Двотактний двигун внутрішнього згоряння

Изобретение относится к двигателестроению, более подробно оно касается конструкции двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбиной: работающей на его выхлопных газах, Оно может быть использовано преимущественно в легкомоторной авиации и автомобилестроении. Ближайшим по техническому существу к предлагаемому является двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, размещённый в нем рабочий цилиндр с продувочными и выхлопными каналами. В цилиндре расположены продувочный и выхлопной поршни, кинематически связанные с механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала и средство надува, включающее компрессор подкачки, газовую турбину и компрессор надува [1]. Недостатком известного двигателя является повышенные тепловые потери через стенку цилиндра. Это явление вызвано тем, что в подобном двигателе цилиндр неподвижен, при сжигании топливовоздушной смеси (ТВС) конвекция газов внутри цилиндра незначительна и газы, имеющие максимальную температуру, контактируют со стенкой цилиндра. Кроме того, такой двигатель не позволяет эффективно использовать энергию выхлопных газов из-за многократного преобразования их энергии (для привода компрессора подкачки, привода газовой турбины и компрессора надува). Это снижает коэффициент полезного действия двигателя (КПД). В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать двухтактный двигатель внутреннего сгорания и путем изменения конструкции снизить тепловые потери через стенки цилиндра, а также повысить КПД двигателя. Поставленная задача достигается тем, что в известном двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем размещенный в корпусе рабочий цилиндр с выхлопными и продувочными каналами, расположенные в нем оппозитно продувочный и выхлопной поршни, кинематически связанные с механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала, и средство наддува. Согласно изобретению рабочий цилиндр установлен в корпусе с возможностью вращения относительно своей оси и кинематически сочленен с механизмами преобразования возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение вала, а на рабочем цилиндре установлена газовая турбина, связанная с выхлопными каналами цилиндра. Одним из вариантов выполнения изобретения является такой, когда рабочий цилиндр установлен на выходном валу соосно ему. Другим вариантом выполнения изобретения является такой, когда рабочий цилиндр связан с выходным валом посредством шестеренчатой передачи. Сущность изобретения иллюстрируется прилагаемыми к описанию изобретения чертежами, на которых представлено: фиг.1 - принципиальная схема двигателя в варианте, когда рабочей цилиндр установлен на выходном валу соосно ему; на фиг.2 - то же, в варианте, когда рабочий цилиндр связан с выходным валом посредством шестеренчатой передачи. Предложенный двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) содержит рабочий цилиндр 1, в котором размещены оппозитно выхлопной 2 и продувочный 3 поршни, образующие камеру сгорания 4. Камера сгорания 4 выхлопными каналами 5 сообщается с газовой турбиной 6, установленной на рабочем цилиндре 1, а продувочными каналами 7 - с продувочной камерой 8, которая в свою очередь через перепускной дисковый клапан 9 и каналы 10 во фланце 11 сообщается со средством наддува, выполненным в виде вспомогательного цилиндра, в котором имеется компрессорная камера 12. Компрессорная камера 12 в свою очередь сообщается с впускной полостью 13 через каналы 14 и дисковый клапан 15. Упомянутый продувочный поршень 3 соединен посредством штоков 16 с дисковым поршнем 17 и механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала, выполненным в виде диска 18, который, входит в кольцевые наклонные канавки 19, на роликах20. Ролики 20 на осях 21 равномерно размещены по окружности (не менее 3-х) в подшипниках 22 и 23 и жестко связаны с шестернями 24, входящими в зацепление с колесом 25, установленным на валу 26 неподвижно относительно его. Размещенный на валу фланец 11 сочленен с рабочим цилиндром 1. Аналогично устроен механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение выхлопного поршня 2, который посредством штоков 27 соединен с диском 28, который входит в кольцевые наклонные канавки 29 на роликах 30. Ролики 30 на осях 31 размещены равномерно по окружности в подшипниках 32 и 39 и жестко связаны с шестернями 34, входящими в зацепление с колесом 35 (фиг.1), установленным на выходном валу 36 неподвижно относительно его. Фланец 37 вала 36 закреплен в торце рабочего цилиндра 1. Таким образом, рабочий цилиндр 1 посредством вала 26 и выходного вала 36 установлен в подшипниках 38 и 39 в корпусе двигателя 40. На фиг.1 представлен вариант изобретения, где рабочий цилиндр 1 установлен на выходном валу 36 и валу 26; на фиг.2 - вариант изобретения, где рабочий цилиндр кинематически связан с выходным валом посредством шестеренчатой передачи 41. Атмосферный воздух из камеры всасывания 13 по каналам 14 через дисковый клапан 15 попадает в компрессорную камеру 12 средства наддува при движении поршня 17, жестко связанного штоками 16 с поршнем 3 к нижней мертвой точке (НМТ).После прохождения поршнем 17 НМТ в компрессорной камере 12 происходит сжатие воздуха. При этом избыточным давлением перекрывается клапан 9. Воздух по каналам 10 поступает в продувочную камеру 8. По приходу поршней 17 и 3 к верхней мертвой точке (ВМТ) давление в компрессорной камере 12 и продувочной камере 8 выравнивается. Пройдя ВМТ, продувочный поршень 3 сжимает воздух в продувочной камере 8, при этом клапан 9 под избыточным давлением перекрывает перепускные каналы 10. При движении продувочного поршня 3 к НМТ происходит сжатие воздуха в продувочной камере 8, при дальнейшем движении открываются продувочные каналы 7 и сжатый воздух из продувочной камеры 8 продувает рабочий цилиндр 1. К моменту прихода воздуха к выхлопным каналам 5 выхлопной поршень 2 перекрывает их. В этот момент осуществляется дозарядка рабочего цилиндра 1 воздухом, которая заканчивается в момент перекрытия продувочным поршнем 3 продувочных каналов 7 после чего происходит процесс сжатия воздуха в рабочем цилиндре 1 поршнями 2 и 3. Не доходя до ВМТ 30-50 град, происходит впрыск топлива в камеру сгорания 4. В этот момент давление и температура воздуха значительно превышает температуру самовоспламенения ТВС, образовавшейся в момент впрыска. В результате происходит воспламенение ТВС с повышением температуры и давления цикла. Пройдя ВМТ, поршни 2 и 3 передают посредством штоков 16 и 27 давление сгоревших газов на диски 18 и 28, которые входят в кольцевые наклонные канавки 19 и 29. В этих канавках осевое усилие от поршней раскладывается на радиальную и тангенциальную составляющую. Радиальная составляющая и осевое усилие от поршневой воспринимается подшипниками 22, 23, 32 и 33, а тангенциальная составляющая приводит во вращение ролики 20 и 30. Ролики 20 в свою очередь передают крутящий момент через шестерни 24 на зубчатое колесо 25, связанное с валом 26, который через рабочий цилиндр 1 передает крутящий момент выходному валу 36. Одновременно ролики 30 через шестерни 34 передают крутящий момент зубчатому колесу 35. установленному на валу 36 неподвижно относительно его. Таким образом, давление выхлопных газов преобразуется во вращение выходного вала 36 и рабочего цилиндра 1. В момент открытия выхлопных окон 5 продукты сгорания устремляются на лопатки газовой турбины 6 установленной на рабочем цилиндре 1. При этом выхлопными газами совершается дополнительная работа непосредственно на валу 36. Одновременно улучшается очистка цилиндра 1 от продуктов сгорания благодаря центробежному ускорению газов в турбине. Передача крутящего момента от роликов 20 к выходному валу 36 осуществляется посредством вала 26 непосредственно через цилиндр 1 (фиг.1). Кроме того, передача крутящего момента от роликов 20 выходному валу 36 может осуществляться также посредством дополнительной шестеренчатой передачи 41 (фиг.2). Предложенный двигатель в сравнении с известными обладает следующими преимуществами: тепловые потери через стенку уменьшаются, поскольку вращающийся цилиндр с помощью продувочных каналов раскручивает воздух, который, смешиваясь с топливом в камере сгорания образует топливно-воздушную смесь, которая продолжает вращаться вместе с цилиндром и сгорает. Центробежная сила, возникающая. в цилиндре, обуславливает конвекцию газов, при этом газы, имеющие меньшую температур у и большую плотность, прижимаются к стенкам, вытесняя более горячие газы к центру цилиндра. Наличие газовой турбины, размещенной на вращающемся цилиндре непосредственно против выхлопных окон, позволяет использовать более высокую энергию выхлопных газов для создания крутящего момента на выхлопном валу. Наличие газовой турбины в предложенной конструкции двигателя позволяет улучшить очистку цилиндра от выхлопа без дополнительного устройства благодаря центробежной силе, действующей в турбине на выхлопные газы. В результате применения без шатунного преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение выходного вала поршни разгрузились от боковой составляющей нагрузки, при этом уменьшилось трение в цилиндре. Кроме того, предложенная компоновка двигателя позволяет уменьшить ее габариты и снизить массу.