RU2027879C1

RU2027879C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2027879C1
Authority: RU
Inventors: О.А. Борисов
Original assignee: Акционерное общество "Новатор"
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1992-06-16
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: internal combustion engines. SUBSTANCE: internal combustion engine has at least one supercharger cylinder 1 and one working cylinder 15 located in engine unit. Pistons 2 and 16 mounted in cylinders form above-piston chambers. Pistons 2 and 16 are kinematically linked with crank mechanism. Cylinder head is provided with bypass passage 13 which brings in communication above-piston chambers of supercharger cylinder 1 and working cylinder 15. Spring-loaded bypass valve 14 is mounted in head for regular shutting-off of bypass passage 13. Spark plug is fitted in working cylinder 15 opposite bypass valve 13. Crank 17 linked with piston 16 of working cylinder 15 is shifted relative to crank linked with piston 2 of supercharger cylinder 1 towards advance in way of rotation of crankshaft 18 forming displacement angle of 5 to 45 deg between cranks. Cylinder block is provided with additional circulating cooling liquid chamber; between chambers 19 and 20 of circulating cooling liquid of supercharger cylinder 1 and working cylinder 15 there is heat-insulating partition 21. EFFECT: enhanced reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. The invention relates to engine building, and in particular to internal combustion engines.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр первой ступени сжатия с поршнем, цилиндр второй ступени сжатия с поршнем, сообщенный с цилиндром первой ступени через промежуточный холодильник топливовоздушной смеси и снабженный поршнем с механическим приводом от коленчатого вала и камерой сгорания, а также подключенный к цилиндру второй ступени цилиндр расширения с поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом через шатун, причем цилиндр расширения выполнен с рабочим объемом, превышающим рабочие объемы цилиндров сжатия, на коленчатом валу установлена кулачковая шайба, а привод поршня цилиндра второй ступени выполнен в виде качающейся балки с роликом, контактирующим с кулачковой шайбой [1]. A known internal combustion engine comprising a cylinder of a first compression stage with a piston, a cylinder of a second compression stage with a piston communicated with a cylinder of the first stage through an intermediate air-fuel mixture cooler and equipped with a piston with a mechanical drive from the crankshaft and a combustion chamber, as well as connected to the cylinder of the second stage an expansion cylinder with a piston kinematically connected to the crankshaft via a connecting rod, the expansion cylinder being made with a working volume exceeding the working volumes of the cylinders with Atia, mounted on a crankshaft cam ring and the actuator piston cylinder of the second stage is designed as a rocking beam with a roller contacting with a cam disc [1].

Известная конструкция позволяет снизить расход топлива и токсичность отработавших газов путем сжигания топлива при постоянном объеме, однако серьезным недостатком является сложность конструкции известного двигателя, причем неподвижное положение поршня цилиндра расширения в течение значительного отрезка времени приводит к ступенчатым динамическим нагрузкам на детали двигателя, вызывающим их повышенный износ. The known design allows to reduce fuel consumption and toxicity of exhaust gases by burning fuel at a constant volume, however, a serious drawback is the design complexity of the known engine, and the stationary position of the piston of the expansion cylinder for a significant period of time leads to stepwise dynamic loads on engine parts, causing them increased wear .

Известен также двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с поршнями, установленными с возможностью возвратно-поступа- тельного перемещения, и головку, в которой размещен по меньшей мере один периодически сообщающийся с цилиндрами газораспределительный цилиндрический золотник, снабженный общей для обоих цилиндров камерой сгорания и кинематически связанный с коленчатым валом двигателя, при этом цилиндры выполнены разного объема, цилиндр меньшего объема снабжен воздуховпускными органами, а цилиндр большего объема - газовпускными органами, причем кривошип коленчатого вала цилиндра меньшего объема смещен в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала на 9-72^о относительно кривошипа цилиндра большего объема [2].An internal combustion engine is also known, comprising at least one pair of cylinders with pistons mounted for reciprocating movement, and a head in which at least one gas distribution cylindrical spool is arranged periodically in communication with the cylinders, provided with a common chamber for both cylinders combustion and kinematically connected with the crankshaft of the engine, while the cylinders are made of different volumes, the cylinder of a smaller volume is equipped with air inlet bodies, and the cylinder Larger volume - gas inlet bodies, wherein the crank of the crankshaft of the cylinder of smaller volume displaced in the advancing direction along the crankshaft rotation at ^about 9-72 with respect to the cylinder crank larger volume [2].

Недостатком известного двигателя является наличие отдельной вращающейся камеры сгорания, расположенной в головке двигателя, что усложняет его герметизацию. Перемещение горючей смеси в камеру сгорания и выпуск продуктов сгорания в рабочий цилиндр приводит к значительным гидравлическим сопротивлениям и, как следствие, к снижению мощности двигателя. Известная конструкция двигателя не обеспечивает полной очистки камеры сгорания от остатков отработавших газов, в результате чего остается достаточно высоким коэффициент остаточных газов, что приводит к снижению экономичности двигателя. A disadvantage of the known engine is the presence of a separate rotating combustion chamber located in the engine head, which complicates its sealing. The movement of the combustible mixture into the combustion chamber and the release of combustion products into the working cylinder leads to significant hydraulic resistances and, as a result, to a decrease in engine power. The known engine design does not provide complete cleaning of the combustion chamber of the residual exhaust gases, as a result of which the coefficient of residual gases remains sufficiently high, which leads to a decrease in engine efficiency.

Из известных наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий размещенные в блоке двигателя по меньшей мере один цилиндр нагнетателя и один рабочий цилиндр, поршни, установленные в цилиндрах с образованием надпоршневых полостей и кинематически связанные с кривошипно-шатун- ным механизмом, головку цилиндров с перепускным каналом, выполненным с возможностью сообщения надпоршневых полостей цилиндра нагнетателя и рабочего цилиндра, подпружиненный перепускной клапан, установленный в головке с возможностью периодического перекрытия перепускного канала, свечу зажигания, установ- ленную в рабочем цилиндре противоположно относительно перепускного клапана, полость циркуляции охлаждающей жидкости, выполненную в блоке, причем кривошип, связанный с поршнем рабочего цилиндра, смещен относительно кривошипа, связанного с поршнем цилиндра нагнетателя, в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала с образованием между кривошипами угла смещения [3]. Of the known closest in technical essence to the described invention is an internal combustion engine containing at least one supercharger cylinder and one working cylinder located in the engine block, pistons installed in the cylinders with the formation of the over-piston cavities and kinematically connected with the crank mechanism , a cylinder head with a bypass channel configured to communicate over-piston cavities of the supercharger cylinder and the working cylinder, a spring-loaded bypass valve n, installed in the head with the possibility of periodically blocking the bypass channel, the spark plug mounted in the working cylinder opposite to the bypass valve, the coolant circulation cavity made in the block, and the crank associated with the piston of the working cylinder is displaced relative to the crank associated with the piston of the supercharger cylinder, in the direction of advancing along the rotation of the crankshaft with the formation of an offset angle between the cranks [3].

Недостаток известного двигателя заключается в низкой эффективности работы вследствие неполной очистки от отработавших газов и разброса температурных состояний рабочих поверхностей цилиндров. A disadvantage of the known engine is the low efficiency due to incomplete purification from exhaust gases and the spread of temperature conditions of the working surfaces of the cylinders.

Цель изобретения - повышение эффективности работы двигателя за счет повышения качества очистки от отработавших газов, организации процесса сгорания и поддержания оптимального температурного состояния рабочих поверхностей цилиндров. The purpose of the invention is to increase engine efficiency by improving the quality of exhaust gas cleaning, organizing the combustion process and maintaining the optimal temperature state of the working surfaces of the cylinders.

Цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем размещенные в блоке двигателя по меньшей мере один цилиндр нагнетателя и один рабочий цилиндр, поршни, установленные в цилиндрах с образованием надпоршневых полостей и кинематически связанные с кривошипно-шатунным механизмом, головку цилиндров с перепускным каналом, выполненным с возможностью сообщения надпоршневых полостей цилиндра нагнетателя и рабочего цилиндра, подпружиненный перепускной клапан, установленный в головке с возможностью периодического перекрытия перепускного канала, свечу зажигания, установленную в рабочем цилиндре противоположно относительно перепускного клапана, полость циркуляции охлаждающей жидкости, выполненную в блоке, причем кривошип, связанный с поршнем рабочего цилиндра, смещен относительно кривошипа, связанного с поршнем цилиндра нагнетателя, в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала с образованием между кривошипами угла смещения, в блоке выполнена дополнительная полость циркуляции охлаждающей жидкости, между полостями циркуляции охлаждающей жидкости цилиндра нагнетателя и рабочего цилиндра установлена термоизоляционная перегородка, а угол смещения кривошипов равен 5-45^о.The goal is achieved in that in an internal combustion engine containing at least one supercharger cylinder and one working cylinder located in the engine block, pistons installed in the cylinders with the formation of over-piston cavities and kinematically connected with a crank mechanism, a cylinder head with a bypass channel, made with the possibility of communicating over-piston cavities of the supercharger cylinder and the working cylinder, a spring-loaded bypass valve installed in the head with the possibility of periodic shutoff the bypass channel, the spark plug mounted in the working cylinder opposite to the bypass valve, the coolant circulation cavity made in the block, and the crank associated with the piston of the working cylinder is offset relative to the crank in the direction of advance in the direction of rotation the crankshaft with the formation between the cranks of the angle of displacement, in the block an additional cavity for circulating the coolant is made, between the cavities for circulating the coolant awns supercharger cylinder and the slave cylinder installed thermal insulation partition wall, and offset crank angle is ^about 5-45.

На чертеже показан предлагаемый двигатель внутреннего сгорания. The drawing shows the proposed internal combustion engine.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр нагнетателя 1 с поршнем 2, которые служат для наполнения и сжатия горючей смеси. В головке 3 цилиндра нагнетателя 1 размещен впускной клапан 4. В стенке цилиндра нагнетателя 1 выполнены наполнительные окна 5 для подачи горючей смеси в цилиндр нагнетателя 1. Впускной канал головки 3 цилиндра нагнетателя 1 и наполнительные окна 5 соединены при помощи впускного коллектора 6 с карбюратором 7. В головке 8 рабочего цилиндра установлен выпускной клапан 9, а в стенках рабочего цилиндра выполнены продувочные окна 10 для выпуска отработавших газов. Выпускной канал головки 8 рабочего цилиндра и продувочные окна 10 соединены патрубком с выхлопным коллектором 11. В головке 8 рабочего цилиндра установлен источник 12 воспламенения, в качестве которого может использоваться либо форсунка, либо свеча зажигания в зависимости от способа смесеобразования. В головке цилиндров, снабженной перепускным каналом 13, соединяющим надпоршневые полости, установлен подпружиненный перепускной клапан 14, периодически перекрывающий перепускной канал 13. Рабочий цилиндр 15 с поршнем 16 служат для совершения рабочего хода (расширения). В надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 15 с поршнем 16 отсутствует специальная камера сгорания, где могли бы оставаться отработавшие газы. Кривошип 17 коленчатого вала 18 рабочего цилиндра 15 смещен в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала 18 относительно кривошипа цилиндра нагнетателя 1 (на чертеже не показан) на 5-45^о, что обеспечивает повышение экономичности двигателя за счет сгорания смеси при постоянном объеме. Выбор пределов смещения обусловлен тем, что смещение кривошипа 17 на угол менее 5^о приводит к ухудшению наполнения цилиндра нагнетателя 1 горючей смесью и, как следствие, снижению динамических и экономических показателей двигателя, а смещение кривошипа 17 на угол более 45^о приводит к увеличению объема сгорания и повышению теплоотдачи в стенки цилиндра. Для поддержания оптимального температурного режима стенок цилиндров 1 и 15 система охлаждения двигателя содержит две независимые полости 19 и 20 циркуляции охлаждающей жидкости. Полость 19 охлаждения цилиндра нагнетателя 1 отделена от полости 20 охлаждения рабочего цилиндра 15 при помощи термоизоляционной перегородки 21. Выполнение такой системы охлаждения позволяет поддерживать разные температуры стенок цилиндров 1 и 15, что улучшает наполнение цилиндра нагнетателя 1 горючей смесью и уменьшает количество отводимого тепла в стенки рабочего цилиндра 15.The proposed internal combustion engine comprises a supercharger cylinder 1 with a piston 2, which serve to fill and compress the combustible mixture. An inlet valve 4 is located in the cylinder head 3 of the supercharger 1. Filling windows 5 are made in the cylinder wall of the supercharger 1 for supplying combustible mixture to the supercharger cylinder 1. The inlet channel of the head 3 of the supercharger 1 cylinder and the filling windows 5 are connected via an intake manifold 6 to the carburetor 7. An exhaust valve 9 is installed in the head 8 of the working cylinder, and purge windows 10 for exhaust gas discharge are made in the walls of the working cylinder. The exhaust channel of the head of the working cylinder 8 and the purge windows 10 are connected by a pipe to the exhaust manifold 11. In the head 8 of the working cylinder, an ignition source 12 is installed, which can be used either an atomizer or a spark plug, depending on the method of mixture formation. In the cylinder head, equipped with an overflow channel 13 connecting the over-piston cavities, a spring-loaded overflow valve 14 is installed, periodically blocking the overflow channel 13. The working cylinder 15 with the piston 16 are used to make a stroke (expansion). In the above-piston space of the working cylinder 15 with the piston 16 there is no special combustion chamber where the exhaust gases could remain. A crank 17 of the crankshaft 18 of the working cylinder 15 is shifted to the advance side during the rotation of the crankshaft 18 relative to the crank supercharger cylinder 1 (not shown) at ^about 5-45, which increases the efficiency of the engine due to combustion of the mixture at a constant volume. The choice of displacement limits is due to the fact that the displacement of the crank 17 by an angle of less than 5 ^° leads to a deterioration in the filling of the cylinder of the supercharger 1 with a combustible mixture and, as a result, the dynamic and economic performance of the engine, and the displacement of the crank 17 by an angle of more than 45 ^° leads to an increase in the combustion volume and increase heat transfer to the cylinder walls. To maintain optimal temperature conditions of the walls of the cylinders 1 and 15, the engine cooling system contains two independent cavities 19 and 20 of the circulation of the coolant. The cooling cavity 19 of the cylinder of the supercharger 1 is separated from the cooling cavity 20 of the working cylinder 15 by means of a heat-insulating partition 21. The implementation of such a cooling system makes it possible to maintain different temperatures of the walls of the cylinders 1 and 15, which improves the filling of the cylinder of the supercharger 1 with a combustible mixture and reduces the amount of heat removed to the walls of the worker cylinder 15.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. The proposed internal combustion engine operates as follows.

При перемещении поршня 2 цилиндра нагнетателя 1 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) происходит открытие впускного клапана 4 и заполнение надпоршневого пространства горючей смесью. При подходе поршня 2 к НМТ открываются наполнительные окна 5 и за счет разрежения в надпоршневом пространстве поступает дополнительное количество горючей смеси из впускного коллектора 6. Коленчатый вал совершает поворот на 180^о. При дальнейшем вращении коленчатого вала и перемещении поршня от НМТ и ВМТ начинается перекрытие наполнительных окон и закрытие впускного клапана 4. Происходит сжатие горючей смеси.When moving the piston 2 of the cylinder of the supercharger 1 from the top dead center (TDC) to the bottom dead center (BDC), the intake valve 4 opens and the over-piston space is filled with a combustible mixture. When the piston 2 approaches the BDC, filling windows 5 open and, due to rarefaction, an additional amount of combustible mixture from the intake manifold 6 enters the above-piston space. The crankshaft rotates 180 ^° . With further rotation of the crankshaft and movement of the piston from the BDC and TDC, the filling windows are closed and the intake valve closes 4. The combustible mixture is compressed.

При подходе поршня 2 за 20-30^о до ВМТ открывается перепускной клапан 14 канала 13 и горячая смесь, сжатая до определенной степени, соответствующей рабочему процессу, перемещается из цилиндра нагнетателя 1 в рабочий цилиндр 15. При положении поршня 2 цилиндра нагнетателя 1 от 10 до 0^о относительно ВМТ открыт выпускной клапан 9. Перемещение горючей смеси из цилиндра нагнетателя 1 в рабочий цилиндр 15 приводит к вытеснению из надпоршневого пространства цилиндра 15 в выпускной тракт остатков отработавших газов от предыдущего цикла, чем достигается лучшая очистка от продуктов сгорания надпоршневого пространства. При подходе горючей смеси к выпускному клапану 9 он закрывается, а при достижении места установки свечи зажигания (источника 12) горючей смесью происходит ее воспламенение. Распространение фронта пламени идет от свечи 12 зажигания в направлении к перепускному клапану 14. Горючая смесь перемещается из цилиндра нагнетателя 1 навстречу фронту пламени, постепенно внося в область горения свежий заряд, чем обеспечивается более полное сгорание.With the approach of the piston 2 for ^about 20-30 before TDC the valve 14 opens the bypass channel 13 and the hot mixture is compressed to a degree corresponding to the working process, moves out of the cylinder 1 in the supercharger operating cylinder 15. When the piston 2 of the cylinder 1 by the blower 10 to 0 ^о with respect to TDC, the exhaust valve 9 is opened. Moving the combustible mixture from the cylinder of the supercharger 1 to the working cylinder 15 displaces from the over-piston space of the cylinder 15 into the exhaust tract of the exhaust gas from the previous cycle, which achieves the best cleanup of the products of combustion of the piston space. When the combustible mixture approaches the exhaust valve 9, it closes, and when the spark plug (source 12) is reached, the combustible mixture ignites it. The propagation of the flame front goes from the spark plug 12 towards the bypass valve 14. The combustible mixture moves from the cylinder of the supercharger 1 towards the front of the flame, gradually introducing a fresh charge into the combustion area, which ensures more complete combustion.

После достижения фронтом пламени перепускного клапана 14 происходит его закрытие, что исключает перемещение очага сгорания в полость надпоршневого пространства цилиндра нагнетателя 1. Движение поршня 16 рабочего цилиндра 15 около ВМТ приводит к незначительному изменению объема. After the flame front reaches the bypass valve 14, it closes, which eliminates the movement of the combustion chamber into the cavity of the super-piston space of the supercharger cylinder 1. The movement of the piston 16 of the working cylinder 15 near the TDC leads to a slight change in volume.

Claims

INTERNAL COMBUSTION ENGINE containing at least one supercharger cylinder and one working cylinder located in the engine block, pistons installed in the cylinders with the formation of the over-piston cavities and kinematically connected with the crank mechanism, a cylinder head, with overflow channel configured to communicate the over-piston cavities of the supercharger cylinder and the working cylinder, a spring-loaded bypass valve installed in the head with the possibility of periodically blocking the bypass channel, an ignition path installed in the working cylinder opposite to the bypass valve, a coolant circulation cavity made in the block, and the crank associated with the piston of the working cylinder is offset relative to the crank connected to the piston of the supercharger cylinder in the direction of advance along the rotation of the crankshaft with the formation between the cranks of the angle of displacement, characterized in that the block has an additional cavity for circulating the coolant, between the cavities of the circulation of the coolant a supercharger cylinder and a working cylinder a heat-insulating partition is installed, and the angle of displacement of the cranks is 5-45 ^o .