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

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к двухтактным двигателям внутреннего сгорания.
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 опуб., 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 США 2003/0230258, опуб. 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, опуб., 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 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 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, причем в период перед закрытием поршнем продувочных окон временно, по крайней мере, до момента закрытия поршнем продувочных окон, повышают давление в районе продувочных окон снаружи цилиндра, ограничивая таким образом выпуск свежего заряда из полости цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что могут осуществлять продувку путем подачи свежего заряда в полость цилиндра из подпоршневой камеры переменного объема, сообщенной с продувочными окнами посредством продувочных каналов, при этом повышают давление в районе продувочных окон снаружи цилиндра путем подачи нагнетаемого из выпускного коллектора свежего заряда дополнительно в подпоршневую камеру, сообщенную с выпускным коллектором посредством канала с установленным в нем запорным органом, либо могут осуществлять продувку путем подачи свежего заряда в полость цилиндра через продувочные окна из продувочной камеры постоянного объема, сообщенной с нагнетателем при помощи впускного канала с установленным в нем запорным органом, при этом повышают давление в районе продувочных окон снаружи цилиндра путем подачи нагнетаемого из выпускного коллектора свежего заряда дополнительно в продувочную камеру.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 показан вариант двигателя с подпоршневой продувкой, в котором реализуется заявленный способ;
На фиг.2 - то же, вариант двигателя с продувкой, осуществляемой при помощи нагнетателя;
На фиг.3-6 показана последовательность операций газообмена в варианте двигателя, показанного на фиг.1, при этом на фиг.3 - момент открытия поршнем выпускных окон и начало свободного выпуска продуктов сгорания;
На фиг.4 - конец свободного выпуска и начало продувки полости цилиндра через открываемые поршнем продувочные окна;
На фиг.5 - перекрытие золотником выпускного коллектора и начало обратного движения части продуктов сгорания в сторону полости цилиндра;
На фиг.6 - возврат выпущенного из цилиндра свежего заряда перед закрытием поршнем продувочных и выпускных окон.
Заявленный способ реализуется в двигателе, содержащем поршень 1, установленный в цилиндре 2 с образованием рабочей полости 3. Поршень 1 управляет открытием и закрытием выпускных окон 4 и продувочных окон 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 продувочные окна 5.
Продувка может также осуществляться путем подачи свежего заряда под давлением при помощи нагнетателя (на чертежах не показан) по впускному каналу 9 к продувочным окнам 5 через продувочную камеру 10, сообщающуюся с рабочей полостью 3 только через продувочные окна 5. На входе впускного канала 9 в продувочную камеру 10 установлен запорный орган, например, обратный клапан 11. Причем нагнетатель может быть использован также и в варианте двигателя с продувкой из подпоршневой камеры 7.
Выпускные окна 4 сообщены с выпускным коллектором 12, в котором установлено золотниковое устройство, например, вращающийся диск 13 с вырезом для прохода газов, с возможностью перекрытия сечения выпускного коллектора 12 на заданное время. Диск 13 золотника кинематически связан с приводным валом (на чертежах не показан).
Выпускной коллектор 12 сообщен либо с подпоршневой камерой 7, либо с продувочной камерой 10 при помощи перепускного канала 14, в котором установлен запорный орган, например, перепускной клапан 15, который может быть выполнен как управляемым, так и самодействующим.
Двигатель может содержать нагнетатель (на чертежах не показан), подающий свежий заряд либо в один из впускных каналов, либо в оба.
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. Из подпоршневой камеры 7 свежий заряд подается по продувочным каналам 8 к продувочным окнам 5. Либо свежий заряд подается нагнетателем под давлением в продувочную камеру 10, например, выполняющую функции продувочного ресивера.
В конце такта расширения поршень 1 открывает сначала выпускные окна 4, и начинается свободный выпуск продуктов сгорания в выпускной коллектор 12 (фиг.3). Причем конструктивным путем достигается 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 9, непосредственно подающим свежий заряд от нагнетателя. 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 по продувочным каналам 8 и через окна 5 и 4 в выпускной коллектор 12.
После окончания свободного выпуска поршнем 1 открываются продувочные окна 5, и начинается наполнение полости 3 свежим зарядом либо из подпоршневой камеры 7, либо из продувочной камеры 10 при открытых выпускных окнах 4 (фиг.4). Полость 3 наполняется до тех пор, пока свежий заряд не начнет выходить через выпускные окна 4 (фиг.5) в выпускной коллектор 12.
Надо отметить, что направление выхода продувочных каналов в полость 3 под углом к поверхности цилиндра 2 в любой плоскости приводит к снижению расхода свежего заряда при продувке.
Свободному наполнению полости 3 цилиндра 2 препятствует также любое дросселирование выпускного коллектора (очень распространенный в современном уровне техники прием) для уменьшения прямых потерь свежего заряда. В этой связи надо заметить, что использование волновых резонаторов в выпускной системе является малоэффективным и не способствует возврату в полость цилиндра уже вышедшего из него свежего заряда. По сути это то же дросселирование в районе выпускных окон, но в расчетный кратковременный период.
В конце наполнения полости 3, при реализации заявленного способа, на значительном удалении от цилиндра 2 выпускной коллектор 12 перекрывают диском 13 золотника (фиг.5), преграждая путь продуктам сгорания, покинувшим полость 3. При этом давление в перекрытом выпускном коллекторе 12 возрастает, препятствуя движению вышедшему из полости 3 свежего заряда по выпускному коллектору 12. Более того, давление продуктов сгорания в выпускном коллекторе 12 выдавливает свежий заряд обратно в полость 3 (фиг.6).
К этому моменту и продувочные 5 и выпускные 4 окна еще не закрыты поршнем 1, перешедшим НМТ, поэтому свежий заряд подается из выпускного коллектора 12 в полость 3 как через выпускные окна 4, так и в перепускной канал 14. Волна давления по перепускному каналу 14 проходит к продувочным окнам 5 и препятствует выходу через них из полости 3 заряда, поджатого перепускаемым в полость 3 зарядом из выпускного коллектора 12.
В известных двигателях движущийся от НМТ поршень выдавливает значительное количество свежего заряда как через выпускные окна в выпускной коллектор, так и через продувочные окна обратно в подпоршневую камеру.
В двигателе, работающем по заявленному способу через незакрытые еще продувочные 5 и выпускные 4 окна происходит, по существу, дозарядка полости 3 цилиндра 2. Достичь такого явления, как «дозарядка», даже при отсутствии нагнетателя, можно в том случае, если свежий заряд проходит через всю полость 3, полностью наполняя ее, и выходит в выпускной коллектор 12, не испытывая значительногосопротивления, как при проходе через продувочные каналы 8 и окна 5, так и при выходе из полости 3. Желательно также, чтобы величина вредного объема в подпоршневых камерах была минимально возможной, тогда продувка будет более интенсивной, возникнет явление инерционного наддува свежего заряда в подпоршневую камеру 7 и, соответственно, в полость 3 цилиндра 2. То есть. чем больше свежего заряда выйдет из полости 3 после ее заполнения, тем большим будет ее наполнение за счет дозарядки перед закрытием выпускных окон 4.
Все перечисленные в предыдущем абзаце действия недопустимы при организации рабочего процесса в двухтактных двигателях известного уровня техники, так как приводят к значительным прямым потерям свежего заряда и недостаточной подаче заряда вследствие повышенного сопротивления его движению.
Для того чтобы уменьшить обратный перепуск свежего заряда из полости 3 в момент дозарядки со стороны выпускного коллектора 12 в наиболее близком заявленному известном способе увеличивают давление продувки, а также настраивают работу выпускной системы таким образом, чтобы дозарядка через выпускные окна 4 началась позже закрытия продувочных окон 5. Однако в этом случае значительно уменьшается время-сечение дозарядки, определяемое, по сути, разностью высот продувочных 5 и выпускных 4 окон.
Для увеличения наполнения полости 3 цилиндра за счет увеличения время-сечения подачи заряда через выпускные окна 4 за счет более раннего начала возврата заряда необходимо предотвратить выход свежего заряда из полости 3 через незакрытые еще продувочные окна 5. Для этого в период нагнетания свежего заряда из выпускного коллектора 12 в полость 3 цилиндра повышают давление в районе продувочных окон 5 снаружи цилиндра 2. Возможны различные варианты реализации импульсного повышения давления в заданный момент, например, с использованием резонаторов Гельмгольца или путем кратковременной подачи порции свежего заряда из воздушного или газового аккумулятора.
Таким образом, 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.