Двигатель внутреннего сгорания

(19) (1 ии Р 02 В 27/00 ИЯ СГОРАГОСУДАРСТВЕ Н ЮЕ ПАТЕ НТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ. (56) Авторское свидетельство СССР . М 1694954, кл, Г 02 В 27/00, 1989, (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО НИЯ(57) Сущность изобретения; двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, в котором выполнены два ряда впускных окон.2 и 3, два ряда выпускных окон 4 и 5; размещены впускной поршень 6 и выпускной поршень 7, имеющие на боковых поверхностях каналы 8 и 9, между поршнями и крышками 10 цилиндров заключены подпоршневые полости 11, 12, Снаружи на цилиндре установлены перапускные каналы, которые выполнены или в виде удлиненных полостей 15 или в виде пневмоцилиндров 16 сосвободно и подвижно установленными поршнями 17 и буферными полостями 18, соединенными трубопроводами 19, 20 с подпоршневыми полостями 11, 12. При положении поршней Изобретение относится к машиностроению, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания.ЦелУизобретения - повышение технико-экономических показателей двигателя.На фиг. 1 представлен двигатель в осевом разрезе; на фиг, 2 - разрез по А-А; на фиг. 3 - разрез по В-В; на фиг. 4,5,6 - варианты выполнения перепускных каналов; на фиг. 7 и 8 - приведен вариант двигателя с дополнительными наклонными каналами в выпускном поршне,6, 7 вблизи верхней мертвой точки каналы 8 на поршнях соединяют ряды впускных окон 2 и 3, а каналы 9 соединяют ряды выпускных окон 4, 5. Впускной патрубок 47 соединен с ниэконапорным источником сжатого воздуха. Воздух через патрубок 47, окна 2, каналы 8, окна 3. Перепускные каналы 15, 16, окна 4, каналы 9 окна 5 и выпускные патрубки 42 осуществляет продувку этого тракта и вытеснение из него продуктов сгорания, свободный поршень 17 смещается в крайне правое положение. По окончании продувки свежий воздушный заряд вытесняется в рабочую камеру цилиндра 1, а продукты сгорания размещаются в перепускном канале реализуется наддув камеры цилиндра, а поршень 17 достигает буферной полости 18, сжимает в ней воздух, останавливается и отражается обратно, волна давления изполости 18 распространяется по трубопро родам 19, 20 и при встречном,движении параней 6, 7 достигает их подпоршневых полостей, воздействует на поршни, 13 з.п.ф-лы, 8 ил, вай Двигатель содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1, в котором выполнены два ряд впускных окон 2 и 3, два ряда выпускных окон 4 и 5, размещены впускной поршень 6 и выпускной поршень 7, имеющие на боковых поверхностях каналы 8 и 9, между поршнями и крышками 10 цилиндров заключены подпоршневые полости 11, 12. Штоки поршней 13. 14 соединены с механизмом преобразования поступательного движения поршней в вращательное движение силового вала, например, в виде качающегося коромысла и втулки на косом криво- шипе (начертежах не показано). Механизм преобразования обеспечивает движение поршней во взаимно-противоположных направлениях, Снаружи на цилиндре размещены перепускные каналы, которые выполнены или в виде удлиненных полостей 15, или в виде пневмоцилиндров 16 со свободно и подвижно установленными порш. нями 17 и буферными полостями 18,соединенными трубопроводами 19, .20 с подпоршневыми полостями 11, 12. Варианты перепускных каналов на фиг. 1 условно совмещены, в реальном двигателе исполняется один вариант; Входы 21, 22 перепускных каналов соединены с выпускными окнами 4, выходы - с впускными окнами 3.Поршни 17 выполнены в виде легкой пустотелой оболочки, например, из углепластика, они могут быть подведены на аэростатических подшипниках с поддувом воздухом через обратный клапан из воздушного тракта (через торец, обращенный к выходу канала).Каналы 8 на впускном поршне могут быть выполнены в виде кольцевой проточки, для выпускного поршня предпочтительно ис полнение каналов 9 компактного в поперечном сечении профиля с жаропрочнымитеплоизолированными от поршня вставками 23, например, в виде штамповок из листовой стали, скрепленных с поршнем с воздушным зазором. В углах поворота перепускных каналов 15 целесообразна установка направляющих лопаток 24,Исполнение двигателя допускает различные варианты, На фиг, 4 изображен вариант перепускного канала с регулируемой акустической длиной; он содержит неподвижно соединенные с цилиндром 1 параллельные патрубки 25, 26, соединенные с впускными и выпускными окнами; с патрубками в.осевом направлении сопряжен трубчатый подковообразный элемент 27 с закрепленным на нем винтом 28. соединен. ным по резьбе с червячным колесом 29, установленным в корпусе двигателя на подшипниках 30 и зацепляющимся с червяком 31, снабженным приводом вращения, например, электродвигателем 32, управляемым бортовым компьютером.На фиг, 5 приведена конструкция перепускного канала со ступенчатым свободным поршнем 33, сопряженным со стенками канала по цилиндрическим поверхностям разных диаметров, причем в торце полости меньшего диаметра закреплены трубопроводы 19, 20, соединенные с поршневыми полостями, Внутри ступенчатого поршня возможно исполнение дренажных отверстий 34, 35. На внутренней поверхности перепускного канала может быть выполнена кольцевая канавка с диаметрами. высота которой (в осевом направлении) больше ширины поршня. В канавке возможно 5 исполнение четырех (или трех) направляющих ребер 36, дополнительно центрирующих поршень, Аналогом ступенчатого поршня является свободный поршень 37.изображенный на фиг. 6 и имеющий внут ренний цилиндр 38, подвижно сопряженный с неподвижным плунжером 39, внутренняя полость которого сообщена с трубопроводами 1,9, 20. Подобно перепускному каналу 16, трубопроводы 19, 20 тоже 15 могут быть снабжены дополнительным свободным поршнем 40, размещенным внутри плунжера 39.Перепускные каналы 15, 16 и трубопроводы 19, 20 подбором длины полостей и 20 масс свободных поршней выполняются сопределенной газодинамической инерционностью, или, иначе говоря, с определенной акустической длиной, Инерционность перепускных каналов должна обеспечивать 25 максимум волны давления на выходе каналапри фазе движения впускного поршня 6, близкой к 180 от "верхней мертвой точки", инерционность трубопроводов 19,20 больше и обеспечивает пик давления в подпоршневых полостях 11, 12 около 270 от в,м.т.и минимум давления примерно при 90 после в,м.т, Трубопроводы 19, 20 могут быть, соединены с перепускным каналом или последовательно, или параллельно, когда их 35 входы соединяются непосредственно с частью выпускных окон 4. Трубопроводы также допускают исполнение с переменной дриной, подобное изображенному на фиг. 4,Возможен вариант двигателя с выпуск ными поршнями, снабженными рядом наклонных каналов 41, выполненных в головке поршня. В фазе свободного выпуска отверстия каналов 41 сообщены со входом перепускного канала 15, а в конце хода поршня 45 - или с выпускными патрубками 42, или сдополнительными выпускными патрубками 43, разобщенных с патрубками 42 перемычкой и снабженных дроссельной заслонкой 44, установленной в патрубке и соединен ной рычагом 45 с приводом в виде тяги 46;кинематически связанной, например, с центробежным регулятором числа оборотов двигателя (или с приводом, управляемым бортовой ЭВМ). Расстояние между днищем 55 поршня и отверстиями каналов 41 равно илибольше выпускных окон 15, При положении поршней 6, 7 вблизи верхней мертвой. точки каналы 8 на поршнях соединяют ряды впускных окон 2 и 3, а каналы 9 соединяют ряды выпускных окон 4, 5, Впускной патрубок 4710 20 25 35 40 45 50 соединен с низконапорным источником сжатого воздуха например. от установленной на валу дви га тел я крыл ьчатк и), воздух через патрубок 47, окна 2, каналы 8, окна 3, перепускные каналы 15. 16, окна 4, каналы 9. окна 5 и выпускные патрубки 42 осуществляют продувку этого тракта и вытеснение из него продуктов сгорания, свободный поршень 18 смешается в крайне правое положение. В фазе свободного выпуска продуктов сгорания, соответствующей фиг. 1 сначала открываются окна 4, и газы под давлением порядка 6 бар поступают на вход перепускных каналов 15, 16; давление в рабочей камере цилиндра 1 и в перепускных каналах выравйивается, достигая величины 2 бар. При этом газы в полости канала 15 (или поршень 17 в канале 16) приобретают значительную скорость и кинетическую энергию, силой своей инерции обеспечивают прямоточную продувку рабочей камеры после Открытия впускнцх окон 3, По окончании продувки свежий воздушный заряд вытесняется в рабочую камеру цилиндра 1, а продукты сгорания размещаются в перепускном канале. при этом сохраняетоя давление 2 бар, т.е. реализуется значительный наддув камеры цилиндра, поршень 17 до. стигает буферной полости 18, сжимает в ней воздух, останавливается и отражается обратно, волна давления из полости 18 распространяется по трубопроводам 19, 20 и при встречном движении поршней 6, 7 достигает их подпоршневцх полостей, воздействует на поршни, создавая дополнительную мощность на валу двигателя. В фазе 260 от в.м,т, каналы 9 соединяют окна 4, 5,впускные газы из каналов 15, 16 сбрасываются в патрубки 42, при этом поршни 17 получают дополнительное ускорение.Сжатие воздуха в рабочей камере цилиндра 1 происходит обычным образом, затем осуществляется впрыск топлива через форсунку 48, сгорания смеси и расширение продуктов сгорания, После в.м.т. движущийся по инерции поршень 17 или столб газа в полости канала 15 создают разрежение на выходах каналов и в подпоршневых полостях, обеспечивая всасывание свежего воздуха через патрубок 47 и увеличивая мощность на валу двигателя. Далее цикл повторяется.Действие двигателя с конструктивными элементами характеризуется определенными особенностями,По окончании фазы активного выпуска продуктов сгорания поршень 33 приобретает значительную скорость, при этом проходные сечения окон 3 еще недостаточны для перепуска без сильного дросселирования вытесняемого поршнем воздуха, в результате возможно чрезмерное повышение давления на выходе перепускного канала. Положение поршня 33 в этот момент в пределах канавки обеспечивает кольцевой зазор между поршнем и стенками перепускного канала, благодаря которому часть воздуха перетекает на вход канала и устраняет пиковые выбросы давления; т.е канавки и дренажные отверстия 34, Э 5 обеспечивает временную задержку действия поршня до открытия окон Э, Наличие на поршне ступени с уменьшенным диаметром обеспечивает более высокие давления в подпоршневых полостях при неизменной длительности импульса,или более длительный импульс при сопоставимом уровне давления; оба варианта увеличивают дополнительную мощность двигателя, обусловленную расширением сжатого воздуха в подпоршкевых полостях,Исполнение поршня 36 с внутренним цилиндром 38 обеспечивает описанный вцше полезный эффект при меньших габаритах,Регулирование акустической длины перепускного канала посредством привода 32 на фиг, 4 обеспечивает оптимальный газооб 30 мен при неизменении скоростного режима,поскольку с уменьшением частоты вращения вала увеличивается длина перепускного канала,При снижении цикловой подачи топлива при работе двигателя на частичных нагрузках энергии выпускных газов может быть недостаточно для полной очистки цилиндра 1 от продуктов сгорания, В этом случае полезен вариант, изображенный на фиг, 7, 8. В фазе активного выпуска отверстия каналов 41 в поршне соединяются со входом перепускного канала и происходит выравнивание перепадов давления в камере цилиндра и в перепускном канале, Затем вблизи "нижней мертвой точки" отверстия на входе канала перекрываются цилиндрической поверхностью головки поршня, а отверстия каналов 41 соединяются с патрубками 43, в результате остаточные газы выпускаются из камеры в патрубок. В этом устройстве при малых числах оборотов возможно чрезмерное падение давления наддува в цилиндре; дроссельная заслонка 44. соединенная тягой 46 с центробежным 55 регулятором, устраняет неблагоприятныйэффект; она поворачивается и пропорцио нально уменьшает проходное сечение патрубка 43 и выпуск воздуха, Исполнение выпускных каналов 9 с жаропрочными твплоизолированными вставками 23 снижает термонапряженность выпускного поршня 7.Теплонэпряженность поршня 7 может быть снижена также изменением направления продувки перепускного канала на противоположное; для. этого каналы 9 выполняются на поршне 6, а каналы 8 - на поршне 7, патрубки 42 соединяются с источником сжатого воздуха, а патрубки 47 - с выпускным трактом, причем патрубки 47 благодаря соответствующему исполнению газораспределительных кромок каналов 9 соединяются с Окнами 3 раньше, чем патрубок 42 с окнами 4, Продувка перепускного канала 15, 27 (без свободных поршней) осуществляется в этом варианте в направлении от патрубка 42 к патрубку 47, при этом более теплонапряженный выпускной поршень 7 охлаждается воздухом, а менее нагретый впускной поршень 6 подогревается выпускными газами, т.е, тепловое состояние поршней выравнивается.Формула изобретения 1, Двйгатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, соединенными с впу скными патрубками, выпускными окнами, связанными с выпускными патрубками и размещенными в нем противоположно движущимися впускными выпускйым поршнями, кинематически связанными с силовым валом, перепускные каналы соединенные входом с выпускными окнами цилиндра, а выходом - с его впускными окнами, камеру сгорания, образованную поршнями и цилиндром, снабженным крышками с образованием подпоршневых полостей, источник сжатого воздуха и выпускной тракт, о т л ич а ю щи й с я тем, что, с целью повышения технико- экономических показателей, впускные окна цилиндра выполнены двумя рядами, разнесенными по оси цилиндра, удаленный от камеры сгорания ряд соединен с впускными патрубками, а приближенный к камере сгорания ряд - с выходом каждого перепускного канала, выпускные окна цилиндра выполнены двумя радами, приближенной к камере сгорания ряд связан с входом каждого перепускного канала и посредством трубопроводов - с подпоршневыми полостями, а удаленный от камеры сгорания ряд - с выпускными патрубками, и на боковой поверхности выпускного поршня выполнены каналы, соединяющие ряды выпускных окон.2. Двигатель по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что трубопроводы и перепускные каналы соединены с выпускными окнами параллельно.3, Двигатель по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем. что трубопроводы и перепускныеканалы соединены с выпускными окнамипоследовательно.5 4, Двигатель по пп. 1 и 3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что перепускные каналывыполнены в виде пневмоцилиндров со свободными поршнями и буферными полостями, соединенными через трубопроводы с10 подпоршневыми полостями,5. Двигатель ио пп. 1 и 3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что перепускные каналыснабжены трубчатым элементом и выполнены в виде параллельных патрубков, сопря 15 женных с трубчатым элементом свозможностью его перемецения по пэтрубкам при помощи привода.6. Двигатель по пп. 1, 3 и 4, о т л и ч а ющ и й с я тем, что пневмоцилиндры и разме-20 щенные в них свободные поршни вйполнены ступенчатыми,7, Двигэтел ь по пп. 1, 3, 4 и 6, о т л и ч а ющ и й с я тем, что внутри каждого гневмоцилиндра выполнена кольцевая канавка, высота которой в осевом направлении больше вы 3035 405055 соты ступени большего диаметра каждого свободного поршня8. Двигатель по пп, 1,3,4 и 6,отличающ и й с я тем, что внутри каждого свободного поршня выполнейо осевое цилиндрическоеотверстие, а каждый пневмоцилиндр снабжен неподвижным плунжером, сопряженным с цилиндрическйм отверстием свободного поршня и снабженным канала-. ми с подпоршневыми полостями.9, Двигатель по пп, 1,3, 4,6 и 8, отл ич э ю щ и й с я тем, что внутри плунжера размещен дополнительный свободный поршеньь.10, Двигатель по пп. 1, 3,4, 6, 8 и 9. отл и ч а ю щ и й с я тем, что каналы выпускного поршня снабжены жаропрочными вставками,11, Двигатель по пп. 1, 3, 4, 6, 8-10, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что впускные патрубки соединены с источником сжатого воздуха, а выпускные патрубки - с выпуск ным трактом.12. Двигатель по пп. 1, 3, 4, 6, 8-16, о тл ича ю щийсятем,что впускные патрубки соединены с выпускным трактом, а выпускные пэтрубки - с источником сжатого воздуха. 13. Двигатель по пп, 1, 3, 4, 6, 8-11, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что в головке выпускного поршня выполнены наклонные каналы, связанные с его боковой поверхностью посредством отверстий, размещенных на расстоянии от днища поршня, равномили превышающем высоту первого радя выпускных окон с возможностью их перекрытия боковой поверхностью поршня при его положении в нижней мертвой точке и одновременно сообщения отверстий с выпускными патрубками.14, Двигатель по пп. 1, 3, 4, 6. 8-12, о т л ич а ю щ и й с я тем, что он снабжен центробежным регулятором, связанным с силовым валом, часть наклонных каналов выполнена С воэможностью их сообщения с дополнительным выпускным патрубком, снабжен 5 ным дроссельной заслонкой,кинематически связанной с центробежным регулятором.1809135 Составитель К,ДеменТехред М,Моргентал ектор, Л.Ливринец Редакто изводственцо-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аз. 1271ВНИИПИ Гос Тираж венного комите 113035, Москва Подписноепо изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС