RU2623334C2 - Method of heat cycle formation and device for its implementation - Google Patents

Method of heat cycle formation and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2623334C2
RU2623334C2 RU2015129219A RU2015129219A RU2623334C2 RU 2623334 C2 RU2623334 C2 RU 2623334C2 RU 2015129219 A RU2015129219 A RU 2015129219A RU 2015129219 A RU2015129219 A RU 2015129219A RU 2623334 C2 RU2623334 C2 RU 2623334C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piston
crank
pistons
crankshaft
connecting rods
Prior art date
Application number
RU2015129219A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015129219A (en
Inventor
Александр Андреевич Грабовский
Александр Алексеевич Семенов
Original Assignee
Александр Андреевич Грабовский
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 Александр Андреевич Грабовский filed Critical Александр Андреевич Грабовский
Priority to RU2015129219A priority Critical patent/RU2623334C2/en
Publication of RU2015129219A publication Critical patent/RU2015129219A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2623334C2 publication Critical patent/RU2623334C2/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02Engines with prolonged expansion
    • F02B41/04Engines with prolonged expansion in main cylinders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/28Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/30Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with one working piston sliding inside another
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: displacement of the minimum and maximum volumes of the over-piston cavity relative to the top and bottom dead center (TDC and BDC) is provided, ensuring a combustion chamber volume to be close to a constant for the period of overlapping of the valves. At the same time, the over-piston cavity is reduced when the piston moves from TDC to BDC and increased when the piston passes through the BDC and this increase continues with its further movement to TDC. The volume of the combustion chamber, close to a constant one, is provided for the period of the combustion process of the working mixture and the supply of heat to the working element. To implement the method, the outer and inner pistons are coaxially arranged in the cylinder. The internal piston is hinged to the upper head of the center connecting rod, and the outer piston - to the two side connecting rods. Each of the connecting rods with its lower heads is mounted on the crank's centering plugs, the plugs for the side connecting rods are coaxial, and the plug for the central connecting rod is made between them with a displacement along the radius and the crank rotational angle against the rotation of the crankshaft. The efficiency of the engine is improved by increasing the filling ratio of the engine cylinders and improving the combustion process.
EFFECT: higher efficiency of engine operation.
5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания общего и специального назначения и поршневых компрессорах.The invention relates to the field of engineering and can be used in internal combustion engines of general and special purpose and reciprocating compressors.

Существует способ функционирования двигателей внутреннего сгорания, основанный на классических термодинамических циклах Отто, Сабатэ-Тринклера, Дизеля, которые предполагают изменение фаз газораспределительного механизма в верхних и нижних мертвых точках положения поршня, что обусловливает низкий коэффициент наполнения цилиндра и высокий коэффициент остаточных газов. Это в свою очередь определяет значение мощностных и экономических показателей двигателей [Попык К.Г., Сидорин К.И. Автомобильные и тракторные двигатели, ч. 2. - М.: Высшая школа, 1976. - 280 с.; Архангельский В.И. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.; Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: учебник для Вузов / Под ред. Н.X. Дьяченко. - Л.: Машиностроение, 1979. - 392 с.; Колчин А.П., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.].There is a method of functioning of internal combustion engines based on the classical thermodynamic cycles of Otto, Sabate-Trinkler, Diesel, which suggest a change in the phases of the gas distribution mechanism at the upper and lower dead points of the piston position, which leads to a low filling factor of the cylinder and a high coefficient of residual gases. This in turn determines the importance of power and economic indicators of engines [Popyk K.G., Sidorin K.I. Automobile and tractor engines, part 2. - M .: Higher school, 1976. - 280 p .; Arkhangelsky V.I. Car engines. - M .: Engineering, 1977. - 591 p .; Design and calculation of internal combustion engines: a textbook for universities / Ed. N.X. Dyachenko. - L .: Mechanical engineering, 1979. - 392 p .; Kolchin A.P., Demidov V.P. Calculation of automobile and tractor engines. - M.: Higher School, 1980. - 400 p.].

Существуют также цикл Аткинсона, в котором обеспечивается закрытие впускного клапана с задержкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия с увеличенным по пути перемещения поршня тактом расширения относительно такта сжатия за счет изменения геометрического радиуса кривошипа посредством применения дополнительного кинематического звена в кривошипно-шатунном механизме и цикл Миллера, в котором впускной клапан закрывается существенно раньше окончания такта впуска (или открывается позже начала этого такта) и обеспечивается «укороченный впуск» либо закрывается существенно позже окончания этого такта и обеспечивается «укороченное сжатие» при равенстве путей перемещения поршня на тактах сжатия и расширения [http://ru.wikipedia.org/wiki/Atkinson; http://ru.wikipedia.org/wiki/Цикл_Миллера].There is also an Atkinson cycle in which the intake valve is closed with a delay in the angle of rotation of the crankshaft on the compression stroke with an increase in the expansion stroke relative to the compression stroke due to a change in the geometrical radius of the crank by using an additional kinematic link in the crank mechanism and the cycle Miller, in which the intake valve closes significantly before the end of the intake cycle (or opens later than the beginning of this cycle) and is provided Orochony inlet "or substantially closes later than the end of this cycle and provides" truncated compression "with equal paths of movement of the piston on the compression and expansion strokes [http://ru.wikipedia.org/wiki/Atkinson; http://ru.wikipedia.org/wiki/Miller cycle].

Реализация цикла Аткинсона сопровождается сложностью изготовления КШМ при наличии дополнительного кинематического звена.The implementation of the Atkinson cycle is accompanied by the complexity of manufacturing the CABG in the presence of an additional kinematic link.

Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера, к сожалению, сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра.The benefit of increasing the thermal efficiency of the Miller cycle, unfortunately, is accompanied by a loss of peak output power for a given size (and weight) of the engine due to deterioration of cylinder filling.

Кроме того, следящий привод газораспределительного механизма в его классическом исполнении не позволяет оптимизировать процессы газообмена и управлять отношениями между степенями сжатия и расширения путем варьирования значениями углов дозарядки и свободного выпуска отработавших газов, а также величиной углов перекрытия клапанов.In addition, the follow-up drive of the gas distribution mechanism in its classical design does not allow optimizing gas exchange processes and controlling the relations between the degrees of compression and expansion by varying the values of the recharging angles and free exhaust exhaust, as well as the valve overlap angles.

Известны двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на основе центрального или дезаксиального кривошипно-шатунного механизма (КШМ), у которых минимальный и максимальный объем надпоршневой полости достигается в верхней и нижней мертвых точках (ВМТ и НМТ) соответственно, а его изменение определяется законом перемещения поршня. При этом кратковременное постоянство объема камеры сгорания обеспечивается на угле поворота кривошипа коленчатого вала ±5° в районе ВМТ, что отрицательно сказывается на качестве процесса сгорания и главным образом его понижение вызвано потерями теплоты.Internal combustion engines (ICE) are known based on a central or deaxial crank mechanism (CSM), in which the minimum and maximum volume of the supra-piston cavity is reached at the top and bottom dead centers (TDC and BDC), respectively, and its change is determined by the law of piston movement. At the same time, a short-term constancy of the volume of the combustion chamber is ensured at an angle of rotation of the crank of the crankshaft of ± 5 ° in the vicinity of TDC, which negatively affects the quality of the combustion process and mainly its decrease is caused by heat loss.

Связаны эти потери в основном с крайне коротким - для современного высокооборотного двигателя менее миллисекунды - периодом, в течение которого нужно обеспечить сгорание топлива. Условия сгорания после прохождения поршнем ВМТ такта расширения ухудшаются. Объем полости сгорания увеличивается, из-за чего давление и температура газа резко снижаются, а площадь охлаждающих поверхностей и соответственно потери тепла возрастают.These losses are associated mainly with the extremely short - for a modern high-speed engine of less than a millisecond - the period during which it is necessary to ensure fuel combustion. Combustion conditions after the piston of the TDC passes the expansion stroke deteriorate. The volume of the combustion cavity increases, due to which the pressure and temperature of the gas sharply decrease, and the area of the cooling surfaces and, accordingly, the heat loss increase.

Разницу между степенями сжатия и расширения можно ввести только управлением фаз газораспределения, в основном за счет увеличения угла дозарядки цилиндров, что снижает количество рабочего тела в цилиндрах двигателя, а, следовательно, и мощность двигателя в целом.The difference between the degrees of compression and expansion can only be introduced by controlling the gas distribution phases, mainly due to an increase in the angle of recharge of the cylinders, which reduces the amount of working fluid in the engine cylinders, and, consequently, the power of the engine as a whole.

Подвод энергии сгоревшего топлива к рабочему органу осуществляется не в начале такта рабочего хода, а в его середине и даже в конце, что негативно сказывается на формировании крутящего момента [Попык К.Г., Сидорин К.И. Автомобильные и тракторные двигатели, ч. 2. – М.: Высшая школа, 1976. - 280 с.; Архангельский В.И. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.; Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: учебник для Вузов / Под ред. Н.X. Дьяченко. - Л.: Машиностроение, 1979. -392 с.; Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.].The energy supply of the burned fuel to the working body is carried out not at the beginning of the stroke of the working stroke, but in its middle and even at the end, which negatively affects the formation of torque [Popyk KG, Sidorin KI Automobile and tractor engines, part 2. - M .: Higher school, 1976. - 280 p .; Arkhangelsky V.I. Car engines. - M .: Engineering, 1977. - 591 p .; Design and calculation of internal combustion engines: a textbook for universities / Ed. N.X. Dyachenko. - L .: Mechanical Engineering, 1979. -392 p .; Kolchin A.I., Demidov V.P. Calculation of automobile and tractor engines. - M.: Higher School, 1980. - 400 p.].

Известно также устройство для работы двигателя внутреннего сгорания с перерасширением [патент RU 2382889, 27.02.2010]. Предложенное техническое решение позволяет решить ряд проблем классических ДВС, описанных выше, но оно само по себе обладает существенным недостатком - это его сложность реализации, увеличение габаритно-массовых характеристик и конструктивная сложность головки блока цилиндров.A device for operating an internal combustion engine with overexpansion is also known [patent RU 2382889, 02.27.2010]. The proposed technical solution allows to solve a number of problems of the classic ICEs described above, but it itself has a significant drawback - it is its implementation complexity, increase in overall mass characteristics and structural complexity of the cylinder head.

Устранить указанные недостатки можно при формировании термодинамического цикла ДВС, при котором обеспечивают закрытие впускного клапана с задержкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия, предварительное открытие выпускного клапана на такте расширения и их перекрытие в конце такта выпуска и начале такта впуска, при этом обеспечивают смещение значений минимального и максимального объемов надпоршневой полости относительно верхней и нижней мертвых точек соответственно по ходу вращения кривошипа коленчатого вала и обеспечивают объем камеры сгорания, близкий к постоянному, на период перекрытия клапанов, уменьшают надпоршневую полость при движении поршней, коаксиально размещенных друг в друге, от верхней мертвой точки к нижней, которые перемещают относительно друг друга и цилиндра, со смещением относительно верхней и нижней мертвых точек кривошипа коленчатого вала, и увеличивают ее при прохождении поршнями нижней мертвой точки и при дальнейшем их перемещении к верхней мертвой точке, а также обеспечивают объем камеры сгорания, близкий к постоянному, на период процесса сгорания рабочей смеси и подвода тепла к рабочему органу, и при этом формируют воздействие давления рабочего тела на площадь поршней.These shortcomings can be eliminated when forming the thermodynamic cycle of the internal combustion engine, in which the intake valve is closed with a delay in the angle of rotation of the crankshaft at the compression stroke, preliminary opening of the exhaust valve at the expansion stroke and their overlap at the end of the exhaust stroke and the beginning of the intake stroke the values of the minimum and maximum volumes of the supra-piston cavity relative to the upper and lower dead points, respectively, in the direction of rotation of the crank of the crankshaft and ensure the volume of the combustion chamber is close to constant for the period of valve overlap, the piston cavity is reduced during the movement of pistons coaxially placed in each other from the top dead center to the bottom, which move relative to each other and the cylinder, with an offset relative to the top and bottom dead points crank of the crankshaft, and increase it when the pistons pass the bottom dead center and with their further movement to the top dead center, and also provide a volume of the combustion chamber close to constant over the period d the process of combustion of the working mixture and the supply of heat to the working body, and at the same time form the effect of the pressure of the working fluid on the area of the pistons.

Реализация предлагаемого термодинамического цикла может быть достигнута устройством, представляющим собой кривошипно-шатунный механизм в составе неподвижных деталей: картера и хотя бы одного цилиндра с головкой, выполненных в виде единого целого или соединяемых между собой посредством анкерных соединений, через прокладку, и подвижных деталей: коленчатого вала, шарнирно установленного в картере, шатуна, шарнирно установленного на шатунную шейку коленчатого вала своей кривошипной головкой и, через палец, своей поршневой головкой связанного с поршнем, который с кольцами размещен в полости цилиндра, при этом в цилиндре размещены коаксиально два поршня, наружный, контактирующий с цилиндром, и внутренний, размещенный в цилиндрической полости наружного поршня, выполненной по его оси, и каждый из поршней контактирует с соответствующей цилиндрической образующей посредством колец, смонтированных в канавках, выполненных на уплотняющей части наружного и внутреннего поршней, на донной части каждого из поршней, с диаметрально противоположных сторон, выполнены приливы в виде полуокружностей с отверстиями под поршневые пальцы, посредством которых внутренний поршень шарнирно связан с верхней головкой центрального шатуна, а внешний поршень с двумя боковыми шатунами таким образом, что каждый из боковых шатунов своими верхними головками консольно связан с приливом внешнего поршня отдельным пальцем, а каждый из шатунов своими нижними головками с крышками и элементами крепления шарнирно устанавливаются на посадочные шейки кривошипа, при этом шейки под боковые шатуны выполнены соосно в виде приливов к соседним щекам, а шейка под центральный шатун выполнена между ними, со смещением по вылету и по углу поворота кривошипа против хода вращения коленчатого вала.The implementation of the proposed thermodynamic cycle can be achieved by a device representing a crank mechanism consisting of fixed parts: a crankcase and at least one cylinder with a head, made as a single unit or interconnected by means of anchor joints, through a gasket, and moving parts: cranked a shaft pivotally mounted in the crankcase, a connecting rod, pivotally mounted on the crank pin of the crankshaft with its crank head and, through the finger, with its piston head with a piston, which with rings is placed in the cylinder cavity, while in the cylinder two pistons are placed coaxially, the outer one in contact with the cylinder and the inner one placed in the cylindrical cavity of the outer piston made along its axis, and each of the pistons is in contact with the corresponding cylindrical forming by means of rings mounted in grooves made on the sealing part of the outer and inner pistons, on the bottom of each of the pistons, from diametrically opposite sides, tides are made in the form of circles with holes for the piston fingers, by means of which the internal piston is pivotally connected to the upper head of the central connecting rod, and the external piston with two side connecting rods so that each of the side connecting rods with its upper heads is cantilevered with the tide of the external piston with a separate finger, and each of the connecting rods with their lower heads with covers and fasteners, they are pivotally mounted on the landing necks of the crank, while the necks under the side connecting rods are made coaxially in the form of tides to adjacent cheeks m and neck under the central rod is formed therebetween, with an offset of a start and crank angle against the rotation stroke of the crankshaft.

В качестве дополнительной шарнирной связи между поршнями и шатунами может быть реализовано решение, что соосно с верхней головкой среднего шатуна, с обеих ее сторон и с наружной стороны боковых шатунов выполнены заплечики с цилиндрической рабочей поверхностью, концентричной отверстию под поршневой палец, с радиусом, равным радиусу приливов, выполненных в виде полуокружностей с отверстиями под поршневые пальцы на донной части поршней, с диаметрально противоположных их сторон и шириной, равной толщине соответствующих приливов.As an additional hinge connection between the pistons and connecting rods, a solution can be realized that the shoulders with a cylindrical working surface, a concentric bore for the piston pin, with a radius equal to the radius, are aligned with the upper head of the middle connecting rod, on both its sides and on the outside of the side connecting rods tides made in the form of semicircles with holes for piston fingers on the bottom of the pistons, with diametrically opposite sides and a width equal to the thickness of the corresponding tides.

Или что средний поршень связан с центральным шатуном посредством сферического соединения, выполненного в виде полусферического углубления на донной части поршня, во взаимодействии с которым находится шар, выполненный на конце центрального шатуна и удерживающийся в нем двумя полукольцами с полусферическими углублениями, прикрепляемыми к донной части поршня.Or that the middle piston is connected to the central connecting rod by means of a spherical connection made in the form of a hemispherical recess on the bottom of the piston, in cooperation with which is a ball made on the end of the central connecting rod and held in it by two half rings with hemispherical recesses attached to the bottom of the piston.

Может быть так, что на дне цилиндрического углубления наружного поршня и на плоскости донной образующей внутреннего поршня соосно с ними выполнены канавки под уплотнительные кольца, например, из фторопласта.It may be that at the bottom of the cylindrical recess of the outer piston and on the plane of the bottom generatrix of the inner piston, grooves for sealing rings, for example, of fluoroplastic, are made coaxially with them.

На фиг. 1 представлены графики изменения надпоршневой полости классического центрального и предлагаемого КШМ, на фиг. 2 - круговые диаграммы фаз газораспределения ДВС на основе классического центрального а) и предлагаемого б) КШМ, на фиг. 3 - сравнение индикаторных диаграмм тактов сжатия и расширения ДВС на основе классического центрального и предлагаемого КШМ, на фиг. 4 – общий вид КШМ и его разрезы, на фиг. 5 - общий вид 3D модели предлагаемого КШМ и его разрез.In FIG. 1 shows graphs of changes in the supra-piston cavity of the classic central and proposed CABG, in FIG. 2 - pie charts of the gas distribution phases of the internal combustion engine based on the classic central a) and proposed b) KShM, in FIG. 3 is a comparison of the indicator diagrams of the compression and expansion cycles of the internal combustion engine based on the classic central and proposed KShM, in FIG. 4 is a general view of a cshm and its sections, in FIG. 5 is a general view of the 3D model of the proposed KShM and its section.

Пояснить сущность предлагаемого способа функционирования двигателя внутреннего сгорания, реализующего заявляемый термодинамический цикл, можно на основе сравнительного анализа графиков изменения надпоршневой полости классического центрального и предлагаемого КШМ, представленного на фиг. 1, круговых диаграмм фаз газораспределения ДВС на основе классического центрального а) и предлагаемого б) КШМ, представленных на фиг. 2, индикаторных диаграмм тактов сжатия и расширения ДВС на основе классического центрального и предлагаемого КШМ, представленных на фиг. 3.The essence of the proposed method of functioning of an internal combustion engine that implements the claimed thermodynamic cycle can be clarified on the basis of a comparative analysis of the graphs of changes in the supra-piston cavity of the classic central and proposed crank mesh, shown in FIG. 1, pie charts of the gas distribution phases of the internal combustion engine based on the classic central a) and proposed b) KShM shown in FIG. 2, indicator diagrams of the compression and expansion strokes of the internal combustion engine based on the classic central and proposed KShM shown in FIG. 3.

Из анализа графиков изменения надпоршневой полости классического центрального и предлагаемого КШМ, представленного на фиг. 1, следует, что имеет место близкое к постоянству значение объема камеры сгорания Vc при угле поворота кривошипа коленчатого вала на угол более 20° в сравнении с 10° классического ДВС. Это позволяет более качественно очистить камеру сгорания при перекрытии клапанов между тактами выпуска и впуска, а самое главное повысить термический КПД и эффективность процесса сгорания рабочей смеси, подвода тепла к рабочему органу и воздействия давления рабочего тела на площадь поршня в начале такта расширения.From the analysis of the graphs of the changes in the supra-piston cavity of the classical central and proposed CABG, shown in FIG. 1, it follows that there is a near-constant value of the volume of the combustion chamber V c at an angle of rotation of the crank of the crankshaft by an angle of more than 20 ° in comparison with 10 ° of a classical ICE. This allows you to better clean the combustion chamber when the valves overlap between the exhaust and intake strokes, and most importantly, increase the thermal efficiency and efficiency of the combustion process of the working mixture, heat supply to the working body and the influence of the working fluid pressure on the piston area at the beginning of the expansion stroke.

Примерно на угол 10° обеспечивается постоянство максимального значения рабочего объема цилиндра Vh, что позволяет улучшить процесс наполнения цилиндра рабочим телом (процесс дозарядки). И далее, при движении поршня к ВМТ объем надпоршневой полости увеличивается на 18% в сравнении с классическим ДВС, а следовательно, уменьшаются давление и температура рабочего тела на такте сжатия, что приводит к уменьшению интенсивности теплообмена между рабочим телом и деталями КШМ.Approximately at an angle of 10 °, the maximum value of the cylinder working volume V h is constant, which improves the process of filling the cylinder with a working fluid (recharging process). And further, when the piston moves to the TDC, the volume of the supra-piston cavity increases by 18% in comparison with the classical ICE, and consequently, the pressure and temperature of the working fluid at the compression stroke decrease, which leads to a decrease in the heat transfer intensity between the working fluid and the parts of the crankshaft.

На такте расширения имеет место уменьшение объема надпоршневой полости на 12,5%. Это обусловливает увеличение давления и температуры рабочего тела, а, следовательно, более эффективный и длительный процесс формирования крутящего момента.On the expansion stroke, there is a decrease in the volume of the supra-piston cavity by 12.5%. This leads to an increase in pressure and temperature of the working fluid, and, consequently, a more efficient and lengthy process of torque formation.

Анализ круговых диаграмм фаз газораспределения, представленных на фиг. 2, в полной мере позволяет подтвердить эти выводы, а также позволяет заключить о возможности введения значительной разницы между степенями сжатия εc и расширения εp с целью достижения результатов циклов Аткинсона-Миллера, исключив при этом их недостатки.The analysis of the gas phase diagrams shown in FIG. 2 fully confirms these conclusions, and also allows us to conclude that it is possible to introduce a significant difference between the degrees of compression ε c and expansion ε p in order to achieve the results of the Atkinson-Miller cycles, while eliminating their drawbacks.

Анализ индикаторных диаграмм тактов сжатия и расширения, представленных на фиг. 3, (качественная картина) позволяет утверждать о двукратном увеличении площади фигуры, заключенной между кривыми сжатия и расширения в ДВС на основе классического центрального и предлагаемого КШМ. Эта площадь эквивалентна производимой работе цикла.The analysis of the indicator diagrams of the compression and expansion cycles shown in FIG. 3, (qualitative picture) allows us to claim a twofold increase in the area of the figure enclosed between the compression and expansion curves in the internal combustion engine based on the classical central and proposed KShM. This area is equivalent to the work cycle performed.

Для реализации предлагаемого способа формирования термодинамического цикла двигатель внутреннего сгорания должен быть выполнен в виде устройства, представленного на фиг. 4 и включающего в свой состав картер 1, цилиндр 2, коленчатый вал 3, шарнирно установленный в картере 1, при этом в цилиндре 2 размещены коаксиально два поршня, наружный 4, контактирующий с цилиндром 2, и внутренний 5, размещенный в цилиндрической полости наружного поршня 4, выполненной по его оси, и каждый из поршней контактирует с соответствующей цилиндрической образующей посредством колец, смонтированных в канавках, выполненных на уплотняющей части наружного 4 и внутреннего 5 поршней.To implement the proposed method for forming a thermodynamic cycle, the internal combustion engine should be made in the form of the device shown in FIG. 4 and including crankcase 1, cylinder 2, crankshaft 3, pivotally mounted in crankcase 1, while two pistons are coaxially placed in cylinder 2, outer 4 in contact with cylinder 2, and inner 5 placed in the cylindrical cavity of the outer piston 4, made along its axis, and each of the pistons is in contact with the corresponding cylindrical generatrix by means of rings mounted in grooves made on the sealing part of the outer 4 and inner 5 pistons.

На донной части каждого из поршней, с диаметрально противоположных сторон, выполнены приливы в виде полуокружностей с отверстиями под поршневые пальцы 6 и 7, посредством которых внутренний поршень 5 шарнирно связан с верхней головкой центрального шатуна 8, а внешний поршень 4 с двумя боковыми шатунами 9. При этом каждый из боковых шатунов 9 своими верхними головками консольно связан с приливом внешнего поршня 4 отдельным пальцем 7.On the bottom of each of the pistons, from diametrically opposite sides, semicircular tides are made with holes for the piston pins 6 and 7, through which the internal piston 5 is pivotally connected to the upper head of the central connecting rod 8, and the external piston 4 with two side connecting rods 9. Moreover, each of the side connecting rods 9 with its upper heads is cantilevered to the tide of the external piston 4 with a separate finger 7.

Каждый из шатунов своими нижними головками с крышками и элементами крепления шарнирно устанавливаются на посадочные шейки кривошипа, при этом шейки под боковые шатуны (боковые шейки) выполнены соосно в виде приливов к соседним щекам, а шейка под центральный шатун (центральная шейка) выполнена между ними со смещением по вылету и по углу поворота кривошипа против хода вращения коленчатого вала.Each of the connecting rods with their lower heads with covers and fastening elements are pivotally mounted on the crank landing necks, while the necks under the side connecting rods (lateral necks) are made coaxially in the form of tides to adjacent cheeks, and the neck under the central connecting rod (central neck) is made between them with offset offset and the angle of rotation of the crank against the course of rotation of the crankshaft.

В качестве дополнительной шарнирной связи между поршнями 4 и 5 и шатунами 8 и 9 выступают цилиндрические рабочие поверхности, выполненные в виде заплечиков соосно с верхней головкой среднего шатуна 8, с обеих ее сторон и с наружной стороны боковых шатунов 9, концентричные отверстиям под поршневые пальцы 6 и 7, с радиусом, равным радиусу приливов, выполненных в виде полуокружностей с отверстиями под поршневые пальцы 6 и 7 на донной части поршней 4 и 5, с диаметрально противоположных их сторон и шириной, равной толщине соответствующих приливов, и контактирующие с поверхностью цилиндрических образующих этих приливов.As an additional hinge connection between the pistons 4 and 5 and the connecting rods 8 and 9, cylindrical working surfaces, made in the form of shoulders coaxially with the upper head of the middle connecting rod 8, on both sides and on the outside of the side connecting rods 9, concentric with the holes for the piston fingers 6 and 7, with a radius equal to the radius of the tides, made in the form of semicircles with holes for the piston pins 6 and 7 on the bottom of the pistons 4 and 5, with diametrically opposite sides and a width equal to the thickness of the corresponding tides, and interacting with the surface of the cylindrical generators of these tides.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При нахождении наружного поршня 4 в ВМТ внутренний поршень 5 находится на подходе к ВМТ за счет углового смещения центральной шейки кривошипа коленчатого вала 3. При дальнейшем повороте кривошипа наружный поршень 4 начинает перемещаться вниз к НМТ, а внутренний поршень 5 продолжает движение к ВМТ. При этом увеличение объема камеры сгорания при движении наружного поршня 4 компенсируется объемом тела внутреннего поршня 5, перемещающегося к ВМТ, определяемой угловым положением и вылетом центральной шейки коленчатого вала 3. Такая компенсация будет наблюдаться на протяжении углового перемещения кривошипа на угол более 20°.The proposed device operates as follows. When the outer piston 4 is located at the TDC, the inner piston 5 is on the approach to the TDC due to the angular displacement of the central neck of the crank of the crankshaft 3. With a further rotation of the crank, the outer piston 4 begins to move down to the BDC, and the inner piston 5 continues to move to the TDC. In this case, the increase in the volume of the combustion chamber during the movement of the outer piston 4 is compensated by the volume of the body of the inner piston 5 moving to the upper dead center, determined by the angular position and the outreach of the central neck of the crankshaft 3. Such compensation will be observed during the angular movement of the crank by an angle of more than 20 °.

При дальнейшем повороте кривошипа и движении поршней к НМТ внутренний поршень 5 будет находиться выше наружного поршня 4 и на величину объема внутреннего поршня будет уменьшаться объем надпоршневой полости. Такое уменьшение надпоршневой полости будет наблюдаться до подхода наружного поршня 4 к НМТ.With a further rotation of the crank and movement of the pistons to the BDC, the internal piston 5 will be higher than the external piston 4 and the volume of the over-piston cavity will decrease by the volume of the internal piston. Such a reduction in the supra-piston cavity will be observed until the external piston 4 approaches the BDC.

При дальнейшем повороте кривошипа и движении наружного поршня 4 к ВМТ внутренний поршень 5 будет перемещаться к своей НМТ, двигаясь в полости цилиндра, выполненного по оси наружного поршня 4. В этом случае обеспечивается постоянство надпоршневой полости на величине угла поворота кривошипа коленчатого вала 3 примерно 10°, что способствует наполнению цилиндра рабочим телом.With a further rotation of the crank and the movement of the outer piston 4 to the upper dead center, the inner piston 5 will move to its BDC, moving in the cavity of the cylinder made along the axis of the outer piston 4. In this case, the supra-piston cavity will be constant at an angle of rotation of the crank of the crankshaft 3 of approximately 10 ° , which helps to fill the cylinder with a working fluid.

При дальнейшем повороте кривошипа и движении поршней к ВМТ внутренний поршень 5 будет находиться внутри цилиндра наружного поршня 4, перемещаясь вниз, и на величину освободившегося объема от внутреннего поршня 5 будет увеличиваться объем надпоршневой полости. Такое увеличение надпоршневой полости будет наблюдаться до подхода наружного поршня 4 к ВМТ.With a further rotation of the crank and the movement of the pistons to TDC, the inner piston 5 will be located inside the cylinder of the outer piston 4, moving downward, and the volume of the over-piston cavity will increase by the amount of free space from the inner piston 5. Such an increase in the over-piston cavity will be observed until the external piston 4 approaches the TDC.

Угол опережения зажигания или угол впрыска топлива может составлять примерно 5-10° до подхода наружного поршня 4 к ВМТ, что достаточно для смесеобразования, воспламенения и формирования фронта пламени. А далее процесс горения при практическом постоянстве объема камеры сгорания, который будет составлять более 20° угла поворота кривошипа коленчатого вала 3 после прохождения ВМТ. При таких соотношениях углов снижаются потери на противодавление и увеличивается подвод тепла к рабочему органу и эффективность воздействия давления рабочего тела на площадь поршня.The ignition timing or fuel injection angle can be approximately 5-10 ° until the outer piston 4 approaches the TDC, which is sufficient for mixture formation, ignition and formation of the flame front. And then the combustion process with the practical constancy of the volume of the combustion chamber, which will be more than 20 ° of the angle of rotation of the crank of the crankshaft 3 after the passage of the TDC. With these ratios of angles, the loss of back pressure is reduced and the supply of heat to the working body and the effectiveness of the pressure of the working fluid on the piston area are increased.

Эффект от использования изобретения состоит в том, что увеличивается КПД двигателя за счет увеличения коэффициента наполнения цилиндров двигателя и улучшения процесса горения. Имеет место выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла, а, следовательно, повышение экономических и экологических показателей при низком проценте выброса вредных веществ, особенно окиси азота. Кроме этого, значительно увеличивается величина крутящего момента.The effect of using the invention is that the engine efficiency is increased by increasing the fill factor of the engine cylinders and improving the combustion process. There is a gain from increasing the thermal efficiency of the cycle, and, consequently, an increase in economic and environmental indicators with a low percentage of emissions of harmful substances, especially nitric oxide. In addition, the magnitude of the torque increases significantly.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates that when using the invention the following set of conditions:

- изобретение при его осуществлении предназначено для использования в конструкции поршневых двигателей;- the invention in its implementation is intended for use in the design of piston engines;

- для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета устройств;- for the invention in the form as it is characterized, the possibility of its implementation using the devices described above or known prior to the priority date is confirmed;

- изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение технического результата.- the invention in its implementation is able to ensure the achievement of a technical result.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".Therefore, the invention meets the requirement of "industrial applicability".

Источники информацииInformation sources

1. Попык К.Г., Сидорин К.И. Автомобильные и тракторные двигатели, ч. 2. – М.: Высшая школа, 1976. - 280 с.1. Popyk K.G., Sidorin K.I. Automobile and tractor engines, part 2. - M .: Higher school, 1976. - 280 p.

2. Архангельский В.И. Автомобильные двигатели. – М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.2. Arkhangelsky V.I. Car engines. - M.: Mechanical Engineering, 1977 .-- 591 p.

3. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: учебник для Вузов / Под ред. Н.X. Дьяченко. - Л.: Машиностроение, 1979. - 392 с.3. Design and calculation of internal combustion engines: a textbook for universities / Ed. N.X. Dyachenko. - L .: Mechanical Engineering, 1979. - 392 p.

4. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1980 - 400 с.4. Kolchin A.I., Demidov V.P. Calculation of automobile and tractor engines. - M .: Higher school, 1980 - 400 p.

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Atkinson.5.http: //ru.wikipedia.org/wiki/Atkinson.

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Цикл_Миллера.6.http: //ru.wikipedia.org/wiki/Miller cycle.

Claims (5)

1. Способ формирования термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания, при котором формируется закрытие впускного клапана с задержкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия, предварительное открытие выпускного клапана на такте расширения и их перекрытие в конце такта выпуска и начале такта впуска, отличающийся тем, что обеспечивают смещение значений минимального и максимального объемов надпоршневой полости относительно верхней и нижней мертвых точек соответственно по ходу вращения кривошипа коленчатого вала и обеспечивают объем камеры сгорания близкий к постоянному на период перекрытия клапанов, уменьшают надпоршневую полость при движении поршней, коаксиально размещенных друг в друге, от верхней мертвой точки к нижней, которые перемещают относительно друг друга и цилиндра, со смещением относительно верхней и нижней мертвых точек кривошипа коленчатого вала, и увеличивают ее при прохождении поршнями нижней мертвой точки и при дальнейшем их перемещении к верхней мертвой точке, а также обеспечивают объем камеры сгорания, близкий к постоянному, на период процесса сгорания рабочей смеси и подвода тепла к рабочему органу, и при этом воздействуют давлением рабочего тела на площадь поршней.1. The method of forming the thermodynamic cycle of an internal combustion engine, in which the intake valve closes with a delay in the angle of rotation of the crankshaft at the compression stroke, preliminary opening of the exhaust valve at the expansion stroke and their overlap at the end of the exhaust stroke and the beginning of the intake stroke, characterized in that provide a shift in the values of the minimum and maximum volumes of the supra-piston cavity relative to the upper and lower dead points, respectively, in the direction of rotation of the crank of the crankshaft and about provide the volume of the combustion chamber close to constant for the period of valve overlap, reduce the piston cavity during the movement of pistons coaxially placed in each other, from the top dead center to the bottom, which move relative to each other and the cylinder, with a shift relative to the top and bottom dead points of the crankshaft shaft, and increase it when the pistons pass the bottom dead center and when they move further to the top dead center, and also provide a volume of the combustion chamber close to constant by the period of the combustion process of the working mixture and the supply of heat to the working body, and at the same time they are affected by the pressure of the working fluid on the area of the pistons. 2. Устройство для реализации способа по п. 1, представляющее собой кривошипно-шатунный механизм в составе неподвижных деталей: картера и хотя бы одного цилиндра с головкой, выполненных в виде единого целого или соединяемых между собой посредством анкерных соединений через прокладку, и подвижных деталей: коленчатого вала, шарнирно установленного в картере, шатуна, шарнирно установленного на шатунную шейку коленчатого вала своей кривошипной головкой и, через палец, своей поршневой головкой связанного с поршнем, который с кольцами размещен в полости цилиндра, отличающееся тем, что в цилиндре размещены коаксиально два поршня: наружный, контактирующий с цилиндром, и внутренний, размещенный в цилиндрической полости наружного поршня, выполненной на его оси, и каждый из поршней контактирует с соответствующей цилиндрической образующей посредством колец, смонтированных в канавках, выполненных на уплотняющей части наружного и внутреннего поршней, на донной части каждого из поршней с диаметрально противоположных сторон выполнены приливы в виде полуокружностей с отверстиями под поршневые пальцы, посредством которых внутренний поршень шарнирно связан с верхней головкой центрального шатуна, а внешний поршень с двумя боковыми шатунами таким образом, что каждый из боковых шатунов своими верхними головками консольно связан с приливом внешнего поршня отдельным пальцем, а каждый из шатунов своими нижними головками с крышками и элементами крепления шарнирно устанавливаются на посадочные шейки кривошипа, при этом шейки под боковые шатуны выполнены соосно в виде приливов к соседним щекам, а шейка под центральный шатун выполнена между ними со смещением по вылету и по углу поворота кривошипа против хода вращения коленчатого вала.2. A device for implementing the method according to claim 1, which is a crank mechanism consisting of fixed parts: a crankcase and at least one cylinder with a head, made in the form of a single unit or interconnected by means of anchor connections through a gasket, and moving parts: crankshaft pivotally mounted in the crankcase, a connecting rod pivotally mounted on the crank pin of the crankshaft with its crank head and, through the finger, with its piston head connected to the piston, which is placed with the rings a cylinder cavity, characterized in that two pistons are coaxially placed in the cylinder: an external piston in contact with the cylinder and an internal piston located in its cylindrical cavity on its axis, and each of the pistons is in contact with a corresponding cylindrical generatrix by means of rings mounted in grooves made on the sealing part of the outer and inner pistons, tides in the form of semicircles with holes for p piston fingers, by means of which the internal piston is pivotally connected to the upper head of the central connecting rod, and the external piston with two side connecting rods in such a way that each of the side connecting rods with its upper heads is cantilevered to the tide of the external piston with a separate finger, and each of the connecting rods with its lower heads with lids and fasteners are pivotally mounted on the landing necks of the crank, while the necks under the side connecting rods are made coaxially in the form of tides to adjacent cheeks, and the neck under the central connecting rod Execute between the offset of the flight and the angle of rotation of the crank anti-rotation stroke of the crankshaft. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что соосно с верхней головкой среднего шатуна, с обеих ее сторон и с наружной стороны боковых шатунов выполнены заплечики с цилиндрической рабочей поверхностью, концентричной отверстию под поршневой палец, с радиусом, равным радиусу приливов, выполненных в виде полуокружностей с отверстиями под поршневые пальцы на донной части поршней, с диаметрально противоположных их сторон и шириной, равной толщине соответствующих приливов.3. The device according to claim 2, characterized in that the shoulders with a cylindrical working surface, a concentric hole for the piston pin, with a radius equal to the radius of the tides made coaxially with the upper head of the middle connecting rod, on both sides and on the outside of the side connecting rods in the form of semicircles with holes for piston fingers on the bottom of the pistons, with diametrically opposite sides and a width equal to the thickness of the corresponding tides. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что внутренний поршень связан с центральным шатуном посредством сферического соединения, выполненного в виде полусферического углубления на донной части поршня, во взаимодействии с которым находится шар, выполненный на конце центрального шатуна и удерживающийся в нем двумя полукольцами с полусферическими углублениями, прикрепляемыми к донной части поршня.4. The device according to p. 2, characterized in that the inner piston is connected to the central connecting rod through a spherical connection made in the form of a hemispherical recess on the bottom of the piston, in cooperation with which is a ball made on the end of the central connecting rod and held in it by two half rings with hemispherical recesses attached to the bottom of the piston. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что на дне цилиндрического углубления наружного поршня и на плоскости донной образующей внутреннего поршня соосно с ними выполнены канавки под уплотнительные кольца, например, из фторопласта.5. The device according to p. 2, characterized in that at the bottom of the cylindrical recesses of the outer piston and on the plane of the bottom generatrix of the inner piston, grooves for sealing rings, for example, of fluoroplastic, are made coaxially with them.
RU2015129219A 2015-07-16 2015-07-16 Method of heat cycle formation and device for its implementation RU2623334C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129219A RU2623334C2 (en) 2015-07-16 2015-07-16 Method of heat cycle formation and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129219A RU2623334C2 (en) 2015-07-16 2015-07-16 Method of heat cycle formation and device for its implementation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015129219A RU2015129219A (en) 2017-01-23
RU2623334C2 true RU2623334C2 (en) 2017-06-23

Family

ID=58450874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015129219A RU2623334C2 (en) 2015-07-16 2015-07-16 Method of heat cycle formation and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2623334C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2721963C2 (en) * 2018-05-30 2020-05-25 Павел Игнатьевич Загуменнов Ice with lever crank mechanisms and counter-moving pistons
RU2734696C1 (en) * 2020-04-28 2020-10-22 Акционерное общество "Северный пресс" Two-stroke internal combustion engine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0115257A1 (en) * 1982-12-31 1984-08-08 Mario Bertocci Caburating displacement engine with pistons arranged one within another and slide-valves
RU2157897C2 (en) * 1998-07-21 2000-10-20 Самарский государственный технический университет Internal combustion engine
DE20004476U1 (en) * 2000-03-10 2001-02-08 Katsipournias, Stergios, 94315 Straubing Double piston engine
WO2007104572A1 (en) * 2006-03-16 2007-09-20 Teshnehkam Haroot Internal combustion engine and piston for internal combustion engine
FR2904042A1 (en) * 2006-07-21 2008-01-25 Peugeot Citroen Automobiles Sa Internal combustion engine e.g. diesel engine, has piston breaking down into internal and external pistons, which are connected to crank pin, where crank pin is provided under form of two sections parallel to each other and are off-centered

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0115257A1 (en) * 1982-12-31 1984-08-08 Mario Bertocci Caburating displacement engine with pistons arranged one within another and slide-valves
RU2157897C2 (en) * 1998-07-21 2000-10-20 Самарский государственный технический университет Internal combustion engine
DE20004476U1 (en) * 2000-03-10 2001-02-08 Katsipournias, Stergios, 94315 Straubing Double piston engine
WO2007104572A1 (en) * 2006-03-16 2007-09-20 Teshnehkam Haroot Internal combustion engine and piston for internal combustion engine
FR2904042A1 (en) * 2006-07-21 2008-01-25 Peugeot Citroen Automobiles Sa Internal combustion engine e.g. diesel engine, has piston breaking down into internal and external pistons, which are connected to crank pin, where crank pin is provided under form of two sections parallel to each other and are off-centered

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2721963C2 (en) * 2018-05-30 2020-05-25 Павел Игнатьевич Загуменнов Ice with lever crank mechanisms and counter-moving pistons
RU2734696C1 (en) * 2020-04-28 2020-10-22 Акционерное общество "Северный пресс" Two-stroke internal combustion engine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015129219A (en) 2017-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8413619B2 (en) Variable compression ratio systems for opposed-piston and other internal combustion engines, and related methods of manufacture and use
US20170284291A1 (en) Independent compression and expansion ratio engine with variable compression ratio
WO2007010186A1 (en) Opposed piston engine with variable timing
KR20110088490A (en) Internal combustion engine
EP3018321B1 (en) Internal combustion engine
US20120291755A1 (en) Variable stroke mechanism for internal combustion engine
KR101650818B1 (en) Variable stroke mechanism for internal combustion engine
RU2623334C2 (en) Method of heat cycle formation and device for its implementation
US20120312273A1 (en) Internal combustion engine with torsional element
JP6125533B2 (en) Internal combustion engine
US9074527B2 (en) Counterpoise engine
KR101135847B1 (en) Three-stroke internal combustion engine
RU2017102157A (en) The operation method of the piston internal combustion engine with a divided cycle
US1925754A (en) Reciprocating engine
RU2636642C2 (en) Unified piston engine without cooling system
RU2300002C1 (en) Internal combustion engine
US4106441A (en) Power translation machine with oscillating piston
RU60140U1 (en) CRANK MECHANISM
JP3172581U (en) An internal combustion engine that uses a mirror cycle to improve fuel efficiency.
RU2450138C2 (en) Internal combustion engine
WO2020018573A1 (en) Reciprocating-piston assembly, internal combustion engine, and related methods
RU2536640C1 (en) Internal combustion engine
RU2564725C2 (en) Four-stroke crankless piston heat engine with opposed cylinders
WO2015194977A1 (en) Internal combustion engine using liquid fuel
UA25051U (en) Combustion engine