RU2027877C1

RU2027877C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2027877C1
Application number: SU925064967A
Authority: RU
Inventors: Владимир Борисович Хохлов
Original assignee: Владимир Борисович Хохлов
Priority date: 1992-07-02
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: motor-car engines, tractor engines, motorcycle engines, marine engines and other industrial internal combustion engines, mainly two-stroke engines with valve-slot and crankcase scavenging system. SUBSTANCE: in first version of two-stroke engine, piston is provided with guide support of automatic intake valve with stiffeners which form intake slits together with piston walls which perform the function of diffuser. Flow of precompressed charge is directed through slots along cylinder walls past exhaust ports; automatic operation of intake valve makes it possible to perform additional filling of cylinder with charge after shutting-off of exhaust ports. Intake plate valve made of heat-resistant material protects piston against thermal action of burning mixture including jets of fuel being injected without impairing its strength characteristics and tightness. Second version of two-stroke engine: engine is provided with joined piston in whose head combustion chambers with neck and narrowing passages are located; automatic intake valve is of mushroom form and is located in combustion chamber for shutting off its neck; seat of intake valve and piston head are made of heat-resistant materials, mainly ceramic materials. Third version of engine: piston head is provided with narrowing helical passages connecting the combustion chamber in piston head with above-piston space of the cylinder; gas exhaust member is made in form of intake valve arranged in cylinder head and connected with valve gear. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для нагнетания и продувки двигателей внутреннего сгорания, его механизмам газораспределения и может быть использовано в автомобильных, тракторных, мотоциклетных, судовых и других промышленных двигателях внутреннего сгорания преиму- щественно в двухтактных с клапанно-щелевой и кривошипно-камерной продувкой. The invention relates to devices for pumping and purging internal combustion engines, its gas distribution mechanisms and can be used in automotive, tractor, motorcycle, marine and other industrial internal combustion engines, mainly in two-stroke ones with valve-slot and crank-chamber purging.

Известны двигатели внутреннего сгорания с кривошипно-камерной продувкой, в которых для продувки используются впускные и выпускные окна, а также двигатели, содержащие автоматические впускные пластинчатые и тарельчатые клапаны в головке поршня вместо впускных окон. Подача заряда через поршень повышает степень предварительного сжатия заряда благодаря отсутствию обводных каналов, а также позволяет полностью использовать потенциальную энергию предварительно сжатой порции заряда за счет автоматического закрытия впускного клапана в поршне [1]. Known internal combustion engines with a crank chamber purge, in which inlet and outlet windows are used for purging, as well as engines containing automatic inlet plate and poppet valves in the piston head instead of inlet windows. The supply of charge through the piston increases the degree of pre-compression of the charge due to the absence of bypass channels, and also allows you to fully use the potential energy of the pre-compressed portion of the charge due to the automatic closing of the intake valve in the piston [1].

Цель - улучшение газообмена в цилиндре и его наполнения зарядом, повышение мощностных и топливно-экономических качеств двигателя. The goal is to improve gas exchange in the cylinder and its filling with a charge, increasing the power and fuel and economic qualities of the engine.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания (первый вариант) имеет в поршне опору клапана, снабженную ребрами жесткости, которые образуют впускные щели в виде диффузора для направления потока воздушной или горючей смеси. Расположение и количество ребер выбираются в зависимости от количества выпускных окон в цилиндре, но не менее двух, таким образом, чтобы поток воздушной или горючей смеси проходил мимо выпускных окон. The proposed internal combustion engine (first option) has a valve support in the piston equipped with stiffeners, which form inlet slots in the form of a diffuser to direct the flow of air or combustible mixture. The location and number of ribs are selected depending on the number of exhaust windows in the cylinder, but not less than two, so that the flow of air or combustible mixture passes past the exhaust windows.

На фиг. 1 приведена схема рабочих органов двухтактного двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-камерной петлевой продувкой (первый вариант); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания с камерой сгорания в поршне и петлевой продувкой, второй вариант; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 6 - двигатель внутреннего сгорания, как двухтактный, так и четырехтактный, с камерой сгорания в поршне и прямоточной продувкой, третий вариант; на фиг. 7 - разрез Г-Г на фиг. 6. In FIG. 1 shows a diagram of the working bodies of a two-stroke internal combustion engine with a crank-chamber loop purge (first option); in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 - two-stroke internal combustion engine with a combustion chamber in the piston and loop blowing, the second option; in FIG. 4 is a section BB in FIG. 3; in FIG. 5 is a section BB of FIG. 4; in FIG. 6 - an internal combustion engine, both push-pull and four-stroke, with a combustion chamber in the piston and direct-flow blowing, the third option; in FIG. 7 is a section GG in FIG. 6.

Двигатель (первый вариант) содержит картер с кривошипной камерой 1, цилиндр 2, поршень 3, автоматический впускной клапан 4, свечу 5 зажигания и/или топливную форсунку для дизелей и двигателей с непосредственным впрыском топлива, выпускные окна-щели 6, всасывающий клапан 7 в кривошипную камеру, коленчатый вал и шатун 8, стопорное кольцо 9 и элементы поршня: впускные щели 10, выполняющие роль диффузора, ребра 11 жесткости с направляющей опорой 12 для клапана. The engine (first option) contains a crankcase with a crank chamber 1, cylinder 2, piston 3, an automatic intake valve 4, a spark plug 5 and / or a fuel injector for diesel engines and engines with direct fuel injection, outlet slots 6, a suction valve 7 in crank chamber, crankshaft and connecting rod 8, circlip 9 and piston elements: inlet slots 10 acting as a diffuser, stiffeners 11 with stiffness guide 12 for the valve.

Во втором варианте двигателя внутреннего сгорания поршень выполнен составным. Грибовидный впускной клапан 4, его седло 13 и головка поршня 14 образуют камеру 15 сгорания в поршне. В головке поршня имеются впускные сужающиеся каналы 16 и горловина камеры 17 сгорания, которая ограничивает величину хода клапана. Крепление головки поршня обеспечивается винтами 18. Для регулирования степени сжатия, учитывающей качество топлива (октановое число бензина), используются резьбовая втулка 19 и ее контргайка 20, которые вворачиваются в головку цилиндра 21. Для более значительного изменения степени сжатия, требуемого при переводе бензинового двигателя в дизель, можно использовать проставку над цилиндром. In the second embodiment of the internal combustion engine, the piston is integral. The mushroom-shaped intake valve 4, its seat 13 and piston head 14 form a combustion chamber 15 in the piston. In the piston head there are inlet narrowing channels 16 and the neck of the combustion chamber 17, which limits the valve stroke. The piston head is secured by screws 18. To adjust the compression ratio, which takes into account the quality of the fuel (gas octane), a threaded sleeve 19 and its locknut 20 are used, which are screwed into the cylinder head 21. For a more significant change in the compression ratio required when moving the gasoline engine into diesel, you can use a spacer over the cylinder.

Третий вариант двигателя внутреннего сгорания для обеспечения прямоточности продувки содержит выпускной клапан 22 в головке цилиндра 21 вместо выпускных окон в цилиндре. Для возможности создания вихревых потоков заряда и сгорающих газов каналы 16 в головке поршня выполнены винтовыми по сужающимся поперечным сечениям. A third embodiment of an internal combustion engine for providing a straight-through purge comprises an exhaust valve 22 in the cylinder head 21 instead of exhaust windows in the cylinder. For the possibility of creating vortex flows of charge and combusting gases, the channels 16 in the piston head are made helical along tapering cross sections.

Полный цикл работы первого варианта двигателя осуществляется за два такта - хода поршня. Нагнетание воздушного или горючего заряда в цилиндр 2 осуществляется через кривошипную камеру 1 за счет создающегося давления в кривошипной камере от движущегося сверху вниз поршня 3. Направление потоков заряда и отработавших газов условно показано на фиг. 1 стрелками. При движении поршня 3 из нижней мертвой точки (НМТ) вверх после перекрытия выпускных окон-щелей 6 происходит досжатие воздуха или горючей смеси, находящихся в цилиндре 2, при этом одновременно происходит и впуск свежей порции заряда в кривошипную камеру, так как обратный клапан 7 впуска заряда в кривошипную камеру автоматически открывается. При подходе поршня 3 к его верхней мертвой точке (ВМТ) с некоторым опережением осуществляется впрыск топлива из форсунки 5 для дизелей или подается искра на свечу 5 зажигания горючей смеси для двигателей с искровым зажиганием. Для двигателей с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива момент впрыска топлива начинается сразу же после перекрытия выпускных окон, а подача искры на свечу зажигания осуществляется перед ВМТ. За счет давления расширяющихся газов сгоревшего топлива осуществляется рабочий ход поршня вниз. В начале рабочего хода поршня обратный клапан 7 впуска заряда в кривошипную камеру автоматически закрывается при уравнивании давлений во впускной системе и кривошипной камере, и очередная порция свежего заряда будет сжиматься. В конце рабочего хода при открытии кромки выпускных окон-щелей 6 отработавшие газы из цилиндра устремляются в выпускной тракт. При снижении давления газов в цилиндре ниже величины давления воздуха или горючей смеси в кривошипной камере впускной клапан 4 в поршне 3 автоматически открывается. При дальнейшем движении поршня вниз до НМТ происходит одновременный выпуск отработавших газов и впуск свежей порции заряда в цилиндр. Таким образом осуществляется петлевая продувка цилиндра. При перекрытии выпускных окон происходит некоторое дозаполнение цилиндра свежим зарядом за счет давления предварительного сжатия заряда в кривошипной камере. При уравнивании давлений в цилиндре и кривошипной камере клапан 4 в поршне 3 автоматически закрывается под действием обратного потока заряда и веса самого клапана. Далее цикл работы двигателя повторяется. The full cycle of the first engine is carried out in two cycles - the piston stroke. The air or fuel charge is injected into the cylinder 2 through the crank chamber 1 due to the created pressure in the crank chamber from the piston 3 moving from top to bottom. The direction of charge and exhaust gas flows is conventionally shown in FIG. 1 arrows. When the piston 3 moves from the bottom dead center (BDC) upward after the outlet slots 6 are closed, air or combustible mixture located in the cylinder 2 is compressed, and a fresh portion of the charge is simultaneously introduced into the crank chamber, since the inlet check valve 7 The charge in the crank chamber automatically opens. When the piston 3 approaches its top dead center (TDC), with some advance, fuel is injected from the nozzle 5 for diesel engines or a spark is supplied to the spark plug 5 of the combustible mixture for engines with spark ignition. For engines with spark ignition and direct fuel injection, the moment of fuel injection begins immediately after the exhaust windows are closed, and the spark is supplied to the spark plug before the TDC. Due to the pressure of the expanding gases of the burned fuel, the piston travels downward. At the beginning of the piston stroke, the check valve 7 of the charge inlet to the crank chamber automatically closes when equalizing the pressures in the intake system and the crank chamber, and the next portion of the fresh charge will be compressed. At the end of the stroke when opening the edges of the exhaust windows-slots 6, the exhaust gases from the cylinder rush into the exhaust tract. When the gas pressure in the cylinder decreases below the air pressure or the combustible mixture in the crank chamber, the inlet valve 4 in the piston 3 automatically opens. With further movement of the piston down to the BDC, the exhaust gases are simultaneously released and a fresh portion of the charge is introduced into the cylinder. Thus, a loop purge of the cylinder is carried out. When the outlet windows are blocked, some replenishment of the cylinder with a fresh charge occurs due to the pressure of preliminary compression of the charge in the crank chamber. When equalizing the pressure in the cylinder and the crank chamber, the valve 4 in the piston 3 automatically closes under the action of the reverse charge flow and the weight of the valve itself. Next, the engine cycle is repeated.

Полный цикл работы второго варианта двигателя идентичен первому варианту. Только при осуществлении впуска впускной клапан 4 верхней частью грибовидной формы перекрывает горловину камеры и предварительно сжатый заряд из кривошипной камеры сначала поступает в камеру сгорания в поршне, затем по сужающимся каналам 16 подается в цилиндр вдоль его стенок, минуя выпускные окна-щели 6. После осуществления петлевой продувки цилиндра при движении поршня из НМТ вверх клапан под действием сжимающегося заряда, обратного потока и собственного веса возвращается в седло. Для двигателей с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива в начальный момент сжатия из форсунки подается порция топлива (бензина или газа) с направленной струей на грибовидную часть клапана в горловину камеры сгорания. Вследствие повышенной температуры клапана, седла и головки поршня по сравнению с поступающим воздушным зарядом происходят интенсивное испарение капель топлива и его перемешивание с воздушным зарядом. Подача искры с некоторым опережением перед подходом поршня к ВМТ будет произведена с уже перемешанным топливно-воздушным зарядом, и процесс сгорания будет происходить в основном в камере сгорания, расположенной внутри поршня. Во время рабочего хода за счет интенсивно выбрасываемых потоков горящих газов из горловины 17 и каналов 16 происходит догорание газов в самом цилиндре. При этом полезно используется не только давление расширяющихся газов на поршень, но и реактивное действие выбрасываемых потоков газа из горловины и каналов поршня. The full cycle of the second engine is identical to the first. Only when the inlet is inlet does the inlet valve 4 overlap the neck of the chamber with the upper part of the mushroom shape and the pre-compressed charge from the crank chamber first enters the combustion chamber in the piston, then is supplied through the narrowing channels 16 to the cylinder along its walls, bypassing the outlet slots 6. After loop purge of the cylinder when the piston moves from the BDC up the valve under the action of a compressing charge, reverse flow and dead weight returns to the saddle. For engines with spark ignition and direct fuel injection, at the initial moment of compression, a portion of fuel (gasoline or gas) is supplied from the nozzle with a directed stream to the mushroom-shaped part of the valve into the neck of the combustion chamber. Due to the elevated temperature of the valve, seat and piston head compared to the incoming air charge, intense evaporation of fuel droplets and its mixing with the air charge occur. The spark will be supplied with a certain lead before the piston approaches TDC and the fuel-air charge will already be mixed, and the combustion process will take place mainly in the combustion chamber located inside the piston. During the working stroke, due to the intensively ejected flows of burning gases from the neck 17 and channels 16, the combustion of gases occurs in the cylinder itself. In this case, it is useful to use not only the pressure of expanding gases on the piston, but also the reactive effect of the ejected gas flows from the neck and piston channels.

Для дизельных двигателей впрыск топлива производится в конце такта сжатия с некоторым опережением подхода поршня к ВМТ. При подаче распыленного топлива в горловину камеры сгорания происходит его самовоспламенение и аналогичное сгорание. В случае струйного распыла, капельки топлива попадают на детали, образующие камеру сгорания и имеющие повышенную температуру по сравнению со сжатым воздушным зарядом, что способствует их воспламенению, более полному сгоранию топлива, исключая оплавление деталей. For diesel engines, fuel is injected at the end of the compression stroke with some advance of the piston's approach to TDC. When sprayed fuel is fed into the neck of the combustion chamber, it spontaneously ignites and similarly burns. In the case of jet spraying, droplets of fuel fall on the parts that form the combustion chamber and have a higher temperature compared to a compressed air charge, which contributes to their ignition, more complete combustion of the fuel, excluding the fusion of parts.

Полный цикл работы третьего варианта двигателя идентичен второму варианту работы двигателя. Но ввиду наличия винтовых каналов в головке поршня и выпускного управляемого клапана в головке цилиндра, при открытии выпускного клапана подача предварительно сжатого заряда из кривошипной камеры в цилиндр осуществляется вихревым потоком, послойно вытесняя в цилиндре отработавшие газы и способствуя их догоранию. После закрытия выпускного клапана в головке цилиндра и впускного клапана в поршне в процессе досжатия заряда вихрь в цилиндре по инерции останется. Поэтому при впрыске топлива, как для двигателей с искровым зажиганием, так и для дизелей, процессы перемешивания топлива с воздухом и его горение будут более интенсивными по сравнению с двигателями, не имеющими вихревого движения заряда. Двигатели внутреннего сгорания третьего варианта могут работать как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу. The full cycle of the third engine is identical to the second engine. But due to the presence of screw channels in the piston head and the outlet controlled valve in the cylinder head, when the exhaust valve is opened, the pre-compressed charge is supplied from the crank chamber to the cylinder by a vortex flow, displacing exhaust gases in the cylinder in layers and contributing to their burning out. After closing the exhaust valve in the cylinder head and the intake valve in the piston during the compression of the charge, the vortex in the cylinder by inertia will remain. Therefore, when injecting fuel, both for spark ignition engines and for diesel engines, the processes of mixing fuel with air and its combustion will be more intense compared to engines that do not have a vortex charge motion. Internal combustion engines of the third option can operate both in a push-pull and a four-stroke cycle.

Claims

1. INTERNAL COMBUSTION ENGINE, comprising a crankcase with a crank chamber, a cylinder with a piston placed therein, a combustion chamber, a fuel nozzle and / or spark plug, inlet slots made in the piston, an automatic inlet poppet valve located in the piston along the guide support with the possibility overlapping inlet slots, outlet windows-slots made in the lower part of the cylinder, and a check valve for intake of a portion of charge into the crank chamber, characterized in that the valve guide support is provided with stiffeners, inlet e slit formed in the latter and formed as a diffuser.

2. An internal combustion engine comprising a crankcase with a crank chamber, a cylinder with a piston placed therein, a combustion chamber, a fuel nozzle and / or spark plug, intake slots made in the piston, an automatic intake valve located in the piston along the guide support with the possibility of overlapping inlet slots, exhaust window-slots made in the lower part of the cylinder, and a check valve to charge a portion of the charge into the crank chamber, characterized in that the piston is integral, a combustion chamber is placed in the piston head with a channel and tapering channels, an automatic inlet valve is made mushroom-shaped and located in the combustion chamber with the possibility of overlapping its neck, and the inlet valve seat and piston head are made of heat-resistant, mainly ceramic, materials.

3. An internal combustion engine comprising a crankcase with a crank chamber, a cylinder with a piston placed therein, a combustion chamber, a fuel nozzle and / or spark plug, intake slots made in the piston, an automatic intake valve located in the piston with the possibility of blocking the intake slots, an exhaust member and a check valve for intake of a portion of charge into the crank chamber, characterized in that the piston head has narrowing screw channels connecting the combustion chamber in the piston head with the piston space of the cylinder, and the exhaust gas body is made in the form of an exhaust valve located in the cylinder head and connected to the gas distribution mechanism.