Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с рабочими элементами, перемещающимися в противоположных направлениях.
Известен двухтактный двигатель со встречно движущимися рабочими элементами, содержащий корпус, подвижный цилиндр, имеющий головку и днище, установленный в корпусе с возможностью, по меньшей мере, возвратно-поступательного движения, рабочий поршень с днищем, установленный внутри подвижного цилиндра с возможностью перемещения с подвижным цилиндром в противоположных направлениях и образования рабочей камеры между днищами рабочего поршня и головки, при этом рабочая камера имеет продувочные окна и выполненные в подвижном цилиндре выпускные окна (US 1595372 А, опубл. 10.08.1926).
В двигателе использована высокоэффективная прямоточная схема продувки. Однако следствием такого выполнения схемы продувки является постоянное сообщение окон газораспределения, выполненных в стенке подвижного цилиндра, с рабочей полостью, что повышает требования к надежности уплотнения зоны расположения окон снаружи подвижного цилиндра. Кроме того, полости окон в подвижном цилиндре, при его относительно большой радиальной толщине, составляют заметный объем, являющийся «вредным объемом», снижающим эффективность преобразования тепла в механическую энергию.
Задачей изобретения является повышение надежности уплотнения рабочей камеры двигателя за счет возможности вынесения окон газораспределения за ее пределы за счет установки дополнительной гильзы, по крайней мере, на время большей части процесса расширения в ней. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности работы двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, по меньшей мере, подвижный цилиндр, имеющий головку и днище, установленный в корпусе с возможностью, по меньшей мере, возвратно-поступательного движения и связанный с механизмом преобразования движения, рабочий поршень с днищем, установленный внутри подвижного цилиндра с возможностью перемещения с подвижным цилиндром в противоположных направлениях и образования рабочей камеры между днищами рабочего поршня и головки, при этом рабочая камера имеет продувочные окна, расположенные с возможностью сообщения с продувочным каналом и выполненные, по крайней мере, в подвижном цилиндре выпускные окна, расположенные с возможностью сообщения с выпускным коллектором,, согласно изобретению, между цилиндрическими поверхностями рабочего поршня и подвижного цилиндра расположена газораспределительная гильза с возможностью перекрытия выпускных окон подвижного цилиндра, а продувочные окна выполнены в газораспределительной гильзе и расположены с возможностью их перекрытия, по крайней мере, рабочим поршнем.
Поставленная задача достигается также тем, что газораспределительная гильза может быть связана с корпусом с помощью шарнирного элемента.
Поставленная задача достигается также тем, что газораспределительная гильза может быть снабжена приводным механизмом с возможностью изменения своего положения относительно корпуса в зависимости от режима работы двигателя.
Поставленная задача достигается также тем, что газораспределительная гильза может быть снабжена приводным механизмом, синхронизированным с перемещением поршня и подвижного цилиндра.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показан двухтактный двигатель при положении рабочих элементов в районе внутренней мертвой точки (ВМТ);
На фиг. 2 - то же, в районе наружной мертвой точки (НМТ);
На фиг. 3 - то же, в среднем положении рабочих элементов, в начале открытия выпускных окон.
Описываемый двигатель содержит корпус 1, подвижный цилиндр 2, имеющий головку 3 и днище 4, установленный в корпусе 1 с возможностью, по меньшей мере, возвратно-поступательного движения. Рабочий поршень 5 с днищем 6, установленный внутри подвижного цилиндра 2 с возможностью перемещения с ним в противоположных направлениях и образования рабочей камеры 7 между днищем 6 рабочего поршня 5 и днищем 4 головки 3. При этом рабочая камера 7 имеет продувочные окна 8 и выполненные в подвижном цилиндре 2 выпускные окна 9. Между цилиндрическими поверхностями рабочего поршня 5 и подвижного цилиндра 2 расположена газораспределительная гильза 10 с возможностью перекрытия выпускных окон 9 подвижного цилиндра 2. В описываемом варианте выполнения корпус 1 имеет выпускной коллектор 11, в который продукты сгорания попадают через выполненные в корпусе 1 выпускные отверстия 12. Продувочные окна 8 выполнены в газораспределительной гильзе 10 и расположены с возможностью их перекрытия рабочим поршнем 5. В описываемом варианте выполнения свежий заряд подается к продувочным окнам 8 из впускного канала 13 корпуса 1 через подающие отверстия 14 корпуса 1 и выполненные в подвижном цилиндре 2 впускные отверстия 15.
Газораспределительная гильза 10 может быть связана с корпусом 1 при помощи любого кинематического звена (на чертежах не показан), не препятствующего самоустановке гильзы 10 относительно внутренней цилиндрической поверхности подвижного цилиндра 2. Указанное звено (элемент связи) препятствует продольному перемещению гильзы 10 и угловому повороту вокруг своей продольной геометрической оси.
В варианте выполнения газораспределительная гильза 10 может быть снабжена приводным механизмом (на чертежах не показан) с возможностью изменения своего положения относительно корпуса 1 в зависимости от режима работы двигателя. При этом положение гильзы 10 может изменяться как в направлении поступательного перемещения рабочих элементов двигателя, так и в направлении вращения вокруг продольной ее геометрической оси. Указанный приводной механизм изменяет положение гильзы 10 относительно корпуса 1 с целью изменения, по крайней мере, фаз газораспределения двигателя.
В варианте выполнения газораспределительная гильза 10 может быть снабжена приводным механизмом (на чертежах не показан), как, например, в известном «гильзовом двигателе Рикардо». Механизм привода гильзы 10 связан с тем же приводным валом, что и поршень 5 и цилиндр 2, то есть перемещение гильзы 10 синхронизировано с перемещениями поршня 5 и подвижного цилиндра 2.
Двигатель может быть выполнен с углубленной камерой сгорания. При этом камера сгорания 16 формируется только в районе ВМТ и образована дополнительным цилиндром 17 в головке 3, перемещающимся вместе с ней, а также расположенным в указанном цилиндре 17 дополнительным поршнем 18, связанным с корпусом 1. При положении рабочих элементов двигателя в районе НМТ объем камеры 16 обнуляется, что снимает проблему ее продувки и охлаждения.
Описываемый двигатель работает следующим образом. После сгорания сжатого заряда в ВМТ (например, в камере 16) головка 3 с цилиндром 2 перемещается от ВМТ в одну сторону, а рабочий поршень 5 - в противоположную (поршень 18 неподвижен, а дополнительный цилиндр 17 перемещается вместе с головкой 3 относительно поршня 18). При этом осуществляется процесс расширения продуктов сгорания в рабочей камере 7 с увеличением ее объема. То есть указанные подвижные рабочие элементы двигателя движутся в противоположные стороны. При этом поршень 5 перемещается внутри газораспределительной гильзы 10, а подвижный цилиндр 2 - снаружи. Гильза 10 в одном из вариантов выполнения двигателя неподвижна относительно корпуса 1. Перед началом процесса выпуска продуктов сгорания из рабочей камеры 7 выпускные окна 9 подвижного цилиндра 2 подходят к управляющей кромке гильзы 10 с наружной ее стороны, и при дальнейшем перемещении цилиндра 2 соединяют рабочую камеру 7 с выпускным коллектором 11 через выпускные отверстия 12 корпуса 1. После окончания периода свободного выпуска продуктов сгорания из камеры 7, поршень 5 своей управляющей кромкой открывает продувочные окна 8 в гильзе 10 и соединяет рабочую камеру 7 с источником свежего заряда, поступающего в камеру 7 из впускного канала 13 через отверстия 14 и 15, а также окна 8. В этот момент начинается продувка рабочей камеры 7 с последующим процессом сжатия свежего заряда после закрытия выпускных 9 и продувочных 8 окон при движении рабочих органов к ВМТ. По форме движения газов в камере 7 продувка близка к прямоточной. То есть газораспределение осуществляется через отдельные пояса окон 8 и 9, разнесенные к противоположным краям камеры 7, обеспечивая наиболее эффективный вариант продувки при проведении двухтактного рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания. Такой вариант газораспределения в описываемой компоновке возможен лишь при наличии газораспределительной гильзы 10. При реализации прямоточной продувки без гильзы 10 выпускные окна 9 цилиндра 2 будут всегда находиться в объеме рабочей камере 7, увеличивая ее вредный объем и снижая надежность ее уплотнения и повышая теплонапряженность деталей двигателя. Реализация петлевой продувки снижает эффективность работы двигателя за счет увеличения прямых потерь заряда и недостаточного время-сечения органов газораспределения.
Смена положения газораспределительной гильзы 10 в зависимости от режима работы двигателя приводит к изменению фаз газораспределения. Значительная площадь ее торцевой поверхности, обращенной к днищу 4 головки 3, позволяет изменять также и степень сжатия при ее перемещении. Придание гильзе 10 дополнительного направления перемещения, например, вокруг ее геометрической продольной оси расширяет диапазон регулирования фаз газораспределения, придавая им большую асимметрию.
В случае выполнения кинематической связи гильзы 10 с приводным механизмом, синхронизированным с движением рабочих элементов двигателя, расширяются фазы газораспределения.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить эффективность работы двухтактных двигателей внутреннего сгорания.