Двухтактный двухпоршневой двигатель внутреннего сгорания
TWO-STROKE TWO-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. Перспективными направлениями развития поршневых двигателей считают широкое применение электронных средств управления таким параметром как ход поршня, в.результате чего обеспечивается оптимальная по экономичности степень сжатия при работе двигателя на любом режиме [1].
Доминирующей тенденцией в автомобильном двигателестроении является улучшение массо-габаритных показателей ДВС за счет их форсирования с использованием регулируемого турбонаддува. Такой подход позволяет уменьшать количество цилиндров и/или их размерность и носит название «downsizing». Значительные преимущества перед четырехтактными ДВС по массо-габаритным показателям имеют двухтактные ДВС, и в частности двигатели с прямоточной продувкой: с противоположно движущимися поршнями (ПДП) и двухпоршневые U-типа («uniflow engine») [2].
Известен также двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания и способ его работы [3]. 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.
Компоновка и габариты ДВС с ПДП не всегда согласуются с требованиями транспортных средств, приводом которых они являются. Поэтому целесообразно перенести принципы и способ работы ДВС [3] на двигатели с прямоточной продувкой, но с традиционной компоновкой цилиндров (рядом стоящих) как в ДВС U-типа («split-single engine») [4], у которых один цилиндр «расщеплен» на два с общей камерой сгорания.
Двигатели указанного типа при наличии двух цилиндров (впускного и выпускного) и одного общего коленчатого вала различаются способами передачи усилия со стороны поршней на кривошип коленчатого вала:
а) через два шатуна и два кривошипа с угловым смещением;
б) через главный и прицепной шатун и общий кривошип;
в) через вильчатый шатун и общий кривошип.
Известен двухтактный ДВС [5], у которого шатуны находятся на общем кривошипе, а смещение фаз выпуска-впуска достигается смещением осей цилиндров относительно плоскости, проходящей через ось вращения коленчатого вала. Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом поворота коленчатого вала (п.к.в.) и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.
Известен двухтактный ДВС [6], у которого шатуны находятся на общем кривошипе, а смещение фаз выпуска-впуска достигается различной длиной выпускного и впускного шатунов. 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.
Известен двухтактный ДВС [7], у которого один главный шатун (выпускной) и один прицепной (впускной). 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.
Известен двухтактный ДВС [8], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом оба поршня являются выпускными, т.к. в двигателе реализована прямоточная клапанно-щелевая продувка. 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.
Известен двухтактный двухпоршневой ДВС [9], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом не оговаривается, что поршни имеют различную конструкцию поршневых пальцев. Применительно к двухпоршневому ДВС с вильчатым шатуном в [2] утверждается: «Для возможности бокового перемещения поршневой головки шатуна один из двухпоршневых пальцев имеет специальную конструкцию». Легко показать, что заявленная в [9] конструктивная схема двигателя имеет 0-ю (нулевую) степень свободы, а значит предлагаемый ДВС не является механизмом.
Известен двухтактный ДВС [10], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном по форме аналогичным шатуну из [9] , при этом утверждается, что для обеспечения работоспособности механизма расстояние между центрами поршневых головок V-образного (вильчатого) шатуна должно быть переменным, а сами стержни шатуна должны быть гибкими. Усталостная прочность такого шатуна должна быть очень высокой (неограниченной), однако предлагается выполнить шатун из алюминия, что делает работоспособность жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.
Известен двухтактный ДВС [7], у которого один главный шатун (выпускной) и один прицепной (впускной). 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.
Известен двухтактный ДВС [8], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом оба поршня являются выпускными, т.к. в двигателе реализована прямоточная клапанно-щелевая продувка. 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.
Известен двухтактный двухпоршневой ДВС [9], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом не оговаривается, что поршни имеют различную конструкцию поршневых пальцев. Применительно к двухпоршневому ДВС с вильчатым шатуном в [2] утверждается: «Для возможности бокового перемещения поршневой головки шатуна один из двухпоршневых пальцев имеет специальную конструкцию». Легко показать, что заявленная в [9] конструктивная схема двигателя имеет 0-ю (нулевую) степень свободы, а значит предлагаемый ДВС не является механизмом.
Известен двухтактный ДВС [10], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном по форме аналогичным шатуну из [9] , при этом утверждается, что для обеспечения работоспособности механизма расстояние между центрами поршневых головок V-образного (вильчатого) шатуна должно быть переменным, а сами стержни шатуна должны быть гибкими. Усталостная прочность такого шатуна должна быть очень высокой (неограниченной), однако предлагается выполнить шатун из алюминия, что делает работоспособность
5
р - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.
Схема такого механизма прототипа представлена на Фиг. 1а. Неподвижные элементы: опора 0, блок цилиндров (БЦ) 3, головка цилиндров (ГЦ) 4. Подвижные звенья: кривошип 1, шатун 2, поршень 5, поршень 6. Кинематические пары 5-го класса: пара трения гильза-поршень - две, шарниров - четыре.
n=4 - число подвижных звеньев;
5
р=6 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.
w=3*4-2*6=0
Данный результат соответствует ситуации с ДВС из [9].
Для того, чтобы отразить фактор гибкости стержней шатуна у ДВС прототипа достаточно внести в схему фиктивное (растяжимое) звено и дополнительный шарнир.
На Фиг. 1б показана замена левого стержня шатуна на комбинацию из двух звеньев - изогнутого основного и фиктивного:
n=4+1 - число подвижных звеньев;
5
р=6+1 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.
w=3*5-2*7=1
Таким образом прототип является механизмом с 1-й (одной) степенью свободы.
На Фиг. 1в показана возможность модификации схемы «б» с целью изменения числа степеней свободы механизма до 2 (двух). Для этого вводятся звенья 7 и 8 (имея ввиду, что это могут быть эксцентрики) с длиной равной эксцентриситету е и два шарнира.
n=4+2 - число подвижных звеньев;
5
р=6+2 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.
w=3*6-2*8=2
Число степеней свободы плоского механизма по схеме «в» равно 2 (двум). В качестве поршневого пальца может быть использован конструктивный элемент с одной шатунной (меньшего диаметра) шейкой и двух поршневых, одна из которых, или обе (как на Фиг. 2) являются разъемными (е' в е'').
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 ДВС прототипа (Фиг. 1а и 1б) и предлагаемого ДВС (Фиг. 1в).
На Фиг. 2 представлены изображения поршневого пальца как двухподвижного шарнира цельного (Фиг. 2а) и разъемного (Фиг. 2б).
На Фиг. 3 показан поперечный (через оси цилиндров) разрез предлагаемого ДВС.
На Фиг. 4 показано увеличенное изображение соединения поршневой головки шатуна с выпускным поршнем.
На Фиг. 5 показана схема вихревого движения продувочного воздуха.
На Фиг. 6 показана диаграмма фаз открытия органов газообмена (окон).
На Фиг. 7 показана предполагаемая зависимость отклонения оси симметрии шатуна под влиянием колебания поршней.
На Фиг. 8 показаны зависимости скоростей поршней и шатуна от угла п.к.в.
На Фиг. 9 показаны зависимости удельной кинетической энергии поршней и шатуна от угла п. к.в.
На Фиг. 10 показаны зависимости мощности сил инерции поршней и шатуна от угла п.к.в.
На Фиг. 11 показано влияние колебаний поршней на индикаторные диаграммы ДВС.
Осуществление изобретения Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенных на Фиг. 3. Осуществление изобретения предполагает использование двух, движущихся в основном однонаправленно, поршней 5 и 6, связанных с вильчатым шатуном 2 посредством двухшарнирных поршневых пальцев 7 и 8. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 5 и 6 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя двухшарнирными пальцами 7 и 8 (двухподвижными шарнирами), образованными пальцем 7' и вкладышами 7'' (для поршня 5) как на Фиг. 4. В отличие от традиционных поршней, в которых поршневой палец имеет плотную посадку, в поршне 5 (6) вкладыши 7'' совершают возвратно-вращательное движение, поэтому отверстие в поршне должно быть выполнено с втулкой, например, бронзовой. Малый эксцентриситет е между шатунной осью пальца 7' и поршневой осью вкладыша 7'' допускает перекладку головки шатуна по горизонтали в максимуме на величину 2е, однако фактическая перекладка головки шатуна оказывается значительно меньше, что обеспечивает возможное качательное движение шатуна 2 относительно оси кривошипа 1 с размахом порядка 1 градуса. Таким образом колебательные движения вильчатого шатуна 2 при любом фиксированном положении кривошипа 1 способны вызвать колебательные движения поршней 5 и 6, которые уже при вращении кривошипа 1 будут накладываться на их основные возвратно-поступательные движения в блоке цилиндров 3.
Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.
В положении кривошипа 1 в верхней объемной мертвой точке (ВОМТ или 180 град, п. к.в.), но не ВМТ поршней 5 и 6 (как на Фиг. 3), воздушный заряд находится в сжатом состоянии и в него уже произведен (с некоторым опережением до ВОМТ) врыск топлива через форсунку (не показана), ориентированную в сторону камеры сгорания 13. Камера сгорания 13 простой полуэлипсоидной формы может иметь керамическое покрытие, которое не только уменьшит теплопотери в головку цилиндров 4, но и улучшит объемно-пленочное испарение топлива, а значит и полноту его сгорания. При вращении кривошипа (по часовой стрелке) после прохождения ВОМТ начинается рабочий ход с совершением полезной работы, при котором поршень 5 опережает поршень 6 в своем движении к своей нижней мертвой точке (НМТ). Поршень 5 достигает верхней кромки выпускных окон 9, при этом продувочные окна 10 перекрыты юбкой поршня 6. В дальнейшем начинается свободный выпуск отработавших газов через выпускные окна 9 в выпускной коллектор 11, а поршень 6 достигает верхней кромки продувочных окон 10. Далее через продувочные окна 10 воздух, поступая в надпоршневое пространство, вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 9 в выпускной коллектор 11 - начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. При вращении кривошипа 1 первыми закрываются выпускные окна 9 и происходит наддув воздуха. После закрытия продувочных окон 10 надпоршневое пространство снова замыкается и начинается процесс сжатия воздушного заряда, до достижения ВОМТ. Двухтактный цикл завершается.
Асимметрия законов движения поршней относительно ВОМТ приводит к тому, что в районе ВОМТ силы инерции действуют на правый и левый поршень разнонаправленно: один ускоряется, другой замедляется. Поэтому даже при равенстве газовых сил, приложенных к днищам поршней, возникает асимметрия сил приложенных к правой и левой поршневым головкам шатуна, что является побудительной причиной для их взаимного отклонения и, в частности, колебаний самого шатуна 2 относительно оси кривошипа 1. Если движение шатуна 2 при отсутствии колебаний назвать «равновесным» (аналогия с маятником), то такому движению будет соответствовать и движение отрезка с длиной шатуна, лежащем на оси его симметрии. При этом конец этого отрезка - «средняя точка» - будет двигаться по вертикальной прямой, проходящей через ось вращения коленчатого вала, как в случае центрального кривошипно-шатунного механизма.
Главным следствием наличия 2-й степени свободы является то, что фиксированному положению кривошипа 1 не соответствует какое-либо фиксированное положение поршней 5 и 6, как у любого другого традиционного поршневого ДВС. При этом возникают автоколебания поршней, которые порождают дополнительные потоки кинетической энергии в подвижных звеньях механизма [3].
Пример возможной реализаций предлагаемого ДВС.
Исходные данные:
1. Мощность - 50 кВт
2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин
3. Ход поршней - 92 мм
4. Диаметр цилиндров - 80 мм
5. Радиус кривошипа - 45 мм
6. Длина шатуна (по осям) - 250 мм
7. Угол развала шатуна - 28 град.
8. Эксцентриситет поршневого пальца - 7 мм
9. Степень сжатия (геометрическая) - 20
10. Степень сжатия (действительная) - 16
11. Давление продувочного воздуха - 0,12 МПа
12. Коэффициент избытка воздуха - 1,7
Заявляемая конструктивная схема не накладывает ограничений на тип ДВС, т.е. на способ смесеобразования и способ воспламенения, но в дальнейшем рассматривается дизельный вариант ДВС.
д
Для обеспечения степени сжатия ε=16 и выше необходимо минимизировать объем камеры сгорания. С другой стороны, необходимо обеспечить минимальное сопротивление перетеканию газа из одного цилиндра (впускного) в другой (выпускной) при продувке. Канал 14, выполненный в БЦ ориентирован в направлении касательной к окружностям, на которых максимальна окружная скорость вихревого движения воздуха, а камера сгорания 13 размещена над указанным каналом и ориентирована вдоль его оси, как на Фиг. 5.
Заявляемая конструктивная схема ДВС естественным путем обеспечивает фазовый сдвиг (24° п.к.в.) зависимостей хода поршней от угла п.к.в, что является благоприятным для осуществления прямоточной продувки в процессе газообмена. Как видно из Фиг. 6 при общей продолжительности газообмена 132° п.к.в., на период продувки (перекрытие фаз открытия органов газообмена) приходится 72° п.к.в.
Работоспособность заявляемой конструктивной схемы ДВС можно доказать только расчетным путем. Расчет ДВС является сложной математической задачей, поэтому для ее решения делаются упрощающие допущения:
z
а) интенсивность автоколебаний поршней пропорциональна мощности тепловыделения dQ/dt (по модели И.И. Вибе с m=0,55 и ϕ=65° п.к.в.) [3];
б) движения звеньев определяются суперпозицией «равновесных» движений, т.е. при отсутствии колебаний и движений, «вызванных» колебаниями шатуна по заданному закону.
«Равновесное» движение звеньев получается наложением ограничения на перемещение «средней точки» шатуна строго по прямой, условно понижая степень свободы механизма на 1 (единицу).
a/к
На Фиг. 7 показана предполагаемая связь отклонения оси шатуна dG со скоростью тепловыделения K*dQ/dt, при максимальном отклонении от «равновесного» положения равном 0,5°. Возможный фазовый сдвиг зависимостей (запаздывание) порядка 10° п.к.в. Такие колебания шатуна «вызваны» колебаниями поршней, зависимости скорости которых представлены на Фиг. 8: а) «равновесные» движения (б/к); б) при наличии автоколебаний (а/к).
2
Движения поршней и шатуна происходят с изменением их кинетической энергии, при этом кинетическая энергия поршней пропорциональна их массе (0,6 кг каждого), а кинетическая энергия шатуна пропорциональна его моменту инерции (0,0325 кг*м). Кинетическая энергия шатуна от перемещения вдоль осей цилиндров не учитывается. Зависимости удельной (отнесенной к массе поршня) кинетической энергии представлены на Фиг. 9: а) «равновесные» движения; б) при наличии автоколебаний.
триг
С изменением кинетической энергии звеньев связана мощность сил инерции, положительная при убыли кинетической энергии и отрицательная при ее возрастании. На Фиг. 10 показаны зависимости мощности сил инерции, циркулирующей в звеньях механизма ДВС в связи с изменением их кинетической энергии. Как видно из Фиг. 10а значения мощности соизмеримы с цилиндровой мощностью, как и у традиционных ДВС. Однако, как видно из Фиг. 106, чтобы вывести термомеханическую систему из «равновесия» с предполагаемой амплитудой и частотой (5-кратной к частоте вращения к.в.) необходимо приложить мощность на порядок большую. Источник такой мощности отсутствует, следовательно, инерционность самого «энергоемкого» звена - шатуна естественным образом препятствует увеличению амплитуды и частоты колебаний звеньев ДВС с двумя степенями свободы. Таким образом реальные колебания звеньев механизма ДВС будут происходить с меньшей амплитудой и частотой равной частоте вращения коленчатого вала, поэтому их следует ассоциировать с дополнительной перекладкой шатуна в моменты перехода механизма через ВМТ(НМТ). Как указывалось ранее, ВМТ поршней разнесены на 12° п.к.в. относительно ВОМТ (180° п.к.в.). Такую перекладку шатуна в районе ВОМТ можно назвать «тригтерной», а предполагаемый закон изменения отклонения шатуна dG приведен на Фиг. 7. Расчет показывает, что «триггерная» перекладка шатуна с амплитудой 0,1° происходит при мощности сил инерции того же порядка, что и цилиндровая мощность ДВС.
На Фиг. 11 показано, в виде индикаторной диаграммы, влияние колебаний поршней на внутрицилиндровые процессы. Учет автоколебаний (а/к) поршней приводит к незначительному росту среднеиндикаторного давления с 0,96 МПа до 0,97 МПа, однако способствует снижению жесткости работы двигателя на 11%.
Таким образом предлагаемый двигатель обеспечивает достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности за счет применения эффективной прямоточной продувки, 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. Конструирование и расчет поршневых двигателей: учебник для вузов/ Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - 536 с.
2. Комбинированные двухтактные двигатели. Орлин А.С., Круглое М.Г., М., «Машиностроение», 1968, 576 с.
3. Пат. RU 2729562, 2020.
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Split-single_engine.
5. Pat. US 1476305, 1923.
6. Pat. US 2048243, 1936.
7. Pat. US 2443502, 1948.
8. Pat. US 2168096, 1939.
9. Pat. US 4079705, 1978.
10. Pat. US 5758611, 1998.