Способ повышения эффективности газообмена двухтактных двигателей внутреннего сгорания и устройство, его реализующее

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, преимущественно для транспортных средств, где показатели литровой мощности силовой установки имеют важное значение. Технический результат заключается в возможности улучшения показателей двухтактного двигателя внутреннего сгорания путем совершенствования процесса газообмена и перехода к несимметричным фазам газораспределения. Способ повышения эффективности газообмена двигателя внутреннего сгорания включает в себя всасывание свежей топливовоздушной смеси в кривошипную камеру и сжатие смеси в ней, перепуск подготовленной топливовоздушной смеси в рабочую камеру цилиндра, сжатие и воспламенение ее, расширение образующихся при горении газов, которые заставляют двигаться поршень, открытие выпускных окон и выброс отработанных газов в окружающую среду, открытие продувочных окон и продувку рабочей полости цилиндра, подвод свежей порции заряда в рабочую полость цилиндра. Причем начало и конец фазы наполнения кривошипной камеры задают угловой профилировкой пазов в щеках-балансирах коленчатого вала двигателя. Перемешивание и сжатие свежей топливовоздушной смеси осуществляют в кривошипной вращающейся камере, положение передней и задней острых кромок которой, выполняющих роль золотника, задают на внешней окружности профилированных щек-балансиров угловыми координатами, равными Θ_п=25-50° от нижней мертвой точки (НМТ) для передней кромки и Θ_З=0-95° от верхней мертвой точки (ВМТ) для задней кромки. Способ повышения эффективности газообмена обеспечивается в двигателе внутреннего сгорания, содержащем один или более рабочих цилиндров с гильзами, поршнями, которые кинематически, через шатуны и кривошипы, связаны со щеками-балансирами коленчатого вала и золотниковые устройства. Причем гильзы цилиндров снабжены продувочными и выпускными окнами, а щеки-балансиры коленчатого вала снабжены пазами, пневматически связанными с впускными и перепускными патрубками. При этом соотношение объема вращающихся кривошипных камер, образованных профилированными пазами щек-балансиров коленчатого вала и профилированными перепускными патрубками, к полному объему каждой из кривошипной камеры равно от V_вр=30% до V_вр=50%. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, преимущественно для транспортных средств, где показатели литровой мощности силовой установки имеют важное значение.

Известен способ повышения литровой мощности двухтактных двигателей внутреннего сгорания, включающий повышение степени сжатия в кривошипной камере, транспортировку сжатого заряда через промежуточный охладитель в замкнутый объем, образованный карманом золотника и стенкой головки, а затем в процессе вращения золотника передачу заряда в камеру сгорания. Избыточное давление в кривошипной камере, необходимое для продувки и наполнения цилиндра, создается вследствие газодинамических явлений, происходящих в системе впуска.

Для реализации высокой степени сжатия поршень снабжен вторым днищем по другую сторону коленчатого вала, жестко связанным с поршнем, а кривошипная камера образована продолжением стенок за ось коленчатого вала. Кинематическая связь золотника с передачей осуществляется через двойной карданный шарнир /1/.

Недостатком способа является сложная кинематическая схема двигателя, реализующая повышение литровой мощности, и, соответственно, значительно снижающая надежность и эффективную мощность, из-за трения в сложном устройстве, реализующем способ, и сводящая на нет все заявленные преимущества.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ повышения эффективности газообмена в двухтактных двигателях внутреннего сгорания путем форсирования процессов наполнения рабочего объема цилиндра свежим зарядом топливовоздушной смеси с помощью золотникового устройства цилиндрического типа, включающего втулку, установленную в подшипниках скольжения и кинематически связанную с коленчатым валом, и трубку золотника, снабженную профилированными отверстиями, предназначенными для транспортировки топливовоздушной смеси в кривошипную камеру /2/.

Недостатком данного способа и устройства, его реализующего, является значительный рост объема кривошипной камеры и, соответственно, снижение степени сжатия в ней, сложность кинематического привода, ограничение в достижении максимального время-сечения тракта золотника, требующее увеличения диаметра золотника, но сопровождающееся при этом ростом потерь энергии на трение.

Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, - улучшение показателей двухтактного двигателя внутреннего сгорания путем совершенствования процесса газообмена и перехода к несимметричным фазам газораспределения.

Для решения технической задачи предложен способ повышения эффективности газообмена двигателя внутреннего сгорания, включающий всасывание свежей топливовоздушной смеси в кривошипную камеру и сжатие смеси в ней, перепуск подготовленной топливовоздушной смеси в рабочую камеру цилиндра, сжатие и воспламенение ее, расширение образующихся при горении газов, которые заставляют двигаться поршень, открытие выпускных окон и выброс отработанных газов в окружающую среду, открытие продувочных окон и продувку рабочей полости цилиндра, подвод свежей порции заряда в рабочую полость цилиндра. При этом начало и конец фазы наполнения кривошипной камеры задают угловой профилировкой пазов в щеках-балансирах коленчатого вала двигателя. Согласно изобретению перемешивание и сжатие свежей топливовоздушной смеси осуществляют в кривошипной вращающейся камере, а положение передней и задней острых кромок кривошипной вращающейся камеры, выполняющих роль золотника, задают на внешней окружности профилированных щек-балансиров угловыми координатами, равными Θ_п=25-50° от нижней мертвой точки (НМТ) для передней кромки и Θ_з=0-95° от верхней мертвой точки (ВМТ) для задней кромки.

Причем фазу подготовки топливовоздушной смеси в кривошипной вращающейся камере задают в диапазоне угла поворота коленчатого вала от Θ_н=25-50° до Θ_к=180-275°, замеряемого от НМТ, а начало процесса подготовки топливовоздушной смеси задают степенью асимметрии диаграммы газораспределения, равной 90-120° поворота коленчатого вала.

При этом впрыск топлива производят непосредственно в кривошипную вращающуюся камеру, а процессы балансировки коленчатого вала и угловой профилировки пазов щек-балансиров выполняют одновременно. Далее задают угол поворота коленчатого вала, соответствующий фазе предварительной подготовки топливовоздушной смеси, равным Θ=130-250°, со смещением начала процесса на угол 20-50° от НМТ.

Кроме того, повышение эффективности газообмена в двухтактных двигателях внутреннего сгорания с рабочим объемом V_p=2,47 см³, частотой вращения коленчатого вала n=28000 мин^-1, объемом кривошипной вращающейся камеры в НМТ V_кк=4,54 см³ и соотношением вращающегося объема к полному объему кривошипной камеры V_вр=50% и подводом топливовоздушной смеси непосредственно в кривошипную вращающуюся камеру осуществляется профилировкой щек-балансиров коленчатого вала в угловых координатах, равных Θ_п=35° от НМТ для передней острой кромки и Θ_з=35° от ВМТ для задней острой кромки, и со степенью асимметрии, равной 120°.

Устройство, реализующее способ, представляет собой двигатель внутреннего сгорания, содержащий один или более рабочих цилиндров с гильзами, поршни, кинематически через шатуны и кривошипы связанные со щеками-балансирами коленчатого вала, золотниковые устройства, причем гильзы цилиндров снабжены продувочными и выпускными окнами, щеки-балансиры коленчатого вала выполнены профилированными и снабжены одним, двумя и более несимметричными пазами, пневматически связанными с впускными и перепускными патрубками. При этом согласно изобретению соотношение объема вращающихся кривошипных камер, образованных профилированными пазами щек-балансиров коленчатого вала и профилированными перепускными патрубками, к полному объему каждой из кривошипной камеры равно от V_вр=30% до V_вр=50%.

Кроме того, вводят один или более профилированных перепускных каналов, соединяющих кривошипные вращающиеся камеры с рабочими цилиндрами двигателя.

Причем подвод топлива осуществляют принудительно через трубопроводы, снабженные форсунками или жиклерами, во впускные патрубки или непосредственно в кривошипные вращающиеся камеры, которые снабжают уплотнительными выступами, сформированными на внутренней поверхности картера по периметру каждого впускного патрубка, с толщиной, равной δ=0,002 R_в+Δ, где R_в - радиус шейки коленчатого вала, Δ - радиальное биение подшипниковых опор двигателя.

При этом впускные патрубки задают прямоугольной формой на боковой поверхности картера в плоскости вращения щек-балансиров, а высоту поперечного сечения каждого впускного патрубка задают с углом поворота коленчатого вала, равным 5-45°.

Помимо этого юбку поршней задают профилированной несимметричной конфигурации.

Угловой диапазон фазы подготовки топливовоздушной смеси в кривошипных вращающихся камерах задают равным от Θ_н=25-50° до Θ_к=180-275°, что позволяет оптимизировать процесс подготовки смеси. Слишком раннее открытие впускного окна Θ_н<25° ведет к развитию в камере недостаточной степени разрежения, тогда как при Θ_н>50° процесс всасывания недостаточен для наполнения камеры топливовоздушной смесью. Снижение продолжительности фазы Θ_к<180° ведет, с одной стороны, к резкому падению как мощности двигателя, так и расхода топлива, а с другой стороны, увеличение продолжительности фазы Θ_к>275° ведет к повышению мощности, но резко снижает экономичность двигателя, причем последнее вызвано возможностью выброса топлива через впускной патрубок.

Повышение эффективности газообмена двухтактных ДВС, включающее регулирование начала и конца фазы наполнения, состоящей из впуска, перемешивания и сжатия свежей топливовоздушной смеси в кривошипной вращающейся камере путем угловой профилировки по определенному закону щек-балансиров коленчатого вала, совпадающей с процессом балансировки его, а также подводом топливовоздушной смеси непосредственно в кривошипную вращающуюся камеру, обеспечивает получение оптимального соотношения фаз газораспределения и повышение удельной литровой мощности двигателя.

Известно, что в полости кривошипной вращающейся камеры при сжатии поступившего в нее из системы впуска заряда создается повышенное давление, необходимое для осуществления продувки и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью. При поступлении в кривошипную вращающуюся камеру смеси колебательный процесс, имеющий место во впускной системе двигателя, продолжается. Одним из существенных параметров, определяющих настройку системы впуска, является объем кривошипной вращающейся камеры. С уменьшением этого объема увеличивается степень сжатия в кривошипной вращающейся камере и происходит повышение, особенно для двигателей с высокой частотой вращения вала, максимального крутящего момента М_кр и мощности N_e.

Благодаря предложенному способу и устройству, его реализующему, топливовоздушная смесь продолжает поступать в кривошипные вращающиеся камеры через профилированные каналы при подходе поршней к ВМТ, а добавочное количество смеси с большой скоростью истекает через продувочные окна в надпоршневые полости при подходе поршней к НМТ, что продолжается и при начале такта сжатия.

Введение фазы подготовки топливовоздушной смеси в кривошипных вращающихся камерах в диапазоне угла поворота коленчатого вала от Θ_н=25-50° до Θ_к=180-275°, замеряемого от НМТ, позволяет реализовать оптимальный режим работы предлагаемого устройства.

Введение асимметрии диаграммы газораспределения, равной 90-120° поворота коленчатого вала, позволяет повысить эффективность газообмена в предлагаемом устройстве.

Введение впрыска топлива непосредственно в кривошипные вращающиеся камеры позволит повысить качество перемешивания смеси и снизить удельный расход топлива.

Совмещение процесса балансировки с угловой профилировкой по определенному закону щек-балансиров вала позволяет упростить технологию изготовления двигателя.

Фиксация фазы наполнения угловыми координатами передней и задней острых кромок на внешней окружности щек-балансиров в диапазоне Θ_п=25-50° от НМТ для передней кромки и Θ_з=0-95° от ВМТ для задней позволяет реализовать оптимальный режим работы предлагаемого устройства.

Введение кривошипной вращающейся камеры с соотношением вращающегося объема к полному объему кривошипной камеры, равным от V_вр=30% до V_вр=50%, позволит обеспечить однородность топливоздушной смеси за счет интенсивного перемешивания ее профилированными пазами в щекахбалансирах коленчатого вала.

Введение золотникового устройства в виде профилированных щекбалансиров позволит существенно на 20% снизить объем кривошипной вращающейся камеры и тем самым повысить на 10% в ней степень сжатия топливовоздушной смеси.

Введение впрыска топлива непосредственно в кривошипные вращающиеся камеры позволит существенно повысить плотность заряда и эффективность сгорания топливовоздушной смеси в рабочих цилиндрах.

Введение профилированных щек-балансиров коленчатого вала позволит на 40% снизить гидравлические потери во впускных патрубках и обеспечить максимум время-сечения их.

Введение процесса профилировки щек-балансиров позволит осуществить одновременно и балансировку коленчатого вала без проведения дополнительных операций.

Введение угловой профилировки по определенному закону щек-балансиров позволит достаточно просто осуществить любую требуемую регулировку фаз газообмена двигателя при последующем его форсировании или модернизации.

Введение одного или более перепускных каналов, постоянно пневматически связанных с кривошипной вращающейся камерой, позволит улучшить процесс продувки рабочего цилиндра двигателя за счет повышения кинетической энергии входящей струи и снизить гидравлические потери при транспортировке топливовоздушной смеси за счет исключения движения смеси в перепускных каналах.

Введение прямоугольных впускных патрубков, размещенных на боковой поверхности картера в плоскости вращения щек-балансиров коленчатого вала, позволит увеличить их время-сечения при сохранении требуемой высоты патрубка или ее угловой координаты на щеке-балансире.

Размещение передней и задней острых кромок на внешней окружности профилированных щек-балансиров позволит придать им максимальную линейную скорость и обеспечить максимальный закон изменения площади поперечного сечения входного патрубка (максимум время-сечения).

Введение уплотнительных выступов на внутренней поверхности картера между щеками-балансирами и впускными патрубками позволит обеспечить более полное наполнение кривошипных вращающихся камер топливовоздушной смесью.

Введение профилированной юбки поршня позволит обеспечить как постоянство открытия впускного окна при всех фазах движения, так и постоянную пневматическую связь полости кривошипной вращающейся камеры с полостью продувочных каналов.

Сопоставительный анализ с прототипом /2/ показал, что заявляемый способ повышения газообмена двухтактного ДВС и устройство, его реализующее, существенно отличаются от известного способа и устройства, его реализующего, введением носителя информации о начале и конце фазы наполнения в виде угловой профилировки по определенному закону щек-балансиров, совмещением процессов балансировки с профилировкой и подачей топливовоздушной смеси непосредственно в кривошипную вращающуюся камеру, что в совокупности позволяет существенно повысить удельную литровую мощность двигателя.

Таким образом, заявляемый способ и устройство, его реализующее, соответствуют критерию изобретения "новизна".

Известен способ повышения эффективности газообмена двухтактных ДВС /3/ с помощью поршневого газораспределения, при котором момент открытия и закрытия впускных окон регулируется поршнем. Таким образом, необходимость увеличения опережения открытия впускного окна ведет к запаздыванию его закрытия, то есть полностью отпадает возможность регулирования фазы впуска в зависимости от режима работы двигателя.

Недостатком данного способа газообмена является симметричность диаграммы фаз газораспределения, которая сопровождается фазой дополнительного выпуска, и, соответственно, прямой потерей плотности заряда топливовоздушной смеси. При этом также возможен обратный выброс смеси из кривошипной камеры во впускные патрубки, что ведет к переобогащению смеси и повышению удельного расхода топлива.

Идеальным для двухтактных двигателей считают такие фазы впуска, при которых впускное окно открывается до 90° угла поворота коленчатого вала после прохождения поршнем НМТ, а закрывается в течение 30-60° после ВМТ.

Для увеличения наполнения обычно удлиняют фазу впуска. Чтобы увеличить фазу впуска, необходимо уменьшить фазу сжатия, т.е. организовать несимметричную фазу впуска. В известных двухтактных ДВС это достигается, с одной стороны, переходом к асимметричным фазам газораспределения, а с другой, к совершенствованию эффективности использования топливного заряда путем подбора оптимальных параметров продувочных каналов, а также соответствующей настройкой впускных и выпускных систем. Асимметричные фазы газораспределения получаются при использовании на впуске обратных пластинчатых клапанов (ОПК) или вращающихся цилиндрических золотников.

В случае применения золотниковой системы газораспределения фаза впуска устанавливается независимо от положения поршня и появляется возможность организовать любое смещение фаз впуска относительно ВМТ. В результате можно обеспечить более полное наполнение и получить высокие значения М_кр в широком диапазоне частот вращения вала.

Известен способ повышения мощностных и экономических показателей ДВС путем введения во впускной и продувочные каналы обратных пластинчатых клапанов (ОПК) для устранения выброса топливовоздушной смеси из кривошипной камеры. Способ получил широкое применение в кроссовых мотоциклах фирмы "Ямаха" и в малолитражных двигателях. В последних используются четырех- и более лепестковые клапана V-образной формы, располагаемые в корпусах прямоугольного сечения /3/.

Основным недостатком этого способа является то, что все известные ОПК ориентированы на малые и средние частоты вращения вала двигателя, когда они имеют лучшие характеристики по сравнению с двигателями, оснащенными вращающимися золотниками, которые обладают более стабильной фазой впуска. Кроме того, надежность и долговечность ОПК в большой степени зависит от физико-технических характеристик материала, из которого изготавливаются лепестки клапана, и от их геометрии.

Поэтому золотниковое устройство, управляющее впуском, должно быть таким, чтобы впуск начинался с момента возникновения вакуума в кривошипной камере и заканчивался при равенстве полного давления потока смеси давлению в кривошипной камере.

Известны устройства с дисковыми шайбами, изготовленными из полиамидной смолы, с секторными вырезами, которые совмещены с окнами в щеках кривошипов. Шайбы прижаты к средней опоре пружинами. При движении поршня к ВМТ в полости картера создается вакуум. В это время дисковый золотник открывает входной канал, по которому свежая смесь засасывается в кривошипную камеру. Когда поршень движется в обратном направлении, золотниковая шайба закрывает входной канал, отсекая смесь в картере. Как только поршень откроет продувочные окна, свежая смесь устремляется в цилиндр и начинается процесс продувки /3/.

Данное устройство обладает нестабильностью срабатывания из-за недостаточной жесткости применяемых золотников и их низкой долговечности при высокочастотных циклах нагружения, которые имеют место в скоростных двигателях.

Таким образом, заявляемый способ повышения эффективности газообмена двухтактных ДВС и устройство, его реализующее, соответствуют критерию изобретения "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг.2 и 3 - характерные фазы работы двигателя; на фиг.4 - входное устройство двигателя; на фиг.5 - круговая диаграмма газораспределения; на фиг.6 - двухмерная диаграмма фаз; на фиг.7 - подвод топлива в кривошипную вращающуюся камеру.

Двухтактный ДВС (фиг.1, 4, 7) содержит картер 1 с установленным в нем цилиндром 2 с гильзой 3, головку цилиндра 4 со свечой зажигания, поршень 5, соединенный через палец 6, шатун 7 и кривошип 8 с щекой-балансиром 9 коленчатого вала. В нижней части картера 1 расположена кривошипная вращающаяся камера 10, пневматически связанная через впускной патрубок 11 с входной системой, а через продувочные каналы 12 и окна 13 - с рабочей полостью цилиндра 2, которая через выпускные окна 14 связана в выпускной системой двигателя. Причем трубопровод подачи топлива с жиклером 15 соединен с входным патрубком 11 (фиг.1) или с кривошипной вращающейся камерой 10, а по периметру впускного патрубка на внутренней поверхности картера 1 выполнен уплотнительный выступ 16. При этом впускной патрубок 11 задан прямоугольной формой на боковой поверхности картера в плоскости вращения щек-балансиров 9.

Способ повышения эффективности газообмена осуществляется в устройстве следующим образом (фиг.2, 3 и 5). Процесс наполнения необходимо рассматривать во взаимодействии с остальными процессами.

Поскольку процесс наполнения двигателя происходит в две фазы, а именно наполнение кривошипной вращающейся камеры 10 и наполнение цилиндра 2, то удобно каждую фазу рассматривать по отдельности.

Процесс наполнения кривошипной вращающейся камеры 10 начинается, когда профилированная щека-балансир 9 передней кромкой, заданной угловой координатой ϕ_о.вп=35°, откроет вход впускного патрубка 11, и заканчивается в момент его закрытия, которому соответствует угловая координата ϕ_з.вп=216° от НМТ.

Для описания процесса наполнения удобно разделить его на два периода. Первый период основного впуска начинается с момента достижения ВМТ поршнем 5. Этому периоду предшествует период создания вакуума в кривошипной вращающейся камере 10, продолжающийся от момента конца закрытия впускных окон, соответствующего углу ϕ_з.вп=216°, до начала открытия впускного окна в точке щеки-балансира с угловой координатой ϕ_з.вп=35° от НМТ, соответствующего равенству полного давления Р_вп во впускном канале полному давлению в кривошипной вращающейся камере. Интенсивность поступления смеси в первом периоде зависит от степени вакуума в кривошипной вращающейся камере 10. Из-за высоких частот вращения вала поток во впускном патрубке 11 вначале отстает от поршня 5 и в кривошипной вращающейся камере 10 возникает вакуум. Затем поток на впуске опережает поршень 5, который замедляет свой ход, наполняет кривошипную вращающуюся камеру, и давление в конце впуска достигает наибольшей величины. После прохождения поршнем 5 положения, при котором в кривошипной камере 10 развивается Р_{max вп}, давление в ней начинает понижаться вследствие интенсивного движения смеси из кривошипной вращающейся камеры и продувочного канала 12 через продувочные окна 13 в цилиндр 2, вытесняя отработанные газы (ОГ).

Второй период дополнительного впуска начинается в ВМТ и заканчивается закрытием впускного патрубка задней острой кромкой профилированной щеки-балансира 9 с угловой координатой ϕ_з.вп=216° от НМТ. При движении поршня 5 от ВМТ к НМТ давление в кривошипной вращающейся камере 10 интенсивно растет, достигая максимального значения Р_{max вп} при угле поворота коленчатого вала, равном ϕ_з.вп=380° от НМТ.

При дальнейшем движении поршень 5 осуществляет выталкивание смеси, сопровождаемое дозарядкой цилиндра 2 топливным зарядом. Кроме того, при движении от ВМТ к НМТ поршень 5 начинает закрывать продувочные окна 13 и скорость потока топливовоздушной смеси уменьшается.

Перетекание смеси в цилиндре 2 продолжается и после прохождения поршнем НМТ под действием разности давлений и инерции струи смеси в продувочных каналах 13. В конце выпуска ОГ при давлении, меньшем атмосферного, вследствие инерции струй вытекающих ОГ наблюдается эффект Каденаси. При движении поршня 5 к НМТ объем цилиндра 2 увеличивается, а следовательно, повышается степень разрежения в нем. Этот эффект использован для роста конечной энергии продувочной струи для более эффективной очистки цилиндра. Основная часть свежего заряда поступает в цилиндр 2 в первый период продувки от точки с угловой координатой ϕ_з.вп=298° до НМТ, второй период от НМТ до точки на щеке-балансире с угловой координатой ϕ_з.вр=62° заканчивается в момент закрытия продувочных окон 13. Во второй период осуществляется "дозарядка" цилиндра 2 свежей смесью.

После закрытия продувочного окна 13 в точке с угловой координатой ϕ_з.вп=216° происходит сжатие топливовоздушной смеси в кривошипной вращающейся камере 10. Сжатие связано в основном с уменьшением объема камеры, а также нагревом смеси и испарением жидкой фазы топлива при контакте с горячими деталями цилиндропоршневой группы. Для повышения герметичности кривошипной вращающейся камеры в ней по периметру впускного патрубка формируют уплотнительный выступ 16 (фиг.7).

Сжатая в кривошипной вращающейся камере 10 и продувочных каналах 12 смесь, начиная с момента, когда давление в камере станет больше давления в цилиндре 2, через продувочные окна 13 поступает в цилиндр 2.

Процессу наполнения цилиндра предшествуют процессы свободного выпуска отработанных газов (ОГ) и наполнения кривошипной вращающейся камеры 10. Процесс начинается при повороте коленчатого вала на угол ϕ_з.вп=290°, в момент открытия выпускных окон 7, когда кривошипная камера 6 напрямую соединена с цилиндром 2. Для детального описания процесс выпуска удобно представить происходящим в два периода: основной впуск при повороте коленчатого вала ϕ_з.вп=290° до НМТ, продувки (от НМТ до угла поворота коленчатого вала ϕ_з.вп=298°).

В начальный момент открытия продувочных окон 13 давление в цилиндре 2 может быть больше или меньше давления в кривошипной камере 10 при повороте коленчатого вала на угол ϕ_з.вп=290°.

Период от закрытия продувочных окон 13 при повороте коленчатого вала на угол ϕ_з.вп=62° и до закрытия выпускных окон 14 при повороте вала до угла ϕ_з.вп=70° оказывает существенное влияние на процесс наполнения цилиндра 2. Объем цилиндра уменьшается и топливовоздушная смесь выталкивается через выпускные окна 14 в систему выпуска, увеличивая прямой выброс смеси с ОГ. При использовании настроенной системы выпуска с помощью отраженных волн давления от ОГ удается возвратить в цилиндр 2 некоторую часть смеси, попавшей в выпускную систему.

В качестве примера реализации заявляемого способа повышения эффективности газообмена в двухтактных двигателях внутреннего сгорания с рабочим объемом 2,47 см³ приведем основные параметры модельного двигателя RS-15K, выполненного как устройство, реализующее способ, который развивает удельную литровую мощность N=400 кВт/л при степени сжатия в кривошипной вращающейся камере ε_к=1,55 и имеет частоту вращения вала n=28000 мин^-1.

Способ повышения эффективности газообмена двухтактных ДВС, включающий процессы всасывания, продувки, сжатия, рабочего хода и сжатия топливовоздушной смеси в рабочих камерах, позволяет оптимизировать процесс всасывания топливовоздушной смеси в картере двигателя путем задания начала и конца фазы наполнения, а также получения минимального объема кривошипной вращающейся камеры угловой профилировкой по определенному закону щек-балансиров коленчатого вала двигателя.

В предлагаемом способе интенсификация процесса газообмена в двухтактных ДВС осуществляется путем расширения фазы всасывания, тщательным перемешиванием топливовоздушной смеси и увеличением степени сжатия в кривошипной вращающейся камере, а также снижением гидравлических потерь во впускном и продувочном каналах.

Суперпозиция в одном устройстве (без введения дополнительных конструктивных элементов) двух принципов управления газообменом, а именно процессов открытия, наполнения, сжатия и подготовки топливовоздушной смеси в кривошипной камере, управляется с помощью угловой профилировки по определенному закону щек-балансиров коленчатого вала, а процессы открытия и закрытия продувочных и выпускных окон управляются путем задания углов поворота самого коленчатого вала двигателя, что никогда ранее не применялось.

Прямоугольная форма изменения площади впускного окна, изображенная на фиг.6, показывает, что в заявляемом способе и устройстве, его реализующем, обеспечивается максимальная величина время-сечения клапана. Передний и задний фронт двухмерной развернутой диаграммы газораспределения отражает процесс мгновенного открытия и закрытия перепускных (входных и продувочных) окон, что в предлагаемом устройстве достигается за счет применения продувочных каналов большого сечения, которые в случае продувочных окон являются продолжением кривошипной вращающейся камеры, а также укороченным впускным патрубком и размещением передних и задних кромок, выполняющих роль золотника, на внешней окружности щек-балансиров коленчатого вала, имеющих максимальный радиус и, соответственно, максимальную линейную скорость изменения площади сечения входного окна, что в известных устройствах никогда не применялось. А так как коэффициенты наполнения кривошипной вращающейся камеры и рабочей камеры цилиндра в первую очередь зависят от скорости движения топливовоздушной смеси во всасывающем и продувочном каналах, то и они увеличиваются.

Все приведенные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на соответствующий технический результат, совокупность которых позволит получить требуемый технический результат.

Использование предлагаемого способа повышения эффективности газообмена ДВС и устройства, его реализующего, позволяет, по сравнению с прототипом /2/, повысить удельную литровую и эффективную мощности двигателя путем повышения коэффициента наполнения и механического К.П.Д. за счет:

- формирования минимально возможного объема подпоршневого пространства;

- совмещения золотникового устройства с щеками-балансирами коленчатого вала;

- качественного перемешивания топливовоздушной смеси в кривошипной вращающейся камере;

- исключения золотникового устройства как сборочной единицы двигателя, которая включает приводной механизм, золотник и систему смазки;

- снижения затрат энергии на трение в золотниковом устройстве;

- увеличения плотности заряда путем устранения подогрева топлива от трения в золотниковом устройстве;

- достижения максимального время-сечения впускного тракта;

- впрыска топлива непосредственно в кривошипную вращающуюся камеру;

- расширения продолжительности фазы всасывания двигателя;

- сокращения длины всасывающего патрубка, что неочевидно в известных способах и устройствах, их реализующих.

Источники информации

1. Патент РФ № 2002075 от 17.12.90, кл. F 01 L 7/12.

2. Мерзликин В.Е. Микродвигатели серии ЦСТКАМ. - М.: Патриот, 1991, с. 150.

3. А.с. СССР № 383852 от 05.04.1971, кл. F 01 L 7/12.

4. А.с. СССР № 914780 от 09.06.80, кл. F 01 L 7/02.

5. Кондрашов В.М., Григорьев Ю.С., Тупов В.В. и др. Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1990, 272 с.

6. Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1990, 450 с.

Формула изобретения

1.Способ повышения эффективности газообмена двигателя внутреннего сгорания, включающий всасывание свежей топливовоздушной смеси в кривошипную камеру и сжатие смеси в ней, перепуск подготовленной топливовоздушной смеси в рабочую камеру цилиндра, сжатие и воспламенение ее, расширение образующихся при горении газов, которые заставляют двигаться поршень, открытие выпускных окон и выброс отработанных газов в окружающую среду, открытие продувочных окон и продувку рабочей полости цилиндра, подвод свежей порции заряда в рабочую полость цилиндра, причем начало и конец фазы наполнения кривошипной камеры задают угловой профилировкой пазов в щеках-балансирах коленчатого вала двигателя, отличающийся тем, что перемешивание и сжатие свежей топливовоздушной смеси осуществляют в кривошипной вращающейся камере, а положение передней и задней острых кромок кривошипной вращающейся камеры, выполняющих роль золотника, задают на внешней окружности профилированных щек-балансиров угловыми координатами, равными и_П=25-50° от нижней мертвой точки (НМТ) для передней кромки и и_З=0-95° от верхней мертвой точки (ВМТ) для задней кромки.

2.Способ по п.1, отличающийся тем, что фазу подготовки топливовоздушной смеси в кривошипной вращающейся камере задают в диапазоне угла поворота коленчатого вала от Θ_Н=25-50° до Θ_К=180-275°, замеряемого от НМТ.

3.Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что впрыск топлива производят непосредственно в кривошипную вращающуюся камеру.

4.Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что процессы балансировки коленчатого вала и угловой профилировки пазов щек-балансиров выполняют одновременно.

5.Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что фазу предварительной подготовки топливовоздушной смеси задают углом поворота коленчатого вала, равным и=130-250°, со смещением от НМТ на угол 20-50°.

6.Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что повышение эффективности газообмена в двухтактных двигателях внутреннего сгорания с рабочим объемом V_Р=2,47см³, частотой вращения коленчатого вала n=28000мин^-1, объемом кривошипной вращающейся камеры в НМТ V_КК=4,54см³ и соотношением вращающегося объема к полному объему кривошипной камеры V_ВР=50% и подводом топливовоздушной смеси непосредственно в кривошипную вращающуюся камеру осуществляется профилировкой щек-балансиров коленчатого вала в угловых координатах, равных и_П=35° от НМТ для передней острой кромки и и_З=35° от ВМТ для задней острой кромки.

7.Двигатель внутреннего сгорания, содержащий один или более рабочих цилиндров с гильзами, поршнями, кинематически через шатуны и кривошипы связанными со щеками-балансирами коленчатого вала, золотниковые устройства, причем гильзы цилиндров снабжены продувочными и выпускными окнами, щеки-балансиры коленчатого вала снабжены пазами, пневматически связанными с впускными и перепускными патрубками, отличающийся тем, что соотношение объема вращающихся кривошипных камер, образованных профилированными пазами щек-балансиров коленчатого вала и профилированными перепускными патрубками, к полному объему каждой из кривошипной камеры равно от V_ВР=30% до V_ВР=50%.

8.Двигатель по п.7, отличающийся тем, что вводят один или более профилированных перепускных каналов, соединяющих кривошипные вращающиеся камеры с рабочими цилиндрами двигателя.

9.Двигатель по п.7 или 8, отличающийся тем, что подвод топлива осуществляют принудительно через трубопроводы, снабженные форсунками или жиклерами, во впускные патрубки или непосредственно в кривошипные вращающиеся камеры.

10.Двигатель по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что кривошипные вращающиеся камеры снабжают уплотнительными выступами, сформированными на внутренней поверхности картера по периметру каждого впускного патрубка с толщиной, равной δ=0,002R_В+Δ, где R_В– радиус шейки коленчатого вала, Δ– радиальное биение подшипниковых опор двигателя.

11.Двигатель по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что впускные патрубки задают прямоугольной формой на боковой поверхности картера в плоскости вращения щек-балансиров.

12.Двигатель по любому из пп.7-11, отличающийся тем, что высоту поперечного сечения каждого впускного патрубка задают с углом поворота коленчатого вала, равным 5–45°.

13.Двигатель по любому из пп.7-12, отличающийся тем, что юбку поршней задают профилированной несимметричной конфигурации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7