Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в производстве двухтактных двигателей внутреннего сгорания.
Известен «Двигатель внутреннего сгорания», содержащий первый цилиндр, выполненный с рабочим объемом и диаметром, превышающими рабочий объем и диаметр второго цилиндра, выполненного в головке первого цилиндра, первый и второй поршни, размещенные в соответствующих цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненные соответственно с разными диаметрами, средство для подачи воздуха в первый цилиндр во время хода впуска его поршня, средство для подачи топлива во второй цилиндр, камеру сгорания, выполненную во втором поршне и сообщенную при помощи первого отверстия, выполненного в боковой стенке второго поршня, с первым цилиндром и при помощи второго отверстия с вторым цилиндром, причем второй поршень выполнен за одно с первым в виде выступа на днище последнего с возможностью входа второго поршня во второй цилиндр при положении первого поршня в нижней мертвой точке, отличающийся тем, что он снабжен управляемым средством перепуска воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, минуя камеру сгорания и способствуя перемещению топливовоздушной смеси из второго цилиндра в камеру сгорания к концу хода сжатия, а нижняя кромка первого отверстия смещена в осевом направлении от днища первого поршня (патент РФ на изобретение №2084650, МПК: F02B 19/00, опубл. 20.07.1997).
Известен «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», содержащий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочное и выпускное окна, поршень с жаропрочной вставкой в днище, кинематически связанный с коленчатым валом, и нагнетатель, отличающийся тем, что в головке рабочего цилиндра помещена вставка из жаропрочного материала с низкой теплопроводностью, в которой выполнена камера сгорания цилиндрической формы, отношение диаметра камеры сгорания к ее длине находится в пределах от 0,1 до 0,15, в торце камеры сгорания помещена топливная форсунка и зазор между головкой цилиндра и поршнем в положении верхней мертвой точки составляет от 0,8 до 1,0% от величины хода поршня (патент РФ на изобретение №2459094, МПК: F02B 23/02, опубл. 20.08.2012).
Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения является «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», содержащий ступенчатый цилиндр, в котором установлен с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра ступенчатый поршень, делящий цилиндр на нагнетательную полость и рабочую полость, впускной канал, расположенный в стенке нагнетательной полости, выхлопной канал, выполненный в стенке рабочей полости, систему впрыска топлива, раздаточный вал, связанный с поршнем механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное раздаточного вала, отличающийся тем, что в нем выполнен перепускной канал, вход в который расположен в нагнетательной полости, выход - в рабочей полости, при этом нагнетательная полость выполнена предпоршневой и имеет объем, больший, чем рабочая полость (патент РФ на изобретение №2188959, МКИ: F02B 33/14, опубл. 10.09.2002).
К техническому результату относится повышение КПД двигателя путем увеличения степени сжатия в камере сгорания за счет естественного поступления воздуха во всасывающую полость цилиндра двигателя, так как при движении двухступенчатого поршня в двухступенчатом цилиндре создается искусственное разрежение, а наличие и расположение впускных и перепускных окон в рабочей и всасывающей полостях позволяет эффективно осуществить процесс естественного поступления воздуха.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит ступенчатый цилиндр, в котором установлен с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра ступенчатый поршень с компрессионными кольцами, делящий цилиндр на две полости. Одна из которых кольцевая боковая, в стенках которой выполнены впускные окна, является рабочей. Вторая - надпоршневая полость выполнена с выхлопным каналом. Ступенчатый поршень в верхней части снабжен компрессионным кольцом. Надпоршневая полость выполнена как всасывающая и снабжена перепускными окнами, выполненными как боковые проточки в компрессионном кольце ступенчатого поршня. При этом выхлопной канал, связывающий всасывающую полость с атмосферой, снабжен обратным клапаном. Впускные окна рабочей полости расположены под углом 45° к цилиндрической стенке рабочей полости в плоскости поперечного сечения. Кроме того, объемы всасывающей и рабочей полостей соотносятся между собой как (3-4):1.
Фиг. 1 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания - чертеж - схема (разрез по вертикальной оси - поршень в нижней мертвой точке).
Фиг. 2 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания - чертеж - схема (разрез по вертикальной оси - поршень в верхней мертвой точке).
Фиг 3 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания - чертеж - схема компрессионного кольца с проточками - вид сверху.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания согласно фиг. 1 и 2 содержит ступенчатый поршень 1, установленный с возможностью перемещения вдоль оси ступенчатого цилиндра 2. Надпоршневая полость 3 совместно с перепускным каналами 4, выполненными в виде проточек в компрессионном кольце 5, и выхлопным каналом 6 с обратным клапаном 7 выполняет функцию всасывающей полости и поршневого детандера (охладителя). Боковая кольцевая цилиндрическая полость с впускными каналами 8 образует рабочую полость 9. Объем всасывающей полости 3 в 3-4 раза больше объема рабочей полости 9. Камера сгорания 10 имеет кольцевую форму и обеспечивает степень сжатия Е=64-80. Топливная форсунка 11 снабжена распыливающим отверстием, направленным по касательной к кольцу, образующему камеру сгорания 10 в сторону направления воздушного вихря, циркулирующего в камере сгорания 10. Компрессионное кольцо 5 выполняется в соответствии с патентом №246500. Система охлаждения поршня 1 маслом из специальной форсунки одновременно служит для смазки кольца 5 через каналы 12. Впускные окна 8 выполняются под углом 45° к цилиндрической стенке рабочей полости в плоскости поперечного сечения. Охлаждение двигателя осуществляется обдувом вентилятором, маслом системы смазки и всасывающим цилиндром 3, выполняющим роль поршневого детандера (охладителя).
Двигатель работает следующим образом: поршень 1 движется к нижней мертвой точке (фиг. 1): в рабочей камере 9 происходит адиабатное (без притока тепла) расширение горячих газов и за счет этого снижение температуры. В надпоршневой всасывающей камере 3 создается вакуум (обратный клапан 7 закрыт), температура в камере 3 понижается пропорционально степени разрежения. Нижняя мертвая точка (фиг. 1): в рабочей камере 9 давление и температура падают, в отсасывающей камере 3 - вакуум достаточно высокой степени. В рабочую камеру 9 через окна 8 поступает свежий воздух, отработавшие газы из рабочей камеры 9 через открытые перепускные каналы 4 перетекают во всасывающую полость 3.
Поршень 1 движется к верхней мертвой точке: (фиг. 2) в рабочей камере 9 сжимается воздух, поднимается температура. В связи с тем что впускные окна 8 выполнены под углом 45°, сжимаемый воздух приобретает вращательное движение, ускоряющееся по мере сжатия, отсасывающая полость 3 через открытый обратный клапан 7 освобождается от выхлопных газов, температура которых менее 100°С, в то время как у обычных двигателей достигает 600°С.
Верхняя мертвая точка (фиг. 2). Форсункой 11 впрыскивается топливо, которое подхватывается вихревым потоком воздуха, сгорание происходит в объеме всей кольцевой камеры сгорания в течение короткого времени (0,001 сек). Температура сгорания превышает температуру плавления стенок камеры сгорания, выполненных из жаропрочного материала, аналогичного тому, из которого выполняются выхлопные клапаны дизельных двигателей, стенки камеры сгорания при этом не успевают перегреваться, а при каждом последующем просасывании трех-четырех объемов воздуха даже охлаждаются, этому способствует и то, что всасывающая камера 3 выполняет роль поршневого детандера (охладителя).
Предложенная конструкция двухтактного двигателя позволяет с помощью ее модернизировать любой четырехтактный дизельный двигатель, что позволяет уменьшить в два раза удельный расход топлива за счет увеличения степени сжатия при сохранении всех остальных параметров, в том числе нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, мощности и ресурса.
Предложенное в качестве изобретения техническое решение позволяет добиться повышения КПД двигателя путем увеличения степени сжатия в камере сгорания за счет естественного поступления воздуха во всасывающую полость цилиндра двигателя, так как при движении двухступенчатого поршня в двухступенчатом цилиндре создается искусственное разрежение.