RU2310080C2

RU2310080C2 - Four-stroke internal combustion engine with forced scavenging

Info

Publication number: RU2310080C2
Application number: RU2005139950/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Петрович Титов (RU); Дмитрий Петрович Титов
Original assignee: Дмитрий Петрович Титов
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-11-10
Also published as: RU2005139950A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; four-stroke internal combustion engines.

SUBSTANCE: proposed four-stroke internal combustion engine has crankcase, cylinder with ring-shaped space, crankshaft with two eccentrics, pistons, connecting rods, cylinder head and timing gear. Cylinder with ring space and reed valve in intake channel is mounted on crankcase. Crankshaft is connected by main connecting rod with working pistons, and additional connected rods are installed on eccentrics of crankshaft being coupled with ring-shaped scavenging piston. Intake channel of cylinder head is connected by channel with space formed by ring-shaped space of cylinder and ring-shaped scavenging piston.

EFFECT: increased power output and efficiency, improved operating reliability, reduced harmful effect on environment.

9 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в конструкциях четырехтактных ДВС.The invention relates to the field of engineering, in particular to internal combustion engines (ICE), and can be used in the construction of four-stroke ICE.

Известна конструкция четырехтактного двигателя, содержащая ротативную систему принудительной подачи воздуха в цилиндры двигателя [1].A known design of a four-stroke engine containing a rotational system of forced air supply to the engine cylinders [1].

Недостатком такого ДВС является громоздкость, сложность, высокая точность изготовления, соответственно высокая стоимость, повышенный удельный расход топлива и повышенные требования к настройке системы.The disadvantage of this engine is the bulkiness, complexity, high manufacturing accuracy, respectively, high cost, increased specific fuel consumption and increased requirements for tuning the system.

Известна конструкция ДВС, содержащая для принудительной подачи воздуха поршневой нагнетатель [2].A known ICE design, containing for forced air supply a piston supercharger [2].

Недостатком известной конструкции является ее громоздкость, сложность, невысокая надежность в эксплуатации, пониженный коэффициент полезного действия (КПД), повышенная материалоемкость.A disadvantage of the known design is its bulkiness, complexity, low reliability in operation, reduced coefficient of performance (COP), increased material consumption.

Задачей заявляемого технического решения является повышение мощности за счет принудительно-управляемой организации газообменных процессов ДВС, уменьшение вредного влияния на окружающую среду за счет уменьшения токсичности отработавших газов, повышение эксплуатационной надежности из-за работы узлов и деталей в условиях улучшенной смазки трущихся поверхностей и повышение КПД в результате оптимизации конструктивных особенностей узлов и деталей ДВС.The objective of the proposed technical solution is to increase capacity due to the forced-controlled organization of gas exchange processes of internal combustion engines, reduce harmful effects on the environment by reducing toxicity of exhaust gases, increase operational reliability due to the operation of units and parts in conditions of improved lubrication of rubbing surfaces and increase efficiency in the result of optimization of the design features of the components and components of the engine

Согласно заявленному изобретению четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит картер, цилиндр с кольцеобразной полостью, коленчатый вал с двумя эксцентриками, поршни, шатуны, головку цилиндра и газораспределительный механизм. На картере, снабженном маслом, установлен цилиндр с кольцеобразной полостью и лепестковым клапаном во впускном канале. Коленчатый вал связан основным шатуном с рабочим поршнем, а на эксцентриках коленчатого вала установлены дополнительные шатуны, связанные с кольцеобразным продувочным поршнем. Впускной канал головки цилиндра соединен посредством соединительного канала с объемом, образованным кольцеобразной полостью цилиндра и кольцеобразным продувочным поршнем. Указанный объем меняется от нуля до max, определяемого конструктивными параметрами, и удовлетворяет неравенству V(o-max) при max>0,5Vдв., при этом соединительный канал имеет следующие параметры Vск.>0,5...10Vдв.-Vг., где V(o-max) - меняющийся объем между кольцеобразными полостью цилиндра и продувочным поршнем, Vдв. - объем ДВС, Vск. - объем соединительного канала цилиндра, Vг. - объем впускного канала головки.According to the claimed invention, the four-stroke internal combustion engine comprises a crankcase, a cylinder with an annular cavity, a crankshaft with two eccentrics, pistons, connecting rods, a cylinder head and a gas distribution mechanism. A cylinder with an annular cavity and a flap valve in the inlet channel is mounted on a crankcase equipped with oil. The crankshaft is connected by the main connecting rod to the working piston, and additional connecting rods connected to the annular purge piston are mounted on the crankshaft eccentrics. The inlet channel of the cylinder head is connected via a connecting channel to a volume formed by an annular cavity of the cylinder and an annular purge piston. The indicated volume varies from zero to max, determined by the design parameters, and satisfies the inequality V (o-max) at max> 0.5Vdv., While the connecting channel has the following parameters Vsk> 0.5 ... 10Vdv-Vg. where V (o-max) is the changing volume between the annular cavity of the cylinder and the purge piston, Vdv. - the volume of ICE, Vsk. - the volume of the connecting channel of the cylinder, Vg. - the volume of the inlet of the head.

Указанная цель достигается тем, что в четырехтактном ДВС применен цилиндр с лепестковым клапаном во впускном канале, с кольцеобразной полостью и расположенным в ней кольцеобразным продувочным поршнем, установленным посредством двух шатунов на эксцентриках коленчатого вала. Эксцентрики расположены относительно пальца нижней головки шатуна на 180°, а постоянно меняющийся объем полости, расположенной между кольцеобразным продувочным поршнем и кольцеобразной полостью цилиндра, через обратный клапан соединен соединительным каналом с впускным каналом головки цилиндра, а кривошипная камера снабжена маслом, которое коленчатым валом разбрасывается по стенкам цилиндров. Таким образом, заявляемый четырехтактный ДВС соответствует критерию "новизна".This goal is achieved by the fact that in a four-stroke internal combustion engine a cylinder is used with a flap valve in the inlet channel, with an annular cavity and an annular purge piston located in it, mounted by means of two connecting rods on the crankshaft eccentrics. The eccentrics are 180 ° relative to the finger of the lower connecting rod head, and the constantly changing volume of the cavity located between the annular purge piston and the annular cylinder cavity is connected through a check valve to the connecting channel to the inlet channel of the cylinder head, and the crank chamber is provided with oil, which is scattered around the crankshaft cylinder walls. Thus, the claimed four-stroke ICE meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".Comparison of the claimed technical solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлена конструкция четырехтактного ДВС.The invention is illustrated by drawings, which show the design of a four-stroke ICE.

На фиг.1 представлен общий вид четырехтактного ДВС в разрезе.Figure 1 presents a General view of a four-stroke ICE in section.

На фиг.2 - сечение А-А фиг.1 - "сжатие".In Fig.2 - section aa of Fig.1 - "compression".

На фиг.3 - сечение А-А фиг.1 - "рабочий ход".Figure 3 - section aa figure 1 - "stroke".

На фиг.4 - сечение А-А фиг.1 - "выпуск".Figure 4 - section aa figure 1 - "release".

На фиг.5 - сечение А-А фиг.1 - "впуск".Figure 5 - section aa figure 1 - "inlet".

На фиг.6 - вид Б фиг.2 - "пластинчатый клапан".Figure 6 is a view B of figure 2 - "plate valve".

На фиг.7 - вид Б фиг.2 - "корпусное кольцо".In Fig.7 is a view B of Fig.2 - "housing ring".

На фиг.8 - сечение Г-Г фиг.2.In Fig.8 is a section GG of Fig.2.

На фиг.9 - сечение В-В фиг.2.Figure 9 is a section bb In figure 2.

Четырехтактный ДВС содержит картер 1, состоящий из двух половин, коленчатый вал 2, масло 3, залитое в картер 1, цилиндр 4, установленный на картере 1, рабочий поршень 5, смонтированный посредством поршневого пальца 6 на шатуне 7 коленчатого вала 2, дополнительный кольцеобразный продувочный поршень 12, расположенный в кольцеобразной полости 13 цилиндра 4 и связанный через пальцы 14 и дополнительные шатуны 15 с эксцентриками 16 коленчатого вала 2. На цилиндре 4 смонтирована головка 8 со свечой зажигания 31, форсункой 24, узлами и деталями газораспределительного механизма (ГРМ) 9. Цилиндр 4 снабжен впускным каналом 20, в котором установлен лепестковый клапан 18 и соединительным каналом 22, соединяющим объем 17 кольцеобразной полости 13 через отверстия 29 корпусного кольца 10 кольцеобразного пластинчатого клапана 11 с впускным каналом 23 головки 8.The four-stroke ICE contains a crankcase 1, consisting of two halves, a crankshaft 2, oil 3 poured into the crankcase 1, a cylinder 4 mounted on the crankcase 1, a working piston 5 mounted by a piston pin 6 on the connecting rod 7 of the crankshaft 2, an additional annular purge a piston 12 located in the annular cavity 13 of the cylinder 4 and connected through the fingers 14 and additional connecting rods 15 with the cam 16 of the crankshaft 2. A head 8 with a spark plug 31, an injector 24, gas distribution units and parts is mounted on the cylinder 4 Nogo mechanism (RM) 9. A cylinder 4 is provided with an inlet duct 20 in which a petal valve 18 and connecting passage 22, connecting the volume 17 of the annular cavity 13 through the holes 29 of the body 10 of the annular ring plate valve 11 with the inlet channel head 23 August.

Четырехтактный ДВС работает следующим образом. Исходные условия - впускной 25 и выпускной 27 клапаны головки цилиндра 8 закрыты. Рабочий поршень 5 находится в нижней мертвой точке (НМТ). Рабочий объем 33 цилиндра 4 заполнен свежей топливовоздушной смесью. Кольцеобразный продувочный поршень 12 находится в верхней мертвой точке (ВМТ). Кольцеобразный пластинчатый клапан 11 перекрывает отверстия 29 корпусного кольца 10, а лепестки 19 лепесткового клапана 18 перекрывают впускной канал 20 цилиндра 4.Four-stroke ICE works as follows. Initial conditions - inlet 25 and outlet 27 valves of the cylinder head 8 are closed. The working piston 5 is located at bottom dead center (BDC). The working volume 33 of the cylinder 4 is filled with fresh air-fuel mixture. The annular purge piston 12 is at top dead center (TDC). An annular plate valve 11 overlaps the openings 29 of the body ring 10, and the petals 19 of the flap valve 18 overlap the inlet channel 20 of the cylinder 4.

Начинается процесс сжатия. Рабочий поршень 5 начинает движение к ВМТ, сжимая топливовоздушную смесь в рабочем объеме 33 цилиндра 4. Одновременно начинает движение к НМТ кольцеобразный продувочный поршень 12. В результате этого движения появляется и начинает увеличиваться объем 17 кольцеобразной полости 13 цилиндра 4. В результате появления и увеличения объема 17 в нем появляется разряжение, которое одновременно плотнее прижимает клапан 11 к корпусному кольцу 10 и открывает лепестки 19 клапана 18, в результате чего в объем 17 начинает поступать чистый воздух. При достижении ВМТ рабочий поршень 5 заканчивает сжатие топливовоздушной смеси и происходит ее воспламенение, а при достижении НМТ кольцеобразным продувочным поршнем 12 объем 17 кольцеобразной полости цилиндра 4 заполняется чистым воздухом, в результате чего разряжение исчезает, а лепестки 19 клапана 18 под действием упругих сил материала перекрывают впускной канал 20 цилиндра 4.The compression process begins. The working piston 5 starts moving towards TDC, compressing the air-fuel mixture in the working volume 33 of cylinder 4. At the same time, the ring-shaped purge piston 12 starts moving towards BDC. As a result of this movement, the volume 17 of the annular cavity 13 of cylinder 4 appears and begins to increase. 17, a vacuum appears in it, which simultaneously presses the valve 11 more tightly against the body ring 10 and opens the petals 19 of the valve 18, as a result of which clean air begins to flow into the volume 17. Upon reaching the TDC, the working piston 5 completes the compression of the air-fuel mixture and ignites it, and when the BDC reaches the annular purge piston 12, the volume 17 of the annular cavity of the cylinder 4 is filled with clean air, as a result of which the vacuum disappears, and the petals 19 of the valve 18 overlap due to the elastic forces of the material inlet channel 20 of cylinder 4.

Рабочий ход. При воспламенении топливовоздушной смеси рабочий поршень 5 начинает движение к НМТ, а кольцеобразный продувочный поршень 12 начинает двигаться к ВМТ, в результате этого движения объем 17 начинает уменьшаться. В результате уменьшения в нем начинает расти давление воздуха, а так как впускной канал 20 перекрыт лепестковым клапаном 18, то возросшее давление воздуха приподнимает клапан 11, открывая отверстия 29 корпусного кольца 10, и чистый воздух из уменьшающегося объема 17 поступает в соединительный канал 22. Профилированная поверхность 21 цилиндра 4 ограничивает высоту открытия клапана 11, предохраняя его от разрушения. При достижении рабочим поршнем 5 НМТ кольцеобразный продувочный поршень 12 придет в ВМТ, приведя, таким образом, объем 17 к нулю, то есть вытеснив весь объем воздуха в соединительный канал 22 цилиндра 4 и во впускной канал 23 головки 8 цилиндра 4. В данный момент давление воздуха на клапан 11 не действует и он под действием упругих сил материала перекрывает отверстие 29 опорного кольца 10.Working move. When the air-fuel mixture is ignited, the working piston 5 begins to move towards the BDC, and the annular purge piston 12 begins to move towards the BDC, as a result of this movement, the volume 17 begins to decrease. As a result of the reduction, air pressure begins to increase in it, and since the inlet channel 20 is blocked by the flap valve 18, the increased air pressure lifts the valve 11, opening the openings 29 of the housing ring 10, and clean air from the decreasing volume 17 enters the connecting channel 22. Profiled the surface 21 of the cylinder 4 limits the opening height of the valve 11, protecting it from destruction. When the working piston 5 reaches the BDC, the annular purge piston 12 arrives at the TDC, thus bringing the volume 17 to zero, that is, displacing the entire volume of air into the connecting channel 22 of the cylinder 4 and into the inlet channel 23 of the cylinder head 8. Currently, the pressure air on the valve 11 does not act and it under the action of the elastic forces of the material blocks the hole 29 of the support ring 10.

Выпуск. Рабочий поршень 5 в результате действия инерционных сил из НМТ начинает движение к ВМТ, а кольцеобразный продувочный поршень 12 из ВМТ движется к НМТ. В результате работы ГРМ 9 кулачок 28 поворачивается, преодолевая усилие клапанной пружины 32, перемещая выпускной клапан 27, открывает выпускной канал 30 головки 8 и отработавшие газы, вытесняемые рабочим поршнем 5, покидают рабочий объем 33 цилиндра 4. При движении кольцеобразного продувочного поршня 12 к НМТ появляется увеличивающийся от нуля до max объем 17 кольцеобразной полости 13 цилиндра 4. Так как клапан 11 закрыт, возникает разряжение, которое открывает лепестки 19 клапана 18, и в результате чего чистый воздух через канал 20 заполняет объем 17, который становится max при нахождении кольцеобразного продувочного поршня 12 в НМТ. Поскольку разряжение исчезло, то лепестки 19 клапана 18 под действием упругих сил материала закрывают впускной канал 20 цилиндра 4.Release. The working piston 5 as a result of inertial forces from the BDC begins to move to the upper borehole, and the annular purge piston 12 from the BDC moves to the BDC. As a result of the timing 9, the cam 28 rotates, overcoming the force of the valve spring 32, moving the exhaust valve 27, opens the exhaust channel 30 of the head 8 and the exhaust gases displaced by the working piston 5 leave the working volume 33 of the cylinder 4. When the annular purge piston 12 moves to the BDC a volume 17 of the annular cavity 13 of the cylinder 4 increases, increasing from zero to max. Since the valve 11 is closed, a vacuum occurs that opens the petals 19 of the valve 18, and as a result clean air through the channel 20 fills the volume 17, which ing becomes max when the annular piston 12 in the purge BDC. Since the vacuum has disappeared, the petals 19 of the valve 18 under the action of the elastic forces of the material close the inlet channel 20 of the cylinder 4.

Впуск. При окончании выпуска рабочий поршень 5 находится в ВМТ, кольцеобразный продувочный - в НМТ. В результате работы ГРМ 9 выпускной клапан 27 закрывает выпускной канал 30 головки 8. Одновременно ГРМ 9 через кулачок 26 открывает впускной клапан 25. В это время находившийся под избыточным давлением во впускном канале 23 головки 8 и соединительном канале 22 цилиндра 4 воздух начинает поступать в рабочий объем 33 цилиндра 4. Рабочий поршень 5 начинает движение к НМТ. Кольцеобразный продувочный поршень 12 движется к ВМТ. Впускной канал 20 цилиндра 4 закрыт. Объем 17 уменьшается, давление в котором возрастает и воздух приподнимает клапан 11. В результате открываются окна 29, через которые весь воздух объема 17 вытесняется в соединительный канал 22, далее во впускной канал 23 головки 8 и в рабочий объем 33 цилиндра 4. Во время наполнения цилиндра 4 воздухом через форсунку 24 происходит впрыск топлива, которое образует топливовоздушную смесь. При достижении рабочим поршнем 5 НМТ ГРМ 9 закрывает клапаном 25 впускной канал 23. Таким образом, в рабочем объеме 33 цилиндра 4 топливовоздушная смесь находится под избыточным давлением перед процессом сжатия.Inlet. At the end of the release, the working piston 5 is located at the upper dead center, and the annular blowdown is located at the upper cylinder center. As a result of the operation of the timing belt 9, the exhaust valve 27 closes the exhaust channel 30 of the head 8. At the same time, the timing belt 9 opens the inlet valve 25 through the cam 26. At this time, the air begins to flow into the working chamber under the overpressure in the inlet channel 23 of the head 8 and the connecting channel 22 of the cylinder 4. the volume 33 of the cylinder 4. The working piston 5 begins to move to the BDC. The annular purge piston 12 moves towards the TDC. The inlet channel 20 of the cylinder 4 is closed. The volume 17 decreases, the pressure in which increases and the air lifts the valve 11. As a result, windows 29 are opened through which all the air of volume 17 is displaced into the connecting channel 22, then into the inlet channel 23 of the head 8 and into the working volume 33 of the cylinder 4. During filling cylinder 4 air through the nozzle 24 is the injection of fuel, which forms a fuel-air mixture. Upon reaching the working piston 5, the BDC 9 the timing 9 closes the inlet channel 23 with the valve 25. Thus, in the working volume 33 of the cylinder 4, the air-fuel mixture is under excess pressure before the compression process.

При дальнейшем движении рабочего поршня 5 к ВМТ, а кольцеобразного продувочного поршня 12 - к НМТ начинается процесс сжатия, и цикл повторяется.With further movement of the working piston 5 to TDC, and the annular purge piston 12 to the BDC, the compression process begins, and the cycle repeats.

Применение в конструкции четырехтактного ДВС канала, соединяющего впускной канал головки цилиндра через клапан одностороннего действия с меняющимся объемом, образованным кольцеобразной полостью цилиндра и кольцеобразным продувочным поршнем, позволит значительно увеличить мощность ДВС за счет улучшения процесса очистки цилиндра и за счет наполнения цилиндра избыточным давлением топливовоздушной смеси. В результате возможности работы ДВС на обедненных смесях значительно снизится токсичность выхлопа. В результате упрощения конструкции двигателя, в сравнении с прототипом, применения известных проверенных и отработанных решений существенно повысится эксплуатационная надежность и возрастет КПД.The use in the design of a four-stroke ICE channel connecting the inlet channel of the cylinder head through a single-acting valve with a variable volume formed by the annular cavity of the cylinder and the annular purge piston will significantly increase the power of the ICE by improving the cleaning process of the cylinder and by filling the cylinder with excess pressure of the air-fuel mixture. As a result of the possibility of the operation of ICE in lean mixtures, the toxicity of the exhaust will be significantly reduced. As a result of simplifying the design of the engine, in comparison with the prototype, using well-known proven and proven solutions, operational reliability will increase significantly and efficiency will increase.

Источники информацииInformation sources

1. Ю. Мацкерле "Современный экономичный автомобиль" Москва, "Машиностроение", 1987 г., стр.174.1. J. Matskerle, "Modern economical car" Moscow, "Engineering", 1987, p. 174.

2. В.В. Бекман "Гоночные мотоциклы" Ленинград, "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1983 г, стр.212.2. V.V. Beckman "Racing motorcycles" Leningrad, "Engineering", Leningrad Branch, 1983, p. 212.

Claims

A four-stroke internal combustion engine containing a crankcase with oil and a cylinder mounted on it with an annular cavity and a flap valve in the inlet channel, a crankshaft with two eccentrics with additional connecting rods installed on them with an annular purge piston, a working piston with a main connecting rod, a cylinder head, a gas distribution a mechanism characterized in that the inlet channel of the cylinder head is connected to varying from zero to max, determined by design parameters, volume, form nym annular cavity of the cylinder and the annular piston and purge satisfying the inequality V (0-max) if max> 0,5V _dd, connecting channel with the parameters V _ck> (0,5 ÷ 10) V _dd -V _r, where V (0- max) is the changing volume between the annular cavity of the cylinder and the purge piston, V _dv is the volume of the internal combustion engine, V _ck is the volume of the connecting channel of the cylinder, V _g is the volume of the inlet channel of the head.