ПОРШНЕВОЙ ДВУХВАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРОТИВОПОЛОЖНО ДВИЖУЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
OPPOSED-PISTON TWO-SHAFT ICE AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.
Известны двухвальные двигатели с противоположно движущимися поршнями с двумя кривошипно-шатунными механизмами. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. /Д.Н.Вырубов, С.И.Ефимов, Н.А.Иващенко и др.; Под. Ред А.С.Орлина, И.Т.Круглова. - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с., ил., с.12) - прототип.
В известном двигателе оба кривошипно-шатунных механизма идентичны, кривошипы в заданный момент времени находятся в положении, составляющем одинаковый угол в градусах поворота коленчатого вала (°ПКВ) относительно начала отсчета и оба поршня одновременно приходят в крайние положения: верхнюю и нижнюю мертвые точки (ВМТ и НМТ). Работа такого двигателя происходит по традиционному двухтактному (четырехтактному) циклу. Сгорание осуществляют, когда оба поршня находятся вблизи ВМТ. При таком положении поршней изменение объема между поршнями мало зависит от угла поворота коленчатого вала в силу косинусоидальной зависимости перемещения поршней от угла ПКВ, и основная фаза горения происходит в условиях почти постоянного объема. В этих условиях турбулентная скорость горения в основной фазе ограничивается величиной 40…80 м/с. Более высокая скорость горения (скорость тепловыделения) приводит к недопустимо быстрому нарастанию давления (к недопустимой жесткости работы двигателя).
Задача изобретения - создание двухвального двигателя внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями с рабочим процессом, позволяющим по отношению к традиционному процессу осуществить значительно более быстрое сгорание при приемлемой жесткости работы двигателя.
Для решения данной задачи разработан способ работы двигателя и двухвальный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с противоположно движущимися поршнями.
Двигатель работает по двухтактному циклу с прямоточно-щелевой схемой продувки. Можно реализовать как дизельный цикл, так и цикл двигателя с искровым зажиганием и впрыском топлива в процессе сжатия.
С целью снижения жесткости работы двигателя в процессе сгорания перемещение поршней смещено между собой на угол φ=15…30 градусов поворота коленчатого вала (°ПКВ), и начало горения осуществляют при положениях поршней: одного вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), а второго после ВМТ на угол φ °ПКВ, когда происходит быстрое увеличение объема между поршнями. Это отличает работу заявленного двигателя от работы известных ДВС.
Существенно более быстрое увеличение объема при сгорании по сравнению со сгоранием в условиях почти постоянного объема известного двигателя с искровым зажиганием позволит повысить его антидетонационные свойства.
Данный способ работы можно реализовать в заявленном двигателе, представленном на чертеже. Двигатель состоит из цилиндра 1 с выпускными 2 и впускными 3 окнами и форсункой 4 для впрыскивания топлива, двух кривошипно-шатунных механизмов с коленчатыми валами 5, поршнями 6 и шатунами 7.
Отличается двигатель тем, что у него один КШМ - центральный, а второй КШМ - дезаксиальный, причем кривошип дезаксиального КШМ смещен относительно кривошипа центрального КШМ в направлении опережения перемещения поршня на угол φ °ПКВ.
При положении поршня центрального КШМ в ВМТ (на чертеже справа) поршень дезаксиального КШМ (слева) находится в положении, когда кривошип повернут в направлении к НМТ на угол φ=15…30 °ПКВ. С этого момента оба поршня перемещаются в направлении к НМТ, и объем между поршнями увеличивается на порядок (и более) быстрее, по сравнению с увеличением объема в известных ДВС с двумя поршнями, одновременно перемещающимися от ВМТ. При организации процесса сгорания так, чтобы начало основной фазы примерно совпадало с положениями КШМ, показанными на чертеже (поршень центрального КШМ находится в ВМТ), длительность этой фазы можно сократить в несколько раз без увеличения жесткости сгорания по отношению к традиционным циклам.
В процессе сжатия первым в положении ВМТ приходит поршень центрального КШМ, а поршень дезаксиального КШМ в этот момент не доходит до ВМТ в градусах ПКВ на угол φ. При дальнейших поворотах коленчатых валов поршень центрального механизма перемещается в направлении к НМТ, а поршень дезаксиального КШМ продолжает двигаться в сторону своей ВМТ. При этом объем между поршнями вначале уменьшается, но затем начинает увеличиваться. Увеличение объема до начала сгорания нежелательно. Однако за этот период движения поршней до момента прихода поршня центрального КШМ в ВМТ в целом изменение объема между поршнями невелико. В то же время смещение кривошипа дезаксиального КШМ в сторону опережения перемещения поршня позволит лучше произвести перезарядку цилиндра свежим зарядом, так как выпускные окна даже при одинаковых размерах с впускными будут открываться и закрываться раньше впускных окон. Это может компенсировать недостатки, связанные с небольшим увеличением объема сжатия до начала сгорания.