RU2663314C1

RU2663314C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2663314C1
Application number: RU2017109546A
Authority: RU
Inventors: Игорь Иванович Линич
Original assignee: Игорь Иванович Линич
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-08-03

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to mechanical engineering and can be used in the construction of reciprocating internal combustion engines (ICE) with a thermodynamically variable compression ratio using gaseous or liquid fuel as fuel. Technical problem is solved by the method of increasing and adjusting within a wide range of the initial temperature of the intake air by using only one mechanical throttle valve of the mixer. Initial temperature changes due to the selection by heat exchanger of heat from the combustion products of the engine itself. Also in the engine is used the original de-axial crank-connecting rod mechanism, providing a long stroke of the piston, which significantly increases the geometric compression ratio necessary to achieve the claimed result.

EFFECT: task to which the present invention is directed is to significantly reduce the reaction time of the control mechanism, and also completely to refuse from change of geometrical parameters of the crank-conrod group during work of the engine, but at the same time preserve the thermodynamic characteristics of the engine with a geometrically variable compression ratio.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с термодинамически изменяемой степенью сжатия, использующих в качестве топлива газообразное или жидкое топливо.The invention relates to mechanical engineering and can be used to create reciprocating internal combustion engines (ICE) with a thermodynamically variable compression ratio, using gaseous or liquid fuels as fuel.

Из уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания с удлиненным ходом поршня (1), содержащий один цилиндр, один поршень и кривошипно-шатунный механизм со сложными кинематическими связями. Данный аналог имеет схожесть в построении кривошипно-шатунной группы, а именно обладает удлиненным ходом поршня при малом диаметре коленвала.The prior art internal combustion engine with an elongated piston stroke (1), comprising one cylinder, one piston and a crank mechanism with complex kinematic relationships. This analogue has similarities in the construction of the crank group, namely, it has an elongated piston stroke with a small diameter of the crankshaft.

Недостатком данной конструкции является введение дополнительного шатуна с опорой, что приводит к существенным потерям на трение, а также приводит к сложности полезного использования подпоршневого пространства.The disadvantage of this design is the introduction of an additional connecting rod with support, which leads to significant friction losses, and also leads to the complexity of the useful use of the under-piston space.

Из уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания с геометрически изменяемой степенью сжатия (2), содержащий, по меньшей мере, два равных по диаметру коленвала, по меньшей мере, два шатуна и, по меньшей мере, один цилиндр, поршень которого посредством кривошипно-шатунного механизма кинематически связан с коленвалами. В двигателе-аналоге заявлена возможность изменения степени сжатия непосредственно во время работы, что предполагает возможность поддержания постоянного давления сжатия в камере сгорания при различных оборотах двигателя. Данный аналог наиболее близкий, то есть прототип.The prior art internal combustion engine with a geometrically variable compression ratio (2), containing at least two equal in diameter crankshaft, at least two connecting rods and at least one cylinder, the piston of which by means of a crank mechanism kinematically connected with crankshafts. In the analogue engine, the possibility of changing the compression ratio directly during operation is stated, which suggests the possibility of maintaining a constant compression pressure in the combustion chamber at various engine speeds. This analogue is the closest, that is, a prototype.

Недостатком данной конструкции является низкая скорость отклика управляющих элементов и регулируемых силовых валов ввиду того, что требуется некоторое время на вращение приводного механизма. Недостатком подобной конструкции является также высокое механическое давление на ось управляющего механизма во время крутящего момента кривошипно-шатунной группы, вследствие чего заявленный механизм в это время оказывается неработоспособным.The disadvantage of this design is the low response speed of the control elements and adjustable power shafts due to the fact that it takes some time to rotate the drive mechanism. The disadvantage of this design is also the high mechanical pressure on the axis of the control mechanism during the torque of the crank group, as a result of which the claimed mechanism is inoperative at this time.

Задача, на которую направлено данное изобретение, состоит в том, чтобы значительно уменьшить время реакции управляющего механизма, а также полностью отказаться от изменения геометрических параметров кривошипно-шатунной группы во время работы двигателя, но при этом сохранить термодинамические характеристики двигателя с геометрически изменяемой степенью сжатия.The problem to which this invention is directed is to significantly reduce the reaction time of the control mechanism, and also completely abandon the change in the geometric parameters of the crank group during engine operation, but at the same time maintain the thermodynamic characteristics of the engine with a geometrically variable compression ratio.

Данная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, два коленвала одинакового диаметра, по меньшей мере, два шатуна и, по меньшей мере, один цилиндр, поршень которого посредством кривошипно-шатунного механизма кинематически связан с коленвалами. Отличия в том, что коленвалы связаны шестернями с передаточным отношением, равным единице. Поршень связан с коленвалами через дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм посредством крейцкопфа и двух шатунов, где каждый из шатунов равен по длине сумме длин радиуса коленвала и дезаксиала. Дезаксиал больше по длине, чем радиус коленвала, а радиус коленвала не больше радиуса цилиндра. В подпоршневом пространстве цилиндра располагаются рабочий объем и камера сгорания. В надпоршневом пространстве цилиндра - продувочные окна, имеющие связь с впускным коллектором, содержащим, по меньшей мере, один самооткрывающийся клапан одностороннего действия. Самооткрывающийся клапан одностороннего действия соединен со смесителем, который с одной стороны соединен с воздухозабором через дроссельную заслонку смесителя, а с другой стороны соединен с воздухозабором посредством теплообменника, имеющего связь с выпускным коллектором. Выпускной коллектор состоит из двух раздельных каналов, в каждом из которых находится, по меньшей мере, один выпускной клапан механизма газораспределения. При этом один канал коллектора соединен с выхлопной системой через теплообменник, а второй канал коллектора соединен с выхлопной системой через дроссельную заслонку акселератора.This problem is solved in that the internal combustion engine contains at least two crankshafts of the same diameter, at least two connecting rods and at least one cylinder whose piston is kinematically connected to the crankshafts by means of a crank mechanism. The differences are that the crankshafts are connected by gears with a gear ratio equal to one. The piston is connected to the crankshafts through a deaxial crank mechanism via a crosshead and two connecting rods, where each of the connecting rods is equal in length to the sum of the lengths of the radius of the crankshaft and deaxial. Deaxial is longer in length than the radius of the crankshaft, and the radius of the crankshaft is not greater than the radius of the cylinder. In the piston space of the cylinder are the working volume and the combustion chamber. In the piston space of the cylinder, there are purge windows connected to the intake manifold containing at least one self-opening valve of one-way operation. A one-way self-opening valve is connected to the mixer, which is connected to the air intake on the mixer throttle on the one hand and connected to the air intake on the other hand through a heat exchanger connected to the exhaust manifold. The exhaust manifold consists of two separate channels, in each of which there is at least one exhaust valve of the gas distribution mechanism. In this case, one collector channel is connected to the exhaust system through a heat exchanger, and the second collector channel is connected to the exhaust system through an accelerator throttle.

В заявленном ДВС степень сжатия изменяется термодинамически, за счет подбора, непосредственно во время работы двигателя, необходимой первоначальной температуры всасываемого воздуха. Первоначальная температура всасываемого воздуха регулируется единственной дроссельной заслонкой смесителя, расположенной во впускном коллекторе, а необходимое тепло отбирается через теплообменник от продуктов сгорания самого двигателя. Таким образом, сразу достигается конечный термодинамический результат, аналогичный при изменении геометрической степени сжатия, но без изменения геометрических параметров, а именно за счет поддержания постоянного давления сжатия, то есть поддержания постоянной внутренней энергии смеси в камере сгорания в момент сжатия.In the declared ICE, the compression ratio changes thermodynamically, due to the selection, directly during engine operation, of the required initial temperature of the intake air. The initial temperature of the intake air is controlled by a single throttle valve of the mixer located in the intake manifold, and the necessary heat is taken through the heat exchanger from the combustion products of the engine itself. Thus, the final thermodynamic result is immediately achieved, similar to changing the geometric compression ratio, but without changing the geometric parameters, namely by maintaining a constant compression pressure, that is, maintaining a constant internal energy of the mixture in the combustion chamber at the time of compression.

Данное изобретение поясняется чертежами, где представлены: на фиг.1 – общий вид двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 – график зависимости скорости U поршня при равномерном вращении коленвала наугол X. Данный график построен методом переноса геометрических размеров – хода поршня через каждые 5° градусов угла поворота коленвала. УголЮ соответствующий верхней мертвой точке (ВМТ), зависит от расстояния дезаксиала Da.The invention is illustrated by drawings, where are presented: in Fig.1 - General view of an internal combustion engine; figure 2 is a graph of the dependence of the speed U of the piston with uniform rotation of the crankshaft by an angle X. This graph is built by transferring the geometric dimensions - the stroke of the piston every 5 ° degrees of the angle of rotation of the crankshaft. The angle corresponding to top dead center (TDC) depends on the disaxial distance Da.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) содержит два коленвала 1, два шатуна 2, цилиндр 3, поршень 4 которого посредством дезаксиального кривошипно-шатунного механизма 5 кинематически связан с коленвалами 1. Коленвалы 1 связаны шестернями 6, имеющими передаточное отношение, равное единице. Поршень 4 связан с коленвалами 1 через дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм 5 посредством крейцкопфа 7 и шатунов 2. Каждый из шатунов 2 равен по длине сумме длин радиуса коленвала и дезаксиала. Причем дезаксиал Da больше по длине, чем радиус коленвала Rk, а радиус коленвала Rk не больше радиуса цилиндра Rc. В подпоршневом пространстве 8 цилиндра 3 располагаются рабочий объем 9 и камера сгорания 10. В надпоршневом пространстве 11 цилиндра 3 располагаются продувочные окна 12. Продувочные окна 12 связаны с впускным коллектором 13. Впускной коллектор 13 содержит, по меньшей мере, один самооткрывающийся клапан 14 одностороннего действия. Самооткрывающийся клапан 14 соединен со смесителем 15. Смеситель 15 с одной стороны соединен с воздухозабором 16 через дроссельную заслонку 17 смесителя 15. Смеситель 15 с другой стороны соединен с воздухозабором 16 посредством теплообменника 18. Теплообменник 18 имеет связь с выпускным коллектором 19, состоящим из двух раздельных каналов 20 и 21, в каждом из которых находится по одному выпускному клапану 22 и 23 механизма газораспределения 27. При этом канал 20 коллектора 19 соединен с выхлопной системой 24 через теплообменник 18, а второй канал 21 коллектора 19 соединен с выхлопной системой 24 через дроссельную заслонку 25 акселератора 26.The internal combustion engine (Fig. 1) contains two crankshafts 1, two connecting rods 2, a cylinder 3, a piston 4 of which is kinematically connected to crankshafts 1 through a deaxial crank mechanism 5. Crankshafts 1 are connected by gears 6 having a gear ratio equal to one. The piston 4 is connected to the crankshafts 1 through a deaxial crank mechanism 5 by means of a crosshead 7 and connecting rods 2. Each of the connecting rods 2 is equal in length to the sum of the lengths of the radius of the crankshaft and deaxial. Moreover, the deaxial Da is longer in length than the radius of the crankshaft Rk, and the radius of the crankshaft Rk is not greater than the radius of the cylinder Rc. In the under-piston space 8 of the cylinder 3, the working volume 9 and the combustion chamber 10 are located. In the over-piston space 11 of the cylinder 3 there are purge windows 12. The purge windows 12 are connected to the intake manifold 13. The intake manifold 13 contains at least one one-way valve 14 . A self-opening valve 14 is connected to the mixer 15. The mixer 15 is connected on one side to the air intake 16 through the throttle valve 17 of the mixer 15. The mixer 15, on the other hand, is connected to the air intake 16 through the heat exchanger 18. The heat exchanger 18 is connected to the exhaust manifold 19, which consists of two separate channels 20 and 21, in each of which there is one exhaust valve 22 and 23 of the gas distribution mechanism 27. In this case, channel 20 of the manifold 19 is connected to the exhaust system 24 through a heat exchanger 18, and the second channel 21 of the manifold 19 is connected to the exhaust system 24 through the throttle valve 25 of the accelerator 26.

Дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм 5 данного двигателя работает таким образом, что шатуны 2, проходя положения неопределенности (ПН) (фиг.2), образуют друг с другом одну прямую линию. В период рабочего такта, шатуны 2 свободно проходят положение неопределенности вслед за ходом поршня 4. В период вторичного сжатия рабочей смеси, шатуны 2 также свободно проходят положение неопределенности, так как существует прямолинейный момент инерции масс поршня 4 и крейцкопфа 7, а сила сопротивления при этом в подпоршневом пространстве равна не более чем двум атмосферам давления. Даная закономерность обусловлена тем, что бы ни допустить реверса коленвалов 1 либо обратного хода крейцкопфа 7, в период сверхнизких оборотов двигателя. Рабочий такт данного двигателя происходит приблизительно за 219° поворота коленвалов 1. Полный цикл данного двигателя происходит за 720° поворота коленвалов 1. Данный дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм 5 обеспечивает длинный ход поршня 4, что позволяет произвести впуск большого объема разогретого в теплообменнике 18 воздуха на такте впуска относительно объема камеры сгорания 10, что подобно использованию классического наддува. Температура разогревания воздуха регулируется дроссельной заслонкой 17 в смесителе 15. Таким образом, появляется возможность при открытой дроссельной заслонке 25 акселератора 26 увеличить внутреннюю энергию впускного воздуха малого объема, и этим удерживать давление сжатия на одном уровне, что эквивалентно результату, достигаемому в двигателе с геометрическим изменением степени сжатия.The deaxial crank mechanism 5 of this engine operates in such a way that the connecting rods 2, passing the positions of uncertainty (PN) (figure 2), form one straight line with each other. During the working cycle, the connecting rods 2 freely pass the uncertainty position following the stroke of the piston 4. During the secondary compression of the working mixture, the connecting rods 2 also freely pass the uncertainty position, since there is a rectilinear moment of inertia of the masses of the piston 4 and crosshead 7, and in the under-piston space it is equal to no more than two atmospheres of pressure. This pattern is due to the fact that neither reverse crankshafts 1 or crosshead backward 7 should be allowed during ultra-low engine speeds. The working cycle of this engine occurs at approximately 219 ° crankshaft rotation 1. The full cycle of this engine occurs at 720 ° crankshaft rotation 1. This deaxial crank mechanism 5 provides a long stroke of the piston 4, which allows the intake of a large volume of air heated in the heat exchanger 18 the intake stroke relative to the volume of the combustion chamber 10, which is similar to using a classic boost. The temperature of the air heating is regulated by the throttle valve 17 in the mixer 15. Thus, it becomes possible with the throttle valve 25 of the accelerator 26 open to increase the internal energy of the intake air of small volume and thereby keep the compression pressure at the same level, which is equivalent to the result achieved in the engine with a geometric change compression ratio.

Работа патентуемого двигателя осуществляется следующим образом (фиг.1). Когда поршень 4 начинает ход вниз после прохождения ВМТ и продувочных окон 12, при этом левый коленвал 1 вращается по часовой стрелке, а правый коленвал 1 вращается против часовой стрелки, то за счет разрежения в надпоршневом пространстве 11, открывается самооткрывающийся клапан 14 одностороннего действия, и в надпоршневое пространство 11 через впускной коллектор 13 начинает поступать свежий заряд воздуха. Воздух, при этом, от воздухозабора 16 проходит двумя путями: одна часть воздуха проходит через дроссельную заслонку 17 смесителя 15, другая часть воздуха проходит через теплообменник 18, в котором он нагревается, получая тепло от продуктов сгорания. Далее, по достижении поршнем 4 нижней мертвой точки (НМТ) поршень 4 начинает обратный ход, самооткрывающийся клапан 14 одностороннего действия закрывается и происходит первичное сжатие воздуха в надпоршневом пространстве 11. По прохождении поршнем 4 продувочных окон 12, сжатый заряд воздуха мгновенно заполняет подпоршневое пространство 8 рабочего объема 9, одновременно с этим открывается клапан 22 механизма газораспределения 27 и происходит продувка продуктов сгорания через выпускной канал 20 и теплообменник 18 в выпускной коллектор 19. После прохождения ВМТ, клапан механизма 22 газораспределения 27 закрывается и открывается второй клапан 23 механизма газораспределения 27, через который происходит выталкивание порции свежего заряда воздуха в выпускной канал 21 коллектора 19. Количество оставшегося заряда воздуха регулируется дроссельной заслонкой 25 акселератора 26. Далее происходит впрыск топлива, клапан 23 механизма газораспределения 27 закрывается, и поршень 4 вторично сжимает уже рабочую смесь в камере сгорания 10 до НМТ соответственно, после чего происходит воспламенение и рабочий ход. Рабочий ход, одновременное первичное сжатие воздуха в надпоршневом пространстве 11 и продувка происходят за 219° поворота коленвалов 1 (фиг.2). Всасывание воздуха в надпоршневое пространство 11, одновременно выпуск некоторой части воздуха через дроссельную заслонку 25 акселератора 26, впрыск топлива и закрытие клапанов 22 и 23, вторичное сжатие рабочей смеси в камере сгорания 10, а также зажигание происходят за 501° поворота коленвалов 1. Полный цикл двигателя реализуется за 720° поворота коленвалов 1. Так как время пребывания крейцкопфа 7 и поршня 4 в очаге сгораемой смеси почти в два раза меньше чем во время продувки и вторичного сжатия, то есть скорости поршня 4 в прямом и обратном направлении отличаются, то происходит охлаждение, по сравнению с температурой в камере сгорания 10, элементов двигателя продувочным воздухом: крейцкопфа 7, поршня 4, а также цилиндра 3 и камеры сгорания 10. Особенностью данного двигателя является то, что температура всасываемого воздуха, при помощи дроссельной заслонки 17 смесителя 15, предполагает регулировку в автоматическом режиме таким образом, чтобы поддерживать в камере сгорания 10 постоянное давление сжатия, что эквивалентно работе аналогичного двигателя с геометрическим изменением степени сжатия. Но в отличие от прототипа, данный двигатель обладает более быстрым откликом, так как кинематическая составляющая по управлению степенью сжатия, иначе элемент регулировки давления сжатия, всего одна дроссельная заслонка 17 смесителя 15. Также данный двигатель имеет возможность изменять давление сжатия беспрепятственно и непосредственно во время работы, так как практически отсутствуют потери на трение элементов управления.The work of the patented engine is as follows (figure 1). When the piston 4 starts to move down after the passage through the top dead center and the purge windows 12, while the left crankshaft 1 rotates clockwise, and the right crankshaft 1 rotates counterclockwise, due to the rarefaction in the over-piston space 11, a one-way self-opening valve 14 opens, and a fresh charge of air begins to flow into the over-piston space 11 through the intake manifold 13. The air, in this case, from the air intake 16 passes in two ways: one part of the air passes through the throttle valve 17 of the mixer 15, the other part of the air passes through the heat exchanger 18, in which it is heated, receiving heat from the combustion products. Further, when the piston 4 reaches the bottom dead center (BDC), the piston 4 starts the reverse stroke, the self-opening single-acting valve 14 closes and the primary air compresses in the above-piston space 11. After the piston 4 passes through the purge windows 12, the compressed air charge instantly fills the under-piston space 8 of the working volume 9, at the same time, the valve 22 of the gas distribution mechanism 27 opens and the combustion products are purged through the exhaust channel 20 and the heat exchanger 18 into the exhaust manifold 19. After bypassing TDC, the valve of the gas distribution mechanism 27 closes and the second valve 23 of the gas distribution mechanism 27 opens, through which a portion of the fresh air charge is pushed into the exhaust channel 21 of the manifold 19. The amount of remaining air charge is regulated by the throttle valve 25 of the accelerator 26. Then the fuel is injected, the valve 23 of the gas distribution mechanism 27 is closed, and the piston 4 again compresses the working mixture in the combustion chamber 10 to the BDC, respectively, after which ignition and working th move. The working stroke, the simultaneous primary compression of the air in the above-piston space 11 and the purge occur for 219 ° of rotation of the crankshafts 1 (figure 2). The suction of air into the over-piston space 11, at the same time the release of a certain part of the air through the throttle valve 25 of the accelerator 26, the fuel injection and closing of the valves 22 and 23, the secondary compression of the working mixture in the combustion chamber 10, as well as the ignition occur over 501 ° of crankshaft rotation 1. Full cycle the engine is implemented for 720 ° rotation of the crankshafts 1. Since the stay time of the crosshead 7 and the piston 4 in the focus of the combustible mixture is almost half that during the blowing and secondary compression, that is, the speed of the piston 4 in the forward and reverse directions If they are different, then cooling, compared with the temperature in the combustion chamber 10, of the engine elements with purge air: crosshead 7, piston 4, as well as cylinder 3 and the combustion chamber 10, occurs. the damper 17 of the mixer 15, involves adjusting in automatic mode so as to maintain a constant compression pressure in the combustion chamber 10, which is equivalent to the operation of a similar engine with a geometric change in the degree of compression Attiya. But unlike the prototype, this engine has a faster response, since the kinematic component for controlling the compression ratio, otherwise the compression pressure adjustment element, is only one throttle valve 17 of the mixer 15. Also, this engine has the ability to change the compression pressure freely and directly during operation , since there are practically no friction losses of the controls.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКАEXPLANATORY NOTE

В описании следует различать понятия: «геометрически изменяемая степень сжатия», «термодинамически изменяемая степень сжатия», «изменение давления сжатия». Понятие «термодинамически изменяемая степень сжатия» введено автором, т.к. не нашлось более подходящего определения. Хотя, несомненно, «степень сжатия» в классическом понимании – геометрический параметр. Изначально применялось определение «изменяемое давление сжатия», что оказалось неверно, т.к. давление сжатия изменяется постоянно в любом ДВС, например конкретно при изменении угла открытия дроссельной заслонки акселератора. Данную терминологию следует принимать и толковать как раздельные понятия, т.е. непосредственно по контексту, что соответственно не является нарушением единства терминологии.The description should distinguish between the concepts: “geometrically variable compression ratio”, “thermodynamically variable compression ratio”, “change in compression pressure”. The concept of "thermodynamically variable compression ratio" was introduced by the author, because no more suitable definition was found. Although, of course, the "degree of compression" in the classical sense is a geometric parameter. Initially, the definition of "variable compression pressure" was applied, which turned out to be incorrect, because the compression pressure changes constantly in any engine, for example, specifically when changing the opening angle of the throttle of the accelerator. This terminology should be accepted and interpreted as separate concepts, i.e. directly in context, which, accordingly, is not a violation of the unity of terminology.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Заявка США №20140209054 A1, 31.07.2014.1. US Application No. 2014209054 A1, 07/31/2014.

2. Патент России №2397345, опубл. 20.08.2010. Бюл. №23 – прототип.2. Russian Patent No. 2397345, publ. 08/20/2010. Bull. No. 23 is a prototype.

Claims

An internal combustion engine comprising at least two crankshaft equal in diameter, at least two connecting rods and at least one cylinder, whose piston is kinematically connected to the crankshafts by means of a crank mechanism, characterized in that the crankshafts are connected by gears with a gear ratio of one and the piston is connected to the crankshafts through a deaxial crank mechanism by means of a crosshead and two connecting rods, where each of the connecting rods is equal in length to the sum of the lengths of the radius of the crankshaft and deaxial, which is longer in length than the radius of the crankshaft, and the radius of the crankshaft is not larger than the radius of the cylinder, with the working volume and the combustion chamber located in the piston space of the cylinder, and the purging windows in the piston space of the cylinder connected to the intake manifold containing at least one self-opening a single-acting valve connected to the mixer, which is on the one hand connected to the air intake through the throttle of the mixer, and on the other hand connected to the air intake by a heat exchanger connected to an exhaust manifold consisting of two separate channels, each of which has at least one exhaust valve of the gas distribution mechanism, while one collector channel is connected to the exhaust system through a heat exchanger, and the second collector channel is connected to the exhaust system through a throttle accelerator damper.