RU2638419C1

RU2638419C1 - Two-stroke internal combustion engine

Info

Publication number: RU2638419C1
Application number: RU2016126381A
Authority: RU
Inventors: Александр Тихонович Зыбин
Original assignee: Александр Тихонович Зыбин
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2017-12-13

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: two-stroke engine comprises a stepped cylinder in which a stepped piston with compression rings is arranged to move along the axis of the cylinder, dividing the cylinder into two cavities. One cavity is annular, lateral, in the walls of which the inlet windows are made, is a working cavity. The second - the over-piston cavity is made with an exhaust channel. The stepped piston in the upper part is equipped with a compression ring. The over-piston cavity is made of a suction and is equipped with bypass windows made in the form of lateral grooves in the compression ring. At the same time, the exhaust duct, which connects the suction cavity with the atmosphere, is equipped with a check valve. The inlet windows of the working cavity are located at an angle of 45° to the cylindrical wall of the working cavity in the plane of the cross section. The volumes of the suction and working cavities are correlated with each other as (3-4):1.

EFFECT: increase the efficiency of the engine by increasing the compression ratio in the combustion chamber.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в производстве двухтактных двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to engine building, and can be used in the manufacture of two-stroke internal combustion engines.

Известен «Двигатель внутреннего сгорания», содержащий первый цилиндр, выполненный с рабочим объемом и диаметром, превышающими рабочий объем и диаметр второго цилиндра, выполненного в головке первого цилиндра, первый и второй поршни, размещенные в соответствующих цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненные соответственно с разными диаметрами, средство для подачи воздуха в первый цилиндр во время хода впуска его поршня, средство для подачи топлива во второй цилиндр, камеру сгорания, выполненную во втором поршне и сообщенную при помощи первого отверстия, выполненного в боковой стенке второго поршня, с первым цилиндром и при помощи второго отверстия с вторым цилиндром, причем второй поршень выполнен за одно с первым в виде выступа на днище последнего с возможностью входа второго поршня во второй цилиндр при положении первого поршня в нижней мертвой точке, отличающийся тем, что он снабжен управляемым средством перепуска воздуха из первого цилиндра во второй цилиндр, минуя камеру сгорания и способствуя перемещению топливовоздушной смеси из второго цилиндра в камеру сгорания к концу хода сжатия, а нижняя кромка первого отверстия смещена в осевом направлении от днища первого поршня (патент РФ на изобретение №2084650, МПК: F02B 19/00, опубл. 20.07.1997).Known "Internal combustion engine" containing a first cylinder made with a working volume and a diameter greater than the working volume and diameter of the second cylinder made in the head of the first cylinder, the first and second pistons placed in the respective cylinders with the possibility of reciprocating motion and made respectively with different diameters, means for supplying air to the first cylinder during the stroke of the intake of its piston, means for supplying fuel to the second cylinder, a combustion chamber made in the second rshne and communicated by means of the first hole made in the side wall of the second piston with the first cylinder and by the second hole with the second cylinder, the second piston made in one with the first in the form of a protrusion on the bottom of the latter with the possibility of the second piston entering the second cylinder with the position of the first piston at bottom dead center, characterized in that it is provided with controlled means for transferring air from the first cylinder to the second cylinder, bypassing the combustion chamber and facilitating the movement of the air-fuel mixture from orogo cylinder into the combustion chamber by the end of the compression stroke, and the lower edge of the first opening is offset axially from the bottom of the first piston (RF patent №2084650, IPC: F02B 19/00, publ. 07/20/1997).

Известен «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», содержащий цилиндр, в стенке которого выполнены продувочное и выпускное окна, поршень с жаропрочной вставкой в днище, кинематически связанный с коленчатым валом, и нагнетатель, отличающийся тем, что в головке рабочего цилиндра помещена вставка из жаропрочного материала с низкой теплопроводностью, в которой выполнена камера сгорания цилиндрической формы, отношение диаметра камеры сгорания к ее длине находится в пределах от 0,1 до 0,15, в торце камеры сгорания помещена топливная форсунка и зазор между головкой цилиндра и поршнем в положении верхней мертвой точки составляет от 0,8 до 1,0% от величины хода поршня (патент РФ на изобретение №2459094, МПК: F02B 23/02, опубл. 20.08.2012).The well-known "two-stroke internal combustion engine", comprising a cylinder, in the wall of which there are purge and exhaust windows, a piston with a heat-resistant insert in the bottom, kinematically connected with the crankshaft, and a supercharger, characterized in that an insert of heat-resistant material with low thermal conductivity in which the combustion chamber is cylindrical, the ratio of the diameter of the combustion chamber to its length is in the range from 0.1 to 0.15, a fuel nozzle is placed at the end of the combustion chamber and a gap between the cylinder head and the piston at the TDC position is from 0.8 to 1.0% of the piston stroke (RF patent №2459094, IPC: F02B 23/02, published on 20.08.2012.).

Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения является «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», содержащий ступенчатый цилиндр, в котором установлен с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра ступенчатый поршень, делящий цилиндр на нагнетательную полость и рабочую полость, впускной канал, расположенный в стенке нагнетательной полости, выхлопной канал, выполненный в стенке рабочей полости, систему впрыска топлива, раздаточный вал, связанный с поршнем механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное раздаточного вала, отличающийся тем, что в нем выполнен перепускной канал, вход в который расположен в нагнетательной полости, выход - в рабочей полости, при этом нагнетательная полость выполнена предпоршневой и имеет объем, больший, чем рабочая полость (патент РФ на изобретение №2188959, МКИ: F02B 33/14, опубл. 10.09.2002).The closest analogue to the proposed invention is a "two-stroke internal combustion engine" containing a step cylinder, in which a step piston is installed to move along the axis of the cylinder, dividing the cylinder into the discharge cavity and the working cavity, the inlet channel located in the wall of the discharge cavity, an exhaust channel made in the wall of the working cavity, a fuel injection system, a transfer shaft connected to a piston for reciprocating conversion movement of the piston into the rotary of the transfer shaft, characterized in that a bypass channel is made in it, the entrance to which is located in the injection cavity, the outlet is in the working cavity, while the injection cavity is pre-piston and has a volume larger than the working cavity (RF patent for invention No. 2188959, MKI: F02B 33/14, publ. 09/10/2002).

К техническому результату относится повышение КПД двигателя путем увеличения степени сжатия в камере сгорания за счет естественного поступления воздуха во всасывающую полость цилиндра двигателя, так как при движении двухступенчатого поршня в двухступенчатом цилиндре создается искусственное разрежение, а наличие и расположение впускных и перепускных окон в рабочей и всасывающей полостях позволяет эффективно осуществить процесс естественного поступления воздуха.The technical result includes an increase in engine efficiency by increasing the compression ratio in the combustion chamber due to the natural intake of air into the suction cavity of the engine cylinder, since when a two-stage piston moves in a two-stage cylinder, an artificial vacuum is created, and the presence and location of the inlet and bypass windows in the working and suction cavities allows you to effectively carry out the process of natural intake of air.

Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит ступенчатый цилиндр, в котором установлен с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра ступенчатый поршень с компрессионными кольцами, делящий цилиндр на две полости. Одна из которых кольцевая боковая, в стенках которой выполнены впускные окна, является рабочей. Вторая - надпоршневая полость выполнена с выхлопным каналом. Ступенчатый поршень в верхней части снабжен компрессионным кольцом. Надпоршневая полость выполнена как всасывающая и снабжена перепускными окнами, выполненными как боковые проточки в компрессионном кольце ступенчатого поршня. При этом выхлопной канал, связывающий всасывающую полость с атмосферой, снабжен обратным клапаном. Впускные окна рабочей полости расположены под углом 45° к цилиндрической стенке рабочей полости в плоскости поперечного сечения. Кроме того, объемы всасывающей и рабочей полостей соотносятся между собой как (3-4):1.The above technical result is achieved due to the fact that the two-stroke internal combustion engine comprises a step cylinder, in which a step piston with compression rings is mounted to move along the cylinder axis, dividing the cylinder into two cavities. One of which is an annular lateral, in the walls of which inlet windows are made, is working. The second - the supra-piston cavity is made with an exhaust channel. The stepped piston in the upper part is equipped with a compression ring. The supra-piston cavity is designed as a suction and is equipped with bypass windows made as side grooves in the compression ring of the stepped piston. In this case, the exhaust channel connecting the suction cavity with the atmosphere is equipped with a check valve. The inlet windows of the working cavity are located at an angle of 45 ° to the cylindrical wall of the working cavity in the plane of the cross section. In addition, the volumes of the suction and working cavities are correlated as (3-4): 1.

Фиг. 1 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания - чертеж - схема (разрез по вертикальной оси - поршень в нижней мертвой точке).FIG. 1 - two-stroke internal combustion engine - drawing - diagram (section along the vertical axis - piston at bottom dead center).

Фиг. 2 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания - чертеж - схема (разрез по вертикальной оси - поршень в верхней мертвой точке).FIG. 2 - two-stroke internal combustion engine - drawing - diagram (section along the vertical axis - piston at top dead center).

Фиг 3 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания - чертеж - схема компрессионного кольца с проточками - вид сверху.Fig 3 - two-stroke internal combustion engine - drawing - diagram of a compression ring with grooves - top view.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания согласно фиг. 1 и 2 содержит ступенчатый поршень 1, установленный с возможностью перемещения вдоль оси ступенчатого цилиндра 2. Надпоршневая полость 3 совместно с перепускным каналами 4, выполненными в виде проточек в компрессионном кольце 5, и выхлопным каналом 6 с обратным клапаном 7 выполняет функцию всасывающей полости и поршневого детандера (охладителя). Боковая кольцевая цилиндрическая полость с впускными каналами 8 образует рабочую полость 9. Объем всасывающей полости 3 в 3-4 раза больше объема рабочей полости 9. Камера сгорания 10 имеет кольцевую форму и обеспечивает степень сжатия Е=64-80. Топливная форсунка 11 снабжена распыливающим отверстием, направленным по касательной к кольцу, образующему камеру сгорания 10 в сторону направления воздушного вихря, циркулирующего в камере сгорания 10. Компрессионное кольцо 5 выполняется в соответствии с патентом №246500. Система охлаждения поршня 1 маслом из специальной форсунки одновременно служит для смазки кольца 5 через каналы 12. Впускные окна 8 выполняются под углом 45° к цилиндрической стенке рабочей полости в плоскости поперечного сечения. Охлаждение двигателя осуществляется обдувом вентилятором, маслом системы смазки и всасывающим цилиндром 3, выполняющим роль поршневого детандера (охладителя).The two-stroke internal combustion engine of FIG. 1 and 2 contains a stepped piston 1, mounted for movement along the axis of the stepped cylinder 2. The nadporshne cavity 3 together with the bypass channels 4, made in the form of grooves in the compression ring 5, and the exhaust channel 6 with a check valve 7 performs the function of a suction cavity and a piston expander (cooler). A lateral annular cylindrical cavity with inlet channels 8 forms a working cavity 9. The volume of the suction cavity 3 is 3-4 times greater than the volume of the working cavity 9. The combustion chamber 10 has an annular shape and provides a compression ratio of E = 64-80. The fuel nozzle 11 is equipped with a spray hole directed tangentially to the ring forming the combustion chamber 10 in the direction of the air vortex circulating in the combustion chamber 10. The compression ring 5 is made in accordance with patent No. 246500. The cooling system of the piston 1 with oil from a special nozzle simultaneously serves to lubricate the ring 5 through the channels 12. The inlet windows 8 are made at an angle of 45 ° to the cylindrical wall of the working cavity in the plane of the cross section. The engine is cooled by blowing with a fan, lubrication system oil and a suction cylinder 3, which acts as a piston expander (cooler).

Двигатель работает следующим образом: поршень 1 движется к нижней мертвой точке (фиг. 1): в рабочей камере 9 происходит адиабатное (без притока тепла) расширение горячих газов и за счет этого снижение температуры. В надпоршневой всасывающей камере 3 создается вакуум (обратный клапан 7 закрыт), температура в камере 3 понижается пропорционально степени разрежения. Нижняя мертвая точка (фиг. 1): в рабочей камере 9 давление и температура падают, в отсасывающей камере 3 - вакуум достаточно высокой степени. В рабочую камеру 9 через окна 8 поступает свежий воздух, отработавшие газы из рабочей камеры 9 через открытые перепускные каналы 4 перетекают во всасывающую полость 3.The engine operates as follows: piston 1 moves to bottom dead center (Fig. 1): adiabatic (without heat influx) expansion of hot gases occurs in the working chamber 9 and, as a result, the temperature decreases. A vacuum is created in the over-piston suction chamber 3 (the check valve 7 is closed), the temperature in the chamber 3 decreases in proportion to the degree of rarefaction. Lower dead point (Fig. 1): in the working chamber 9 the pressure and temperature drop, in the suction chamber 3 - a sufficiently high vacuum. Fresh air enters the working chamber 9 through the windows 8, the exhaust gases from the working chamber 9 through the open bypass channels 4 flow into the suction cavity 3.

Поршень 1 движется к верхней мертвой точке: (фиг. 2) в рабочей камере 9 сжимается воздух, поднимается температура. В связи с тем что впускные окна 8 выполнены под углом 45°, сжимаемый воздух приобретает вращательное движение, ускоряющееся по мере сжатия, отсасывающая полость 3 через открытый обратный клапан 7 освобождается от выхлопных газов, температура которых менее 100°С, в то время как у обычных двигателей достигает 600°С.The piston 1 moves to the top dead center: (Fig. 2) in the working chamber 9 the air is compressed, the temperature rises. Due to the fact that the inlet windows 8 are made at an angle of 45 °, the compressed air acquires a rotational movement, accelerating as it compresses, and the suction cavity 3 is freed from the exhaust gases through an open check valve 7, the temperature of which is less than 100 ° C, while conventional engines reaches 600 ° C.

Верхняя мертвая точка (фиг. 2). Форсункой 11 впрыскивается топливо, которое подхватывается вихревым потоком воздуха, сгорание происходит в объеме всей кольцевой камеры сгорания в течение короткого времени (0,001 сек). Температура сгорания превышает температуру плавления стенок камеры сгорания, выполненных из жаропрочного материала, аналогичного тому, из которого выполняются выхлопные клапаны дизельных двигателей, стенки камеры сгорания при этом не успевают перегреваться, а при каждом последующем просасывании трех-четырех объемов воздуха даже охлаждаются, этому способствует и то, что всасывающая камера 3 выполняет роль поршневого детандера (охладителя).Top dead center (Fig. 2). The nozzle 11 injects fuel, which is picked up by a vortex air flow, combustion occurs in the volume of the entire annular combustion chamber for a short time (0.001 sec). The combustion temperature exceeds the melting temperature of the walls of the combustion chamber, made of heat-resistant material, similar to that from which the exhaust valves of diesel engines are made, the walls of the combustion chamber do not have time to overheat, and even cool down with each subsequent suction of three to four volumes, this contributes to that the suction chamber 3 acts as a piston expander (cooler).

Предложенная конструкция двухтактного двигателя позволяет с помощью ее модернизировать любой четырехтактный дизельный двигатель, что позволяет уменьшить в два раза удельный расход топлива за счет увеличения степени сжатия при сохранении всех остальных параметров, в том числе нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, мощности и ресурса.The proposed design of a two-stroke engine allows using it to upgrade any four-stroke diesel engine, which allows to halve the specific fuel consumption by increasing the compression ratio while maintaining all other parameters, including the load on the crank mechanism, power and resource.

Предложенное в качестве изобретения техническое решение позволяет добиться повышения КПД двигателя путем увеличения степени сжатия в камере сгорания за счет естественного поступления воздуха во всасывающую полость цилиндра двигателя, так как при движении двухступенчатого поршня в двухступенчатом цилиндре создается искусственное разрежение.The technical solution proposed as an invention makes it possible to increase the efficiency of the engine by increasing the compression ratio in the combustion chamber due to the natural intake of air into the suction cavity of the engine cylinder, since when a two-stage piston moves in a two-stage cylinder, an artificial vacuum is created.

Claims

A two-stroke internal combustion engine containing a stepped cylinder, in which a stepped piston with compression rings is mounted to move along the cylinder axis, dividing the cylinder into two cavities, one of which is an annular lateral, in the walls of which inlet windows are made, and the second is an over-piston the cavity is made with an exhaust channel, characterized in that the step piston in the upper part is equipped with a compression ring, and the supra-piston cavity is made as a suction and provided with an overflow windows made as side grooves in the compression ring of the stepped piston, while the exhaust channel connecting the suction cavity to the atmosphere is equipped with a check valve, and the inlet windows of the working cavity are located at an angle of 45 ° to the cylindrical wall of the working cavity in the plane of the cross section, in addition , the volumes of the suction and working cavities are correlated as (3-4): 1.