RU2078963C1

RU2078963C1 - Paired two-four stroke engine

Info

Publication number: RU2078963C1
Application number: RU94021413/06A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Климов
Original assignee: Сергей Михайлович Климов
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1997-05-10
Also published as: RU94021413A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: paired two-four stroke engine has two-stroke and four-stroke cylinders with common combustion chamber, intake valve, exhaust port arranged in wall of two-stroke cylinder, two crankshafts which set into motion the pistons connected by drive, ratio 1:2. Crank of four-stroke cylinder is installed with piston in top dead center. Crank with piston of two-stroke cylinder is installed, relative to four-stroke one, with 45 degree advance angle or angle near to this value from its top dead center. Piston displacement of both cylinders are equal to each other. Piston of four-stroke cylinder is installed by its working portion in common combustion chamber. EFFECT: enlarged operating capabilities. 4 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания, и может использоваться как двигатель в наземном, воздушном и морском транспорте. The invention relates to the field of engine building, namely to internal combustion engines, and can be used as an engine in land, air and sea transport.

Известны двух-, четырехтактные двигатели с общей камерой сгорания с двумя коленчатыми валами, связанными передачей 1:2, где объем двухтактного цилиндра отличается от объема четырехтактного цилиндра, камера сгорания занимает рабочий объем двухтактного цилиндра, кривошип одного из цилиндров сдвинут на угол 46-85^o относительно другого кривошипа (патент США N 2369738, кл. 123-78 за 1945 г, патент США N 2937630, кл.123-53, 1960 г. а.с. СССР N 1229397, м.кл. F 02 B 75/04, 1981 г.).Known two-, four-stroke engines with a common combustion chamber with two crankshafts connected by a 1: 2 transmission, where the volume of the two-stroke cylinder differs from the volume of the four-stroke cylinder, the combustion chamber occupies the working volume of the two-stroke cylinder, the crank of one of the cylinders is shifted by an angle of 46-85 ^o relative to another crank (US patent N 2369738, CL 123-78 for 1945, US patent N 2937630, CL 123-53, 1960 A.S. USSR N 1229397, microliter F 02 B 75/04 , 1981).

Известна конструкция двух-, четырехтактного двигателя с двумя коленчатыми валами, соединенными передачей 1:2 с впускным клапаном в общей камере сгорания, объем двухтактного цилиндра, в стенке которого расположено выпускное окно, больше объема четырехтактного цилиндра, общий объем расширения больше, чем объем сжатия, оба кривошипа в начале такта "рабочий ход" установлены в свои вмт (патент США N 2937630, м.кл.123-53, 1960 г.). A known design of a two-, four-stroke engine with two crankshafts connected by a 1: 2 transmission with an intake valve in a common combustion chamber, the volume of the push-pull cylinder, in the wall of which the exhaust window is located, is larger than the volume of the four-stroke cylinder, the total expansion volume is greater than the compression volume, both cranks at the beginning of the stroke "stroke" are installed in their TDC (US patent N 2937630, mkl.123-53, 1960).

Недостатком прототипа является то, что понижен крутящийся момент на валу двигателя из-за снижения среднего эффективного давления в такте "расширение" и возникновения противодавления на поршень четырехтактного цилиндра после своей нмт. Отсутствие возможности горения топлива при постоянном объеме, время сжатия объема в прямом цикле равно времени расширения до того же объема в обратном цикле. Уменьшен общий объем расширения. Эти факторы приводят к увеличению среднего расхода топлива на одну л•с./ч. The disadvantage of the prototype is that the reduced torque on the motor shaft due to a decrease in the average effective pressure in the "expansion" cycle and the occurrence of backpressure on the piston of the four-stroke cylinder after its nmt. The inability to burn fuel with a constant volume, the compression time of the volume in the direct cycle is equal to the expansion time to the same volume in the reverse cycle. Reduced total expansion. These factors lead to an increase in average fuel consumption by one liter • s / h.

Целью изобретения является повышение КПД и экономичности за счет подвода теплоты при постоянном объеме, увеличения среднего эффективного давления при расширении, что увеличит крутящий момент на валу двигателя и его мощность, использования энергии окружающего тепла, заключенную в цилиндре, за счет изменения времени прямого и обратного цикла в такте "сжатия и расширения". The aim of the invention is to increase the efficiency and efficiency due to the supply of heat at a constant volume, an increase in the average effective pressure during expansion, which will increase the torque on the motor shaft and its power, the use of ambient heat energy enclosed in the cylinder, by changing the time of the forward and reverse cycles in the "compression and expansion" beat.

Для осуществления этой цели кривошип четырехтактного поршня устанавливается в свою вмт в начале такта "рабочий ход", а кривошип двухтактного поршня устанавливается на угол 45^o или близкий к нему от своей вмт с опережением четырехтактного. Диаметры цилиндров, как и ход поршней, от вмт до нмт равны, т.е. объемы цилиндров равны или могут незначительно на 5-10% отличаться друг от друга. Камера сгорания занимает рабочую часть объема цилиндров, а поршни при работе двигателя поочередно заходят в общую камеру сгорания.To achieve this, the crank of the four-stroke piston is installed in its TDC at the beginning of the stroke "stroke", and the crank of the two-stroke piston is installed at an angle of 45 ^o or close to it from its TDC ahead of the four-stroke. The diameters of the cylinders, as well as the piston stroke, from bmt to nmt are equal, i.e. cylinder volumes are equal or may slightly differ from each other by 5-10%. The combustion chamber occupies the working part of the cylinder volume, and the pistons, when the engine is running, alternately enter the common combustion chamber.

На фиг. 1 изображена схема конструкции двигателя с наклоненными друг к другу цилиндрами, на фиг.2-6 вариант дизельного двигателя с вертикально расходящимися поршнями с различным положением кривошипов для каждого такта, на фиг. 7 -график изменения объема за время тактов "сжатия и расширения", на фиг. 8 график изменения давления по времени за такты "сжатия и расширения", на фиг.9 график изменения энтропии по времени, на фиг.10 график, показывающий постоянство объема по углу поворота кривошипов в конце такта "сжатие", на фиг. 11 график изменения объема за полный рабочий цикл по углу поворота крвошипа двухтактного поршня, на фиг.12 график изменения давления с подводом тепла с последующим расширением. In FIG. 1 shows a design diagram of an engine with cylinders tilted to each other; FIGS. 2-6 show a variant of a diesel engine with vertically diverging pistons with different crank positions for each cycle; FIG. 7 is a graph of volume changes during the “compression and expansion” cycles; FIG. Fig. 8 is a graph of the change in pressure over time over the cycles of "compression and expansion," Fig. 9 is a graph of the change in entropy over time, Fig. 10 is a graph showing the constancy of the volume of the angle of rotation of the cranks at the end of the cycle "compression", in Fig. 11 is a graph of the change in volume over a full working cycle by the angle of rotation of the crank of the push-pull piston, and FIG. 12 is a graph of the change in pressure with heat input with subsequent expansion.

Двигатель состоит из цилиндров 1, общей камеры сгорания 2, занимающей рабочие объемы цилиндров, цилиндры выполнены равного диаметра, рабочие ходы поршней от в.м.т. до н.м.т. равны, впускного клапана 3, выпускного (продувочного) окна 4, поршня 5, работающего по двухтактному циклу, поршня 6, работающего по четырехтактному циклу, шатунов 7 и 8, приводящих поршни в движение через кривошипы коленчатых валов 9 и 10, связанных между собой передачей 1: 2 через шестерни (маховики) 11 и 12. Кривошип 10 четырехтактного поршня установлен в свою вмт, при этом его поршень частично занимает объем камеры сгорания, а кривошип 9 двухтактного поршня установлен с опережением на угол 45^o или близкий к нему от своей вмт (фиг. 1).The engine consists of cylinders 1, a common combustion chamber 2, occupying the working volumes of the cylinders, the cylinders are made of equal diameter, the working strokes of the pistons from m.t. to n.m.t. equal to the inlet valve 3, the outlet (purge) window 4, the piston 5 operating on a two-stroke cycle, the piston 6 working on a four-cycle cycle, the rods 7 and 8, which drive the pistons through the cranks of the crankshafts 9 and 10, connected by a transmission 1: 2 through gears (flywheels) 11 and 12. The crank 10 of the four-stroke piston is installed in its bmw, while its piston partially occupies the volume of the combustion chamber, and the crank 9 of the two-stroke piston is installed ahead of 45 ^o or close to it from its bmw (Fig. 1).

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

На фиг. 2 показано положение поршней и кривошипов перед началом такта "сжатие", клапан 3 закрыт, окно 4 закрыто стенкой поршня 5. Кривошип 9 двухтактного поршня 5 (далее кпд) не доходит до своей вмт 50-55^o, соответственно и кривошип 10 четырехтактного поршня 6 (далее кчп) отошел от своей вмт на 160-170^o.In FIG. 2 shows the position of the pistons and cranks before the start of the compression stroke, valve 3 is closed, window 4 is closed by the wall of the piston 5. The crank 9 of the push-pull piston 5 (hereinafter efficiency) does not reach its bmw of 50-55 ^o , respectively, and the crank 10 of the four-stroke piston 6 (hereinafter ccp) moved away from its military base at 160-170 ^o .

На фиг.7, 8, 9, 11, 12 это начало показано точкой 1. На фиг.7 по верхней линии цифры означают угол поворота кдп, а по нижней соответствие этому углу, угол поворота кчп. In Figs. 7, 8, 9, 11, 12, this beginning is shown by point 1. In Fig. 7, on the upper line, the numbers indicate the angle of rotation of the cdp, and on the lower line, this angle, the angle of rotation of the cnc.

Затрачивая энергию на поднятие температуры и давление газов в цилиндре, кдп, повернувшись на 50^o, займет свою вмт, при этом верхняя часть поршня зайдет в общую камеру сгорания, соответственно и кпч в этот момент не дойдет до своей вмт 90^o. Дальнейшее сжатие идет за счет кчп до точки 1 (фиг. 10), повернувшись на 70^o. Соответственно и кдп за это время отойдет на 35^o и будет находиться в точке 2. Такое положение кривошипов соответствует минимальному расстоянию между поршнями и максимальному сжатию (фиг.3). На фиг.7 уменьшение объема показано по линии 1, 2, за время которого изменился объем с V₁ до V₂. На фиг.8, 9 этот процесс показан по линии (адиабате) 1, 2, по которой увеличивается давление с P₁ до P₂ и температура с T₁ до T₂.Spending energy on raising the temperature and gas pressure in the cylinder, the cdp, turning 50 ^o , will take its bmw, while the upper part of the piston will go into the common combustion chamber, respectively, and the cpc at this point will not reach its bmw 90 ^o . Further compression is due to ccp to point 1 (Fig. 10), turning 70 ^o . Accordingly, the KDP during this time will depart by 35 ^o and will be at point 2. This position of the cranks corresponds to the minimum distance between the pistons and the maximum compression (figure 3). 7, a decrease in volume is shown along lines 1, 2, during which the volume has changed from V ₁ to V ₂ . On Fig, 9, this process is shown along the line (adiabat) 1, 2, along which the pressure increases from P ₁ to P ₂ and the temperature from T ₁ to T ₂ .

Дальнейший процесс перемещения поршней и кривошипов происходит при постоянном объеме давления и температуре (изобаре и изотерме) по линии 2, 3 (фиг. 7, 8, 9). Это связано с тем, что при подходе к своей вмт кпч, перемещаясь по линии 1, 4 с 20 до 10 (фиг.10), уменьшит объем в общей камере сгорания с V₁ до V₄, однако и кпд, перемещаясь по линии 2, 3 с 35^o до 40^o от своей вмт увеличит объем в этой же камере сгорания с V₂ до V₃ точно на такую же величину. В точке 5, когда кпд переместится на 45^o от своей вмт, кчп займет свою вмт, при этом его поршень частично займет объем общей камеры сгорания (фиг.1) с незначительным увеличением объема за счет поршня 5, продолжающего движение к своей нмт.The further process of moving the pistons and cranks occurs at a constant volume of pressure and temperature (isobar and isotherm) along line 2, 3 (Fig. 7, 8, 9). This is due to the fact that, when approaching its TDC, the HRC moving along line 1, 4 from 20 to 10 (Fig. 10) will reduce the volume in the common combustion chamber from V ₁ to V ₄ , however, the efficiency moving along line 2 , 3 from 35 ^o to 40 ^o from its bmw will increase the volume in the same combustion chamber from V ₂ to V _{3 by} exactly the same amount. At point 5, when the efficiency moves 45 ^o from its bmw, the ccp will take its bmw, while its piston will partially occupy the volume of the common combustion chamber (Fig. 1) with a slight increase in volume due to the piston 5, which continues to move to its nmt.

Начался процесс расширения, который происходит быстрее, чем сжатие и на других углах поворота кривошипов. Расширяясь по линии 3, 4, 5 (фиг.7, 8, 9), происходит увеличение объема и падение давления с P₂ до P₃ и температуры тела с T₂ до T₃, при этом в точке 4 параметры тела будут соответствовать первоначальным параметрам сжатия точки 1. Такое положение кривошипов показано на фиг.4.The expansion process has begun, which is faster than compression at other crank angles. Expanding along the lines 3, 4, 5 (Figs. 7, 8, 9), there is an increase in volume and pressure drop from P ₂ to P ₃ and body temperature from T ₂ to T ₃ , while at point 4 the body parameters will correspond to the original compression parameters of point 1. This position of the cranks is shown in figure 4.

Горение, или подвод тепла, лучше осуществлять в тоске 2 (фиг.12), тогда горение будет идти при постоянном объеме по пунктирной линии 2, 4 (по изохоре при наименьшей теплоемкости газа), повышая температуру и давление с P₂ до P₃ с последующим расширением по пунктирной линии (адиабате) 4, 5. В конце такта "рабочий ход" в точке 5 двухтактным поршнем открывается окно 4, кчп займет свою нмт, и начинается такт "выпуск" (фиг.5). При выпуске газов кчп перемещается к своей вмт, при этом ходе открывается клапан 3 и совместно с выталкиванием осуществляется продувка цилиндра через клапан 3 в окно 4. Когда кчп будет в вмт, поршень 5 вновь закроет окно 4 и начинается такт "всасывание" (фиг.6). За это время поршень 6 увеличивает объем быстрее, чем идет его уменьшение за счет поршня 5, перемещающегося в этот момент к своей вмт, и когда кчп не дойдет до своей вмт 55^o, закрывается клапан 3 и цикл повторяется. На фиг.11 показан график изменения объема за полный рабочий цикл по углу поворота кдп, кчп за это время совершит два оборота. По линии 1, 2 "сжатие", в точке 2 подвод тепла (горение), по линии 2, 1/1, 3 после горения топлива "рабочий ход", 3, 4 "выпуск" с продувкой, 4, 1/2 "всасывание", и цикл повторяется. Наилучший процесс горения топлива подбирается правильной установкой угла опережения зажигания, более позднее зажигание приводит к горению топлива по изобарному процессу.Combustion, or heat input, is best done in melancholy 2 (Fig. 12), then combustion will occur at a constant volume along the dashed line 2, 4 (along the isochore at the lowest heat capacity of the gas), increasing the temperature and pressure from P ₂ to P ₃ s followed by expansion along the dashed line (adiabat) 4, 5. At the end of the “stroke” stroke at point 5, window 4 opens with a push-pull piston, the cnc takes its nmt, and the “release” cycle begins (Fig. 5). When gases are released, the cshp moves to its bmw, during this stroke valve 3 opens and, together with the ejection, the cylinder is purged through valve 3 to window 4. When the csc is at bmw, piston 5 closes window 4 again and the suction cycle begins (Fig. 6). During this time, the piston 6 increases the volume faster than its decrease due to the piston 5 moving at that moment to its TDC, and when the ccp does not reach its TDC of 55 ^o , valve 3 closes and the cycle repeats. Figure 11 shows a graph of the change in volume over a full working cycle by the angle of rotation of the cdp, ccp during this time will make two turns. On line 1, 2 "compression", at point 2 heat supply (combustion), on line 2, 1/1, 3 after fuel combustion "stroke", 3, 4 "exhaust" with a purge, 4, 1/2 " suction, "and the cycle repeats. The best fuel combustion process is selected by the correct setting of the ignition timing, later ignition leads to fuel combustion by the isobaric process.

Применение в моторостроении принципиально нового технического решения, заключающегося в особом расположении кривошипно шатунного механизма позволяет во время работы в каждом такте расширения получать большую мощность, чем мощность, которая была затрачена на сжатие, даже без подвода топлива. Это связано с тем, что отрицательная работа, затраченная на сжатие для повышении энергии с T₁ до T₂ при расширении, совершая положительную работу, уменьшит температуру тела (газа) с T₂ до T₁ за меньшее время, чем то, которое было затрачено на сжатие, а за то же время поворота кривошипов параметры в цилиндре при расширении станут ниже первоначальных, т.е. происходит изменение энтропии по времени с величины S₁ до S₂ (фиг.9), что понижает энергию окружающего тепла, заключенную в цилиндре с T₁ до T₃.The use of a fundamentally new technical solution in the motor industry, consisting in the special arrangement of the crank mechanism, allows during operation in each expansion stroke to receive more power than the power that was spent on compression, even without fuel supply. This is due to the fact that the negative work spent on compression to increase energy from T ₁ to T ₂ during expansion, performing positive work, will reduce the temperature of the body (gas) from T ₂ to T ₁ in less time than the one that was spent compression, and during the same time the cranks are rotated, the parameters in the cylinder during expansion will become lower than the original ones, i.e. there is a change in entropy in time from the value of S ₁ to S ₂ (Fig.9), which reduces the energy of the ambient heat enclosed in the cylinder from T ₁ to T ₃ .

Изобретение позволяет производить горение топлива при постоянном объеме (по изохорному процессу) путем правильной установки угла опережения зажигания или впрыска топлива через форсунку в дизельном варианте. The invention allows for the combustion of fuel at a constant volume (according to the isochoric process) by properly setting the ignition timing or fuel injection through the nozzle in the diesel version.

Увеличится общий объем расширения, что приведет к снижению температуры газов, понижая их токсичность на выпуске. The total expansion volume will increase, which will lead to a decrease in the temperature of the gases, lowering their toxicity at the outlet.

Все эти факторы позволяют значительно снизить удельный расход топлива на 1 л.с./ч, причем с увеличением крутящего момента на валу двигателя, что позволит ему работать даже при малых оборотах. Поднимется КПД двигателя. All these factors can significantly reduce specific fuel consumption by 1 hp / h, and with increasing torque on the engine shaft, which will allow it to work even at low revs. The engine efficiency will rise.

Claims

1. A twin two-four-stroke engine containing a two-stroke and four-stroke cylinders having a common combustion chamber with an inlet valve, an exhaust window is located in the wall of the two-stroke cylinder, two crankshafts that drive the pistons and are interconnected by a 1: 2 transmission, characterized in that that the crank of the four-cylinder is mounted to the piston in its upper dead point and the crank two-stroke cylinder with a piston mounted on a four-ahead angle 45 ^o or close to it from its upper dead point and.

2. The engine under item 1, characterized in that the working volumes of the cylinders are equal.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the combustion chamber is installed in the working volume of the two-stroke and four-stroke cylinders.

4. The engine according to claim 1, characterized in that the piston of the four-stroke cylinder with its upper part is installed in a common combustion chamber.