RU2561808C1

RU2561808C1 - Reciprocating internal combustion engine

Info

Publication number: RU2561808C1
Application number: RU2014134948/06A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Оленев
Original assignee: Евгений Александрович Оленев
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2015-09-10

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: reciprocating internal combustion engine comprises a cylinder with a piston and a rotor in the housing. The rotor is kinematically connected with a crankshaft and periodically connects the cylinder cavity with inlet and outlet ports of the combustion chamber. The rotor is made with blades, forming with the rotor surface between them the combustion chamber. The rotor is kinematically connected to the rollers. The rollers have recesses to pass the blades and divide the space between the housing and the rotor to the annular chambers. One of the annular chambers communicates with the cylinder cavity. In the rotor, the shaft is mounted coaxially and with the ability of rotation. The shaft diameter is equal to the diameter of the rotor. On the shaft in the radial direction at least one recess is formed. The width of the recess on the shaft surface is smaller than the distance on the rotor surface between the blades. The end of the shaft protrudes beyond the rotor end. The protruding end is made in the form of as a worm gear wheel.

EFFECT: reduction of harmful emissions into the atmosphere and improvement of the operational characteristics.

6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с изменяющейся степенью сжатия.The invention relates to engine building, in particular to internal combustion engines (ICE) with a varying compression ratio.

Прототипом является поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с камерой сгорания и поршнем, ротор в корпусе, периодически соединяющий полость цилиндра с входным и выходным отверстиями камеры сгорания [US 5111783 А, 1992].The prototype is a reciprocating internal combustion engine containing a cylinder with a combustion chamber and a piston, a rotor in the housing, periodically connecting the cylinder cavity with the inlet and outlet openings of the combustion chamber [US 5111783 A, 1992].

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- недостаточно высокие эксплуатационные характеристики, связанные с отсутствием турбулизации горючей смеси в камере сгорания, а также невозможность изменения степени сжатия, что сопровождается значительным выбросом вредных веществ с отработавшими газами на переходных режимах.- insufficiently high performance characteristics associated with the lack of turbulization of the combustible mixture in the combustion chamber, as well as the impossibility of changing the compression ratio, which is accompanied by a significant release of harmful substances with exhaust gases in transient conditions.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно снижение вредных выбросов в атмосферу и повышение эксплуатационных характеристик.The objective of the invention is to remedy these disadvantages, namely reducing harmful emissions into the atmosphere and improving performance.

Задача решается тем, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр с поршнем и ротор в корпусе, кинематически связанный с коленчатым валом и периодически соединяющий полость цилиндра с входным и выходным отверстиями камеры сгорания, ротор выполнен с лопатками, образующими с поверхностью ротора между ними камеру сгорания, причем ротор кинематически связан с роликами, имеющими впадины для пропуска лопаток и разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры, из которых одна сообщена с полостью цилиндра, при этом в роторе соосно и с возможностью вращения установлен вал, диаметр которого равен диаметру ротора.The problem is solved in that in a reciprocating internal combustion engine containing a cylinder with a piston and a rotor in the housing, kinematically connected with the crankshaft and periodically connecting the cylinder cavity with the inlet and outlet openings of the combustion chamber, the rotor is made with blades forming a chamber with the rotor surface between them combustion, and the rotor is kinematically connected with rollers having cavities for the passage of the blades and dividing the space between the housing and the rotor into annular chambers, one of which communicates with the cavity of qi Indra, wherein the rotor is coaxially and rotatably mounted shaft whose diameter is equal to the rotor diameter.

На валу в радиальном направлении выполнена, по крайней мере, одна выемка. Ширина выемки на поверхности вала меньше расстояния на поверхности ротора между лопатками. Конец вала выступает за торец ротора. Выступающий конец выполнен в виде зубчатого колеса. Выступающий конец выполнен в виде червячного зубчатого колеса.At least one recess is made on the shaft in the radial direction. The width of the recess on the surface of the shaft is less than the distance on the surface of the rotor between the blades. The end of the shaft protrudes beyond the end of the rotor. The protruding end is made in the form of a gear wheel. The protruding end is made in the form of a worm gear.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.These distinctive features allow you to achieve the following advantages compared with the prototype.

Выполнение ротора с лопатками, образующими с поверхностью ротора между ними камеру сгорания, и соединение ротора с роликами, имеющими впадины для пропуска лопаток и разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры, из которых одна сообщена с полостью цилиндра, позволяет производить замену рабочего тела без газораспределительного механизма, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. При этом происходит перемещение лопатками горючей смеси во время ее впуска и в процессе сжигания. Это обеспечивает ее турбулизацию, улучшает процесс сгорания, что, в свою очередь, повышает КПД и снижает выброс вредных веществ в атмосферу, повышая в конечном счете эксплуатационные характеристики. Перемещение лопатками горючей смеси по направлению к фронту пламени в процессе ее сжигания увеличивает скорость горения смеси. Во-первых, холодная свежая смесь, продвигаясь к очагу горения с высокой температурой, быстрее прогревается, и период индукции (ее воспламенения) уменьшается. Во-вторых, движущаяся смесь способствует лучшему отводу продуктов горения от фронта пламени, благодаря чему происходит более полное сгорание. Это также повышает эксплуатационные характеристики. Кроме того, появляется возможность реверса коленчатого вала, что также повышает эксплуатационные характеристики ДВС.The implementation of the rotor with blades forming a combustion chamber between them and the rotor surface, and connecting the rotor with rollers having cavities for the passage of the blades and dividing the space between the casing and the rotor into annular chambers, one of which is in communication with the cylinder cavity, allows the replacement of the working fluid without gas distribution mechanism, which simplifies the design and increases its reliability. In this case, the blades move the combustible mixture during its inlet and during combustion. This ensures its turbulization, improves the combustion process, which, in turn, increases efficiency and reduces the emission of harmful substances into the atmosphere, ultimately increasing operational characteristics. Moving the blades of the combustible mixture toward the front of the flame during combustion increases the burning rate of the mixture. Firstly, a cold fresh mixture, advancing to a burning center with a high temperature, warms up faster, and the induction period (its ignition) decreases. Secondly, the moving mixture contributes to a better removal of combustion products from the flame front, due to which more complete combustion occurs. It also improves performance. In addition, it becomes possible to reverse the crankshaft, which also improves the performance of the internal combustion engine.

Установка в роторе соосно и с возможностью вращения вала, диаметр которого равен диаметру ротора, и в котором в радиальном направлении выполнена, по крайней мере, одна выемка, дает возможность изменять степень сжатия путем размещения в камере сгорания выемки определенной глубины (объема), что повышает эксплуатационные характеристики ДВС.Installation in the rotor coaxially and with the possibility of rotation of the shaft, the diameter of which is equal to the diameter of the rotor, and in which at least one recess is made in the radial direction, makes it possible to change the compression ratio by placing a recess of a certain depth (volume) in the combustion chamber, which increases operational characteristics of the internal combustion engine.

Выполнение ширины выемки на поверхности вала меньше расстояния на поверхности ротора между лопатками позволяет исключить выброс газов из камеры в процессе горения смеси, что повышает эксплуатационные характеристики за счет всего объема сгорания смеси.The implementation of the width of the recess on the surface of the shaft is less than the distance on the surface of the rotor between the blades eliminates the emission of gases from the chamber during the combustion of the mixture, which increases operational characteristics due to the total volume of combustion of the mixture.

Выступание конца вала за торец ротора упрощает процесс регулировки степени сжатия, что повышает надежность и эксплуатационные характеристики.The protrusion of the shaft end beyond the end of the rotor simplifies the process of adjusting the degree of compression, which increases reliability and performance.

Выполнение выступающего конца в виде зубчатого колеса позволяет не только сравнительно просто регулировать степень сжатия, например поворотом колеса червяком на определенный угол, но и охлаждать выемку камеры сгорания, например, путем периодического обдувания поверхности вращающегося вала воздухом. Охлаждение камеры сгорания изнутри одновременно с перемещением ее позволяет, во-первых, более эффективно охлаждать камеру, поскольку во время сгорания смеси в первую очередь происходит нагрев внутренней поверхности камеры сгорания. Во-вторых, появляется возможность упрощения системы охлаждения двигателя, что повышает его надежность.The protruding end in the form of a gear wheel allows not only relatively simple adjustment of the compression ratio, for example, by turning the wheel by the worm at a certain angle, but also to cool the combustion chamber recess, for example, by periodically blowing air to the surface of the rotating shaft. Cooling the combustion chamber from the inside simultaneously with moving it allows, firstly, to more efficiently cool the chamber, since during the combustion of the mixture, the inner surface of the combustion chamber is first heated. Secondly, it becomes possible to simplify the engine cooling system, which increases its reliability.

Выполнение конца в виде червячного зубчатого колеса способствует автоматической фиксации (за счет самоторможения) нужного положения выемки в процессе изменения степени сжатия, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность.The execution of the end in the form of a worm gear contributes to automatic fixation (due to self-braking) of the desired position of the recess in the process of changing the degree of compression, which simplifies the design and increases its reliability.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала удаления продуктов горения. На фиг. 2 изображена схема положения деталей двигателя в момент прохождения поршнем верхней мертвой точки. На фиг. 3 изображена схема положения деталей двигателя в момент окончания заполнения камеры сгорания и полости цилиндра свежей смесью. На фиг. 4 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала горения смеси. На фиг. 5 изображен разрез А-А двигателя.In FIG. 1 shows a diagram of the position of engine parts at the beginning of the removal of combustion products. In FIG. 2 shows a diagram of the position of engine parts at the time the piston passes the top dead center. In FIG. 3 shows a diagram of the position of engine parts at the time of completion of filling the combustion chamber and the cylinder cavity with a fresh mixture. In FIG. 4 shows a diagram of the position of engine parts at the moment the mixture begins to burn. In FIG. 5 shows a section AA of the engine.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор 4 с лопастями 5, кинематически связанный с коленчатым валом и с роликами 6, имеющими впадины 7 для пропуска лопаток, разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры 8 и 9, из которых последняя сообщена с полостью 10 цилиндра, в которой с возможностью перемещения вдоль оси размещен поршень 11, соединенный с коленчатым валом. В корпусе может быть установлена свеча 12 с электродом 13, а также форсунка (не показана). В роторе соосно и с возможностью вращения установлен равного диаметра вал 14 с радиальными выемками 15, 16 разного объема, имеющий конец 17, на котором выполнено зубчатое колесо 18.The piston internal combustion engine comprises a cylindrical housing 1 with inlet 2 and exhaust 3 windows, in which a cylindrical rotor 4 with blades 5, kinematically connected with the crankshaft and with rollers 6, having cavities 7 for passing blades dividing the space between the housing, is mounted for rotation and a rotor to the annular chambers 8 and 9, of which the latter is in communication with the cavity 10 of the cylinder, in which the piston 11 is connected with the crankshaft with the possibility of movement along the axis. A candle 12 with an electrode 13, as well as a nozzle (not shown) can be installed in the housing. An equal diameter shaft 14 with radial recesses 15, 16 of different sizes, having an end 17 on which a gear wheel 18 is made, is coaxially and rotatably mounted in the rotor.

Работает двигатель следующим образом.The engine operates as follows.

Для работы двигателя в четырехтактном режиме (при использовании трехлопастного ротора) передаточное отношение от коленчатого вала к ротору должно быть равно 6, а от роликов к ротору - 1,5. После окончания рабочего хода поршня 11 и прохождения им нижней мертвой точки (НМТ) происходит удаление продуктов сгорания из камеры 9 и полости 10 цилиндра через выпускное окно 3 (фиг. 1). Продукты сгорания будут удаляться не только посредством поршня 11, но и с помощью лопатки II ротора 4, которая в процессе движения (поворота) будет перемещать их в сторону выпускного окна 3. Одновременно за этой лопаткой движется свежая горючая смесь, поступающая через входное окно 2. Большая часть сечения полости цилиндра оказывается соединенной с выпускным окном 3, поэтому основная масса продуктов сгорания будет уходить в выпускное окно 3, к тому же, поступлению продуктов сгорании в левую (от лопатки II) часть камеры 9 препятствует находящаяся там свежая смесь. Однако нельзя исключить возможность частичного попадания туда (перемешивания со смесью) небольшого количества продуктов горения, в результате чего будет иметь место эффект рециркуляции дымовых газов.For the engine to operate in four-stroke mode (when using a three-blade rotor), the gear ratio from the crankshaft to the rotor should be 6, and from the rollers to the rotor - 1.5. After the end of the stroke of the piston 11 and the passage of the bottom dead center (BDC), the combustion products are removed from the chamber 9 and the cavity 10 of the cylinder through the exhaust window 3 (Fig. 1). The combustion products will be removed not only by means of the piston 11, but also with the help of the blade II of the rotor 4, which during movement (rotation) will move them towards the exhaust window 3. At the same time, a fresh combustible mixture moves through this blade through the inlet window 2. Most of the cross section of the cylinder cavity is connected to the exhaust window 3, so the bulk of the combustion products will go to the exhaust window 3, in addition, the entry of combustion products into the left (from the blade II) part of the chamber 9 is inhibited It is fresh mixture. However, it is impossible to exclude the possibility of partial ingress (mixing with the mixture) of a small amount of combustion products, as a result of which the effect of flue gas recirculation will take place.

При прохождении поршнем расстояния от НМТ до верхней мертвой точки (ВМТ) коленчатый вал повернется на угол 180°, а ротор 4 - на 30°. В результате этого лопатка II займет вертикальное положение, разделяя сечение полости цилиндра 10 на две равные части (фиг. 2). Лопатка II будет продолжать вытеснять продукты сгорания в выпускное окно 3, увеличивая при этом площадь сечения полости 10 цилиндра, сообщаемую с впускным окном 2, и уменьшая соответственно ту часть сечения полости, которая связана с выпускным окном 3. Поршень 11 будет двигаться вниз, осуществляя интенсивное всасывание свежей смеси из впускного окна 2 в полость цилиндра.When the piston passes the distance from the BDC to the top dead center (TDC), the crankshaft will rotate through an angle of 180 °, and rotor 4 - by 30 °. As a result of this, the blade II will occupy a vertical position, dividing the cross section of the cavity of the cylinder 10 into two equal parts (Fig. 2). The blade II will continue to displace combustion products into the exhaust window 3, while increasing the cross-sectional area of the cylinder cavity 10 in communication with the inlet window 2, and correspondingly reducing the part of the cavity section that is connected to the exhaust window 3. The piston 11 will move downward, carrying out intensive suction of the fresh mixture from the inlet window 2 into the cylinder cavity.

При приближении поршня к НМТ лопатка III начнет перекрывать впускное окно 2 и затем разобщать его с полостью 10 цилиндра, а лопатка II - разобщать указанную полость с выпускным окном 3 (фиг. 3, 5). После прохождение поршнем НМТ начнется сжимание свежей смеси, находящейся между лопатками II и III, а также в выемке 15 вала 14.As the piston approaches the BDC, the blade III will begin to overlap the inlet window 2 and then disconnect it with the cylinder cavity 10, and the blade II will begin to disconnect the specified cavity with the exhaust window 3 (Fig. 3, 5). After the piston passes through the BDC, compression of the fresh mixture located between the blades II and III, as well as in the recess 15 of the shaft 14 will begin.

К моменту подхода поршня к ВМТ смесь окажется сжатой в камере сгорания, образованной лопатками II, III, находящимися между ними поверхностью ротора 4 и выемкой 15, а также стенками корпуса 1 (частью камеры 9) (фиг. 4). Сжатую смесь поджигают посредством свечи 12, посредством подачи на электрод 13 высокого напряжения, в результате чего поршень совершает рабочий ход. Поскольку давление газов одинаково действует на обе лопатки, то практически никакого противодействия повороту ротора оно не оказывает. После этого цикл работы двигателя повторяется. В процессе сгорания лопатка III перемещает (пододвигает) смесь к источнику зажигания (к фронту пламени), в результате чего увеличивается скорость ее сгорания, а также происходит турбулизация смеси. После прохождения лопаткой I ролика 6 ее можно охлаждать, например, струей воздуха, омывающего ее поверхности и поверхность ротора 4. Благодаря этому устраняется существенный недостаток, присущий роторно-лопастным двигателям, в которых лопатки испытывают большую тепловую нагрузку.By the time the piston approaches the TDC, the mixture will be compressed in the combustion chamber formed by the blades II, III, between the surface of the rotor 4 and the recess 15, as well as the walls of the housing 1 (part of the chamber 9) (Fig. 4). The compressed mixture is ignited by means of a candle 12, by applying high voltage to the electrode 13, as a result of which the piston makes a stroke. Since the gas pressure acts equally on both blades, it practically does not counteract the rotation of the rotor. After that, the engine cycle is repeated. In the process of combustion, the blade III moves (pushes) the mixture to the ignition source (to the flame front), as a result of which the rate of its combustion increases, and the mixture also becomes turbulized. After the blade I passes through the roller 6, it can be cooled, for example, by a stream of air washing its surfaces and the surface of the rotor 4. This eliminates the significant drawback inherent in rotor-blade engines, in which the blades experience a large thermal load.

Аналогичным образом двигатель будет работать в режиме дизеля, если вместо смеси засасывать окислитель (воздух), а зажигание заменить впрыском топлива. Кроме того, впрыск топлива можно осуществлять и непосредственно после всасывания окислителя, например, с помощью форсунки, что соответствует режиму работы двигателя с впрыском топлива.Similarly, the engine will operate in diesel mode if, instead of the mixture, the oxidizer (air) is sucked in, and the ignition is replaced by fuel injection. In addition, fuel injection can be carried out immediately after the absorption of the oxidizing agent, for example, using a nozzle, which corresponds to the mode of operation of the engine with fuel injection.

Для изменения степени сжатия посредством колеса 18 поворачивают вал 14 за конец 17 на 90°, в результате чего (в данном случае) степень сжатия окажется максимальной. Если повернуть вал 14 выемкой 16 вниз, то степень сжатия будет минимальной. Заметим, что поворот вала при работающем двигателе желательно производить на такте удаления отработавших газов, чтобы исключить прорыв свежей горючей смеси, например, на такте сжатия, через выемку и край лопатки в выхлопную систему.To change the compression ratio by means of the wheel 18, the shaft 14 is rotated beyond the end 17 by 90 °, as a result of which (in this case) the compression ratio will be maximum. If you turn the shaft 14 of the recess 16 down, the compression ratio will be minimal. Note that it is advisable to rotate the shaft with the engine running on the exhaust gas removal stroke to prevent breakthrough of the fresh combustible mixture, for example, on the compression stroke, through the recess and the edge of the blade into the exhaust system.

Внедрение изобретения позволит создать ДВС упрощенной конструкции как самого двигателя (без газораспределительного механизма), так и систем смазки и охлаждения. При этом появляется возможность изменять степень сжатия двигателя, что позволит улучшить характеристики двигателя на переходных режимах, а также использовать различные топлива для его работы.The implementation of the invention will allow the creation of internal combustion engines of a simplified design as the engine itself (without gas distribution mechanism), and lubrication and cooling systems. At the same time, it becomes possible to change the compression ratio of the engine, which will improve the characteristics of the engine in transient conditions, as well as use various fuels for its operation.

Claims

1. A piston internal combustion engine comprising a cylinder with a piston and a rotor in the housing, kinematically connected with the crankshaft and periodically connecting the cylinder cavity with the inlet and outlet openings of the combustion chamber, characterized in that the rotor is made with blades forming a chamber with the rotor surface between them combustion, and the rotor is kinematically connected with rollers having cavities for the passage of the blades and dividing the space between the housing and the rotor into annular chambers, one of which is connected to the cavity core, while in the rotor coaxially and rotatably installed shaft, the diameter of which is equal to the diameter of the rotor.

2. The engine according to claim 1, characterized in that at least one recess is made on the shaft in the radial direction.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the width of the recess on the shaft surface is less than the distance on the surface of the rotor between the blades.

4. The engine according to claim 1, characterized in that the end of the shaft extends beyond the end of the rotor.

5. The engine according to claim 4, characterized in that the protruding end is made in the form of a gear wheel.

6. The engine according to claim 4, characterized in that the protruding end is made in the form of a worm gear.