RU2267011C2 - Piston machine - Google Patents
Piston machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2267011C2 RU2267011C2 RU2004102639/06A RU2004102639A RU2267011C2 RU 2267011 C2 RU2267011 C2 RU 2267011C2 RU 2004102639/06 A RU2004102639/06 A RU 2004102639/06A RU 2004102639 A RU2004102639 A RU 2004102639A RU 2267011 C2 RU2267011 C2 RU 2267011C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- connecting rods
- stage
- pistons
- rods
- piston
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится преимущественно к области машиностроения и энергетики и может быть использовано в различных областях техники в качестве двигателей внутреннего сгорания, паровых машин, насосов, компрессоров, а также гидро- и пневмомоторов.The invention relates primarily to the field of engineering and energy and can be used in various fields of technology as internal combustion engines, steam engines, pumps, compressors, as well as hydraulic and pneumatic motors.
Из уровня техники известно множество поршневых машин с аксиальным (по кругу) расположением цилиндров. В таких машинах преобразование возвратно-поступательного движения поршней, двигающихся в этих цилиндрах, во вращательное движение рабочего вала и наоборот осуществляется посредством наклонного диска, закрепленного на рабочем валу и вращающегося вместе с ним. Поршни через штоки и сцепное устройство, охватывающее края наклонного диска роликами или шарнирно, взаимодействуют с наклонным диском, приводя его во вращение, а поскольку диск жестко насажен на рабочий вал, то и вал начинает вращение. Так осуществляется преобразование одного вида движения в другой в подобных поршневых машинах.The prior art there are many piston machines with axial (in a circle) arrangement of cylinders. In such machines, the conversion of the reciprocating motion of the pistons moving in these cylinders into the rotational motion of the working shaft and vice versa is carried out by means of an inclined disk fixed to the working shaft and rotating with it. Pistons through the rods and the coupling device, covering the edges of the inclined disk with rollers or pivotally, interact with the inclined disk, bringing it into rotation, and since the disk is rigidly mounted on the working shaft, the shaft begins to rotate. Thus, one type of movement is converted into another in similar reciprocating machines.
Из патентной литературы известна поршневая машина (см. патент РФ №2042033, МПК F 01 B 3/02, 1995 г. Бюл. №26), работающая как двигатель внутреннего сгорания, который содержит блок с аксиальным расположением цилиндров, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения помещены поршни. Поршни шарнирно соединены с наклонным диском штоками, которые с целью возможности регулирования степени сжатия выполнены из двух частей, связанных между собой резьбовым соединением и зафиксированных гайкой. Регулирование степени сжатия осуществляется путем удлинения или укорачивания длины штока резьбовым соединением. На противоположных поршням концах штоков выполнены шаровые головки, которые находятся в зацеплении с гнездами, выполненными по краю наклонного диска.A piston machine is known from the patent literature (see RF patent No. 2042033, IPC F 01
Недостатком этого двигателя является то, что при одном полном обороте рабочего вала каждый поршень двигателя совершит по два хода, т.е. по два такта. Следовательно, для осуществления четырехтактного рабочего цикла, как более экономичного и с лучшими экологическими показателями, необходимо два оборота рабочего вала, а это ведет к существенному усложнению газораспределительной системы двигателя в целом и, как следствие, повышается себестоимость двигателя, увеличивается вес и механические потери. Также имеет место сложность изменения степени сжатия рабочего тела.The disadvantage of this engine is that with one full revolution of the working shaft, each engine piston will make two strokes, i.e. two measures each. Therefore, to implement the four-cycle duty cycle, as more economical and with better environmental performance, two turns of the working shaft are necessary, and this leads to a significant complication of the gas distribution system of the engine as a whole and, as a result, the cost of the engine increases, weight and mechanical losses increase. There is also the difficulty of changing the compression ratio of the working fluid.
Также известна поршневая машина, работающая как бескривошипный двухтактный дизель (см. патент РФ №2128774, МПК F 01 B 9/02, В 75/26, 1999 г. Бюл. №10). Дизель содержит блок с аксиально расположенными цилиндрами, к торцам которого соосно присоединены корпус пространственного механизма и головка блока цилиндров. В цилиндрах размещены поршни, штоками соединенные с крейцкопфами, которые помещены в направляющие гнезда, выполненные в корпусе пространственного механизма. Крейцкопфы имеют приливы, образующие собой проушины. В эти проушины установлены ролики, охватывающие тородуговинтовую профильную дорожку качения, выполненную на торцевой поверхности маховика, насажанного на рабочий вал дизеля, таким образом, образуя пространственный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршней, штоков и крейцкопфа во вращательное движение вала с маховиком, и наоборот. В головке блока цилиндров размещены выпускные клапаны, на верхних концах стержней клапанов закреплены тарелки пружин. Тарелки выполнены за одно целое с вилками, в проушины которых установлены ролики клапанов, а движением клапанов управляет газораспределительный диск, насаженный на конец рабочего вала и вращающийся вместе с ним. В центральном отверстии блока цилиндров концентрично установлен турбокомпрессор.Also known is a piston machine operating as a crankless two-stroke diesel engine (see RF patent No. 2128774, IPC F 01 B 9/02,
Недостатком этого дизеля является сложность конструкции крейцкопфа. Конструктивное исполнение рабочего и вспомогательного роликов крейцкопфа представляет собой радиально-упорный двухрядный концентричный шарикоподшипник с вращающимся внутренним кольцом. Такое конструктивное исполнение дает незначительное снижение механических потерь, но существенно снижает надежность двигателя в целом, поскольку сепараторы, в которых размещены ряды шариков, будут испытывать значительные нагрузки деформации на растяжение и сжатие, возникающие при возвратно-поступательном движении поршневой группы. Точки соприкосновения роликов и тородуговинтовой дорожки качения открыты, и случайное попадание посторонних предметов (механических осколков, мелких деталей, крупного мусора и т.д.) в эту область может привести к заклиниванию двигателя или даже к разрушению некоторых узлов и деталей. Тарелки пружин клапанов выполнены за одно целое с вилками, в проушины которых вставлены ролики, и закреплены на конце стержня клапана, и таким образом нет возможности регулирования теплового зазора, компенсирующего удлинение стержня клапана при нагревании в процессе работы двигателя. Так что при нагретом двигателе может возникнуть зазор между клапаном и седлом клапана, а это, в свою очередь, ведет к потере мощности, подгоранию клапана и седла или вообще к полной остановке двигателя, в виду ухудшения компрессионных показателей. Вдобавок увеличивается суммарная масса подвижной части клапана, которая складывается из самого клапана, тарелки с вилочной частью и ролика. Это значительно повышает инерционность клапана. То есть, получив ускорение от газораспределительного диска, клапан может какое то время продолжать свое движение по инерции, преодолевая сопротивление пружины. Это может вызвать биение ролика о диск, и чтобы избежать этого нужно увеличивать упругость пружины, что ведет к дополнительным потерям мощности дизеля.The disadvantage of this diesel engine is the crosshead design complexity. The design of the working and auxiliary crosshead rollers is an angular contact double row concentric ball bearing with a rotating inner ring. This design provides a slight reduction in mechanical losses, but significantly reduces the reliability of the engine as a whole, since the separators in which the rows of balls are placed will experience significant tensile and compressive strain loads arising from the reciprocating movement of the piston group. The contact points of the rollers and the torus-screw raceway are open, and accidental ingress of foreign objects (mechanical fragments, small parts, large debris, etc.) into this area can lead to jamming of the engine or even to destruction of some components and parts. The plates of the valve springs are made in one piece with forks, in the eyes of which the rollers are inserted, and are fixed at the end of the valve stem, and thus there is no possibility of regulating the thermal gap that compensates for the extension of the valve stem during heating during engine operation. So when the engine is hot, there may be a gap between the valve and the valve seat, and this, in turn, leads to loss of power, burning of the valve and seat, or even a complete stop of the engine, in view of the deterioration of compression rates. In addition, the total mass of the movable part of the valve increases, which consists of the valve itself, the plate with the fork part and the roller. This significantly increases the inertia of the valve. That is, having received acceleration from the gas distribution disk, the valve can continue its inertia movement for some time, overcoming the spring resistance. This can cause the roller to beat against the disk, and in order to avoid this, it is necessary to increase the elasticity of the spring, which leads to additional loss of diesel power.
Наибольшим сходством механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение рабочего вала обладает поршневая машина (см. патент РФ №2016203, МПК F 01 B 9/06, F 04 B 1/12, В 9/04, 1994 г. Бюл. №13), которая и принята за прототип. В центре поршневой машины помещен рабочий вал с насаженным на него маховиком-диском, который охватывает корпус. На торцевой поверхности маховика выполнена волновая канавка, в которой на всей протяженности помещены тела качения, разделенные сепаратором. Поршневая машина имеет аксиально расположенные цилиндры, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения помещены поршни, штоками соединенные с шатунными звеньями, двигающимися в направляющих пазах, выполненных в корпусе. Шатунные звенья выполнены так, что на сторонах, обращенных к маховику, имеются выступы, которыми шатунные звенья взаимодействуют с телами качения, через которые и осуществляется вращение маховика с валом.The piston machine has the greatest similarity of the mechanism that converts the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the working shaft (see RF Patent No. 2016203, IPC F 01
Недостатком этой машины является то, что расстояние между выступами шатунных звеньев постоянно, рассчитано на свободное прохождение между ними тел качения при наибольших изгибах канала дорожки качения, и чем круче эти изгибы, тем большее расстояние должно быть между выступами. Это значит, что при нахождении поршней в крайнем верхнем или крайнем нижнем положении между выступами шатунных звеньев и телами качения образуется зазор тем больший, чем круче изгибы дорожки качения. Это является недопустимым, так как в процессе работы поршневой машины поршни с шатунными звеньями, придя в крайнее верхнее или крайнее нижнее положение, будут продолжать свое движение по инерции на расстояние, равное величине зазора между телами качения и выступами шатунных звеньев. В результате такое движение приведет к сильному биению выступов шатунных звеньев о тела качения, особенно при высоких оборотах вала, и, как следствие, к скорому выходу поршневой машины из строя.The disadvantage of this machine is that the distance between the protrusions of the connecting rod links is constant, designed for the free passage of the rolling elements between them at the greatest bends of the raceway channel, and the steeper these bends, the greater the distance between the protrusions. This means that when the pistons are in the highest or lowest position between the protrusions of the connecting rod links and the rolling bodies, the gap is formed the greater, the steeper the bends of the raceway. This is unacceptable, since during the operation of the piston machine, pistons with connecting rod links, having come to the extreme upper or extreme lower position, will continue their inertia movement to a distance equal to the gap between the rolling bodies and the protrusions of the connecting rod links. As a result, such a movement will lead to a strong beating of the protrusions of the connecting rod links on the rolling body, especially at high shaft speeds, and, as a result, to the rapid failure of the piston machine.
Общим недостатком для всех вышеописанных поршневых машин является сложность запуска двигателя, если они используются в качестве двигателей внутреннего сгорания. Поскольку в поршневых машинах с аксиальным расположением поршней точка приложения силы к шатунам, создаваемой крутящим моментом вала при запуске двигателя стартером, удалена на расстояние от центра вала большее, чем в поршневых машинах с кривошипно-шатунным механизмом, то для того, чтобы стартер провернул вал и привел в движение поршни в цилиндрах требуется большее передаточное число между шестерней стартера и маховиком. То есть требуется маховик большего диаметра, либо редуктор, а это ведет к увеличению веса и габаритов двигателя. Либо стартер должен быть гораздо мощнее, и, соответственно, аккумуляторные батареи должны быть большей емкости, чем для двигателей с кривошипно-шатунным механизмом при одинаковых условиях, что также ведет к увеличению веса и габаритов.A common disadvantage for all of the above piston machines is the difficulty of starting the engine, if they are used as internal combustion engines. Since in piston machines with an axial arrangement of pistons, the point of application of force to the connecting rods created by the shaft torque when the engine starts with the starter is removed more than the distance from the center of the shaft than in piston machines with a crank mechanism, so that the starter rotates the shaft and driven pistons in the cylinders requires a larger gear ratio between the starter gear and the flywheel. That is, a flywheel of a larger diameter or a gearbox is required, and this leads to an increase in the weight and dimensions of the engine. Or the starter should be much more powerful, and, accordingly, the batteries should be of a larger capacity than for engines with a crank mechanism under the same conditions, which also leads to an increase in weight and dimensions.
Задачей изобретения является создание поршневой машины, лишенной указанных недостатков.The objective of the invention is to provide a piston machine, devoid of these disadvantages.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности поршневой машины, улучшение процессов распределения рабочих тел (газа, пара, жидкостей), уменьшение веса, габаритов, себестоимости машины, а также упрощение обслуживания. При использовании машины в качестве двигателя внутреннего сгорания достигается упрощение запуска двигателя, повышение КПД и экономичности, обеспечение условий для более полного сгорания топлива, улучшение экологических показателей.The technical result achieved by using the invention is to increase the reliability of the piston machine, improve the distribution processes of the working fluid (gas, steam, liquids), reduce the weight, dimensions, cost of the machine, and also simplify maintenance. When using the machine as an internal combustion engine, simplification of engine starting, increase of efficiency and economy, provision of conditions for more complete combustion of fuel, and improvement of environmental indicators are achieved.
Технический результат достигается тем, что в поршневой машине, содержащей корпус, рабочий вал с маховиком, на боковой поверхности которого выполнена волновая дорожка качения с размещенными в ней телами качения, аксиально расположенные в корпусе цилиндры с установленными в них поршнями и штоками, которые снабжены шатунами, взаимодействующими с телами качения, согласно изобретению в шатунах выполнены пазы в виде округлых седел, в которых в качестве тел качения установлены опорные шары с возможностью свободного вращения в седлах шатунов и движения вместе с шатунами, волновая дорожка качения выполнена дисинусоидальной, выше корпуса установлен механизм распределения рабочего тела, состоящий из преобразующего кольца, соосно прикрепленного к диску, который жестко посажен на рабочем валу, и установленных в головке блока цилиндров впускных и выпускных клапанов, размещенных в направляющих гнездах головки блока цилиндров шатунов с выполненными в них пазами в виде округлых седел, в которых установлены опорные шары с возможностью свободного вращения в седлах шатунов, движения вместе с шатунами и взаимодействия с двухуровневыми дисинусоидальными дорожками качения, выполненным на внешней и/или внутренней поверхности преобразующего кольца, в корпусе ниже маховика установлен механизм изменения степени сжатия рабочего тела, а внутри нижней части корпуса выполнен центробежный масляный насос.The technical result is achieved by the fact that in a piston machine containing a housing, a working shaft with a flywheel, on the side surface of which a wave race is made with rolling bodies located in it, axially arranged cylinders in the housing with pistons and rods installed in them, which are equipped with connecting rods, interacting with the rolling bodies, according to the invention, grooves are made in the rods in the form of rounded saddles, in which support balls are installed as rolling bodies with the possibility of free rotation in the saddles of the connecting rods and movement along with the connecting rods, the wave raceway is made sinusoidal, a working fluid distribution mechanism is installed above the housing, consisting of a converting ring coaxially attached to the disk, which is rigidly mounted on the working shaft, and intake and exhaust valves installed in the cylinder head in the cylinder head nests of the head of the connecting rod cylinder block with grooves made in them in the form of rounded saddles, in which support balls are installed with the possibility of free rotation in the connecting rod seats, a place with connecting rods and interacting with two-level disinusoidal raceways made on the outer and / or inner surface of the converting ring, a mechanism for changing the degree of compression of the working fluid is installed in the housing below the flywheel, and a centrifugal oil pump is made inside the lower part of the housing.
В развитие существенных признаков в поршневой машине могут применяться многоступенчатые (двух- и трехступенчатые) поршневые группы типа "матрешка". При исполнении поршневой группы двухступенчатой в поршнях установлены цилиндры второй ступени с размещенными в них поршнями второй ступени, которые имеют штоки второй ступени, помещенные внутри штоков и снабженные шатунами второй ступени, которые в свою очередь расположены в направляющих гнездах шатунов и имеют седла с размещенными в них опорными шарами второй ступени, имеющими возможность взаимодействовать с дополнительно введенной второй дорожкой качения, выполненной на боковой поверхности маховика. Поршневая машина может быть выполнена с третьей ступенью цилиндров, поршней, штоков и шатунов с опорными шарами, установленных в деталях второй ступени, соответственно, и с третьей дорожкой качения, выполненной на боковой поверхности маховика. Вариантом исполнения многоступенчатой поршневой группы "матрешка" является "щелевая матрешка", в которой на боковых поверхностях цилиндров второй ступени выполнены щелевые окна, а в поршнях - продувочные каналы.In development of the essential features in a piston machine, multi-stage (two- and three-stage) piston groups of the “nested doll” type can be used. When performing a two-stage piston group, the pistons are equipped with second-stage cylinders with second-stage pistons placed in them, which have second-stage rods placed inside the rods and equipped with second-stage connecting rods, which, in turn, are located in the connecting rods of the connecting rods and have saddles located in them supporting balls of the second stage, having the ability to interact with an additionally introduced second raceway, made on the side surface of the flywheel. The piston machine can be made with a third stage of cylinders, pistons, rods and connecting rods with support balls installed in the details of the second stage, respectively, and with a third raceway made on the side surface of the flywheel. An embodiment of the multi-stage piston group “nested doll” is a “slotted nested doll”, in which slotted windows are made on the lateral surfaces of the cylinders of the second stage, and purge channels are made in the pistons.
Выполнение в шатунах пазов в виде округлых седел позволяет разместить внутри каждого шатуна опорный шар. При этом шары установлены с возможностью как свободного вращения в седлах шатунов, так и движения вместе с шатунами, и взаимодействия с волновой дорожкой качения, выполненной на боковой поверхности маховика. При такой конструкции опорные шары и дорожки качения маховика скрыты и находятся между стенками корпуса и седлами шатунов с одной стороны и боковой поверхностью маховика с другой. Это исключает попадание в зону контакта шаров и дорожки качения каких-либо крупных посторонних предметов, что значительно повышает надежность машины. Отсутствие в поршневой группе подшипников качения и резьбовых соединений, за исключением соединения штоков с поршнями и шатунами, также повышает надежность машины и, кроме того, упрощает разборку и сборку во время ремонта, а также снижается себестоимость машины. Таким образом, за исключением сильного перегрева, заклинивание поршневой машины по вине данной контактной группы практически исключено.The execution in the connecting rods of the grooves in the form of rounded saddles allows you to place a supporting ball inside each connecting rod. In this case, the balls are installed with the possibility of free rotation in the saddles of the connecting rods, as well as movement together with the connecting rods, and interaction with the rolling wave track made on the side surface of the flywheel. With this design, the support balls and the flywheel raceways are hidden and are located between the housing walls and connecting rod seats on one side and the side surface of the flywheel on the other. This eliminates the entry into the contact zone of balls and raceways of any large foreign objects, which significantly increases the reliability of the machine. The absence of rolling bearings and threaded joints in the piston group, with the exception of connecting the rods with pistons and connecting rods, also increases the reliability of the machine and, in addition, simplifies disassembly and assembly during repair, and also reduces the cost of the machine. Thus, with the exception of severe overheating, jamming of the piston machine through the fault of this contact group is practically excluded.
Выполнение волновых дорожек качения дисинусоидальными позволяет добиться целого ряда полезных показателей. Дисинусоидальность траекторий дорожек означает, что они не имеют вида синусоиды при развертке на плоскость, и каждый полупериод, определяющий ход поршня от одного крайнего положения до другого, то есть такт, не является обратным повторением предыдущего, а каждый период также не является повторением предыдущего. Полупериоды и периоды различны по следующим параметрам: амплитуде, величине углового сектора, траекториям изгибов. В перегибах дорожек качения маховика, определяющих крайнее нижнее и крайнее верхнее положение поршней, вместо мертвых точек введены участки, траектории которых идут в плоскостях, перпендикулярных оси рабочего вала, образуя стоп-секторы. Признак дисинусоидальности дорожки качения позволяет сгладить рывковые нагрузки на стартер двигателя или на мотор, если эта машина работает в качестве компрессора, что облегчает запуск двигателя или компрессора. Признак дисинусоидальности применяется в четырехтактных двигателях. Поскольку первые два такта (подготовительные) "впуск" и "сжатие" поршневая группа работает как компрессор, а вторые два такта (рабочие) "рабочий ход" и "выпуск" работает как мотор, траектории дорожек качения в целях большей эффективности работы в этом качестве должны быть разными.The implementation of the wave paths of the race disinusoidal allows you to achieve a number of useful indicators. The dysinusoidality of the paths of the tracks means that they do not have the form of a sinusoid when sweeping to a plane, and each half-period that determines the piston stroke from one extreme position to the other, that is, a beat, is not the reverse of the previous one, and each period is also not a repeat of the previous one. Half-periods and periods are different in the following parameters: amplitude, magnitude of the angular sector, bend trajectories. In the kinks of the flywheel raceways, which determine the extreme lower and extreme upper position of the pistons, instead of the dead spots, sections are introduced whose trajectories go in planes perpendicular to the axis of the working shaft, forming stop sectors. The sign of dysinusoidality of the raceway makes it possible to smooth out jerky loads on the engine starter or on the motor if this machine works as a compressor, which facilitates starting the engine or compressor. The sign of dysinusoidality is used in four-stroke engines. Since the first two strokes (preparatory) “inlet” and “compression” the piston group works as a compressor, and the second two strokes (workers) “working stroke” and “exhaust” work like a motor, the trajectories of the raceways in order to work more effectively in this quality must be different.
Введение в траектории дорожек качения стоп-секторов позволяет поршням при прохождении стоп-секторов, т.е. в крайнем нижнем или крайнем верхнем положении, находиться в неподвижном состоянии. При вхождении поршня в этот стоп-сектор в карбюраторных или инжекторных двигателях происходит воспламенение горючей смеси искровым разрядом или начинается впрыск топлива в дизельных. Поскольку поршень при сгорании некоторое время находится в крайнем верхнем положении, весь процесс сгорания происходит без изменения объема в момент, когда молекулы топлива и кислорода в воздухе максимально сближены и лучше вступают в реакцию горения. Временная неподвижность поршня в момент горения снижает значение октанового и цитанового числа топлива, а следовательно, отпадает необходимость в повышающих это число присадках на основе тяжелых металлов, а это улучшает экологический показатель двигателя. Как известно, с увеличением оборотов двигателей с синусоидальными дорожками качения падает процент КПД и снижается его экономичность, а использование дорожки качения со стоп-секторами позволяет избежать этого. Кроме того, при смене тактов "впуск-сжатие", во время прохождения стоп-секторов и нахождения поршней в неподвижном состоянии происходит повышение давления рабочего тела за счет запасенной им во время движения поршней вниз кинетической энергии, а это повышает мощность двигателя.The introduction of stop sectors into the raceways allows the pistons to pass the stop sectors, i.e. in the lowest or highest upper position, be stationary. When a piston enters this stop sector in carburetor or injection engines, a combustible mixture ignites with a spark discharge or fuel injection in diesel engines begins. Since the piston during combustion is in its highest position for some time, the entire combustion process occurs without changing the volume at the moment when the fuel and oxygen molecules in the air are as close as possible and enter the combustion reaction better. Temporary immobility of the piston at the time of combustion reduces the value of the octane and cyan numbers of fuel, and therefore, there is no need to increase this number of additives based on heavy metals, and this improves the environmental performance of the engine. As you know, with increasing engine speeds with sinusoidal raceways, the percentage of efficiency decreases and its efficiency decreases, and the use of a raceway with stop sectors avoids this. In addition, when changing the “intake-compression” strokes, during the passage of stop sectors and when the pistons are stationary, the pressure of the working fluid increases due to kinetic energy stored by it during the movement of the pistons downward, which increases engine power.
Механизм распределения рабочего тела с использованием впускных и выпускных клапанов позволяет осуществить четырехтактный режим работы поршневой машины при работе ее в качестве д.в.с. Такой режим является экономичней и, поскольку меньше испаряющегося и несгоревшего масла выбрасывается в атмосферу, то и экологические показатели такого двигателя будут выше, чем в двухтактных двигателях. В этом распределительном механизме предусмотрено регулирование теплового зазора, компенсирующего удлинение стержней клапанов при их нагреве в процессе работы двигателя, что позволяет избежать потерь мощности в результате неплотного прилегания тарелок клапанов к седлам при отсутствии зазора или стука клапанов при слишком большом зазоре. Клапаны в распределительном механизме обладают очень малой инерционностью, так как к их собственному весу, кроме веса тарелок пружин клапанов, не плюсуется вес других подвижных деталей распределительного механизма (вилок, роликов, коромысел, штанг, стаканов и т.д.), что при прочих одинаковых условиях позволяет уменьшить упругость пружин клапанов и, следовательно, снизить потери мощности на распределение рабочих тел по сравнению с другими механизмами.The distribution mechanism of the working fluid with the use of inlet and exhaust valves allows for a four-stroke operation of the piston machine when it is operated as a combustion engine. This mode is more economical and, since less volatile and unburned oil is emitted into the atmosphere, the environmental performance of such an engine will be higher than in two-stroke engines. This distribution mechanism provides for the adjustment of the thermal gap, which compensates for the elongation of the valve stems when they are heated during engine operation, which avoids power losses due to the loose fit of the valve plates to the seats in the absence of a gap or valve knock if the gap is too large. Valves in the distribution mechanism have a very low inertia, since their own weight, in addition to the weight of the plates of the valve springs, does not add the weight of other moving parts of the distribution mechanism (forks, rollers, rockers, rods, glasses, etc.), which, among others identical conditions can reduce the elasticity of the valve springs and, therefore, reduce the power loss on the distribution of the working fluid in comparison with other mechanisms.
Использование в поршневой машине механизма изменения степени сжатия рабочего тела позволяет получить несколько технических результатов. В компрессорах механизм изменения степени сжатия выполняет функцию регулятора выходного давления. Поскольку большее давление, чем то, на которое компрессор отрегулирован, он выдать не может, то использование такого компрессора в пневмоустановках делает их безопасней. Также можно облегчить пуск компрессора. В д.в.с. механизм изменения степени сжатия позволяет облегчить запуск двигателя. Так в начале запуска степень сжатия устанавливается наименьшая, тогда в виду малой компрессии стартеру становится легче раскрутить поршневую группу двигателя, после же раскручивания устанавливается расчетная степень сжатия, то есть механизм изменения степени сжатия может выполнять функцию декомпрессора. Установкой степени сжатия больше расчетной можно облегчить запуск холодного двигателя в зимнее время. В случае невозможности осуществления сброса оборотов дизельного двигателя путем отпускания педали акселератора (двигатель "пошел в разнос"), например западание рейки насоса высокого давления или по какой-либо другой причине, остановить его можно, установив механизмом изменения степени сжатия наименьшую степень сжатия, при которой впрыскиваемое топливо не воспламенится и двигатель остановится. Механизмом изменения степени сжатия можно корректировать объем камеры сгорания при переходе с одного вида горючего на другой, а также при различных оборотах двигателя. Механизмом изменения степени сжатия можно настроить такую степень сжатия, при которой горючая смесь будет самовоспламеняться при нахождении поршня в крайнем верхнем положении при ее сжатии. В этом случае отпадает необходимость в системе зажигания. Регулирование степени сжатия может осуществляться как интуитивно, водителем транспортного средства, так и через систему датчиков и бортовой компьютер, автоматически.The use of a mechanism for changing the compression ratio of the working fluid in a piston machine allows to obtain several technical results. In compressors, the mechanism for changing the degree of compression performs the function of an outlet pressure regulator. Since it cannot give out more pressure than the one to which the compressor is adjusted, the use of such a compressor in pneumatic installations makes them safer. It is also possible to facilitate the start-up of the compressor. In d.v.s. a mechanism for changing the compression ratio makes it easier to start the engine. So at the beginning of the start, the compression ratio is set to the smallest, then, due to the small compression, it becomes easier for the starter to unwind the piston group of the engine, after unwinding, the calculated compression ratio is established, that is, the mechanism for changing the compression ratio can perform the function of a decompressor. By setting the compression ratio greater than the calculated one, it is easier to start a cold engine in winter. If it is not possible to reset the diesel engine by releasing the accelerator pedal (the engine has “run apart”), for example, dropping the rail of the high pressure pump or for any other reason, you can stop it by setting the compression ratio to the smallest degree of compression at which the injected fuel will not ignite and the engine will stop. By the mechanism of changing the compression ratio, the volume of the combustion chamber can be adjusted during the transition from one type of fuel to another, as well as at different engine speeds. By the mechanism of changing the compression ratio, one can adjust the compression ratio at which the combustible mixture will self-ignite when the piston is in its highest position when it is compressed. In this case, there is no need for an ignition system. Regulation of the degree of compression can be carried out both intuitively, by the driver of the vehicle, and through a system of sensors and an on-board computer automatically.
При выполнении центробежного масляного насоса внутри нижней части корпуса отпадает надобность в деталях привода (шестерни, валы, подшипники и т.д.), а также отдельного корпуса для насоса и крепежного материала к нему. Это снижает себестоимость и вес поршневой машины, снижает механические потери, уменьшает ее габариты, повышает ее надежность, уменьшает трудоемкость сборки, ремонта и обслуживания, а также делает машину технологичнее (упрощает ее изготовление).When performing a centrifugal oil pump inside the lower part of the housing, there is no need for drive parts (gears, shafts, bearings, etc.), as well as a separate housing for the pump and mounting material for it. This reduces the cost and weight of the piston machine, reduces mechanical losses, reduces its dimensions, increases its reliability, reduces the complexity of assembly, repair and maintenance, and also makes the machine more technological (simplifies its manufacture).
При использовании в поршневой машине многоступенчатой поршневой группы типа "матрешка" эффективность работы машины возрастает. Известно, для того чтобы получить большое давления рабочего тела его сжимают в несколько этапов. Для этого несколько компрессоров устанавливают последовательно, при этом первый сжимает газ до начального значения, второй повышает степень его сжатия и т.д. Используя многоступенчатую поршневую группу "матрешка", можно достичь того же результата. Вначале все ступени поршневой группы участвуют в сжатии, но потом, по мере достижения определенного значения степени сжатия, первая ступень входит в стоп-сектор и в сжатии не участвует. Поскольку суммарная площадь рабочих поверхностей поршней ступеней, продолжающих сжатие, значительно уменьшается по сравнению с суммарной площадью всех ступеней, то уменьшается нагрузка на приводной мотор. По мере повышения этой нагрузки в процессе дальнейшего сжатия в стоп-сектор входит вторая ступень и т.д. Такой компрессор значительно уменьшает габариты и вес машины, ее стоимость, упрощает обслуживание, транспортировку и монтаж. Использование поршневой группы "матрешка" совместно с признаками дисинусоидальности, разнопериодности и стоп-секторов волновых дорожек качения позволяет сгладить рывковые нагрузки на стартер (если это д.в.с.) или мотор (если это компрессор).When using a multi-stage piston group of the "nested doll" type in a piston machine, the efficiency of the machine increases. It is known that in order to obtain a large pressure of the working fluid, it is compressed in several stages. For this, several compressors are installed in series, while the first compresses the gas to the initial value, the second increases the degree of compression, etc. Using a multi-stage piston group "nesting doll", the same result can be achieved. Initially, all stages of the piston group are involved in compression, but then, as a certain degree of compression is reached, the first stage enters the stop sector and does not participate in compression. Since the total area of the working surfaces of the pistons of the stages, continuing compression, is significantly reduced compared with the total area of all stages, the load on the drive motor is reduced. As this load increases during further compression, the second stage enters the stop sector, etc. Such a compressor significantly reduces the dimensions and weight of the machine, its cost, simplifies maintenance, transportation and installation. The use of the piston group "matryoshka" together with signs of dysinusoidality, heterogeneity and stop sectors of the wave raceways makes it possible to smooth out the jerky loads on the starter (if it is an internal combustion engine) or the motor (if it is a compressor).
Использование поршневой группы "щелевая матрешка" позволяет сглаживать рывковые нагрузки на стартер и улучшает процесс обмена рабочих тел, что повышает экономичность и экологические показатели. Значительное улучшение газообмена и экономичности, а также некоторое улучшение экологического показателя двигателя с такой поршневой группой в сочетании с использованием стоп-секторов на дорожках качения можно получить в двухтактных д.в.с.The use of a piston group "slotted nesting doll" allows you to smooth out the jerk load on the starter and improves the process of exchanging working fluids, which increases efficiency and environmental performance. A significant improvement in gas exchange and economy, as well as a slight improvement in the environmental performance of an engine with such a piston group in combination with the use of stop sectors on raceways can be obtained in two-stroke engines.
Устройство и работа поршневой машины рассматривается на примере четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, как включающего в себя все существенные признаки и наиболее полно отражающего заявленный технический результат. Вместе с тем будут показаны особенности и преимущества использования поршневой машины также в качестве паровой машины, насоса, компрессора, гидромотора или пневмомотора.The device and operation of the piston machine is considered on the example of a four-stroke internal combustion engine, which includes all the essential features and most fully reflects the claimed technical result. At the same time, the features and advantages of using a piston machine also as a steam engine, pump, compressor, hydraulic motor or air motor will be shown.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, двухступенчатую поршневую группу "матрешка", механизм распределения рабочего тела (газа), механизм изменения степени сжатия и внутрикорпусной центробежный масляный насос, представлен на чертежах, где изображено: на фиг.1 - продольный разрез четырехтактного двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1; на фиг.5 - угловая развертка на плоскость траекторий дорожек качения; на фиг.6 - местный продольный разрез двухступенчатой поршневой группы "матрешка", вид изнутри; на фиг.7 - разрез Г-Г на фиг.6; на фиг.8 - продольный разрез шатунной колонки механизма газораспределения; на фиг.9 - разрез Д-Д на фиг.8; на фиг.10 - продольный разрез поршневой группы "щелевая матрешка"; на фиг.11 - сравнительная индикаторная диаграмма работы двигателя без использования стоп-секторов и с их использованием; на фиг.12 - сравнительная индикаторная диаграмма работы двигателя без использования дисинусоидальной дорожки качения маховика и с ее использованием.A four-stroke internal combustion engine containing a cylinder block, a two-stage piston group "nesting doll", a distribution mechanism for the working fluid (gas), a mechanism for changing the compression ratio and an internal casing centrifugal oil pump are shown in the drawings, where: Fig. 1 is a longitudinal section of a four-stroke engine internal combustion; figure 2 is a section aa in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 1; figure 4 is a section bb in figure 1; figure 5 is an angular scan on the plane of the trajectories of the raceways; figure 6 is a local longitudinal section of a two-stage piston group "matryoshka", inside view; in Fig.7 is a section GG in Fig.6; on Fig is a longitudinal section of a connecting rod column of the gas distribution mechanism; figure 9 is a section DD in Fig; figure 10 is a longitudinal section of the piston group "slotted nested doll"; figure 11 is a comparative indicator diagram of the engine without the use of stop sectors and with their use; on Fig is a comparative indicator diagram of the engine without the use of a disinusoidal flywheel and with its use.
Двигатель (фиг.1) содержит блок 1 цилиндров, к торцам которого соосно присоединены сверху головка 2 блока цилиндров, а снизу - корпус 3. В аксиально расположенные отверстия блока 1 помещены цилиндры 4, в которых размещены с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршни 5, в тела которых соосно вмонтированы цилиндры 6 второй ступени с размещенными в них поршнями 7 второй ступени. Поршни 5 полыми штоками 8 соединены с шатунами 9, размещенными с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющих гнездах 10, выполненных в корпусе 3. Поршни 7 второй ступени штоками 11 второй ступени, проходящими внутри полых штоков 8, соединены с шатунами 12 второй ступени, размещенными в направляющих гнездах 13, выполненных в теле шатунов 9. В шатунах 9 и 12 выполнены округлые седла, в которые установлены полусферные вкладыши, а в них, в свою очередь, с возможностью свободного вращения - опорные шары соответствующего диаметра - шар 14 и шар 15 второй ступени. Выступающими частями шары 14 и 15 взаимодействуют с волновыми дорожками качения 16 и 17 (фиг.5 обозначены буквами в и г), выполненными на боковой поверхности маховика 18. Поршневые группы второй ступени не взаимосвязаны с поршневыми группами первой ступени и могут перемещаться в осевом направлении одна относительно другой. В зоне постоянного контакта шатуна 9 и стенок направляющего гнезда 10 в корпусе 3 выполнен подводной маслопроводный канал 19 (фиг.6), по которому из системы смазки под давлением подается масло. Далее по разводным каналам 20 и 21, выполненным соответственно в шатунах 9 и 12, масло подается к шарам 14 и 15, а по межштоковым каналам 22 - к поршням 5 и 7, где производится смазка и охлаждение цилиндра 6 второй ступени. Для улучшения компрессии по каналам 23 масло подводится непосредственно под маслосъемные кольца 24.The engine (figure 1) contains a cylinder block 1, to the ends of which a
В верхней части двигателя расположен механизм газораспределения, содержащий колесо 26, жестко насаженное на верхнем конце рабочего вала 25. К нижней части колеса 26 прикреплено преобразующее кольцо 27, на внешней и внутренней стороне которого выполнены двухуровневые дорожки качения 28 и 29 (на фиг.5 обозначены как а и б) для впускного и выпускного клапанов 30 и 31 соответственно. Кроме исполнения функции привода механизма газораспределения, колесо 26 может быть задействовано в запуске двигателя, для чего по его краю выполняется зубчатый венец, входящий в зацепление с шестерней стартера. С целью уменьшения веса, габаритов и себестоимости, упрощения конструкции и обслуживания двигателя, к колесу 26 сверху соосно рабочему валу может быть прикреплен многоручейный шкив, связанный ременной передачей со шкивами компрессора, генератора, водяной помпы, вентилятора, или прикреплена звездочка, цепной передачей связанная со звездочкой какого-либо навесного оборудования. Под колесом 26 на головке 2 блока цилиндров установлены шатунные колонки 32 с выполненными в них направляющими каналами, в которые помещены с возможностью осевого перемещения шатуны 33, управляющие движением впускных 30 и выпускных 31 клапанов. Клапаны 30 и 31 подпружинены пружинами и удерживаются тарелками, закрепленными на концах стержней клапанов. В верхней части шатунов 33 на сторонах, обращенных к преобразующему кольцу 27, выполнены седла с полусферными вкладышами, в которых размещены с возможностью свободного вращения опорные шары 34. Выступающими частями шары 34 взаимодействуют с дорожками 28 и 29 преобразующего кольца 27. При взаимодействии шаров 34 с участками, определяющими плавный переход с одного уровня на другой (на фиг.5 это участки А7В6 и В7А6 на дорожке а и участки В5А4 и А5В4 на дорожке б) при вращении преобразующего кольца 27, шатуны 33 приходят в движение, тем самым толкая клапаны 30 или 31. В нижней части шатунов 33 ввинчены болты, регулирующие зазор, компенсирующий удлинение стержней клапанов при нагревании (тепловой).In the upper part of the engine there is a gas distribution mechanism comprising a
Маховик 18 связан с рабочим валом 25 посредством шлицевого соединения с возможностью перемещения в осевом направлении вверх и вниз. Управляет этим движением механизм изменения степени сжатия кулачкового действия, помещенный в корпус 3 ниже маховика 18. Механизм состоит из колец 35 и 36, обращенных друг к другу зубьевидными кулачками. Приводное устройство выполнено на основе винта 37 (по принципу червячного редуктора). От биения колец 35 и 36 и маховика 18 друг о друга предупреждает связующая скоба 38, которая прикреплена к кольцу 35 и верхним выступом взаимодействует с каналом скольжения маховика 18, а нижним - с наклонными каналами на кольце 36. Механизм изменения степени сжатия, кроме применения в поршневых машинах, работающих в качестве двигателей внутреннего сгорания, может быть применен в машинах, работающих, как компрессоры, в качестве регулятора выходного давления и элемента защиты пневмоустановок.The
В нижней части двигателя под механизмом изменения степени сжатия расположен внутрикорпусной центробежный масляный насос, рабочее колесо 39 которого насажено на рабочий вал 25 и каналами сообщается с внутрикорпусным пространством, заполненным маслом. При вращении рабочего вала 25 масло под действием центробежной силы выбрасывается из рабочего колеса 39 в улиточную часть 40 корпуса 3, а оттуда через штуцер под давлением - в магистрали системы смазки. Такой насос может быть использован в поршневой машине любого назначения.In the lower part of the engine, under the mechanism for changing the degree of compression, there is an internal case centrifugal oil pump, the
На фиг.5 дана угловая развертка траекторий дорожек качения на плоскость по центру их округлости: а - для выпускного клапана 31 механизма газораспределения, б - для впускного клапана 30 механизма газораспределения, в - для поршня 7 второй ступени, г - для поршня 5. Как видно из развертки, каждый полупериод, определяющий ход поршней от одного крайнего положения до другого (то есть такт), не является обратным повторением предыдущего или последующего. Так, участок траектории дорожки г для поршня 5, определяющий его ход вниз "впуск" от точки А до точки A1, отличается от участка, определяющего ход поршня вверх "сжатие" BB1, величиной углов, занимаемых секторов на маховике 18: у сектора "впуск" он занимает угол 60°, а сектор "сжатие" 90°. Так же эти участки отличаются и траекториями изгибов: у сектора "впуск" траектория идет почти равномерно вниз, а у сектора "сжатие" сначала от точки В до середины хода поршня более круто вверх, потом более полого до точки B1. Для тактов "рабочий ход" и "выпуск" картина несколько иная: обе кривые CC1 и DD1 имеют примерно одинаковый угловой сектор (примерно по 75°), а кривизна подъема в секторе "выпуск" от точки D сначала идет более полого, потом более круто. В перегибах дорожек в и г, определяющих крайнее нижнее или крайнее верхнее положение поршней, вместо "мертвых точек" введены стоп-секторы ст.1 (D1A) и (D3A2), ст.2 (A1B) и (А3В2), ст.3 (B1C) и (В3С2) и ст.4 (C1D) и (С3D2). Это участки, траектория которых идет в плоскости, перпендикулярной оси рабочего вала. При взаимодействии шатунов через шары с такими участками поршни какое-то время (определяемое протяженностью стоп-сектора и частотой вращения рабочего вала) находятся в неподвижном положении. На фиг.5 все стоп-секторы маховика 18 имеют одинаковую угловую величину - 15°, но в каждой конкретной поршневой машине она может быть разной, все зависит от технических параметров, закладываемых в машину, ее назначения, частоты вращения рабочего вала, а если это двигатель внутреннего сгорания, то от вида используемого топлива и т. д. Как видно, стоп-сектор на дорожке а преобразующего кольца 27 механизма газораспределения, определяющий положение выпускного клапана 31 "открыт", отрезок В6В7, занимает угол 75°, равный сектору "выпуск" дорожке г маховика 18, а стоп-сектор, определяющий положение "закрыт", отрезок А6А7, занимает угловой сектор 255° и равен сумме секторов "впуск", ст.2, "сжатие", ст.3 и "рабочий ход" на дорожке г. В одном угловом секторе со стоп-секторами ст.1 и ст.4 на дорожке г, на дорожке а кольца 27 для выпускного клапана 31 выполнены плавные переходы с одного уровня на другой, это отрезки В7А6 и А7В6. Для впускного клапана 30 стоп-сектор, определяющий положение "открыто", занимает отрезок А4А5 и угол 60° на дорожке б, а положение "закрыто" отрезок В4В5 и угол 270°. Переходы с одного уровня на другой А5В4 и B5A4 совпадают с угловыми секторами стоп-секторов ст.1 и ст.2 на дорожке г. Стоп-сектор ст.1 (D1A) для поршня 5 на Δh1 выше стоп-сектора ст.3 (B1C). Это означает, что крайнее верхнее положение поршня 5 при смене тактов "выпуск-впуск" будет на Δh1 выше крайнего верхнего положения при смене тактов "сжатие-рабочий ход". А стоп-сектор ст.4(C1D) будет на Δh2 ниже стоп-сектора ст.2. Таким образом, крайнее нижнее положение при смене тактов "рабочий ход-выпуск" на Δh2 ниже крайнего нижнего положения при смене тактов "впуск-сжатие". Выполненная для управления движением поршня 7 второй ступени дорожка в на некоторых участках повторяет траекторию дорожки г, а на некоторых участках сближается или расходится с последней в осевом направлении.Figure 5 gives an angular scan of the trajectories of the raceways on a plane in the center of their roundness: a - for the
На фиг.5 видно, что сектор "впуск" занимает 60°, а сектор "сжатие" - 90°. В компрессорах и насосах высокого давления эта разница может быть значительно больше, например, "впуск" может занимать 60°, а "сжатие" - 270°, то есть в соотношении 1 к 4,5 с учетом того, что в перегибах траекторий дорожек качения маховика введено два стоп-сектора по 15°.Figure 5 shows that the sector "inlet" occupies 60 °, and the sector "compression" - 90 °. In compressors and high pressure pumps, this difference can be much larger, for example, the “inlet” can occupy 60 °, and the “compression” can be 270 °, that is, in the ratio of 1 to 4.5, taking into account the fact that in the excesses of the trajectories of the raceways the flywheel introduced two stop sectors at 15 °.
Конструкция поршневой группы "щелевая матрешка" (фиг.10) имеет следующие особенности: на торцевых поверхностях цилиндров 6 второй ступени выполнены щелевые окна 41, а в поршнях 5 - продувочные каналы 42. При этом продувочные окна 41 совпадают с продувочными каналами 42.The design of the piston group "slotted nested doll" (Fig. 10) has the following features: slotted
На фиг.11 дана сравнительная индикаторная диаграмма работы двигателя с синусоидальной дорожкой качения и дисинусоидальной с использованием стоп-сектора в момент воспламенения, при одинаковых прочих условиях. Поскольку процесс воспламенения не может быть мгновенным, а занимает определенное время, хотя и очень малое, при высоких оборотах двигателя с использованием кривошипно-шатунного механизма или маховиков с синусоидальной дорожкой качения происходит большое падение процента КПД. Чтобы уменьшить эти потери, в двигателе устанавливают опережающее зажигание (воспламенение горючей смеси или впрыск топлива начинается, когда поршень еще не дошел до верхней "мертвой" точки, на диаграмме это точка В0, на дуге, характеризующей процесс сжатия и начинающейся в точке А). Далее по дуге до точки Е (которая соответствует верхней "мертвой" точке) и точки С0 идет процесс сгорания топлива, при котором повышается температура и давление газов, которые давят на поршень. От точки Е начинается рабочий ход поршня и продолжается до точки D0, когда открывается выпускной клапан и начинается резкое падение давления газов. Поскольку отработавшие газы при высоких оборотах двигателя не могут мгновенно выброситься в выпускной тракт, в целях уменьшения отрицательной работы поршня по их вытеснению, выпускной клапан открывается раньше, чем поршень достиг крайнего нижнего положения (нижней "мертвой" точки). В точке D0 открывается выпускной клапан, происходит резкое падение давления выхлопных газов в цилиндре, и индикаторная линия идет по дуге D0A0. Таким образом, полезная работа, совершенная поршнем в двигателе с синусоидальной дорожкой качения маховика, равна площади AB0EC0D0A0. В двигателе с дисинусоидальной дорожкой качения с использованием стоп-сектора при смене тактов "сжатие-рабочий ход" воспламенение горючей смеси или впрыск топлива начинается в начале стоп-сектора, поэтому дуга, характеризующая процесс сжатия, имеет вид от точки А до точки В, то есть от крайнего нижнего положения до крайнего верхнего. В точке В начинается воспламенение, и поскольку поршень уже находится в неподвижном состоянии, то нарастание температуры и давления идет без изменения объема, по прямой ВС. При выходе из стоп-сектора, в точке С, начинается рабочий ход поршня, который характеризуется дугой CD. Точка D находится в начале нижнего стоп-сектора, определяющего смену тактов рабочий ход-выпуск, когда открывается выпускной клапан, поэтому поршень совершает работу от крайнего верхнего до крайнего нижнего положения. Полезная работа такого двигателя определяется площадью ABCD. Из сравнительной диаграммы видно, что эта площадь больше. Объясняется это тем, что поршень не совершает отрицательной работы по преодолению нарастающего давления продуктов сгорания в результате раннего зажигания, эта работа определяется площадью В0ВЕ. В результате того, что в первом случае рабочий ход поршня начался от точки Е, а процессы горения еще не завершились, не совершается работа, определяющаяся площадью ЕСС0. Поршень еще не достиг крайнего нижнего положения, а выпускной клапан уже открывается и газы, которые могли бы еще совершать работу над поршнем, выбрасываются в выпускной тракт, потеря этой работы определяется площадью D0DA0. Все эти три площади на фиг.11 изображены заштрихованными, их сумма определяет потенциальный прирост КПД, который можно получить, если в двигателе использованы дисинусоидальные дорожки качения со стоп-секторами при смене тактов "сжатие"-"рабочий ход" и "рабочий ход"-"выпуск".11 is a comparative indicator diagram of the engine with a sinusoidal raceway and disinusoidal using the stop sector at the time of ignition, under the same other conditions. Since the ignition process cannot be instantaneous, but takes a certain time, albeit very small, at high engine speeds using a crank mechanism or flywheels with a sinusoidal raceway, a large drop in the percentage of efficiency occurs. In order to reduce these losses, advanced ignition is installed in the engine (ignition of a combustible mixture or fuel injection begins when the piston has not yet reached the top dead center, in the diagram it is point B 0 , on the arc characterizing the compression process and starting at point A) . Further along the arc to point E (which corresponds to the top dead center) and point C 0 there is a process of fuel combustion, at which the temperature and pressure of the gases that press on the piston increase. From point E, the piston stroke begins and continues to point D 0 , when the exhaust valve opens and a sharp drop in gas pressure begins. Since the exhaust gases at high engine speeds cannot be immediately ejected into the exhaust tract, in order to reduce the negative piston displacement operation, the exhaust valve opens before the piston has reached its lowest position (bottom dead center). At point D 0 , the exhaust valve opens, there is a sharp drop in the pressure of the exhaust gases in the cylinder, and the indicator line goes along the arc D 0 A 0 . Thus, the useful work done by the piston in an engine with a sinusoidal flywheel is equal to the area AB 0 EC 0 D 0 A 0 . In an engine with a dysinusoidal raceway using the stop sector when changing the compression-stroke strokes, ignition of the combustible mixture or fuel injection begins at the beginning of the stop sector, therefore the arc characterizing the compression process takes the form from point A to point B, then there is from the lowest position to the extreme upper. At point B, ignition begins, and since the piston is already stationary, the increase in temperature and pressure proceeds without changing the volume, in a straight line BC. When you exit the stop sector, at point C, the piston stroke begins, which is characterized by an arc CD. Point D is at the beginning of the lower stop sector, which determines the change of strokes of the working stroke-output, when the exhaust valve opens, so the piston performs work from the highest to the lowest position. The useful work of such an engine is determined by the area of ABCD. It can be seen from the comparative chart that this area is larger. This is explained by the fact that the piston does not perform negative work to overcome the increasing pressure of the combustion products as a result of early ignition, this work is determined by the area of 0 VE. As a result of the fact that in the first case the piston stroke began from point E, and the combustion processes have not yet been completed, the work determined by the area of ECC 0 is not performed. The piston has not yet reached its lowest position, and the exhaust valve is already opening and gases that could still work on the piston are emitted into the exhaust path, the loss of this work is determined by the area D 0 DA 0 . All these three areas in Fig. 11 are shaded, their sum determines the potential increase in efficiency, which can be obtained if the engine uses disinusoidal raceways with stop sectors when changing the cycles "compression" - "working stroke" and "working stroke" - "release".
В карбюраторных или инжекторных двигателях при вхождении поршней в стоп-сектор ст.3 происходит воспламенение горючей смеси искровым разрядом, а в дизельных двигателях начинается впрыск топлива. В двухтактных поршневых машинах с принудительным распределением рабочих тел (паровые машины, пневмо- и гидромоторы) во время смены тактов в стоп-секторах происходит перекрытие клапанов, когда клапаны меняют свое положение.In carburetor or injection engines, when pistons enter the stop sector of Art. 3, a combustible mixture ignites with a spark discharge, and fuel injection begins in diesel engines. In push-pull reciprocating machines with forced distribution of working fluids (steam engines, pneumatic and hydraulic motors), valves overlap during valve strokes when the valves change their position.
На фиг.12 изображена сравнительная индикаторная диаграмма работы машины с использованием дисинусоидальной дорожки качения и без ее использования. В двигателях внутреннего сгорания с четырехтактным циклом работы признак дисинусоидальности (двухамплитудность) позволяет получить двухобъемный режим работы двигателя. На фиг.5 видно, что ход поршня во время выполнения тактов "рабочий ход"-"выпуск" на Δh2 больше, чем при выполнении тактов "впуск"-"сжатие". На фиг.12 видно, что от точки D поршень продолжает совершать работу на расстояние Δh2 до точки D1, в то время как в двигателе с однообъемным режимом от точки D уже начинается "выпуск", а следовательно, можно получить потенциальный прирост КПД, обозначенный заштрихованной площадью DD1A1A. Чем больше Δh2, тем больший прирост КПД можно получить. Кроме того, из фиг.12 видно, что в двигателях с двухобъемным режимом работы температура Т2 и давление Р2 выхлопных газов на момент начала выпуска меньше, чем в двигателях с однообъемным режимом работы, где их значения выше и составляют соответственно T1 и P1. Поскольку давление выхлопных газов перед выхлопом меньше, то и звук выхлопа будет тише, а уменьшение температуры выхлопа уменьшает тепловые выбросы в атмосферу, что также делает двигатели с двухобъемным режимом работы более экологичными. При этом появляется возможность усовершенствования выхлопного тракта, например можно выполнить его из алюминия, а при достаточно большом значении Δh2, даже из тугоплавких пластиков, что сделает выхлопной тракт более корозиоустойчивым и легким. Низкая температура выхлопа увеличит срок службы деталей газораспределительного механизма двигателя.On Fig depicts a comparative indicator diagram of the operation of the machine with the use of a disinusoidal raceway and without its use. In internal combustion engines with a four-cycle operation cycle, a sign of disinusoidality (two-amplitude) allows to obtain a two-volume mode of operation of the engine. Figure 5 shows that the piston stroke during the execution of the "stroke" - "release" by Δh 2 more than when performing the cycles "inlet" - "compression". On Fig shows that from the point D the piston continues to work at a distance Δh 2 to the point D 1 , while in the engine with a single-volume mode from the point D "release" already begins, and therefore, you can get a potential increase in efficiency, indicated by the shaded area DD 1 A 1 A. The larger Δh 2 , the greater the increase in efficiency can be obtained. In addition, it can be seen from FIG. 12 that in engines with a two-volume mode of operation, the temperature T 2 and the pressure P 2 of the exhaust gases at the time of the start of exhaust are less than in engines with a single-volume mode of operation, where their values are higher and are respectively T 1 and P 1 . Since the pressure of the exhaust gases in front of the exhaust is less, the sound of the exhaust will be quieter, and a decrease in the temperature of the exhaust reduces thermal emissions into the atmosphere, which also makes engines with a two-volume operation more environmentally friendly. At the same time, it becomes possible to improve the exhaust path, for example, it can be made of aluminum, and with a sufficiently large Δh 2 value, even from refractory plastics, which will make the exhaust path more corrosion resistant and light. A low exhaust temperature will increase the life of the engine timing components.
Работа четырехтактного д.в.с. рассматривается на примере одного цилиндра.Work four-stroke engine considered on the example of one cylinder.
Первому такту "впуск" соответствует ход поршня 5 и поршня 7 второй ступени вниз в результате взаимодействия шатуна 9 через шар 14 и шатуна второй ступени 12 через шар 15 с первым полупериодом дорожек г и в вращающегося маховика 18. На фиг.5 эти участки обозначены кривыми AA1 на дорожке г и А2А3 на дорожке в. Кривая А2А3 вниз идет более круто, чем кривая AA1. В результате этого межцентровое расстояние шаров 14 и 15 сокращается, что вызывает движение шатуна 12 второй ступени в теле шатуна 9. Шатун 12 в свою очередь через шток 11 перемещает поршень 7 второй ступени в поршне 5 из верхнего положения в нижнее на расстояние Δh. Во все время выполнения поршнями 5 и 7 такта "впуск" впускной клапан 30 открыт, так как шатун и шар, управляющие его движением, взаимодействуют с нижним уровнем дорожки б преобразующего кольца 27, обозначенным участком А4А5, и горючая смесь или воздух засасываются из впускного коллектора в цилиндры 4 и 6. Выпускной же клапан 31 в это время закрыт, потому как управляющие его движением шатун 33 и шар 34 взаимодействуют с верхним уровнем дорожки а, обозначенным участком А6А7, и поэтому выпускной коллектор закрыт. После выполнения такта "впуск" шатуны 9 и 12 с шарами 14 и 15, а следовательно, и поршни 5 и 7 входят в нижние стоп-секторы ст.2, обозначенные участками A1B на дорожке г и А3В2 на дорожке в. Войдя в стоп-секторы, поршни на некоторое время прекращают свое движение. В это же время дорожка б впускного клапана 30 плавно переходит с нижнего уровня на верхний, участок А5В4. Шатун и шар впускного клапана 30 на этом участке перемещаются из нижнего положения в верхнее, отпуская впускной клапан 30, который под действием пружины поднимется вверх и закроет впускной коллектор. Выпускной клапан 31 при этом остается закрытым.The first stroke "inlet" corresponds to the stroke of the
По выходе из стоп-сектора ст.2 поршни 5 и 7 начинают движение вверх, т.е. начинается второй такт "сжатие". Процесс сжатия обозначен вторым полупериодом на дорожках г и в кривыми BB1 и В2В3. В начале подъема кривые идут круто вверх, потом по мере повышения давления в надпоршневом пространстве в цилиндрах кривые идут более полого. Так как с начала сжатия траектория дорожки в точно повторяет траекторию дорожки г, поршни 5 и 7 двигаются синхронно, но в точке Е, когда поршень 5 почти достиг крайнего верхнего положения, дорожка в уходит круто вверх. Происходит увеличение межцентрового расстояния шаров 14 и 15, что вызывает движение шатуна 12 второй ступени в теле шатуна 9 вверх. Шатун 12 в свою очередь через шток 11 перемещает поршень 7 второй ступени в поршне 5 на Δh вверх, перемещая его из нижнего положения в верхнее. То есть, завершая такт "сжатие", рабочие поверхности обоих поршней будут находиться в одной плоскости. Таким образом, в конце такта поршень 7 фактически один дожимает горючую смесь до расчетного значения. Достигнув верхнего положения, шатуны 9 и 12 начинают взаимодействовать с стоп-секторами ст.3, это участок B1C на дорожке г и участок В3С2 на дорожке в. Поршни 5 и 7 опять на некоторое время прекращают свое движение. В начале взаимодействия шатунов 9 и 12 со стоп-сектором ст.3 или чуть раньше происходит воспламенение сжатой горючей смеси электрическим искровым разрядом или впрыск дизельного топлива в раскаленный сжатый воздух насосом высокого давления, т.е. начинается процесс воспламенения и сгорания горючего. Процесс горения продолжается в момент, когда поршни 5 и 7 находятся в неподвижном состоянии.Upon exiting the stop sector st.2,
По окончании взаимодействия шатунов 9 и 12 с стоп-секторами ст.3 начинается выполнение третьего такта "рабочий ход", определенного третьим полупериодом, это участок CC1 на дорожке г и участок С2С3 на дорожке в. Продукты сгорания с большим давлением давят на рабочие поверхности поршней 5 и 7, которые через полый шток 8 и шток 11 толкают шатун 9 и шатун второй ступени 12 вниз. Шатуны 9 и 12 через шары 14 и 15, в зависимости от направления спуска канавок, вращают маховик 18 вправо или влево, а маховик 20 через шлицевое соединение вращает рабочий вал 25. Глубина спуска траекторий дорожек г и в при выполнении такта "рабочий ход" на Δh2 ниже глубины спуска этих дорожек при выполнении такта "впуск", что позволяет получить дополнительно выполненную работу. По завершении такта "рабочий ход" шатуны 9 и 12 с поршнями 5 и 7 начинают взаимодействовать с нижними стоп-секторами ст.4, на дорожке г это участок C1D, а на дорожке в это участок C3D2, и опять находятся в неподвижном положении на время взаимодействия с этим стоп-сектором. В это время дорожка а кольца 27 для выпускного клапана 31 начинает плавно переходить с верхнего уровня на нижний, это участок А7В6. Взаимодействуя с этим переходом, шатун и шар выпускного клапана 31 переходят из верхнего положения в нижнее, при этом, преодолевая сопротивление пружины, опускают выпускной клапан 31, а он открывает выпускной коллектор, т.е. начнается выпуск отработавших газов. В этом положении выпускной клапан 31 остается на все время выполнения такта "выпуск", это участок В6В7 на дорожке а.At the end of the interaction of the connecting
Во время выполнения такта "рабочий ход" дорожка в повторяет траекторию дорожки г и поршни 5 и 7 двигаются синхронно. Далее шатуны 9 и 12 начинают взаимодействовать с кривыми подъема четвертого полупериода DD1 и D2D3, определяющими характер хода поршней 5 и 7 при выполнении четвертого такта "выпуск". Вначале эти кривые идут полого, потом более круто вверх. Также как и при выполнении такта "рабочий ход", при выполнении такта "выпуск" поршни 5 и 7 двигаются синхронно, вытесняя отработавшие газы в выпускной коллектор. Закончив выполнение такта "выпуск", шатуны 9 и 12 начинают взаимодействовать со стоп-секторами ст.1, определенными участками D1A на дорожке г и D3A2 на дорожке в. Для лучшего вытеснения отработавших газов стоп-секторы ст.1 на Δh1 выше стоп-секторов ст.3. В это время на дорожках а и б кольца 27 начинаются плавные переходы этих канавок с одного уровня на другой. Дорожка а для выпускного клапана 31 плавно переходит с нижнего уровня на верхний, это участок В7А6, а следовательно, и шатун 33 выпускного клапана 31, взаимодействуя с этим переходом, также перемещается из нижнего положения в верхнее, отпуская выпускной клапан 31, который под действием пружины поднимается вверх и закрывает выпускной коллектор. Дорожка б для впускного клапана 30, напротив, плавно переходит с верхнего уровня на нижний, это участок B5А4 и, следовательно, шатун, управляющий движением впускного клапана 30, перемещается из верхнего положения в нижнее и, преодолевая сопротивление пружины, опускает клапан вниз, открывая впускной коллектор. То есть во время взаимодействия поршневой группы с стоп-сектором ст.1 происходит перекрытие клапанов. По выходе поршневой группы из стоп-сектора ст.1 цикл возобновляется.During the “stroke” stroke, the track b repeats the path of track g and the
Механизм изменения степени сжатия работает следующим образом. Винт 37 под воздействием привода вращают в ту или иную сторону в зависимости от характера изменения (уменьшения или увеличения) степени сжатия. Винт 37, в свою очередь, приводит во вращение кольцо 36, которое ограничено возвратно-поворотным движением в плоскости, перпендикулярной оси рабочего вала 25, то есть вправо-влево. Вращаясь, кольцо 36 своими кулачками взаимодействует с кулачками кольца 35, которое имеет возможность перемещаться в осевом направлении рабочего вала 25, то есть вверх-вниз. В результате этого взаимодействия кольцо 36 поднимает или опускает кольцо 35, а оно, в свою очередь, через упорный подшипник перемещает маховик 18. Таким образом осуществляется изменение объема камеры сгорания, а следовательно, и степени сжатия рабочего тела.The mechanism for changing the compression ratio works as follows. The
Особенность работы поршневой группы "щелевая матрешка" состоит в том, что поршень 7 (см. фиг.10) второй ступени, опускаясь в момент впуска, открывает щелевые окна 41, выполненные в цилиндре 6 второй ступени и, соответственно, продувочные каналы 42, выполненные в поршне 5. Когда щелевые окна 41 открыты, то через продувочные каналы 42 надпоршневое и подпоршневое пространства соединяются и рабочее тело получает возможность свободного перетока из подпоршневого пространства в надпоршневое и наоборот.The peculiarity of the work of the piston group "slot matryoshka" is that the piston 7 (see Fig. 10) of the second stage, lowering at the moment of inlet, opens the slotted
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004102639/06A RU2267011C2 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Piston machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004102639/06A RU2267011C2 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Piston machine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004102639A RU2004102639A (en) | 2004-07-10 |
RU2267011C2 true RU2267011C2 (en) | 2005-12-27 |
Family
ID=35870495
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004102639/06A RU2267011C2 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Piston machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2267011C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102700555A (en) * | 2012-06-13 | 2012-10-03 | 哈尔滨双通铸锻有限责任公司 | Dual-stage and dual-action cylinder for railway side-tip dumper as well as method for cylinder |
RU2730195C1 (en) * | 2019-11-18 | 2020-08-19 | Андрей Викторович Юндин | Internal combustion engine (yundin cycle) |
-
2004
- 2004-01-29 RU RU2004102639/06A patent/RU2267011C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102700555A (en) * | 2012-06-13 | 2012-10-03 | 哈尔滨双通铸锻有限责任公司 | Dual-stage and dual-action cylinder for railway side-tip dumper as well as method for cylinder |
RU2730195C1 (en) * | 2019-11-18 | 2020-08-19 | Андрей Викторович Юндин | Internal combustion engine (yundin cycle) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20110011368A1 (en) | Reciprocating engines | |
JP5090456B2 (en) | Conversion mechanism between reciprocating linear motion and rotational motion | |
RU2423615C2 (en) | Internal combustion engine (versions) | |
US8171812B2 (en) | Systems and methods for facilitating conversion between reciprocating linear motion and rotational motion | |
CN102159818A (en) | Internal combustion engine with working piston and control piston | |
CN105849383B (en) | Internal combustion engine | |
CN1902388B (en) | Reciprocating engine | |
KR20100061202A (en) | Variable compression apparatus for vehicle engine | |
CN1612975A (en) | Rotating positive displacement engine | |
RU2267011C2 (en) | Piston machine | |
JP7153445B2 (en) | Internal combustion engine/generator with pressure boost | |
KR20140024242A (en) | An engine usable as a power source or pump | |
US20120234291A1 (en) | Opposite radial rotary-piston engine of choronski - modification | |
US7040262B2 (en) | Expansible chamber engine with undulating flywheel | |
US5507142A (en) | Hybrid steam engine | |
WO2016110073A1 (en) | Internal combustion engine | |
RU2187673C1 (en) | Axial four-stroke engine | |
KR200424326Y1 (en) | cam type engine | |
RU197366U1 (en) | FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH LINEAR GENERATOR | |
CN1091178A (en) | Improved internal-combustion engine | |
RU2211344C1 (en) | Axial engine | |
RU2634974C2 (en) | Method to control of axial-piston engine and axial-piston engine | |
RU2128774C1 (en) | Two-stroke axial diesel engine | |
KR101369068B1 (en) | Engine mechanism | |
RU2076216C1 (en) | Internal combustion engine with doubled number of cylinders |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080130 |