RU2042846C1

RU2042846C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2042846C1
Authority: RU
Inventors: Б.С. Стефановский; Е.В. Говоров; А.Т. Реппих
Original assignee: Мелитопольский моторный завод
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1991-04-22
Publication date: 1995-08-27

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: device for controlling position of the auxiliary piston is constructed as a rocking lever whose one end is coupled with the piston. The lever is in contact with a cam shaft via spring and link which is set in motion by screw pair and additional spring. The other end of the lever is received in the link. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), использующим смесь того или иного топлива с воздухом. The invention relates to engine building, in particular to internal combustion engines (ICE), using a mixture of a particular fuel with air.

Ограниченные пределы воспламеняемости по составу топливовоздушной смеси заставляют применять в таких двигателях количественный метод регулирования мощности, при котором количество топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры, изменяется посредством дросселирования впускного трубопровода. The limited flammability limits on the composition of the air-fuel mixture make it necessary to use a quantitative method of power control in such engines, in which the amount of the air-fuel mixture entering the cylinders is changed by throttling the intake manifold.

Основным недостатком двигателей с дроссельным регулированием является ухудшение их экономичности при работе на частичных нагрузках (на которых двигатели в основном и эксплуатируются). Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что для улучшения эксплуатационной топливной экономичности двигателей, использующих топливовоздушную смесь, необходимо увеличивать степень сжатия по мере уменьшения нагрузки (мощности). Кроме того, желательно уменьшить на этих нагрузках и затраты энергии на преодоление сопротивления дросселя, которые могут достигать 15-20% от полезной мощности двигателя при соответствующем режиме работы (Walzer P. Adamis P. Heinrich H. Schumacher V. Variable steuerzuten und varieble Verdichtungbcim ottomotor. MIZ, 1986, N 1, s.15-20). The main disadvantage of throttle control engines is the deterioration of their efficiency when operating at partial loads (on which the engines are mainly operated). Theoretical and experimental studies have established that in order to improve operational fuel economy of engines using a fuel-air mixture, it is necessary to increase the compression ratio as the load (power) decreases. In addition, it is desirable to reduce the energy costs for overcoming the throttle resistance at these loads, which can reach 15-20% of the net engine power with an appropriate operating mode (Walzer P. Adamis P. Heinrich H. Schumacher V. Variable steuerzuten und varieble Verdichtungbcim ottomotor MIZ, 1986, N 1, s.15-20).

Известна камера сгорания с переменной степенью сжатия для двигателя с возвратно-поступательно движущимися поршнями (заявка Франции N 2476215, кл. F 02 15/04, опублик. 1981), содержащая вспомогательную камеру сгорания, ограниченную вспомогательным цилиндром, соединенным с рабочим цилиндром, в котором перемещается вспомогательный поршень, причем предусмотрены средства для фиксации вспомогательного поршня в его вспомогательном цилиндре с целью регулируемого изменения объема камеры сгорания. Known combustion chamber with a variable compression ratio for an engine with reciprocating pistons (French application N 2476215, CL F 02 15/04, published. 1981), containing an auxiliary combustion chamber bounded by an auxiliary cylinder connected to the working cylinder, in which the auxiliary piston moves, moreover, means are provided for fixing the auxiliary piston in its auxiliary cylinder for the purpose of a controlled change in the volume of the combustion chamber.

Однако при применении этой камеры не устраняется необходимость дроссельного регулирования мощности, а следовательно, не используются все возможности для улучшения эксплуатационной топливной экономичности двигателей. However, the use of this chamber does not eliminate the need for throttle power control, and therefore, does not use every opportunity to improve the operational fuel economy of engines.

К недостаткам такого устройства относятся его сложность, а также повышенная материалоемкость и трудоемкость изготовления, обусловленные относительно большим количеством применяемых деталей. The disadvantages of such a device include its complexity, as well as increased material consumption and the complexity of manufacturing, due to the relatively large number of used parts.

Кроме того, поскольку вспомогательный поршень не совершает сколько-нибудь закономерных перемещений во время работы двигателя, то весьма сложно предусмотреть удовлетворительную смазку и надежное его функционирование. При стабильных условиях эксплуатации (например, работе в основном в городских условиях или, наоборот, за городом) вспомогательный поршень будет перемещаться редко, а это приведет к нагарообразованию на нем и его закоксовке, потере подвижности и выходу двигателя из строя. In addition, since the auxiliary piston does not make any natural movements during engine operation, it is very difficult to provide for satisfactory lubrication and reliable operation. Under stable operating conditions (for example, working mainly in urban conditions or, vice versa, outside the city), the auxiliary piston will rarely move, and this will lead to carbon formation on it and its coking, loss of mobility and engine failure.

В условиях эксплуатации слой нагара осаждается сравнительно быстро и стабилизируется по толщине через 1-1,5 тыс. км пробега (см. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М. Машиностроение, 1969, с. 161-162). Under operating conditions, the carbon layer is deposited relatively quickly and stabilizes in thickness after 1-1.5 thousand kilometers (see I. Lenin, Theory of Automobile and Tractor Engines. M. Mashinostroenie, 1969, p. 161-162).

Известен двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия (патент США N 4286552, кл. F 02 B 75/36, опублик. 1981), содержащий камеру сгорания, расположенную между головкой цилиндров и установленным в цилиндре подвижным поршнем, устройство, регулирующее объем камеры сгорания и включающее дополнительный поршень малого диаметра, установленный в дополнительном цилиндре, выполненном в головке, и приводимый поршнем управляющего гидроцилиндра через шарнирно-рычажный механизм, блок определения коэффициента наполнения с датчиками и блок изменения разрежения, подаваемого из впускного трубопровода в рабочие камеры управляющего цилиндра. Known internal combustion engine with variable compression ratio (US patent N 4286552, CL F 02 B 75/36, published. 1981), containing a combustion chamber located between the cylinder head and a movable piston installed in the cylinder, a device that controls the volume of the combustion chamber and including an additional small-diameter piston installed in an additional cylinder made in the head and driven by a control hydraulic cylinder piston through an articulated lever mechanism, a coefficient of filling coefficient determination with sensors, and a change unit the vacuum supplied from the inlet pipe to the working chambers of the control cylinder.

Недостатками рассмотренного ДВС являются его сложность, обусловленная большим количеством деталей, в том числе требующих уплотнения, а также относительно низкая надежность из-за закоксования дополнительного поршня в процессе эксплуатации. The disadvantages of the internal combustion engine considered are its complexity due to the large number of parts, including those requiring sealing, as well as the relatively low reliability due to the coking of the additional piston during operation.

При этом не обеспечивается бездроссельное регулирование мощности, т.е. возможность улучшения топливной экономичности двигателя. At the same time, throttle-free power control is not provided, i.e. the possibility of improving fuel efficiency of the engine.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ДВС с комбинированным регулированием газораспределения и степени сжатия с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием (авт. св. СССР N 1314135, кл. F 02 D 15/04, 1987), содержащий по меньшей мере один скользящий в основном цилиндре и приводящий в движение коленчатый вал основной поршень, головку основного цилиндра, один скользящий во вспомогательном цилиндре, размещенном в головке, вспомогательный поршень, который приводится в движение кулачковым валом от коленчатого вала и чье рабочее пространство связано с рабочим пространством основного поршня и имеет в верхней мертвой точке сжатия основного поршня меняющийся в зависимости от рабочих параметров ДВС объем, для чего предусматривается устройство управления положением вспомогательного поршня по отношению к основному поршню, причем на боковой поверхности вспомогательного цилиндра выполнены окна впуска топливовоздушной смеси и выпуска отработавших газов, которые перекрываются вспомогательным поршнем при его перемещениях. Closest to the invention in technical essence is an internal combustion engine with combined control of gas distribution and compression ratio with external mixture formation and positive ignition (ed. St. USSR N 1314135, class F 02 D 15/04, 1987), containing at least one sliding the main cylinder and the main piston driving the crankshaft, the head of the main cylinder, one sliding in the auxiliary cylinder located in the head, the auxiliary piston, which is driven by the cam shaft from the crankshaft and its working space is connected with the working space of the main piston and has a volume at the top dead center of compression of the main piston that varies depending on the operating parameters of the internal combustion engine, for which a device is provided for controlling the position of the auxiliary piston with respect to the main piston, with intake windows made on the side surface of the auxiliary cylinder air-fuel mixture and exhaust emissions, which are blocked by an auxiliary piston during its movements.

Однако такой двигатель характеризуется недостаточной эффективностью. However, such an engine is characterized by insufficient efficiency.

Целью изобретения является повышение эффективности. The aim of the invention is to increase efficiency.

Цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, содержащем по меньшей мере один движущийся возвратно-поступательно в основном цилиндре и приводящий в движение коленчатый вал основной поршень, головку основного цилиндра, по меньшей мере один движущийся возвратно-поступательно во вспомогательном цилиндре, размещенном в головке, вспомогательный поршень, который приводится в движение кулачковым валом от коленчатого вала и чье рабочее пространство связано с рабочим пространством основного поршня и имеет в верхней мертвой точке сжатия основного поршня меняющийся в зависимости от рабочих параметров ДВС объем, для чего предусматривается устройство управления положением вспомогательного поршня по отношению к основному поршню, и размещенный в головке клапанный механизм обычного типа для выпуска отработавших газов, причем боковая поверхность вспомогательного цилиндра снабжена по меньшей мере одним окном для впуска топливовоздушной смеси, перекрываемым вспомогательным поршнем при его перемещениях, согласно изобретению устройство управления положением вспомогательного поршня выполнено в виде качающегося рычага, одним концом связанного с последним и контактирующего с кулачковым валом при помощи пружины и перемещаемой с помощью винтовой пары и дополнительной пружины кулисы, в которой расположен другой конец рычага. The goal is achieved in that in an internal combustion engine with external mixture formation and positive ignition, containing at least one reciprocating in the main cylinder and driving the main piston, the head of the main cylinder, at least one reciprocating an auxiliary cylinder located in the head, an auxiliary piston, which is driven by the cam shaft from the crankshaft and whose working space is connected with the working by the main piston and has a volume at the top dead center of compression of the main piston that varies depending on the operating parameters of the internal combustion engine, for which a device is provided for controlling the position of the auxiliary piston with respect to the main piston, and a conventional valve mechanism located in the head for exhausting, the surface of the auxiliary cylinder is provided with at least one window for the intake of the air-fuel mixture, which is blocked by the auxiliary piston during its movements, asno invention booster piston position control device is designed as a rocker arm having one end connected with the latter and in contact with the camshaft by a spring and displaceable via a screw and a pair of additional spring scenes in which the other end of the lever is located.

На фиг. 1 показан разрез двигателя в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу основного цилиндра; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows a section through an engine in a plane perpendicular to the piston pin of the main cylinder; in FIG. 2, section AA in FIG. 1.

Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один основной (рабочий) цилиндр 1 с основным поршнем 2 обычного типа, совершающим возвратно-поступательное движение с помощью известного кривошипно-шатунного или иного механизма (не показан). К цилиндру 1 примыкает вспомогательный цилиндр 3, размещенный в головке 4 цилиндра 1, с вспомогательным поршнем 5. The internal combustion engine contains at least one main (working) cylinder 1 with the main piston 2 of the usual type, performing a reciprocating motion using a known crank or other mechanism (not shown). The auxiliary cylinder 3 adjacent to the cylinder 1 is located in the head 4 of the cylinder 1, with the auxiliary piston 5.

Пространство, ограниченное поршнем 2 в положении возле верхней мертвой точки (ВМТ), вспомогательным поршнем 5, головкой 4 и расположенными между ними поверхностями цилиндров 1 и 3, образует камеру 6 сгорания топливовоздушной смеси, которая воспламеняется от свечи 7, расположенной вблизи впускных окон 8, выполненных на боковой поверхности вспомогательного цилиндра 3 и служащих для подачи топливовоздушной смеси. The space limited by the piston 2 in the position near the top dead center (TDC), the auxiliary piston 5, the head 4 and the surfaces of the cylinders 1 and 3 located between them, forms the combustion chamber 6 of the air-fuel mixture, which ignites from the candle 7, located near the inlet windows 8, made on the side surface of the auxiliary cylinder 3 and serving to supply the air-fuel mixture.

Для удаления из камеры 6 сгорания отработавших газов используются стандартные тарельчатые выпускные клапаны механизма газораспределения (не показаны). To remove the exhaust gas from the combustion chamber 6, standard poppet exhaust valves of a gas distribution mechanism (not shown) are used.

Вспомогательный поршень 5 с помощью поршневого пальца 9 соединен с рычагом 10, на который с одной стороны действует кулачок 11 кулачкового вала 12 (от последнего приводятся и выпускные клапаны), а с другой возвратная пружина 13. Конец рычага 10, не связанный с вспомогательным поршнем 5, опирается на кулису 14 устройства управления, которая может перемещаться по направляющим 15 в головке 4 под действием винта 16, соединенного известным способом с блоком управления (не показан), например педалью акселератора, и пружины 17, действующих на кулису 14 во взаимно противоположных направлениях. Поворачивая винт 16 с помощью рычага 18 управления в ту или иную сторону, можно поднимать или опускать кулису 14 вместе с опирающимся на нее концом рычага 10. В целом описанный привод вспомогательного поршня 5 позволяет ему совершать в цилиндре 3 возвратно-поступательное движение, причем вспомогательный поршень 5, сохраняя это движение, может за счет перемещения кулисы 14 и поворота рычага 10 на некоторый угол сближаться с рабочим поршнем 2 или отдаляться от него, что связано не только с изменением степени сжатия, но и возможностью изменения времени открытия впускного канала. The auxiliary piston 5 is connected with a piston pin 9 to a lever 10, on which the cam 11 of the cam shaft 12 acts on one side (exhaust valves are also driven from the latter), and the return spring 13 is on the other. The end of the lever 10 is not connected to the auxiliary piston 5 , relies on the wings 14 of the control device, which can be moved along the guides 15 in the head 4 under the action of a screw 16 connected in a known manner to a control unit (not shown), for example an accelerator pedal, and a spring 17 acting on the wings 14 in mutual but in opposite directions. Turning the screw 16 with the control lever 18 in one direction or another, it is possible to raise or lower the link 14 with the end of the lever 10 resting on it. In general, the described drive of the auxiliary piston 5 allows it to reciprocate in the cylinder 3, and the auxiliary piston 5, while maintaining this movement, due to the movement of the wings 14 and the rotation of the lever 10 at some angle to approach or move away from the working piston 2, which is associated not only with a change in the degree of compression, but also with the possibility of changing the time and the opening of the inlet channel.

Описанный двигатель в принципе может работать как по четырехтактному, так и по двухтактному рабочему циклу, что достигается за счет согласования фаз рабочего поршня 2, вспомогательного поршня 5 и выпускных клапанов. Переход от четырехтактного цикла к двухтактному при соответствующем устройстве привода кулачкового вала осуществим во время работы двигателя и может использоваться в качестве средства, расширяющего его мощностной диапазон. Основным рабочим циклом является четырехтактный, как более экономичный и уменьшающий выделение токсичных компонентов с отработавшими газами. The described engine, in principle, can operate on either a four-stroke or a two-stroke duty cycle, which is achieved by matching the phases of the working piston 2, auxiliary piston 5 and exhaust valves. The transition from a four-stroke cycle to a two-stroke cycle with the appropriate camshaft drive device is feasible during engine operation and can be used as a means of expanding its power range. The main working cycle is a four-stroke cycle, as it is more economical and reduces the emission of toxic components with exhaust gases.

Четырехтактный рабочий цикл осуществляется следующим образом. The four-stroke duty cycle is as follows.

При нахождении поршня 2 в ВМТ вспомогательный поршень 5, двигаясь вверх, начинает открывать впускные окна 8 и поршень 2, двигаясь к нижней мертвой точке (НМТ), засасывает в цилиндры 1 и 3 топливовоздушную смесь. После прохождения поршнем 2 НМТ вспомогательный поршень 5, двигаясь вниз, перекрывает впускные окна 8 и поршень 2, двигаясь к ВМТ, сжимает топливовоздушную смесь и вытесняет ее в камеру 6 сгорания, где она в районе ВМТ поршня 2 воспламеняется свечой 7 и сгорает. Расширяющиеся продукты сгорания перемещают поршень 2 к НМТ и последний совершает рабочий ход. В районе НМТ открываются с некоторым предварением выпускные клапаны и поршень 2, перемещаясь к ВМТ, вытесняет продукты сгорания в выпускной трубопровод (не показан). При подходе поршня 2 к ВМТ вспомогательный поршень 5 начинает двигаться вверх, открывает впускные окна 8 и далее цикл повторяется. When the piston 2 is located in the TDC, the auxiliary piston 5, moving up, starts to open the inlet windows 8 and the piston 2, moving to the bottom dead center (BDC), sucks the air-fuel mixture into cylinders 1 and 3. After the piston 2 passes through the BDC, the auxiliary piston 5, moving downward, closes the inlet windows 8 and the piston 2, moving towards the upper dead center, compresses the air-fuel mixture and forces it into the combustion chamber 6, where it is ignited by the candle 7 in the vicinity of the upper dead center of the piston 2 and burns. The expanding combustion products move the piston 2 to the BDC and the latter makes a working stroke. In the area of the BDC, the exhaust valves and piston 2 open with some precedence, moving to the TDC, displacing the combustion products into the exhaust pipe (not shown). When the piston 2 approaches the TDC, the auxiliary piston 5 starts to move up, opens the inlet windows 8 and then the cycle repeats.

Одновременное регулирование мощности и степени сжатия осуществляется следующим образом. При повороте с помощью рычага 18 винта 16 кулиса 14 перемещается по направляющим 15 вниз или вверх. При этом перемещается вниз или вверх конец рычага 10, не связанный с вспомогательным поршнем 5. Последний, не прекращая возвратно-поступательного движения в цилиндре 3, за счет поворота рычага 10 относительно кулачка 11 удалится от поршня 2 (при увеличении нагрузки на двигатель) или, наоборот, приблизится к нему (при снижении нагрузки). При удалении вспомогательного поршня 5 от основного поршня 2 увеличивается объем камеры 6 сгорания, а степень сжатия понижается, что позволяет расширить пределы бездетонационного сгорания, а также снизить требования к ОЧ топлива (на 1-2 пункта). Одновременно увеличится открытие впускных окон 8, поэтому в основной цилиндр 1 поступит больше топливовоздушной смеси, и, следовательно, возрастет мощность двигателя. Simultaneous regulation of power and compression ratio is as follows. When turning with the lever 18 of the screw 16, the link 14 moves along the guides 15 up or down. This moves down or up the end of the lever 10, not connected with the auxiliary piston 5. The latter, without stopping the reciprocating movement in the cylinder 3, due to the rotation of the lever 10 relative to the cam 11 will be removed from the piston 2 (with increasing load on the engine) or, on the contrary, it will approach it (with a decrease in load). When you remove the auxiliary piston 5 from the main piston 2, the volume of the combustion chamber 6 increases, and the compression ratio decreases, which allows to expand the limits of detonation-free combustion, as well as reduce the requirements for the fuel consumption (by 1-2 points). At the same time, the opening of the inlet windows 8 will increase, therefore, more air-fuel mixture will enter the main cylinder 1, and, consequently, the engine power will increase.

При сближении вспомогательного поршня 5 с основным поршнем 2 объем камеры 6 сгорания уменьшается, а степень сжатия возрастает. Увеличение степени сжатия на частичных нагрузках позволяет увеличить КПД до 10% When approaching the auxiliary piston 5 with the main piston 2, the volume of the combustion chamber 6 decreases, and the compression ratio increases. Increasing the compression ratio at partial loads can increase efficiency up to 10%

Claims

1. INTERNAL COMBUSTION ENGINE, comprising at least one main cylinder with a reciprocating cylinder moving therein and driving a crankshaft, a cylinder head, at least one auxiliary cylinder located in the head with at least one air-fuel inlet window mixture, made on its side surface, and auxiliary piston reciprocating moving in it, controlling the intake window and driven from the crankshaft through the cam shaft, combustion chamber formed by cylinders, pistons and a head and having a spark plug, an auxiliary piston position control device and an exhaust gas inlet element located in the head and controlled by a cam shaft, characterized in that, in order to increase efficiency, the auxiliary piston position control device is made in the form swing arm, one end connected to the latter and in contact with the cam shaft using a spring, and moved by means of a screw pair and an additional link spring in which the other end of the lever is located.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the exhaust gas body is made in the form of poppet valves.