СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГАЗООБМЕНА В ДВУХТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ
METHOD OF GAS EXCHANGE IN TWO-STROKE ICE

Известен способ организации газообмена в двухтактном двигателе путем освобождения полости цилиндра от продуктов сгорания через выпускные органы газораспределения, выпуска их в атмосферу через выпускной коллектор с образованием волны давления, направленной в сторону цилиндра, для создания сопротивления движению подаваемого в полость цилиндра свежего заряда и уменьшения за счет этого прямого выброса свежего заряда в атмосферу (GB 2321498 А, опубл. 29.07.1998).
Недостатками известного способа являются малая эффективность возврата заряда в цилиндр, так как звуковая волна не имеет возможности изменить направление движения газов, движущихся в выпускном коллекторе. Кроме того, создание постоянного сопротивления движению газов в выпускном коллекторе препятствует как очистке цилиндра, так и вытеснению свежим зарядом продуктов сгорания из полости цилиндра и не позволяет в достаточной степени наполнить цилиндр двухтактного двигателя.
Известен способ работы двухтактного двигателя путем освобождения полости цилиндра от продуктов сгорания через выпускные органы газораспределения, выпуска их в атмосферу через выпускной коллектор с перекрытием проходного сечения выпускных каналов с целью предотвращения прямого выброса свежего заряда в атмосферу (см. заявку US 2003/0230258, опубл. 18.12.2003).
Эффективность данного способа выше, чем способа с волновым выпуском, однако увеличивается и сопротивление движению продуктов сгорания, так как золотник на большинстве режимов работы двигателя постоянно дросселирует сечение выпускного коллектора. Кроме того, появляются проблемы с термостойкостью золотникового органа, расположенного рядом с выпускными окнами, и уплотнением его привода.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ организации газообмена в двухтактном двигателе, заключающийся в том, что рабочую полость цилиндра освобождают от продуктов сгорания через выпускные окна, открываемые поршнем, с направлением их в атмосферу через выпускной коллектор, свежим зарядом продувают и наполняют полость цилиндра через продувочные окна, открываемые поршнем, перепускают часть свежего заряда, не препятствуя его движению, из полости цилиндра в выпускной коллектор вслед за продуктами сгорания с заполнением свежим зарядом части выпускного коллектора, затем перекрывают сечение выпускного коллектора золотниковым органом, синхронизированным с движением поршня, преграждая движение продуктам сгорания и повышая таким образом давление в выпускном коллекторе перед золотниковым органом по ходу движения газов из полости цилиндра, вытесняют свежий заряд, поступивший в выпускной коллектор, повышенным давлением газов перед золотниковым устройством обратно в направлении цилиндра и нагнетают свежий заряд из перекрытого золотниковым устройством выпускного коллектора в полость цилиндра через открытые выпускные окна за счет энергии продуктов сгорания, после чего закрывают продувочные и выпускные окна поршнем в начале такта сжатия (см. WO 2010/044703 А2, опубл. 22.04.2010).
Недостатком известного способа является малый промежуток времени, в течение которого возможно заполнение полости цилиндра через выпускные окна именно с целью наддува, а именно: после закрытия продувочных окон, что предотвращает в этом случае выход свежего заряда из цилиндра обратно через продувочные окна.
Техническим результатом заявленного изобретения является двигателя повышение удельной мощности двухтактного двигателя за счет повышения степени наддува при возврате свежего заряда, вышедшего из цилиндра при продувке, что позволяет осуществлять как дозарядку, так и наддув двухтактного двигателя без потерь заряда.
Поставленная задача достигается путем реализации способа организации газообмена в двухтактном двигателе, заключающегося в том, что полость цилиндра освобождают от продуктов сгорания через окна, открываемые поршнем, с направлением их в атмосферу через выпускной коллектор, свежим зарядом продувают и наполняют полость цилиндра после превышения величиной давления свежего заряда величины давления газов в выпускном коллекторе, причем во время продувки, по меньшей мере, часть свежего заряда направляют в полость цилиндра через выпускной коллектор, а часть свежего заряда направляют вслед за продуктами сгорания в выпускной коллектор с заполнением свежим зарядом части выпускного коллектора, затем перекрывают сечение выпускного коллектора золотниковым органом, синхронизированным с движением поршня, преграждая движение продуктам сгорания и повышая таким образом давление в выпускном коллекторе перед золотниковым органом по ходу движения газов из полости цилиндра, вытесняют свежий заряд, поступивший в выпускной коллектор, повышенным давлением газов перед золотниковым устройством обратно в направлении цилиндра и нагнетают свежий заряд из перекрытого золотниковым устройством выпускного коллектора в полость цилиндра через открытые окна за счет энергии продуктов сгорания, после чего закрывают окна поршнем в начале такта сжатия.
Поставленная задача достигается также тем, что часть выпускного коллектора выполняют в виде кольцевого канала вокруг пояса выпускных окон, а свежий заряд подают в указанный кольцевой канал, по меньшей мере, через один запорный орган.
Поставленная задача достигается также тем, что, по меньшей мере, одно окно цилиндра выполняют продувочным, через которое подают часть свежего заряда непосредственно в цилиндр после начала выпуска продуктов сгорания из цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что свежий заряд во время продувки подают из подпоршневой камеры.
Поставленная задача достигается также тем, что свежий заряд во время продувки подают по продувочным каналам из подпоршневой камеры.
Поставленная задача достигается также тем, что свежий заряд в выпускной коллектор подают через впускной канал при помощи нагнетателя.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 показан вариант выполнения двухтактного двигателя с подпоршневой продувкой, в котором реализуется заявленный способ работы;
на фиг.2 - вариант с подачей свежего заряда при помощи нагнетателя;
на фиг.3 - вариант с подачей свежего заряда при помощи нагнетателя и подпоршневой продувкой;
на фиг.4 - то же, разрез А-А на фиг.3;
на фиг.5-7 показана последовательность операций газообмена в варианте двигателя, показанного на фиг.1, при этом на фиг.5 - момент открытия поршнем окон и начало свободного выпуска продуктов сгорания;
на фиг.6 - конец свободного выпуска и начало подачи свежего заряда в полость цилиндра через выпускной коллектор;
на фиг.7 - перекрытие золотником выпускного коллектора и возврат поданного в выпускной коллектор свежего заряда перед закрытием поршнем окон.
Заявленный способ реализуется в двигателе, содержащем поршень 1, установленный в цилиндре 2 с образованием рабочей полости 3. Поршень 1 управляет открытием и закрытием, по меньшей мере, окон 4, сообщающихся с выпускным коллектором 5. Поршень 1 связан с приводным валом (на чертежах не показан) при помощи шатуна или штока 6. Поршень 1 может быть установлен с образованием подпоршневой камеры 7 переменного объема. В этом случае продувка полости 3 цилиндра 2 осуществляется путем вытеснения свежего заряда из подпоршневой камеры 7 по продувочным каналам 8 через запорные органы 9, полость выпускного коллектора 5 и окна 4. Запорные органы 9 в этом случае могут быть выполнены в виде самодействующих клапанов. Либо сжатый заряд подается нагнетателем (на чертежах не показан) по впускному каналу 10 в выпускной коллектор 5 через запорный орган 9, выполненный, например, в виде дискового золотника.
В варианте выполнения двигателя по пункту 4 формулы изобретения (фиг.3) часть окон 4 выполняет функции продувочных окон, тогда часть свежего заряда при продувке может подаваться непосредственно в полость 3 через продувочные окна 11 по продувочным каналам 8 либо из подпоршневой камеры 7, либо из впускного канала 10.
В выпускном коллекторе 5 установлено золотниковое устройство, например, вращающийся диск 12 с вырезом для прохода газов, с возможностью перекрытия сечения выпускного коллектора 5 на заданное время. Диск 12 золотника кинематически связан с приводным валом (на чертежах не показан). В варианте выполнения, показанном на фиг.2-4, функции диска 12 золотника и запорного органа 9 могут выполняться одним устройством.
Нагнетатель может подавать свежий заряд также в подпоршневую камеру 7 и непосредственно к продувочным окнам 11.
Двигатель, в котором реализуется заявленный способ, работает следующим образом.
Свежий заряд подается в подпоршневую камеру 7 либо под действием разрежения, создаваемого движущимся к ВМТ поршнем 1, либо под избыточным давлением, создаваемым нагнетателем. В конце такта расширения поршень 1 открывает окна 4, и начинается свободный выпуск продуктов сгорания в выпускной коллектор 5 (фиг.5). Так как выпуск осуществляется через все открываемые поршнем 1 окна 4, расположенные, практически по всему кольцевому поясу цилиндра 2, то реализуется максимально возможное время-сечение свободного выпуска. В этом случае полость 3 цилиндра 2 освобождается от продуктов сгорания с максимально возможной скоростью, что позволяет не только полностью ее очистить, но и создать разрежение (эффект Каденаси) для увеличения перепада давления между полостью 3 и подпоршневой камерой 7 или впускным каналом 10 с нагнетателем (при отсутствии подпоршневой камеры 7).
После окончания свободного выпуска давление в выпускном коллекторе 5 падает, и свежий заряд после открытия запорных органов 9 наполняет выпускной коллектор 5 и попадает в полость 3 через окна 4 (через которые осуществлялся выпуск). Так как в полости 3 после выпуска разрежение, то большая часть свежего заряда заполняет ее. Оставшаяся часть свежего заряда устремляется вслед за продуктами сгорания по выпускному коллектору 5 также под действием разрежения.
В конце наполнения полости 3, при реализации заявленного способа, на значительном удалении от цилиндра 2 выпускной коллектор 5 перекрывают диском 12 золотника (фиг.7), преграждая путь продуктам сгорания, покинувшим полость 3. При этом давление в перекрытом выпускном коллекторе 5 возрастает, препятствуя движению вышедшего из полости 3 свежего заряда по выпускному коллектору 5. Более того, давление продуктов сгорания в выпускном коллекторе 5 выдавливает свежий заряд обратно в полость 3.
К этому моменту окна 4 еще не закрыты поршнем 1, перешедшим НМТ, поэтому свежий заряд подается из выпускного коллектора 5 в полость 3 через окна 4 под давлением. Так как полость 3 наполняется одновременно через все окна 4, закрываемые в начале сжатия поршнем 1, то создаются все условия для наддува полости 3 цилиндра 2 двухтактного двигателя при помощи устройства, являющегося, по сути, волновым обменником давления. Наличие при этом запорных органов 9 препятствует перепуску свежего заряда из выпускного коллектора 5 обратно либо в подпоршневую камеру 7, либо во впускной канал 10.
В варианте выполнения двигателя с подачей части свежего заряда непосредственно в полость 3 через продувочные окна 11 начало повышения давления нагнетаемого через окна 4 заряда настраивают на момент закрытия поршнем 1 продувочных окон 11 с целью уменьшения обратного перетекания заряда из полости 3.
При таком подходе к продувке двухтактного двигателя нет необходимости решать проблемы, связанные с выбором углов направления продувочных каналов к цилиндру 2 (возникающие при проектировании известных двигателей) для предотвращения выноса свежего заряда в выпускной коллектор и перемешивания свежего заряда с продуктами сгорания.
При реализации заявленного способа работы надо лишь обеспечить минимальное сопротивление проходу свежего заряда в уже пустую полость 3 цилиндра через окна 4 и 11.
Таким образом, ускоренная очистка полости 3 цилиндра 2 через максимально возможное сечение окон позволяет сократить время выпуска и лучше очистить полость 3 от продуктов сгорания. Оставшееся на газообмен время используется для наполнения и наддува полости 3 без больших потерь свежего заряда. Реализация заявленного изобретения позволяет:
- повысить удельную мощность двигателя за счет возможности осуществления наддува двухтактного двигателя без потерь заряда при большем фактическом время-сечении подачи свежего заряда в цилиндр;
- повысить надежность и ресурс двигателя путем снижения тепловой напряженности цилиндропоршневой группы и органов выпуска за счет прохождения части холодного свежего заряда через выпускные окна, как выходящего из цилиндра при продувке, так и в обратном направлении при возврате вышедшей из цилиндра части свежего заряда;
- снизить токсичность продуктов сгорания, как вследствие предотвращения прямых потерь топлива и масла, так и за счет снижения расхода масла вследствие снижения тепловой напряженности цилиндропоршневой группы.