RU2383752C1

RU2383752C1 - Opposed-piston engines

Info

Publication number: RU2383752C1
Application number: RU2008131360/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Шмаков (RU); Юрий Михайлович Шмаков
Original assignee: Юрий Михайлович Шмаков
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-03-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to two-stroke opposed-piston uniflow scavenging engines. Proposed engine comprises cylinder (1) with work chamber (8), near (4) and far (6) pistons, and three crank gears with crankshaft (3). The latter has three cranks (13, 14, 15) fitted through 180°. Extreme cranks (13, 15) interact with near piston (4), center crank (14) interacts with far piston (6). Extreme connecting links (18, 19) of said crank gears are arranged in near piston (4,6). Extreme connecting links (18, 19) interact, via blocks (16, 17), with extreme cranks (13,15). Center connecting link (23) is arranged in frame slide (24) sliding on over piston surface. Said frame slide is coupled with far piston (6) by con rod (25) that passes through central bore (27) of near piston (4). Con rod (25) interacts, via block (22), with central crank (14). Piston supercharger (33) with intake (35) and supercharger (39) channels is arranged between far piston (6) and cylinder bottom (31). Proposed engine can additionally incorporate a similar cylinder (2) with near (5) and far (7) pistons coupled with cranks (13, 14, 15) of crankshaft (3), said pistons being aligned on opposite side of crankshaft. Work chamber (8) has two tows of scavenging openings (11, 12) controlled by far piston (6). Openings (12) arranged nearby crankshaft (3) are coupled with air turbo supercharger (47). Openings (11) arranged further from crankshaft (3) communicates with adjacent piston supercharger (33). Opening of supercharger channel (37) with check valve (39) adjoins cylinder bottom (31). Opening of intake channel (35) adjoins the face of far piston (6) at maximum height of supercharger chamber (52). Spark plug electrodes are arranged inside plug chambers (57). Free turns of supercharger chamber thread are coated with catalytic layer.

EFFECT: reduced load on crankshaft main bearings, reliable combustion of fuel mixes, improved lubrication and cooling.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к двухтактным двигателям с противоположно движущимися поршнями и прямоточной продувкой цилиндров.The invention relates to two-stroke engines with oppositely moving pistons and direct-flow cylinder blowing.

Известен двигатель, содержащий соосные оппозитные цилиндры и противоположно движущиеся поршни, связанные кривошипно-шатунными механизмами с тремя кривошипами коленвала (Кн. «Автомобильные двигатели с воздушным охлаждением», Ю.Мацкерле. Москва, 1959 г., стр.153, 157). Его недостатки:A known engine containing coaxial opposed cylinders and oppositely moving pistons connected by crank mechanisms with three crankshaft cranks (Book. "Automobile engines with air cooling", J. Matskerle. Moscow, 1959, p. 153, 157). Its disadvantages:

1. Наличие кривошипно-шатунных механизмов на противоположных сторонах коленвала увеличивает поперечный габарит и вес двигателя.1. The presence of crank mechanisms on opposite sides of the crankshaft increases the transverse dimension and weight of the engine.

2. ЦПГ двигателя имеет большие механические потери (больше 50%), это уменьшает КПД, увеличивает износ поршней и цилиндров.2. The engine CPG has large mechanical losses (more than 50%), this reduces the efficiency, increases the wear of the pistons and cylinders.

3. Одновременность рабочих ходов в двух цилиндрах обуславливает большую неравномерность крутящего момента двигателя.3. The simultaneity of the working strokes in the two cylinders leads to a large unevenness of the engine torque.

4. Большой объем кривошипной камеры с переменным давлением.4. A large volume of the crank chamber with variable pressure.

Известен также двигатель, содержащий цилиндр с рабочей камерой, расположенной между двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями, с механизмами, преобразующими их прямолинейные перемещения во вращательное коленвала, имеющего три расположенных через 180° кривошипа, крайние из которых взаимодействуют с одним поршнем, а средний - с другим. (Кн. «Двухтактные двигатели», А.С.Орлин, М.Г.Круглов. Москва, 1960, стр.18-20, 45-47). Данная конструкция принята за прототип. Ее недостатки:An engine is also known, comprising a cylinder with a working chamber located between two pistons moving in opposite directions, with mechanisms that convert their rectilinear movements into a rotary crankshaft, which has three cranks located through 180 °, the last of which interact with one piston, and the middle with to others. (The book. "Two-stroke engines", A.S. Orlin, M.G. Kruglov. Moscow, 1960, pp. 18-20, 45-47). This design is taken as a prototype. Its disadvantages:

1. Большие габариты и вес из-за наличия кривошипно-шатунных механизмов и траверсы, это увеличивает инерционные нагрузки, снижает быстроходность и мощность ДВС.1. Large dimensions and weight due to the presence of crank mechanisms and traverse, this increases the inertial loads, reduces the speed and power of the internal combustion engine.

2. Детали двигателя невозможно использовать для создания поршневого нагнетателя.2. Engine parts cannot be used to create a piston supercharger.

3. Прямоточная продувка рабочей камеры происходит с неравномерными полями скоростей, что ухудшает качество продувки.3. Direct-flow purge of the working chamber occurs with uneven velocity fields, which affects the quality of the purge.

Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя. Поставленная задача достигается тем, что в двигателе, содержащем цилиндр с рабочей камерой, расположенной между двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями, снабженными механизмами, преобразующими их прямолинейные перемещения во вращательное коленвала, имеющего три расположенных через 180° кривошипа, крайние из которых взаимодействуют с одним поршнем, а средний - с другим поршнем, согласно изобретению ближний поршень выполнен с центральным отверстием, применены три кривошипно-кулисных механизма, крайние кулисы которых выполнены в ближнем поршне и через сухари взаимодействуют с крайними кривошипами коленвала, средняя кулиса выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне, который жестко связан с дальним поршнем штоком, проходящим через отверстие в ближнем поршне, а через сухарь взаимодействует со средним кривошипом коленвала, между дальним поршнем и днищем цилиндра образована нагнетательная камера с впускными и нагнетательными каналами.The aim of the invention is to increase the efficiency of the engine. The problem is achieved in that in an engine containing a cylinder with a working chamber located between two pistons moving in opposite directions, equipped with mechanisms that convert their rectilinear movements into a rotary crankshaft having three cranks located through 180 °, the last of which interact with one piston and the middle one with another piston, according to the invention, the proximal piston is made with a central bore, three crank-link mechanisms are used, the extreme wings of which are filled in the near piston and interact with extreme crankshaft cranks through crackers, the middle link is made in a frame slider sliding on the cylinder mirror, which is rigidly connected to the distant piston by a rod passing through the hole in the near piston, and through the cracker interacts with the middle crankshaft crank, between the far a piston and a cylinder bottom are formed of a discharge chamber with inlet and discharge channels.

Поставленная задача достигается также тем, что двигатель снабжен соосным расположенным по другую сторону коленвала дополнительным цилиндром с дополнительными ближним и дальним поршнями, расположенными симметрично первым и подобно связанными с кривошипами коленвала.The task is also achieved by the fact that the engine is equipped with an additional cylinder coaxially located on the other side of the crankshaft with additional near and far pistons located symmetrically to the first and similarly connected to the crankshaft cranks.

Поставленная задача достигается также тем, что каждая рабочая камера снабжена двумя рядами продувочных окон, управляемых дальним поршнем, ряд окон, расположенный ближе к коленвалу, сообщается с турбонагнетателем чистого воздуха, а ряд окон, расположенный дальше от коленвала, сообщается с прилегающим поршневым нагнетателем топливовоздушной смеси.The task is also achieved by the fact that each working chamber is equipped with two rows of purge windows controlled by a distant piston, a row of windows located closer to the crankshaft communicates with a clean air turbocharger, and a row of windows located further from the crankshaft communicates with an adjacent piston supercharger of the air-fuel mixture .

Поставленная задача достигается также тем, что в каждом поршневом нагнетателе окна нагнетательных каналов с обратными клапанами примыкают к днищу цилиндра, а окна впускных каналов примыкают к торцу дальнего поршня при максимальной высоте нагнетательной камеры.The task is also achieved by the fact that in each piston supercharger the windows of the discharge channels with check valves are adjacent to the cylinder bottom, and the windows of the intake channels are adjacent to the end of the distant piston at the maximum height of the discharge chamber.

Поставленная задача достигается также тем, что электроды свечей расположены в глубине свечных отверстий, свободные витки резьбы которых покрыты каталитическим слоем.The task is also achieved by the fact that the electrodes of the candles are located deep in the candle holes, the free threads of which are coated with a catalytic layer.

Новыми отличительными признаками по сравнению с прототипом являются:New distinctive features in comparison with the prototype are:

1. Ближний поршень выполнен с центральным отверстием, применены три кривошипно-кулисных механизма, крайние кулисы которых выполнены в ближнем поршне и через сухари взаимодействуют с крайними кривошипами коленвала, средняя кулиса выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне, который жестко связан с дальним поршнем при помощи штока, проходящим через центральное отверстие в ближнем поршне, а через сухарь взаимодействует со средним кривошипом коленвала, между дальним поршнем и днищем цилиндра образована нагнетательная камера с впускными и нагнетательными каналами.1. The middle piston is made with a central bore, three crank-rocker mechanisms are used, the extreme wings of which are made in the near piston and interact through the crackers with the extreme cranks of the crankshaft, the middle rocker is made in a frame slider sliding on the cylinder mirror, which is rigidly connected to the distant piston when using the rod passing through the central hole in the near piston, and through the cracker interacts with the middle crank of the crankshaft, an injection chamber is formed between the far piston and the cylinder bottom with inlet and outlet channels.

2. Двигатель снабжен соосным, расположенным по другую сторону коленвала дополнительным цилиндром с дополнительными ближним и дальним поршнями, расположенными симметрично первым поршням и подобно связанными с кривошипами коленвала.2. The engine is equipped with an additional cylinder coaxial located on the other side of the crankshaft with additional proximal and distant pistons located symmetrically to the first pistons and similarly connected to the crankshaft cranks.

3. Каждая рабочая камера снабжена двумя рядами продувочных окон, управляемых дальним поршнем, ряд окон, расположенных ближе к коленвалу, сообщается с турбонагнетателем чистого воздуха, а ряд окон, расположенных дальше от коленвала, сообщается с прилегающим поршневым нагнетателем, служащим для нагнетания топливо-воздушной смеси, находящейся в газообразном состоянии.3. Each working chamber is equipped with two rows of purge windows controlled by a distant piston, a number of windows located closer to the crankshaft communicate with a clean air turbocharger, and a number of windows located further from the crankshaft communicate with an adjacent piston supercharger, which serves to pump fuel-air a mixture in a gaseous state.

4. В каждом поршневом нагнетателе окна нагнетательных каналов с обратными клапанами примыкают к днищу цилиндра, а окна впускных каналов примыкают к торцу дальнего поршня при максимальной высоте нагнетательной камеры.4. In each piston supercharger, the windows of the discharge channels with non-return valves are adjacent to the cylinder bottom, and the windows of the intake channels are adjacent to the end of the distant piston at the maximum height of the discharge chamber.

5. Электроды свечей расположены в глубине свечных отверстий, свободные витки резьбы которых покрыты каталитическим слоем.5. The electrodes of the candles are located deep in the candle holes, the free threads of which are coated with a catalytic layer.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.The invention is illustrated using the drawings.

На Фиг.1 - продольный разрез двигателя при нахождении дальних поршней в крайнем верхнем положении, а ближних поршней - в крайнем нижнем.Figure 1 is a longitudinal section of the engine when the distant pistons are in the highest position, and the nearest pistons are in the lowermost position.

На Фиг.2 - поперечный разрез двигателя на Фиг.1.Figure 2 is a cross section of the engine in figure 1.

На Фиг.3 - горизонтальный разрез двигателя с кривошипами, расположенными в горизонтальной плоскости.Figure 3 is a horizontal section of the engine with cranks located in the horizontal plane.

На Фиг.4 - разрез по А-А на Фиг.2.Figure 4 is a section along aa in figure 2.

На Фиг.5 - поперечный разрез двигателя при рабочем ходе в нижнем цилиндре и такте сжатия в верхнем цилиндре.Figure 5 is a transverse section of the engine during the stroke in the lower cylinder and the compression stroke in the upper cylinder.

Двигатель содержит оппозитные цилиндры 1, 2 с ближними к коленвалу 3 поршнями 4, 5 и дальними поршнями 6, 7. Между ближними 4, 5 и дальними 6, 7 поршнями расположены кольцевые рабочие камеры 8, 9 с выпускными окнами 10 и двумя рядами продувочных окон 11, 12. Коленвал 3 имеет три расположенных через 180° кривошипа 13, 14, 15. Крайние кривошипы 13, 15 взаимодействуют через сухари 16, 17 с кулисами 18, 19, выполненными в перемычках 20, 21 соединяющих ближние поршни 4, 5. Средний кривошип 14 взаимодействует через сухарь 22 с кулисой 23, выполненной в скользящем по зеркалу цилиндров 1, 2 рамочном ползуне 24, который жестко связан с дальними поршнями 6, 7 штоками 25, 26, проходящими через центральные отверстия 27, 28 в ближних поршнях 4, 5. Ближние 4, 5 и дальние 6, 7 поршни имеют сопловые камеры 29, 30. Между дальними поршнями 6, 7 и днищами 31, 32 цилиндров 1, 2 образованы поршневые нагнетатели 33, 34 топливовоздушной смеси с впускными 35, 36 и нагнетательными 37, 38 каналами с обратными пластинчатыми клапанами 39, 40.The engine contains opposed cylinders 1, 2 with pistons 4, 5 closest to the crankshaft 3 and distant pistons 6, 7. Between the closest 4, 5 and distant 6, 7 pistons are annular working chambers 8, 9 with exhaust windows 10 and two rows of purge windows 11, 12. The crankshaft 3 has three cranks 13, 14, 15 located through 180 °. The extreme cranks 13, 15 interact through the crackers 16, 17 with the wings 18, 19, made in jumpers 20, 21 connecting the near pistons 4, 5. Middle the crank 14 interacts through a cracker 22 with a link 23 made in a cylinder sliding along the mirror 1, 2 of the frame slider 24, which is rigidly connected to the distant pistons 6, 7 by rods 25, 26 passing through the central holes 27, 28 in the proximal pistons 4, 5. The proximal 4, 5 and distant 6, 7 pistons have nozzle chambers 29, 30. Between the distant pistons 6, 7 and the bottoms 31, 32 of the cylinders 1, 2, piston superchargers 33, 34 of the air-fuel mixture with inlet 35, 36 and discharge 37, 38 channels with check plate valves 39, 40 are formed.

На Фиг.1, 2 дальние поршни 6, 7, жестко связанные штоками 25, 26, находятся в самом верхнем положении, ближние поршни 4, 5, жестко связанные перемычками 20, 21, находятся в самом нижнем положении. В верхней рабочей камере 8 идет выпуск отработавших газов через окна 10 выпускных каналов 41, управляемых ближним поршнем 4, и идет продувка через два ряда продувочных окон 11, 12, управляемых дальним поршнем 6. В верхнем поршневом нагнетателе 33 конец такта сжатия топливовоздушной смеси, которая через нагнетательный канал 37 с открытым пластинчатым клапаном 39 поступает в напорную камеру 43 и через продувочные каналы 45 и дальний ряд продувочных окон 11 поступает в верхнюю рабочую камеру 8. А через нижний ряд продувочных окон 12 идет продувка сжатым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47 через окружную камеру 48 и продувочные каналы 50.In Fig.1, 2 distant pistons 6, 7, rigidly connected by rods 25, 26, are in the highest position, proximal pistons 4, 5, rigidly connected by jumpers 20, 21, are in the lowest position. In the upper working chamber 8, exhaust gas is discharged through the windows 10 of the exhaust channels 41 controlled by the near piston 4, and there is a purge through two rows of purge windows 11, 12 controlled by the distant piston 6. In the upper piston blower 33, the end of the compression stroke of the air-fuel mixture, which through the discharge channel 37 with the open plate valve 39 enters the pressure chamber 43 and through the purge channels 45 and the far row of the purge windows 11 enters the upper working chamber 8. And through the lower row of the purge windows 12 there is a purge compressed the air coming from the turbocharger 47 through the peripheral chamber 48 and the purge channels 50.

В нижней рабочей камере 9 конец такта сжатия топливного заряда было осуществлено его воспламенение и начинается рабочий ход. Воспламенение осуществляется тремя свечами, расположенными через 120°, части топливного заряда под воздействием увеличивающегося давления (сжатие + повышение температуры начала горения) продолжают интенсивно мигрировать в сопловые камеры 29, 30.In the lower working chamber 9, the end of the compression stroke of the fuel charge was ignited and the stroke began. Ignition is carried out by three candles located at 120 °, parts of the fuel charge under the influence of increasing pressure (compression + increase in the temperature of the onset of combustion) continue to migrate intensively to the nozzle chambers 29, 30.

В нижнем поршневом нагнетателе 34 дальний поршень 7 находится в самом верхнем положении, объем нагнетательной камеры 53 наибольший. Благодаря закрытым клапанам 40 в камере 53 максимальное разрежение и через открывшиеся окна впускных каналов 36 с большой скоростью врывается топливовоздушная смесь.In the lower piston supercharger 34, the distant piston 7 is in the uppermost position, the volume of the discharge chamber 53 is greatest. Thanks to the closed valves 40 in the chamber 53, the maximum vacuum is reached and the air-fuel mixture rushes in at high speed through the opened windows of the intake channels 36.

На Фиг.3 - осевой разрез двигателя при горизонтальном положении кривошипов 13, 14, 15. Благодаря короткоходности поршней 4, 5, 6, 7 поперечные размеры кривошипов 13, 14, 15 меньше диаметра зеркала цилиндров 1, 2. Кривошипы 13, 14, 15 взаимодействуют с деталями 20, 21, 24, которые жестко связаны с ближними 4, 5, дальними 6, 7 поршнями и контактируют с зеркалом цилиндров 1, 2, образуя кривошипно-кулисно-ползунные механизмы, преобразующие прямолинейные перемещения поршней 4, 5, 6, 7 во вращательное коленвала 3.Figure 3 - axial section of the engine with the horizontal position of the cranks 13, 14, 15. Due to the short stroke of the pistons 4, 5, 6, 7, the transverse dimensions of the cranks 13, 14, 15 are smaller than the diameter of the cylinder 1, 2. The cranks 13, 14, 15 interact with the parts 20, 21, 24, which are rigidly connected with the nearby 4, 5, distant 6, 7 pistons and are in contact with the mirror of the cylinders 1, 2, forming crank-rocker-slider mechanisms that transform the linear movements of the pistons 4, 5, 6, 7 into the rotational crankshaft 3.

На Фиг.4 - разрез А-А на Фиг.2, разрез по ближайшему коленвалу 3 ряду продувочных окон 12 чистым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47 в окружную камеру 48 с продувочными каналами 50, расположенными под углом к радиусу цилиндра 1 для тангенциального направления потоков и обеспечения осевого вращения топливного заряда в рабочей камере 8. Удаленный от коленвала 3 ряд окон 11 обеспечивает продувку топливовоздушной смесью, поступающей от прилегающего поршневого нагнетателя 33 с напорной камерой 43 по продувочным каналам 45, расположенным также под некоторым углом к радиусу цилиндра 1.Figure 4 is a section aa in Figure 2, a section along the closest crankshaft 3 in a row of purge windows 12 with clean air coming from a turbocharger 47 into a peripheral chamber 48 with purge channels 50 located at an angle to the radius of the cylinder 1 for the tangential direction of flows and providing axial rotation of the fuel charge in the working chamber 8. A row of windows 11 remote from the crankshaft 3 provides purging with the air-fuel mixture coming from the adjacent piston supercharger 33 with the pressure chamber 43 through the purge channels 45, also located d at a certain angle to the radius of the cylinder 1.

На Фиг.5 - поперечный разрез двигателя при такте сжатия в верхней рабочей камере 8 и рабочем ходе в нижней рабочей камере 9.Figure 5 is a transverse section of the engine during the compression stroke in the upper working chamber 8 and the working stroke in the lower working chamber 9.

В камере 8 сходящие поршни 4, 6 быстро уменьшают объем камеры 8, быстро повышается давление, что снижает утечки рабочего тела и тепловые потери.In the chamber 8, the outgoing pistons 4, 6 quickly reduce the volume of the chamber 8, the pressure rises rapidly, which reduces the leakage of the working fluid and heat loss.

В камере 9 при рабочем ходе поршней 5, 7 под воздействием двух противоположно направленных потоков из сопловых камер 29, 30 образован торовый вихрь 54 с горящим внутренним кольцом. Его зарождению и протеканию способствуют круговая сегментная канавка 55 на дальнем поршне 7 и круговой выступ 56 на днище ближнего поршня 5.In the chamber 9, with the working stroke of the pistons 5, 7, under the influence of two oppositely directed flows from the nozzle chambers 29, 30, a torus vortex 54 is formed with a burning inner ring. Its nucleation and flow contribute to the circular segment groove 55 on the distant piston 7 and the circular protrusion 56 on the bottom of the proximal piston 5.

Двигатель двухцилиндровый, оппозитный с соосными цилиндрами 1, 2, с парой жестко связанных между собой ближайших к коленвалу 3 поршней 4, 5 и парой жестко связанных между собой удаленных от коленвала 3 поршней 6, 7. Двигаясь при работе в противоположных направления с одинаковой скоростью и массой, блоки поршней 4, 5 и 6, 7 обеспечивают полную уравновешенность двигателя, одинаковую последовательность рабочих циклов в каждом цилиндре 1, 2, но в противоположных фазах.The engine is two-cylinder, opposed with coaxial cylinders 1, 2, with a pair of 3 pistons 4, 5 that are rigidly connected to each other close to the crankshaft and 3 pistons 6, 7 that are rigidly connected to each other and moving in opposite directions at the same speed and by weight, the piston blocks 4, 5 and 6, 7 provide complete balance of the engine, the same sequence of duty cycles in each cylinder 1, 2, but in opposite phases.

В конце сжатия, перед ВМТ (НМТ) в нижней рабочей камере 9 (Фиг.1, 2) производится воспламенение топливного заряда тремя свечами. Из свечных камер 57 воспламененные части заряда врываются тремя очагами пламени в рабочую камеру 9, осуществляется ее поджог. Из-за продолжающегося уменьшения объема камеры 9 (поршни 5, 7 сближаются) и повышения температуры (начало горения заряда) в камере 9 повышается давление, под воздействием которого часть топливного заряда мигрирует в сопловые камеры 29, 30, проходя через узкие устья (доли миллиметра), по плавно расширяющимся каналам сопловых камер 29, 30, она охлаждается, отдавая тепло стенкам, не воспламеняя и не перемешиваясь с находящимися там частями заряда, осуществляя их поджатие.At the end of compression, before the TDC (BDC) in the lower working chamber 9 (Fig.1, 2), the fuel charge is ignited by three candles. From the candle chambers 57, the ignited parts of the charge burst with three foci of flame into the working chamber 9, it is set on fire. Due to the continuing decrease in the volume of the chamber 9 (pistons 5, 7 approach each other) and an increase in temperature (the beginning of charge burning), the pressure in the chamber 9 rises, due to which a part of the fuel charge migrates to the nozzle chambers 29, 30, passing through narrow mouths (fractions of a millimeter ), through the gradually expanding channels of the nozzle chambers 29, 30, it cools, giving heat to the walls, without igniting and not mixing with the parts of the charge there, by compressing them.

При нахождении поршней 5, 7 в мертвых точках и после их прохождения горение охватывает почти всю камеру сгорания, давление повышается и миграция в сопловые камеры 29, 30 продолжается, происходит их максимальная подзарядка.When the pistons 5, 7 are in dead spots and after they have passed, combustion covers almost the entire combustion chamber, the pressure increases and migration to the nozzle chambers 29, 30 continues, their maximum recharging occurs.

При дальнейших рабочих ходах поршней 5, 7 объем рабочей камеры 9 увеличивается, давление уменьшается и части топливного заряда из сопловых камер 29, 30 в обратном порядке (сначала самые горячие) с большой скоростью (благодаря эффекту сопла) устремляются в рабочую камеру 9, охватывая с противоположных сторон находящуюся там горящую часть топливного заряда, образуя торовый вихрь 54 (Фиг.5). Его зарождению и протеканию способствует наличие сегментной круговой канавки 55 на дальнем поршне 7 и кругового выступа 56 на ближнем поршне 5.With further working strokes of the pistons 5, 7, the volume of the working chamber 9 increases, the pressure decreases and parts of the fuel charge from the nozzle chambers 29, 30 in the reverse order (the hottest at first) rush into the working chamber 9 at a high speed (due to the effect of the nozzle), covering opposite sides of the burning part of the fuel charge there, forming a torus vortex 54 (Figure 5). Its nucleation and flow is facilitated by the presence of a segmented circular groove 55 on the distal piston 7 and a circular protrusion 56 on the proximal piston 5.

Поступающие из сопловых камер 29, 30 потоки сначала смеси, а потом воздуха окружают, изолируют горящую центральную часть огненного кольца от стенок рабочей камеры 9. Слои внешних потоков нагреваются и слои, прилегающие к центру очага, включаются в горение. Входящие последними сравнительно холодные слои потоков воздуха обеспечивают дожигание топливного заряда и его изоляцию от стенок камеры 9. Сжигание основного топливного заряда в торовом вихре 54 интенсифицирует процесс горения, повышается температура горения и давление, обеспечивается внутренняя адиабатизация процесса. Уменьшается токсичность ОГ.The streams coming from the nozzle chambers 29, 30 first surround the mixture and then surround the air, isolate the burning central part of the ring of fire from the walls of the working chamber 9. The layers of external flows are heated and the layers adjacent to the center of the hearth are included in the combustion. The relatively cold layers of air flows entering the latter provide afterburning of the fuel charge and its isolation from the walls of the chamber 9. The burning of the main fuel charge in the torus vortex 54 intensifies the combustion process, the combustion temperature and pressure increase, and the internal adiabatization of the process is ensured. Exhaust gas toxicity is reduced.

В конце рабочего хода (см. Фиг.1, 2 цилиндр 1) ближним поршнем 4 открываются окна 10 выпускных каналов 41 и начинается выпуск отработавших газов, которые направляются в коллектор 58 турбонагнетателя 47. Затем дальним поршнем 6 открывается ряд продувочных окон 12 чистым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47, и начинается продувка. При дальнейшем ходе поршней 4, 6 дальним поршнем 6 открывается ряд продувочных окон 11 и добавляется продувка топливовоздушной смесью из поршневого нагнетателя 33.At the end of the stroke (see FIG. 1, 2 cylinder 1), the nearby piston 4 opens the windows 10 of the exhaust channels 41 and the exhaust begins, which are sent to the manifold 58 of the turbocharger 47. Then, the distant piston 6 opens a series of purge windows 12 with clean air, coming from the turbocharger 47, and the purge begins. With the further course of the pistons 4, 6, the distant piston 6 opens a series of purge windows 11 and purge with the air-fuel mixture from the piston supercharger 33 is added.

Расположенные под углом к радиусу цилиндра 1 продувочные каналы 45, 50 обеспечивают осевое вращение топливного заряда в рабочей камере 8. Наличие в камере 8 штока 25 улучшает стабильность вращения заряда и качество продувки.The purge channels 45, 50 located at an angle to the radius of the cylinder 1 provide axial rotation of the fuel charge in the working chamber 8. The presence of a rod 25 in the chamber 8 improves the stability of charge rotation and the quality of the purge.

Продувка начинается чистым воздухом, продолжается совместно воздухом и богатой смесью. После окончания рабочего хода поршни 4, 6 движутся навстречу друг другу. Дальним поршнем 6 перекрываются окна 11 поступления смеси, в рабочую камеру 8 поступает только воздух из окон 12. Затем перекрываются и продувочные окна 12. До закрытия ближним поршнем 4 выпускных окон 10 через них теряется воздух из прилегающего к поршню 4 воздушного слоя (первым вошедшим в рабочую камеру 8 при продувке).Purge begins with clean air, continues together with air and a rich mixture. After the end of the stroke, the pistons 4, 6 move towards each other. The distant piston 6 overlaps the mixture inlet windows 11, only air from the windows 12 enters the working chamber 8. Then the purge windows 12 also overlap. Before the closure of the closure piston 4, the outlet windows 10 through them air is lost from the air layer adjacent to the piston 4 (the first to enter working chamber 8 when purging).

После закрытия всех окон 10, 11, 12 в камере 8 вращающийся топливный заряд располагается тремя слоями. К ближнему 4 и дальнему 6 поршням прилегают слои воздуха, в средней части - топливовоздушная смесь, близкая по составу к нормальной. Из-за осевого вращения слои на границе перемешиваются минимально.After closing all windows 10, 11, 12 in the chamber 8, the rotating fuel charge is located in three layers. Layers of air are adjacent to the middle 4 and far 6 pistons, in the middle part there is a fuel-air mixture close in composition to normal. Due to axial rotation, the layers at the boundary are mixed minimally.

При сжатии скорость осевого вращения заряда в камере 8 замедляется из-за внутреннего трения и трения о стенки рабочей камеры 8. Начинается заполнение сопловых камер 29, 30 чистым воздухом из прилегающих к поршням 4, 6 слоев воздуха, а продолжается и заканчивается топливовоздушной смесью среднего слоя. Замедлению осевого вращения заряда, особенно в конце такта сжатия способствует наличие радиальных ребер 59 в сегментной канавке 55 на торце дальнего поршня 6, повышается стабильность зажигания.During compression, the axial rotation of the charge in the chamber 8 slows down due to internal friction and friction against the walls of the working chamber 8. The nozzle chambers 29, 30 begin to fill with clean air from the air layers adjacent to the pistons 4, 6, and continues and ends with the middle-air fuel-air mixture . The slowing of the axial rotation of the charge, especially at the end of the compression stroke, is facilitated by the presence of radial ribs 59 in the segment groove 55 at the end of the distal piston 6, and the ignition stability is increased.

Электроды свечей зажигания расположены в глубине свечных камер 57, длина которых в пределах диаметра резьбы, свободные витки резьбы покрыты каталитическим слоем, например слоем платины толщиной 20 мкм. При повышении давления и температуры у части заряда, прилегающего к виткам резьбы, повышается энергия активации и на некоторых режимах работы двигателя инициируется воспламенение. Для стабильности зажигания на всех режимах работы устанавливаются свечи зажигания или накаливания.The electrodes of the spark plugs are located in the depth of the candle chambers 57, the length of which is within the diameter of the thread, the free turns of the thread are coated with a catalytic layer, for example a layer of platinum with a thickness of 20 μm. With an increase in pressure and temperature, a part of the charge adjacent to the thread turns increases the activation energy and ignition is initiated in some engine operating modes. For stability of ignition, spark plugs or glow plugs are installed in all operating modes.

Каждый поршневой нагнетатель 33, 34 имеет окна впускных 35, 36 и нагнетательных 37, 38 каналов, расположенных на противоположных сторонах нагнетательных камер 52, 53. Нагнетательные каналы 37, 38 имеют примыкающие к зеркалу цилиндра пластинчатые клапана 39, 40 и сообщаются с напорной камерой 43, 44, имеющей продувочные каналы 45, 46. При ходе дальнего поршня 6 вниз (Фиг.1, 2), при увеличении объема нагнетательной камеры 52 обратные клапана 39 закрываются и в камере 52 создается вакуум, увеличивающийся по мере хода поршня 6 вниз и увеличения объема камеры 52. При достижении максимального вакуума, при открытии поршнем 6 окон впускных каналов 35 в камеру 52 с большой скоростью врывается топливовоздушная смесь. При любом ее составе смесь переходит в газовое состояние. При обратном ходе поршня 6 газифицированная смесь сжимается и через открытый клапан 39 поступает в напорную камеру 43, а при продувке цилиндра 1 через продувочные каналы 45 - в рабочую камеру 8.Each piston blower 33, 34 has inlet windows 35, 36 and discharge 37, 38 channels located on opposite sides of the discharge chambers 52, 53. The discharge channels 37, 38 have plate valves 39, 40 adjacent to the cylinder mirror and communicate with the pressure chamber 43 , 44, having purge channels 45, 46. When the distant piston 6 moves downward (FIGS. 1, 2), as the volume of the discharge chamber 52 increases, the check valves 39 close and a vacuum is created in the chamber 52, increasing as the piston 6 moves downward and increases chamber volume 52. Upon reaching the maximum vacuum, when the piston 6 opens the windows of the inlet channels 35, the air-fuel mixture bursts into the chamber 52 at a high speed. With any composition, the mixture goes into a gas state. During the reverse stroke of the piston 6, the gasified mixture is compressed and through the open valve 39 enters the pressure chamber 43, and when the cylinder 1 is purged through the purge channels 45, into the working chamber 8.

Двигатель с двумя равными по массе блоками поршней 4, 5 и 6, 7, движущимися с равными скоростями, но в противоположных направлениях, полностью уравновешен. Энергия рабочего хода в одной рабочей камере 8 или 9 используется для проведения всех других процессов путем осевого силового воздействия на блоки поршней 4, 5 и 6, 7. Для равномерного вращения коленвала 3 и вывода блоков поршней 4, 5 и 6, 7 из мертвых точек используется маховик (не показан) небольшой массы из-за равномерности крутящего момента.An engine with two equal-in-mass piston blocks 4, 5 and 6, 7, moving at equal speeds, but in opposite directions, is fully balanced. The energy of the working stroke in one working chamber 8 or 9 is used to carry out all other processes by axial force acting on the piston blocks 4, 5 and 6, 7. For uniform rotation of the crankshaft 3 and the output of the piston blocks 4, 5 and 6, 7 from the dead points small flywheel (not shown) is used due to the uniformity of torque.

При рабочих ходах движущиеся в противоположных направлениях блоки 4, 5 и 6, 7 взаимодействуют один блок поршней 6, 7 со средним кривошипом 14, другой блок поршней 4, 5 с двумя крайними кривошипами 13, 15, нагружая их равными, но противоположно направленными силами (образующими пару сил), осуществляя совместный поворот, вращение коленвала 3, без нагружения коренных подшипников коленвала 3. Это уменьшает механические потери, шум двигателя.During working strokes, blocks 4, 5 and 6, 7 moving in opposite directions interact with one piston block 6, 7 with the middle crank 14, the other piston block 4, 5 with the two extreme cranks 13, 15, loading them with equal but opposite forces ( forming a couple of forces), carrying out a joint rotation, rotation of the crankshaft 3, without loading the main bearings of the crankshaft 3. This reduces mechanical losses, engine noise.

Начинается и заканчивается продувка рабочих камер 8, 9 чистым воздухом, поступающим из ближних окон 12 под давлением от турбонагнетателя 47. В середине она осуществляется совместно воздухом и богатой смесью, поступающей из дальних продувочных окон 11 от прилегающего поршневого нагнетателя 33 или 34. Потоки среднего слоя, воздуха и богатой смеси, поступающие из близко шахматно расположенных окон 11, 12, постепенно перемешиваются (до смеси нормального состава).The purging of the working chambers 8, 9 begins and ends with clean air coming from the neighboring windows 12 under pressure from the turbocharger 47. In the middle it is carried out together with air and a rich mixture coming from the distant purging windows 11 from the adjacent piston blower 33 or 34. Middle layer flows , air and rich mixture, coming from closely staggered windows 11, 12, are gradually mixed (to a mixture of normal composition).

Регулировать нагрузку двигателя возможно путем изменения состава смеси, поступающей в поршневые нагнетатели 33, 34 и путем дополнительного впрыска топлива через форсунки (не показаны) в каналы, по которым проходит чистый воздух от турбонагнетателя 47 (в среднюю часть потока). Это обеспечивает частично качественное регулирование работы двигателя.It is possible to regulate the engine load by changing the composition of the mixture entering the piston blowers 33, 34 and by additional fuel injection through nozzles (not shown) into the channels through which clean air passes from the turbocharger 47 (to the middle part of the stream). This provides partially quality control of the engine.

Между штоками 25, 26 и центральными отверстиями 27, 28 поршней 4, 5 предусматриваются минимальные зазоры. При рабочих ходах поршней 4, 5, 6, 7, при смещении кривошипов 13, 14, 15 от оси цилиндров 1, 2 штоки 25, 26 нагружаются нормальными силами реакции в отверстиях 27, 28 далеко разнесенных ближних поршней 4, 5, что определяет их малую величину, а значительная площадь контакта взаимодействующих поверхностей и хорошие условия смазки обеспечивают нормальные условия работы.Between the rods 25, 26 and the Central holes 27, 28 of the pistons 4, 5, minimum clearances are provided. When the piston strokes 4, 5, 6, 7, with the displacement of the cranks 13, 14, 15 from the axis of the cylinders 1, 2, the rods 25, 26 are loaded with normal reaction forces in the openings 27, 28 of the far-spaced nearby pistons 4, 5, which determines their small size, and a significant contact area of interacting surfaces and good lubrication conditions provide normal working conditions.

При работе двигателя, при противоположных перемещениях блоков поршней 4, 5 и 6, 7 объем и давление в кривошипной камере 60 не изменяются, упрощается ее герметизация, обеспечивается раздельная смазка ближайших поршней 4, 5, штоков 25, 26 и подшипников коленвала 3. Смазка дальних поршней 6, 7 обеспечивается другими известными способами. Малая температура цилиндров 1, 2 и поршней 4, 5, 6, 7, большая длина поршней 4, 5, 6, 7 и отсутствие боковых нагрузок упрощает герметизацию поршней 4, 5, 6, 7 - максимум одно неразрезанное неметаллическое кольцо (не показано), уменьшается расход масла.During engine operation, with opposite movements of the piston blocks 4, 5 and 6, 7, the volume and pressure in the crank chamber 60 do not change, its sealing is simplified, separate lubrication of the nearest pistons 4, 5, rods 25, 26 and crankshaft bearings is provided 3. Long-range lubrication pistons 6, 7 are provided by other known methods. The low temperature of the cylinders 1, 2 and pistons 4, 5, 6, 7, the large length of the pistons 4, 5, 6, 7 and the absence of lateral loads simplify the sealing of the pistons 4, 5, 6, 7 - a maximum of one uncut non-metallic ring (not shown) reduces oil consumption.

Конструкция двигателя в отличие от обычного двухтактного двигателя обеспечивает двухстороннее попеременное нагружение подшипников, это улучшает условия их смазки, уменьшает износ, повышает долговечность работы.The engine design, unlike a conventional two-stroke engine, provides two-sided alternate loading of bearings, this improves their lubrication conditions, reduces wear, and increases durability.

Наличие сопловых камер 29, 30 увеличивает объем камеры сгорания, это предопределяет применение низкооктанового неэтилированного бензина.The presence of nozzle chambers 29, 30 increases the volume of the combustion chamber, this determines the use of low-octane unleaded gasoline.

Цилиндры 1, 2 имеют двойные стенки с образованием замкнутой камеры 61, это увеличивает жесткость конструкции, при заполнении камеры 61 маслом улучшается равномерность нагрева стенок цилиндров 1, 2, уменьшается шум двигателя. При установке в камере 61 электронагревательных элементов возможен предпусковой подогрев двигателя зимой.Cylinders 1, 2 have double walls with the formation of a closed chamber 61, this increases the rigidity of the structure, filling the chamber 61 with oil improves the uniformity of heating of the walls of the cylinders 1, 2, reduces engine noise. When 61 electric heating elements are installed in the chamber, engine preheating in winter is possible.

Преимущества кривошипно-кулисных механизмов:Advantages of crank-link mechanisms:

а) отсутствуют силы инерции II порядка, что уменьшает вибрацию и шум двигателя;a) there are no second-order inertia forces, which reduces vibration and engine noise;

б) из-за отсутствия шатунов уменьшаются:b) due to the lack of connecting rods are reduced:

на 1/cosβ нагрузки на кривошипные подшипники, потери на трение (поршней) штоков 25, 26, объем кривошипной камеры 60, высота и вес двигателя.1 / cosβ load on the crank bearings, friction loss (pistons) of the rods 25, 26, the volume of the crank chamber 60, the height and weight of the engine.

В качестве ползунов использовано взаимодействие боковых поверхностей рамочного ползуна 24 и перемычек 20, 21 с зеркалом цилиндров 1, 2. Это упрощает конструкцию, увеличивает компактность и уменьшает вес двигателя.As the sliders, the interaction of the lateral surfaces of the frame slide 24 and the jumpers 20, 21 with the mirror of the cylinders 1, 2 is used. This simplifies the design, increases compactness and reduces the weight of the engine.

В конструкции двигателя вес блоков поршней 4, 5 и 6, 7 значителен. Но в двухтактных двигателях в первой четверти оборота коленвала 3 от ВМТ (от 0° до 90° поворота коленвала (п.к.в.)) поршни 4, 5, 6, 7 ускоряются, векторы сил давления газов и инерции поршней 4, 5, 6, 7 направлены в противоположные стороны. Силы инерции уменьшают результирующую силу, уменьшается ударная нагрузка на детали коленвала 3. Во второй четверти оборота (от 90° до 180° п.к.в.) движения поршней 4, 5, 6, 7 замедляется, векторы сил инерции и давления газов совпадают, суммируются. Это смягчает работу двигателя.In the design of the engine, the weight of the piston blocks 4, 5 and 6, 7 is significant. But in two-stroke engines in the first quarter of the crankshaft 3 rotation from TDC (from 0 ° to 90 ° of the crankshaft rotation (p.c.)) the pistons 4, 5, 6, 7 are accelerated, the gas pressure and inertia vectors of the pistons 4, 5 , 6, 7 are directed in opposite directions. Inertia forces reduce the resulting force, the impact load on the crankshaft parts 3 decreases. In the second quarter of the revolution (from 90 ° to 180 ° p.c.), the movements of the pistons 4, 5, 6, 7 slow, the vectors of inertia and gas pressure coincide are summarized. This softens the engine.

Отсутствие перекладывания поршней 4, 5, 6, 7 при работе, малые зазоры между поршнями 4, 5, 6, 7 и зеркалом цилиндров 1, 2, хорошие условия смазки деталей, меньшая величина максимального давления теплового цикла, плавное нарастание и снижение давления в рабочих камерах 8, 9, малые нагрузки на коренные подшипники коленвала 3, наличие двойных стенок у цилиндров 1, 2 с образованием замкнутой камеры 61 - все это снижает уровень шума двигателя.No shifting of the pistons 4, 5, 6, 7 during operation, small gaps between the pistons 4, 5, 6, 7 and the mirror of the cylinders 1, 2, good lubrication conditions for the parts, lower value of the maximum pressure of the thermal cycle, a smooth increase and decrease in pressure in the working chambers 8, 9, low loads on the main bearings of the crankshaft 3, the presence of double walls on the cylinders 1, 2 with the formation of a closed chamber 61 - all this reduces the noise level of the engine.

Другие преимущества двигателя:Other advantages of the engine:

1. Повышенная стабильность циклов за счет надежности воспламенения благодаря наличию трех свечей со свечными камерами 57.1. Increased stability of the cycles due to the reliability of ignition due to the presence of three candles with candle chambers 57.

2. Отношение S/(D-d)>1. Это повышает степень расширения рабочего тела, полнее проявляются преимущества прямоточной продувки с осевым вращением заряда.2. The ratio S / (D-d)> 1. This increases the degree of expansion of the working fluid, the advantages of direct-flow purging with axial rotation of the charge are more fully manifested.

3. Двойное нагнетание обеспечивает эффективную работу двигателя на всех режимах и возможность позднего предварения выпуска, что повышает КПД.3. Double injection ensures efficient operation of the engine in all modes and the possibility of late pre-release, which increases efficiency.

4. Частично качественное регулирование нагрузки уменьшает долю дроссельных потерь.4. Partially high-quality load control reduces the share of throttle losses.

5. Трехслойное размещение топливного заряда в рабочих камерах 8, 9, сжигание его в торообразном вихре 54 с изоляцией пламени от стенок камер 8, 9 интенсифицирует процесс горения, уменьшает тепловые потери и токсичность ОГ, обеспечивает надежное сжигание суммарно переобедненных зарядов, отпадает необходимость в обычной системе охлаждения.5. Three-layer placement of the fuel charge in the working chambers 8, 9, burning it in a toroidal vortex 54 with insulation of the flame from the walls of the chambers 8, 9 intensifies the combustion process, reduces heat losses and exhaust gas toxicity, provides reliable burning of totally overcharged charges, there is no need for a usual cooling system.

6. Низкая температура цилиндропоршневой группы определяет малый расход масла, позволяет использовать в качестве топлива водород, без риска перегрева и детонации.6. The low temperature of the cylinder-piston group determines a low oil consumption, allows the use of hydrogen as fuel, without the risk of overheating and detonation.

7. Двигатель компактен, симметричен, имеет минимальное число деталей и малый вес, сравнительно прост по конструкции и эффективен в работе. Двигатель возможен и в дизельном исполнении. Для этого свечи заменяются на форсунку, поршневые нагнетатели осуществляют продувку также чистым воздухом, уменьшаются объемы камер сгорания и сопловых камер 29, 30.7. The engine is compact, symmetrical, has a minimum number of parts and low weight, is relatively simple in design and efficient in operation. The engine is also possible in a diesel version. To do this, the candles are replaced with a nozzle, piston blowers also purge with clean air, the volumes of the combustion chambers and nozzle chambers 29, 30 are reduced.

Claims

1. An engine with oppositely moving pistons, comprising a cylinder with a working chamber located between two opposing pistons moving in opposite directions, with mechanisms that convert their rectilinear movements into a rotary crankshaft having three cranks located through 180 °, the last of which interact with the proximal piston, and the middle one with the distant one, characterized in that the proximal piston is made with a central bore, three crank-rocker mechanisms are applied, the extreme wings of which are made in the proximal the piston and through rusks interact with the crankshaft extreme cranks, the middle link is made in the frame slider sliding on the cylinder mirror, which is rigidly connected to the distant piston by a rod passing through the central hole of the near piston, and through the cracker interacts with the middle crankshaft crank, while between the distant piston and a piston supercharger with inlet and outlet channels is formed on the cylinder bottom.

2. An engine with oppositely moving pistons according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional cylinder coaxially located on the other side of the crankshaft with additional proximal and distant pistons arranged symmetrically and like the first ones connected with crankshaft cranks.

3. An engine with oppositely moving pistons according to any one of claims 1 or 2, characterized in that each working chamber is equipped with two rows of purge windows controlled by a distant piston, while a row of windows located closer to the crankshaft is connected to a clean air turbocharger, and a number windows located further from the crankshaft communicates with an adjacent piston supercharger.

4. An engine with oppositely moving pistons according to any one of claims 1 or 2, characterized in that in each piston supercharger the window of the discharge channel with a check valve is adjacent to the cylinder bottom, and the window of the inlet channel is adjacent to the end of the distant piston at the maximum height of the discharge chamber.

5. An engine with oppositely moving pistons according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the electrodes of the candles are located deep in the candle chambers, the free threads of which are coated with a catalytic layer.