RU2286467C2

RU2286467C2 - Ball-type timing gear of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2286467C2
Application number: RU2005100015/06A
Authority: RU
Inventors: Виталий Дмитриевич Корнилов (RU); Виталий Дмитриевич Корнилов
Original assignee: Виталий Дмитриевич Корнилов
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-10-27
Also published as: RU2005100015A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engine timing systems.

SUBSTANCE: proposed engine timing gear consists of cylinder head installed on four-cylinder in-line engine on each cylinder of which ball unit is installed including split housing, ball spool with three semispherical combustion chambers placed in housing space and arranged at angle of 120° relative to each other in direction of rotation of spool, turbine with shafts and gears, expanders, reversers, air pipe, air duct and gas outlet. Pistons in cylinders play the part of air or fuel mixture chargers of combustion chamber, fuel mixture burns in constant volume, and coming out flows directly act onto blades of turbine from which power is removed.

EFFECT: increased efficiency of engine.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам газораспределения двигателей внутреннего сгорания, и может быть применено на карбюраторных и дизельных двигателях, с рядным или V-образным расположением цилиндров.The invention relates to the field of engine building, and in particular to gas distribution systems of internal combustion engines, and can be applied to carburetor and diesel engines with in-line or V-shaped arrangement of cylinders.

Известен шаровой механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку блока, установленную на четырехцилиндровом рядном двигателе, четыре шаровых узла, причем на каждый цилиндр установлен шаровой узел, последний состоит из разъемного корпуса, имеющего окна и отверстия, размещенного в полости корпуса шарового золотника, имеющего с двух сторон вдоль оси две цапфы, причем цапфы шаровых золотников соседних цилиндров соединены и образуют единый вал, соединенный шестернями с коленчатым валом двигателя, уплотнительные кольца и шариковые подшипники (патент США №9730161, МПК F 01 L 7/10, опубл. 1973).Known ball valve timing of an internal combustion engine, comprising a block head mounted on a four-cylinder in-line engine, four ball nodes, with a ball node mounted on each cylinder, the latter consisting of a detachable body having windows and openings located in the cavity of the ball valve body having of two sides along the axis are two pins, the pins of the spherical spools of adjacent cylinders being connected and forming a single shaft, connected by gears to the crankshaft of the engine, a sealant ring and ball bearings (US patent No. 9730161, IPC F 01 L 7/10, publ. 1973).

В современных двигателях внутреннего сгорания повышение мощностных характеристик связано с совершенствованием систем подготовки топлива к сгоранию и полноты наполнения цилиндров горючей смесью, очистки цилиндров от отработавших газов, повышением степени сжатия, применением высокооктановых топлив и турбонаддува в цилиндры, снижением вредных выбросов от продуктов сгорания в атмосферу и др. Указанные меры требуют больших затрат на их осуществление и использование сложных технологий.In modern internal combustion engines, an increase in power characteristics is associated with the improvement of systems for preparing fuel for combustion and completing the filling of cylinders with a combustible mixture, cleaning the cylinders from exhaust gases, increasing the degree of compression, using high-octane fuels and turbocharging in cylinders, and reducing harmful emissions from combustion products into the atmosphere and other. These measures require high costs for their implementation and the use of complex technologies.

Таким результатом является повышение эффективности работы двигателя.This result is an increase in engine efficiency.

Поставленная задача решается тем, что шаровой механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку блока, установленную на четырехцилиндровом рядном двигателе, четыре шаровых узла, причем на каждый цилиндр установлен шаровой узел, последний состоит из разъемного корпуса, имеющего окна и отверстия, размещенного в полости корпуса шарового золотника, имеющего с двух сторон вдоль оси две цапфы, причем цапфы шаровых золотников соседних цилиндров соединены и образуют единый вал, соединенный шестернями с коленчатым валом двигателя, уплотнительные кольца и шариковые подшипники, турбину с валами и шестернями, расширители, реверсы, воздушную турбину, воздуховод и газоотвод, на каждом шаровом золотнике выполнены три полусферические камеры сгорания, расположенные под углом 120° друг к другу по ходу вращения золотника, вокруг камер сгорания установлены круглые уплотнительные кольца, в корпусе выполнены два смежных окна для впуска воздуха в цилиндр и нагнетания его в камеры сгорания, окно для выхода потока газов из камер сгорания, внутри стенки корпуса выполнены полости для охлаждающей жидкости, одна форсунка расположена в воздуховоде возле окна для впуска, другая форсунка установлена на шаровом корпусе за окном для впуска по ходу вращения шарового золотника и возле свечи зажигания, одна цапфа золотника имеет шлицы внутри, а другая снаружи, шариковые подшипники установлены на цапфы с внутренними шлицами, за один оборот коленчатого вала шаровой золотник с камерами сгорания поворачивается на 120°, турбина соединена через шестерни и валы с коленчатым валом, лопасти воздушной турбины установлены в средней части турбины и нагнетают воздух через воздуховод к шаровым узлам, расширители установлены на шаровых узлах второго и третьего цилиндров, реверсы установлены в средней части расширителей, выполнены в виде задвижек, которые могут перемещаться относительно окна для выхода потока газов, направляя потоки газов в одну или другую сторону расширителей.The problem is solved in that the ball valve of the gas distribution of the internal combustion engine, comprising a block head mounted on a four-cylinder in-line engine, four ball nodes, with a ball node mounted on each cylinder, the latter consisting of a detachable case having windows and openings located in the body cavity spherical spool having two axles on both sides along the axis, and the spigots of spherical spools of adjacent cylinders are connected and form a single shaft, connected by gears with crankshaft the motor shaft, O-rings and ball bearings, a turbine with shafts and gears, expanders, reverses, an air turbine, an air duct and a gas outlet, on each ball valve there are three hemispherical combustion chambers located at an angle of 120 ° to each other along the direction of rotation of the valve round O-rings are installed in the combustion chambers, two adjacent windows are made in the housing for air inlet into the cylinder and forcing it into the combustion chambers, a window for the exit of the gas flow from the combustion chambers, inside the wall of the housing cavities for the coolant are filled, one nozzle is located in the duct near the inlet window, the other nozzle is mounted on the ball housing behind the inlet in the direction of rotation of the ball valve and near the spark plug, one spigot pin has slots inside and the other on the outside, ball bearings are installed on trunnions with internal splines, for one revolution of the crankshaft the spool with combustion chambers rotates 120 °, the turbine is connected through gears and shafts with the crankshaft, the blades of the air turbine are installed They are in the middle part of the turbine and pump air through the duct to the ball nodes, expanders are installed on the ball nodes of the second and third cylinders, reversers are installed in the middle part of the expanders, made in the form of valves that can move relative to the window for the exit of the gas flow, directing gas flows to one or the other side of the expanders.

Поставленная задача достигается также тем, что в шаровых узлах камеры сгорания отделены от полостей цилиндров и процессы сгорания не зависят от положения поршней в цилиндрах, поршни в цилиндрах выполняют функции нагнетателя воздуха или смеси воздуха с топливом в камеры сгорания.The task is also achieved by the fact that in the ball nodes of the combustion chamber are separated from the cylinder cavities and the combustion processes do not depend on the position of the pistons in the cylinders, the pistons in the cylinders act as a supercharger of air or a mixture of air and fuel into the combustion chambers.

Поставленная задача достигается также тем, что потоки газов из первого и четвертого шаровых узлов выходят к лопастям турбины, потоки газов из второго и третьего шаровых узлов выходят в расширители, где создают импульсы сил реактивного движения, в результате чего двигатель становится реактивно-турбинным импульсного типа.The task is also achieved by the fact that gas flows from the first and fourth ball nodes exit to the turbine blades, gas flows from the second and third ball nodes exit to expanders, where they generate impulses of jet propulsion forces, as a result of which the engine becomes a jet-turbine of impulse type.

Изобретение поясняется при помощи чертежей, гдеThe invention is illustrated using the drawings, where

на фиг.1 представлен описываемый механизм двигателя,figure 1 presents the described engine mechanism,

на фиг.2 - то же, часть механизма на фиг.1,figure 2 is the same, part of the mechanism of figure 1,

на фиг.3 показан шаровой золотник механизма газораспределения.figure 3 shows the ball valve of the gas distribution mechanism.

В описываемом механизме газораспределения двигателя камеры сгорания отделены от цилиндров, поршни в цилиндрах выполняют функции нагнетателя воздуха или горючей смеси в камеры сгорания, которая сгорает при постоянном объеме, выходящие потоки из шаровых узлов первого и четвертого цилиндров непосредственно воздействуют на полости турбины, а выходящие потоки газов из шаровых узлов второго и третьего цилиндров выходят в расширители, где создают импульсы сил реактивного движения.In the described gas distribution mechanism of the engine, the combustion chambers are separated from the cylinders, the pistons in the cylinders act as an air blower or a combustible mixture into the combustion chambers, which burn out at a constant volume, the outgoing flows from the spherical assemblies of the first and fourth cylinders directly affect the turbine cavities, and the outgoing gas flows from the spherical units of the second and third cylinders go into expanders, where they create impulses of the forces of jet propulsion.

Кинематической схемой двигателя является золотник - турбина со смешанной передачей движения (работы газов). В связи с этим обычный двигатель внутреннего сгорания становится реактивно-турбинным двигателем импульсного типа, с более высоким крутящим моментом и соответственно мощностью.The kinematic diagram of the engine is a spool - a turbine with mixed transmission of motion (gas operation). In this regard, a conventional internal combustion engine becomes a jet-turbine engine of a pulse type, with a higher torque and, accordingly, power.

Устройство состоит из головки блока 1, устанавливаемой на 4-цилиндровый рядный двигатель, четырех шаровых узлов 2, турбины 3 с шестернями 4 и валом 5 привода, расширителей 6, реверсов 7, воздуховода 8, газоотвода 9. Шаровой узел 2 установлен на каждый цилиндр 11 двигателя и состоит из разъемного шарового корпуса 10, шарового золотника 12, цапф 13 и 14, круглых уплотнительных колец 18, на шаровом корпусе 10 сделаны два смежных окна 36, 38 для впуска воздуха в цилиндр 11 и нагнетания его в камеры сгорания K1, K2, К3, два отверстия 41 вдоль оси шарового корпуса 10 для установки цапф 13 и 14 шарового золотника 12, внутри стенки корпуса сделаны полости 42 для охлаждающей жидкости. Шаровой золотник 12 расположен в шаровом корпусе 10 на цапфах 13 и 14, которые расположены вдоль оси шарового золотника 12 и закреплены в гнездах 15 шарового золотника 12, цапфа 13 имеет шлицы снаружи, цапфа 14 имеет шлицы внутри, на цапфы 14 установлены шариковые подшипники 16, на которых базируются и вращаются шаровые золотники 12, цапфы 13 и 14 соединяют золотники 12 всех шаровых узлов 2, которые образуют общий вал 25, соединенный шестернями 17 привода с коленчатым валом двигателя. На каждом шаровом золотнике 12 выполнены три полусферических полости, образующих камеры сгорания K1, K2, К3, которые расположены под углом 120° друг к другу по ходу вращения шарового золотника 12, вокруг камер сгорания K1, K2, К3 установлены круглые уплотнительные кольца 18. Турбина 3 состоит из ступицы 19, кожуха 20, рабочих лопастей 21 и лопастей 22 воздушной турбины 23 с фильтром 24, ступица 19 с валом 5 и шестерней 4 привода смонтирована на двух шариковых подшипниках 28, установленных в гнезде 29 вертикальной скобы 30 основания головки блока 1. Кожух 20 закреплен на ступице 19, внутри кожуха 20 по его периметру закреплены лопасти 21 турбины 3, в средней части кожуха 20 в изолированной полости установлены лопасти 22 воздушной турбины 23, снизу рабочих лопастей 21 турбины 3, за неподвижной перегородкой 31, расположены газоотвод 9 и воздуховод 8. На турбине 3, возле перегородки 31 газоотвода 9 выполнена уплотнительная кромка 32. Турбина 3 соединена с коленчатым валом двигателя через промежуточную шестерню 27, вертикальный вал 26, горизонтальный вал (на чертежах не показан). Расширители 6 выполнены в виде плоских труб, расширенных с концов, примыкающих к турбине 3, расширители 6 установлены на шаровых узлах 2 второго и третьего цилиндров 11, узкой частью трубы расширитель 6 примыкает к выходным окнам 39 камер сгорания K1, K2, К3, расширители 6 являются глушителями шума выходящих потоков газов. Реверсы 7 установлены в средней части расширителей 6 и выполнены в виде задвижек, которые могут перемещаться относительно окна 39, направляя потоки газов в одну или другую сторону расширителей 6, при этом реактивная сила движет автомобиль вперед или тормозит его. Сопла 33 установлены на шаровых узлах первого и четвертого цилиндров 11 возле рабочих лопастей 21 турбины 3. Форсунка 34 расположена в воздуховоде возле окна 36 и применяется при работе двигателя на дизтопливе или смеси нефти с бензином, форсунка 35 установлена на шаровом корпусе 10, за окном 38 по ходу вращения шарового золотника 12 и применяется при работе двигателя на легких топливах. Свеча 40 установлена в шаровом корпусе 10, возле форсунки 35. Газоотвод 9 установлен в нижней части воздуховода 8 и отводит отработавшие газы от турбины 3 в выпускную трубу (на чертежах не показана).The device consists of a block head 1 mounted on a 4-cylinder in-line engine, four ball assemblies 2, a turbine 3 with gears 4 and a drive shaft 5, expanders 6, reverse 7, duct 8, gas vent 9. A ball assembly 2 is installed on each cylinder 11 the engine and consists of a detachable ball housing 10, a spool 12, trunnions 13 and 14, round o-rings 18, two adjacent windows 36, 38 are made on the ball housing 10 for air inlet into cylinder 11 and forcing it into combustion chambers K1, K2, K3, two holes 41 along the axis of the ball housing 10 for lips The trunnions 13 and 14 of the spool 12 are provided, cavities 42 for coolant are made inside the wall of the housing. The spool 12 is located in the ball housing 10 on the pins 13 and 14, which are located along the axis of the spool 12 and are fixed in the slots 15 of the spool 12, the pin 13 has slots on the outside, the pin 14 has slots on the inside, the ball bearings 16 are mounted on the pins 14, on which the spools 12 are based and rotate, the trunnions 13 and 14 connect the spools 12 of all the spherical assemblies 2, which form a common shaft 25, connected by gears 17 of the drive with the crankshaft of the engine. On each ball valve 12 there are three hemispherical cavities that form the combustion chambers K1, K2, K3, which are located at an angle of 120 ° to each other in the direction of rotation of the ball valve 12, around the combustion chambers K1, K2, K3 round O-rings 18 are installed. Turbine 3 consists of a hub 19, a casing 20, working blades 21 and blades 22 of an air turbine 23 with a filter 24, a hub 19 with a shaft 5 and gear 4 of the drive is mounted on two ball bearings 28 installed in the socket 29 of the vertical bracket 30 of the base of the head of the block 1. The casing 20 is fixed on the hub 19, inside the casing 20, the blades 21 of the turbine 3 are fixed along its perimeter, in the middle part of the casing 20, the blades 22 of the air turbine 23 are installed, from the bottom of the working blades 21 of the turbine 3, behind the stationary partition 31, there is a gas outlet 9 and an air duct 8. On the turbine 3, near the partition wall 31 of the gas outlet 9, a sealing lip 32 is made. The turbine 3 is connected to the crankshaft of the engine through an intermediate gear 27, a vertical shaft 26, a horizontal shaft (not shown in the drawings). The expanders 6 are made in the form of flat pipes, expanded from the ends adjacent to the turbine 3, the expanders 6 are installed on the ball nodes 2 of the second and third cylinders 11, the expander 6 is connected with the narrow part of the pipe to the output windows 39 of the combustion chambers K1, K2, K3, expanders 6 are silencers of the exhaust gases. The reverse 7 is installed in the middle of the expanders 6 and is made in the form of valves that can move relative to the window 39, directing gas flows to one or the other side of the expanders 6, while the reactive force moves the car forward or slows it down. Nozzles 33 are installed on the ball nodes of the first and fourth cylinders 11 near the working blades 21 of the turbine 3. The nozzle 34 is located in the duct near the window 36 and is used when the engine is running on diesel fuel or a mixture of oil and gasoline, the nozzle 35 is installed on the ball housing 10, outside the window 38 along the rotation of the ball valve 12 and is used when the engine is running on light fuels. Candle 40 is installed in a ball housing 10, near the nozzle 35. The gas vent 9 is installed in the lower part of the duct 8 and leads the exhaust gases from the turbine 3 into the exhaust pipe (not shown in the drawings).

Описываемое устройство работает следующим образом.The described device operates as follows.

Рабочий цикл двигателя осуществляется за один оборот шарового золотника 12 (360°) или за три оборота коленчатого вала (1080°). Рабочий цикл: сжатие воздуха в камере сгорания К1 - впрыск топлива - физико-химическая подготовка топлива к сгоранию - воспламенение смеси воздуха с топливом от свечи - сгорание смеси - расширение - продувка камеры сгорания К1 - всасывание воздуха в цилиндр 11. При всасывании поршнем 37 воздуха в цилиндр 11 камера сгорания К1 соединяет окна 38 и 36 и служит воздушным каналом. При работе двигателя на дизтопливе или смеси нефти с бензином топливо впрыскивается в окно 36, всасывается вместе с воздухом в цилиндр 11 и затем сжимается поршнем 37 в камере сгорания К1.The engine duty cycle is carried out for one revolution of the spherical spool 12 (360 °) or for three revolutions of the crankshaft (1080 °). Duty cycle: air compression in the K1 combustion chamber - fuel injection - physico-chemical preparation of fuel for combustion - ignition of a mixture of air and fuel from a candle - mixture combustion - expansion - purge of the K1 combustion chamber - air intake into the cylinder 11. When the piston draws air 37 in the cylinder 11, the combustion chamber K1 connects the windows 38 and 36 and serves as an air channel. When the engine is running on diesel fuel or a mixture of oil and gasoline, fuel is injected into the window 36, sucked together with air into the cylinder 11 and then compressed by the piston 37 in the combustion chamber K1.

При вращении коленчатого вала поршни 37 в цилиндрах 11 выполняют функции нагнетателя воздуха или смеси воздуха с топливом. Поршень 37 движется вниз от ВМТ к НМТ (180° по углу поворота к/в), шаровой золотник 12 поворачивается по часовой стрелке, полость камеры сгорания К1 соединяет окна 34 и 38, воздух всасывается в цилиндр 11, поршень 37 движется вверх от НМТ к ВМТ (360°), задняя кромка полости камеры сгорания К1 перекрывает впускное окно 36, воздух сжимается в камере сгорания К1. Поршень 37 подошел к ВМТ, задняя кромка полости камеры сгорания К1 перекрывает окно 38, форсунка 35 впрыскивает топливо в камеру сгорания К1, происходит процесс физико-химической подготовки топлива к сгоранию, поршень 37 движется вниз от ВМТ к НМТ (540°), в камере сгорания К1 воспламеняется от свечи 40 смесь воздуха с топливом и начался процесс сгорания. Поршень 37 движется вверх и подошел к ВМТ (720°), кромка полости камеры сгорания К1 открывает окно 39, начался процесс выхода потока газов и расширения. Поршень 37 движется вниз от ВМТ к НМТ (900°), в камере сгорания К1 происходит процесс выхода потока газов и расширения. Поршень 37 движется от НМТ к ВМТ (1080°), в камере сгорания К1 закончена продувка от продуктов сгорания, и процесс продолжается. Аналогично происходят процессы в камерах сгорания К2, К3, которые сдвинуты по фазе угла поворота коленчатого вала относительно камеры сгорания К1 на 180° и 360° соответственно. Двигатель работает в режиме передачи крутящего момента с турбины на трансмиссию и одновременно передачи реактивной силы непосредственно на двигатель, при этом реактивная сила вызывает движение автомобиля, на котором двигатель установлен, вперед или его торможение, чем обеспечивается дополнительная безопасность движения.When the crankshaft rotates, the pistons 37 in the cylinders 11 perform the functions of an air blower or a mixture of air and fuel. Piston 37 moves downward from TDC to BDC (180 ° in the angle of rotation to / in), ball valve 12 rotates clockwise, combustion chamber cavity K1 connects windows 34 and 38, air is drawn into cylinder 11, piston 37 moves upward from BDC to TDC (360 °), the trailing edge of the cavity of the combustion chamber K1 overlaps the inlet window 36, air is compressed in the combustion chamber K1. The piston 37 approached the TDC, the trailing edge of the cavity of the combustion chamber K1 covers the window 38, the nozzle 35 injects fuel into the combustion chamber K1, the process of physicochemical preparation of the fuel for combustion takes place, the piston 37 moves down from the top of the TDC to the BDC (540 °), in the chamber Combustion K1 is ignited by a candle 40, a mixture of air with fuel and the combustion process has begun. The piston 37 moves up and approached the TDC (720 °), the edge of the cavity of the combustion chamber K1 opens the window 39, the process of exit of the gas flow and expansion has begun. The piston 37 moves down from TDC to BDC (900 °), in the combustion chamber K1 there is a process of gas flow exit and expansion. The piston 37 moves from the BDC to the TDC (1080 °), the purge from the combustion products is completed in the combustion chamber K1, and the process continues. Similarly, processes occur in the combustion chambers K2, K3, which are shifted in phase of the angle of rotation of the crankshaft relative to the combustion chamber K1 by 180 ° and 360 °, respectively. The engine operates in the mode of transmitting torque from the turbine to the transmission and at the same time transferring reactive force directly to the engine, while the reactive force causes the vehicle on which the engine is mounted to move forward or to brake, which provides additional traffic safety.

По расчетам мощность двигателя от крутящего момента на турбине, от работы первого и четвертого цилиндров, при 3000 об/мин коленвала равна 85 л.с., реактивная сила тяги от работы потоков газов 2-го и 3-го цилиндров равна 4500 кгм/сек²=4500 H=458 кгс. Для расчета взяты технические данные двигателя ВА3-2108.According to calculations, the engine power from the torque on the turbine, from the operation of the first and fourth cylinders, at 3000 rpm of the crankshaft is 85 hp, the reactive thrust from the work of the gas flows of the second and third cylinders is 4500 kgm / s ² = 4500 H = 458 kgf. For the calculation, the technical data of the VA3-2108 engine are taken.

Claims

1. The ball valve of the gas distribution of an internal combustion engine, comprising a block head mounted on a four-cylinder in-line engine, four ball nodes, with a ball node installed on each cylinder, the latter consisting of a detachable body having windows and openings located in a cavity of the ball valve body having on the two sides along the axis there are two axles, and the axles of the spherical spools of the adjacent cylinders are connected and form a single shaft, connected by gears to the crankshaft of the engine, sealing rings tsa and ball bearings, characterized in that the ball valve includes a turbine with shafts and gears, expanders, reverses, an air turbine, duct, and gas outlet, on each ball valve there are three hemispherical combustion chambers located at an angle of 120 ° to each other during the rotation of the valve, round o-rings are installed around the combustion chambers, two adjacent windows are made in the housing for air inlet into the cylinder and forcing it into the combustion chambers, a window for the exit of the gas flow from the combustion chambers of the inside of the casing wall, cavities for coolant are made, one nozzle is located in the air duct near the inlet window, another nozzle is mounted on the ball casing behind the inlet window in the direction of rotation of the spool valve and near the spark plug, one spigot pin has slots inside and the other outside, ball bearings are mounted on trunnions with internal splines, for one revolution of the crankshaft the spool with combustion chambers rotates 120 °, the turbine is connected through gears and shafts to the crankshaft, a blade The air turbine parts are installed in the middle part of the turbine and pump air through the air duct to the ball nodes, expanders are installed on the ball nodes of the second and third cylinders, the reversers are installed in the middle part of the expanders, made in the form of valves, which can move relative to the window for the exit of gas flow, directing gas flows to one or the other side of the expanders.

2. The ball valve of the engine gas distribution according to claim 1, characterized in that in the ball nodes of the combustion chamber are separated from the cylinder cavities and the combustion processes are independent of the position of the pistons in the cylinders, the pistons in the cylinders act as a supercharger of air or a mixture of air and fuel into the combustion chambers .

3. The ball valve of the engine gas distribution according to claim 1, characterized in that the gas flows from the first and fourth ball nodes exit to the turbine blades, the gas flows from the second and third ball nodes exit to expanders, where they generate impulses of reactive motion forces, as a result of which the engine becomes a jet-turbine pulse type.