ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ЦИЛИНДРОМ
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AUXILIARY CYLINDER

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС).
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере два спаренных цилиндра с размещенными в них шатунно-поршневыми деталями, в котором осуществляются четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп, отличающийся тем, что в первом цилиндре происходят такты всасывание-сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре - рабочий ход-выхлоп; последовательность тактов цикла чередуется по обоим цилиндрам, т.е. одновременно совершаются спаренные такты: всасывание-расширение газов (рабочий ход) и сжатие воздуха-выхлопа; при этом сгорание топлива осуществляется в отдельной камере сгорания, заполненной сжатым воздухом и охваченной другой камерой с запасом сжатого воздуха, который имеет возможность перетекать в камеру сгорания, а затем во второй цилиндр; при этом поданное топливо может сгорать в камере сгорания как по циклу Отто, так и по циклу Дизеля, совершая полный рабочий цикл за один оборот коленчатого вала (см. патент РФ №2167315, МКП F02B, опубл. 2001.05.20).
Недостатком данного двигателя является низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.) и мощность из-за потерь энергии в цилиндрах при такте рабочего хода, а также низкая надежность вследствие неуравновешенной работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий два рабочих цилиндра с поршнями, вспомогательный цилиндр с поршнем, установленный между рабочими цилиндрами, и коленчатый вал с шатунными шейками рабочих и вспомогательного цилиндров, причем рабочие поршни установлены на одном уровне, но с тактами работ с разницей в один оборот и где протекают циклы работ двигателя: впуск, сжатие, сгорание топлива и расширение, вспомогательный цилиндр дополнительно снабжен перепускными каналами, выполненными в головке цилиндров с закрывающимися клапанами со стороны рабочих цилиндров (см. патент РФ №2299999, МКП F02B 41/06, опубл. 2007.05.27).
Недостатком данного двигателя является низкий к.п.д., обусловленный четырехтактным циклом работы и неуравновешенной работой кривошипно-шатунного механизма.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия ДВС за счет перехода на двухтактный режим работы, при котором за один оборот коленчатого вала происходит такт рабочего хода в каждом из рабочих цилиндров и за счет обеспечения уравновешенной работы кривошипно-шатунного механизма двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем два рабочих цилиндра с поршнями, вспомогательный цилиндр с поршнем, установленный между рабочими цилиндрами, и коленчатый вал с шатунными шейками рабочих и вспомогательного цилиндров, причем рабочие поршни установлены на одном уровне, а шатунная шейка коленчатого вала вспомогательного цилиндра смещена на 180° относительно шатунных шеек рабочих цилиндров, вспомогательный цилиндр дополнительно снабжен впускным клапаном и перепускными каналами, выполненными в головке цилиндров с закрывающимися регулируемыми клапанами со стороны рабочих цилиндров, согласно изобретению, дополнительно масса шатунно-поршневой группы вспомогательного цилиндра соответствует сумме масс шатунно-поршневых групп первого и второго рабочих цилиндров:
вц
рц1
рц2
m=m+m,
вц
рц1
рц2
где m - масса шатунно-поршневой группы вспомогательного цилиндра; m, m - масса шатунно-поршневой группы первого и второго рабочих цилиндров соответственно.
Сущность изобретения заключается в том, что масса шатунно-поршневой группы вспомогательного цилиндра соответствует сумме масс шатунно-поршневых групп первого и второго рабочих цилиндров:
вц
рц1
рц2
m=m+m,
вц
рц1
рц2
где m - масса шатунно-поршневой группы вспомогательного цилиндра; m, m - масса шатунно-поршневой группы первого и второго рабочих цилиндров соответственно.
Известно [см., например, Свистула, А.Е. Двигатели внутреннего сгорания: учебное пособие / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. - 81 с - С. 24], что рабочий процесс как 4-тактных, так и 2-тактных двигателей состоит из четырех элементов - газообмена, сжатия, сгорания и расширения. Все эти элементы рабочего процесса в четырехтактных двигателях осуществляются за четыре хода поршня. В двухтактном двигателе все четыре элемента рабочего процесса осуществляются за два хода поршня. Сравнение рабочих циклов четырех- и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения равномерность крутящего момента и мощность двухтактного двигателя значительно больше, увеличивается приблизительно в 1,5-1,7 раза.
В известном двигателе (прототипе (см., например, см. патент РФ №2299999, МКП F02B, опубл. 2007.05.27)) рабочий процесс осуществляется за четыре такта за два оборота коленчатого вала двигателя, при этом рабочий ход происходит в рабочих цилиндрах поочередно через 360° поворота коленчатого вала, что приводит к механическим потерям и уменьшению коэффициента полезного действия и мощности ДВС.
Согласно изобретению, рабочий процесс двигателя осуществляется за два такта и один оборот коленчатого вала (360°), при этом такт рабочего хода происходит одновременно в двух рабочих цилиндрах следующим образом.
Первый такт. Поршень вспомогательного цилиндра движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) при повороте коленчатого вала двигателя на 180°. За счет создания разряжения в цилиндре открывается впускной клапан и происходит всасывание рабочего тела в вспомогательный цилиндр. При этом, поршни рабочих цилиндров движутся одновременно от НМТ к ВМТ, регулируемые клапаны закрыты. В рабочих цилиндрах осуществляется сжатие рабочего тела, в конце которого начинается процесс его сгорания (после впрыска дизельного топлива через форсунки или подачи искры на свечи зажигания).
Второй такт. В рабочих цилиндрах, после сгорания рабочего тела, поршни под действием высокого давления движутся от ВМТ к НМТ, поворачивая коленчатый вал двигателя на 180°. Осуществляется рабочий ход одновременно в двух цилиндрах. При достижении верхними кромками поршней выпускных окон через них из рабочих цилиндров начинает осуществляться выпуск отработавших газов. Одновременно, в вспомогательном цилиндре поршень двигается от НМТ к ВМТ и сжимает рабочее тело. В момент, когда давление сжатия превысит усилие пружин регулируемых клапанов, они открываются. Сжатое рабочее тело из вспомогательного цилиндра по каналам начинает поступать в рабочие цилиндры, обеспечивая более качественное их наполнение и смесеобразование, и, дополнительно, вытесняя отработавшие газы, улучшает продувку рабочих цилиндров. При соответствии массы шатунно-поршневой группы вспомогательного цилиндра сумме масс шатунно-поршневых групп первого и второго рабочих цилиндров обеспечивается уравновешенная работа кривошипно-шатунного механизма двигателя. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания со вспомогательным цилиндром представлен на фигуре 1а, б, где показаны: 1.1, 1.2 - рабочий цилиндр; 2.1, 2.2 - поршень рабочего цилиндра; 3 - вспомогательный цилиндр; 4 - поршень вспомогательного цилиндра; 5 - коленчатый вал двигателя; 6 - впускной клапан; 7.1, 7.2 - регулируемый клапан; 8.1, 8.2 - пружина регулируемого клапана; 9 - головка блока; 10.1, 10.2 - канал; 11.1, 11.2 - выпускное окно, 12.1, 12.2 - свечи зажигания.
Рабочий цилиндр 1.1, 1.2 с поршнями 2.1, 2.2 предназначен для осуществления термодинамического цикла - впуска рабочего тела, его сжатия, воспламенения и сгорания, выпуска отработавших газов.
Вспомогательный цилиндр 3 с поршнем 4 предназначены для впуска и сжатия рабочего тела и его подачи в рабочие цилиндры 1.1 и 1.2 по каналам 10.1, 10.2 через регулируемые клапаны 7.1. 7.2.
Назначение коленчатого вала двигателя 5, головки блока 9 ясны из их названий.
Рабочий цилиндр 1.1, 1.2 с поршнями 2.1, 2.2, вспомогательный цилиндр 3 с поршнем 4, коленчатый вал двигателя 5, головка блока 9 могут быть выполнены в виде типовых технических устройств (см., например, [Анисимов Г.М., Кочнев А.М. Лесотранспортные машины: Учебное пособие / Под ред. Г.М. Анисимова. - СПб.: Издательство «Лань», 2009. - 448 с.])
Впускной клапан 6 предназначен для впуска рабочего тела из канала впуска двигателя в вспомогательный цилиндр 3 при движении поршня вспомогательного цилиндра 4 от ВМТ к НМТ. В качестве такого клапана может быть использован, например, всасывающий клапан (см., например, [Полина И.Н., Ефимова С.Г., Корычев Н.А. Теплотехника. Техническая термодинамика: учебное пособие; Сыкт. лесн. ин-т. - Сыктывкар: СЛИ, 2012. - 188 с. - С.98]).
Регулируемые клапаны 7.1. 7.2 предназначены для впуска сжатого рабочего тела из вспомогательного цилиндра 3 в рабочие цилиндры 1.1 и 1.2 по каналам 10.1,10.2 и обеспечения оптимального их наполнения. В качестве таких клапанов может быть использован, например, перепускной клапан (см., например, [Гейер В.Г, Дулин B.C., Борушенский А.Г., Зарян Л.Н. Гидравлика и гидропривод. - М.: Недра, 1987. - 295 с.]).
При работе двигателя рабочий процесс осуществляется за два такта и один оборот коленчатого вала 5 (360°), при этом такт рабочего хода происходит одновременно в двух рабочих цилиндрах 1.1, 1.2 следующим образом.
Первый такт (Фигура 1а). Поршень 4 вспомогательного цилиндра 3 движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) при повороте коленчатого вала двигателя 5 на 180°. За счет создания разряжения в цилиндре 3 открывается впускной клапан 6 и происходит всасывание рабочего тела в вспомогательный цилиндр 3. При этом, поршни 2.1, 2.2 рабочих цилиндров 1.1, 1.2 движутся одновременно от НМТ к ВМТ, регулируемые клапаны 7.1, 7.2 закрыты. В рабочих цилиндрах 1.1,1.2 осуществляется сжатие рабочего тела, в конце которого начинается процесс его сгорания (после впрыска дизельного топлива через форсунки или подачи искры на свечи зажигания 12.1, 12.2).
Второй такт (Фигура 1б). В рабочих цилиндрах 1.1, 1.2, после сгорания рабочего тела, поршни 2.1, 2.2 под действием высокого давления движутся от ВМТ к НМТ, поворачивая коленчатый вал двигателя 5 на 180°. Осуществляется рабочий ход одновременно в двух цилиндрах 1.1 и 1.2. При достижении верхними кромками поршней 2.1, 2.2 выпускных окон 11.1, 11.2 через них из рабочих цилиндров 1.1,1.2 начинает осуществляться выпуск отработавших газов. Одновременно, в вспомогательном цилиндре 3 поршень 4 двигается от НМТ к ВМТ и сжимает рабочее тело. В момент, когда давление сжатия превысит усилие пружин 8.1, 8.2 регулируемых клапанов 7.1, 7.2, они открываются. Сжатое рабочее тело из вспомогательного цилиндра 3 по каналам 10.1, 10.2 начинает поступать в рабочие цилиндры 1.1, 1.2, обеспечивая более качественное их наполнение и смесеобразование, и, дополнительно, вытесняя отработавшие газы, улучшает продувку рабочих цилиндров 1.1, 1.2. При соответствии массы шатунно-поршневой группы вспомогательного цилиндра 3 сумме масс шатунно-поршневых групп рабочих цилиндров 1.1 и 1.2 обеспечивается уравновешенная работа кривошипно-шатунного механизма двигателя.
Таким образом, предлагаемый двигатель позволяет за один оборот коленчатого вала осуществить такт рабочего хода в каждом из рабочих цилиндров, при этом обеспечить более качественное их наполнение, смесеобразование, вытеснение отработавших газов, снизить рабочие обороты коленчатого вала двигателя, и тем самым уменьшить механические потери, обеспечить уравновешенную работу кривошипно-шатунного механизма двигателя и повысить к.п.д. двухтактных ДВС.
Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые устройства.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить к.п.д. и мощность двухтактных двигателей внутреннего сгорания на 10…15%, а также обеспечить работу кривошипно-шатунного механизма (КШМ) таких двигателей в условиях смазки - с использованием масляной ванны в картере ДВС, что дополнительно приведет к повышению надежности КШМ и двигателей в целом, а также позволит осуществить работу двухтактных ДВС на различных видах топлива (бензине, газе и дизельном топливе). Благодаря улучшенной продувке цилиндра и более качественному наполнению его горючей смесью улучшаются экономические и экологических характеристики двигателя. При этом достигается экономия топлива до 15%, снижение СО и СН до 20% и увеличение ресурса двигателя на 10…12%.