ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ И КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМОЙ ГАЗООБМЕНА

Предлагаемая полезная модель относится к области двигателестроения, в частности, к двухтактным карбюраторным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), передающим усилия от давления газов на поршень кривошипом коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндра и вращающихся в противоположных направлениях.
Указанные двигатели обладают рядом преимуществ, главные из которых возможность уравновешенности сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс за счет противовесов коленчатых валов, отсутствие сил, вызывающих повышенное трение поршня о стенки цилиндра, отсутствие реактивного крутящего момента, высокие удельные энерго-экономические параметры по мощности, массе и габаритам, сниженные нагрузки на шатунные подшипники коленчатого вала, которые, в основном, лимитируют ресурс двигателя.
Известен двухтактный карбюраторный двигатель с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, два коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, причем, каждый из них соединен шатуном с одним из поршневых пальцев. (Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Патент RU 116906 U1. Беднягин Л.В., Лебединская О.Л. Бюл. №16. 2012.).
Двигатель отличается тем, что поршень выполнен в виде головки с двухсторонней юбкой, нижняя часть юбки при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ) размещена в зоне, занимаемой коленчатыми валами, верхняя часть юбки, при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), частично входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания, причем впускные и выпускные окна расположены на двух уровнях: впускные окна расположены над головкой поршня при его положении в НМТ, выпускные - над верхней кромкой юбки.
Известна конструкция двигателя, выполненная по схеме один цилиндр - два коленчатых вала, обеспечивающая повышение мощности за счет применения наддува (Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наддувом. Заявка №2012132748/06 (051906). Беднягин Л.В., Лебединская О.Л. Получена ФИПС 31.07.12), где соосно цилиндру двигателя размещен цилиндр компрессора (нагнетателя), поршень которого при помощи штока соединен с поршнем двигателя, наружная нагнетательная полость насоса соединена каналами с внутри-картерным пространством, от которого его внутренняя полость изолирована с помощью уплотняющей втулки, размещенной на штоке и зафиксированной между двух половин картера. Наружная полость компрессора обеспечивает дополнительную подачу топливной смеси в картер двигателя. Для возможности обеспечения дозарядки цилиндр двигателя оборудован дополнительными впускными (продувочными) окнами, расположенными над основными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, при этом между ними в плоскости разъема цилиндра и картера размещены обратные пластинчатые клапаны, предотвращающие попадание продуктов сгоревшего топлива из цилиндра в картер, когда давление в нем превышает давление внутри картера. Указанный двигатель является прототипом предлагаемой конструкции ПМ.
Все карбюраторные двухтактные двигатели с кривошипно-камерной схемой газообмена (продувкой и наполнением цилиндра свежей топливной смесью), в том числе и прототип, обладают общим существенным недостатком - повышенным расходом топлива, связанным с потерей части топлива при продувке, осуществляемой непосредственно топливной смесью.
Работы по устранению этого недостатка практически ведутся в одном направлении - осуществлении продувки чистым воздухом и применении непосредственного впрыска топлива в цилиндр. Основная трудность, сдерживающая внедрение систем непосредственного впрыска топлива на двухтактных двигателях - высокая стоимость топливоподающей аппаратуры, которая на малоразмерных двигателях или двигателях, работающих эпизодически (например, пожарная мотопомпа), при существующих ценах не окупается за весь период их эксплуатации.
Вторая причина - проблема обеспечения работоспособности топливной аппаратуры и качества смесеобразования в связи с необходимостью двукратного увеличения частоты подачи топлива в цилиндр при использовании двухтактного цикла и дальнейшего ее увеличения с учетом тенденций роста скоростных режимов ДВС, и особенно малоразмерных, работающих по двухтактному циклу.
Однако, не следует ожидать, что создание новой, более совершенной аппаратуры для «двухтактников» повысит экономическую целесообразность ее применение на указанных выше двигателях, т.к. будет еще дороже.
Техническим результатом предлагаемой конструкции двигателя является снижение удельного расхода топлива до величины 380…410 г/кВт·ч, что на 25…30% ниже, чем у серийно выпускаемых двухтактных карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена (Перспективы двухтактных ДВС на ЛА авиации общего назначения. В. Новосельцев (http://www.aviajournal.com/arhiv/2004/06/02.html), при сохранении высоких энергетических и других показателей, обеспечивающих его конкурентоспособность.
Для достижения указанного результата использован комплекс конструктивных решений:
1. Применен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, с двумя противолежащими цилиндрами, установленными на одном общем картере, обеспечивающий передачу сил от давления газов на кривошипы коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Применение указанной схемы позволяет использовать их преимущества, указанные выше, и рационально разместить поршневые компрессоры с их приводом для осуществления наддува.
2. Для реализации двухтактного цикла работы двигателя с кривошипно-камерной продувкой и улучшения его параметров уменьшен объем кривошипной камеры, для чего применен поршень в виде головки с двухсторонней юбкой, обеспечивающий размещение нижней юбки в зоне коленчатых валов, а верхней - в зоне кольцевого пространства, расположенного вокруг камеры сгорания.
3. Цилиндры двигателя снабжены тремя комплектами окон, расположенными на различных уровнях: продувочные над днищем головки поршня, при его положении в НМТ, выпускные - над верхней кромкой юбки поршня. При этом увеличивается «время-сечение» окон, исключаются явления «короткого замыкания» - прямого выброса (топливной) смеси из выпускных окон в выпускные, снижается уровень остаточных газов, весь периметр выпускных окон становится доступным для истечения отработавших газов и почти в два раза сокращается их путь; что способствует сохранению параметров газообмена при увеличении скоростного режима двигателя. Следует также отметить, что устройство, обеспечивающее несимметричность фаз газораспределения, расположено в зоне малонагруженной термически, что выгодно отличает его от подобных устройств, работающих в каналах выпуска отработавших газов на двигателях спортивных машин.
4. Впускные окна, расположенные над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер 10 при такте расширения, в отличии от прототипа, закрыты кольцом 11, выполняющим роль золотника, управляемого кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала (либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно).
5. Для экономии топлива предложена конструкция, обеспечивающая применение комбинированной схемы газообмена путем осуществления продувки цилиндров сначала чистым воздухом из кривошипной камеры, затем их дозарядки (наддуве) переобогащенной топливной смесью за счет применения отдельных для каждого цилиндра компрессоров.
6. Впускной тракт топливной смеси, содержащий карбюратор(ы), обратные пластинчатые клапаны (ОПК), всасывающий и нагнетательный полости компрессора, ресивер и впускные окна цилиндра, разобщен с внутри-картерным пространством, которое оборудовано своей индивидуальной системой впуска воздуха, используемого для продувки цилиндров.
7. Каждый цилиндр двигателя и компрессора выполнены в одном блоке, при этом синхронное движение их поршней в противоположных направлениях достигается наличием связи поршня компрессора с поршнем двигателя противолежащего цилиндра.
8. Необходимые направления вращения коленчатых валов и потоков продувочного воздуха обеспечено применением трех коленчатых валов, из которых один выполнен с двумя кривошипами, расположенными под углом 180° друг к другу, что обеспечивает движение поршней в противоположных направлениях.
9. Для снижения габаритов двигателя нижняя юбка поршня выполнена в виде одностороннего «фартука», обеспечивающего прикрытие выпускных окон при его положении в ВМТ.
10. Для сохранения давления в ресивере при движении поршня двигателя в направлении ВМТ нагнетательная полость компрессора отделена от него обратным пластинчатым клапаном.
Конструктивные решения, обладающие признаками, характеризующими новизну предлагаемой модели:
1. Конструкция двухтактного карбюраторного двигателя в оппозитном исполнении с двумя противолежащими цилиндрами, смонтированными на одном картере, и тремя коленчатыми валами, обеспечивающая передачу усилий от поршня на кривошипы коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндра (п.п.1 и 2; здесь и далее см. выше);
2. Комбинированная схема газообмена, при которой в течение первой фазы происходит продувка и наполнение цилиндра одним воздухом, во-второй - происходит наддув цилиндра переобогащенной топливной смесью (см. выше, п.5).
3. Отдельный впускной тракт топливной смеси, включающий впускные окна цилиндра, разобщенный с внутри-картерным пространством (п.6).
4. Привод поршней компрессора за счет их связи с поршнями двигателя противолежащих цилиндров (п.7), обеспечивающих движение поршней двигателя и компрессора в противоположных направлениях.
5. Поршень с нижней юбкой, выполненной в виде одностороннего «фартука» (п.9).
6. Устройство, обеспечивающее несимметричность фаз газораспределения (п.4).
7. Размещение цилиндров двигателя и компрессора в одном блоке (п.7).
Компоновка предлагаемой модели двигателя показана на чертежах: на фиг.1 дан горизонтальный разрез по осям цилиндров. На фиг.2 - вертикальный разрез А-А по осям коленчатых валов, на котором также показан редуктор, обеспечивающий кинематическую связь коленчатых валов между собой и видна возможность создания четырехцилиндровой модификации путем установки аналогичного двухцилиндрового двигателя с нижней стороны редуктора.
Цилиндры 1 содержат размещенные в них поршни 2 с двумя поршневыми пальцами, каждый из которых соединен шатуном 3 с кривошипами коленчатых валов 4, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Поршень состоит из головки с компрессионными кольцами и двухсторонней юбки. Нижняя часть юбки выполнена в виде одностороннего фартука, прикрывающего выпускные окна при положении поршня в ВМТ. При положении поршня в НМТ фартук размещен в зоне, занимаемой коленчатыми валами. Верхняя часть юбки при положении поршня в (ВМТ) входит в кольцевое пространство 5, расположенное вокруг камеры сгорания, которая соединена с ним тангенциальными каналами. Каждый цилиндр двигателя снабжен индивидуальным компрессором 6, выполненным в одном с ним блоке, поршни 7 которых при помощи штоков 8 связаны с поршнями двигателя противолежащих цилиндров 2.
Цилиндры двигателя оборудованы впускными окнами 9, расположенными над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска. Для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер 10 при такте расширения, окна закрыты кольцом 11, выполняющим роль золотника, управляемым кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала 4 (либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно). Механизм управления показан на фиг.3.
Нагнетательная полость компрессора соединена каналами не с внутри-картерным пространством, а с ресивером, откуда предварительно переобогащенная в карбюраторе топливная смесь через впускные окна попадает в цилиндр, где, смешиваясь с воздухом, поступившим из картера при продувке и остаточными газами, образует рабочую топливную смесь. Между всасывающей полостью компрессора, изолированного от внутри-картерного пространства, и карбюратором установлены обратные пластинчатые клапаны (на фиг. не показаны), обеспечивающие поступление топливной смеси в компрессор. Для подачи воздуха, используемого для продувки, аналогичные клапаны установлены на картере со стороны цилиндров двигателя. Клапаны 12, установленные на выходе смеси из компрессора, предназначены для сохранения давления в ресивере при движении поршня двигателя в направлении ВМТ.
Принятая компоновка с тремя коленчатыми валами обеспечивает рациональное расположение цилиндров двигателя и компрессора для организации поступления топливной смеси из компрессора в двигатель, снижает сопротивление потоку продувочного воздуха при его перепуске из картера в цилиндр, повышает технологичность за счет изготовления цилиндров в одном блоке, без особых затрат позволяет создать четырехцилиндровую модификацию, или редуктор с валами, вращающимися в противоположных направлениях.
Таким образом, снижение удельного расхода топлива достигается за счет применения для продувки цилиндров двигателя вместо топливовоздушной смеси только одного воздуха, в который топливо для осуществления рабочего процесса поступает, в основном, после завершения процесса продувки в виде переобогащенной топливной смеси из компрессора, осуществляемого наддув, через впускные окна, когда выпускные окна закрыты верхней кромкой юбки поршня.
Поскольку трудоемкость изготовления двигателя с предлагаемой комбинированной схемой газообмена по сравнению с трудоемкостью изготовления аналогичного двигателя, выполненного с кривошипно-камерной продувкой цилиндров топливо-воздушной смесью, практически, не изменится, экономический эффект при ее использовании будет определяться только снижением потерь топлива при газообмене, которые при продувке топливной смесью составляют около 35% от общего его расхода (Г.Р. Рикардо. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. Гос. научно-техн. изд-во машиностроительной литературы. M. 1960. (с.180); А.Е. Юшин. Система непосредственного впрыскивания топлива в двухтактных ДВС. В сб. «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей «ДВС», ВлГУ, г. Владимир, 1997., (с.215).).
Экономический эффект от применения предлагаемой конструкции двигателя с комбинированной системой газообмена, обеспечивающей снижение удельного расхода топлива по сравнению с прежней кривошипно-камерной схемой, использующей для продувки топливную смесь, при стоимости бензина 35 руб/л. будет составлять около 7 руб/кВт·ч, т.е. двигатель мощностью 20 кВт за ресурс 500 моточасов сэкономит около 70000 рублей или 2000 литров бензина. При расчетах было принято, что потери топлива при продувке уменьшатся на 80%, т.к. возможность попадания топливной смеси в выпускную систему сокращена только по продолжительности одновременного открытия впускных и выпускных окон со 125° поворота коленчатого вала до 15°. Размещение впускных и выпускных окон на разных уровнях дает основание полагать, что потери топлива сократятся еще больше или прекратятся вовсе.
Учитывая наличие высоких энерго-экономических показателей, обеспечиваемых применением двухтактного цикла, наддува, снижением на 25…30% расхода топлива, при сохранении моторесурса в прежних пределах 500…1000 моточасов за счет уменьшения нагрузок на шатунные подшипники коленчатых валов при их удвоении, предлагаемая конструкция двигателя в 2-х или 4-х цилиндровом исполнении мощностью в пределах 20…60 кВт может найти применение в силовых установках летательных аппаратов, глиссирующих маломерных судов с движетелями в виде воздушных или гребных винтов, портативных мотоизделий, применяемых населением, в ведомствах МЧС, армии и флота, а также в других установках, где требуются малые удельная масса и габариты.