RU2054128C1

RU2054128C1 - Two-stroke internal combustion engine

Info

Publication number: RU2054128C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Болычевский
Original assignee: Юрий Михайлович Болычевский
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1996-02-10

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: two-stroke internal combustion engine has two cylinders 1,2 and pistons 3,4 with rods 5,6 operating in antiphase. Exhaust valves 7 and 8 and devices 9 and 10 for injecting fuel are mounted in the top covers of each cylinder 1,2. The engine has by- passes 11 and 12 with gates 13 and 14. The inlet of each by-pass is positioned in the bottom covers of cylinders 1 and 2. The outlet of each by-pass is positioned inside the combustion chambers and tangentially to the side surface of the cylinders. The bottom covers of the cylinders are provided with outlet valves 15 and 16. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к тепловым двигателям, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС). The invention relates to heat engines, namely to piston internal combustion engines (ICE).

Известен двухтактный ДВС (авт.св. N 1002627), содержащий пару цилиндров, снабженных поршнями синфазного хода и образующими камеры сжатия разного объема в цилиндрах, впускными, продувочными и выпускными каналами и изолированными кривошипными камерами, подключенными к продувочным каналам. Цилиндры сообщены между собой в верхней части соединительным каналом сечением в 4-10% от сечения поршня. ДВС имеет два карбюратора. Карбюратор первого цилиндра предназначен для приготовления горючей смеси с избытком воздуха α 0,75-1,2. Карбюратор второго цилиндра рассчитан на α ≥ 7,5. Свеча зажигания расположена в камере сжатия первого цилиндра, которая имеет объем, больший объема камеры сжатия второго цилиндра. Высота окна выпускного канала второго цилиндра превышает высоту такого же окна первого цилиндра на 10-20^о поворота коленчатого вала.Known two-stroke internal combustion engine (autoswitch N 1002627), containing a pair of cylinders equipped with common-mode pistons and forming compression chambers of different volumes in the cylinders, inlet, purge and exhaust channels and insulated crank chambers connected to the purge channels. The cylinders are interconnected in the upper part by a connecting channel with a section of 4-10% of the piston section. ICE has two carburetors. The carburetor of the first cylinder is designed to prepare a combustible mixture with an excess of air α 0.75-1.2. The carburetor of the second cylinder is designed for α ≥ 7.5. The spark plug is located in the compression chamber of the first cylinder, which has a volume larger than the volume of the compression chamber of the second cylinder. The height of the window of the exhaust channel of the second cylinder exceeds the height of the same window of the first cylinder by 10-20 ^about rotation of the crankshaft.

Такая конструкция сокращает топливные потери, связанные с продувкой двухтактных ДВС. Однако продувочные потери топлива не устраняются совсем и имеют довольно высокий уровень, ухудшающий экономичность ДВС. This design reduces fuel losses associated with blowing two-stroke ICE. However, purge losses of fuel are not eliminated at all and have a rather high level that worsens the efficiency of ICE.

Более совершенным является двухтактный ДВС с внутрицилиндровым впрыском топлива (Двигатели внутреннего сгорания, устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина, М. Машиностроение, 1970, с. 294-298). Он содержит, по крайней мере, один цилиндр с поршнем штоковой конструкции. Надпоршневой объем цилиндра, ограниченный головкой поршня и верхней крышкой, снабжен камерой сгорания, имеющей устройство впрыска топлива и выхлопной клапан, расположенный по оси цилиндра (центрально). Подпоршневой объем, ограниченный донышком поршня и нижней крышкой, имеет впускной клапан. Подпоршневой и надпоршневой объемы связаны продувочным каналом через продувочные окна, расположенные в нижней части цилиндра, Данный ДВС не имеет системы зажигания, так как воспламенение топливной смеси происходит от высокой температуры сжатия (дизельный цикл). Благодаря внутрицилиндровому впрыску топлива, осуществляемому после процесса продувки, двигатель не имеет продувочных потерь топлива, так что его топливная экономичность возрастает до уровня четырехтактных ДВС. A more advanced is a two-stroke internal combustion engine with internal injection of fuel (internal combustion engines, design and operation of piston and combined engines. Edited by A.S. Orlin, M. Mashinostroenie, 1970, pp. 294-298). It contains at least one cylinder with a piston rod design. The over-piston volume of the cylinder, limited by the piston head and the top cover, is equipped with a combustion chamber having a fuel injection device and an exhaust valve located along the cylinder axis (centrally). The piston volume limited by the piston bottom and the bottom cover has an inlet valve. The under-piston and over-piston volumes are connected by a purge channel through the purge windows located in the lower part of the cylinder. This engine does not have an ignition system, since the ignition of the fuel mixture occurs from a high compression temperature (diesel cycle). Thanks to the in-cylinder fuel injection carried out after the purge process, the engine does not have a purge loss of fuel, so that its fuel efficiency increases to the level of four-stroke ICEs.

Однако из-за несовершенства продувки, осуществляемой при максимальном значении надпоршневого объема, теряется около 25% воздуха, предварительно впущенного в подпоршневой объем. Следствием этого является уменьшение эффективного литрового объема на 25% сравнительно с его геометрическим значением. Кроме того, значительная часть (до 25%) рабочего хода поршня оказывается неэффективной, так как эта часть занята процессом продувки. Это дает дополнительное снижение эффективного литрового объема. В силу указанных потерь воздуха и рабочего хода литровая мощность двухтактного ДВС возрастает не в 2 раза, как было бы при отсутствии указанных потерь, а всего лишь в 1,1-1,2 раза сравнительно с четырехтактным ДВС. Это сильно ограничивает потенциальный весовой выигрыш 2-х-тактных ДВС. Кроме того, как и другие двухтактные двигатели, данные ДВС имеет худшие экологические показатели выхлопа из-за повышенного содержания остаточных (рециркулирующих) отработанных газов после продувки. However, due to the imperfection of the purge carried out at the maximum value of the over-piston volume, about 25% of the air that was previously introduced into the under-piston volume is lost. The consequence of this is a 25% reduction in effective liter volume compared to its geometric value. In addition, a significant part (up to 25%) of the piston stroke is ineffective, since this part is occupied by the purge process. This gives an additional reduction in effective liter volume. By virtue of the aforementioned air and travel losses, the liter power of a two-stroke ICE does not increase by 2 times, as it would be in the absence of the indicated losses, but only 1.1-1.2 times compared with a four-stroke ICE. This greatly limits the potential weight gain of a 2-stroke ICE. In addition, like other two-stroke engines, these ICEs have the worst environmental performance due to the increased content of residual (recirculating) exhaust gases after purging.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому является двухтактный ДВС, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с противофазными поршнями штоковой конструкции. Надпоршневые объемы цилиндров, ограниченные головками поршней и верхними крышками, снабжены выхлопными и перепускными затворами, а также устройством впрыска топлива и имеют камеры сгорания. Подпоршневые объемы цилиндров, ограниченные донышками поршней и нижними крышками, снабжены впускными клапанами. Подпоршневой объем первого цилиндра сообщен с надпоршневым объемом второго цилиндра посредством перепускного канала через перепускной затвор, а подпоршневой объем второго цилиндра сообщен с надпоршневым объемом первого цилиндра посредством другого перепускного канала через перепускной затвор. The closest in technical essence to the proposed is a two-stroke internal combustion engine containing at least one pair of cylinders with antiphase pistons of the rod design. The piston cylinder volumes bounded by the piston heads and top caps are equipped with exhaust and bypass valves, as well as a fuel injection device and have combustion chambers. Piston cylinder volumes limited by piston bottoms and lower caps are equipped with inlet valves. The under-piston volume of the first cylinder is in communication with the over-piston volume of the second cylinder through the overflow channel through the overflow valve, and the under-piston volume in the second cylinder is communicated with the over-piston volume in the first cylinder through the other overflow channel through the overflow valve.

Данная конструкция позволяет организовать процессы выхлопа и продувки каждого из надпоршневых объемов не в широкой окрестности нижней мертвой точки (НМТ) соответствующего поршня, как обычно, а вблизи верхней мертвой точки (ВМТ). Эти процессы протекают целиком в пределах подъема поршня и не занимают никакой доли рабочего хода поршня (вниз). Благодаря полноте рабочего хода эффективный литровый объем возрастает, а удельный вес двигателя уменьшается. Значение продуваемого надпоршневого объема при этом оказывается намного меньшим, чем в аналогах, что несколько снижает количество рециркулирующих (остаточных) газов, что равносильно некоторому улучшению цилиндрового наполнения, или дополнительному повышению литровой мощности. Кроме того, процессы перепуска воздуха и впрыска топлива здесь оказываются совмещенными по времени. Количественные расходные параметры перепуска и впрыска можно подобрать таким образом, чтобы образующаяся при смешении горючая смесь имела бы в течение воспламенения и основного горения состав, обеспечивающий максимум скорости и полноты сгорания. Завершающая стадия горения (дожигание) может протекать с большим избытком перепускаемого воздуха. Реализация указанных возможностей даст значительное увеличение полноты сгорания топлива, что дает некоторый прирост КПД и обеспечивает снижение экологического вреда выхлопа. This design allows you to organize the processes of exhaust and purge of each of the above-piston volumes not in the wide vicinity of the bottom dead center (BDC) of the corresponding piston, as usual, but near the top dead center (TDC). These processes occur entirely within the piston lift and do not occupy any fraction of the piston stroke (down). Due to the completeness of the stroke, the effective liter volume increases, and the specific gravity of the engine decreases. In this case, the value of the over-piston volume blown is much smaller than in the counterparts, which somewhat reduces the amount of recirculating (residual) gases, which is equivalent to some improvement in cylinder filling, or an additional increase in liter capacity. In addition, the processes of air bypass and fuel injection here are combined in time. The quantitative flow parameters of the bypass and injection can be selected so that the combustible mixture formed during mixing has a composition during ignition and main combustion that provides maximum speed and completeness of combustion. The final stage of combustion (afterburning) can occur with a large excess of bypassed air. The implementation of these capabilities will give a significant increase in the completeness of combustion of fuel, which gives a certain increase in efficiency and reduces the environmental harm of the exhaust.

Однако из-за несовершенства собственно процесса продувки количество остаточных (рециркулирующих) газов в прототипе оказывается существенно большим, чем в четырехтактном двигателе. Соответственно более высоким является и экологический вред выхлопа. Улучшению параметров горения сильно препятствует большая неравномерность образующейся горючей смеси в различных местах камеры сгорания. Поскольку оптимизировать процесс горения во всех этих местах одновременно невозможно, указанные возможности увеличения полноты сгорания оказываются сильно ограниченными. Так что повышение КПД невелико, а токсичность выхлопа остается высокой. However, due to the imperfection of the purge process itself, the amount of residual (recirculating) gases in the prototype is significantly larger than in a four-stroke engine. Accordingly, the environmental damage of the exhaust is also higher. Improving combustion parameters is greatly hindered by the large unevenness of the resulting combustible mixture in various places of the combustion chamber. Since it is impossible to optimize the combustion process in all these places at the same time, the indicated possibilities of increasing the completeness of combustion are very limited. So the increase in efficiency is small, and the toxicity of the exhaust remains high.

Техническим результатом является дальнейшее повышение КПД и снижение вредности выхлопа. The technical result is a further increase in efficiency and reduction of exhaust emissions.

Технический результат достигается тем, что в двухтактном ДВС, содержащем по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, имеющими штоки и движущимися в противофазе, надпоршневые объемы с камерами сгорания, ограниченные головками поршней и верхними крышками цилиндров, подпоршневые объемы, ограниченные донышками поршней и нижними крышками цилиндров, выхлопные клапаны, установленные в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и по меньшей мере одну пару перепускных каналов с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного цилиндра с надпоршневым объемом другого цилиндра, причем ввод каждого из каналов расположен в нижних крышках цилиндров, а вывод в качестве сгорания, выхлопные клапаны расположены в центральных частях верхних крышек цилиндров, а вывод каждого из перепускных каналов ориентирован тангенциально к боковой поверхности цилиндра. The technical result is achieved by the fact that in a two-stroke ICE containing at least one pair of cylinders with pistons placed in them, having rods and moving in antiphase, piston volumes with combustion chambers limited by piston heads and cylinder tops, piston volumes limited by piston bottoms and lower cylinder covers, exhaust valves installed in the upper covers of each of the cylinders, intake valves installed on their lower covers, and at least one pair of bypass channels s with valves, each of which connects the piston volume of one cylinder with the piston volume of the other cylinder, the input of each channel being located in the lower caps of the cylinders, and the output as combustion, the exhaust valves are located in the central parts of the upper caps of the cylinders, and the output of each of the bypass The channels are oriented tangentially to the lateral surface of the cylinder.

По имеющимся у автора сведениям из патентных и научно-технических источников на данный момент неизвестен двухтактный ДВС, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с размещенными в них поршнями, имеющими штоки и движущимися в противофазе, надпоршневые объемы с камерами сгорания, ограниченные головками поршней и верхними крышками цилиндров, подпоршневые объемы, ограниченные донышками поршней и нижними крышками цилиндров, выхлопные клапаны в верхних крышках каждого из цилиндров, впускные клапаны, установленные на их нижних крышках, и по меньшей мере одну пару перепускных каналов с затворами, каждый из которых соединяет подпоршневой объем одного цилиндра с надпоршневым объемом другого цилиндра, причем ввод каждого из каналов расположен в нижних крышках цилиндров, а вывод в камере сгорания, в котором с целью дальнейшего повышения КПД и снижения вредности выхлопа содержались бы следующие отличительные признаки:
вывод каждого из перепускных каналов ориентирован тангенциально к боковой поверхности цилиндра,
выхлопные клапаны расположены в верхних крышках центрально, по оси соответствующего цилиндра.According to the author’s information from patent and scientific and technical sources, a two-stroke ICE is currently unknown, containing at least one pair of cylinders with pistons placed in them, having rods and moving in antiphase, over-piston volumes with combustion chambers bounded by piston heads and upper cylinder covers, piston volumes limited by piston bottoms and lower cylinder covers, exhaust valves in the upper covers of each cylinder, intake valves mounted on their lower covers, and at least one pair of bypass channels with valves, each of which connects the piston volume of one cylinder with the supra piston volume of the other cylinder, the input of each channel being located in the lower caps of the cylinders, and the output in the combustion chamber, in which, in order to further increase the efficiency and reducing exhaust emissions would contain the following distinguishing features:
the output of each of the bypass channels is oriented tangentially to the side surface of the cylinder,
exhaust valves are located in the upper covers centrally, along the axis of the corresponding cylinder.

Благодаря первому признаку воздух, входящий в надпоршневой объем из перепускного канала под большим перепадом давления, движется вдоль боковой стенки цилиндра (камеры сгорания), по окружности и образует мощный вихрь (циклон). Этот вихрь обладает центробежным сепарирующим свойством, благодаря которому довытесняемый выхлопной газ, имеющий пониженную плотность вследствие высокой температуры, удерживается в центральной, осевой области надпоршневого объема. Частный объем этой области последовательно уменьшается благодаря вытесняющему действию входящего из перепускного канала в виде вихря холодного воздуха. Благодаря же центральному (совмещенному) расположению выхлопного клапана (второй отличительный признак), в него почти не попадает холодного вытесняющего воздуха, что минимизирует продувочные потери свежей дозы воздуха. Такая продувка почти без потерь завершается в момент полного исчезновения центральной горячей области выхлопных газов, которые практически полностью довытесняются из надпоршневых объемов. В силу описанных особенностей процессов продувки, она отличается крайне высокой степенью совершенства, уровень рециркуляции становится более низким, чем в четырехтактном двигателе. Due to the first sign, the air entering the nadporshnevoy volume from the overflow channel under a large pressure drop moves along the side wall of the cylinder (combustion chamber), around the circumference and forms a powerful vortex (cyclone). This vortex has a centrifugal separating property, due to which the extruded exhaust gas, which has a reduced density due to high temperature, is held in the central, axial region of the over-piston volume. The private volume of this region is successively reduced due to the displacing effect of the cold air entering from the bypass channel. Due to the central (combined) location of the exhaust valve (the second distinguishing feature), cold displacing air hardly enters it, which minimizes the purge losses of a fresh dose of air. Such a purge almost without loss is completed at the moment of the complete disappearance of the central hot region of the exhaust gases, which are almost completely extruded from the over-piston volumes. Due to the described features of the purge processes, it is characterized by an extremely high degree of perfection, the level of recirculation becomes lower than in a four-stroke engine.

Следствием совершенства продувки является улучшение среднего химического состава подготавливаемой при впрыске топлива и дальнейшем перепуске воздуха горючей смеси (практическое отсутствие остаточных рециркулирующих примесей отработавшего газа). Такая смесь быстрее воспламеняется и полнее и быстрее сгорает без детонационного эффекта. Кроме того, наследуемый от продувки мощный газовый вихрь непрерывно перемешивает горящую смесь и выравнивает по объему ее химический состав, температуру и другие параметры (гомогенизация). Благодаря этому появляется хорошая возможность оптимизировать процесс горения во всем объеме камеры сгорания и добиться повышения полноты сгорания топлива. Это дает ощутимый прирост КПД по полноте сгорания. Одновременно увеличение полноты сгорания снижает в выхлопе долю непрогоревшего топлива и его вредных активных соединений и радикалов. Снижению токсичности выхлопа способствует также указанное снижение рециркуляции. Таким образом, поставленная цель оказывается достигнутой. A consequence of perfection of the purge is an improvement in the average chemical composition of the fuel being prepared during fuel injection and further air bypass (the practical absence of residual recirculating impurities of the exhaust gas). Such a mixture ignites faster and burns more fully and faster without a detonation effect. In addition, the powerful gas vortex inherited from the purge continuously mixes the burning mixture and evens out its chemical composition, temperature, and other parameters (homogenization). Thanks to this, there is a good opportunity to optimize the combustion process in the entire volume of the combustion chamber and to achieve an increase in the completeness of fuel combustion. This gives a noticeable increase in efficiency in terms of combustion. At the same time, an increase in the completeness of combustion reduces the fraction of unburnt fuel and its harmful active compounds and radicals in the exhaust. To reduce the toxicity of the exhaust also contributes to the specified reduction in recirculation. Thus, the goal is achieved.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемой конструкции ДВС изобретательского уровня. The foregoing allows us to conclude that the inventive engine has an inventive step.

На чертеже дана схема простейшего ДВС (с одной парой цилиндров), где 1 и 2 цилиндры; 3 и 4 поршни; 5 и 6 поршневые штоки; 7 и 8 выхлопные клапаны; 9 и 10 устройства впрыска топлива, например форсунки; 11 и 2 перепускные каналы; 13 и 14 перепускные затворы; 15 и 16 впускные клапаны; 17 картер. The drawing shows a diagram of the simplest ICE (with one pair of cylinders), where 1 and 2 cylinders; 3 and 4 pistons; 5 and 6 piston rods; 7 and 8 exhaust valves; 9 and 10 fuel injection devices, for example nozzles; 11 and 2 bypass channels; 13 and 14 bypass valves; 15 and 16 inlet valves; 17 sump.

Внутреннее устройство картера 17 обеспечивает противофазный ход штоков 5 и 6 и соответственно 3 и 4. Оно может быть, например, кривошипно-шатунным механизмом с крейцкопфами. Двигатель содержит две независимые газодинамические системы, действующие противофазно относительно друг друга. Первая из них образована надпоршневым объемом цилиндра 1 с выхлопным клапаном 7 и устройством впрыска 9 и подпоршневым объемом цилиндра 2 с впускным клапаном 16. Эта система включает также перепускной канал 11 с затвором 13. Вторая газодинамическая система образована надпоршневым объемом цилиндра 2, подпоршневым объемом цилиндра 1 и перепускным каналом 12 с соответствующими элементами 8, 10, 15 и 14. Для уянения принципа действия двигателя достаточно уяснить работу одной газодинамической системы. The internal arrangement of the crankcase 17 provides the antiphase stroke of the rods 5 and 6 and 3 and 4, respectively. It can be, for example, a crank mechanism with crossheads. The engine contains two independent gas-dynamic systems acting in antiphase relative to each other. The first of them is formed by the over-piston volume of the cylinder 1 with the exhaust valve 7 and the injection device 9 and the under-piston volume of the cylinder 2 with the inlet valve 16. This system also includes a bypass channel 11 with a shutter 13. The second gas-dynamic system is formed by the over-piston volume of the cylinder 2, the under-piston volume of the cylinder 1 and bypass channel 12 with the corresponding elements 8, 10, 15 and 14. To fade away the principle of the engine, it is enough to understand the operation of one gas-dynamic system.

Первая газодинамическая система действует следующим образом. Пусть в начальный момент поршень 3 находится в НМТ, а поршень 4 в ВМТ. При этом выпускной клапан 7 открыт, а затвор 13 и впускной клапан 16 закрыты. При движении поршня 3 вверх в верхнем объеме цилиндра 1 протекает процесс выхлопа отработавших газов через открытый клапан 7. Одновременно в подпоршневом объеме цилиндра 2 при движении поршня 4 вниз ранее впущенная доза свежего воздуха предварительно сжимается. По достижении таким сжатием степени 4-6, то есть вблизи положения НМТ поршня 4 открывается перепускной затвор 13 и предсжатый воздух устремляется через канал 11 в надпоршневой объем цилиндра 1, который к этому моменту имеет малое значение, поскольку поршень 3 почти подходит к ВМТ. При этом процесс выхлопа из этого объема переходит в процесс его продувки перепускаемым чистым воздухом. В этот момент в надпоршневом объеме 1 остается не более 15-20% отработавших газов низкого давления ввиду малого значения объема и совершенного выхлопа. В этот же момент на вводном и выводном концах канала 11 действует максимальный перепад давления предсжатия, поэтому перепускаемый воздух приобретает очень высокую сверхзвуковую скорость течения. Втекающий по каналу 11 быстрый воздух в надпоршневом объеме 1 встречает на своем пути препятствие в виде боковой поверхности цилиндра (камеры сгорания), его поток непрерывно изменяет направление под действием этого препятствия, что формирует мощный вихрь (циклон) внутри 1. Для улучшения эффективности перепуска и продувки путем увеличения мощности такого вихря вывод канала 11 ориентирован тангенциально относительно боковой стенки цилиндра 1. За счет центробежных сил втекающий холодный и плотный воздух оттесняется ближе к стенке цилиндра и образует аксиальную периферическую область наполнения. Наоборот, довытесняемый (продуваемый) отработавший газ оттесняется в центральную осевую область объема, которая последовательно сужается за счет расширения первой области по мере перепуска. Для улучшения параметров продувки выхлопной клапан 7 также размещают по оси цилиндра, так что вытесняемый (выдуваемый) горячий выхлопной газ все время находится в зоне действия этого клапана, что повышает эффективность продувки, которая заканчивается в момент закрытия выхлопного клапана 7. The first gas-dynamic system operates as follows. Let at the initial moment the piston 3 is located at the BDC, and the piston 4 at the TDC. While the exhaust valve 7 is open, and the shutter 13 and the intake valve 16 are closed. When the piston 3 moves upward in the upper volume of the cylinder 1, the exhaust gas process proceeds through the open valve 7. At the same time, in the under-piston volume of the cylinder 2, when the piston 4 moves downward, the previously introduced dose of fresh air is pre-compressed. Upon reaching this degree of compression 4-6, that is, near the position of the BDC of the piston 4, the bypass valve 13 opens and the pre-compressed air rushes through the channel 11 into the supra-piston volume of the cylinder 1, which at this point is of little importance, since the piston 3 is almost approaching the TDC. In this case, the exhaust process from this volume passes into the process of purging it with bypassed clean air. At this moment, no more than 15-20% of low-pressure exhaust gases remain in the over-piston volume 1 due to the small volume and perfect exhaust. At the same time, at the inlet and outlet ends of the channel 11, the maximum pressure drop of the pre-compression acts, so the bypassed air acquires a very high supersonic flow velocity. The fast air flowing through the channel 11 in the over-piston volume 1 encounters an obstacle in the form of a lateral surface of the cylinder (combustion chamber), its flow continuously changes direction under the influence of this obstacle, which forms a powerful vortex (cyclone) inside 1. To improve the efficiency of bypass and purging by increasing the power of such a vortex, the outlet of the channel 11 is oriented tangentially relative to the side wall of the cylinder 1. Due to centrifugal forces, the flowing cold and dense air is pushed closer to the cylinder wall and Braz axial peripheral region filling. On the contrary, the pre-displaced (purged) exhaust gas is pushed into the central axial region of the volume, which is gradually narrowed due to the expansion of the first region as it is bypassed. To improve the purge parameters, the exhaust valve 7 is also placed along the axis of the cylinder, so that the displaced (blown) hot exhaust gas is always in the zone of action of this valve, which increases the purge efficiency, which ends when the exhaust valve 7 is closed.

После этого перепуск воздуха через канал 11 продолжается, за счет чего плотность воздуха и его давление в камере сгорания цилиндра 1 непрерывно возрастает. Одновременно с этим срабатывает устройство 9 и топливо начинает поступать в воздушный вихрь в виде тонкодисперсного брызгового факела, который подхватывается вихрем, благодаря чему топливо эффективно и достаточно равномерно перемешивается с воздухом с образованием горючей смеси, которая через очень короткий индукционный период задержки воспламеняется от высокой температуры (например температуры сжатия, или калильной свечи). Воспламененная и горящая первоначальная порция горючей смеси служит мощным воспламенительным факелом для последующих порций топлива, возникающих по мере перепуска воздуха и впрыска топлива. Такой характер процессов обеспечивает максимальную скорость горения в сочетании с достаточно плавным бездетонационным нарастанием давления и очень высокую полноту сгорания. При этом процесс впрыска заканчивают раньше окончания перепуска воздуха при ВМТ поршня 3. К этому моменту основное сгорание переходит в стадию дожигания со значительным избытком воздуха, что также способствует повышению полноты сгорания топлива. After this, the air bypass through the channel 11 continues, due to which the density of air and its pressure in the combustion chamber of the cylinder 1 is continuously increasing. At the same time, the device 9 is activated and the fuel begins to enter the air vortex in the form of a finely dispersed spray torch, which is picked up by the vortex, due to which the fuel mixes efficiently and fairly evenly with air to form a combustible mixture, which after a very short induction delay period is ignited by high temperature ( e.g. compression temperature, or glow plug). The ignited and burning initial portion of the combustible mixture serves as a powerful ignition torch for subsequent portions of fuel that occur as the air is bypassed and fuel is injected. This nature of the processes provides the maximum burning rate in combination with a fairly smooth non-detonation pressure increase and a very high completeness of combustion. In this case, the injection process is completed before the end of the air bypass at the TDC of the piston 3. At this point, the main combustion goes into the afterburning stage with a significant excess of air, which also contributes to an increase in the completeness of fuel combustion.

В тот же момент поршень 4 занимает положение НМТ, затвор 13 при этом закрывается. Для улучшения полноты перепуска значение подпоршневого объема 2 в этот момент должно быть теоретически нулевым, практически возможно более малым. Далее поршень 3 начинает опускаться при максимальном, термически нагнетенном давлении надпоршневых газов (рабочий ход). При этом высокотемпературный газ над поршнем подвергается почти адиабатному расширению с совершением индикаторной положительной работы. Такой рабочий ход является геометрически почти полным, поскольку завершается открытием клапана 7 при подходе поршня 3 к НМТ, точнее с небольшим опережением на предвыхлоп, как в четырехтактном двигателе. Одновременно поршень 4 поднимается от НМТ к ВМТ и в подпоршневой объем 2 впускается свежая доза воздуха через открывающийся впускной клапан 16. Процесс впуска заканчивается при подходе 4 к ВМТ с закрытием клапана 16. Этим завершается описанный полный цикл первой газодинамической системы, который затем последовательно повторяется в процессе непрерывной работы двигателя. Вторая газодинамическая система работает аналогично, но со сдвигом по фазе на 180^о, что непосредственно следует из ее конструктивной симметрии и противофазности хода поршней.At the same moment, the piston 4 takes the position of the BDC, the shutter 13 is closed. To improve the completeness of the bypass, the value of the piston volume 2 at this moment should be theoretically zero, practically possibly smaller. Further, the piston 3 begins to lower at the maximum, thermally pumped pressure of the over-piston gases (stroke). In this case, the high-temperature gas above the piston undergoes almost adiabatic expansion with the performance of indicator positive work. Such a stroke is geometrically almost complete, since it ends with the opening of valve 7 when the piston 3 approaches the BDC, more precisely with a slight advance on the pre-exhaust, as in a four-stroke engine. At the same time, the piston 4 rises from the BDC to the TDC and a fresh dose of air is introduced into the piston volume 2 through the opening inlet valve 16. The intake process ends when 4 approaches the TDC and the valve 16 is closed. This completes the described full cycle of the first gasdynamic system, which then repeats in sequence continuous engine operation. The second gas-dynamic system works similarly, but with a phase shift of 180 ^° , which directly follows from its structural symmetry and the out-of-phase piston stroke.

ДВС по данной конструктивной схеме может иметь две и более независимых пары цилиндров, работающих на общий картер. Многоцилиндровость позволяет улучшить равномерность крутящего момента и обеспечить необходимое увеличение суммарной мощности двигателя при ограничениях на мощность одной пары цилиндров. ICE according to this design scheme can have two or more independent pairs of cylinders working on a common crankcase. Multi-cylinder makes it possible to improve the uniformity of torque and provide the necessary increase in the total engine power with restrictions on the power of one pair of cylinders.

Для достижения максимального положительного эффекта важно "поймать" совмещение моментов закрытия выхлопных клапанов с соответствующими моментами исчезновения центральных областей горячего выхлопного газа при завершении продувки. Если выхлопной клапан закрыть раньше, то центральная область не успеет исчезнуть и в верхнем объеме цилиндра возникнет большая доза рециркулирующих отработанных газов, хотя продувочные потери чистого воздуха будут отсутствовать. Если же клапан закрыть позже, то после исчезновения центральной зоны на выхлоп будет поступать чистый воздух и его потери сильно возрастут, хотя уровень рециркуляции будет нулевым. В обоих случаях параметры двигателя по совокупности заметно ухудшается сравнительно со случаем указанного совмещения моментов. Практически осуществить такое совмещение не так уж просто. Дело в том, что оптимальная продувка протекает очень быстро из-за высокой скорости перепускной струи и длится определенный отрезок времени. На различных оборотах двигателя этот временной отрезок будет занимать различные отрезки по углу поворота вала. Поэтому управление моментов отсечки выхлопного клапана после открытия перепускного затвора должно быть временным, а не угловым. Дело усложняется тем, что при регулировках мощности указанная временная задержка будет также изменяться, при этом характер изменения будет зависеть от способа регулирования (например, качеством или количеством). Все это определяет довольно кропотливую конструкторскую проработку управления для конкретного двигателя, хотя это вовсе не требует изобретательского уровня. To achieve the maximum positive effect, it is important to “catch” the combination of the closing moments of the exhaust valves with the corresponding moments of the disappearance of the central regions of the hot exhaust gas at the end of the purge. If the exhaust valve is closed earlier, the central region will not have time to disappear and a large dose of recirculated exhaust gases will appear in the upper volume of the cylinder, although there will be no purge losses of clean air. If the valve is closed later, then after the disappearance of the central zone, clean air will enter the exhaust and its losses will increase significantly, although the recirculation level will be zero. In both cases, the engine parameters in the aggregate noticeably worsen compared with the case of the specified combination of moments. In practice, such a combination is not so simple. The fact is that the optimal purge is very fast due to the high speed of the bypass jet and lasts a certain period of time. At different engine speeds, this time period will occupy different segments in terms of the angle of rotation of the shaft. Therefore, the control of the exhaust valve shutoff times after opening the bypass valve should be temporary, not angular. The matter is complicated by the fact that when adjusting the power, the specified time delay will also change, while the nature of the change will depend on the method of regulation (for example, quality or quantity). All this determines a rather painstaking design study of the control for a specific engine, although this does not require an inventive step at all.

В двигателе в варианте с калильным принудительным зажиганием допустимы способы регулирования мощности как количеством, так и качеством горючей смеси. Разумная комбинация этих способов способствует достижению наилучшего компромисса между экономическими и ресурсными показателями. In the engine in the variant with forced ignition ignition, methods for controlling power both by the quantity and quality of the combustible mixture are permissible. A reasonable combination of these methods helps to achieve the best compromise between economic and resource indicators.

Данный двигатель имеет значительное преимущество в литровой мощности относительно всех известных поршневых ДВС. Однако это теоретически двойное преимущество практически заметно снижается неполнотой перепуска до уровня 1,5-1,7 сравнительно с четырехтактным двигателем. Из-за ненулевого значения подпоршневых объемов и наличия паразитных объемов перепускных каналов трудно добиться большего преимущества, хотя применение предварительного турбонаддува позволяет это осуществить довольно эффективно. Однако это уже нельзя считать преимуществом только данного двигателя, поскольку турбонаддув достаточно эффективен и для обычного двигателя. Здесь важно другое. Следствием неполноты перепуска является снижение эффективной степени сжатия относительно геометрического значения. Поскольку степень расширения фактически всегда равна геометрическому значению, то данный двигатель обладает характерной особенностью степень его сжатия заметно ниже степени расширения. Известно, что ограничения по жесткости хода прежде всего ограничивают допустимую степень сжатия. Указанная здесь особенность позволяет сконструировать ДВС с умеренной степенью сжатия, но с высокой степенью расширения. Поскольку термический КПД ДВС определяется в гораздо большей мере степенью расширения, чем сжатия, данный двигатель окажется существенно экономичней обычного ДВС с тем же сжатием. Иногда соответствующее топливное преимущество целесообразно усилить за счет искусственного увеличения разницы степеней расширения и сжатия, хотя такой способ неизбежно связан с искусственным уменьшением полноты перепуска, что вызывает падение литровой мощности и увеличение удельного веса двигателя. Такая новая конструкторская ветвь как бы пролонгирует классическую дизельную ветвь повышения экономичности за счет веса и в комбинации этих линий заложена возможность разработки сверхэкономичных, но тяжелых ДВС. Впрочем, употребление преимущественно первой ветви всегда дает некоторое весовое преимущество сравнительно со второй. This engine has a significant advantage in liter power relative to all known piston ICEs. However, this theoretically double advantage is almost noticeably reduced by the incompleteness of the bypass to the level of 1.5-1.7 compared with a four-stroke engine. Due to the non-zero value of the piston volumes and the presence of stray volumes of the bypass channels, it is difficult to achieve a greater advantage, although the use of preliminary turbocharging allows this to be done quite effectively. However, this can no longer be considered an advantage only of this engine, since turbocharging is quite effective for a conventional engine. Another thing is important here. The consequence of incomplete bypass is a decrease in the effective compression ratio relative to the geometric value. Since the degree of expansion is almost always equal to the geometric value, this engine has a characteristic feature: its compression ratio is noticeably lower than the degree of expansion. It is known that restrictions on the stiffness of the stroke primarily limit the permissible degree of compression. The feature indicated here allows the design of ICE with a moderate degree of compression, but with a high degree of expansion. Since the thermal efficiency of the internal combustion engine is determined to a much greater extent by the degree of expansion than compression, this engine will be significantly more economical than a conventional internal combustion engine with the same compression. Sometimes it is advisable to strengthen the corresponding fuel advantage by artificially increasing the difference in the degrees of expansion and contraction, although this method is inevitably associated with artificially reducing the bypass completeness, which causes a drop in liter power and an increase in the specific gravity of the engine. Such a new design branch, as it were, prolongs the classic diesel branch of increasing efficiency due to weight, and the combination of these lines provides the possibility of developing super-economical but heavy ICEs. However, the use of mainly the first branch always gives some weight advantage compared to the second.

Вариант двигателя с высокими оборотами, низкой эффективной степенью сжатия и предварительным турбонаддувом может оказаться значительно более легким, чем самые легкие известным поршневые ДВС. В области скоростных судов и не очень скоростных летательных аппаратов он сможет составить достойную конкуренцию газовым турбинам как более экономичный двигатель. The engine option with high revs, low effective compression ratio and preliminary turbocharging may be much lighter than the lightest known piston ICEs. In the field of high-speed ships and not very high-speed aircraft, he will be able to compete with gas turbines as a more economical engine.

Как и обычные ДВС данный двигатель может запускаться от тех же стартерных устройств. Он вполне совместим также с запуском сжатым воздухом. Like conventional internal combustion engines, this engine can be started from the same starter devices. It is also fully compatible with starting with compressed air.

К недостатку двигателя следует отнести повышение жесткости хода, связанное с тем, что до закрытия перепускного затвора пиковое давление газа действует не на один, а на два поршня сразу, поскольку давления в надпоршневом и подпоршневом объемах каждой газодинамической системы к этому моменту становятся одинаковыми ввиду обращения скорости перепуска в нуль. The disadvantage of the engine is an increase in the rigidity of the stroke, due to the fact that, until the gate is closed, the peak pressure of the gas acts not on one but two pistons at once, since the pressures in the supra-piston and sub-piston volumes of each gas-dynamic system become the same at this point due to the rotation speed bypass to zero.

Claims

TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE, containing at least one pair of cylinders with pistons placed in them, having rods and moving in antiphase, piston volumes with combustion chambers limited by piston heads and upper cylinder covers, piston volumes limited to bottom bottoms exhaust valves in the upper caps of each cylinder, inlet valves mounted on their lower caps, and at least one pair of bypass channels with valves, each of which connects the under-piston volume of one cylinder with the over-piston volume of the other cylinder, the input of each of the channels being located in the lower covers of the cylinders, and the output in the combustion chamber, characterized in that the exhaust valves are located in the central parts of the upper covers of the cylinders, and the output of each of the bypass channels is oriented tangential to the lateral surface of the cylinder.