RU2078958C1

RU2078958C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2078958C1
Application number: RU9393026145A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Аркадьевич Давыдов
Original assignee: Дмитрий Аркадьевич Давыдов
Priority date: 1993-05-06
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1997-05-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: engine has compressor with intake valve in intake branch pipe, piston and connecting rod, combustion chamber with intake and exhaust valve connected through bypass branch pipes with compressor and expansion chamber with outlet branch pipe, and rotor with blade arranged inside expansion chamber. Blade is installed in rotor slot. Combustion chamber is provided with fuel injection device. Compressor connecting rod and expansion chamber rotor are installed on common crankshaft with flywheel fitted on crankshaft end. Crank of crankshaft and slot in rotor are pointed in opposite sides. EFFECT: enlarged operating capabilities. 4 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению. The invention relates to engine building.

Известен двигатель внутреннего сгорания, состоящий из компрессора с впускным каналом во впускном патрубке, поршнем и шатуном, из камеры сгорания с впускным и выпускным клапанами, соединенный посредством перепускных патрубков с компрессором и камерой расширения с выпускным патрубком, и расположенного внутри камеры расширения ротор с лопаткой, установленной в пазу (прототип. Патент Швейцарии N 270336, 1950). A known internal combustion engine, consisting of a compressor with an inlet channel in the inlet pipe, a piston and a connecting rod, from a combustion chamber with an inlet and outlet valve, connected via bypass pipes to a compressor and an expansion chamber with an exhaust pipe, and a rotor with a blade located inside the expansion chamber, installed in the groove (prototype. Swiss Patent N 270336, 1950).

Данный двигатель является недостаточно экологическим и имеет низкий КПД. This engine is not environmentally friendly and has low efficiency.

Целью изобретения является повышение экологичности и КПД двигателя. The aim of the invention is to improve the environmental friendliness and efficiency of the engine.

Это достигается тем, что двигатель разделен на три функционирующие части: Б компрессор, В камера сгорания, Г камера расширения. This is achieved by the fact that the engine is divided into three functioning parts: B compressor, C combustion chamber, D expansion chamber.

Двигатель включает коленвал 1, к которому присоединяется шатун 2, к верхнему концу последнего присоединяется поршень 3, который располагается в цилиндре 4 компрессора. К цилиндру 4 компрессора присоединяется впускной патрубок 6 с клапаном 5 и выпускной патрубок 7. Выпускной патрубок 7 компрессора соединяет его с камерой сгорания 10. В камере сгорания 10 устанавливается устройство 9 (форсунка) для впрыскивания в камеру топлива. Камера сгорания 10 имеет впускной 8 и выпускной 11 клапаны. Камера сгорания 10 связана через патрубок 12 с камерой расширения. Внутри корпуса 13 камера расширения располагается ротор 17 с лопаткой 16. Ротор 17 жестко связан с коленвалом 1, а лопатка 16 установлена в пазу и имеет возможность перемещаться во время работы от центра и к центру. В корпусу камеры расширения присоединяется выпускной патрубок 18. К коленвалу 1 присоединяется маховик 14. Весь механизм собран на остове 15. The engine includes a crankshaft 1, to which a connecting rod 2 is attached, to the upper end of the latter a piston 3 is attached, which is located in the cylinder 4 of the compressor. An inlet pipe 6 with a valve 5 and an outlet pipe 7 are connected to the compressor cylinder 4. The exhaust pipe 7 of the compressor connects it to the combustion chamber 10. A device 9 (nozzle) is installed in the combustion chamber 10 for injecting fuel into the chamber. The combustion chamber 10 has an inlet 8 and an outlet 11 valves. The combustion chamber 10 is connected through a pipe 12 to the expansion chamber. Inside the housing 13, the expansion chamber is located the rotor 17 with the blade 16. The rotor 17 is rigidly connected with the crankshaft 1, and the blade 16 is installed in the groove and has the ability to move during operation from the center to the center. In the housing of the expansion chamber is connected to the exhaust pipe 18. To the crankshaft 1 is attached to the flywheel 14. The whole mechanism is assembled on the skeleton 15.

Колено коленвала 1 и паз ротора 17 направлены в противоположные стороны. The knee of the crankshaft 1 and the groove of the rotor 17 are directed in opposite directions.

На фиг. 1 схематически продольное сечение двигателя, на сечении А-А изображено поперечное сечение камеры расширения; на фиг. 2 диаграмма фаз газораспределения двигателя; на фиг. 3 устройство со впускного клапана камеры сгорания; на фиг. 4 устройство привода клапанов впускного компрессора и выпускного камеры сгорания. In FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of an engine, section AA shows a cross section of an expansion chamber; in FIG. 2 diagram of the engine timing; in FIG. 3 device from the intake valve of the combustion chamber; in FIG. 4 valve actuator for intake compressor and exhaust combustion chamber.

На фиг. 3 и 4 стрелками показаны пути перемещения воздуха и газов во время работы двигателя. In FIG. 3 and 4 arrows show the paths of movement of air and gases during engine operation.

Коленвал 1 двигателя выполняется по одинаковой технологии с коленвалом двигателей с центральным кривошипно-шатунным механизмом. На коленвале 1 жестко установлены ротор 17 и маховик 14. На коленвале 1 между ротором 17 и коленом коленвала 1 выполняются кулачки привода клапанов 5 и 11. К колену коленвала 1 присоединяется шатун 2, верхним концом шатун соединяется с поршнем 3, а поршень располагается внутри цилиндра 4. К цилиндру 4 компрессора присоединяются патрубки 6 и 7. На впускном патрубке 6 и 7. На впускном патрубке 6 монтируется клапан 5. Через выпускной патрубок 7 компрессор соединяется с камерой сгорания 10. На входе в камеру сгорания в патрубке 7 монтируется клапан 8. На выходе из камеры сгорания в патрубке 12 монтируется клапан 11. Камера сгорания через патрубок 12 соединяется с камерой расширения. Внутри корпуса 13 камеры расширения располагаются ротор 17 и лопатка 16. Лопатка располагается в пазу, выточенном в роторе. Ротор имеет форму цилиндра, а лопатка имеет форму прямоугольной пластины. Компрессор, камера сгорания и камера расширения выполняются в варианте воздушного охлаждения. Механизм регулировки и поддержания сжатия в камере сгорания клапаном 8 дан на фиг. 3 и включает регулировочный винт 1, гайку 2 пружину 3, клапан 4, уплотнитель 5, упор 6. Механизм привода клапанов 5 и 11 одинаков и включает седло 1, клапан 2, уплотнитель 3, пружину 4, упор 5, коромысло 6, ось 7, регулировочный болт 8, гайки 9, стойку 10, штангу 11, толкатель 12, кулачок привода 13. Уплотнители всех трех клапанов могут быть изготовлены так, как выполняется уплотнение между поршнем и гильзой компрессора двигателя. The crankshaft 1 of the engine is carried out according to the same technology with the crankshaft of the engines with a central crank mechanism. On the crankshaft 1, the rotor 17 and the flywheel 14 are rigidly mounted. On the crankshaft 1, between the rotor 17 and the crankshaft knee 1, the actuator cams 5 and 11 are made. A connecting rod 2 is connected to the crankshaft 1 knee, the connecting rod is connected to the piston 3 with the upper end, and the piston is located inside the cylinder 4. The nozzles 6 and 7 are connected to the cylinder 4 of the compressor. A valve 5 is mounted on the inlet pipe 6 and 7. A valve 5 is mounted on the inlet pipe 6 through the exhaust pipe 7. Valve 8 is mounted at the inlet to the combustion chamber in the pipe 7. At the exit and From the combustion chamber in the pipe 12, a valve 11 is mounted. The combustion chamber through the pipe 12 is connected to the expansion chamber. Inside the housing 13 of the expansion chamber are located the rotor 17 and the blade 16. The blade is located in a groove machined in the rotor. The rotor has the shape of a cylinder, and the blade has the shape of a rectangular plate. The compressor, the combustion chamber, and the expansion chamber are air cooled. The mechanism for adjusting and maintaining compression in the combustion chamber with valve 8 is given in FIG. 3 and includes an adjusting screw 1, nut 2, spring 3, valve 4, seal 5, stop 6. The drive mechanism of valves 5 and 11 is the same and includes a seat 1, valve 2, seal 3, spring 4, stop 5, rocker 6, axis 7 , an adjusting bolt 8, nuts 9, a stand 10, a rod 11, a pusher 12, a cam of a drive 13. Seals of all three valves can be made as sealing between the piston and a sleeve of the compressor of the engine.

Работа двигателя начинается с момента преодоления поршнем компрессора верхней мертвой точки (ВМТ). Поршень начнет движение вниз, при этом впускной клапан открывается и в компрессоре осуществляется впуск. Впуск осуществляется до достижения поршнем нижней мертвой точки (НМТ), то есть коленвал поворачивается на 180^o. Во время прохождения впуска в компрессоре в камере расширения лопатка выталкивает находящийся перед ним воздух, и этот процесс идет до момента достижения лопаткой выпускного окна камеры расширения, а окно расположено, не достигая до верхнего положения лопаткой на 40-50^o. Поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается, и в компрессоре начинается сжатие. Совместно с началом сжатия начинается процесс выпуска из камеры расширения. Сжатие продолжается до достижения давления в компрессоре до 3,5-4 МПа. Это давление достигается при повороте коленвала, начиная с НМТ до 140-150^o, то есть не достигая ВМТ 30-40^o. Далее под действием созданного в компрессоре давления открывается впускной клапан камеры сгорания. В камере сгорания осуществляется продувка, а также она заполняется сжатым до 3,5-4 МПа и нагревшимся до 900 К воздухом. В конце продувки, которая длится до поворота коленвала на 30-40^o, клапаны камеры сгорания (КС) закрываются. В камеру сгорания впрыскивается топливо, и оно начинает гореть, сопровождаясь повышением давления до 8 МПа и температура до 2300 К. Горение в камере сгорания продолжается, начиная от положения ВМТ поршня до достижения поршнем компрессора НМТ, а лопатка в камере расширения достигает своего верхнего положения (ВП). Во время горения в камере сгорания в компрессоре осуществляется впуск, для чего открыт впускной клапан компрессора, а в камере расширения идет выпуск. Далее в камере расширения, где лопатка достигает верхнего положения, начинается расширения, для чего открывается выпускной клапан камеры сгорания. При достижении лопаткой верхнего положения и открытии выпускного клапана камеры сгорания, газ, имеющий давление 8 МПа поступает из камеры сгорания в камеру расширения, где он, расширяясь, заставляет вращаться ротор, а от ротора вращение получают коленвал и маховик. Одновременно лопатка выталкивает воздух, находящийся перед лопаткой, осуществляя выпуск. Также одновременно в компрессоре двигателя осуществляется сжатие. Сжатие продолжается до достижения давления 3,5-4 МПа, после чего открывается, преодолевая сопротивление пружины, впускной клапан камеры сгорания. В это время выпускной клапан камеры сгорания открыт, а давление в камере сгорания и связанной с ней через патрубок камере расширения равно также 3,5-4 МПа. Камера сгорания продувается воздухом, имеющим давление 3,5-4 МПа и температура 900 К. Продувка заканчивается при достижении поршнем компрессора ВМТ, после чего клапаны камеры сгорания закрываются. В это время лопатка камеры расширения достигает нижнего положения, а в камеру сгорания впрыскивается топливо, где оно начинает гореть. В компрессоре происходит впуск, в камере сгорания горение, а в камере расширения расширение, которое заканчивается при достижении лопатки уровня расположения выпускного окна камеры расширения. Одновременно с концом расширения заканчивается активный выпуск, длившийся 310-320^o с момента прохождения лопаткой верхнего положения. После активного, то есть принудительного выпуска в камере расширения начинается пассивный выпуск, происходящий за счет остаточного давления в камере расширения. Это остаточное давление равно 0,3-0,5 МПа. Пассивному выпуску соответствует поворот лопатки от выпускного окна камеры расширения до верхнего положения, то есть угол поворота коленвала равен 40-50^o. Во время пассивного выпуска коленвал вращается за счет энергии, накопленный маховиком, а в остальное время коленвал вращается за счет расширения газов в камере расширения. Таким образом, двигатель входит в установившийся режим работы. В установившемся режиме работа происходит следующим образом. Рабочий цикл происходит за один оборот коленвала. За первый полуоборот коленвала, соответствующий ходу поршня компрессора от ВМТ до НМТ (или движению лопатки в камере расширения от нижнего положения до верхнего положения, что одно и то же) в компрессоре происходит впуск в камере сгорания горения, в камере расширения расширение и одновременно выпуск. Для расширения характерно то, что оно идет до достижения лопатки в камере расширения до выпускного окна, а для выпуска характерно то, что до достижения лопаткой в камере расширения до выпускного окна выпуск идет принудительно, а далее до достижения лопаткой до верхнего положения выпуск идет пассивно за счет остаточного давления в камере расширения, равного 0,3-0,5 МПа. Второму полуобороту коленвала соответствует сжатие в компрессоре, расширение и выпуск в камере расширения. Для сжатия характерно то, что оно идет до достижения давления в компрессоре до значения 3,5-4 МПа, а далее идет продувка камеры сгорания и камеры расширения, которая заканчивается по достижению поршнем ВМТ. Для расширения характерно то, что при достижении давления в компрессоре 3,5-4 МПа, давление в камере расширения падает по мере прохождения расширения газов до значения 3,5-4 МПа. Таким образом, происходит продувка в камере сгорания и в камере расширения. Во время расширения в камере расширения одновременно происходит и выпуск. Отмечая характер протекания процесса выпуска, необходимо отметить то, что выпуск идет непрерывно, но делится на активный и пассивный части, т.е. выпуску соответствует поворот коленвала на 360^o. Горение происходит за время прохождения первого полуоборота коленвала, то есть за прохождения поршня компрессора от ВМТ до НМТ. А процесс прохождения расширения также можно разделить на две части. Первая часть соответствует первому полуобороту коленвала это конец расширения, происходящее за счет давления остающегося после продувки камеры сгорания и камеры расширения и равного 3,5-4 МПа. Первая часть заканчивается в момент, когда лопатка достигает выпускного окна камеры расширения. Вторая часть соответствует второму полуобороту коленвала. При этом происходит расширение газов, имеющих давление 8 МПа до значения 3,5-4 МПа, то есть вторая часть расширения заканчивается концом продувки камеры сгорания и камеры расширения, а начинается вторая часть с момента открытия выпускного клапана камеры сгорания и прохождения поршня компрессора НМТ, а лопатки - верхнего положения. Рабочий ход, состоящий из горения (180^o поворота коленвала) и расширения (310-320^o поворота коленвала) происходит за время поворота коленвала, равного 180+(310-320)^o= 490-500^o. А также, поскольку рабочий цикл происходит за время одного оборота коленвала, двигатель работает в двухтактном режиме.The engine starts from the moment the piston overcomes the compressor top dead center (TDC). The piston will begin to move downward, while the inlet valve opens and inlet is carried out in the compressor. The intake is carried out until the piston reaches the bottom dead center (BDC), that is, the crankshaft rotates 180 ^o . During the passage of the inlet in the compressor in the expansion chamber, the blade pushes the air in front of it, and this process continues until the blade reaches the outlet window of the expansion chamber, and the window is located, not reaching the upper position of the blade by 40-50 ^o . The piston reaches the BDC, the intake valve closes, and compression begins in the compressor. Together with the beginning of compression, the process of release from the expansion chamber begins. Compression continues until the compressor pressure reaches 3.5-4 MPa. This pressure is achieved when the crankshaft is rotated, starting from the BDC up to 140-150 ^o , that is, not reaching the TDC 30-40 ^o . Then, under the action of the pressure created in the compressor, the inlet valve of the combustion chamber opens. A purge is carried out in the combustion chamber, and it is also filled with compressed to 3.5-4 MPa and heated to 900 K air. At the end of the purge, which lasts until the crankshaft rotates 30-40 ^o , the valves of the combustion chamber (COP) are closed. Fuel is injected into the combustion chamber, and it begins to burn, accompanied by an increase in pressure to 8 MPa and a temperature of up to 2300 K. Combustion continues in the combustion chamber, starting from the TDC of the piston until the piston reaches the BDC, and the blade in the expansion chamber reaches its upper position ( VP). During combustion, an inlet is carried out in the combustion chamber in the compressor, for which the compressor inlet valve is open, and exhaust is in the expansion chamber. Further, in the expansion chamber, where the blade reaches the upper position, expansion begins, for which the exhaust valve of the combustion chamber opens. When the blade reaches the upper position and the exhaust valve of the combustion chamber is opened, a gas having a pressure of 8 MPa flows from the combustion chamber to the expansion chamber, where it expands and causes the rotor to rotate, and the crankshaft and flywheel receive rotation from the rotor. At the same time, the blade pushes the air in front of the blade, releasing. Also, compression is performed simultaneously in the engine compressor. Compression continues until a pressure of 3.5-4 MPa is reached, and then opens, overcoming the resistance of the spring, the intake valve of the combustion chamber. At this time, the exhaust valve of the combustion chamber is open, and the pressure in the combustion chamber and the expansion chamber associated with it through the pipe is also 3.5-4 MPa. The combustion chamber is purged with air having a pressure of 3.5-4 MPa and a temperature of 900 K. The purge ends when the piston reaches the TDC compressor, after which the valves of the combustion chamber are closed. At this time, the blade of the expansion chamber reaches a low position, and fuel is injected into the combustion chamber, where it begins to burn. In the compressor, there is an intake, combustion in the combustion chamber, and expansion in the expansion chamber, which ends when the blade reaches the level of the location of the outlet window of the expansion chamber. Simultaneously with the end of the expansion ends active release, lasting 310-320 ^o from the moment the blade passes through the upper position. After active, that is, forced release in the expansion chamber, passive release begins, which occurs due to the residual pressure in the expansion chamber. This residual pressure is 0.3-0.5 MPa. Passive release corresponds to the rotation of the blade from the outlet window of the expansion chamber to the upper position, that is, the angle of rotation of the crankshaft is 40-50 ^o . During passive exhaust, the crankshaft rotates due to the energy accumulated by the flywheel, and the rest of the time the crankshaft rotates due to the expansion of gases in the expansion chamber. Thus, the engine enters steady state operation. In steady state operation occurs as follows. The duty cycle occurs in one crankshaft revolution. For the first half-turn of the crankshaft, corresponding to the compressor piston stroke from TDC to BDC (or the motion of the blade in the expansion chamber from the lower position to the upper position, which is the same thing), the compressor is inlet in the combustion combustion chamber, in the expansion chamber, expansion and simultaneously release. For expansion, it is characteristic that it goes until the blade in the expansion chamber reaches the exhaust window, and for release it is characteristic that until the blade reaches the expansion chamber to the exhaust window, the exhaust is forced, and then until the blade reaches the upper position, the exhaust is passively account of the residual pressure in the expansion chamber, equal to 0.3-0.5 MPa. The second half-turn of the crankshaft corresponds to compression in the compressor, expansion and exhaust in the expansion chamber. Compression is characterized by the fact that it goes until the pressure in the compressor reaches a value of 3.5-4 MPa, and then there is a purge of the combustion chamber and expansion chamber, which ends when the piston reaches TDC. The expansion is characterized by the fact that when the pressure in the compressor reaches 3.5-4 MPa, the pressure in the expansion chamber decreases with the passage of gas expansion to a value of 3.5-4 MPa. Thus, a purge occurs in the combustion chamber and in the expansion chamber. During expansion, release also occurs in the expansion chamber. Noting the nature of the process of release, it should be noted that the release is continuous, but is divided into active and passive parts, i.e. release corresponds to a rotation of the crankshaft 360 ^o . Combustion occurs during the passage of the first half-turn of the crankshaft, that is, during the passage of the compressor piston from TDC to BDC. And the process of going through the expansion can also be divided into two parts. The first part corresponds to the first half-turn of the crankshaft; this is the end of expansion, which occurs due to the pressure remaining after blowing the combustion chamber and expansion chamber equal to 3.5–4 MPa. The first part ends when the blade reaches the outlet window of the expansion chamber. The second part corresponds to the second half-turn of the crankshaft. In this case, the expansion of gases having a pressure of 8 MPa to a value of 3.5-4 MPa occurs, that is, the second part of the expansion ends with the end of the purge of the combustion chamber and the expansion chamber, and the second part begins when the exhaust valve of the combustion chamber is opened and the piston of the НМТ compressor passes, and the shoulder blades are in the upper position. A stroke consisting of combustion (180 ^° crankshaft rotation) and expansion (310-320 ^° crankshaft rotation) occurs during a crankshaft rotation equal to 180+ (310-320) ^o = 490-500 ^o . And also, since the duty cycle occurs during one revolution of the crankshaft, the engine runs in push-pull mode.

Claims

An internal combustion engine comprising a compressor with an inlet valve in the inlet pipe, a piston and a connecting rod, a combustion chamber with an inlet and outlet valve, connected via bypass pipes to a compressor and an expansion chamber with an exhaust pipe, and a rotor with a blade mounted in a groove located inside the expansion chamber characterized in that a device for injecting fuel is installed on the combustion chamber, a compressor connecting rod and an expansion chamber rotor are mounted on a single crankshaft with a flywheel on to the end, and the crankshaft elbow and the groove in the rotor are located in opposite directions.