Способ в двухтактном двигателе и двухтактный двигатель
Изобретение относится к двигателестроению. Предлагается способ в двухтактном двигателе, содержащем по меньшей мере один цилиндр (1) с поршнем (2), осуществляющим возвратно-поступательное перемещение, ограниченное пространство (5) для сгорания, по меньшей мере одно выпускное окно (7) и впускное окно (9), расположенное над выпускным окном (7). Оба окна (7, 9) раскрывают в положении нижней мертвой точки поршня. Привод (8) выполнен с возможностью открытия соединенного с ним клапана (17) для введения воздуха для сгорания в пространство для сгорания через впускную трубу (6) и впускное окно. Система (15) управления после положения нижней мертвой точки поршня отдает команду приводу открывать клапан (17). Клапан (17) открывают при достижении впускного окна (9) поршнем по пути к положению своей верхней мертвой точки. Также раскрыт двухтактный двигатель. Технический результат заключается в уменьшении вредных выбросов с отработанным газом и повышении эффективности двигателя. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к способу в двухтактном двигателе, и к двухтактному двигателю, работающему согласно способу.
Настоящее изобретение касается нового двухтактного двигателя, работающего подобно обычному двухтактному двигателю, в том смысле, что давление отработавших газов понижаются перед тем, как вводят воздух для сгорания и топливо, но с существенным отличием в том, что впускное окно расположено над выпускным окном. В традиционных двухтактных двигателях впускное окно располагают ниже выпускного окна.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Поршень перемещается между двумя концевыми положениями, верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой. В верхней мертвой точке пространство сжатия переходит в пространство сгорания, которое ограничено подвижным поршнем и головкой цилиндра. Перемещение поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке называют тактом сжатия, а последующее перемещение от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке называют тактом расширения или рабочим ходом. После рабочего хода происходит газообмен. Отработавшие газы удаляют и вводят новый воздух для сгорания, после чего следует новый такт сжатия. Этот двухтактный процесс является основным принципом работы двигателя.
В современных двухтактных двигателях газообмен происходит в конце рабочего хода посредством поршня, сначала раскрывающего выпускное окно, через которое отработавшие газы вытекают, часто пульсирующим образом, из-за избыточного давления. После этого впускное окно раскрывают, и вводят новый воздух для сгорания, где после этого начинается такт сжатия. Основным недостатком является нечистый отработавший газ, вызванный воздухом для сгорания с топливом и/или смазочным маслом, который в определенной степени вытекает через выпускное окно в окружающую атмосферу. Это вызвано тем, что окна для впуска и выпуска открывают, перекрывая одновременно, и что выпускное окно закрывают после впускного окна.
Использованием свободно управляемых клапанов в головке цилиндра, тарельчатых клапанов как в современных четырехтактных двигателях, проблемы с нечистым отработавшим газом могут уменьшаться до значительной степени. Двигатели, представленные в шведских патентах SE 529569 и SE 529570, имеют свободно управляемые и электромагнитно, гидравлически или пневматически приводимые в действие клапаны в головке цилиндра, предназначенные, среди прочего, для достижения двухтактного двигателя с более высокой эффективностью и более чистыми отработавшими газами. В этих патентах выпускной клапан должен, для уменьшения выброса неочищенного отработавшего газа, открываться для выпуска отработавшего газа и закрываться до того, как впускной клапан открывают и закрывают для впуска воздуха для сгорания. Из вышеупомянутых типов свободно управляемых клапанов, пневматически приводимые в действие клапаны на данный момент представляют собой клапаны, которые могут достигать кратчайшего времени для открытия и закрытия клапана двигателя. При подъеме клапана на 8 мм, являющимся максимальным расстоянием от гнезда клапана в головке цилиндра до полностью открытого клапана, самое короткое время составляет 5 мс (продолжительность в обычном цилиндре 400 см3), что означает, что время, требуемое от того, когда этот выпускной клапан открыт до того, как входной клапан закрыт, составляет 10 мс.
Это время не является проблемой при низких скоростях, таких как, например, 1000 об./мин, когда время для одного оборота двигателя составляет 60 мс, но поскольку желательна более высокая скорость, например, от 2 000 об./мин и выше, то время для выполнения газообмена сокращается, а, следовательно, время для сжатия сокращается и длина такта сжатия становится все короче, что приводит к снижению скорости сжатия. В двухтактном двигателе, имеющем максимальную скорость 3000 об./мин (что соответствует нормальной максимальной скорости 6000 об./мин в четырехтактном двигателе), время одного оборота составляет 2 0 мс. Если половина этого времени будет использоваться для газообмена, то понятно, что возникают проблемы, которые могут обобщаться тем, что при постоянном давлении наддувочного воздуха и впуске воздуха для сгорания под давлением, степень сжатия уменьшается с результирующим уменьшением эффективности при увеличении скорости двигателя.
С окнами для впуска и выпуска в цилиндре, которые раскрывают и закрывают возвратно-поступательным перемещением поршня, соответственно, как в современных двухтактных двигателях или в двухтактных двигателях согласно настоящему изобретению, указанная проблема с уменьшенной степенью сжатия и уменьшенной эффективностью при увеличении скорости, не возникает. Современные двухтактные двигатели, однако, имеют проблемы, связанные с нечистым отработавшим газом, как упомянуто во втором абзаце в разделе «Уровень техники» выше, поскольку окна для впуска и выпуска открыты одновременно, а выпускное окно закрывается после впускного окна.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения заключается в уменьшении проблемы с нечистым отработавшим газом в современных двухтактных двигателях. Изобретение касается двухтактного двигателя, работающего подобно обычному двухтактному двигателю, в том смысле, что давление отработавших газов понижают перед тем, как вводят воздух для сгорания с топливом или без него, но с существенными и характерными отличиями, а именно, с одной стороны, что впускное окно располагают над выпускным окном и, с другой стороны, что воздух для сгорания вводят после того, как выпускное окно было закрыто поршнем во время такта сжатия.
Во время рабочего хода поршень сначала проходит впускное окно, которое снаружи само закрыто через управляемый клапан, а затем проходит выпускное окно, в котором давление отработавших газов понижено, и поршень достигает своего положения нижней мертвой точки. Когда поршень после этого продвигается по пути к положению своей верхней мертвой точки, он сначала проходит выпускное окно, которое, следовательно, закрывают, после чего поршень достигает раскрытого впускного окна. Когда поршень достигает впускного окна, управляемый клапан открывают, и воздух для сгорания течет через управляемый клапан и впускное окно в цилиндр до тех пор, пока впускное окно не закроют поршнем. Таким образом начинают сжатие введенного воздуха для сгорания. Степень сжатия постоянна и не зависит от скорости, а продолжительность открытия окна уменьшается с увеличением скорости.
Когда поршень раскрывает выпускное окно, импульс отработавших газов под давлением вытекает через выпускное окно, в результате чего создается отрицательное давление, которое остается, когда поршень достигает впускного окна и в него втекает воздух для сгорания. Отрицательное давление увеличивается с увеличением скорости и нагрузки двигателя, что способствует добавлению нового воздуха для сгорания, и с увеличением скорости компенсирует более короткое время добавления.
Поскольку выпускное и впускное окна не открывают одновременно, проблема с нечистым отработавшим газом, как в современных двухтактных двигателях, не может возникать. Другая проблема современных двухтактных двигателей заключается в том, что преимущества турбины, приводимой в действие отработавшими газами для производства наддувочного воздуха, сжатого воздуха для сгорания, ограничены перекрывающимися открытыми окнами, в то время как наддувочный воздух вытекает в выпускное окно, а не остается в цилиндре и увеличивает в нем давление до того, как начинается такт сжатия. Настоящее изобретение решает также эту проблему.
В области вокруг положения нижней мертвой точки поршня, скорость поршня низкая, а в нижней мертвой точке поршень на мгновение полностью неподвижен. Это означает, что область выпуска может быть уменьшена по сравнению с современными двухтактными двигателями, поскольку имеется больше времени для понижения давления отработавших газов. Если область выпуска дополнительно распределяют по нескольким нижним выпускным окнам, рабочий ход становится длиннее, что приводит к улучшенной эффективности. Реализацией области выпуска с устройством, которое делает ее размер переменно регулируемым для разных рабочих условий двигателя, в цилиндре может создаваться непрерывное отрицательное давление, вызванное пульсирующим оттоком отработавших газов, в то время как отрицательное давление остается, когда выпускная труба закрыта поршнем, и, следовательно, может использоваться, когда управляемый клапан открывают для введения нового воздуха для сгорания.
Управляемый клапан может пневматически, гидравлически или электромагнитно приводиться в действие, причем последний тип предпочтителен, поскольку не требуется сжатый воздух или гидравлическое масло, а вместо этого только электричество, которое всегда под рукой. Кроме того, доступны новые технологии для клапанов двигателя, приводимых в действие электромагнитно или приводимых в действие соленоидно, что дает возможность для такого же быстрого открытия клапана, как и открытие клапана с пневматическим приведением в действие.
Вышеописанные цели настоящего изобретения достигают объемом защиты, ограниченным формулой изобретения, описанной после описания.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает двухтактный двигатель согласно изобретению, содержащий по меньшей мере один цилиндр 1 с головкой 11 цилиндра, поршень 2, осуществляющий возвратно-поступательное перемещение в цилиндре, причем поршень закрывает выпускное окно 7, когда впускное окно 9 закрыто. Такт сгорания и расширения должны быть начаты. Маховик 3 установлен на коленчатом валу 4, на котором поршневой шток с указанным поршнем расположен традиционным образом. Пространство 5 сгорания расположено между поршнем и головкой цилиндра. Воздух для сгорания вводят в пространство сгорания из впускной трубы 6 через управляемый клапан 17, которым управляют так, чтобы он открывался и закрывался приводом 8. На коленчатом валу расположен датчик или зонд 19 коленчатого вала, сигналы которого считывают системой 15 управления двигателем, которая таким образом регистрирует положение поршня в цилиндре, и отдает команду приводу открывать и закрывать указанный клапан в подходящее время. Поршень показан в своем положении верхней мертвой точки, где он закрывает выпускное окно 7. В выпускной трубе установлен датчик 22 кислорода, сигналы которого считывают системой 15 управления двигателем. Используя детектор кислорода, отношением между топливом и воздухом для сгорания можно управлять так, чтобы оно было оптимальным на основе существующей системы последующей переработки отработавших газов. Следует отметить, что детектор кислорода в некоторых случаях не подходит, например, в небольших двигателях, таких как бензопилы, которые должны быть легкими и работать либо на холостом ходу, либо на полном газу. Любая свеча зажигания 16 предназначена для двигателей, в которых топливо должно воспламеняться посредством искры по команде системы управления двигателем в оптимальное время с точки зрения эффективности двигателя. В дизельных двигателях позиция 16 представляет инжектор дизельного топлива. Показанный вариант выполнения подходит также для небольших двигателей, таких как садовые машины, цепные пилы, мотоциклы и другие. Следует отметить, что фигура показывает в первую очередь, что необходимо для применения изобретения.
Фиг. 2 показывает положение нижней мертвой точки поршня в цилиндре, когда выпускное окно 7 было раскрыто, в результате чего отработавшие газы под давлением, часто пульсирующим образом, вытекают через указанное окно в выпускную систему. Если в выпускной системе есть давление окружающей среды, а давление в цилиндре составляет более двух бар когда окно раскрыто, то отработавшие газы изначально вытекают со скоростью звука, так называемый критический поток, и создается кратковременное отрицательное давление в цилиндре. Отработавшие газы могут приводить в движение выпускную турбину, посредством которой двигатель может быть перегружен, что обычно не работает хорошо в традиционном двухтактном двигателе. В области вокруг положения нижней мертвой точки поршня скорость поршня низкая, а в указанной нижней мертвой точке поршень на мгновение неподвижен. Это означает, что область выпуска может быть уменьшена по сравнению с современными двухтактными двигателями, поскольку имеется больше времени для понижения давления отработавших газов. Если область выпуска дополнительно распределена по нескольким нижним выпускным окнам, рабочий ход становится длиннее, что приводит к улучшенной эффективности.
Фиг. 3 показывает поршень, только что закрывший выпускное окно 7 и достигший раскрытого впускного окна 9 во время такта сжатия. Система управления двигателем отдала команду приводу 8 открывать клапан 17, в результате чего воздух для сгорания, с топливом или без него, вводят в камеру сгорания через впускное окно. Кратковременное отрицательное давление, описанное выше со ссылкой на фигуру 2, используют во время введения воздуха для сгорания. Следует отметить, что пространство снаружи впускного окна 9 с клапаном 17 может быть осуществлено многими различными путями для минимизирования объема снаружи впускного окна.
Фиг. 4 показывает цилиндр согласно фиг. 1, где поршень закрыл впускное окно и началось сжатие вводимого воздуха для сгорания, пока регулируемый клапан все еще открыт.Следовательно понятно, что наиболее важным аспектом управляемого клапана 17 является то, что его можно посредством привода 8 быстро открывать для введения воздуха для сгорания. Закрытие впускного окна происходит автоматически посредством поршня 2.
Фиг. 5 показывает цилиндр согласно фиг. 1 во время такта сжатия.
Фиг. 6 показывает цилиндр согласно фиг. 5 с удлиненной, так называемой настроенной, впускной трубой 6, которая соответствует известным, так называемым настроенным, выпускным трубам. Цель заключается в увеличении массы вводимого воздуха для сгорания при высоких скоростях, вызванных усиленным импульсом вводимого воздуха для сгорания, посредством всей массы воздуха во впускной трубе, приводимой в движение, что достигают при существующем отрицательном давлении в цилиндре по мере того, как поршень достигает впускного окна, а управляемый клапан открывают. Следовательно, в цилиндр вводят большую массу воздуха по сравнению с массой воздуха, которую вводили бы в цилиндр, используя короткую впускную трубу 6 в соответствии с фиг.5. Если картер двигателя используют для введения сжатого воздуха картера двигателя в цилиндр, то удлиненная труба может вместо этого соединяться с картером двигателя для достижения соответствующего эффекта.
Фиг. 7 предназначена для показа стенки 3 0 цилиндра (пунктирная) с поршнем 2 в нижней мертвой точке с полностью раскрытым выпускным окном 32, выпускной трубой 34 со скользящим выпускным дросселем 33 с отверстием 35 для управления потоком выпускных газов, проходящим через выпускное окно. Выпускным дросселем управляют средством управления, соединенным с системой 15 управления двигателем (не показана), на основе текущей потребности в крутящем моменте, в данном случае максимальном крутящем моменте.
Фиг. 8 показывает ситуацию на фиг. 7 с выпускным дросселем, которым посредством системы управления двигателем на основе текущей потребности в крутящем моменте, управляли, чтобы размещать отверстие 35 так, чтобы возможный поток выпускных газов в выпускную трубу был примерно вдвое меньше.
1. Способ в двухтактном двигателе, содержащем по меньшей мере один цилиндр (1) с поршнем (2), осуществляющим возвратно-поступательное перемещение, ограниченное пространство (5) для сгорания, по меньшей мере одно выпускное окно (7) и впускное окно (9), расположенное над выпускным окном, причем оба окна раскрывают в положении нижней мертвой точки поршня, привод (8), выполненный с возможностью открытия соединенного с ним клапана (17) для введения воздуха для сгорания в пространство для сгорания через впускную трубу (б) и впускное окно, систему (15) управления, которая после положения нижней мертвой точки поршня отдает команду приводу открывать клапан, отличающийся тем, что клапан открывают при достижении впускного окна поршнем по пути к положению своей верхней мертвой точки.
2. Двухтактный двигатель для осуществления способа по п. 1, содержащий по меньшей мере один цилиндр (1) и поршень (2), осуществляющий возвратно-поступательное перемещение в нем, который ограничивает пространство (5) сгорания, которое в своем нижнем участке выполнено с по меньшей мере одним выпускным окном (7), а выше него выполнено с по меньшей мере одним впускным окном (9), привод (8) для открытия клапана (17), через который воздух для сгорания вводится через впускную трубу (б), систему (15) управления, содержащую датчики и программное обеспечение, управляющее приводом (8) для открытия и закрытия впускной трубы (6), отличающийся тем, что поршень (2) образует часть золотникового клапанного устройства, которая после его положения нижней мертвой точки достигает по меньшей мере одного впускного окна (9) после закрытия по меньшей мере одного выпускного окна (7).
