RU2235211C2

RU2235211C2 - Multifunctional rotary timing mechanism

Info

Publication number: RU2235211C2
Application number: RU2001126448/06A
Authority: RU
Inventors: В.А. Романов (RU); В.А. Романов; Н.Н. Драгунов (RU); Н.Н. Драгунов
Original assignee: Романов Владимир Анисимович; Драгунов Николай Николаевич
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2004-08-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: proposed rotary timing mechanism contains cylinder head with intake and exhaust ports and channels and cylindrical rotor with cross segment-shaped intake and exhaust slots. Bypass channels are made in head differing in design to provide bypass of fuel-air charge from intake slots for intake into other cylinders or delivery of charge through exhaust slots for afterburning or supply of vapor-forming or combustion addition through exhaust slots. Rotor and head seal is made in form of sealed movable partition separating surface of head from cylinder space on which two shaped through projections are made from side of head getting into intake and exhaust ports of head corresponding to said projections over outer contour. End face surfaces of projections are made identical to cylindrical surface of rotor, and through threaded channel for connection with nozzle or spark plug is made on surface of partition.

EFFECT: reduced fuel consumption of internal combustion engine.

6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам газораспределения, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания, и может быть использовано в конструкциях двигателей с внешним и внутренним смесеобразованием, с двухтактным и четырехтактным циклом работы, работающих на жидком или газообразном топливе, а также с различным количеством цилиндров.The invention relates to gas distribution devices, mainly in reciprocating internal combustion engines, and can be used in the construction of engines with external and internal mixture formation, with a push-pull and four-stroke cycle of operation, operating on liquid or gaseous fuel, as well as with a different number of cylinders.

Золотниковые механизмы газораспределения известны. При их использовании можно обеспечить большие проходные сечения для газов, уменьшить уровень шума, динамические нагрузки на детали привода и значительно упростить конструкцию по сравнению с клапанным механизмом газораспределения, кроме того, они обеспечивают возможность работы при большой частоте вращения (Двигатели внутреннего сгорания/Алексеев и др. М.: Машиностроение, 1990, с.81).Valve timing mechanisms are known. When using them, it is possible to provide large gas cross-sections, reduce noise, dynamic loads on drive parts and significantly simplify the design compared to the valve timing mechanism, in addition, they provide the ability to work at a high speed (Internal combustion engines / Alekseev, etc. M.: Mechanical Engineering, 1990, p. 81).

Наиболее близким аналогом заявленного является роторный механизм газораспределения, содержащий головку с впускным и выпускным газопроводящими трактами, образованными впускными и выпускными окнами и каналами головки, и цилиндрический ротор с поперечными впускными и выпускными пазами (Патент США №4989576, кл. F 01 L 7/00, 1991 г. - прототип).The closest analogue of the claimed is a rotary gas distribution mechanism containing a head with inlet and outlet gas ducts formed by inlet and outlet windows and head channels, and a cylindrical rotor with transverse inlet and outlet grooves (US Patent No. 49989576, class F 01 L 7/00 , 1991 - prototype).

Основным недостатком известных роторных газораспределительных механизмов и прототипа является отрицательное влияние их пазов (каналов) на процессы работы двигателя при тактах сжатия, впуска и рабочего хода. Так, впускные пазы ротора, сообщаясь с полостями цилиндра при тактах сжатия, после прохождения впускных окон захватывают часть рабочей смеси, находящейся под избыточным давлением, и переносят ее в зону впускных каналов, которая, при сообщении их с последними, выбрасывается навстречу поступающему по впускным каналам свежему заряду, тормозя его скорость, что снижает эффективность наполнения цилиндров и соответственно КПД двигателя в целом. Выпускные пазы также, при сообщении в последней стадии рабочего хода с выпускными окнами, снижают импульс давления рабочих газов на поршни, что также снижает КПД двигателя.The main disadvantage of the known rotary gas distribution mechanisms and the prototype is the negative impact of their grooves (channels) on the processes of the engine during compression, intake and working strokes. So, the rotor inlet grooves, communicating with the cylinder cavities during compression strokes, after passing through the inlet windows capture a part of the working mixture that is under overpressure and transfer it to the inlet channel zone, which, when they communicate with the latter, is thrown out to meet the inlet channels fresh charge, slowing its speed, which reduces the efficiency of filling the cylinders and, accordingly, the efficiency of the engine as a whole. The exhaust grooves also, when communicating with the exhaust ports in the last stage of the working stroke, reduce the pressure pulse of the working gases on the pistons, which also reduces the efficiency of the engine.

Технической задачей изобретения является исключение этого недостатка и повышение КПД двигателя.An object of the invention is to eliminate this drawback and increase engine efficiency.

Решение поставленной задачи достигнуто тем, что головка снабжена перепускными каналами, обеспечивающими перепуск заряда топливовоздушной смеси из впускных пазов на впуск в другие цилиндры, или ввод его через выпускные пазы для дожигания, или введение через них парообразующей или горючей присадки.The solution to this problem is achieved by the fact that the head is equipped with bypass channels providing a bypass charge of the air-fuel mixture from the inlet grooves to the inlet to the other cylinders, or entering it through the outlet grooves for afterburning, or introducing a vapor-generating or combustible additive through them.

Так, для обеспечения избирательного перепуска в многоцилиндровом двигателе головка цилиндров снабжена перепускными каналами, входы которых расположены на поверхностях головки, описываемых при вращении впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены во впускных каналах в зонах, примыкающих к впускным окнам, при этом в четырехтактном двигателе каналы сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и впуска, а в двухтактном двигателе сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и впуска-выпуска.So, to ensure selective bypass in a multi-cylinder engine, the cylinder head is equipped with bypass channels, the inputs of which are located on the surfaces of the head, described by rotation of the inlet grooves of the rotor at a distance of not less than the circumferential length of the inlet groove behind the inlet windows, and the outputs are located in the inlet channels in areas adjacent to the inlet windows, while in the four-stroke engine the channels communicate with each other cylinders, in which the strokes of the stroke and intake are simultaneously carried out, and in the two-stroke engine The cylinders, in which the strokes of the stroke and the inlet-outlet are simultaneously carried out, are informed to the ejector.

Кроме того, с целью создания в течение рабочего хода дополнительного импульса давления за счет возвращения в цилиндр и сжигания части заряда горючей смеси, поступившей во впускной паз при такте сжатия, головка в многоцилиндровом двигателе снабжена перепускными каналами, входы которых расположены на поверхностях, описываемых впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены на поверхностях, описываемых выпускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины выпускного паза за выпускными окнами, при этом в четырехтактном двигателе каналы сообщают между собой цилиндры, в которых одновременно осуществляются такты рабочего хода и сжатия, а в двухтактном двигателе сообщают между собой цилиндры, в которых фазы газораспределения сдвинуты на 90°.In addition, in order to create an additional pressure impulse during the working stroke by returning to the cylinder and burning part of the charge of the combustible mixture entering the inlet groove during the compression stroke, the head in the multi-cylinder engine is equipped with bypass channels, the inputs of which are located on the surfaces described by the inlet grooves the rotor at a distance of not less than the circumferential length of the inlet groove behind the inlet windows, and the outputs are located on the surfaces described by the outlet grooves of the rotor at a distance of not less than the circumferential length usknogo groove of exhaust ports, wherein in the four-stroke engine channels interconnected cylinders, in which both cycles are carried out and compression stroke and in a two-stroke engine interconnected cylinders, in which cam phase shifted by 90 °.

Кроме того, с целью повышения эффективности использования теплоты сгорания рабочих газов и создания дополнительного импульса давления после сжигания основного заряда за счет ввода в цилиндр и сжигания дополнительного заряда горючей смеси, выход перепускного канала в головке по меньшей мере одноцилиндрового двигателя расположен на поверхности головки, описываемой выпускным пазом ротора на расстоянии не менее окружной длины выпускного паза за выпускным каналом головки, а вход соединен с устройством подачи парообразующей или горючей присадки.In addition, in order to increase the efficiency of using the heat of combustion of the working gases and create an additional pressure impulse after burning the main charge by introducing into the cylinder and burning an additional charge of the combustible mixture, the outlet of the bypass channel in the head of at least a single-cylinder engine is located on the surface of the head described by the exhaust the rotor groove at a distance of not less than the circumferential length of the exhaust groove behind the exhaust channel of the head, and the input is connected to the supply device of a vapor-generating or combustible the drawings.

Кроме того, с целью обеспечения одновременного наддува цилиндров головка многоцилиндрового двигателя может быть снабжена перепускными каналами, входы которых расположены на поверхностях, описываемых впускными пазами ротора на расстоянии не менее окружной длины впускного паза за впускными окнами, а выходы расположены во впускных каналах в зонах, примыкающих к впускным окнам головки, при этом все входы и выходы каналов сообщаются между собой непосредственно или через ресивер.In addition, in order to ensure simultaneous boost of the cylinders, the head of the multi-cylinder engine can be equipped with bypass channels, the inputs of which are located on the surfaces described by the inlet grooves of the rotor at a distance not less than the circumferential length of the inlet groove behind the inlet windows, and the outputs are located in the inlet channels in the areas adjacent to the inlet windows of the head, while all the inputs and outputs of the channels communicate with each other directly or through the receiver.

Уплотнитель ротора может быть выполнен в виде герметичной подвижной перегородки, отделяющей поверхность головки от полости цилиндра, при этом на перегородке со стороны головки выполнены два фигурных сквозных выступа, входящие в соответствующие им по наружному контуру впускное и выпускное окна головки, а их торцевые поверхности выполнены идентичными цилиндрической поверхностью ротора, при этом на перегородке выполнен также сквозной резьбовой канал для соединения с форсункой или свечой зажигания.The rotor seal can be made in the form of a sealed movable partition separating the surface of the head from the cylinder cavity, while on the septum on the side of the head there are two figured through protrusions included in the inlet and outlet windows of the head corresponding to them along the outer contour, and their end surfaces are identical the cylindrical surface of the rotor, while a through threaded channel is also made on the baffle for connection with a nozzle or spark plug.

На фиг.1 изображен общий вид сверху с частичным ступенчатым разрезом четырехтактного четырехцилиндрового двигателя с порядком работы 1-3-4-2; на фиг.2 - ступенчатый разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - ступенчатый разрез двухтактного двигателя; на фиг.4 - общий вид ротора; на фиг.5, 6 - варианты уплотнений ротора в головке.Figure 1 shows a General view from above with a partial step section of a four-stroke four-cylinder engine with an operating procedure of 1-3-4-2; figure 2 is a step section aa of figure 1; figure 3 is a stepped section of a two-stroke engine; figure 4 is a General view of the rotor; figure 5, 6 - options for sealing the rotor in the head.

Двигатель с роторным механизмом газораспределения содержит цилиндр 1 (фиг.3) с поршнем 2, головку цилиндра 3, в который выполнены впускной канал 4, впускное окно 5, выпускное окно 6 и выпускной канал 7.An engine with a rotary gas distribution mechanism comprises a cylinder 1 (Fig. 3) with a piston 2, a cylinder head 3 into which an inlet channel 4, an inlet window 5, an outlet window 6 and an outlet channel 7 are formed.

В осевом канале головки установлен ротор 8, в котором выполнены впускной 9 и выпускной 10 пазы.A rotor 8 is installed in the axial channel of the head, in which the inlet 9 and the outlet 10 grooves are made.

На поверхности ротора 8, установленного в головке на подшипниках, между пазами 9, 10 выполнены кольцевые канавки 11, в которых установлены кольцевые уплотнители 12 (фиг.4).On the surface of the rotor 8, mounted in the head on the bearings, between the grooves 9, 10 there are annular grooves 11 in which the annular seals 12 are installed (Fig. 4).

В головке 3 на стенке осевого канала выполнены продольные канавки 13, в которых установлены продольные уплотнители 14, подпружиненные пружиной 15 (фиг.5).In the head 3 on the wall of the axial channel there are longitudinal grooves 13 in which longitudinal seals 14 are installed, spring-loaded with a spring 15 (Fig. 5).

Головка может быть также снабжена уплотнителем 16 (фиг.3, 6) в виде герметичной перегородки с впускным 17 и выпускным 18 выступами, выполненными заодно с прокладкой головки блока с элементом упругой подвижности, например, сильфоном 19. В головке выполнен резьбовой канал 20 для соединения с форсункой 24 (фиг.3).The head can also be equipped with a seal 16 (Figs. 3, 6) in the form of a sealed partition with an inlet 17 and an outlet 18 protrusions made integral with the gasket of the block head with an element of elastic mobility, for example, a bellows 19. A threaded channel 20 is made in the head for connection with a nozzle 24 (figure 3).

Головка может быть снабжена перепускными каналами 21, 22 (частично изображены на фиг.1) для перепуска, или каналами 23 для ввода в цилиндры горючей или парообразующей присадки (фиг.2), или каналами 25 для перепуска и дожигания заряда рабочей смеси из впускного паза через выпускной.The head can be equipped with bypass channels 21, 22 (partially shown in figure 1) for bypass, or channels 23 for introducing into the cylinders a combustible or vapor-forming additive (figure 2), or channels 25 for bypassing and afterburning the charge of the working mixture from the inlet groove through graduation.

Четырехтактный двигатель с роторным механизмом газораспределения работает функционально аналогично двигателю с клапанным механизмом газораспределения.The four-stroke engine with a rotary valve timing works functionally similarly to an engine with a valve timing mechanism.

Так, при вращении ротора 8 его впускные 9 и выпускные пазы 10 периодически через впускное 5 и выпускное 6 окна головки сообщают полости цилиндров с впускными 4 и выпускными каналами 7.So, when the rotor 8 is rotated, its inlet 9 and outlet grooves 10 periodically through the inlet 5 and outlet 6 of the head window inform the cavity of the cylinder with inlet 4 and outlet channels 7.

В двухтактном двигателе роторный механизм газораспределения также содержит впускные пазы 9 (фиг.3) и выпускные пазы 10, которые через окна головки сообщают полости цилиндров с впускными 4 и выпускными 7 каналами головки и обеспечивают при движении поршня у НМТ выпуск, продувку и впуск, эквивалентные петлевой или кривошипно-камерной схеме газообмена.In a two-stroke engine, the rotary gas distribution mechanism also contains inlet grooves 9 (Fig. 3) and exhaust grooves 10, which through the windows of the head communicate cylinder cavities with inlet 4 and 7 outlet channels of the head and provide, when the piston moves at the BDC, exhaust, purge and inlet equivalent loop or crank chamber gas exchange scheme.

Взаимное расположение окон и каналов головки и пазов ротора и их размеры и длина обеспечивает требуемую длительность фаз, их перекрытие и тактность работы двигателя, а также выполнение дополнительных функций.The mutual arrangement of the windows and channels of the head and grooves of the rotor and their size and length provides the required phase duration, their overlap and the clock cycle of the engine, as well as additional functions.

В отличие от известных роторных механизмов, выполняющих только функцию клапанов, пазы роторного механизма по данному изобретению не только выполняют функцию клапанов, но и, перепуская заряд или вводя в цилиндр присадку, повышают эффективность рабочих процессов, протекающих в цилиндрах и КПД двигателя в целом.In contrast to the known rotary mechanisms that perform only the function of valves, the slots of the rotor mechanism of this invention not only perform the function of valves, but also, by passing a charge or introducing an additive into the cylinder, increase the efficiency of work processes in the cylinders and the efficiency of the engine as a whole.

Так, впускной паз в первой половине такта сжатия сообщается с полостью цилиндра и после прохождения кромки впускного окна головки отсекает от полости часть заряда, находящуюся под избыточным давлением, которое определяется окружной длиной впускного окна головки и длиной впускного паза ротора.So, the inlet groove in the first half of the compression stroke communicates with the cylinder cavity and, after passing the edge of the inlet window of the head, cuts off the part of the charge under pressure that is determined by the circumferential length of the inlet window of the head and the length of the inlet groove of the rotor.

При следующем такте впуска заряд паза выбрасывается в зону впускного окна другого цилиндра, повышая величину давления относительно давления при первом сжатии. Затем, при последующих оборотах, процесс повышения давления продолжается и, достигнув максимального, прекращается.At the next intake stroke, the groove charge is ejected into the inlet region of the other cylinder, increasing the pressure relative to the pressure during the first compression. Then, at subsequent revolutions, the process of increasing pressure continues and, having reached maximum, stops.

Перепуская заряды впускных пазов в другие цилиндры, можно обеспечить избирательный или общий наддув с эффектом эжекции впускных газов, поступающих по впускным каналам головки, перепуская заряды впускных пазов в выпускные пазы и сжигая их во второй половине рабочего хода после срабатывания основного заряда, создать дополнительный импульс силы на поршень, а подавая через выпускной паз в цилиндр горючую или парообразующую присадку, также можно создать дополнительный силовой импульс на поршень, улучшив использование рабочего объема цилиндра и теплоты рабочих газов.By transferring the charges of the inlet grooves to other cylinders, it is possible to provide selective or general pressurization with the effect of ejection of the intake gases entering the inlet channels of the head, by passing the charges of the inlet grooves into the exhaust grooves and burning them in the second half of the stroke after the main charge is activated, to create an additional impulse of force to the piston, and by supplying a combustible or vapor-forming additive through the exhaust groove into the cylinder, it is also possible to create an additional power impulse to the piston, improving the use of the working volume of cyl core and heat of working gases.

Работа роторных механизмов с различными вариантами перепускных каналов и с каналом для ввода присадки поясняется графическими материалами фиг.1, 2, 3.The operation of rotor mechanisms with various versions of the bypass channels and with the channel for the introduction of additives is illustrated in the graphic materials of figures 1, 2, 3.

Ротор газораспределительного механизма может содержать два впускных и два выпускных паза на один цилиндр, при этом передаточное отношение привода ротора уменьшается в 2 раза, а пазы ротора смещаются относительно друг друга с учетом обеспечения требуемой длительности фаз, их чередования и перекрытия.The gas distribution mechanism rotor may contain two inlet and two exhaust grooves per cylinder, while the gear ratio of the rotor drive is reduced by 2 times, and the rotor grooves are shifted relative to each other, taking into account the required phase duration, their rotation and overlap.

Продолжительность фаз газораспределения определяется размерами пазов ротора в окружном направлении, а суммарная окружная длина окон головки и расстояние между задней кромкой выпускного паза и передней кромкой впускного паза определяют величину перекрытия фаз.The duration of the valve timing is determined by the size of the rotor slots in the circumferential direction, and the total circumferential length of the head windows and the distance between the trailing edge of the outlet groove and the leading edge of the inlet groove determine the amount of phase overlap.

В головке может быть установлено два ротора, один из которых снабжен только впускными пазами (впускной ротор), а другой - только выпускными пазами (выпускной), при этом обеспечивается уменьшение габаритов головки.Two rotors can be installed in the head, one of which is equipped only with inlet grooves (inlet rotor), and the other with only exhaust grooves (outlet), while reducing the size of the head.

Перепускные каналы могут быть выполнены непосредственно в теле головки или с использованием трубопроводов.Bypass channels can be made directly in the body of the head or using pipelines.

Впускной паз ротора целесообразно выполнять с симметричным сегментообразным сечением вдоль его оси и с радиусным дном, а выпускной паз - с передней стенкой, имеющей профиль лопатки турбины, и также с радиусным дном, что обеспечит создание вращательного момента за счет усилия выпускаемых отработавших газов для привода ротора.It is advisable to make the rotor inlet groove with a symmetrical segmented section along its axis and with a radial bottom, and the outlet groove with a front wall having the turbine blade profile and also with a radial bottom, which will ensure the creation of torque due to the force of the exhaust gases to drive the rotor .

Варианты уплотнителей могут использоваться в роторном механизме как по отдельности, так и совместно.Variants of gaskets can be used in the rotary mechanism both individually and jointly.

Перепускные каналы обеспечивают не только повышение литровой мощности и КПД, но и расширение функциональных возможностей механизма, направленных на дальнейшее повышение литровой мощности и КПД.Bypass channels provide not only an increase in liter capacity and efficiency, but also an extension of the functionality of the mechanism, aimed at further increasing liter capacity and efficiency.

Так, в предложенном роторном механизме вращение ротора обеспечивается выхлопными газами, обеспечивается избирательный или общий автоматический наддув цилиндров свежим зарядом или сжигание в два этапа заряда, поступившего в цилиндр, или сжигание в процессе рабочего хода дополнительного заряда топлива, находящегося во впускном пазе ротора, или введение в процессе рабочего хода парообразующей присадки с целью охлаждения ротора и более полного использования теплоты сгорания.So, in the proposed rotary mechanism, the rotor is rotated by exhaust gases, selective or general automatic pressurization of the cylinders with a fresh charge is ensured, or two stages of the charge received in the cylinder are burned, or an additional charge of fuel in the rotor inlet groove is burned during the working stroke, or introduction during the working course of the vapor-forming additive in order to cool the rotor and more fully use the heat of combustion.

Использование предложенного роторного многофункционального механизма газораспределения в двигателях внутреннего сгорания позволит достичь более высоких показателей их работы в сравнении с двигателями, оборудованными известными роторными механизмами газораспределения.Using the proposed rotary multifunctional gas distribution mechanism in internal combustion engines will achieve higher performance in comparison with engines equipped with known rotary gas distribution mechanisms.

Claims

1. A rotary gas distribution mechanism comprising a cylinder head with inlet and outlet windows and channels and a cylindrical rotor with transverse segmented inlet and outlet grooves, characterized in that the bypass channels are made in the head.

2. The rotor mechanism according to claim 1, characterized in that the inputs of the bypass channels in the head of the multi-cylinder engine are made on the surfaces of the head described by rotation of the rotor inlet grooves at a distance of not less than the circumferential length of the inlet groove behind the head inlet windows, and the outputs are located in the inlet channels in areas adjacent to the inlet windows, while in the four-stroke engine, the channels communicate with each other cylinders, in which the strokes of the stroke and intake are simultaneously carried out, and in the two-stroke engine communicate a cylinder in which both cycles are carried out of the working stroke and the inlet-outlet.

3. The rotor mechanism according to claim 1, characterized in that the inputs of the bypass channels in the head of the multi-cylinder engine are made on surfaces described by rotation of the rotor inlet grooves at a distance of not less than the circumferential length of the inlet groove behind the inlet windows, and the outputs are located on the surfaces described by the outlet grooves of the rotor, at a distance of not less than the circumferential length of the exhaust groove behind the exhaust channel of the head, while in a four-stroke engine the channels communicate with each other cylinders, in which the cycle is simultaneously carried out s of the stroke and compression, and in a two-stroke engine communicate with each other cylinders in which the valve timing is shifted 90 °.

4. The rotor mechanism according to claim 1 or 2, characterized in that the output of the bypass channel in the head of at least the single-cylinder engine is located on the surface of the head described by the outlet groove of the rotor at a distance of not less than the circumferential length of the outlet groove behind the outlet channel of the head, and the input is connected to a steam-generating or combustible additive supply device.

5. The rotor mechanism according to claim 1 or 4, characterized in that the inputs of the bypass channels in the head of the multi-cylinder engine are made on the surfaces of the head described by the inlet grooves of the rotor at a distance of not less than the circumferential length of the inlet groove behind the inlet windows, and the outputs are located in the inlet channels in zones adjacent to the inlet windows of the head, while all the inputs and outputs of the channels communicate with each other directly or through the receiver.

6. The rotor mechanism according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the rotor and head seal is made in the form of a sealed movable partition separating the surface of the head from the cylinder cavity, on which two curly through protrusions are made on the side of the head, included in their corresponding along the outer contour of the inlet and outlet windows of the head, and their end surfaces are identical to the cylindrical surface of the rotor, while on the surface of the partition there is also a through threaded channel for connection with the nozzle or spark plug.