RU2032820C1

RU2032820C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2032820C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Андреевич Гребнев
Original assignee: Юрий Андреевич Гребнев
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1995-04-10

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: prechamber with supersonic nozzles, directed along conical surface of the head, is made in the cylinder head. Inlet and outlet openings made in working space of the cylinders are closed and open due to axial movement of the rod with respect to the piston and cylinder sleeve with respect to the cylinder head. Heated fluid is displaced from the cooling jacket and the head to the radiator during moving the cylinder sleeve. Mixture is ignited in response to a signal from a hermetic contact positioned inside the housing of the engine when a permanent magnet interacts with it in the instant of achieving minimum volume of charge of the fuel mixture. EFFECT: decreased wearing away. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности созданию двигателей внутреннего сгорания для автомобилей и легкомоторной авиации. The invention relates to engine building, in particular the creation of internal combustion engines for automobiles and light aircraft.

Широко известны способы работы двигателей внутреннего сгорания, газораспределение в которых базируется на механических кулачковых или золотниковых устройствах, управляющих работой впускной и выпускной системами. Также широко используются в двигателестроении механические системы зажигания и центробежные насосы системы охлаждения с приводом от коленчатого вала. Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания и система впуска двигателя внутреннего сгорания, в которых с целью упрощения и повышения эффективности смесеобразования подают в камеру сгорания под углом к основному расходу дополнительный расход смеси, предварительно запасенной в специальной емкости. Известен также двигатель внутреннего сгорания, содержащий соединенные между собой и оппозитно расположенные цилиндры, снабженные камерами сгорания и связанные через два золотниковых распределительных устройства со смежными полостями, а шток, который связывает поршни, имеет внутреннюю полость охлаждения, причем цилиндры установлены на подшипниках и имеют возможность осевого перемещения. И, наконец, известен двигатель внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндрами и одним общим поршнем, связанным с кривошипным механизмом двумя шатунами и имеющим на своих торцах полости, снабженные клапанными механизмами для прохода заряда горючей смеси. Widely known are the methods of operation of internal combustion engines, the gas distribution of which is based on mechanical cam or spool devices that control the operation of the intake and exhaust systems. Mechanical ignition systems and centrifugal pumps of the cooling system driven by a crankshaft are also widely used in engine building. There is a known method of operation of an internal combustion engine and an intake system of an internal combustion engine, in which, in order to simplify and increase the efficiency of mixture formation, an additional flow rate of a mixture previously stored in a special container is supplied to the combustion chamber at an angle to the main flow rate. Also known is an internal combustion engine containing interconnected and opposed cylinders provided with combustion chambers and connected through two spool distributors with adjacent cavities, and the rod that connects the pistons has an internal cooling cavity, and the cylinders are mounted on bearings and have the possibility of axial displacement. And, finally, an internal combustion engine with opposed cylinders and one common piston is known, connected to the crank mechanism by two connecting rods and having cavities at its ends equipped with valve mechanisms for passing the charge of the combustible mixture.

Общим недостатком способа и устройств является необходимость оснащения двигателя специальными узлами для передачи энергии от коленчатого вала на вспомогательные механизмы. Кроме того, в известном способе влияние дополнительного расхода на интенсивность перемешивания горючей смеси ограничивается лишь окрестностью головки цилиндра. A common disadvantage of the method and devices is the need to equip the engine with special units for transmitting energy from the crankshaft to auxiliary mechanisms. In addition, in the known method, the influence of the additional flow rate on the intensity of mixing of the combustible mixture is limited only by the vicinity of the cylinder head.

Система выхлопа через золотниковые устройства или окна в цилиндре связана с большим износом поршневой группы и сопротивлением газоотводящих каналов, ухудшающих рациональное протекание процесса выхлопа. The exhaust system through spool devices or windows in the cylinder is associated with large wear of the piston group and the resistance of the exhaust channels, which worsen the rational flow of the exhaust process.

Цель изобретения повышение эффективности смесеобразования при всасывании и уменьшение сопротивления выхлопных каналов за счет вихреобразования около дна поршня на всей длине хода всасывания и больших проходных сечений выхлопной щели, сохраняющей постоянное значение в течение всего хода выхлопа, а также повышение эффективности зажигания и снижение энергетических затрат на привод вспомогательных механизмов газораспределения, зажигания и охлаждения при превращении тепловой энергии в механическую. The purpose of the invention is to increase the efficiency of mixture formation during suction and to reduce the resistance of the exhaust channels due to the vortex formation near the bottom of the piston along the entire length of the suction stroke and the large passage sections of the exhaust gap, which remains constant throughout the exhaust stroke, as well as to increase ignition efficiency and reduce energy costs for the drive auxiliary mechanisms of gas distribution, ignition and cooling during the conversion of thermal energy into mechanical energy.

Это достигается тем, что в известном способе вихреобразование за счет подачи дополнительного расхода через впускной клапан головки цилиндра заменяется подачей горючей смеси тангенциально оси поршня через его донную полость во время всего хода всасывания, а выхлоп отработанных газов производится через принудительно образованную щель в конце рабочего хода в головке цилиндра, которая остается постоянной по площади во время всего хода выхлопа. This is achieved by the fact that in the known method, the vortex formation due to the supply of an additional flow rate through the inlet valve of the cylinder head is replaced by the supply of a combustible mixture tangentially to the axis of the piston through its bottom cavity during the entire suction stroke, and the exhaust gas is exhausted through a forced gap at the end of the working stroke at cylinder head, which remains constant in area during the entire exhaust stroke.

Кроме того, в устройстве двигателя предусмотрена форкамера со сверхзвуковыми соплами и исключены промежуточные связи в системе газораспределения, зажигания и охлаждения, а открытие-закрытие впускных и выпускных отверстий в полости цилиндра осуществляется за счет осевого перемещения штока относительно поршня и гильзы цилиндра относительно головки цилиндра, причем во время перемещения гильзы цилиндра вытесняется нагретая жидкость из рубашки охлаждения цилиндра и головки в радиатор, а зажигают смесь по сигналу гермоконтакта, расположенного в корпусе двигателя, при бесконтактном взаимодействии с ним постоянного магнита, происходящем в момент достижения минимального объема заряда горючей смеси. In addition, a prechamber with supersonic nozzles is provided in the engine device and intermediate connections in the gas distribution, ignition and cooling system are excluded, and the inlet and outlet openings in the cylinder cavity are opened and closed due to the axial movement of the rod relative to the piston and cylinder liner relative to the cylinder head, and during the movement of the cylinder liner, heated liquid is displaced from the cooling jacket of the cylinder and head into the radiator, and the mixture is ignited by a pressure contact signal, located nnogo in the motor housing, with the contactless interaction with a permanent magnet, which occurs at the time of reaching the minimum volume of the combustible mixture charge.

Предлагаемая кинематика двигателя внутреннего сгорания позволяет во всех основных узлах устанавливать подшипники качения, а заключение штока, связывающего оппозитно расположенные поршни, в рольганги обеспечивает контакт поршней с цилиндрами и корпусом только через уплотнительные кольца, что сводит трение и износ к минимуму. The proposed kinematics of the internal combustion engine allows the installation of rolling bearings in all the main components, and the conclusion of the rod connecting the opposed pistons into the roller table ensures that the pistons contact the cylinders and the housing only through the o-rings, which minimizes friction and wear.

На фиг. 1 показан двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез; на фиг.2 то же, поперечный разрез. In FIG. 1 shows a combustion engine, longitudinal section; figure 2 is the same, cross section.

В двигателе впускной канал образован в полости штока, торцы которого выполняют роль тарелок впускных клапанов, а многозаходный винтовой гофр сильфона, герметизирующего впускной канал, позволяет при ходе всасывания образовать около дна поршня вихревое течение, которое перемещается по всей длине цилиндра во время хода всасывания, что обеспечивает высокую эффективность перемешивания. In the engine, the inlet channel is formed in the stem cavity, the ends of which act as the plates of the intake valves, and the multi-way screw bellows of the bellows, which seals the inlet channel, during the suction stroke forms a vortex flow near the piston bottom that moves along the entire length of the cylinder during the suction stroke provides high mixing efficiency.

Принудительное образование щели в головке цилиндра в конце рабочего хода за счет перемещения гильзы цилиндра при контакте поршня с ее дном обеспечивает наличие большой площади выхлопного канала, а коническая форма головки цилиндра с уступом около уплотнительных фасок кольцевой щели существенно уменьшает температурное воздействие выхлопных газов на них. The forced formation of a gap in the cylinder head at the end of the stroke due to the movement of the cylinder liner when the piston contacts the bottom ensures a large exhaust channel area, and the conical shape of the cylinder head with a step near the sealing bevels of the annular gap significantly reduces the temperature effect of exhaust gases on them.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из подвижной в осевом направлении гильзы рабочего цилиндра 1, поршня 2, соединенного подвижным в осевом направлении относительно него полым штоком 3 с оппозитно расположенным поршнем противоположного цилиндра, рубашки охлаждения 4, головки цилиндра 5 с форкамерой зажигания и каналами охлаждения, впускного клапана 6, закрепленного на штоке, пружины 7, удерживающей гильзу цилиндра в закрытом положении, захвата 8, удерживающего гильзу цилиндра в открытом положении, окна 9 в штоке для подачи горючей смеси, седла впускного клапана 10, подвижного уплотнения, герметизирующего впускной канал, подвижного уплотнения 12, отделяющего канал охлаждения от выпускного канала, свечи зажигания 13, прилива 14 на штоке, в котором закреплен вал шатунов и постоянный магнит системы зажигания, шатуна 15, соединенного через кривошип с промежуточной шестерней 16, толкателей 17 подпружиненных захватов, кривошипа 18, корпуса двигателя 19, нижнего 20 и верхнего 21 клапанов системы охлаждения, рольгангов 22, по которым перемещается шток, первичного вала 23 с шестернями 24, форкамеры зажигания 25 с сверхзвуковыми сопловыми каналами, постоянного магнита системы зажигания 26, регулируемого гермоконтакта 27. The internal combustion engine consists of an axially movable sleeve of the working cylinder 1, a piston 2 connected by an axially movable hollow rod 3 with an opposed piston of the opposite cylinder, a cooling jacket 4, a cylinder head 5 with an ignition chamber and cooling channels, an intake valve 6, mounted on the rod, a spring 7 holding the cylinder liner in the closed position, a gripper 8, holding the cylinder liner in the open position, windows 9 in the rod for supplying the combustible mixture, the seats of the intake valve 10, the movable seal sealing the inlet channel, the movable seal 12 separating the cooling channel from the exhaust channel, the spark plug 13, the tide 14 on the rod, in which the connecting rod shaft and the permanent magnet of the ignition system, the connecting rod 15, connected through a crank to intermediate gear 16, pushers 17 of spring-loaded grips, crank 18, engine block 19, lower 20 and upper 21 valves of the cooling system, live rolls 22 along which the rod moves, of the input shaft 23 with gears 24, forecam ignition channels 25 with supersonic nozzle channels, a permanent magnet of the ignition system 26, an adjustable pressure switch 27.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

В конце хода выхлопа в первом цилиндре гильза цилиндра 1 в результате взаимодействия головки шатуна 15 с толкателем 17 освобождается от захвата 8 и под действием пружины 7 переходит в нормально закрытое положение. При дальнейшем движении шатуна 15 за счет вращения шестерни 16 вместе с кривошипом 18 шток 3 начинает обратное движение. Однако поршень 2, удерживаемый вакуумом в герметичном пространстве между поршнем и головкой цилиндра 5, остается в положении минимального объема. Шток 3, продолжая обратное движение, выбирает зазор между своим выступом и уступом во втулке, ввернутой в тело поршня. Между седлом клапана 10 и тарелкой 6 образуется щель. Дальнейшее движение штока 3 заставляет поршень двигаться совместно со штоком, а пониженное давление в полости цилиндра засасывает заряд горючей смеси в полость цилиндра. Горючая смесь, двигаясь по тангенциальным каналам седла, выбрасывается тангенциально оси поршня в плоскости его дна, образуя вихревой факел, который перемещается вдоль оси цилиндра вместе с поршнем. Этим обеспечивается высокая эффективность перемешивания горючей смеси в полости цилиндра и отсутствие жидкой фазы горючего. Как только шток доходит до крайнего противоположного положения, он под действием шатуна начинает возвратное движение. При этом поршень под действием сил трения о стенки цилиндра и повышения давления в полости цилиндра стремится остаться в положении максимального объема цилиндра, а шток, двигаясь вдоль своей оси относительно поршня, закрывает впускную щель. Воздействуя на седло клапана 10, шток 3 заставляет поршень перемещаться в положение минимального объема. Причем с ростом давления в полости цилиндра растет сила, уплотняющая пару впускной клапан седло, поскольку площадь тарелки впускного клапана существенно меньше площади поршня, чем и обеспечивается герметичность впускного канала. Повышенное давление в полости цилиндра вызывает появление радиальных нагрузок на верхней части гильзы цилиндра 1, растягивая последнюю в радиальном направлении, чем увеличивается герметичность выпускного канала, уплотняющейся на внешних конических фасках под действием пружины 7. Отсутствие осевых нагрузок на гильзу связано с практически нулевой площадью сечения гильзы, на которую может воздействовать высокое давление, поэтому высокая жесткость пружины 7 не требуется. At the end of the exhaust stroke in the first cylinder, the cylinder liner 1 as a result of the interaction of the connecting rod head 15 with the pusher 17 is released from the gripper 8 and, under the action of the spring 7, goes into a normally closed position. With further movement of the connecting rod 15 due to the rotation of the gear 16 together with the crank 18, the rod 3 starts the reverse movement. However, the piston 2, held in vacuum in the sealed space between the piston and the cylinder head 5, remains in the minimum volume position. The rod 3, continuing the reverse movement, selects the gap between its protrusion and the ledge in the sleeve screwed into the piston body. A gap is formed between the valve seat 10 and the poppet 6. Further movement of the rod 3 causes the piston to move together with the rod, and the reduced pressure in the cylinder cavity sucks the charge of the combustible mixture into the cylinder cavity. The combustible mixture, moving along the tangential channels of the saddle, is ejected tangentially to the axis of the piston in the plane of its bottom, forming a vortex plume that moves along the axis of the cylinder along with the piston. This ensures high efficiency of mixing the fuel mixture in the cylinder cavity and the absence of the liquid phase of the fuel. As soon as the rod reaches the extreme opposite position, it begins to return movement under the action of the connecting rod. In this case, the piston, under the action of friction against the cylinder walls and increasing pressure in the cylinder cavity, tends to remain in the position of the maximum volume of the cylinder, and the rod, moving along its axis relative to the piston, closes the inlet gap. Acting on the valve seat 10, the stem 3 causes the piston to move to the minimum volume position. Moreover, with increasing pressure in the cylinder cavity, the force sealing the inlet valve pair of the seat increases, since the area of the inlet valve plate is significantly less than the piston area, which ensures the tightness of the inlet channel. The increased pressure in the cylinder cavity causes the appearance of radial loads on the upper part of the cylinder liner 1, stretching the latter in the radial direction, which increases the tightness of the outlet channel, which is sealed on the external conical chamfers under the action of the spring 7. The absence of axial loads on the liner is associated with a practically zero cross-sectional area of the liner which can be affected by high pressure, therefore, high stiffness of the spring 7 is not required.

При подходе поршня в заданное по технологическому циклу положение постоянный магнит системы зажигания 25, закрепленный на приливе штока 14, взаимодействует с ферромагнитными элементами гермоконтактов 26 системы зажигания, которые выдают команду на зажигание смеси. Свеча зажигания 13, размещенная в полости форкамеры 24, поджигает смесь внутри форкамеры, радиальные сверхзвуковые струи из которой поджигают основной заряд в полости конической камеры сгорания, обеспечивая равномерную эпюру давления на дне поршня. Этим исключается возможность больших боковых нагрузок на поршень. Начинается рабочий ход, при котором шток, двигаясь в обратном направлении, совершает полезную работу, приводя во вращение первичный вал 22 через шестерни 16 и 23, а также подготавливая рабочий цикл в остальных цилиндрах с помощью шестерен 16, которые вращаются за счет отбора энергии от первичного вала с помощью шестерен 23. В конце рабочего хода нижняя плоскость втулки поршня 2 входит в контакт с дном гильзы цилиндра 1 и последняя начинает двигаться вместе с штоком до момента, когда пружинный захват 8 войдет в зацепление с дном гильзы цилиндра 1, удерживая ее в открытом положении. Смещение гильзы цилиндра в крайнее нижнее положение открывает выхлопной тракт за счет образования кольцевой щели между коническим торцем гильзы цилиндра и коническим уступом в головке. При этом отработанные газы начинают истекать из камеры сгорания в выхлопной тракт. Наличие уступа в головке и конической поверхности на обратном скате гильзы цилиндра обеспечивает малый износ уплотняющих фасок, это повышает надежность работы двигателя. Кроме этого, как только гильза цилиндра начинает свое осевое движение вместе с штоком, за счет понижения давления в рубашке охлаждения цилиндра открывается клапан 20, и жидкость заполняет образовавшееся свободное пространство; одновременно за счет повышения давления в тракте охлаждения в окрестности конического торца гильзы цилиндра за счет уменьшения объема полости закрывается клапан 21, и жидкость между подвижным уплотнением 12 и клапаном 21 вытесняется в головку цилиндра, а оттуда в радиатор. When the piston approaches the position specified by the technological cycle, the permanent magnet of the ignition system 25, mounted on the tide of the rod 14, interacts with the ferromagnetic elements of the pressure contacts 26 of the ignition system, which issue a command to ignite the mixture. The spark plug 13, located in the cavity of the pre-chamber 24, ignites the mixture inside the pre-chamber, the radial supersonic jets from which ignite the main charge in the cavity of the conical combustion chamber, providing a uniform pressure diagram at the bottom of the piston. This eliminates the possibility of large lateral loads on the piston. A working stroke begins, in which the rod, moving in the opposite direction, does a useful job, turning the primary shaft 22 through the gears 16 and 23, and also preparing the working cycle in the remaining cylinders with gears 16, which rotate due to the selection of energy from the primary the shaft with gears 23. At the end of the stroke, the lower plane of the piston bush 2 comes into contact with the bottom of the cylinder liner 1 and the latter begins to move with the rod until the spring grip 8 engages with the bottom of the cylinder liner 1, ud holding it in the open position. The shift of the cylinder liner to its lowest position opens the exhaust tract due to the formation of an annular gap between the conical end of the cylinder liner and the conical step in the head. In this case, the exhaust gases begin to flow from the combustion chamber into the exhaust tract. The presence of a ledge in the head and conical surface on the reverse slope of the cylinder liner provides low wear of the sealing faces, this increases the reliability of the engine. In addition, as soon as the cylinder liner begins its axial movement together with the stem, valve 20 opens by lowering the pressure in the cylinder cooling jacket, and the liquid fills the formed free space; at the same time, by increasing the pressure in the cooling path in the vicinity of the conical end of the cylinder liner by reducing the volume of the cavity, the valve 21 closes, and the fluid between the movable seal 12 and the valve 21 is forced into the cylinder head, and from there into the radiator.

В этот момент шток под действием шатунов начинает свое возвратное движение и, упираясь в поршень тарелкой впускного клапана перемещает его в положение минимального объема цилиндра, вытесняя отработанные газы в выхлопную щель между гильзой цилиндра и головкой. At this moment, the rod, under the action of the connecting rods, begins its return movement and, resting against the piston by the intake valve plate, moves it to the position of the minimum cylinder volume, forcing the exhaust gases into the exhaust gap between the cylinder liner and the head.

Как только шатуны нажимают на толкатели 17, захваты 8 освобождают дно гильзы цилиндра 1, и она под действием пружины 7 закрывает кольцевую выхлопную щель. При обратном ходе гильзы клапан 20 закрывается, препятствуя обратному выбросу жидкости в радиатор, а клапан 21 открывается, и охлажденная жидкость заполняет рубашку цилиндра и головки блока. As soon as the connecting rods press the pushers 17, the grippers 8 release the bottom of the cylinder liner 1, and it closes the annular exhaust gap under the action of the spring 7. During the reverse stroke of the sleeve, the valve 20 closes, preventing the backflow of liquid into the radiator, and the valve 21 opens, and the cooled liquid fills the jacket of the cylinder and the head of the block.

На этом ход выхлопа заканчивается, и описанный процесс работы циклично повторяется в каждом цилиндре. This completes the exhaust stroke, and the described process is cyclically repeated in each cylinder.

Для увеличения мощности двигателя число цилиндров может быть увеличено путем добавления пары цилиндров с соответственным изменением угла поворота шестеренки 16, при котором начинается рабочий ход в каждом цилиндре. В этом случае изменяется только длина корпуса мотора 19, первичного вала, рубашки охлаждения и головки блока цилиндров 5, а остальные детали двигателя остаются унифицированными, что очень важно для крупносерийного производства. To increase engine power, the number of cylinders can be increased by adding a pair of cylinders with a corresponding change in the angle of rotation of the gear 16, at which the working stroke in each cylinder begins. In this case, only the length of the motor housing 19, input shaft, cooling jacket and cylinder head 5 changes, and the remaining engine parts remain unified, which is very important for large-scale production.

Использование предлагаемого способа работы двигателя и конструкции позволяет повысить эффективность перемешивания смеси в камере сгорания, что улучшает полноту сгорания, снизить потери энергии на работу вспомогательных механизмов и выхлоп отработанных газов. Using the proposed method of engine operation and design can improve the efficiency of mixing the mixture in the combustion chamber, which improves the completeness of combustion, reduce energy loss for the operation of auxiliary mechanisms and exhaust gases.

Одновременно снижаются вес двигателя и трение в основных сочленениях за счет возможности широкого использования подшипников качения. At the same time, engine weight and friction in the main joints are reduced due to the widespread use of rolling bearings.

Предварительные оценки показывают, что автомобильный двигатель такого типа при мощности порядка 100-120 л.с. будет иметь вес не более 100 кгс и расход топлива не более 8-9 л/100 км. Preliminary estimates show that a car engine of this type with a power of about 100-120 hp will have a weight of not more than 100 kgfs and fuel consumption of not more than 8-9 l / 100 km.

Claims

1. INTERNAL COMBUSTION ENGINE, comprising a housing with cylinders and heads opposite to it, the pistons of which are interconnected by a rod with tides and pins for connecting via connecting rods to a power take-off shaft, an intake-exhaust valve system, a jacketed cooling system, and a spark ignition system, characterized in that the engine is equipped with pre-chambers with supersonic nozzles located in the cylinder head, as well as movable seals located in the cooling jacket and spring-loaded conical sleeves with chamfers on one end and a bottom with holes on the other end, mounted on the housing by roller tables with rolling bearings and spring-loaded grippers with pushers, and the specified intake and exhaust system is made in the form of seats and plates, and ledges for exhaust valves are made in the cylinder heads designed to interact with conical chamfers of sleeves, through the holes in the bottom of which rods and spring-loaded grips pass to interact with the bottom of the sleeves, the pushers of which are designed to interact with us, while the cylinder head is conical and supersonic nozzles of the pre-chambers are installed along its generatrix, and the piston rods are hollow and mounted with the possibility of axial movement relative to the pistons and the housing, and the inlet valve plates are fixed at both ends of the rods, and made in the stem walls windows for passage of the charge of the mixture and protrusions on the outer surface, and in the bottom of the pistons made ledges and fixed saddles made in them with tangential channels for passage of the mixture, nnye respectively for cooperation with the projections on the stem and the valve plates on rods, the rods are fixed in the housing on roller conveyors with rolling bearings whose axes are parallel to the axes of rods pivots, and the internal cavity of the housing and the rod side intake valves and intake ports are sealed.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the ignition system is made in the form of permanent magnet rods mounted on tides and installed in the motor housing with the possibility of adjusting along and across the axis of the rod axis of ferromagnetic pressure contacts designed to interact with the said permanent magnets, and cylinder liners designed to communicate with the electrical circuit of the pressure contacts from the condition of providing signals to the ignition only when the sleeve is closed, and the spark plug is placed in the prechamber aligned with the cylinder.

3. The engine according to claims 1 and 2, characterized in that the cooling system is made in the form of intake and exhaust valves located in the cooling jacket near each cylinder.