Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания
TWO-STROKE RECIPROCATING 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].
В связи с интенсивным развитием гибридных силовых установок для автомобильного транспорта, ДВС получают роль вспомогательного источника механической энергии, используемой непосредственно для передачи в трансмиссию или для привода электрогенератора. Это обстоятельство выдвигает дополнительное требование к улучшению массо-габаритных показателей ДВС. Наилучшие массо-габаритные показатели имеют 2-х тактные ДВС и в частности ДВС с противоположно движущимися поршнями (ПДП/ «opposed piston engine»). Обзор конструкций подобных ДВС представлен в [2]. Наиболее совершенный авиационный двигатель Junkers Jumo-207 с ПДП, выпускавшийся с 1938 года имел значение удельной мощности 42 кВт/л. В настоящее время возвращается интерес к двигателям с ПДП: авиационный дизель «Gemini-100» (S/D=2×72/69) с удельной мощностью 46 кВт/л [3]; дизель автомобиля Ford F-150 (S/D=2×88,5/80) с удельной мощностью 73 кВт/л [4]. Указанные двигатели с ПДП имеют исполнение с двумя коленчатыми валами связанными зубчатой передачей, которая задает фиксированное по углу поворота рассогласование коленчатых валов. Изменением углового рассогласования коленчатых валов возможно изменять как фазы газораспределения, так и степень сжатия, однако устройство рассогласования должно пропускать через себя до половины мощности двигателя, что сделает такое устройство инерционным и энергоемким.
Известен двухтактный дизельный двигатель с ПДП [5], в котором применен механизм преобразования во-взвратно-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 благо-прятный 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.
Известен ДВС с ПДП [6], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является то, что поршни двигателя связаны с поршнями воздушного компрессора, обеспечивающего продувку, что дополнительно исключает возникновение силы бокового давления на стенки цилиндра. Для сопряжения коромысла с поршнем использована кинематическая пара типа «шарнир-ползун». Шейки шарниров, на которых качаются кормысла, связаны разгрузочной штангой («stress member») из высокопрочной стали, чем компенсируются встречные нагрузки, уменьшается передача нагрузок на корпус двигателя и что позволяет выполнить его из легких сплавов. К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции и невозможность воздействия на рабочий процесс.
Известен ДВС с ПДП [7], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является размещение коромысел на эксценриках, которые могут поворачиваться от механического привода, управляемого компьютером. Конструкция ДВС позволяет изменять степень сжатия в автоматическом режиме в соответствии с нагрузкой. К недостаткам конструкции указанного ДВС следует отнести ограниченность воздействия на рабочий процесс лишь через изменение степени сжатия.
Известен также двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания и способ его работы [8]. В указанном ДВС с ПДП для преобразования во-взвратно-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. Указанный ДВС содержит 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 двух коромысел шарнирно связанных через шток с каждым из поршней, при этом коромысла качаются на двухподвижных шарнирах, выполненных в виде двухподвижной кинематической пары вращательно-поступательного или вращательно-вращательного типа.
Механизм преобразования движения поршней, содержащий коромысла, пригоден для оперативного воздействия на величину степени сжатия путем изменения положения центра качания коромысла (одного или обоих) как в [7], однако различия в принципах функционирования двухподвижных кинематических пар вращательно-поступательного и вращательно-вращательного типа позволяет использовать их сочетания для получения наилучшего механизма управления степенью сжатия / расширения.
Указанный в [8] 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, двухподвижных шарниров вращательно-поступательного типа и вращательно-вращательного в различных сочетаниях, применения механизма изменения степени сжатия / расширения, а значит топливной экономичности и надежности ДВС.
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 с 2 (двумя) степенями свободы 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 двухподвижных шарнирах, центры вращения двухподвижных шарниров имеют возможность управляемого смещения, например в направлении параллельном оси блока цилиндров, для изменения степени сжатия и степени расширения.
Отличия заявляемого двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания от прототипа можно видеть из их анализа как механизмов с 2-мя степенями свободы.
У прототипа двухподвижные кинематические пары 4-го класса установлены в центрах качания коромысел. Схема такого механизма представлена на Фиг. 1а.
Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:
5
4
w=3n-2p-p
n=8 - число подвижных звеньев;
5
р=10 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса;
4
р=2 - число двухподвижных кинематических пар 4-го класса.
w=3*8-2*10-2=2
На Фиг. 1б показана замена правого двухподвижного шарнира дополнительным коромыслом 10к, относительно которого может скользить коромысло 4, и левого двухподвижного шарнира дополнительным звеном 9е (эксцентриситет), что также обеспечивает 2-ю степень свободы и говорит об эквивалентности схем «а» и «б»:
n=10 - число подвижных звеньев;
5
p=14 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса
5
w=3n-2p=3*10-2*14=2
5
5
5
5
На Фиг. 1в показана возможность модификации схемы «б» с целью изменения степени сжатия / расширения за счет однонаправленного смещения центров вращения шарнирных валов путем связывания их дополнительным звеном 11 - разгрузочной штангой и управления ее положением с помощью дополнительного звена 12. Звено 11 перемещается в направляющих (кинематическая пара р), а звено 12 имеет связь с шарнрным валом (кинематическая пара р) и заканчивается винтовой парой (кинематическая пара р). Таким образом в схему «в» добавлено 2 (два) подвижных звена n=10+2 и 3 (три) кинематических пары р=14+3. Число степеней свободы плоского механизма по схеме «в»:
5
w=3n-2p=3*12-2* 17=2,
что говорит об эквивлентности схем «а» и «в», но с возможностью воздействия на винтовую пару для изменения степени сжатия / расширения.
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 предлагаемого ДВС (Фиг. 1б и 1в).
На Фиг. 2 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС с регулируемой степенью сжатия за счет смещения шарнирного вала (правого).
На Фиг. 3 показано влияние смещения центра качания коромысла (правого) на степень сжатия / расширения.
На Фиг. 4 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС с регулируемой степенью сжатия за счет смещения шарнирного вала (правого).
На Фиг. 5 показано влияние смещения центра качания коромысла (правого) на степень сжатия / расширения.
На Фиг. 6 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС с регулируемой степенью сжатия за счет смещения шарнирных валов разгрузочной штангой.
На Фиг. 7 показано влияние смещения центров качания коромысел на степень сжатия / расширения.
На Фиг. 8 показан закон изменения суммарного хода поршней от угла п.к.в. и сравнение его с таковым для традиционного ДВС с ПДП с двумя криво-шипно-шатунными механизмами.
На Фиг. 9 показана зависимость текущей степени расширения от угла п.к.в. для традиционного и предлагаемого ДВС.
На Фиг. 10 показано различие в протекании рабочего процесса традиционного и предлагаемого ДВС.
На Фиг. 11 показано влияние степени сжатия на протекание рабочего процесса при ограничении максимального давления сгорания.
На Фиг. 12 показано влияние смещения центров качания коромысел на фазы газораспределения.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в виде устройств, изображенных на Фиг. 2, 4 и 6. 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 трехшарнирного шатуна 2. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя двухподвижными шарнирами, образованными шарнирными валами 9 и 10 с соответствующими надстройками призматической формы в случае пары «шарнир-ползун», или эксцентрика в случае пары «шарнир-шарнир». Могут быть использованы двухподвижные шарниры одного типа или в сочетаниях разных типов. Изменение степени сжатия / расширения производится внешним устройством типа линейного актуатора 25. Для этого с шарнирным валом 10 связан шток 22, который взаимодействует с линейным актуатором 25. Под линейным актуатором понимается любое быстродействующее устройство электро-механического (шарико-винтовая передача, планетарная винтовая передача), электро-гидравлического и прочего типа, способное позиционировать шток 22.
Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.
В положении механизма в районе объемной НМТ (как на Фиг. 2) из воздушного коллектора 14 через продувочные окна 12 воздух поступает в цилиндр 16 и вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 11 в выпускной коллектор 13. При вращении кривошипа 1 (по часовой стрелке) первыми закрываются выпускные окна 11 и происходит наддув воздуха. Далее закрываются продувочные окна 12 и начинается процесс сжатия воздушного заряда. В варианте дизельного рабочего процесса с воспламенением от сжатия в районе объемной ВМТ (ВОМТ) топливо подается чрез форсунку 15 в камеру сгорания, образованную днищами поршней 7 и 8, и стенками цилиндра 16. В варианте рабочего процесса с внешним смесеообразованием и принудительным зажиганием форсунка (не показана) может быть расположена перед продувочными окнами 12. После прохождения поршнями 7 и 8 ВОМТ завершается процесс сгорания топлива и начинается процесс расширения газов с совершением полезной работы. Не доходя до геометрической НМТ поршня 7 открываются выпускные окна 11 и начинается свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 13. Далее, не доходя до геометрической НМТ поршня 8 открываются продувочные окна 12 и начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.
Наличие двух шарниров в головке шатуна 2 для связи с коромыслами 3 и 4 приводит к тому, что при наклоне шатуна 2, вызванного вращением шейки кривошипа 1, в любой момент, кроме объемных НМТ и ВМТ, возникает асимметрия в угловых скоростях коромысел 3 и 4: одно ускоряется, другое замедляется. Также возникает асимметрия сил (по величине и направлению), приложенных к головке шатуна 2 со стороны коромысел 3 и 4, даже при одинаковых силах, действующих на коромысла 3 и 4 со стороны штоков 5 и 6. Это, в свою очередь, побуждает центр головки шатуна 2 отклоняться от некоторого «равновесного» положения, находящегося на вертикальной прямой, проходящей через центр камеры сгорания и центр вращения кривошипа 1, а само отклонение возможно при любом фиксированном положении кривошипа 1. 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 [8], однако при первичном рассмотрении преимуществ предлагаемого ДВС можно пренебречь такими эффектами и, наложив ограничение на перемещение головки шатуна строго по прямой, условно понизить степень свободы механизма на 1 (единицу).
Изменение степени сжатия / расширения возможно как смещением одного шарнирного вала 10 (например, правого как на Фиг. 2 и Фиг. 4) или одновременно и однонаправленно двух шарнирных валов 9 и 10 как на Фиг. 6.
Как видно на Фиг. 2 и Фиг. 4 шейка шарнирного вала 10 охватывается парой сухарей 20, которые перемещаются в направляющих опоры 18 по линии параллельной оси цилиндра 16.
Кинематические пары «шарнир-ползун» и «шарнир-шарнир» по-разному (противоположно) влияют на изменение степени сжатия / расширения при одинаковых по величине и направлению смещениях центров качания коромысел. Поэтому целесообразно использовать такую комбинацию двухподвижных шарниров (как на Фиг. 6), при которой однонаправленное смещение центров качания коромысел дает максимальное изменение степени сжатия / расширения.
Как видно на Фиг. 6 шейки шарнирных валов 9 и 10 охватываются парами сухарей 19 и 20 соответственно, которые перемещаются в направляющих опор 17 и 18 по линии параллельной оси цилиндра 16. Разгрузочная штанга 21 имеет на концах кольцевые проушины 23 и 24, которые охватывают шейки шарниров валов 9 и 10.
При малых нагрузках и при пуске ДВС желательна работа с максимальной степенью сжатия. Для этого линейный актуатор 25 переводит центры качания кормысел 3 и 4 в крайнее (правое на Фиг. 6) положение, при котором параметр Х=max. При увеличении нагрузки необходимо при большей цикловой подаче топлива увеличить и подачу воздуха, что означает увеличение давления наддува (продувки). Для ограничения максимального давления сгорания следует уменьшить степень сжатия, для чего линейный актуатор 25 переводит центры качания кормысел 3 и 4 влево; в случае максимальной нагрузки в крайнее (левое на Фиг. 6) положение, при котором параметр Х=0. В силу симметрии механизма, реакции от нагрузок, приложенных к шейкам шарнирнирных валов 9 и 10 со стороны коромысел 3 и 4, почти полностью взаимно уравновешиваются в штанге 21, поэтому управляющее усилие на шток 22 со стороны линейного актуатора 25 не велико и управление степенью сжатия может производиться в динамическом режиме в соответствии с нагрузкой двигателя.
Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.
e
В качестве аналога взят ДВС спортивного самолета, 3-х цилиндровый дизельный двигатель с ПДП «Gemini-100» с S/D=2×72/69, мощностью N=75 кВт, при частоте вращения коленчатого вала n=4000 об/мин, с удельной мощностью 46 кВт/л.
Исходные данные:
1. Мощность - 90 кВт (2 цилиндра)
2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин
3. Ход поршня - 90 мм
4. Диаметр цилиндра - 80 мм
5. Радиус кривошипа - 45 мм
6. Длина шатуна - 90 мм
7. Степень сжатия (геометрическая) - 20
8. Степень сжатия (действительная) - 16
9. Давление продувочного воздуха - 0,12 МПа (минимальное)
10. Коэффициент избытка воздуха - 1,7
вып
впуск
пдп
трад
Асимметрия зависимостей хода поршней S и S от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ (180° п.к.в.) и их фазовый сдвиг (60° п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней S от угла п.к.в. в районе ВОМТ является гораздо более пологой, чем у ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом S, как показано на Фиг. 8, а также проявляется в том, что изменение объема (степени расширения) над-поршневого пространства у предлагаемого ДВС происходит медленней чем у традиционного (см. Фиг. 9). У традиционного ДВС положению кривошипа при 180° п.к.в. соответствует положение поршня в ВМТ, которое совпадает с ВОМТ. У заявляемого ДВС возможно смещение ВОМТ за пределы 180° п.к.в. на величину 5-6° п.к.в. 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 (60° п.к.в.) также является благопрятным для осуществления прямоточной продувки в процессе газообмена.
z
ос
Для выявления преимуществ заявляемой конструктивной схемы ДВС с ПДП по сравнению с традиционной была выполнена серия расчетов рабочего процесса с целью сравнения индикаторных показателей (к.п.д., среднее давление). В качестве модельного варианта традиционного ДВС с ПДП был принят двигатель с двумя коленчатыми валами, смещенными на 10° п.к.в. с тем же рабочим объемом, объемом камеры сгорания (КС), действительной степенью сжатия . В расчетах использовались одинаковые режимные параметры: цикловая подача топлива, коэффициент избытка воздуха, давление и температура продувочного воздуха. Процесс сгорания рассчитывался с использованием модели И.И. Вибе с m=0,55 и ϕ=65° п.к.в., опережение начала сгорания ϕ=5° п.к.в. до ВОМТ, теплопередача по формулам Г. Вошни.
i
i
Как видно из Фиг. 10 при одинаковых давлениях начала сгорания, в предлагаемом ДВС максимальное давление сгорания выше чем в традиционном ДВС благодаря меньшей скорости изменения объема надпоршневого пространства. Среднее индикаторное давление P=0,95 МПа у предлагаемого ДВС выше чем у традиционного P=0,9 МПа на 5%, что означает его повышенную топливную экономичность.
c
На Фиг. 3, 5 и 7 показано влияние регулировочного параметра X (смещение центра качания) на изменение степени сжатия / расширения, из которого следует, что уменьшение степени сжатия происходит в основном за счет увеличения объема V камеры сгорания (в ВОМТ), который приведен к объему в ВОМТ при степени сжатия  (принят за 1).
На Фиг. 12 показано, что изменение степени сжатия с 16 до 10 за счет уменьшения параметра Хот 3 до 0 мм вызывает изменение фаз газораспределения: на 1,5° п.к.в. раньше открываются выпускные окна и на 4° п.к.в. позже закрываются продувочные окна, при этом общая продолжительность газообмена увеличивается с 130° до 135,5° п.к.в., что благоприятно при увеличенном расходе воздуха
max
У ДВС с переменной степенью сжатия (Prius, Toyota) работающих по циклу Аткинсона-Миллера и использующих механизм регулируемых фаз газораспределения (VVT - «variable valve timing») позднее закрытие впускных клапанов приводит к выталкиванию части воздушного заряда (или топливо-воздушной смеси) обратно во впускной коллектор, что неизбежно приводит к снижени удельной мощности двигателя. В предлагаемом двигателе механизм изменения степени сжатия иной: одновременно с уменьшением хода поршней происходит увеличение объема камеры сгорания в ВОМТ. Это позволяет не только не снижать удельную мощность при уменьшении степени сжатия, а наоборот, увеличивать ее. Из Фиг. 11 видно, что уменьшение степени сжатия с 16 до 10 при увеличенном давлении продувки с 0,12 до 0,18 МПа и ограничении по максимальному давлению сгорания P=13 МПа позволяет увеличить среднее индикаторное давление Р, с 0,95 до 1,35 МПа, что при частоте вращения к.в. 4000 об/мин и механическом к.п.д. 0,82 означает получение удельной мощности от 52 до 74 кВт/л.
Таким образом предлагаемый двигатель обеспечивает 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. 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. https://www.geminidiesel.aero
4. https://www.achatespower.com
5. Pat. US 2237113, 1941
6. Pat. US 2730087, 1956
7. Pat. US 9359896, 2016
8. Заявка №2019125930/20(050843) от 15.08.2019 (решение о выдаче патента от 27.05.2020)