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 возвратно-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.
Известен двухтактный дизельный двигатель с ПДП [3], в котором применен механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, состоящий из одного главного шатуна, прицепного шатуна и двух коромысел, шарнирно связанных через шток с поршнями. Прицепной шатун связан через коромысло с поршнем управляющим выпуском, а главный шатун непосредственно связан через коромысло с поршнем управляющим продувкой. Основной задачей, решаемой указанным изобретением, являлось создание блочной конструкции двигателя, позволяющей за счет сборки однотипных секций кратно увеличивать мощность двигателя. В связи с тем, что расстояние между центрами шарниров главного и прицепного шатуна является переменным в указанном двигателе достигаются различные по форме зависимости хода выпускного и продувочного поршней от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) и благоприятный фазовый сдвиг открытия выпускных и продувочных окон. Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс, основанного на принципе самоорганизации.
Известен ДВС с ПДП [4], реализующий способ работы [2] за счет применения механизма для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна и двух коромысел шарнирно связанных через шток с каждым из поршней, при этом коромысла имеют фиксированные центры качания и связаны с общим шатуном с помощью двухподвижных шарниров типа «шарнир-шарнир» с эксцентриковыми шейками.
Указанный в [4] двигатель 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 коленчатого вала осуществляется за счет применения механизма с 2 (двумя) степенями свободы, обеспечиваемых связью головки шатуна с коромыслами посредством ползунов и дуговой кулисы.
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 для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна и шарнирно связанных через шток с каждым из поршней двух коромысел, качающихся на шарнирах с фиксированным центром, при этом коромысла связаны с общим шатуном с помощью ползунов и дуговой кулисы, имеющей с головкой шатуна общий палец и средство фиксации от проворота.
Отличия заявляемого двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания от традиционных ДВС и прототипа можно видеть из их анализа как механизмов с 1-й и 2-мя степенями свободы.
5
На Фиг. 1a схема ДВС с ПДП согласно [3], из которой видно, что кривошип 1, шатун 2, прицепной шатун 2а, коромысла 3 и 4, штоки 5 и 6, поршни 7 и 8 представляют собой набор из девяти (n=9) звеньев, связанных 11 (одиннадцатью) шарнирами и 2 (двумя) парами скольжения (поршень-цилиндр). Таким образом имеется 13 кинематических пар 5-го класса (р=13). Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:
5
w=3n-2p=3*9-2*13=1.
На Фиг. 1б показана схема ДВС с ПДП прототипа [4] с дополнительным звеном, в качестве которого выступает эксцентриситет 3е (4е) между шейками шарнира (изображения звена и различия в углах между плечами коромысел непропорционально увеличены), что также обеспечивает механизму 2-ю степень свободы:
n=10 - число подвижных звеньев;
5
р=14 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса
5
w=3n-2p=3*10-2*14=2
5
В заявляемом ДВС с ПДП применен обычный двухшарнирный шатун, головка которого имеет надстройку в виде дуговой кулисы с двумя конусными направляющими, по которым движутся две пары ползунов. Сравнение схем на Фиг. 1б и на Фиг. 1в показывает, что замена в головке шатуна пар вращения (шарниры) на пары скольжения (ползуны) не уменьшает числа одно-подвижных кинематических пар 5-го класса p=14, а значит обеспечивает механизму 2-ю степень свободы.
При наличии еще одной, избыточной по сравнению с традиционными ДВС, степени свободы каждому фиксированному положению коленчатого вала 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 представлены изображения, относящиеся к схеме механизма традиционного ДВС (Фиг. 1а), прототипа (Фиг. 1б) и предлагаемого (Фиг. 1в).
На Фиг. 2 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны.
На Фиг. 3 показано увеличенное изображение соединения головки шатуна с плечом коромысла посредством дуговой кулисы и пар ползунов.
На Фиг. 4 показан контур возможных перемещений головки шатуна.
На Фиг. 5 представлены изометрическое изображение дуговой кулисы.
На Фиг. 6 представлены изометрические изображения пальца и пар ползунов (правых в сборе с пальцем).
На Фиг. 7 показана зависимость изменения общего хода поршней от угла п.к.в. и сравнение его с таковым для традиционного ДВС с ПДП с двумя кривошипно-шатунными механизмами (КС - камера сгорания).
На Фиг. 8 показана зависимость текущей степени расширения от угла п.к.в. для традиционного и предлагаемого ДВС.
На Фиг. 9 показана зависимость углового ускорения шатуна от угла п.к.в.
На Фиг. 10 показана зависимость кинетической энергии звеньев ДВС от угла п.к.в.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 2 и с деталями на Фиг. 3. Осуществление изобретения предполагает использование противоположно движущихся поршней 7 и 8, связанных штоками 5 и 6 с коромыслами 3 и 4 соответственно. Преобразование качательных движений коромысел 3 и 4 во вращательное движение кривошипа 1 происходит за счет использования двухшарнирного шатуна 2. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя парами ползунов 3а и 4а, движущихся по конусным направляющим дуговой кулисы 2а, связанной пальцем с головкой шатуна 2.
Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.
В положении механизма в районе объемной нижней мертвой точки (НМТ) выпускные окна 12 полностью открыты и закончился свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 14, продувочные окна 11 в стадии открытия и через них из воздушного коллектора 13 воздух поступает в цилиндр 16 и вытесняет отработавшие газы. При вращении кривошипа 1 (по часовой стрелке) первыми закрываются выпускные окна 12 и происходит наддув воздуха. Далее закрываются продувочные окна 11 и начинается процесс сжатия воздушного заряда. В варианте дизельного рабочего процесса с воспламенением от сжатия в районе объемной верхней мертвой точки (ВМТ) топливо подается чрез форсунку 15 в камеру сгорания, образованную днищами поршней 7 и 8, и стенками цилиндра 16. В варианте рабочего процесса с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием форсунка (не показана) может быть расположена перед продувочными окнами 11. После прохождения поршнями 7 и 8 объемной ВМТ завершается процесс сгорания топлива и начинается процесс расширения газов с совершением полезной работы. Не доходя до геометрической НМТ поршня 8 открываются выпускные окна 12 и начинается свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 14. Далее, не доходя до геометрической НМТ поршня 7 открываются продувочные окна 11 и начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.
Наличие 2-й степени свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 означает, что каждому фиксированному положению кривошипа 1 может соответствовать множество положений головки шатуна 2 между двумя крайними ее положениями, в которых ось пальца шатуна 2 находится на максимальном расстоянии от центров качания коромысел 3 и 4. Если принять, что центры шарниров 9 и 10 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения кривошипа 1 и центр камеры сгорания (т.е. вертикальной плоскости, применительно к Фиг. 2), а длина плеч коромысел 3 и 4, примыкающих к шатуну 2, одинакова и равна R, как на Фиг. 3, то указанное максимальное расстояние будет равно R+r, где r - радиус траектории центров ползунов 3а и 4а, относительно оси пальца, соединяющего головку шатуна 2 и дуговую кулису 2а. Дуги радиусом R+r, проведенные из центров качания коромысел 3 и 4 ограничивают область возможных положений оси головки шатуна 2. Другими ограничениями указанной области являются дуги, радиусом равным длине шатуна 2, проведенные из центра шейки кривошипа 1 в его верхнем (0 град, п.к.в.) и в его нижнем (180 град, п.к.в.) положениях. В совокупности эти 4 (четыре) ограничения образуют область, которая хорошо аппроксимируется эллипсом, как на Фиг. 4 у которого вертикальная ось в 5-6 раз больше горизонтальной оси. С учетом сделанных замечаний можно считать, что ось головки шатуна 2 может касаться или правой, или левой дуги указанного эллипса.
Вариант исполнения дуговой кулисы 2а в виде двух одинаковых обойм с двумя конусными направляющими представлен на Фиг. 5. Вариант исполнения ползунов 3а и 4а и пальцев 3b и 4b (последний в сборе) представлен на Фиг. 6.
Определенная направленность вращения кривошипа 1 (например, по часовой стрелке) приводит к тому, что угловое ускорение шатуна 2 изменяется от угла п.к.в. по закону близкому к синусоидальному, с максимумами (по абсолютной величине) в районе 90 и 270 град, п.к.в., как на Фиг. 9. Момент сил инерции шатуна 2, дуговой кулисы 2а, ползунов 3а и 4а, действующий относительно центра шейки кривошипа 1 приводит к асимметрии в распределении сил, приложенных к головке шатуна 2 со стороны коромысел 3 и 4. Таким образом равнодействующая сил, приложенных к головке шатуна 2, будет проходить вдоль оси его симметрии только в положениях кривошипа при 0 и 180 град, п.к.в. Во всех остальных случаях на головку шатуна 2 всегда будет действовать горизонтальная составляющая равнодействующей сил, которая будет стремиться отклонить головку шатуна в сторону правой, или левой дуги упомянутого эллипса.
Если наложить ограничение на перемещение головки шатуна 2 строго по вертикальной прямой («виртуальный крейцкопф»), т.е. понизить число степеней свободы механизма на 1 (единицу), то при одинаковых по форме и размерам деталях ответственных за выпуск и продувку (поршень, шток, коромысло) получатся одинаковые по форме и симметричные относительно объемной ВМТ зависимости хода поршня от угла п.к.в. Это обстоятельство исключает возможность эффективной продувки, характерной для ДВС с ПДП, имеющих угловое рассогласование коленчатых валов порядка 10-12 град, п.к.в.
В заявляемом ДВС с ПДП с 2-мя степенями свободы асимметрия зависимостей хода продувочного и выпускного поршней от угла п.к.в. достигается естественным путем, за счет постоянной направленности сил инерции шатуна в течение хода сжатия / расширения.
Главным следствием наличия 2-й степени свободы является то, что фиксированному положению 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, однако при первичном рассмотрении преимуществ предлагаемого ДВС можно пренебречь такими эффектами и, наложив ограничение на перемещение головки шатуна строго по левой/правой дугам упомянутого эллипса, условно понизить степень свободы механизма на 1 (единицу).
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=15 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 - 2×82 мм
4. Диаметр цилиндра - 80 мм
5. Рабочий объем - 1,6 л
6. Радиус кривошипа - 45 мм
7. Длина шатуна - 130 мм
вып
впуск
пдп
град
Асимметрия зависимостей хода поршней S и S от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ и их фазовый сдвиг (40 град, п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней S от угла п.к.в. в районе объемной ВМТ является гораздо более пологой, чем у ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом S, как показано на Фиг. 7, а также проявляется в том, что изменение объема надпоршневого пространства у предлагаемого ДВС происходит медленней чем у традиционного (см. Фиг. 8). Это означает, что процесс выделения тепла (горение) протекает с максимальным приближением к изохорному (V=const), который характеризуется наибольшим термическим к.п.д., при прочих равных условиях. Указанный фазовый сдвиг также является благоприятным для осуществления прямоточной продувки в процессе газообмена.
2
В расчетной модели ДВС приняты массы поршня, штока и коромысла, приведенные к массе поршня в размере 2 кг. Массы кулисы, ползунов и пальцев приняты в размере 3 кг. Масса шатуна принята в размере 2 кг. Момент инерции шатуна с дуговой кулисой относительно центра масс, расположенного от оси пальца на расстоянии 20% длины шатуна, принят в размере 0,025 кг*м.
Расчет ДВС с 2-мя степенями свободы требует значительных вычислительных ресурсов, поэтому оценка параметров предлагаемого ДВС произведена с использованием граничной модели, в которой наложенные ограничения на перемещение головки шатуна понижают число степеней свободы на 1 (единицу). Область возможных положений оси пальца шатуна ограничена дугами эллипса, как на Фиг. 4 и динамические расчеты выполнены в двух вариантах: для левой / правой границы, как стартовой для процесса сжатия.
При принятом направлении вращения коленчатого вала (по часовой стрелке) под действием момента от сил инерции головка шатуна будет отклоняться на ходе сжатия (от 0 до 180 град, п.к.в.) к левой границе, а на ходе расширения (от 180 до 360 град, п.к.в.) - к правой.
Из Фиг. 9 видно, что в интервале угла п.к.в 180-225 град, угловое ускорение шатуна не чувствительно к отклонению головки шатуна, а значит и момент сил, действующий на шатун не может оказать влияния на характер автоколебаний поршней.
Из Фиг. 10 видно, что при проведении процесса сжатия по левой границе (расширения - по правой) звенья механизма (без учета коленчатого вала) обладают большей кинетической энергией (без составляющей от переносного движения центра масс шатуна и кулисы), чем в случае выбора начальной правой границы. Это означает, что при перекладке головки шатуна возможно накопление механической энергии без мгновенной ее передачи на маховик двигателя. Таким образом термомеханическая система может сама «выбирать» траекторию движения головки шатуна, что и является реализацией принципа самоорганизации рабочих процессов в ДВС.
p
мех
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.в.) выделится 80% тепла. Тогда мощность тепловыделения составит dQ/dt=1,5*0,8*4000*10/60=800 кВт. В интервале 180-225 град, п.к.в. разница в кинетической энергии механизма в крайних положениях головки шатуна изменяется от 300 до 100 Дж (см. Фиг. 10). Пусть перекладка головки шатуна происходит за 10 град, п.к.в., или 60/4000/360*10=0,417 мс и за это время механическая энергия увеличится на 100 Дж. Тогда мощность, запасенная в звеньях механизма, составит dN=100*10/0,417=240 кВт, что соизмеримо с мощностью тепловыделения. Действительные колебания головки шатуна могут быть на порядок меньше, но принципиально важно, что процесс преобразования тепла в работу теперь жестко не связан с отдачей полезной работы маховику двигателя.
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. Pat. US 2237113, 1941
4. Пат. RU 2739105, 2020
5. https://www.geminidiesel.aero