RU2291309C2

RU2291309C2 - Two-stroke internal combustion engine without crankcase displacement scavenging

Info

Publication number: RU2291309C2
Application number: RU2004135657/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Петрович Титов (RU); Дмитрий Петрович Титов
Original assignee: Дмитрий Петрович Титов
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2007-01-10
Also published as: RU2004135657A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: according to invention, proposed two-stroke internal combustion engine is made without crankcase displacement scavenging. In additional to working piston connected with crankshaft by connecting rod, use is made of additional ring-shaped scavenging piston isolating fuel mixture from crank chamber. Scavenging piston is installed by means of two connecting rods on eccentrics of crankshaft in ring space of cylinder of internal combustion engine. Position of center of eccentrics is within angle "a" displaced opposite to direction of rotation of engine crankshaft and formed by straight line passing through centers of circumferences of crankshaft and piston pin and straight line passing through center of circumference of crankshaft when working piston is TDC or BDC. Range of values of angle "a" is defined by inequality 0<a<b where b is maximum value of angle "a" determined by crankshaft turning angle at which piston closes main and additional scavenging ports and V_rcv>V_en where V_rcv is ring cylindrical volume and V_en is engine displacement. Proposed engine improves organization of gas-exchange processes and forces harmful action on environment owing to exclusion of oil from fuel-air mixture and improved reliability of engine owing to better lubrication of friction surfaces.

EFFECT: increased power of internal combustion engine.

8 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в конструкциях двухтактных ДВС.The invention relates to the field of engineering, in particular to internal combustion engines (ICE), and can be used in the design of two-stroke ICE.

Известна конструкция двухтактного ДВС, содержащая заключенный в картер масляный насос, его привод, кинематически связанный с коленчатым валом двигателя, привод управления, связанный тросом с ручкой газа, а также емкость для масла. [1]A known design of a two-stroke internal combustion engine containing an oil pump enclosed in a crankcase, its drive kinematically connected to the engine crankshaft, a control drive connected by a cable to a gas handle, and also an oil tank. [one]

Недостатком данного ДВС является его сложность, в результате низкая эксплуатационная надежность.The disadvantage of this engine is its complexity, resulting in low operational reliability.

Известна конструкция двухтактного ДВС, содержащая дополнительный объем, расположенный во впускном патрубке перед впускными окнами и отделенный от кривошипной камеры гибкой мембраной. [2]A known design of a push-pull ICE, containing an additional volume located in the inlet pipe in front of the inlet windows and separated from the crank chamber by a flexible membrane. [2]

Недостатком известной конструкции является низкая надежность, сложность эксплуатации. Применение гибкой мембраны не обеспечивает надежный пуск ДВС, так как при его остановке мембрана, вследствие упругих свойств, займет среднее положение в объеме, в результате чего половины объема для запуска двигателя будет недостаточно. А при остановке ДВС, когда поршень расположится в цилиндре в среднем положении, то пуск двигателя будет невозможен.A disadvantage of the known design is low reliability, complexity of operation. The use of a flexible membrane does not provide a reliable start of the internal combustion engine, since when it stops, the membrane, due to its elastic properties, will occupy a middle position in the volume, as a result of which half of the volume for starting the engine will not be enough. And when the engine stops, when the piston is located in the cylinder in the middle position, the engine will not be possible to start.

Задачей заявляемого технического решения является повышение мощности за счет лучшей организации газообменных процессов, уменьшение вредного влияния на окружающую среду за счет исключения из топливовоздушной смеси масла и повышение эксплуатационной надежности вследствие улучшения смазки трущихся поверхностей.The objective of the proposed technical solution is to increase power due to better organization of gas exchange processes, reduce harmful effects on the environment by eliminating oil from the air-fuel mixture, and increase operational reliability due to improved lubrication of rubbing surfaces.

Указанная цель достигается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания выполнен без кривошипно-камерной продувки и содержит цилиндр с поршнем, снабженный свечой зажигания, выпускным окном, впускным патрубком с пластинчатым клапаном, основными и дополнительными продувочными окнами. Цилиндр установлен на картере с маслом, в котором смонтирован коленчатый вал с шатуном. Двигатель также снабжен дополнительным кольцеобразным продувочным поршнем, расположенным в кольцевой полости цилиндра и смонтированным посредством двух шатунов на эксцентриках коленчатого вала. Положение центра эксцентриков находится в пределах угла а, смещенного против направления вращения коленчатого вала двигателя и образованного прямой, проходящей через центры окружностей коленчатого вала и поршневого пальца, и прямой, проходящей через центр окружности коленчатого вала при нахождении поршня в ВМТ или НМТ. При этом диапазон величин угла а определяется неравенством 0<а<b, где b - max величина угла а, определяемая углом поворота коленчатого вала, при котором поршень закрывает основные и дополнительные продувочные окна, а Vк.ц.о.>Vдв., где Vк.ц.о. - кольцевой цилиндрический объем, Vдв. - объем двигателя.This goal is achieved by the fact that the two-stroke internal combustion engine is made without a crank chamber purge and comprises a cylinder with a piston equipped with a spark plug, an exhaust window, an inlet pipe with a plate valve, main and additional purge windows. The cylinder is mounted on a crankcase with oil, in which a crankshaft with a connecting rod is mounted. The engine is also equipped with an additional annular purge piston located in the annular cavity of the cylinder and mounted by two connecting rods on the crankshaft eccentrics. The position of the center of the eccentrics is within the angle a, offset against the direction of rotation of the crankshaft of the engine and formed by a straight line passing through the centers of the circles of the crankshaft and the piston pin, and a straight line passing through the center of the circumference of the crankshaft when the piston is in TDC or BDC. The range of angles a is determined by the inequality 0 <a <b, where b is the maximum angle a, determined by the angle of rotation of the crankshaft, at which the piston closes the main and additional purge windows, and Vcc.o.> Vdv., Where Vk.ts.o. - annular cylindrical volume, Vdv. - engine volume.

Применение в двухтактном ДВС дополнительного кольцеобразного продувочного поршня позволяет изолировать топливную смесь от кривошипной камеры, снабженной маслом, которое коленчатым валом разбрасывается по стенкам цилиндров.The use of an additional annular purge piston in a two-stroke ICE allows isolating the fuel mixture from a crank chamber equipped with oil, which is scattered by the crankshaft along the cylinder walls.

Таким образом, заявляемый двухтактный ДВС соответствует критерию "новизна".Thus, the claimed push-pull ICE meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".Comparison of the proposed solution not only with the prototype but also with other technical solutions in the art did not allow them to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлена конструкция двухтактного ДВС и схемами фаз газораспределения.The invention is illustrated by drawings, which show the design of a two-stroke internal combustion engine and timing schemes.

На фиг.1 представлен общий вид двухтактного ДВС в разрезе.Figure 1 presents a General view of a push-pull ICE in section.

На фиг.2 - вид А-А фиг.1 - рабочий поршень в верхней мертвой точке (ВМТ).In Fig.2 is a view aa of Fig.1 is a working piston at top dead center (TDC).

На фиг.3 - вид А-А фиг.1 - рабочий поршень в нижней мертвой точке (НМТ).Figure 3 is a view aa of figure 1 is a working piston at bottom dead center (BDC).

На фиг.4 - вид Б-Б фиг.2.Figure 4 is a view bB of figure 2.

На фиг.5 - вид А-А фиг.1 - рабочий поршень в ВМТ, эксцентрики дополнительных шатунов смещены на угол а.In Fig.5 is a view aa of Fig.1 - the working piston at TDC, the eccentrics of the additional connecting rods are offset by an angle a.

На фиг.6 - вид А-А фиг.1 - рабочий поршень в НМТ, эксцентрики дополнительных шатунов смещены на угол а.In Fig.6 is a view aa of Fig.1 - the working piston in the BDC, the eccentrics of the additional connecting rods are offset by an angle a.

На фиг.7 - схема фаз газораспределения двухтактного ДВС фиг.2-3.7 is a diagram of the valve timing of a push-pull ICE of FIGS. 2-3.

На фиг.8 - схема фаз газораспределения двухтактного ДВС фиг.5-6.On Fig - diagram of the valve timing of a push-pull ICE Fig.5-6.

Двухтактный ДВС содержит картер 1, состоящий из двух половин, коленчатый вал 2, масло 3, налитое в картер 1, цилиндр 4, установленный на картере 1, поршень 5, смонтированный посредством поршневого пальца 6 на шатуне 7 коленчатого вала 2, дополнительный кольцеобразный продувочный поршень 12, расположенный в кольцеобразной полости 8 цилиндра 4 и связанный через пальцы 14 и дополнительные шатуны 13 с эксцентриками 15 коленчатого вала 2, лепестковый пластинчатый клапан 10, установленный во впускном патрубке 9 цилиндра 4.The two-stroke ICE contains a crankcase 1 consisting of two halves, a crankshaft 2, oil 3 poured into the crankcase 1, a cylinder 4 mounted on the crankcase 1, a piston 5 mounted by means of a piston pin 6 on the connecting rod 7 of the crankshaft 2, an additional annular purge piston 12, located in the annular cavity 8 of the cylinder 4 and connected through the fingers 14 and additional connecting rods 13 to the eccentrics 15 of the crankshaft 2, a flap plate valve 10 installed in the inlet pipe 9 of the cylinder 4.

Двухтактный ДВС работает следующим образом. Поршень 5 при движении к ВМТ последовательно закрывает основные продувочные окна 17, дополнительное продувочное окно 18 и выпускное окно 16. Одновременно дополнительный кольцеобразный поршень 12 начинает движение к НМТ, так как эксцентрики 15 расположены относительно пальца нижней головки шатуна на угол, равный 180 градусов. При движении во впускном патрубке 9 создается разряжение, в результате которого лепестки 20 пластинчатого клапана 10 открываются и свежая топливная смесь заполняет кольцеобразный цилиндрический объем 11, не попадая в кривошипную камеру. При достижении поршнем 5 ВМТ происходит сжатие топливной смеси и ее воспламенение. Одновременно продувочный поршень 12 достигает НМТ, кольцеобразный объем 11 полностью заполняется свежей топливной смесью, разряжение падает, и лепестки 20 клапана 10 закрываются. Дальше происходит рабочий цикл. Поршень 5 под действием высокого давления газов, образовавшихся в результате сгорания топливной смеси, начинает движение к НМТ. В это же время дополнительный поршень 12 начинает движение к ВМТ. При прохождении поршнем 5 верхней кромки выпускного окна, отработавшие газы устремляются в выпускную систему. Одновременно дополнительный поршень 12 сжимает свежую топливную смесь в кольцеобразном объеме 11, так как клапан 10 закрыт. При открытии днищем поршня 5 основных продувочных окон 17 и дополнительного окна 18, сжатая дополнительным поршнем 12 свежая топливная смесь устремляется в рабочую полость 21 цилиндра 4, вытесняя оставшиеся отработавшие газы в выпускную систему. При достижении рабочим поршнем 5 НМТ полностью открываются выпускное окно 16, основные продувочные окна 17 и дополнительное продувочное окно 18. Одновременно при достижении кольцеобразным продувочным поршнем 12 своей ВМТ происходит окончательное вытеснение свежей смеси в рабочую полость 21 цилиндра 4. С целью увеличения эффективности продувки поршень 12 снабжен вытеснителями 19, которые, входя в продувочные каналы, дополнительно вытесняют остатки свежей топливной смеси в полость 21 цилиндра 4. Далее процесс повторяется.Two-stroke ICE works as follows. When moving toward TDC, the piston 5 sequentially closes the main purge windows 17, the additional purge window 18 and the exhaust window 16. At the same time, the additional annular piston 12 starts moving towards the BDC, since the eccentrics 15 are located relative to the finger of the lower connecting rod head by an angle equal to 180 degrees. When moving in the inlet pipe 9, a vacuum is created, as a result of which the petals 20 of the plate valve 10 open and the fresh fuel mixture fills the annular cylindrical volume 11 without falling into the crank chamber. When the piston reaches 5 TDC, the fuel mixture is compressed and ignited. At the same time, the purge piston 12 reaches the BDC, the annular volume 11 is completely filled with fresh fuel mixture, the pressure drops, and the petals 20 of the valve 10 are closed. Further there is a working cycle. The piston 5 under the action of high pressure gases generated as a result of the combustion of the fuel mixture begins to move to the BDC. At the same time, the additional piston 12 begins to move towards the TDC. When the piston 5 passes the upper edge of the exhaust window, the exhaust gases rush into the exhaust system. At the same time, an additional piston 12 compresses the fresh fuel mixture in an annular volume 11, since the valve 10 is closed. When the bottom of the piston 5 opens the main purge windows 17 and the additional window 18, the fresh fuel mixture compressed by the additional piston 12 rushes into the working cavity 21 of the cylinder 4, displacing the remaining exhaust gases into the exhaust system. When the working piston 5 reaches the BDC, the exhaust window 16, the main purge windows 17 and the additional purge window 18 fully open. Simultaneously, when the annular purge piston 12 reaches its TDC, the fresh mixture is finally displaced into the working cavity 21 of cylinder 4. In order to increase the purge efficiency, the piston 12 equipped with displacers 19, which, entering the purge channels, additionally displace the remnants of the fresh fuel mixture into the cavity 21 of the cylinder 4. The process is then repeated.

В двухтактных двигателях при начале движения рабочего поршня 5′′ до закрытия кромкой поршня основных продувочных окон 17 и дополнительного окна 18 происходит заброс из полости 21 цилиндра 4 части свежей топливной смеси обратно в продувочные окна 17 и 18. Происходит потеря части заряда топливной смеси. Потеря определяется высотой продувочных окон и достигает в данном ДВС приблизительно 53 градуса оборота коленчатого вала.In two-stroke engines, when the working piston 5 ″ begins to move until the main purge windows 17 and the additional window 18 are closed by the piston edge, part of the fresh fuel mixture is thrown back from the cavity 21 of the cylinder 4 back to the purge windows 17 and 18. A part of the fuel mixture charge is lost. The loss is determined by the height of the blowdown windows and reaches approximately 53 degrees of crankshaft revolution in this engine.

Предлагаемый двухтактный ДВС позволяет минимизировать этот недостаток или при определенных условиях свести его к нулю. Это достигается смещением эксцентриков 15 шатунов 13 дополнительного продувочного поршня 12 на угол а, который больше 0, против направления вращения коленчатого вала при нахождении рабочего поршня в НМТ или в ВМТ.The proposed two-stroke ICE allows you to minimize this drawback or, under certain conditions, reduce it to zero. This is achieved by displacing the eccentrics 15 of the connecting rods 13 of the additional purge piston 12 by an angle a, which is greater than 0, against the direction of rotation of the crankshaft when the working piston is located at the BDC or at TDC.

Работает такой ДВС следующим образом. Рабочий поршень 5 находится в ВМТ. Происходит воспламенение топливной смеси. Поршень 5 движется к НМТ. Одновременно кольцеобразный продувочный поршень 12 осуществляет движение к НМТ, и продолжает происходить впуск свежей топливной смеси в увеличивающийся кольцевой цилиндрический объем 11. При достижении НМТ поршнем 12, преодолев инерцию топливовоздушной смеси, лепестки 20 пластинчатого клапана 10 закрываются. Рабочий поршень 5 за это время проходит расстояние, равное углу а поворота коленчатого вала ДВС, но не доходит до верхней кромки выпускного окна. Рабочий поршень 5 продолжает движение к НМТ, происходит выпуск отработавших газов, а продувочный поршень 12 продолжает движение к ВМТ и сжимает свежую топливную смесь в уменьшающемся кольцевом цилиндрическом объеме 11. При открытии днищем поршня 5 основных 17 и дополнительного 18 продувочных окон и достижения поршнем 5 НМТ продувочный поршень 12 продолжает движение к ВМТ и свежая топливная смесь поступает в полость цилиндра 4. При прохождении поршнем 5 НМТ на угол а, дополнительный поршень 12 продолжает движение до ВМТ, продолжая осуществлять продувку. Таким образом, на расстоянии, равном углу а поворота коленчатого вала, поршень 5 и поршень 12 одновременно движутся к ВМТ. В результате значительно уменьшается или сводится к 0 высота продувочных окон, при которой происходит потеря части заряда топливной смеси. При дальнейшем движении поршня 5 к ВМТ происходит сжатие топливной смеси, а поршня 12 к НМТ - впуск свежей смеси и процесс повторяется. При работе двухтактного ДВС масло 3, находящееся в картере 1, коленчатым валом 2 разбрызгивается по поверхностям цилиндров и значительно уменьшает износ трущихся поверхностей.Such an internal combustion engine works as follows. The working piston 5 is located at TDC. The fuel mixture ignites. The piston 5 moves to the BDC. At the same time, the annular purge piston 12 moves towards the BDC, and fresh fuel mixture continues to flow into the increasing annular cylindrical volume 11. When the BDC reaches the piston 12, overcoming the inertia of the air-fuel mixture, the petals 20 of the plate valve 10 are closed. The working piston 5 during this time passes a distance equal to the angle a of rotation of the crankshaft of the internal combustion engine, but does not reach the upper edge of the exhaust window. The working piston 5 continues to move to the BDC, the exhaust gas is released, and the purge piston 12 continues to move to the BDC and compresses the fresh fuel mixture in a decreasing annular cylindrical volume 11. When the bottom of the piston 5 opens the main 17 and additional 18 purge windows and the piston reaches 5 BDC the purge piston 12 continues to move towards the TDC and the fresh fuel mixture enters the cavity of the cylinder 4. When the piston 5 passes through the BDC at an angle a, the additional piston 12 continues to move to the TDC, while continuing to duvku. Thus, at a distance equal to the angle of rotation of the crankshaft, the piston 5 and the piston 12 simultaneously move to the TDC. As a result, the height of the purge windows is significantly reduced or reduced to 0, at which part of the charge of the fuel mixture is lost. With further movement of the piston 5 to the TDC, the fuel mixture is compressed, and the piston 12 to the BDC - the intake of the fresh mixture and the process repeats. During the operation of the two-stroke ICE, the oil 3 located in the crankcase 1 is sprayed by the crankshaft 2 along the surfaces of the cylinders and significantly reduces the wear of the rubbing surfaces.

Применение дополнительного кольцеобразного продувочного поршня в конструкции предлагаемого двухтактного ДВС позволит значительно уменьшить токсичность выхлопа и приблизиться по этому показателю к четырехтактному двигателю, так как топливовоздушная смесь не содержит в своем составе масло, необходимое для смазки обычных двухтактных ДВС. Кроме этого, значительно возрастает ресурс - позволяет приблизиться к ресурсу четырехтактного ДВС за счет улучшения смазки трущихся поверхностей. Улучшение газообменных процессов позволит существенно повысить мощность и эксплуатационную надежность ДВС.The use of an additional annular purge piston in the design of the proposed two-stroke ICE will significantly reduce the toxicity of the exhaust and approach this four-stroke engine, since the air-fuel mixture does not contain the oil necessary for lubricating conventional two-stroke ICEs. In addition, the resource significantly increases - it allows you to get closer to the resource of a four-stroke ICE due to improved lubrication of rubbing surfaces. Improving gas exchange processes will significantly increase the power and operational reliability of ICE.

Источники информацииInformation sources

1. Журнал "Мото", №7, 1993, с.6-7.1. The magazine "Moto", No. 7, 1993, S. 6-7.

2. Журнал "Популярная механика", №12, 2003, с.16.2. The journal "Popular Mechanics", No. 12, 2003, p.16.

Claims

A two-stroke internal combustion engine without crank chamber purge, comprising a cylinder equipped with a spark plug, an exhaust window, an inlet pipe with a plate valve, main and additional purge windows, a piston, a crankcase with oil and a cylinder mounted on it, a crankshaft with a connecting rod mounted on it characterized in that the engine is equipped with an additional annular purge piston located in the annular cavity of the cylinder, mounted by means of two connecting rods on eccentrics to crankshaft, the position of the center of which is within the angle a, offset against the direction of rotation of the crankshaft of the engine and formed by a straight line passing through the centers of the circles of the crankshaft and piston pin, and a straight line passing through the center of the circumference of the crankshaft when the piston is in TDC or BDC, the range of angle a is determined by the inequality 0 <a <b, where b is the maximum angle a, determined by the angle of rotation of the crankshaft, at which the piston closes the main and additional purge windows , and Vk.ts.o.> Vdv., where Vk.ts.o. - annular cylindrical volume, Vdv. - engine volume.