СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГАЗООБМЕНА В ДВУХТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ С ПРОТИВОПОЛОЖНО ДВИЖУЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF GAS EXCHANGE IN TWO-STROKE ICE WITH OPPOSING PISTONS (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями.
Известен способ работы двухтактного двигателя с противоположно движущимися поршнями (ПДП), заключающийся в том, что полость цилиндра, заключенную между днищами первого и второго поршней, освобождают от продуктов сгорания через выпускные окна, открываемые первым поршнем, с направлением их в атмосферу через выпускной коллектор, свежим зарядом продувают и наполняют полость цилиндра через продувочные окна, открываемые вторым поршнем, при этом свежий заряд из кривошипных камер и первого и второго поршней перепускают через продувочные окна, открываемые вторым поршнем (Международная заявка WO 2007/030076, опуб. 15.03.2007).
Недостатками известного способа являются значительные потери мощности вследствие необходимости углового смещения валов первого и второго поршней для раннего открытия выпускных окон первым поршнем и раннего их закрытия относительно продувочных окон, открываемых вторым поршнем. Это позволяет сократить прямые потери свежего заряда в выпускной коллектор, но приводит к тому, что в момент начала сгорания второй поршень еще не подошел к своей внутренней мертвой точке (ВМТ). Значит, мощность, получаемая на валу первого поршня, расходуется на преодоление давления сгорания вторым поршнем при подходе к своей ВМТ. В известных двухтактных ДВС с ПДП мощность, снимаемая с противоположных валов, соотносится как 70% и 30%. И чем больше угловое смещение валов, тем больше разница в величине снимаемой с валов мощности и тем больше суммарные потери мощности.
Другим серьезным недостатком двигателей с ПДП и угловым смещением валов является повышенный температурный режим деталей цилиндропоршневой группы, преимущественно, первого поршня, управляющего выпуском, а также гильзы цилиндра в районе расположения выпускных окон. Это является, в большой степени, следствием смещения начала сгорания за ВМТ первого поршня. Известно, что смещение начала сгорания в любом двигателе приводит к его перегреву, особенно органов газораспределения из-за недогорания заряда. Это явление в двигателях с ПДП усугубляется удвоенной (по сравнению с однопоршневыми компоновками) скоростью увеличения объема камеры сгорания, что явно не способствует достижению полноты сгорания. Понятно, что контакт юбки первого поршня с перегретой зоной выпускных окон (в двигателях с ПДП) происходит в условиях сухого трения из-за выгорания смазки с поверхностей гильзы в этом районе, что приводит к прогоранию именно цилиндрической поверхности юбки поршня. Если учесть, что нагрузка на выпускной поршень более чем в два раза больше нагрузки на продувочный поршень, то проблема ресурса и удельной мощности двигателей с ПДП является очень серьезной.
Известен способ работы двухтактного двигателя с противоположно движущимися поршнями (ПДП), заключающийся в том, что полость цилиндра, заключенную между днищами первого и второго поршней, освобождают от продуктов сгорания через выпускные окна газораспределения, открываемые первым поршнем, с направлением их в атмосферу через выпускной коллектор, свежим зарядом продувают и наполняют полость цилиндра из кривошипной камеры второго поршня через открываемые им продувочные окна, а из кривошипной камеры первого поршня наполняют полость цилиндра через открываемые им продувочные окна, расположенные рядом с выпускными окнами (патент США №2768616, опуб. 30.10.1956).
Недостатками известного двигателя являются малая надежность герметизации кривошипной камеры поршня, управляющего выпуском, от выпускного коллектора. Так, после открытия поршнем выпускных окон полость выпускного коллектора имеет возможность сообщения с находящимися рядом неоткрытыми еще продувочными окнами по кольцевому зазору вокруг цилиндрической поверхности поршня. Для решения этой проблемы в известных двигателях обычно располагают выпускное окно на стороне цилиндра, к которой боковая сила прижимает поршень в момент открытия окон. Но тогда ограничивается ширина выпускных окон, что не позволяет обеспечить максимально возможное время-сечение свободного выпуска, и для обеспечения требуемого время-сечения увеличивают высоту выпускных окон, что приводит к увеличению прямых потерь заряда при продувке и снижению мощности из-за раннего открытия выпускных окон и позднего их закрытия.
Техническими результатами заявленного изобретения являются:
- повышение экономичности двигателя за счет эффекта снижения прямых потерь мощности во время рабочего хода поршней, достигаемого путем их синхронного перемещения относительно геометрических мертвых точек. При этом отказ от асимметрии фаз газораспределения при синхронном перемещении поршней не приводит к ухудшению параметров газообмена, так как предотвращен выброс свежего заряда из цилиндра;
- повышение надежности и ресурса двигателя путем снижения тепловой напряженности цилиндропоршневой группы и органов выпуска за счет прохождения свежего заряда через выпускные окна как в прямом, так и в обратном направлении;
- повышение удельной мощности двигателя путем повышения наполнения цилиндра за счет возврата свежего заряда, вышедшего из него при продувке, что позволяет также осуществлять как дозарядку, так и наддув двухтактного двигателя без потерь заряда;
- снижение токсичности продуктов сгорания как вследствие предотвращения прямых потерь топлива, так и за счет снижения расхода масла вследствие снижения тепловой напряженности цилиндропоршневой группы.
Поставленная задача достигается тем, что при работе двухтактного двигателя с противоположно движущимися поршнями, заключающейся в том, что рабочую полость цилиндра, заключенную между днищами первого и второго поршней, освобождают от продуктов сгорания через выпускные окна, открываемые первым поршнем, с направлением их в атмосферу через выпускной коллектор, свежим зарядом продувают и наполняют полость цилиндра через продувочные окна, открываемые вторым 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 поршней, 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 выпускные окна цилиндра первым поршнем, причем поршни перемещаются в цилиндре синхронно или первый поршень перемещается с опережением второго поршня не более чем на 5 градусов угла поворота кривошипных валов, а полость цилиндра наполняют, по меньшей мере, путем вытеснения каждым поршнем свежего заряда из кривошипной камеры.
Поставленная задача достигается также тем, что свежий заряд из кривошипной камеры первого поршня направляют в продувочные окна, управляемые первым и/или вторым поршнями.
Поставленная задача достигается также тем, что продувочные окна, управляемые первым поршнем, выполнены в виде пояса окон, расположенному параллельно поясу выпускных окон, с возможностью их открытия поршнем после открытия выпускных окон.
Поставленная задача достигается также тем, что выпускные окна и управляемые первым поршнем продувочные окна расположены в отдельных соседних секторах окружности внутренней поверхности цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что свежий заряд из кривошипной камеры первого поршня подают в выпускной коллектор после превышения величиной давления сжатого в кривошипной камере свежего заряда величины давления газов в выпускном коллекторе.
Поставленная задача достигается также тем, что часть выпускного коллектора выполняют в виде кольцевого канала вокруг пояса выпускных окон, а свежий заряд подают в кольцевой канал через обратные клапаны.
Поставленная задача достигается также тем, что двигатель наддувают, при этом свежий заряд подают с избыточным давлением, по меньшей мере, в каждую кривошипную камеру, либо дополнительно подают непосредственно к продувочным окнам.
Заявленное изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 показан продольный разрез описываемого двигателя, вариант с подачей свежего заряда из кривошипной камеры первого поршня в окна, управляемые вторым поршнем;
На фиг.2 - то же, вариант с подачей свежего заряда из кривошипной камеры первого поршня в пояс окон, управляемых первым поршнем и в окна, управляемые вторым поршнем;
На фиг.3 - то же, вариант с подачей свежего заряда из кривошипной камеры первого поршня в отдельный сектор продувочных окон, управляемых первым поршнем;
На фиг.4 - то же, вариант с подачей свежего заряда из кривошипной камеры первого поршня в отдельный пояс продувочных окон, управляемых первым поршнем;
На фиг.5 - то же, вариант с подачей свежего заряда из кривошипной камеры первого поршня в выпускной коллектор.
На фиг.6-10 показана последовательность работы двигателя по описываемому способу, на фиг.6 - момент открытия первым поршнем выпускных окон и начало свободного выпуска продуктов сгорания;
На фиг.7 - конец свободного выпуска и начало продувки полости цилиндра через открываемые вторым поршнем продувочные окна;
На фиг.8 - начало продувки через управляемые первым поршнем продувочные окна;
На фиг.9 - перекрытие золотником выпускного коллектора и начало обратного движения части продуктов сгорания в сторону полости цилиндра;
На фиг.10 - возврат выпущенного из цилиндра свежего заряда перед закрытием первым поршнем выпускных окон;
На фиг.11 показан вариант реализации способа с противодавлением в районе продувочных окон, управляемых как первым, так и вторьм поршнями;
На фиг.12 - то же, с противодавлением в районе продувочных окон, управляемых первым поршнем;
На фиг.13 - то же, с подачей свежего заряда нагнетателем к продувочным окнам через продувочную полость;
На фиг.14 показан момент возврата выпущенного из цилиндра свежего заряда с перепуском его части в подпоршневую камеру для создания противодавления в районе продувочных окон в конструкции, показанной на фиг.12;
На фиг.15 показан продольный разрез двигателя, в котором реализуется второй вариант способа организации газообмена, который имеет отдельные пояса выпускных и продувочных окон;
На фиг.16 - то же, вариант выполнения двигателя с дополнительными продувочными каналами с обратными клапанами для подачи заряда в выпускной коллектор;
На фиг.17 - то же, вариант с объединением выпускных коллекторов в общий выпускной трубопровод;
На фиг.18-21 показана последовательность работы двигателя по второму варианту способа, на фиг.18 - момент открытия обоими поршнями выпускных окон и начало свободного выпуска продуктов сгорания;
На фиг.19 - конец свободного выпуска и начало продувки полости цилиндра через открываемые обоими поршнями продувочные окна;
На фиг.20 - перекрытие золотниками выпускных коллекторов и начало обратного движения части продуктов сгорания в сторону полости цилиндра;
На фиг.21 - возврат выпущенного из цилиндра свежего заряда перед закрытием обоими поршнями выпускных окон.
Первый вариант описываемого способа организации газообмена реализуется в двухтактном двигателе, содержащем поршень 1 и поршень 2, установленные встречно в цилиндре 3 с образованием общей рабочей полости 4. Поршень 1 управляет открытием и закрытием либо только выпускных окон 5, либо и выпускных окон 5 и продувочных окон 6. Поршень 2 управляет открытием и закрытием только продувочных окон 7. Каждый поршень, как 1, так и 2 связан с приводным валом (на чертежах не показан) при помощи штока или шатуна 8. Поршни 1 и 2 установлены с образованием подпоршневых камер переменного объема, соответственно, 9 и 10.
Выпускные окна 5 сообщены с выпускным коллектором 11. Подпоршневая камера 10 поршня 2 связана с продувочными окнами 7 при помощи продувочных каналов 12. Подпоршневая камера 9 поршня 1 связана, либо с продувочными окнами 7 при помощи продувочных каналов 13 (фиг.1), либо с продувочными окнами 6 - при помощи продувочных каналов 14 (фиг.3), либо с продувочными окнами 6 и 7, соответственно при помощи каналов 13 и 14 (фиг.2). Либо подпоршневая камера 9 связана непосредственно с выпускным коллектором 11 при помощи каналов 15 с установленными в них запорными органами, например, обратными клапанами 16 (фиг.5).
Каждая кривошипная камера 9 и 10 связана с источником свежего заряда при помощи впускного канала (на чертежах не показаны).
В выпускном коллекторе 11 установлено золотниковое устройство, например, вращающийся диск 17 с вырезом, с возможностью перекрытия сечения выпускного коллектора 11 на заданное время. Диск 17 золотника кинематически связан с приводным валом.
Двигатель может содержать нагнетатель (на чертежах не показан), подающий свежий заряд либо в одну из подпоршневых камер 9, либо в обе камеры 9 и 10, либо непосредственно к продувочным окнам 6 и/или 7 через продувочную полость 18 постоянного объема. При этом на входе в продувочную полость 18 канала от нагнетателя может быть установлен запорный орган 19, например, управляемый или самодействующий клапан.
Двигатель работает следующим образом. Свежий заряд попадает в обе подпоршневые камеры 9 и 10 по впускным каналам, либо под действием разрежения, создаваемого движущимися к ВМТ навстречу друг другу поршнями 1 и 2, либо под избыточным давлением, создаваемым нагнетателем. В рабочей полости 4 цилиндра 3 в районе ВМТ между поршнями 1 и 2 начинается сгорание сжатого свежего заряда. Причем к ВМТ оба поршня 1 и 2 подходят синхронно, поэтому давление продуктов сгорания реализуется в работу наиболее полно, без потерь на преодоление давления сгорания, в отличие от того, как это происходит в известном уровне техники при запаздывании одного из поршней.
В конце расширения поршень 1 открывает сначала выпускные окна 5, и начинается свободный выпуск продуктов сгорания в выпускной коллектор 11 (фиг.6). Причем конструктивным путем достигается максимально возможное время-сечение свободного выпуска, например, путем использования целого пояса выпускных окон 5. В этом случае полость 4 цилиндра 3 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 4 и каждой подпоршневой камерой 9 и 10 или впускным каналом, 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 3 (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 4 цилиндра по продувочным каналам 12, 13 и 14 и окнам 6 и 7. После окончания свободного выпуска сначала открываются продувочные окна 7 поршнем 2, и начинается наполнение полости 4 свежим зарядом из подпоршневой камеры 10 по продувочным каналам 12 при открытых выпускных окнах 5 (фиг.7). Так как описываемая продувка является прямоточной, то полость 4 последовательно и полностью наполняется (фиг.8) до тех пор, пока свежий заряд не начнет выходить через выпускные окна 5 (фиг.9) в выпускной коллектор 11 (при подаче свежего заряда к оси цилиндра 3 равномерно по его окружности и в направлении, примерно перпендикулярном к этой оси в продольной плоскости, поток свежего заряда вытесняет остаточные газы из всех зон полости 4 с минимальными затратами энергии на продувку).
Надо отметить, что направление выхода продувочных каналов в полость 4 под углом к поверхности цилиндра 3 в любой плоскости приводит к снижению расхода свежего заряда при продувке. Любое дросселирование выпускного коллектора (очень распространенный в современном уровне техники прием) для уменьшения прямых потерь свежего заряда мешает наполнению полости 4 цилиндра 3. Что касается волновых резонаторов, то их использование 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 4, при реализации заявленного способа, на значительном удалении от цилиндра 3 выпускной коллектор 11 перекрывают диском 17 золотника (фиг.9), преграждая путь продуктам сгорания, покинувшим полость 4. При этом давление в перекрытом выпускном коллекторе 11 возрастает, препятствуя движению вышедшего из цилиндра 3 свежего заряда по выпускному коллектору 11. Более того, давление продуктов сгорания в выпускном коллекторе 11 выдавливает свежий заряд обратно в полость 4 (фиг.10).
К этому моменту продувочные окна 7 закрываются поршнем 2, перешедшим НМТ. Выпускные окна 5 еще не закрыты поршнем 1.
В известных двигателях движущиеся от НМТ поршни выдавливают значительное количество свежего заряда через выпускные окна в выпускной коллектор. В заявленном - через незакрытые еще окна 5 происходит, по существу, дозарядка полости 4 цилиндра 3. Причем, чем большим выбрано время-сечение свободного выпуска (что позволяет решить проблему очистки цилиндра от продуктов сгорания), тем больше дозарядка цилиндра. Достичь такого явления, как «дозарядка», можно в том случае, если свежий заряд проходит через всю полость 4, полностью наполняя ее, и выходит в выпускной коллектор 11, не испытывая значительного сопротивления, как при проходе через продувочные каналы и окна, так и при выходе из полости 4. Желательно также, чтобы величина вредного объема в подпоршневых камерах была минимально возможной, тогда продувка будет более интенсивной, возникнет явление инерционного наддува свежего заряда в подпоршневые камеры 9 и 10 и, соответственно, в полость 4 цилиндра 3. То есть. чем больше свежего заряда выйдет из полости 4 после ее заполнения, тем большим будет ее наполнение за счет дозарядки перед закрытием выпускных окон 5.
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. Возможно значительное уменьшение потерь заряда в известных двигателях с ПДП только за счет относительного углового смещения валов, позволяющего реализовать несимметричные фазы газораспределения. Однако, как указывалось выше в анализе уровня техники, такой метод решения проблемы очистки цилиндра и его наполнения приводит к значительным потерям мощности и ухудшению надежности и ресурса.
Подача свежего заряда из подпоршневой камеры 9 может осуществляться несколькими способами, некоторые из которых широко известны из уровня техники.
Так, свежий заряд может быть направлен в полость 4 по продувочным каналам 13 к продувочным окнам 7, управляемым поршнем 2. Несмотря на увеличенную по сравнению с каналами 12 длину каналов 13 такое решение позволяет осуществить однонаправленное движение газов в течение всего периода прямоточной продувки. Однако при этом уменьшается эффективность охлаждения зоны цилиндра 3 в районе расположения выпускных окон 5.
Свежий заряд может быть направлен в полость 4 по продувочным каналам 14 к продувочным окнам 6, управляемым поршнем 1. В этом варианте длина перепускных каналов, как 12, так и 14 минимальна, что уменьшает величину вредного объема подпоршневых камер 10 и 9. Несколько улучшается, по сравнению с предыдущим вариантом, охлаждение зоны выпуска цилиндра 3, но при этом увеличивается неравномерность температуры по окружности цилиндра 3, что может привести к ухудшению уплотнения полости 4 в конце расширения.
Предпочтительным может быть вариант подачи свежего заряда из подпоршневой камеры 9 непосредственно в выпускной коллектор 11 по каналам 15 с установленными в них запорными органами, выполненными, например, в виде обратных клапанов 16 (см. фиг.5). В этом варианте после выпуска продуктов сгорания из полости 4 давление газов в районе выпускных окон 5 понижается еще до прихода поршня 1 в НМТ. В результате значительного перепада давления между полостью 4 и подпоршневой камерой 9 свежий заряд подается через обратные клапаны 16 в кольцевой канал выпускного коллектора 11 вокруг пояса окон 5. За счет повышенной интенсивности подачи заряда из камеры 9, достигнутой путем увеличения ее степени сжатия, часть свежего заряда попадает в полость 4 через кольцевую часть коллектора 11 и окна 5. Остальной заряд направляется в выпускной коллектор 11 вслед за продуктами сгорания, покинувшими полость 4 цилиндра 3.
При реализации указанного варианта возможно максимальное наполнение полости 4. Так, объем заряда, подаваемого в полость 4 из подпоршневой камеры 10, в два раза меньше объема полости 4. Поэтому при повышенной интенсивности продувки и относительно свободному движению заряда по полости 4 (из-за уменьшения сопротивления выпуску) возникает эффект инерционного наддува и дозарядки, как подпоршневой камеры 10, так и полости 4. То есть к моменту закрытия выпускных окон 5 полость 4 полностью может быть заполнена зарядом. Тогда возврат всего свежего заряда, вышедшего из подпоршневой камеры 9 в выпускной коллектор 11, приведет к дозарядке полости 4 на 50%, что, по существу, является наддувом двигателя путем непосредственного использования энергии продуктов сгорания в обменнике давления.
При этом не имеет большого значения способ смесеобразования, так как в полость 4 возвращается практически весь вышедший из цилиндра заряд, будь то воздух или топливовоздушная смесь.
Для увеличения наполнения полости 4 цилиндра за счет увеличения время-сечения подачи заряда через выпускные окна 5 за счет более раннего начала возврата заряда необходимо предотвратить выход свежего заряда из полости 4 через незакрытые еще, по крайней мере, продувочные окна 6. Для этого в период нагнетания свежего заряда из выпускного коллектора 11 в полость 4 цилиндра повышают давление в районе продувочных окон 6 и/или 7 снаружи цилиндра 3. Варианты реализации импульсного повышения давления в заданный момент могут быть разными, например, с использованием резонаторов Гельмгольца или путем кратковременной подачи порции свежего заряда из воздушного или газового аккумулятора.
Предпочтительным для заявляемого способа является вариант повышения давления снаружи продувочных окон 6, заключающийся в подаче свежего заряда из выпускного коллектора 11 как в полость 4 через выпускные окна 5, так и к продувочным окнам 6, например, в подпоршневую камеру 9 по перепускному каналу 20 с установленным в нем запорным органом 21. Причем заряд может быть подан и к продувочным окнам 7, перед их закрытием поршнем 2 в начале такта сжатия. При выполнении двигателя с подачей свежего заряда от нагнетателя непосредственно к продувочным окнам 6 и/или 7 (фиг.13) свежий заряд из выпускного коллектора 11 подается и в полость 4 через выпускные окна
5. и в продувочную полость 18 по перепускному каналу 20 с установленным в нем запорным органом 21. Запорный орган 19 в момент импульсного повышения давления в полости 18 прикрывается для предотвращения перепуска из нее свежего заряда в сторону нагнетателя.
Во втором варианте реализации способа газообмена в двухтактном двигателе оба поршня 1 и 2 управляют открытием и закрытием выпускных окон 5 и продувочных окон
6. Каждый поршень как 1, так и 2, связан с приводным валом (на чертежах не показан), по меньшей мере, при помощи шатуна или штока 8. Поршни 1 и 2 установлены с образованием подпоршневых камер переменного объема, соответственно, 9 и 10.
Каждый пояс выпускных окон 5 сообщен со своим выпускным коллектором 11. Подпоршневые камеры 9 и 10 связаны с продувочными окнами 6 при помощи продувочных каналов 12. Подпоршневые камеры 9 и 10 могут быть дополнительно связаны непосредственно с выпускным коллектором 11 при помощи дополнительных продувочных каналов 15 с установленными в них запорными органами, выполненными, например, в виде обратных клапанов 16.
Каждая подпоршневая камера 9 и 10 связана с источником свежего заряда при помощи впускного канала (на чертежах не показаны).
В выпускных коллекторах 11 установлено золотниковое устройство, например, вращающийся диск 17 с вырезом, с возможностью перекрытия сечения каждого выпускного коллектора 11 на заданное время. В этом случае каждый диск 17 кинематически связан с приводным валом (на чертежах не показан). Может быть установлен единственный диск 17 золотника с двумя вырезами с возможностью перекрытия обоих коллекторов 11 одновременно или с временным сдвигом по углу поворота диска 17. Два коллектора 11 могут быть объединены в один выпускной трубопровод 22. В этом случае также устанавливается единственный диск 17 золотника, который кинематически связан с приводным валом.
Двигатель может содержать нагнетатель (на чертежах не показан), подающий свежий заряд либо в оба впускных канала, либо непосредственно к продувочным окнам 6, либо к дополнительным продувочным каналам 18 с обратными клапанами 16, либо ко всем органам впуска и продувки одновременно.
Двигатель по второму варианту выполнения работает следующим образом. Свежий заряд попадает в обе кривошипные камеры 9 и 10 по впускным каналам либо под действием разрежения, создаваемого движущимися к ВМТ навстречу друг другу поршнями 1 и 2, либо под избыточным давлением, создаваемым нагнетателем. В рабочей полости 4 цилиндра 3 в районе ВМТ между поршнями 1 и 2 начинается сгорание сжатого свежего заряда. Причем к ВМТ оба поршня 1 и 2 подходят синхронно, поэтому давление продуктов сгорания реализуется в работу наиболее полно, без потерь на преодоление давления сгорания, в отличие от того, как это происходит в известном уровне техники при запаздывании одного из поршней.
В конце расширения поршни 1 и 2 одновременно или с небольшим относительным смещением открывают сначала выпускные окна 5, и начинается свободный выпуск продуктов сгорания в выпускной коллектор 11. Причем конструктивным путем достигается максимально возможное время-сечение свободного выпуска, например, путем использования целых поясов выпускных окон 5. В этом случае полость 4 цилиндра 3 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 4 и каждой подпоршневой камерой 9 и 10. При таком подходе к продувке двухтактного двигателя нет необходимости решать проблемы, связанные с выбором углов направления продувочных каналов к цилиндру 3 (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 4 по продувочным каналам 12 и окнам 6. После окончания свободного выпуска открываются продувочные окна 6 поршнями 1 и 2, и начинается наполнение полости 4 свежим зарядом из обеих подпоршневых камер 9 и 10 при открытых выпускных окнах 5. В описываемом варианте выполнения продувка является встречной фонтанной, симметричной, относительно середины длины цилиндра 3. При этом свежий заряд подается к продольной оси цилиндра в радиальном направлении, преимущественно, вдоль поверхности днища обоих поршней 1 и 2. После встречи продувочных потоков свежего заряда в районе продольной оси цилиндра, две области с повышенным давлением свежего заряда расширяются в радиальном направлении к выпускным окнам 5 и в осевом направлении к середине цилиндра 3 навстречу другой области со свежим зарядом. Так как интенсивность подачи свежего заряда в цилиндр 3 достаточно высока из-за повышенной степени сжатия в подпоршневых камерах 10 и 11, то скорость встречного перемещения областей повышенного давления продувочного заряда вдоль продольной оси цилиндра 3 превышает радиальную их скорость в направлении к выпускным окнам 5. Поэтому полость 4 последовательно и полностью наполняется с двух противоположных сторон цилиндра 3 до тех пор, пока свежий заряд не начнет выходить через выпускные окна 5 в выпускные коллекторы 11. При этом поток свежего заряда вытесняет остаточные газы из всех зон полости 4 с минимальными затратами энергии на продувку.
В конце наполнения полости 4, при реализации заявленного способа, на значительном удалении от цилиндра 3 выпускные коллекторы 11 перекрывают диском 17 золотника, преграждая путь продуктам сгорания, покинувшим полость 4. При этом давление в перекрытых выпускных коллекторах 11 возрастает, препятствуя движению вышедшему из цилиндра 3 свежего заряда по выпускным коллекторам 11. Более того, давление продуктов сгорания в выпускных коллекторах 11 выдавливает свежий заряд обратно в полость 4.
К этому моменту продувочные окна 6 закрываются обоими поршнями 1 и 2, перешедшими наружную мертвую точку (НМТ). Выпускные окна 5 еще не закрыты поршнями 1 и 2.
Свежий заряд может быть направлен из подпоршневых камер 9 и 10 по дополнительным продувочным каналам 15 через обратные клапаны 16 непосредственно в кольцевые части выпускных коллекторов 11. В этом варианте устройства после выпуска продуктов сгорания из полости 4 давление газов в районе выпускных окон 5 понижается еще до прихода поршней 1 и 2 в НМТ. Свежий заряд подается через обратные клапаны 16 в результате значительного перепада давления между полостью 4 и кривошипными камерами 9 и 10. За счет повышенной интенсивности подачи заряда из подпоршневых камер, достигнутой путем увеличения степени сжатия в них, часть свежего заряда попадает в полость 4 через кольцевую часть коллектора 11 и выпускные окна 5. Остальной заряд направляется в выпускной коллектор 11 вслед за продуктами сгорания, покинувшими полость 4 цилиндра 3.
Как и в первом варианте реализации способа газообмена не имеет большого значения способ смесеобразования, так как в полость 4 возвращается практически весь вышедший из цилиндра заряд, будь то воздух или топливовоздушная смесь за счет утилизации энергии продуктов сгорания в обменнике давления.
Для увеличения наполнения полости 4 цилиндра за счет увеличения время-сечения подачи заряда через выпускные окна 5 за счет более раннего начала возврата заряда необходимо предотвратить выход свежего заряда из полости 4 через незакрытые еще продувочные окна 6. Для этого в период нагнетания свежего заряда из выпускного коллектора 11 в полость 4 цилиндра повышают давление в районе продувочных окон 6 снаружи цилиндра 3. Варианты реализации импульсного повышения давления в заданный момент могут быть разными, например, с использованием резонаторов Гельмгольца или путем кратковременной подачи порции свежего заряда из аккумулятора.
Предпочтительным для заявляемого способа является вариант повышения давления снаружи продувочных окон 6, заключающийся в подаче свежего заряда из выпускного коллектора 11 как в полость 4 через выпускные окна 5, так и к продувочным окнам 6, например, в обе подпоршневые камеры 9 и 10 по перепускным каналам 20 с установленными в них запорными органами 21 (аналогично описанному в первом варианте способу).
Таким образом, реализация заявленных вариантов способа организации газообмена в двухтактном двигателе с противоположно движущимися поршнями позволяет:
- повысить удельную мощность и улучшить экономичность двигателя за счет обеспечения синхронного движения поршней. Синхронность движения поршней устраняет проблему затрат мощности на преодоление запаздывающим поршнем давления сгорания при подходе к ВМТ, но, в свою очередь, приводит к симметрии фаз газораспределения при щелевой продувке, увеличивающей количество заряда, выходящего в выпускной коллектор. Однако возврат этого заряда обратно в цилиндр за счет утилизации энергии продуктов сгорания не только предотвращает потери заряда, но и позволяет увеличить наполнение цилиндра за счет его дозарядки;
- 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. Кроме того, теплонапряженность цилиндра в районе выпускных окон снижается за счет обеспечения синхронности движения поршней, так как сгорание начинается при положении обоих поршней в районе ВМТ, а в известных двигателях с угловой сдвижкой валов сгорание начинается при положении опережающего поршня за ВМТ.
- повысить удельную мощность двигателя за счет возможности осуществления наддува двухтактного двигателя без потерь заряда, а также за счет увеличения время-сечения свободного выпуска и фактического увеличения при этом время-сечения подачи свежего заряда в цилиндр;
- 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.