RU2261341C2

RU2261341C2 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2261341C2
Application number: RU2003118095/06A
Authority: RU
Inventors: А.В. Помогаев (RU); А.В. Помогаев
Original assignee: Помогаев Анатолий Васильевич
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2005-09-27
Also published as: RU2003118095A

Abstract

FIELD: transport and power engineering; engines.

SUBSTANCE: proposed engine contains blocks with compressor cylinders and working cylinders, each block consists of two compressor cylinders and four cylinders of working machines. Pistons are rigidly intercoupled by rods through which pin passes forming common part mechanically connected with rods and cranks. Block heads are separated from cylinders by partition hole for channels. Valves open to side from cylinder. Blocks are parallel and are grouped into common engine with displacement through angle 0° to 180°.

EFFECT: increased degree of expansion, specific power output and engine efficiency.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в транспортной технике и энергетике.The invention relates to the field of engine engineering and can be used in transport equipment and energy.

Известны поршневые двигатели, которые выполняют все 4 такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск в одном и том же цилиндре («Тракторы и автомобили», Москва, Агропромиздат, 1985, стр.13). При этом за один оборот вала происходят только два такта: или впуск и сжатие, или рабочий ход и выпуск. Заметим, что впуск и сжатие - функция специальной машины - компрессора, а рабочий ход и выпуск - рабочей (тепловой) машины.Known piston engines that perform all 4 cycles: intake, compression, stroke and exhaust in the same cylinder (Tractors and Cars, Moscow, Agropromizdat, 1985, p. 13). In this case, only two cycles occur during one revolution of the shaft: either inlet and compression, or working stroke and exhaust. Note that inlet and compression are a function of a special machine - a compressor, and the stroke and exhaust - a working (thermal) machine.

Таким образом, в одном цилиндре как бы по очереди работают две машины: компрессор и тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию. Нельзя поменять местами впуск и сжатие, рабочий ход и выпуск, тем более такты из соседних машин.Thus, two machines, as it were, in turn operate in one cylinder: a compressor and a heat engine that converts heat into mechanical energy. It is impossible to interchange the inlet and compression, the working stroke and the release, especially the strokes from neighboring machines.

Наиболее близким изобретением, выбранным в качестве прототипа, является двигатель внутреннего сгорания, содержащий компрессор и рабочие цилиндры, причем в компрессоре происходят такты всасывания и сжатия, а в рабочих - рабочий ход и выхлоп, поршни жестко соединены со штоками, в которых закреплены пальцы, при этом компрессор соединен с рабочими цилиндрами, газовыми тамбурами, представляющими собой камеру с клапанами на входе и выходе, в рабочих цилиндрах установлены свечи накаливания, все блоки параллельны друг другу и группируются в единый двигатель, смещаясь по фазе на некоторый угол (0...180°) (см. WO 85/02655, F 02 В 33/22, 1985).The closest invention, selected as a prototype, is an internal combustion engine containing a compressor and working cylinders, with suction and compression cycles occurring in the compressor, and a working stroke and exhaust in working ones, the pistons are rigidly connected to the rods in which the fingers are fixed, with this compressor is connected to the working cylinders, gas tambours, which are a chamber with valves at the inlet and outlet, glow plugs are installed in the working cylinders, all the blocks are parallel to each other and are grouped into one motor, shifting in phase by a certain angle (0 ... 180 °) (see WO 85/02655, F 02 B 33/22, 1985).

Однако известное изобретение не обеспечивает высокую степень расширения и высокую удельную мощность, а следовательно, и невысокий КПД.However, the known invention does not provide a high degree of expansion and high specific power, and therefore, low efficiency.

Задачей изобретения является увеличение степени расширения, увеличение удельной мощности и повышение КПД двигателя.The objective of the invention is to increase the degree of expansion, increase specific power and increase engine efficiency.

Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания содержит блоки с цилиндрами компрессора, цилиндрами рабочих машин, головки блоков, свечи накаливания, поршни, размещенные в цилиндрах, газовые тамбуры, представляющие собой камеру с клапанами на входе и на выходе, при этом каждый блок состоит из двух цилиндров компрессора и четырех рабочих машин, поршни жестко связаны между собой штоками, через штоки проходит палец, образующий единую деталь, имеющую кинематическую связь со штоками и кривошипами, головки блоков отделены от цилиндров перегородкой с отверстием для каналов, клапаны открываются в сторону от цилиндра, блоки параллельны друг другу и группируются в единый двигатель со смещением на угол 0...180°. Двигатель снабжен форсунками для топлива и воды. Рабочие цилиндры имеют форсунки, расположенные в цилиндрах рабочих машин. Форсунки смонтированы на газовых тамбурах.The problem is solved due to the fact that the internal combustion engine contains blocks with compressor cylinders, working machine cylinders, block heads, glow plugs, pistons placed in cylinders, gas tambours, which are a chamber with valves at the input and output, each the block consists of two compressor cylinders and four working machines, the pistons are rigidly interconnected by rods, a finger passes through the rods, forming a single part that has a kinematic connection with the rods and cranks, block heads tdeleny from the cylinder wall with an opening for the channels, valves are opened in the direction of the cylinder block parallel to each other and grouped in a single engine with an offset by an angle of 0 ... 180 °. The engine is equipped with nozzles for fuel and water. The working cylinders have nozzles located in the cylinders of the working machines. Nozzles mounted on gas platforms.

На фиг.1 и 2 в масштабе 1:4 показан вариант двигателя из четырех блоков, смещенных по фазе на 90° (граница головок блоков показана штрихпунктирной линией, чтобы представить размеры всего двигателя). На фиг.3 - группировка блоков способом кинематической связи шатунов разных блоков с общим кривошипом. Каждый блок состоит из двух компрессорных цилиндров 1, диаметром - 80 мм и четырех цилиндров рабочих машин, которые имеют диаметр 98 мм. В цилиндрах 1 размещены поршни 3, а в цилиндрах 2 - поршни 4. Поршни между собой жестко связаны штоками 5, через все штоки проходит палец 6, который вращается в подшипниках 7. К пальцу жестко прикреплены шатуны, а к шатунам - шейки 9, которые вращаются в подшипниках 10, а подшипники сидят в дисках-кривошипах 11, кривошипы вращаются во внешних подшипниках 12, к кривошипам жестко присоединены шестерни 13, а к одной из них маховик 14. К цилиндрам 2 подходят форсунки 15 для топлива и воды и свечи накаливания 16. К цилиндру 1 подходит впускной канал 17, который перекрывается клапаном 18.Figures 1 and 2 on a scale of 1: 4 show an embodiment of an engine of four blocks phase-shifted 90 ° (the boundary of the block heads is shown by a dash-dot line to represent the dimensions of the entire engine). Figure 3 - grouping of blocks by the kinematic connection of connecting rods of different blocks with a common crank. Each block consists of two compressor cylinders 1, with a diameter of 80 mm and four cylinders of working machines, which have a diameter of 98 mm. Pistons 3 are placed in the cylinders 1, and pistons 4 are located in the cylinders 2. The pistons are rigidly connected by rods 5, the pin 6 passes through all the rods, which rotates in the bearings 7. The rods are rigidly attached to the finger, and the necks 9 are attached to the rods, which rotate in bearings 10, and bearings sit in crank disks 11, cranks rotate in external bearings 12, gears 13 are rigidly attached to cranks, and flywheel 14 is attached to one of them. Nozzles 15 for fuel and water and glow plugs 16 are suitable for cylinders 2 . Inlet 1 is suitable for cylinder 1, which cross yvaetsya valve 18.

Цилиндр 1 связан с цилиндрами 2 газовыми тамбурами 19. Выход из цилиндра 1 запирается каналом 20, но для тамбура - это вход, поэтому клапан назовем «входным», а клапан 21 - «выходным».Cylinder 1 is connected to cylinders 2 by gas tambours 19. The exit from cylinder 1 is locked by channel 20, but for the tambour it is the inlet, therefore, we will call the valve “inlet” and valve 21 - “outlet”.

Цилиндр 2 имеет выпускной канал 22, перекрываемый клапаном 23. Двигатель обслуживается шестью распредвалами 24. Распредвалы открывают клапаны 18 и 23 при помощи толкателей 25 и коромысел 26, а клапаны 20 и 21 при помощи перекладин 27.The cylinder 2 has an exhaust channel 22, blocked by a valve 23. The engine is serviced by six camshafts 24. The camshafts open the valves 18 and 23 using the pushers 25 and the rocker arm 26, and the valves 20 and 21 using the crossbars 27.

Кулачковый механизм настроен так, что при движении пальца 6 «вниз» (описание идет по фиг.1) клапаны 18 и 21 открыты, а клапаны 20 и 22 закрыты и наоборот: при движении пальца 6 вверх клапаны 18 и 21 закрыты, а клапаны 20 и 22 открыты: топливная форсунка открывается вместе с клапаном 21, а водяная через 40...50° поворота кривошипа 11.The cam mechanism is configured so that when the finger 6 moves “down” (the description is shown in FIG. 1), the valves 18 and 21 are open, and the valves 20 and 22 are closed and vice versa: when the finger 6 moves up, the valves 18 and 21 are closed, and the valves 20 and 22 are open: the fuel nozzle opens together with the valve 21, and the water nozzle through the 40 ... 50 ° rotation of the crank 11.

Работает двигатель следующим образом.The engine operates as follows.

При запуске двигателя включают зажигание и свеча 16 работает, пока ее не выключат. Потом пусковым механизмом вращают маховик 14. Если палец 6 пойдет вниз, то цилиндр 1 через впускной канал 17 и открытый клапан 18 будет всасывать воздух (такт «всасывания»), а в цилиндрах 2 создается разрежение. После того, как палец 6 начнет обратное движение, воздух, поступивший в цилиндр 1, начнет в нем сжиматься, так как клапан 18 будет закрыт, но откроется клапан 20 и сжимаемый воздух будет поступать в тамбурную камеру 19. Когда поршень 3 достигнет верхней мертвой точки (ВМТ), весь сжатый воздух окажется в камере 19. После этого палец 6 снова пойдет «вниз», при этом откроется клапан 21 и топливная форсунка 15. Сжатый воздух из камеры 19 начнет поступать в цилиндр 2, где он смещается с топливом, смесь коснется раскаленной нити свечи 16 и воспламенится. Так начинается рабочий ход в цилиндрах 2, а в цилиндре 1 в это время будет происходить очередной такт «всаса». После того, как воспламенится все топливо, поршень 4 будет находиться примерно на середине цилиндра 2 и в это время произойдет впрыск воды, что приведет к росту давления в цилиндре и падению температуры до 100°С. Когда поршни 3 и 4 придут в нижнюю мертвую точку (НМТ), то в цилиндре компрессора 1 и в цилиндрах рабочих машин 2 будет давление около 1 ат. При следующем движении пальца 6 вверх в цилиндре 1 пойдет очередной такт сжатия, а в цилиндре 2 первый такт выхлопа, а при следующем движении вниз пальца 6 (а также поршней и штоков) цикл начнет повторяться. Нижняя часть блока работает в противофазе к верхней (сдвинута на 180°). Все четыре блока: I, II, III и IV работают точно также, но сдвинуты по фазе относительно соседа на 90°. Это позволяет избежать мертвых точек и помогать тому блоку, в котором заканчивается такт сжатия. Дело в том, что при степени сжатия 8.5 давление в конце сжатия достигает 20-25 ат, в то время как в конце рабочего хода давления уже нет. Поэтому даже в лучшем случае, когда в цилиндрах 2 верха идет рабочий ход и в нижнем цилиндре 1 - сжатие, сам блок с этой работой без посторонней помощи не справится. Помогать будут соседние блоки и маховик. Без помощи маховика можно обойтись только, если блоков будет столько, что рабочие ходы будут следовать друг за другом через 10...20° оборота рабочего вала. Предлагаемое изобретение позволяет решить и эту проблему, используя группировку блоков способом кинематической связки шатунов разных блоков с общим кривошипом, как показано на фиг.3. Тогда число поршней и цилиндров, работающих на один вал, еще удвоится. Но и без этого удельная мощность повышена примерно в 4 раза. Для сравнения принят четырехцилиндровый двигатель для «Жигулей», имеющий 80 мм и ход 66 мм. Именно эти размеры заложены в компрессор предлагаемого двигателя. У рабочих машин ⌀ 98 мм, а ход тоже 66 мм. При этом объем двух рабочих машин равен трем жигулевским. Поэтому можно считать, что на одном пальце сидят два жигулевских мотора, а пальцев четыре. Поэтому литраж в 8 раз больше. Возьмем худший вариант, когда литровая мощность в 2 раза ниже «жигулевской». Тогда общий выигрыш в мощности - 4 раза. А габариты остались такие же примерно, как у «жигулевского»: 600×600×400 мм × мм. Таким образом, мы получим самый компактный поршневой двигатель.When the engine is started, the ignition is turned on and the candle 16 works until it is turned off. Then, the flywheel is rotated by the starting mechanism 14. If finger 6 goes down, then cylinder 1 through the inlet channel 17 and open valve 18 will suck in air (“suction” cycle), and a vacuum is created in the cylinders 2. After the finger 6 starts the reverse movement, the air entering the cylinder 1 will begin to compress in it, since the valve 18 will be closed, but the valve 20 will open and the compressed air will enter the vestibule chamber 19. When the piston 3 reaches the top dead center (TDC), all the compressed air will be in the chamber 19. After that, the finger 6 will go “down” again, and the valve 21 and the fuel nozzle 15 will open. Compressed air from the chamber 19 will begin to flow into the cylinder 2, where it moves with the fuel, the mixture touches the hot thread of the candle 16 and ignites. So begins the working stroke in the cylinders 2, and in the cylinder 1 at this time the next tact of “suction” will take place. After all the fuel ignites, the piston 4 will be located approximately in the middle of the cylinder 2 and at this time water will be injected, which will lead to an increase in pressure in the cylinder and a drop in temperature to 100 ° C. When the pistons 3 and 4 come to the bottom dead center (BDC), then in the cylinder of the compressor 1 and in the cylinders of the working machines 2 there will be a pressure of about 1 at. The next time the finger 6 moves upward, the next compression stroke will go in cylinder 1, and the first exhaust stroke in the cylinder 2, and the next time the finger 6 (as well as the pistons and rods) moves downward, the cycle will begin to repeat. The lower part of the block works in antiphase to the upper (shifted by 180 °). All four blocks: I, II, III and IV work in exactly the same way, but are 90 ° out of phase with respect to the neighbor. This avoids dead spots and helps the block at which the compression cycle ends. The fact is that with a compression ratio of 8.5, the pressure at the end of compression reaches 20-25 atm, while at the end of the working stroke there is no pressure. Therefore, even in the best case, when there is a working stroke in the cylinders 2 of the top and compression in the lower cylinder 1, the block itself cannot cope with this work without any outside help. The neighboring units and the flywheel will help. Without the help of a flywheel, you can do only if there are so many blocks that the working moves will follow each other after 10 ... 20 ° of rotation of the working shaft. The present invention allows to solve this problem, using the grouping of blocks using the kinematic connection of connecting rods of different blocks with a common crank, as shown in figure 3. Then the number of pistons and cylinders working on one shaft will double even more. But even without this, the specific power is increased by about 4 times. For comparison, a four-cylinder engine for the Lada is adopted, having 80 mm and a stroke of 66 mm. It is these dimensions that are embedded in the compressor of the proposed engine. For working machines ⌀ 98 mm, and the stroke is also 66 mm. Moreover, the volume of two working machines is equal to three Zhiguli. Therefore, we can assume that two Zhiguli motors are sitting on one finger, and four fingers. Therefore, the displacement is 8 times larger. Take the worst case scenario when the liter capacity is 2 times lower than the Zhiguli one. Then the total gain in power is 4 times. And the dimensions remained about the same as those of the Zhiguli: 600 × 600 × 400 mm × mm. Thus, we get the most compact piston engine.

Другой положительный эффект: термодинамический КПД возрастет с 53,5% до 86%, механический с 85% до 95%, потери на несгорания топлива сократятся на 10% (у дизеля потери примерно 5%, у карбюраторных примерно 15%) и мы получим эффективный КПД примерноAnother positive effect: thermodynamic efficiency will increase from 53.5% to 86%, mechanical from 85% to 95%, losses due to non-combustion of fuel will be reduced by 10% (losses in a diesel engine are approximately 5%, in carburettors approximately 15%) and we will get an effective Approximately

η=0,86·0,95·0,95≅0,77 (77%)η = 0.86 · 0.95 · 0.95≅0.77 (77%)

Вместо η=0,535·0,85·0,85≅0,38 (38%), гдеInstead of η = 0.535 · 0.85 · 0.85≅0.38 (38%), where

первый коэффициент - термодинамический КПД;the first coefficient is thermodynamic efficiency;

второй коэффициент - механический КПД;the second coefficient is mechanical efficiency;

третий коэффициент - учитывающий потери топлива.third factor - taking into account fuel losses.

Здесь еще не учтены потери при сдвиге конца горения и укорочение рабочего хода на 50-70°. Конечно, и в новом не все потери учтены, но и в том и в другом случае они уложатся в 10-15% КПД. В любом случае КПД предлагаемого двигателя почти вдвое выше, чем у карбюраторного и в 1,5 раза - дизеля.Here, losses at the end of combustion shift and shortening of the working stroke by 50-70 ° have not yet been taken into account. Of course, in the new one not all losses are taken into account, but in either case they will fall within 10-15% of the efficiency. In any case, the efficiency of the proposed engine is almost twice as high as that of a carburetor and 1.5 times diesel.

Claims

1. An internal combustion engine comprising blocks with compressor cylinders, working machine cylinders, block heads, glow plugs, pistons placed in cylinders, gas pockets, representing a chamber with valves at the inlet and outlet, characterized in that each block consists of two compressor cylinders and four working machine cylinders, the pistons are rigidly connected to each other by rods, a finger passes through the rods, forming a single part, which has a kinematic connection with the rods and cranks, the block heads are separated from the cylinder With a partition with openings for channels, the valves open to the side of the cylinder, and the blocks are parallel to each other and are grouped into a single engine with an offset of 0 ... 180 °.

2. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that it is equipped with nozzles for fuel and water.

3. The internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the working cylinders have nozzles located in the cylinders of the working machines.

4. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the nozzles are mounted on gas tambours.