RU2773079C1

RU2773079C1 - Способ осуществления газообмена двухтактного двигателя внутреннего сгорания

Info

Publication number: RU2773079C1
Application number: RU2021121497A
Authority: RU
Inventors: Константин Вадимович Говоров
Original assignee: Константин Вадимович Говоров
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2022-05-30

Abstract

FIELD: engine technology.

SUBSTANCE: invention relates to engine building. The method for gas exchange of a two-stroke internal combustion engine (ICE) includes the combination of working cylinders with compressor cylinders and pistons by gas ducts (5) into groups operating with a time offset relative to adjacent groups. The working mixture or air charge is first compressed in the compressor chamber (2), and then, with the purge window or valve of the next-phase working cylinder open, it is passed into the working chamber (1) of the adjacent connected working cylinder. When the piston moves to the lower dead center (LDC), the purge window or valve is first opened, then the exhaust window or valve of the working cylinder, while increasing the temperature of the working mixture or air charge by directly transferring part of the exhaust gas heat into it. As a working cylinder, a cylinder with two chambers is used: working (1) and compressor (2) chambers, the diameter of the latter is larger than the diameter of the working chamber (1). In the compressor chamber (2) of one cylinder in the area of the upper dead center, a purge window or a valve of an adjacent working cylinder connected to it in the group is blocked.

EFFECT: reduction in specific fuel consumption, as well as weight and size indicators.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании двухтактных двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to the field of engine building and can be used to create two-stroke internal combustion engines.

Известен способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, предполагающий группировку поршней в процессе заполнения рабочего объема свежим воздухом, его сжатие, подвод топлива, сгорание, расширение продуктов сгорания, продувку внутренней полости и заполнение рабочего объема свежим воздухом (RU, С1, № 2136920, 1999).A known method of operation of a two-stroke internal combustion engine, involving the grouping of pistons in the process of filling the working volume with fresh air, its compression, fuel supply, combustion, expansion of combustion products, purge of the internal cavity and filling the working volume with fresh air (RU, C1, No. 2136920, 1999) .

Недостатками известного решения являются сложность конструкции, наличие внешних агрегатов и большого количества вспомогательных узлов. Кроме того принудительное управление газораспределительными механизмами снижает максимальную частоту вращения коленчатого вала, что приводит к падению выходной мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС). The disadvantages of the known solutions are the complexity of the design, the presence of external units and a large number of auxiliary units. In addition, the forced control of the gas distribution mechanisms reduces the maximum speed of the crankshaft, which leads to a drop in the power output of the internal combustion engine (ICE).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-камерной продувкой, включающий объединение посредством продувочных каналов рабочих цилиндров с компрессорами, взаимодействующими с коленчатым валом, в группы, работающие со смещением во времени относительно смежных с ними групп, при этом за счет движения поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ) в кривошипной камере (картере) создается разрежение, благодаря чему рабочая смесь засасывается в полость кривошипной камеры (картера), которую при движении поршня из ВМТ к нижней мертвой точке (НМТ) сначала сжимают в полости кривошипной камеры (картера), а затем при открытом продувочном окне или клапане следующего по фазе рабочего цилиндра перепускают в камеру сгорания смежного связанного рабочего цилиндра, где при ходе поршня из НМТ к ВМТ сжимают свежую рабочую смесь, после чего ее при положении поршня, близком к ВМТ, воспламеняют, обеспечивая движение поршня к НМТ, в процессе которого сначала открывают выхлопное окно, а затем – продувочное окно, связанное с картером соседнего цилиндра (RU, С1, № 2306443, 2007).Closest to the claimed invention is a method of operation of a two-stroke internal combustion engine with a crank-chamber purge, including combining, by means of purge channels, working cylinders with compressors interacting with the crankshaft into groups operating with a time shift relative to adjacent groups, while for due to the movement of the piston to top dead center (TDC) in the crank chamber (crankcase), a vacuum is created, due to which the working mixture is sucked into the cavity of the crank chamber (crankcase), which, when the piston moves from TDC to bottom dead center (BDC), is first compressed in the cavity of the crank chamber (crankcase), and then with an open purge window or valve of the next working cylinder in phase, it is passed into the combustion chamber of an adjacent associated working cylinder, where, during the piston stroke from BDC to TDC, a fresh working mixture is compressed, after which it is compressed at a piston position close to TDC , ignite, ensuring the movement of the piston to BDC, in the process which first open the exhaust window, and then the purge window associated with the crankcase of the adjacent cylinder (RU, C1, No. 2306443, 2007).

Недостатками известного решения являются значительный расход топлива при работе ДВС в связи с движением поршня после перекрытия продувочного окна до перекрытия выхлопного окна. При этом часть рабочей смеси или свежего заряда неизбежно вытесняется поршнем в выхлопной тракт. Также соединение цилиндров газоводами существенно увеличивает объем кривошипной камеры, что приводит к резкому падению энергии продувки. Также в многоцилиндровых двухтактных ДВС имеются серьезные технологические трудности при изготовлении коленчатых валов в сборе с коренными и шатунными подшипниками качения.The disadvantages of the known solutions are the significant fuel consumption during the operation of the internal combustion engine due to the movement of the piston after the purge window is closed to the exhaust window is closed. In this case, part of the working mixture or fresh charge is inevitably forced out by the piston into the exhaust tract. Also, the connection of the cylinders with gas pipelines significantly increases the volume of the crank chamber, which leads to a sharp drop in the purge energy. Also, in multi-cylinder two-stroke internal combustion engines, there are serious technological difficulties in the manufacture of crankshafts assembled with main and connecting rod bearings.

Заявленное изобретение направлено на снижение удельного расхода топлива, а также массогабаритных показателей, сокращение деталей ДВС и, как следствие, повышение технологичности при увеличении выходной мощности ДВС.The claimed invention is aimed at reducing the specific fuel consumption, as well as weight and size indicators, reducing the details of the internal combustion engine and, as a result, improving manufacturability with an increase in the output power of the internal combustion engine.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе осуществления газообмена двухтактного двигателя внутреннего сгорания, включающем объединение посредством газоводов рабочих цилиндров с компрессорными цилиндрами, и поршнями, взаимодействующими с коленчатым валом, в группы, работающие со смещением во времени относительно смежных с ними групп, при этом за счет движения поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку в компрессорной полости создают разрежение, засасывая в полость компрессора свежую рабочую смесь или заряд воздуха, которую при движении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю сначала сжимают в камере компрессора, а затем при открытом продувочном окне или клапане следующего по фазе рабочего цилиндра перепускают в камеру сгорания смежного связанного рабочего цилиндра, где при ходе поршня из нижней мертвой точки к верхней сжимают свежую рабочую смесь или заряд воздуха, после чего при положении поршня, близком к верхней мертвой точке, обеспечивают сжигание топлива, обеспечивая движение поршня к нижней мертвой точке, в процессе которого сначала открывают продувочное окно или клапан, а затем – выхлопное окно или клапан рабочего цилиндра, в качестве рабочего цилиндра используют цилиндр с двумя камерами – рабочей и компрессорной, диаметр которой больше диаметра рабочей камеры, рабочие цилиндры связывают между собой в группы попарно посредством газоводов таким образом, что продувочное окно каждого цилиндра в группе связано с компрессорной камерой сжатия смежного рабочего цилиндра в группе, причем в компрессорной камере одного цилиндра в районе верхней мертвой точке перекрывают продувочное окно или клапан связанного с ним смежного в группе рабочего цилиндра, при движении поршня в рабочем цилиндре от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке сначала открывают продувочное окно или клапан, затем выхлопное окно или клапан, при этом повышают температуру рабочей смеси или заряда воздуха путем прямой передачи в нее части тепла отработанных газов, а при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке сначала перекрывает выхлопное окно или клапан, затем - продувочное окно или клапан, осуществляя наддув и повышая давление в рабочей камере.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of gas exchange of a two-stroke internal combustion engine, including the combination of working cylinders with compressor cylinders and pistons interacting with the crankshaft through gas ducts, into groups operating with a shift in time relative to adjacent groups, while due to the movement of the piston from the top dead center to the bottom dead center, a vacuum is created in the compressor cavity, sucking into the compressor cavity a fresh working mixture or air charge, which, when the piston moves from the bottom dead center to the top, is first compressed in the compressor chamber, and then with the purge valve open the window or valve of the next working cylinder in phase is passed into the combustion chamber of the adjacent connected working cylinder, where, when the piston moves from the bottom dead center to the top, a fresh working mixture or air charge is compressed, after which, with the piston position close to the top dead center, combustion of t fuel, ensuring the movement of the piston to the bottom dead center, during which first the purge window or valve is opened, and then the exhaust window or valve of the working cylinder, a cylinder with two chambers is used as a working cylinder - a working and a compressor, the diameter of which is greater than the diameter of the working chamber , the working cylinders are connected to each other in groups in pairs by means of gas ducts in such a way that the purge window of each cylinder in the group is connected to the compressor compression chamber of the adjacent working cylinder in the group, and in the compressor chamber of one cylinder in the region of the top dead center, the purge window or valve associated with adjacent to it in the group of the working cylinder, when the piston moves in the working cylinder from top dead center to bottom dead center, first open the purge window or valve, then the exhaust window or valve, while increasing the temperature of the working mixture or air charge by directly transferring part of the heat into it exhaust gases, and when the piston moves from bottom dead center to top dead center, it first closes the exhaust window or valve, then the purge window or valve, exercising pressurization and increasing pressure in the working chamber.

Поскольку заявленный способ отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, он соответствует условию «новизна». Since the claimed method differs from the closest analogue by a number of essential features, it meets the condition of "novelty".

В основу заявленного изобретения положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость».The claimed invention is based on the known laws of the material world, which makes it possible to assert that the invention complies with the condition of "industrial applicability".

В заявленном способе предусмотрен особый режим работы объединенных в группы двухступенчатых цилиндров, позволяющий осуществить прямую передачу тепла от отработанных газов к свежей рабочей смеси или заряду воздуха, что позволяет утверждать о соответствии заявленного изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».The claimed method provides for a special mode of operation of two-stage cylinders combined into groups, which allows for direct heat transfer from exhaust gases to a fresh working mixture or air charge, which makes it possible to assert that the claimed invention complies with the "inventive step" patentability condition.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема трехцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 – то же звездообразного четырехцилиндрового; на фиг. 3 – представлен двухступенчатый поршень; на фиг. 4 – адаптированный под заявленный способ поршень серийного четырехтактного двигателя.In FIG. 1 is a schematic diagram of a three-cylinder in-line internal combustion engine; in fig. 2 - the same star-shaped four-cylinder; in fig. 3 - a two-stage piston is presented; in fig. 4 is a serial four-stroke engine piston adapted to the claimed method.

Способ предполагает использование рабочих цилиндров с двумя камерами: рабочая камера 1 сгорания и компрессорная камера 2 и двухступенчатого поршня 3, взаимодействующего с коленчатым валом (не показан), помещенным в масляный картер 4. Рабочий объем компрессорной камеры 2 двухкамерного цилиндра больше объема рабочей камеры 1 на величину, достаточную для обеспечения заданной степени наддува. Рабочие цилиндры посредством газоводов 5 попарно соединены друг с другом, причем с одной стороны газовод соединен с камерой 2 компрессора, с другой - с продувочным окном или клапаном рабочей камеры 1 и объединены в группы, работающие со смещением рабочего процесса во времени относительно смежных с ними групп цилиндров.The method involves the use of working cylinders with two chambers: a working combustion chamber 1 and a compressor chamber 2 and a two-stage piston 3 interacting with a crankshaft (not shown) placed in an oil sump 4. The working volume of the compressor chamber 2 of the two-chamber cylinder is greater than the volume of the working chamber 1 by a value sufficient to provide a given degree of boost. The working cylinders are connected in pairs with each other by means of gas ducts 5, and on the one hand the gas duct is connected to the compressor chamber 2, on the other hand, to the purge window or valve of the working chamber 1 and are combined into groups operating with a shift in the working process in time relative to adjacent groups cylinders.

В процессе работы двигателя при движении поршня 3 из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку в компрессорной полости 2 создают разрежение, засасывая через впускной клапан (не показан) в полость компрессора свежую рабочую смесь или заряд воздуха, которую при движении поршня 3 из нижней мертвой точки в верхнюю сначала сжимают в компрессорной камере 2 цилиндра, а затем при открытии продувочного окна или клапана следующего по фазе рабочего цилиндра перепускают в рабочую камеру 1 сгорания смежного связанного с компрессором двухкамерного цилиндра. При этом при положении поршня в компрессорной камере одного цилиндра в районе верхней мертвой точки перекрывают продувочное окно или клапан связанного с ним смежного в группе цилиндра. Свежую рабочую смесь или заряд воздуха в камере 1 сгорания при ходе поршня из нижней мертвой точки к верхней сжимают, после чего при положении поршня 3, близком к верхней мертвой точке, осуществляют сжигание топлива, обеспечивая движение поршня 3 к нижней мертвой точке, в процессе которого сначала открывают продувочное окно или клапан, а затем – выхлопное окно или клапан двухкамерного цилиндра. During engine operation, when piston 3 moves from top dead center to bottom dead center, a vacuum is created in the compressor cavity 2, sucking in a fresh working mixture or air charge through the inlet valve (not shown) into the compressor cavity, which, when piston 3 moves from bottom dead center in the upper one, it is first compressed in the compressor chamber 2 of the cylinder, and then, when the purge port or valve of the working cylinder next in phase is opened, it is passed into the working chamber 1 of the combustion of the adjacent two-chamber cylinder connected to the compressor. In this case, when the piston is in the compressor chamber of one cylinder in the region of the top dead center, the purge window or the valve of the cylinder associated with it is blocked in the group. The fresh working mixture or air charge in the combustion chamber 1 is compressed during the piston stroke from the bottom dead center to the top dead center, after which, with the piston 3 position close to the top dead center, fuel is burned, ensuring the movement of the piston 3 to the bottom dead center, during which first open the purge port or valve, and then the exhaust port or valve of the two-chamber cylinder.

При движении поршня 3 от ВМТ к НМТ в рабочем процессе первым открывается продувочное окно или клапан, при этом часть активного выхлопа проникает в соединительный газовод, где горячие отработанные газы частично смешиваются со свежей рабочей смесью (или зарядом воздуха), осуществляя ей (ему) прямую передачу тепла. При движении поршня 3 от НМТ к ВМТ верхняя часть поршня 3 сначала перекрывает выхлопное окно, затем - продувочное окно, при этом осуществляется наддув и повышение давления в рабочей камере 1 за счет объема, заданного диаметром компрессорной камеры 2 двухкамерного цилиндра (поршневой наддув).When piston 3 moves from TDC to BDC in the working process, the purge window or valve opens first, while part of the active exhaust enters the connecting gas duct, where the hot exhaust gases are partially mixed with the fresh working mixture (or air charge), providing it (him) with a direct heat transfer. When piston 3 moves from BDC to TDC, the upper part of piston 3 first covers the exhaust window, then the purge window, while pressurization and pressure increase in the working chamber 1 are carried out due to the volume specified by the diameter of the compressor chamber 2 of the two-chamber cylinder (piston pressurization).

Заявленный способ позволяет конвертировать серийные четырехтактные двигатели внутреннего сгорания в двухтактные двигатели внутреннего сгорания путем замены серийных поршней на адаптированные поршни, представленные на фиг. 4, и головки блока цилиндров вместе с приводными механизмами на головку блока цилиндров, изготовленную в соответствии с обеспечением условий данного способа.The claimed method makes it possible to convert serial four-stroke internal combustion engines into two-stroke internal combustion engines by replacing serial pistons with adapted pistons shown in FIG. 4, and cylinder heads together with drive mechanisms on a cylinder head manufactured in accordance with the provision of the conditions of this method.

Claims

SUBSTANCE: method for gas exchange of a two-stroke internal combustion engine, which includes combining working cylinders with compressor cylinders and pistons interacting with the crankshaft into groups operating with a time shift relative to adjacent groups, due to the movement of the piston from top dead center a vacuum is created to the bottom dead center in the compressor cavity, sucking in a fresh working mixture or air charge into the compressor cavity, which, when the piston moves from the bottom dead center to the top, is first compressed in the compressor chamber, and then with the purge port or valve of the next working cylinder open is passed into the combustion chamber of the adjacent connected working cylinder, where, during the piston stroke from the bottom dead center to the top, a fresh working mixture or air charge is compressed, after which, with the piston position close to the top dead center, the fuel is burned, ensuring the movement of the piston to the bottom dead center ke, during which the purge window or valve is first opened, and then the exhaust window or valve of the working cylinder is opened, characterized in that a cylinder with two chambers is used as a working cylinder - a working and a compressor, the diameter of which is greater than the diameter of the working chamber, the working cylinders connect between themselves in groups in pairs by means of gas ducts in such a way that the purge window of each cylinder in the group is connected to the compressor chamber of the adjacent working cylinder in the group, and in the compressor chamber of one cylinder in the region of the top dead center, the purge window or the valve associated with it adjacent in the group is blocked of the working cylinder, when the piston in the working cylinder moves from top dead center to bottom dead center, first open the purge window or valve, then the exhaust window or valve, while increasing the temperature of the working mixture or air charge by directly transferring part of the heat of the exhaust gases into it, and when the piston moves from the lower measures your point to top dead center first closes the exhaust port or valve, then the purge port or valve, pressurizing and increasing pressure in the working chamber.