidiesel.aero