ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно, к двухтактным двигателям с коаксиально расположенными поршнями.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, в котором размещен кольцевой поршень, связанный кинематически с коленчатым валом с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре, при этом в кольцевом поршне выполнено сквозное отверстие, продольная геометрическая ось которого параллельна геометрической продольной оси цилиндра, а внутри сквозного отверстия кольцевого поршня размещен поршень с днищем, также связанный с коленчатым валом с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри кольцевого поршня, а шейка коленчатого вала, связанная с одним поршнем, смещена по углу поворота относительно шейки вала, связанной с другим поршнем (RU2623334 С1, опубл., 23.06.2017).
В известном двигателе смещение шеек вала обеспечивает увеличение времени, в течение которого скорость изменения объема камеры сгорания минимальна в районе верхней мертвой точки (ВМТ), что позволяет увеличить долю заряда, сгорающего при постоянном объеме и повысить за счет этого эффективность работы двигателя. Однако закон перемещения поршней в районе ВМТ в известном двигателе неблагоприятен из-за использования шатунов в кинематической их связи с коленчатым валом. Скорость движения поршней от ВМТ при такой связи значительно возрастает по сравнению со средней скоростью поршней.
Техническим результатом заявленного двигателя является повышение эффективности работы двигателя за счет снижения скорости движения одного из поршней при его перемещении в районе ВМТ.
Поставленная задача достигается тем, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, в котором размещен кольцевой поршень, связанный кинематически с первой кривошипной шейкой коленчатого вала с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре, при этом в кольцевом поршне выполнено сквозное отверстие, продольная геометрическая ось которого параллельна геометрической продольной оси цилиндра или совпадает с ней, а внутри сквозного отверстия кольцевого поршня размещен поршень с днищем, связанный со второй кривошипной шейкой коленчатого вала с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри кольцевого поршня, а шейка коленчатого вала, связанная с одним поршнем, смещена по углу поворота относительно шейки вала, связанной с другим поршнем, согласно изобретению, кинематическая связь кольцевого поршня с кривошипной шейкой выполнена при помощи установленного на первой кривошипной шейке кинематического звена, а также закрепленного в кольцевом поршне подшипника качения, при этом в кольцевом поршне закреплена одна обойма подшипника, а звено соединено с другой обоймой подшипника, причем геометрическая ось вращения подшипника, закрепленного в кольцевом поршне, расположена вдоль продольной геометрической оси цилиндра и смещена относительно нее, в цилиндре выполнены выпускные окна, расположенные с возможностью изменения их сечения кромкой кольцевого поршня, а внутри кольцевого поршня выполнены продувочные каналы с окнами, расположенными с возможностью изменения их сечения кромкой поршня, расположенного внутри кольцевого поршня.
Изобретение поясняется при помощи чертежа, на котором показан продольный разрез описываемого двигателя.
Двигатель содержит цилиндр 1, в котором размещен кольцевой поршень 2, связанный с первой кривошипной шейкой 3 коленчатого вала при помощи кинематического звена 4, установленного на шейке 3, а также подшипника качения 5. Звено 4 соединено с одной обоймой 6 (например, внутренней) подшипника 5, другая обойма 7 которого (наружная) закреплена в кольцевом поршне 2. Причем геометрическая ось 8 вращения подшипника 5 расположена вдоль продольной геометрической оси 9 цилиндра 1 (например, параллельно ей) и смещена относительно нее. В кольцевом поршне 2 выполнено сквозное отверстие, продольная геометрическая ось 10 которого параллельна геометрической продольной оси 9 цилиндра 1 или совпадает с ней. Внутри сквозного отверстия кольцевого поршня 2 размещен поршень 11 с днищем 12, связанный со второй кривошипной шейкой 13 коленчатого вала, например, при помощи шатуна 14 с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри кольцевого поршня 2. Шейка 3 коленчатого вала смещена по углу поворота относительно шейки 13 на величину, меньшую 40 градусов. В цилиндре 1 выполнены выпускные окна 15, расположенные с возможностью изменения их сечения кромкой кольцевого поршня 2, а внутри кольцевого поршня 2 выполнены продувочные каналы 16 с окнами 17, расположенными с возможностью изменения их сечения кромкой поршня 11, расположенного внутри кольцевого поршня 2.
Двигатель работает следующим образом.
В конце такта сжатия, когда поршни 2 и 11 приближаются к ВМТ, поршень 2 опережает поршень 11 из-за углового смещения шеек 3 и 13. В районе ВМТ поршней происходит воспламенение или самовоспламенение сжатого заряда. В то время как поршень 2 начинает отходить от ВМТ, поршень 11 еще только подходит к ВМТ. За счет этого увеличивается время, в течение которого объем камеры сгорания примерно постоянен или увеличивается с незначительной скоростью, что позволяет сжечь заряд до начала его расширения с большей полнотой. Так как звено 4 привода кольцевого поршня 2 не поворачивается вокруг шейки 3, то есть перемещается плоскопараллельно, то закон перемещения поршня 2 близок к синусоидальному. Значит, скорость перемещения поршня 2 от ВМТ значительно меньше по сравнению с поршнем, приводимым шатуном. Таким образом, минимальную скорость изменения объема камеры сгорания в ВМТ можно обеспечить при большей величине углового поворота вала, что повысить полноту сгорания заряда. Либо можно уменьшить угловое относительное смещение шеек 3 и 13, что также приведет к повышению эффективности работы двигателя за счет снижения потерь работы, совершаемой поршнем 11, приближающимся к ВМТ после начала процесса горения.
В конце расширения движущийся к нижней мертвой точке (НМТ) поршень 2 открывает своей кромкой выпускные окна 15, и начинается процесс свободного выпуска продуктов сгорания из цилиндра 1. Движущийся с большей скоростью (за счет большего хода) поршень 11 после окончания свободного выпуска открывает продувочные окна 17, и начинается продувка цилиндра 1 свежим зарядом, которая по форме является близкой к фонтанной. В то же время, из-за разнесенности продувочного и выпускного поясов по высоте цилиндра 1, она близка к форме прямоточной продувки. На показанном на примере выполнения двигателя продувка осуществляется из кривошипной камеры, расположенной под поршнями 2 и 11, по продувочным каналам 16, выполненным в кольцевом поршне 2.
В начале движения поршня 2 от НМТ, он своей кромкой перекрывает выпускные окна 15 при открытых еще продувочных окнах 17, обеспечивая таким образом несимметричность фаз газораспределения в двухтактном двигателе. После закрытия поршнем 11 продувочных окон 17 начинается процесс сжатия в цилиндре 1 при перемещении обоих поршней к ВМТ с последующим сгоранием заряда в районе ВМТ.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить эффективность работы двигателя за счет увеличения полноты сгорания заряда перед началом его расширения в цилиндре. При этом уменьшается температура продуктов сгорания перед началом выпуска, что повышает ресурс двигателя, а также снижает шум выпуска.