RU2374454C2 - Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle - Google Patents

Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle Download PDF

Info

Publication number
RU2374454C2
RU2374454C2 RU2007127003/06A RU2007127003A RU2374454C2 RU 2374454 C2 RU2374454 C2 RU 2374454C2 RU 2007127003/06 A RU2007127003/06 A RU 2007127003/06A RU 2007127003 A RU2007127003 A RU 2007127003A RU 2374454 C2 RU2374454 C2 RU 2374454C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piston
working chamber
housing
crank
piston machine
Prior art date
Application number
RU2007127003/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007127003A (en
Inventor
Иван Иванович Пеньков (RU)
Иван Иванович Пеньков
Сергей Иванович Пеньков (RU)
Сергей Иванович Пеньков
Original Assignee
Иван Иванович Пеньков
Сергей Иванович Пеньков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Иван Иванович Пеньков, Сергей Иванович Пеньков filed Critical Иван Иванович Пеньков
Priority to RU2007127003/06A priority Critical patent/RU2374454C2/en
Publication of RU2007127003A publication Critical patent/RU2007127003A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2374454C2 publication Critical patent/RU2374454C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: invention relates to internal combustion engines, pumps and compressors and can be used as aforesaid devices. Piston machine (PM), as ICE, comprises split cylindrical housing 1, face covers 3, working chamber (WC) 4 moving along housing 1 and piston 6, pin 7, con-rod 8, insert 9, ring gear 10, gears, bearings 12 and crank 13. Ceramic plates 14, 15 with plane-parallel and ground contact surfaces make end face valve device. Ceramic plate 14 with intake and exhaust openings is rigidly fixed on face of WC 4 via refractory packing 20 to rotate together with WC. Ceramic plate 15 with intake and exhaust openings is rigidly fixed on cover 3 of housing 1 via refractory packing 17. Valve device intake and exhaust openings are made in ceramic plates over concentric circumferences to get aligned, during revolution of WC relative to piston and housing, at time intervals that correspond to adequate thermodynamic cycle strokes.
EFFECT: simplified design, higher efficiency and improved ecology.
13 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных областях промышленности и сельского хозяйства преимущественно в качестве двигателей внутреннего сгорания, а также может быть использовано в качестве насосов и компрессоров, работающих от внешнего привода.The invention relates to mechanical engineering and can be used in various fields of industry and agriculture mainly as internal combustion engines, and can also be used as pumps and compressors operating from an external drive.

В нижеприведенном тексте описание поршневой машины (ПМ) будет приведено в основном на примере описания устройства двигателя внутреннего сгорания (ДВС).In the text below, a description of a piston engine (PM) will be given mainly on the example of a description of a device of an internal combustion engine (ICE).

Известны ДВС с термодинамическим циклом Отто или Дизеля, в которых прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем передается другим устройствам, например насосам или электрогенераторам. Из-за большого количества узлов трения в этих двигателях происходит значительное снижение КПД, кроме того, конструкция таких двигателей является достаточно сложной, а в отработанных (выхлопных) газах присутствует значительное количество вредных примесей.ICEs with the Otto or Diesel thermodynamic cycle are known, in which the rectilinear reciprocating motion of the piston is converted into rotational motion of the crankshaft, which is then transmitted to other devices, for example pumps or electric generators. Due to the large number of friction units in these engines, a significant decrease in efficiency occurs, in addition, the design of such engines is quite complicated, and a significant amount of harmful impurities is present in the exhaust (exhaust) gases.

Из класса роторно-поршневых машин наиболее известным является двигатель внутреннего сгорания (ДВС) Ванкеля [«Автомобиль». А.И.Островцев, М.: Машиностроение, 1976, с.28; «Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и карбюраторных двигателей». А.С.Орлин, М.Г.Круглов, 3-е издание, М.: Машиностроение, 980, 288 с.]. ДВС Ванкеля содержит трехгранный ротор, установленный на кулачковой дисковой опоре, которая жестко связана с валом двигателя, и вращающийся с помощью внутреннего зубчатого зацепления. При этом ротор разделяет внутреннюю часть корпуса на три полости, в каждой из которых осуществляется термодинамический цикл, а со стороны граней ротора и боковой поверхности корпуса установлены уплотнительные элементы. Преимуществом ДВС Ванкеля является относительно простая конструкция, меньшее количество деталей и хорошая балансировка. Однако недостатком является небольшой крутящий момент на валу отбора мощности, увеличенный по сравнению с другими поршневыми ДВС расход топлива и масла, высокая токсичность выхлопных газов.Of the class of rotary piston machines, the most famous is the Wankel internal combustion engine (ICE) [“Car”. A.I. Ostrovtsev, M.: Mechanical Engineering, 1976, p. 28; "Internal combustion engines: Design and operation of piston and carburetor engines." A.S. Orlin, M.G. Kruglov, 3rd edition, M.: Mechanical Engineering, 980, 288 pp.]. The Wankel ICE contains a trihedral rotor mounted on a cam disk support, which is rigidly connected to the motor shaft, and rotates using an internal gearing. In this case, the rotor divides the inner part of the housing into three cavities, in each of which a thermodynamic cycle is carried out, and sealing elements are installed on the side of the rotor faces and the side surface of the housing. The advantage of the Wankel ICE is its relatively simple design, fewer parts and good balancing. However, the disadvantage is the small torque on the power take-off shaft, increased fuel and oil consumption compared to other piston ICEs, and high exhaust emissions.

Известна поршневая машина с вращающимся цилиндром [RU 2293186, F01B 13/06, 2002], в которой поршень расположен с возможностью вращения вместе с роторным корпусом на 360 градусов вокруг контура. Давление, действующее на поршень, который связан с контуром, действует также и на роторный корпус, что приводит к вращательному движению роторного корпуса вокруг контура. Одновременно за счет взаимодействия контура с поршнем, при движении блока цилиндра вокруг контура, происходит управление возвратно-поступательным движением поршня. Это управление реализует рабочие такты поршневой машины. Вместе с положительными характеристиками у такой ПМ (повышенный крутящий момент, уменьшение вредных выбросов) имеются такие недостатки, как сложность конструкции, быстрый износ деталей, взаимодействующих с контуром, и самого контура.Known piston machine with a rotating cylinder [RU 2293186, F01B 13/06, 2002], in which the piston is rotatably disposed together with the rotor housing 360 degrees around the contour. The pressure acting on the piston, which is connected to the circuit, also acts on the rotor housing, which leads to a rotational movement of the rotor housing around the circuit. At the same time, due to the interaction of the circuit with the piston, when the cylinder block moves around the circuit, the reciprocating movement of the piston is controlled. This control implements the working strokes of the piston machine. Along with the positive characteristics of such PM (increased torque, reduction of harmful emissions), there are such disadvantages as design complexity, rapid wear of parts interacting with the circuit, and the circuit itself.

Известен ДВС с оппозитными поршнями [RU 2136925, F02В 59/00, 1997], в котором цилиндры (рабочие камеры) и поршни движутся в корпусе навстречу друг другу с помощью кривошипов, при этом наружные поверхности цилиндров и внутренние поверхности корпуса выполнены плоскими, а впуск топлива и выпуск отработанных газов производят через боковые поперечные отверстия в цилиндрах и корпусе. Достоинствами такой конструкции являются низкий уровень вибраций, компактность. Однако в такой машине к силам трения между цилиндром и поршнем добавляются значительные силы трения между плоскими поверхностями цилиндра и корпуса, что приводит к более быстрому износу взаимодействующих деталей. Кроме того, силы трения уменьшают КПД такого ДВС.Known ICE with opposing pistons [RU 2136925, F02В 59/00, 1997], in which the cylinders (working chambers) and pistons move in the housing towards each other using cranks, while the outer surfaces of the cylinders and the inner surfaces of the housing are made flat and the inlet fuels and exhaust gases are produced through lateral transverse openings in the cylinders and the housing. The advantages of this design are the low level of vibration, compactness. However, in such a machine, significant friction forces between the flat surfaces of the cylinder and the housing are added to the friction forces between the cylinder and the piston, which leads to faster wear of the interacting parts. In addition, friction forces reduce the efficiency of such an internal combustion engine.

За прототип, по наибольшему количеству общих признаков, принят четырехтактный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания [SU 1838644, A3, F02В 57/00, 1990]. Этот двигатель содержит цилиндрический корпус (статор) с торцовыми крышками, внутри которого неподвижно закреплен зубчатый венец внутреннего зацепления, находящийся в зацеплении с ведущими шестернями, закрепленными соосно с кривошипами. Кривошипы вставлены в цилиндры, а цилиндры, образующие крестовину, состыкованы в единое целое - ротор. В центре крестовины выполнены сквозные каналы для впуска топлива и выпуска отработанных газов. Внутри крестовины вставлен с уплотнением отполированный газораспределительный цилиндрический стакан, в котором отверстия для впуска топлива в цилиндры (рабочие камеры) и выпуска отработанных газов соединяются с соответствующими каналами только в момент определенного такта. Отбор мощности производится через центральный вал, жестко связанный с ведомой шестерней. Этот двигатель проще по конструкции и обладает более высокой надежностью по сравнению с известными двигателями аналогичного типа. Однако существенными недостатками являются низкий КПД, небольшой крутящий момент на валу отбора мощности, быстрый износ клапанного устройства, высокая токсичность отработанных газов.The four-stroke rotary piston internal combustion engine [SU 1838644, A3, F02В 57/00, 1990] was adopted as the prototype, by the most common features. This engine contains a cylindrical housing (stator) with end caps, inside of which a toothed ring of internal gearing is fixedly fixed, which is engaged with drive gears fixed coaxially with cranks. The cranks are inserted into the cylinders, and the cylinders that form the cross are docked into a single unit - the rotor. Through the center of the cross is made through channels for fuel inlet and exhaust gas. Inside the crosspiece, a polished cylindrical gas distribution cup is inserted with a seal, in which the holes for the fuel inlet into the cylinders (working chambers) and the exhaust gas outlet are connected to the corresponding channels only at the time of a certain stroke. Power is taken through a central shaft rigidly connected to the driven gear. This engine is simpler in design and has a higher reliability compared to known engines of a similar type. However, significant disadvantages are low efficiency, low torque on the power take-off shaft, quick wear of the valve device, and high toxicity of exhaust gases.

Целью настоящего изобретения является создание поршневой машины, конструкция которой является более простой, КПД которой выше, чем у прототипа, область применения шире и в которой улучшены экологические характеристики.The aim of the present invention is to provide a piston machine, the design of which is simpler, the efficiency of which is higher than that of the prototype, the scope is wider and in which the environmental performance is improved.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание такой ПМ, в которой преобразование прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала и наоборот осуществляется с минимальным трением и, как следствие этого, с минимальным износом, а также надежно обеспечивается синхронизация всех узлов и деталей ПМ.Another objective of the present invention is the creation of such a PM, in which the conversion of the linear reciprocating motion of the piston into rotational motion of the shaft and vice versa is carried out with minimal friction and, as a result, with minimal wear, and synchronization of all nodes and parts of the PM is reliably ensured.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание конструкции простого с минимальным износом клапанного устройства для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов.Another objective of the present invention is to provide a simple construction with minimal wear on the valve device for inlet of the fuel mixture and exhaust gas.

Согласно изобретению поставленная цель осуществляется за счет признаков, приведенных в пункте 1 формулы изобретения.According to the invention, the goal is achieved due to the characteristics given in paragraph 1 of the claims.

Поршневая машина, содержащая, по меньшей мере, один блок, включающий, по меньшей мере, одну элементарную ячейку, которая содержит установленную с помощью подшипников в полом цилиндрическом корпусе поршневой машины рабочую камеру (цилиндр) с возможностью ее вращения относительно корпуса одновременно с движением поршня, который соединен с кривошипом с помощью шатуна и придает вращение кривошипу, а на осях кривошипа установлены шестерни, одна из которых жестко закреплена на оси кривошипа и обеспечивает вращение рабочей камеры, отличается тем, что рабочая камера (цилиндр) установлена с возможностью ее вращения относительно поршня и корпуса одновременно с прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, а на осях кривошипа, оси которого закреплены в корпусе, установлены шестерни, входящие в зацепление с торцовым зубчатым венцом, одна из которых ограничена в продольном перемещении и свободно вращается на оси кривошипа, зубчатый венец либо выполнен заодно с рабочей камерой, либо выполнен в виде отдельной шестерни и неподвижно закреплен на торце рабочей камеры, который обращен в сторону кривошипа, при этом шестерни, вращаясь в противоположных направлениях, создают направленное движение масляного потока с возможностью охлаждения и смазки подшипников, стенок рабочей камеры, корпуса поршневой машины и возможностью теплообмена с поверхностью змеевика с охлаждающей жидкостью, который установлен внутри корпуса, а на противоположном торце рабочей камеры и крышке корпуса расположены керамические пластины с плоскопараллельными и полированными поверхностями контакта, образующие клапанное устройство, которое содержит выпускное и направленное под углом к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры впускное отверстия, которые расположены по концентрическим окружностям керамических пластин и совмещаются в моменты времени, в соответствии с тактами термодинамического цикла, керамические пластины на торце рабочей камеры жестко закреплены через уплотнения, при этом либо керамические пластины на крышке корпуса жестко закреплены через уплотнения, либо торцовые крышки на корпусе поршневой машины изготовлены из керамики заодно с керамическими пластинами, либо одна из керамических пластин клапанного устройства закреплена во втулке, которая установлена с возможностью поворота ее вокруг оси и перемещения в осевом направлении относительно торцовой крышки корпуса с возможностью регулирования усилия прижатия керамических пластин, кроме того, по центру клапанного устройства выполнено отверстие, в котором через уплотнения установлена свеча зажигания.A piston machine comprising at least one unit including at least one unit cell, which comprises a working chamber (cylinder) mounted by means of bearings in a hollow cylindrical body of a piston machine and rotating with respect to the housing simultaneously with the movement of the piston, which is connected to the crank by means of a connecting rod and makes the crank rotate, and gears are installed on the crank axes, one of which is rigidly fixed to the crank axis and provides rotation of the working chamber, differs in Ie, that the working chamber (cylinder) is installed with the possibility of its rotation relative to the piston and the casing simultaneously with the rectilinear reciprocating movement of the piston, and the gears are engaged on the axes of the crank, the axes of which are fixed in the casing, engaging with the end gear, one of which is limited in longitudinal movement and rotates freely on the axis of the crank, the ring gear is either made integral with the working chamber, or made in the form of a separate gear and fixedly mounted on the end of the working chamber, which the first one is turned towards the crank, while the gears rotating in opposite directions create a directed movement of the oil flow with the possibility of cooling and lubricating the bearings, walls of the working chamber, the piston machine housing and the possibility of heat exchange with the surface of the coil with coolant that is installed inside the housing, and on the opposite end of the working chamber and the housing cover are ceramic plates with plane-parallel and polished contact surfaces, forming a valve device, a cat The second one contains the outlet and inlet directed at an angle to the end of the piston and in the direction of rotation of the working chamber, which are located on the concentric circles of the ceramic plates and are aligned at time points, in accordance with the thermodynamic cycle, the ceramic plates on the end of the working chamber are rigidly fixed through seals, in this case, either the ceramic plates on the housing cover are rigidly fixed through seals, or the end caps on the body of the piston machine are made of ceramic at the same time as with ceramic plates, or one of the ceramic plates of the valve device is fixed in the sleeve, which is mounted to rotate it around the axis and move in the axial direction relative to the end cover of the housing with the possibility of adjusting the pressing force of the ceramic plates, in addition, a hole is made in the center of the valve device, in which through the seals installed a spark plug.

На осях кривошипа в корпусе поршневой машины установлены герметичные вводы вращения.On the axis of the crank in the body of the piston machine sealed rotational inlets are installed.

На оси кривошипа могут быть установлены лопасти, имитирующие работу центробежного насоса, а на колене кривошипа выполнены продольные канавки для смазки вкладыша.Blades simulating the operation of a centrifugal pump can be mounted on the crank axis, and longitudinal grooves are made on the crank knee to lubricate the liner.

В корпусе установлен змеевик, а на змеевике установлен термодатчик контроля температуры охлаждающей жидкости и регулятор ее расхода.A coil is installed in the housing, and a thermal sensor for monitoring the temperature of the coolant and a regulator of its flow are installed on the coil.

На внешней поверхности рабочей камеры выполнены канавки в виде винтовой резьбы с прямоугольным или полукруглым сечением.On the outer surface of the working chamber, grooves are made in the form of a screw thread with a rectangular or semicircular section.

Керамические детали изготавливают из горячепрессованного карбида кремния или из горячеспеченного нитрида кремния.Ceramic parts are made of hot-pressed silicon carbide or of hot-sintered silicon nitride.

Уплотнения керамических пластин выполнены из материалов с демпфирующими свойствами, например из отожженной меди.Seals of ceramic plates are made of materials with damping properties, for example, of annealed copper.

В корпусе поршневой машины выполнены отверстия для охлаждения стенок вращающейся рабочей камеры принудительным или естественным воздушным потоком.Holes for cooling the walls of a rotating working chamber by forced or natural air flow are made in the body of the piston machine.

Конструкция выполнена в виде блока, одной из элементарных ячеек которого является насос или компрессор.The design is made in the form of a block, one of the unit cells of which is a pump or compressor.

В соответствии с изобретением упрощается конструкция ДВС, детали конструкции достаточно просты в изготовлении, поскольку боковые стенки рабочей камеры (РК), поршня и корпуса имеют традиционное исполнение, т.е. профилированы по окружностям, и технология их изготовления является достаточно простой, а для их изготовления не требуются специальные и дорогостоящие материалы. В заявляемом устройстве уменьшено количество деталей, так в конструкции однопоршневого ДВС не более 20-ти основных деталей, а в двухпоршневом ДВС не более 30-ти основных деталей.In accordance with the invention, the design of the internal combustion engine is simplified, the construction details are quite simple to manufacture, since the side walls of the working chamber (PK), the piston and the housing have a traditional design, i.e. profiled in circles, and the technology for their manufacture is quite simple, and for their manufacture does not require special and expensive materials. In the inventive device, the number of parts is reduced, so in the design of a single-piston ICE no more than 20 main parts, and in a two-piston ICE no more than 30 main parts.

Использование нового принципа взаимодействия поршней с вращающимися РК (цилиндрами) позволяет уменьшить трение между наружной поверхностью поршней и внутренней поверхностью РК (известно по опыту вытаскивания гвоздя из доски с одновременным его поворотом вправо-влево). Это также влияет на повышение КПД ДВС и уменьшает износ деталей.Using the new principle of interaction of pistons with rotating PK (cylinders) allows to reduce friction between the outer surface of the pistons and the inner surface of the PK (it is known from the experience of pulling a nail from the board with its simultaneous rotation from left to right). It also affects the increase in engine efficiency and reduces wear on parts.

Применение термостойких керамических материалов для изготовления деталей рабочего объема и клапанного устройства ДВС позволяет проводить термодинамический цикл при более высоких температурах сгорания топливной смеси, что позволяет улучшить полноту сгорания топливной смеси, уменьшая при этом вредные примеси в выхлопных газах, и получить более высокий КПД.The use of heat-resistant ceramic materials for the manufacture of parts of the working volume and the valve engine ICE allows you to conduct a thermodynamic cycle at higher temperatures of the combustion of the fuel mixture, which allows to improve the completeness of combustion of the fuel mixture, while reducing harmful impurities in the exhaust gases, and to obtain higher efficiency.

Возможность сборки ДВС из нескольких элементарных ячеек и блоков позволяет варьировать конструктивными особенностями и мощностью ДВС в широком диапазоне, что способствует расширению области их применения и увеличению КПД. Достаточно просто и надежно решена синхронизация всех узлов и деталей ДВС. Все узлы и детали связаны в одну кинематическую схему через кривошипы, ведущие и ведомые (зубчатые венцы) шестерни.The ability to assemble ICE from several unit cells and blocks allows you to vary the design features and power of ICE in a wide range, which helps to expand their scope and increase efficiency. The synchronization of all components and parts of the internal combustion engine is quite simple and reliable. All nodes and parts are connected in one kinematic scheme through cranks, driving and driven (gear rims) gears.

В конструкции клапанного устройства используются пластины из износостойких керамических материалов, а поверхности их контакта выполнены плоскопараллельными и полированными, что обеспечивает надежное уплотнение по поверхности их контакта и минимальный износ. Клапанное устройство состоит всего из двух деталей с впускными и выпускными отверстиями, при этом исключается целая внешняя кинематическая цепь управления клапанами и механизмом газораспределения, нет связанных с ними перемещений, что также говорит о простоте и компактности предлагаемого устройства.In the design of the valve device, plates of wear-resistant ceramic materials are used, and the surfaces of their contact are made plane-parallel and polished, which ensures reliable sealing on the surface of their contact and minimal wear. The valve device consists of only two parts with inlet and outlet openings, while the whole external kinematic control circuit of the valves and the gas distribution mechanism is excluded, there are no movements associated with them, which also indicates the simplicity and compactness of the proposed device.

Заявляемое устройство отличается от известных тем, что предложена новая конструкция взаимодействия поршневой системы ДВС, предложена новая конструкция клапанного устройства, предложена в целом более простая конструкция устройства с более высоким КПД, более широкой областью применения и улучшенными экологическими характеристиками, что позволяет судить о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».The inventive device differs from the known ones in that a new design for the interaction of the internal combustion engine piston system is proposed, a new valve device design is proposed, a generally simpler device design with a higher efficiency, wider scope and improved environmental characteristics is proposed, which makes it possible to judge the compliance of the claimed device the criterion of "novelty."

В традиционных классических ДВС (Отто, Дизель) способ образования рабочего объема для организации термодинамического цикла (впуск топливной смеси, сжатие, воспламенение, расширение и выпуск отработанных газов) осуществляется за счет возвратно-поступательного движения поршня относительно неподвижной РК (цилиндра), при этом объем является замкнутым и периодически изменяемым. В ДВС [RU 2136925, F02B 59/00, 1997] рабочий объем для организации термодинамического цикла образован цилиндрами и поршнями, движущимися навстречу друг другу посредством кривошипов. В некоторых устройствах [RU 2068106, F02B 53/06, 1994] впуск топлива в РК организуют по касательной, что способствует лучшему перемешиванию топлива и распределению его по всему объему РК и обеспечивает лучшие условия для полноты сгорания топлива. В прототипе [SU 1838644, A3, F02B 57/00, 1990] вращается роторный блок, содержащий цилиндры и поршни, при этом рабочий объем, в котором осуществляются термодинамические циклы, также образован возвратно-поступательным движением поршня относительно неподвижного цилиндра. Общими недостатками являются неравномерное распределение топливной смеси по объему, неполное сгорание топливной смеси, низкий КПД, высокая токсичность выхлопных газов.In traditional classical internal combustion engines (Otto, Diesel), the method of forming a working volume for organizing a thermodynamic cycle (fuel mixture inlet, compression, ignition, expansion and exhaust gas discharge) is carried out due to the reciprocating motion of the piston relative to the stationary RC (cylinder), while the volume is closed and periodically variable. In ICE [RU 2136925, F02B 59/00, 1997], the working volume for organizing the thermodynamic cycle is formed by cylinders and pistons moving towards each other by means of cranks. In some devices [RU 2068106, F02B 53/06, 1994], the fuel inlet into the RK is arranged tangentially, which contributes to better mixing of the fuel and its distribution over the entire volume of the RK and provides better conditions for complete combustion of the fuel. In the prototype [SU 1838644, A3, F02B 57/00, 1990], a rotor block is rotated comprising cylinders and pistons, and the working volume in which thermodynamic cycles are carried out is also formed by the reciprocating movement of the piston relative to the stationary cylinder. Common disadvantages are the uneven distribution of the fuel mixture in volume, incomplete combustion of the fuel mixture, low efficiency, high toxicity of exhaust gases.

Целью настоящего изобретения является создание такого способа выполнения рабочего объема для организации термодинамического цикла, в котором можно реализовать условия для более эффективного перемешивания и равномерного распределения топливной смеси по всему объему РК, что способствует более полному сгоранию топливной смеси и уменьшению токсичности выхлопных газов, получению более высоких значений КПД, проще и надежнее организовать впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов.The aim of the present invention is the creation of such a method of performing a working volume for organizing a thermodynamic cycle in which it is possible to realize conditions for more efficient mixing and uniform distribution of the fuel mixture throughout the volume of the RK, which contributes to a more complete combustion of the fuel mixture and a decrease in toxicity of exhaust gases, obtaining higher efficiency values, it is easier and more reliable to organize the intake of the fuel mixture and the release of exhaust gases.

Поставленная цель достигается тем, что замкнутый и периодически изменяемый рабочий объем для организации преимущественно 4-тактного термодинамического цикла, включающего впуск топливной смеси, сжатие, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработанных газов, образован возвратно-поступательным движением поршня, вращающейся относительно поршня и корпуса рабочей камерой и жестко закрепленной на ее торце через уплотнения керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства с выпускными и впускными отверстиями, обеспечивающими вместе с вращением РК перемешивание топливной смеси и равномерное ее распределение по объему РК.This goal is achieved by the fact that a closed and periodically variable displacement for organizing a predominantly 4-cycle thermodynamic cycle, including the intake of the fuel mixture, compression, ignition, combustion, expansion and exhaust, is formed by the reciprocating movement of the piston rotating relative to the piston and the housing a working chamber and a ceramic plate rigidly fixed to its end face through seals, which is simultaneously part of the valve device with exhaust and inlet openings Voith providing RK together with the rotation of the mixing of the fuel mixture and its uniform distribution over the volume of RK.

Согласно изобретению способ выполнения замкнутого и периодически изменяемого рабочего объема поршневой машины, образуемого движением поршня и движущейся рабочей камеры (цилиндра), для организации термодинамического цикла, отличается тем, что замкнутый и периодически изменяемый рабочий объем для организации либо 2-тактного термодинамического цикла, либо 4-тактного термодинамического цикла, включающего впуск топлива, сжатие, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработанных газов, образован прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, вращающейся относительно поршня и корпуса рабочей камерой и керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства с выпускными и впускными отверстиями, при этом либо керамическая пластина жестко закреплена на торце рабочей камеры, либо рабочая камера выполнена полностью из керамического материала в виде полого цилиндрического стакана с плоскопараллельным и полированным торцом с отверстиями для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов и является одновременно составной частью клапанного устройства.According to the invention, a method of performing a closed and periodically changing working volume of a piston machine, formed by the movement of the piston and a moving working chamber (cylinder), for organizing a thermodynamic cycle, characterized in that the closed and periodically changing working volume for organizing either a 2-stroke thermodynamic cycle, or 4 -tact thermodynamic cycle, including fuel inlet, compression, ignition, combustion, expansion and exhaust gas, formed by a rectilinear reciprocator the movement of the piston, rotating relative to the piston and the housing by the working chamber and a ceramic plate, which is simultaneously part of the valve device with exhaust and inlet openings, while either the ceramic plate is rigidly fixed to the end of the working chamber, or the working chamber is made entirely of ceramic material in the form of a hollow cylindrical glasses with a plane-parallel and polished end with openings for the inlet of the fuel mixture and exhaust gas and is simultaneously an integral part paw device.

Впускное отверстие в керамической пластине, закрепленной на торце рабочей камеры, направлено к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры под углом не более 45 градусов.The inlet in the ceramic plate mounted on the end of the working chamber is directed to the end of the piston and in the direction of rotation of the working chamber at an angle of not more than 45 degrees.

В клапанном устройстве выполнено по два и более впускных и выпускных отверстия.The valve device has two or more inlet and outlet openings.

Впускные отверстия выполнены в форме сопла Лаваля с направляющими канавками.The inlets are made in the form of a Laval nozzle with guide grooves.

В соответствии с изобретением рабочий объем для организации термодинамического цикла образован между поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательное движение, и РК, совершающей вращательное движение относительно поршня и корпуса ДВС. Вращение РК относительно поршня способствует более эффективному перемешиванию топливной смеси за счет ее турбулизации и более равномерному распределению ее по всему объему РК, что обеспечивает более полное сгорание топливной смеси, а следовательно, повышение КПД ДВС и улучшение его экологических характеристик.In accordance with the invention, a working volume for organizing a thermodynamic cycle is formed between a piston that performs a rectilinear reciprocating motion, and a PK that rotates with respect to the piston and the engine body. The rotation of the RC relative to the piston contributes to a more efficient mixing of the fuel mixture due to its turbulization and a more even distribution throughout the volume of the RC, which ensures more complete combustion of the fuel mixture, and therefore, an increase in the efficiency of the internal combustion engine and improvement of its environmental characteristics.

Применение термостойких керамических материалов в рабочем объеме ДВС позволяет проводить термодинамический цикл в диапазоне температур, имеющий для разных сортов топливной смеси свои значения, при которых происходит более полное сгорание топливной смеси, что также позволяет улучшить полноту сгорания топлива, уменьшая при этом вредные примеси в выхлопных газах. Сгорание топливной смеси происходит в камере сгорания в момент прохождения поршнем верхней мертвой точки, при этом основная поверхность камеры сгорания образована двумя керамическими пластинами. С одной стороны керамический поршень или керамическая накладка на торце поршня, а с другой стороны керамическая пластина на торце РК.The use of heat-resistant ceramic materials in the working volume of the internal combustion engine allows a thermodynamic cycle to be carried out in the temperature range, which has its own values for different types of fuel mixture, at which the fuel mixture is more completely burned, which also allows to improve the completeness of fuel combustion, while reducing harmful impurities in the exhaust gases . The combustion of the fuel mixture occurs in the combustion chamber at the moment the piston passes the top dead center, while the main surface of the combustion chamber is formed by two ceramic plates. On the one hand, there is a ceramic piston or ceramic lining at the end of the piston, and on the other hand, a ceramic plate at the end of the PK.

Устройство впускных отверстий в керамических пластинах клапанного устройства для впуска топливной смеси в рабочий объем РК с углом наклона этих отверстий к торцу поршня и в направлении вращения РК, не превышающим 45 градусов, в виде сопла Лаваля с направляющими канавками для закрутки потока топливной смеси также способствует более эффективному перемешиванию топливной смеси, ее турбулизации и более равномерному распределению ее по объему РК, что также обеспечивает полноту сгорания топливной смеси, способствует повышению КПД ДВС и снижению уровня примесей в отработанных газах.The arrangement of inlets in the ceramic plates of the valve device for admitting the fuel mixture into the working volume of the cylinder with the angle of inclination of these holes to the end of the piston and in the direction of rotation of the cylinder, not exceeding 45 degrees, in the form of a Laval nozzle with guide grooves for swirling the flow of the fuel mixture also contributes to efficient mixing of the fuel mixture, its turbulization and a more even distribution throughout the volume of the Republic of Kazakhstan, which also ensures the completeness of combustion of the fuel mixture, contributes to an increase in the efficiency of ICE and lower iju level of impurities in the exhaust gases.

Заявляемый способ отличается от известных авторам тем, что замкнутый и периодически изменяемый объем образован одновременно прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня и вращающейся относительно поршня и корпуса ПМ РК с жестко закрепленной на ее торце керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства, предложено более эффективное устройство впускных отверстий в клапанном устройстве для улучшения перемешивания и более равномерного распределения топливной смеси в объеме рабочей камеры, предложен в целом более эффективный способ выполнения рабочего объема для организации термодинамического цикла ДВС с более высоким КПД и улучшенными экологическими характеристиками, что позволяет судить о соответствии заявляемого способа критерию «новизна».The inventive method differs from those known to the authors in that the closed and periodically variable volume is formed simultaneously by a rectilinear reciprocating movement of the piston and rotating relative to the piston and the PM PM housing with a ceramic plate rigidly fixed at its end, which is also part of the valve device, a more efficient intake device is proposed holes in the valve device to improve mixing and more uniform distribution of the fuel mixture in the volume of the working chamber, women are generally more efficient method for performing a working volume for the organization of the thermodynamic cycle internal combustion engine with a higher efficiency and improved environmental characteristics, which allows to judge the conformity of the claimed method the criterion of "novelty".

Как следует из вышеописанного, заявляемое устройство и способ выполнения рабочего объема ПМ для организации термодинамического цикла связаны в конструкции устройства единым изобретательским замыслом, поскольку способ охарактеризован признаками, направленными на реализацию признаков, характеризующих устройство.As follows from the above, the claimed device and the method of performing the working volume of the PM for organizing the thermodynamic cycle are connected in the device design by a single inventive concept, since the method is characterized by features aimed at the implementation of the features characterizing the device.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен вид ДВС с одним поршнем в разрезе, на фиг.2 - вид ДВС с двумя поршнями в разрезе, на фиг.3 приведена схема крепления свечи зажигания в клапанном устройстве, на фиг.4 приведен вид ДВС с четырьмя поршнями в разрезе, на фиг.5 приведена схема крепления керамической накладки на поршень, на фиг.6 приведен вид насоса-компрессора с одним поршнем в разрезе, на фиг.7 приведен вид насоса-компрессора с двумя поршнями в разрезе.The device is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a cross-sectional view of an internal combustion engine with one piston, Fig. 2 shows a cross-sectional view of an internal combustion engine with two pistons, Fig. 3 shows a diagram of a spark plug mounting in a valve device, Fig. 4 shows a view ICE with four pistons in section, figure 5 shows a diagram of the mounting of a ceramic plate on the piston, figure 6 shows a view of a pump compressor with one piston in a section, figure 7 shows a view of a pump compressor with two pistons in a section.

ДВС (фиг.1) содержит разъемный цилиндрический корпус 1, торцовые крышки 3 корпуса 1, подвижную относительно корпуса 1 и поршня 6 рабочую камеру 4 с ограничительными кольцевыми выступами 5 для ограничения перемещения подшипников 21 вдоль поверхности РК, выполненный из керамического материала поршень 6, палец 7, шатун 8, вкладыш 9, зубчатый венец 10, шестерни 11, 11а, подшипники 12, кривошип 13, керамическую пластину 14 с входным отверстием 19 и выходным отверстием (на фиг.1 показан начальный такт впуска), неподвижно закрепленную на РК через уплотнение 20, керамическую пластину 15, закрепленную на крышке 3 корпуса 1 через уплотнения 17. В керамической пластине 15 выполнено впускное отверстие 18 (фиг.1, 2) и выпускное отверстие 16. Впускное отверстие 18 и выпускное отверстие 16 совмещены с впускным Д и выпускным С отверстиями на крышке 3 корпуса 1. Керамическая пластина 15 неподвижно закреплена на крышке 3 через высокотемпературные уплотнения 17, а сама крышка 3 выполнена с возможностью поворота вокруг оси на угол, не превышающий 20-ти градусов, и возможностью регулировки усилия прижатия керамических пластин 14, 15, за счет установки уплотнений между крышкой 3 и корпусом 1 (не показаны).The internal combustion engine (Fig. 1) contains a detachable cylindrical housing 1, end caps 3 of the housing 1, a working chamber 4 movable relative to the housing 1 and the piston 6, with restrictive annular protrusions 5 for restricting the movement of the bearings 21 along the surface of the RC, a piston 6 made of ceramic material, a finger 7, connecting rod 8, insert 9, ring gear 10, gears 11, 11a, bearings 12, crank 13, ceramic plate 14 with an inlet 19 and an outlet (Fig. 1 shows the initial intake stroke), fixedly mounted on the RC through a seal 20, kera a plate 15 mounted on the cover 3 of the housing 1 through seals 17. In the ceramic plate 15, an inlet 18 (FIGS. 1, 2) and an outlet 16 are made. The inlet 18 and the outlet 16 are aligned with the inlet D and the outlet C with openings the cover 3 of the housing 1. The ceramic plate 15 is fixedly mounted on the cover 3 through high-temperature seals 17, and the cover 3 is made with the possibility of rotation around the axis by an angle not exceeding 20 degrees, and the ability to adjust the pressing force of the ceramic plates 14, 15 due to the installation of seals between the cover 3 and the housing 1 (not shown).

Керамическая пластина 15 может быть установлена в отдельной втулке, которую закрепляют на крышке 3 с возможностью регулировки усилия прижатия керамических пластин 14, 15 и возможностью поворота втулки вместе с керамической пластиной 15 относительно крышки 3 корпуса 1 вокруг оси. На фиг.1 показано положение поршня в верхней (мертвой) точке, в момент сжатия топливной смеси, когда впускное и выпускное отверстия в керамической пластине 15 перекрыты пластиной 14. Керамическая пластина 14 закреплена неподвижно на торце РК 4 через высокотемпературное уплотнение 20 и вращается относительно корпуса 1 и поршня 6 вместе с РК. Керамические пластины 14, 15 в совокупности представляют собой клапанное устройство, которое содержит, по меньшей мере, одно впускное и, по меньшей мере, одно выпускное отверстия и отверстие для установки свечи зажигания.The ceramic plate 15 can be installed in a separate sleeve, which is mounted on the cover 3 with the possibility of adjusting the pressing force of the ceramic plates 14, 15 and the ability to rotate the sleeve together with the ceramic plate 15 relative to the cover 3 of the housing 1 around the axis. Figure 1 shows the position of the piston at the top (dead) point, at the time of compression of the fuel mixture, when the inlet and outlet openings in the ceramic plate 15 are blocked by the plate 14. The ceramic plate 14 is fixedly mounted on the end face of the PK 4 through a high-temperature seal 20 and rotates relative to the housing 1 and piston 6 together with PK. Ceramic plates 14, 15 in the aggregate are a valve device that contains at least one inlet and at least one outlet and an opening for installing a spark plug.

Свечи зажигания или просто спирали накаливания (керамика - изолятор) установлены в центре керамических пластин (фиг.3), при этом свечи зажигания могут быть установлены в клапанном устройстве с возможностью постоянного накала. В этом случае клапанное устройство выполняет для свечи роль герметичного ввода вращения.Spark plugs or simply glow plugs (ceramic - insulator) are installed in the center of the ceramic plates (Fig. 3), while the spark plugs can be installed in the valve device with the possibility of constant glow. In this case, the valve device acts as a hermetic rotation input for the plug.

Соответствующие впускные и выпускные отверстия в керамических пластинах расположены на разных концентрических окружностях, чтобы исключить их совмещение при вращении РК 4. Поверхности контакта керамических пластин плоскопараллельны и полированы. Наружные контуры керамических пластин выполнены в виде квадрата или прямоугольника и установлены в гнездах соответствующей конфигурации, что дополнительно предохраняет их от произвольного поворота или смещения с места их установки.The corresponding inlet and outlet openings in the ceramic plates are located on different concentric circles in order to exclude their combination during rotation of the PK 4. The contact surfaces of the ceramic plates are plane parallel and polished. The outer contours of the ceramic plates are made in the form of a square or rectangle and are installed in the nests of the corresponding configuration, which further protects them from arbitrary rotation or displacement from the place of their installation.

Уплотнения керамических пластин выполнены из материалов с демпфирующими свойствами и высокой температурой плавления, например из отожженной меди.Seals of ceramic plates are made of materials with damping properties and a high melting point, for example, of annealed copper.

Поршень 6 может быть выполнен из металла с керамической накладкой 27 на его торце (фиг.5) для защиты от высоких температур и возможностью установки на нем компрессионных колец в канавках 24. Керамическая накладка 27 (фиг.5) закреплена на торце поршня 6 через уплотнения 25 с помощью крепежных деталей 23, 26.The piston 6 can be made of metal with a ceramic overlay 27 at its end (Fig. 5) for protection against high temperatures and the possibility of installing compression rings on it in the grooves 24. A ceramic overlay 27 (Fig. 5) is mounted on the end of the piston 6 through seals 25 using fasteners 23, 26.

Рабочая камера может быть выполнена полностью из керамического материала в виде полого цилиндрического стакана с плоскопараллельным и полированным торцом и отверстиями для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов, при этом торец РК выполняет роль второй керамической пластины клапанного устройства.The working chamber can be made entirely of ceramic material in the form of a hollow cylindrical glass with a plane-parallel and polished end and openings for the inlet of the fuel mixture and exhaust gas, while the end face of the RC acts as the second ceramic plate of the valve device.

Керамические детали изготавливают преимущественно из горячепрессованного карбида кремния или из горячеспеченного нитрида кремния. Эти материалы, по сравнению с другими керамическими материалами, имеют более высокую прочность, более высокую термостойкость и более высокие трибологические характеристики (в частности, износостойкость). Керамические детали могут быть изготовлены также из нитрида алюминия, двуокиси алюминия или из металлокерамики.Ceramic parts are mainly made from hot-pressed silicon carbide or from hot-sintered silicon nitride. These materials, in comparison with other ceramic materials, have higher strength, higher heat resistance and higher tribological characteristics (in particular, wear resistance). Ceramic parts can also be made of aluminum nitride, aluminum dioxide or cermet.

Зубчатый венец (ведомая шестерня) 10 выполнен заодно с рабочей камерой 4 со стороны ее торца, обращенного в сторону кривошипа. На фиг.1, 2 показан зубчатый венец 10, выполненный в виде отдельной шестерни, который неподвижно закреплен на торце РК 4 и вращается вместе с ней. С зубчатым венцом 10 входят в зацепление шестерни 11, 11а, одна из которых (ведущая шестерня 11) жестко закреплена на оси кривошипа 13, а вторая, также входящая в зацепление с зубчатым венцом 10, ограничена от продольного смещения, но свободно вращается относительно оси кривошипа 13. Шестерни могут быть коническими или цилиндрическими.The ring gear (driven gear) 10 is made integral with the working chamber 4 from the side of its end facing the crank. In Fig.1, 2 shows the ring gear 10, made in the form of a separate gear, which is fixedly mounted on the end face of the PK 4 and rotates with it. With the gear ring 10, gears 11, 11a are engaged, one of which (pinion gear 11) is rigidly fixed to the axis of the crank 13, and the second, which also engages with the gear ring 10, is limited from longitudinal displacement, but rotates freely relative to the axis of the crank 13. Gears can be conical or cylindrical.

Вращаясь в разных направлениях, шестерни 11, 11а вращают РК в разных направлениях и способствуют организации направленного движения масляного потока к поверхностям РК и корпуса ДВС. Для более эффективного охлаждения поверхностей корпуса и РК на поверхности РК выполняют канавки 5а (фиг.1) в виде винтовой резьбы с квадратными или полукруглыми сечениями, а на оси кривошипа могут быть установлены лопасти, имитирующие работу центробежного насоса. Продольные канавки также выполняют на колене кривошипа 13 для улучшения смазки вкладыша 9. Для охлаждения масла внутри корпуса устанавливают змеевик 3а (фиг.1), по которому циркулирует охлаждающая жидкость.Rotating in different directions, the gears 11, 11a rotate the RC in different directions and contribute to the organization of the directed movement of the oil flow to the surfaces of the RC and the engine body. For more efficient cooling of the surfaces of the housing and the RC on the surface of the RC, grooves 5a (Fig. 1) are made in the form of a screw thread with square or semicircular sections, and blades simulating the operation of a centrifugal pump can be installed on the crank axis. Longitudinal grooves are also performed on the knee of the crank 13 to improve lubrication of the liner 9. To cool the oil inside the housing, a coil 3a is installed (Fig. 1), along which coolant circulates.

На боковой поверхности корпуса ДВС или со стороны его торца могут быть выполнены отверстия для охлаждения поверхности вращающейся РК с помощью воздуха принудительным или естественным способом.Holes can be made on the side surface of the ICE case or on the side of its end to cool the surface of the rotating RC using air by forced or natural means.

Оси кривошипа 13 вращаются в подшипниках 12, установленных в корпусе 1. Если конструкцию ДВС выполняют в герметичном исполнении, на выходе осей кривошипа 13 и корпуса 1 или вставки 2 (фиг.1,2) устанавливают герметичные вводы вращения, при этом вместо подшипников 12 в корпусе 1 могут быть установлены втулки.The axis of the crank 13 rotates in the bearings 12 installed in the housing 1. If the ICE design is sealed, the airtight rotational inputs are installed at the output of the axes of the crank 13 and the housing 1 or insert 2 (Fig. 1,2), while instead of the bearings 12 in case 1 can be installed bushings.

Элементарная ячейка (мини-ДВС) представляет собой однопоршневой ДВС. Элементарные ячейки легко монтируются в блоки. Блоки ПМ могут быть выполнены из одной, двух и более элементарных ячеек. На фиг.4 приведен вид крестообразного блока из 4-х элементарных ячеек. Для увеличения мощности устанавливают в параллель несколько блоков, например 4-поршневой блок, собранный по крестообразной схеме легко монтируется в 2- или 3-блочный ДВС, имеющий соответственно 8 или 12 поршней. При этом все поршни закрепляют на одном кривошипе (коленчатом валу), а кривошип выполнен с двумя или тремя коленами. На фиг.2 приведено расположение поршней 6 в корпусе 1 под углом 180 градусов, но расположение поршней может быть под разными углами (V-образное исполнение).The unit cell (mini ICE) is a single piston ICE. Unit cells are easily mounted in blocks. PM blocks can be made of one, two or more unit cells. Figure 4 shows a cross-shaped block of 4 unit cells. To increase the power, several blocks are installed in parallel, for example, a 4-piston block assembled in a crosswise manner is easily mounted in a 2- or 3-block internal combustion engine with 8 or 12 pistons, respectively. In this case, all the pistons are fixed on one crank (crankshaft), and the crank is made with two or three elbows. Figure 2 shows the location of the pistons 6 in the housing 1 at an angle of 180 degrees, but the location of the pistons can be at different angles (V-shaped design).

Устройство насоса или компрессора (фиг.6, 7) идентично устройству ДВС (фиг.1, 2), но у однопоршневого насоса-компрессора (фиг.6) имеется отличие. Это отличие в том, что привод 28 устанавливают на крышке 3 корпуса 1 через уплотнение из керамических пластин 29, 30, соединительную муфту 31 и коромысло 32, во втулках которого свободно вращается кривошип 13. У двухпоршневого насоса-компрессора (фиг.7) привод 28 закрепляют на боковой поверхности вставки 2 корпуса 1 и соединяют с одной из осей кривошипа 13. Конструкция ДВС может быть выполнена в виде блока, одной из элементарных ячеек которого является насос или компрессор.The device of the pump or compressor (Fig.6, 7) is identical to the ICE device (Fig.1, 2), but the single-piston pump-compressor (Fig.6) has a difference. This difference is that the actuator 28 is mounted on the cover 3 of the housing 1 through a seal of ceramic plates 29, 30, a coupling 31 and a rocker arm 32, in the sleeves of which the crank 13 rotates freely. For a two-piston pump-compressor (Fig. 7), the actuator 28 fixed on the side surface of the insert 2 of the housing 1 and connected to one of the axes of the crank 13. The design of the internal combustion engine can be made in the form of a block, one of the unit cells of which is a pump or compressor.

Сборка ДВС (фиг.1, 2) производится следующим образом. Сначала на одной из осей кривошипа 13 жестко закрепляют ведущую шестерню 11, вторую шестерню 1la одевают на ось кривошипа с противоположной стороны до изгиба (колена) кривошипа 13 (эта шестерня свободно вращается вокруг оси кривошипа). Устанавливают оси кривошипа 13 и подшипники 12 в отверстия вставки 2 (фиг.2) между частями корпуса 1 или в отверстия верхней части корпуса 1 (фиг.1) и закрепляют свободную шестерню 11a на оси кривошипа с помощью шайб и шплинтов (возможен и другой вариант ограничения перемещения шестерни 11а вдоль оси). Затем закрепляют зубчатый венец 10 на торце РК 4 и вставляют в РК поршень 6 в сборе с шатуном 8. Далее РК вместе с поршнем и шатуном вставляют в нижнюю часть корпуса 1 и закрепляют шатун 8 на вкладыше 9. Соединяют верхнюю и нижнюю части корпуса 1 или соединяют части корпуса со вставкой 2. После этого на противоположном торце РК 4 закрепляют керамическую пластину 14 с использованием уплотнений 20 и приводят в зацепление шестерни 10, 11, 11а, таким образом, чтобы определенные моменты (такты) нахождения поршня 6 соответствовали расположению отверстий керамических пластин 14, 15. Затем закрепляют керамическую пластину 15 с использованием уплотнений 17 в крышке 3 и закрепляют ее на корпусе 1, прижимая одновременно всю конструкцию в целом до ограничителей (не показаны). Допускается регулировка расположения впускных и выпускных отверстий поворотом крышки 3 корпуса 1 вместе с закрепленной на ней керамической пластиной 15, например, по причине износа ведущих или ведомых шестерен или при замене одного вида топлива на другой. Корпус 1 (фиг.2) может быть выполнен без вставки 2 и тогда оси кривошипа вставляют между двумя частями корпуса 1.The assembly of the internal combustion engine (figure 1, 2) is as follows. First, on one of the axes of the crank 13, the drive gear 11 is rigidly fixed, the second gear 1la is put on the axis of the crank from the opposite side until the crank 13 is bent (knee) (this gear rotates freely around the axis of the crank). Set the axis of the crank 13 and the bearings 12 in the holes of the insert 2 (figure 2) between the parts of the housing 1 or in the holes of the upper part of the housing 1 (figure 1) and fix the free gear 11a on the axis of the crank using washers and cotter pins (another option is also possible restrictions on the movement of the gear 11a along the axis). Then fix the ring gear 10 at the end of the PK 4 and insert the piston 6 assembly with the connecting rod 8 into the PK. Next, the PK together with the piston and connecting rod are inserted into the lower part of the housing 1 and the connecting rod 8 is fixed on the insert 9. Connect the upper and lower parts of the housing 1 or connect the housing parts with the insert 2. Then, on the opposite end of the PK 4, a ceramic plate 14 is fixed using seals 20 and the gears 10, 11, 11a are engaged, so that certain moments (strokes) of the piston 6 correspond to the location of the ceramic holes plates 14, 15. Then fix the ceramic plate 15 using seals 17 in the cover 3 and fix it on the housing 1, while simultaneously pressing the entire structure as a whole to the stops (not shown). It is possible to adjust the location of the inlet and outlet openings by turning the cover 3 of the housing 1 together with a ceramic plate 15 fixed to it, for example, due to wear of the driving or driven gears or when replacing one type of fuel with another. The housing 1 (figure 2) can be performed without insert 2 and then the axis of the crank is inserted between the two parts of the housing 1.

Сборку насоса или компрессора (фиг.6, 7) производят аналогичным образом, установку привода 28 с коромыслом 32, муфтой 31 и с уплотнением керамическими пластинами 30, 29 (фиг.6) производят с торцовой поверхности корпуса 1, а привод 28 (фиг.7) закрепляют на боковой поверхности вставки 2 корпуса 1.The assembly of the pump or compressor (Fig.6, 7) is carried out in the same way, the installation of the drive 28 with the rocker 32, the coupling 31 and with the sealing with ceramic plates 30, 29 (Fig.6) is carried out from the end surface of the housing 1, and the drive 28 (Fig. 7) is fixed on the side surface of the insert 2 of the housing 1.

ДВС работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 6 (фиг.1, 2) вращение шестерен 11, 11а осуществляется через кривошип 13, а шестерня 11 приводит во вращение зубчатый венец 10, который в свою очередь вращает РК 4. При вращении РК 4 впускные отверстия нижней и верхней торцовых керамических пластин 14, 15 совмещаются, происходит впуск, сжатие и воспламенение топливной смеси, поршень под давлением расширяющихся газов начинает совершать возвратно-поступательные движения и вращает при этом с помощью шатуна 8 и кривошипа 13 шестерни 11, 11а и одновременно вращает зубчатый венец 10, закрепленный на РК 4, и передает вращение через ось (оси) А и В кривошипа 13 потребителю на колеса автомобиля или другие узлы и механизмы. Моменты совмещения впускных и выпускных отверстий в керамических пластинах 14, 15 синхронно связаны с положением поршня 6, с шестернями 11, 11a и зубчатым венцом 10. Эти моменты, установленные при сборке шестерен 11, 11а с зубчатьм венцом 10, в дальнейшем практически не требуют регулировки.ICE works as follows. When the reciprocating movement of the piston 6 (Fig.1, 2), the rotation of the gears 11, 11a is carried out through the crank 13, and the gear 11 rotates the ring gear 10, which in turn rotates the PK 4. When rotating the PK 4, the lower and the upper end ceramic plates 14, 15 are combined, the fuel mixture is admitted, compressed and ignited, the piston starts to reciprocate under the pressure of expanding gases and rotates with the help of the connecting rod 8 and crank 13 of the gear 11, 11a and simultaneously rotates the crown of crowns 10, mounted on RK 4, and transmits rotation through the axis (axis) A and B of the crank 13 to the consumer on the wheels of the car or other components and mechanisms. The moments of alignment of the inlet and outlet openings in the ceramic plates 14, 15 are synchronously connected with the position of the piston 6, with the gears 11, 11a and the ring gear 10. These moments, established during the assembly of the gears 11, 11a with the ring gear 10, practically do not require adjustment .

За один полный (4-тактный) термодинамический цикл ведущая шестерня 11 заодно с кривошипом 13 совершает два оборота. Если диаметр ведущей шестерни 11 составляет половину диаметра зубчатого венца, то зубчатый венец 10 совершит при этом заодно с РК 4 только один оборот. При других соотношениях диаметров зубчатого венца и ведущей шестерни выполняют соответствующее этим соотношениям количество впускных и выпускных отверстий в клапанном устройстве.For one complete (4-stroke) thermodynamic cycle, the drive gear 11 at the same time with the crank 13 makes two turns. If the diameter of the pinion gear 11 is half the diameter of the ring gear, then the ring gear 10 will make at the same time with RK 4 only one revolution. With other ratios of the diameters of the ring gear and pinion gear, the number of inlet and outlet openings in the valve device corresponding to these ratios is performed.

При работе однопоршневого ДВС в режиме 2-тактного термодинамического цикла, когда происходит совмещение впуска топливной смеси и рабочего хода, сжатия и выпуска отработанных газов, в клапанном устройстве выполняют дополнительное выпускное отверстие, а для продувки отработанных газов устанавливают компрессор.When a single-piston engine is operating in a 2-stroke thermodynamic cycle, when the mixture of the fuel mixture and the stroke, compression and exhaust is combined, an additional outlet is made in the valve device, and a compressor is installed to purge the exhaust gases.

Температурный режим ДВС осуществляется охлаждением наружной поверхности и крышек корпуса воздухом, а внутренние поверхности корпуса и РК охлаждаются, с одновременной смазкой вращающихся деталей, масляным потоком, который, в свою очередь, охлаждается от поверхности змеевика с охлаждающей жидкостью. Для поддержания заданной температуры ДВС стенки корпуса снабжены датчиками температуры, а охлаждающая жидкость в змеевике снабжена регулятором расхода. В качестве топлива (за небольшим исключением) может служить любое жидкое или газовое топливо, способное к распылению.The temperature regime of the internal combustion engine is carried out by cooling the outer surface and the housing covers with air, and the inner surfaces of the housing and the RC are cooled, while the rotating parts are lubricated, with an oil flow, which, in turn, is cooled from the surface of the coil with coolant. To maintain the specified temperature of the internal combustion engine, the housing walls are equipped with temperature sensors, and the coolant in the coil is equipped with a flow regulator. The fuel (with a few exceptions) can be any liquid or gas fuel that can be sprayed.

В режиме насоса или компрессора ПМ работает следующим образом. От привода 28 (фиг.6, 7) в действие приводится кривошип. Ведущая шестерня 11, жестко закрепленная на кривошипе, передает вращение РК 4 через ведомую шестерню 10. Одновременно приводится в процесс возвратно-поступательного движения поршень 6, который через отверстия клапанного устройства осуществляет всасывание и нагнетание рабочей среды.In the pump or compressor mode, the PM operates as follows. From the drive 28 (6, 7), the crank is driven. The drive gear 11, rigidly mounted on the crank, transmits the rotation of the PK 4 through the driven gear 10. At the same time, the piston 6 is driven into the process of reciprocating movement, which carries out the suction and injection of the working medium through the openings of the valve device.

Таким образом, предложенное техническое решение ПМ по сравнению с прототипом и другими известными авторам техническими решениями обладает (техническими) преимуществами, которые заключаются в повышении КПД, надежности, простоте конструкции, улучшении экологических характеристик, расширении области применения.Thus, the proposed technical solution of PM in comparison with the prototype and other well-known authors of technical solutions has (technical) advantages, which include improving efficiency, reliability, simplicity of design, improving environmental performance, expanding the scope.

Claims (13)

1. Поршневая машина, содержащая, по меньшей мере, один блок, включающий, по меньшей мере, одну элементарную ячейку, которая содержит установленную с помощью подшипников в полом цилиндрическом корпусе поршневой машины рабочую камеру (цилиндр) с возможностью ее вращения относительно корпуса одновременно с движением поршня, который соединен с кривошипом с помощью шатуна и придает вращение кривошипу, а на осях кривошипа установлены шестерни, одна из которых жестко закреплена на оси кривошипа и обеспечивает вращение рабочей камеры, отличающаяся тем, что рабочая камера (цилиндр) установлена с возможностью ее вращения относительно поршня и корпуса одновременно с прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, а на осях кривошипа, оси которого закреплены в корпусе, установлены шестерни, входящие в зацепление с торцовым зубчатым венцом, одна из которых ограничена в продольном перемещении и свободно вращается на оси кривошипа, зубчатый венец либо выполнен заодно с рабочей камерой, либо выполнен в виде отдельной шестерни и неподвижно закреплен на торце рабочей камеры, который обращен в сторону кривошипа, при этом шестерни, вращаясь в противоположных направлениях, создают направленное движение масляного потока с возможностью охлаждения и смазки подшипников, стенок рабочей камеры, корпуса поршневой машины и возможностью теплообмена с поверхностью змеевика с охлаждающей жидкостью, который установлен внутри корпуса, а на противоположном торце рабочей камеры и крышке корпуса расположены керамические пластины с плоскопараллельными и полированными поверхностями контакта, образующие клапанное устройство, которое содержит выпускное и направленное под углом к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры впускное отверстия, которые расположены по концентрическим окружностям керамических пластин и совмещаются в моменты времени, в соответствии с тактами термодинамического цикла, керамические пластины на торце рабочей камеры жестко закреплены через уплотнения, при этом либо керамические пластины на крышке корпуса жестко закреплены через уплотнения, либо торцовые крышки на корпусе поршневой машины изготовлены из керамики заодно с керамическими пластинами, либо одна из керамических пластин клапанного устройства закреплена во втулке, которая установлена с возможностью поворота ее вокруг оси и перемещения в осевом направлении относительно торцовой крышки корпуса с возможностью регулирования усилия прижатия керамических пластин, кроме того, по центру клапанного устройства выполнено отверстие, в котором через уплотнения установлена свеча зажигания.1. A piston machine comprising at least one unit including at least one unit cell, which comprises a working chamber (cylinder) mounted by means of bearings in a hollow cylindrical body of a piston machine and rotating with respect to the housing simultaneously with movement a piston, which is connected to the crank by means of a connecting rod and imparts rotation to the crank, and gears are installed on the crank axes, one of which is rigidly fixed to the crank axis and provides rotation of the working chamber, distinguishing the fact that the working chamber (cylinder) is installed with the possibility of its rotation relative to the piston and the casing simultaneously with the rectilinear reciprocating movement of the piston, and on the axes of the crank, the axes of which are fixed in the casing, gears are installed that mesh with the end gear, one of which it is limited in longitudinal movement and rotates freely on the axis of the crank, the ring gear is either made integral with the working chamber, or made in the form of a separate gear and fixedly mounted on the end of the working chamber, to the other is facing the crank, while the gears, rotating in opposite directions, create a directed movement of the oil flow with the possibility of cooling and lubricating the bearings, walls of the working chamber, the piston machine housing and the possibility of heat exchange with the surface of the coil with coolant that is installed inside the housing, and on the opposite end of the working chamber and the housing cover are ceramic plates with plane-parallel and polished contact surfaces forming a valve device, which contains the outlet and inlet directed at an angle to the end of the piston and in the direction of rotation of the working chamber, which are located on the concentric circles of the ceramic plates and are aligned at times in accordance with the thermodynamic cycle, the ceramic plates on the end of the working chamber are rigidly fixed through seals, in this case, either ceramic plates on the housing cover are rigidly fixed through seals, or the end caps on the body of the piston machine are made of ceramic at the same time as ceramic plates, or one of the ceramic plates of the valve device is fixed in the sleeve, which is mounted to rotate it around the axis and move in the axial direction relative to the end cover of the housing with the possibility of adjusting the pressing force of the ceramic plates, in addition, a hole is made in the center of the valve device, in which through the seals installed a spark plug. 2. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на осях кривошипа в корпусе поршневой машины установлены герметичные вводы вращения.2. The piston machine according to claim 1, characterized in that on the axes of the crank in the body of the piston machine sealed rotational inlets are installed. 3. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на оси кривошипа могут быть установлены лопасти, имитирующие работу центробежного насоса, а на колене кривошипа выполнены продольные канавки для смазки вкладыша.3. The piston machine according to claim 1, characterized in that on the axis of the crank can be installed blades that simulate the operation of a centrifugal pump, and longitudinal grooves are made on the knee of the crank to lubricate the liner. 4. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе установлен змеевик, а на змеевике установлен термодатчик контроля температуры охлаждающей жидкости и регулятор ее расхода.4. The piston machine according to claim 1, characterized in that a coil is installed in the housing, and a thermal sensor for monitoring the temperature of the coolant and a regulator of its flow are installed on the coil. 5. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на внешней поверхности рабочей камеры выполнены канавки в виде винтовой резьбы с прямоугольным или полукруглым сечением.5. The piston machine according to claim 1, characterized in that on the outer surface of the working chamber grooves are made in the form of a screw thread with a rectangular or semicircular section. 6. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что керамические детали изготавливают из горячепрессованного карбида кремния или из горячеспеченного нитрида кремния.6. The piston machine according to claim 1, characterized in that the ceramic parts are made of hot-pressed silicon carbide or of hot-sintered silicon nitride. 7. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения керамических пластин выполнены из материалов с демпфирующими свойствами, например из отожженной меди.7. The piston machine according to claim 1, characterized in that the seals of the ceramic plates are made of materials with damping properties, for example, of annealed copper. 8. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе поршневой машины выполнены отверстия для охлаждения стенок вращающейся рабочей камеры принудительным или естественным воздушным потоком.8. The piston machine according to claim 1, characterized in that the openings for cooling the walls of the rotating working chamber by forced or natural air flow are made in the piston machine body. 9. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что конструкция выполнена в виде блока, одной из элементарных ячеек которого является насос или компрессор.9. The piston machine according to claim 1, characterized in that the design is made in the form of a block, one of the unit cells of which is a pump or compressor. 10. Способ выполнения замкнутого и периодически изменяемого рабочего объема поршневой машины, образуемого движением поршня и движущейся рабочей камеры (цилиндра), для организации термодинамического цикла, отличающийся тем, что замкнутый и периодически изменяемый рабочий объем для организации либо 2-тактного термодинамического цикла, либо 4-тактного термодинамического цикла, включающего впуск топлива, сжатие, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработанных газов, образован прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, вращающейся относительно поршня и корпуса рабочей камерой и керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства с выпускными и впускными отверстиями, при этом либо керамическая пластина жестко закреплена на торце рабочей камеры, либо рабочая камера выполнена полностью из керамического материала в виде полого цилиндрического стакана с плоскопараллельным и полированным торцом с отверстиями для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов и является одновременно составной частью клапанного устройства.10. A method of performing a closed and periodically changing displacement of a piston machine formed by the movement of a piston and a moving working chamber (cylinder) for organizing a thermodynamic cycle, characterized in that the closed and periodically changing displacement for organizing either a 2-stroke thermodynamic cycle, or 4 -tact thermodynamic cycle, including fuel inlet, compression, ignition, combustion, expansion and exhaust gas, formed by a linear reciprocating pore movement a shaft rotating relative to the piston and the housing by the working chamber and a ceramic plate, which is simultaneously part of the valve device with exhaust and inlet openings, while either the ceramic plate is rigidly fixed to the end of the working chamber, or the working chamber is made entirely of ceramic material in the form of a hollow cylindrical glass with plane-parallel and polished end with openings for the intake of the fuel mixture and exhaust gas and is at the same time an integral part of the valve device state. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что впускное отверстие в керамической пластине, закрепленной на торце рабочей камеры, направлено к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры под углом не более 45°.11. The method according to claim 10, characterized in that the inlet in the ceramic plate mounted on the end of the working chamber is directed to the end of the piston and in the direction of rotation of the working chamber at an angle of not more than 45 °. 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что в клапанном устройстве выполнено по два и более впускных и выпускных отверстия.12. The method according to claim 10, characterized in that the valve device is made of two or more inlet and outlet openings. 13. Способ по п.10, отличающийся тем, что впускные отверстия выполнены в форме сопла Лаваля с направляющими канавками. 13. The method according to claim 10, characterized in that the inlets are made in the form of a Laval nozzle with guide grooves.
RU2007127003/06A 2007-07-17 2007-07-17 Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle RU2374454C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007127003/06A RU2374454C2 (en) 2007-07-17 2007-07-17 Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007127003/06A RU2374454C2 (en) 2007-07-17 2007-07-17 Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007127003A RU2007127003A (en) 2009-01-27
RU2374454C2 true RU2374454C2 (en) 2009-11-27

Family

ID=40543433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007127003/06A RU2374454C2 (en) 2007-07-17 2007-07-17 Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2374454C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014035277A1 (en) * 2012-08-28 2014-03-06 Zuev Boris Konstantinovich Engine
RU2790819C2 (en) * 2018-11-02 2023-02-28 Тойо Инжениринг Корпорейшн Method and device for measuring the outer surface temperature of a radiant coil in a cracking furnace for ethylene production and device for ethylene production

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014035277A1 (en) * 2012-08-28 2014-03-06 Zuev Boris Konstantinovich Engine
RU2790819C2 (en) * 2018-11-02 2023-02-28 Тойо Инжениринг Корпорейшн Method and device for measuring the outer surface temperature of a radiant coil in a cracking furnace for ethylene production and device for ethylene production

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007127003A (en) 2009-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4599976A (en) Reciprocating rotary piston thermal engine with a spherical chamber
RU2528796C2 (en) Internal combustion engine: six-stroke rotary engine with spinning gates, separate rotor different-purpose sections, invariable volume combustion chambers arranged in working rotors
EP1890020A1 (en) Rotary engine
KR20040032970A (en) An improved reciprocating internal combustion engine
KR20020065541A (en) Apparatus using oscillating rotating pistons
CN101205812A (en) Four-piston cylinder engine
US4571946A (en) Internal combustion engine with rankine bottoming cycle
US20130276761A1 (en) Variable-compression engine assembly
US8230836B2 (en) Multi-cylinder reciprocating rotary engine
US7621254B2 (en) Internal combustion engine with toroidal cylinders
EP0137621A1 (en) Improvements in or relating to engines
RU2374454C2 (en) Design of piston machine and method of designing its working chamber for thermodynamic cycle
EP1042591B1 (en) Coaxial reciprocating axisymmetric engine
KR20110003396A (en) An olive-shaped rotary engine
RU2240432C1 (en) Internal combustion engine
RU2477377C2 (en) Internal combustion engine: five-stroke rotary engine with one central rotary gate shared by separate working medium compression and expansion sections, and isolated invariable-volume combustion chambers
WO2012032552A1 (en) "rotary internal combustion engine with reducer and pistons that control the cycle"
RU2477376C2 (en) Internal combustion engine: five-stroke rotary engine with rotary gates, separate working medium compression and expansion sections, and isolated invariable-volume combustion chambers
US20050161016A1 (en) Rotary internal combustion engine with adjustable compression stroke
WO2007054106A1 (en) Internal combustion rotary orbital engine
RU2613753C1 (en) Internal combustion engine
KR20040080866A (en) Axial flow 4 stroke reciprocating engine
CN111441865B (en) Rotary piston gas turbine engine
RU2444635C2 (en) Rotary engine
JPH08177511A (en) Cam type engine

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100718