RU2045670C1

RU2045670C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2045670C1
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Потапов
Original assignee: Виктор Владимирович Потапов
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1991-12-23
Publication date: 1995-10-10

Abstract

FIELD: automotive industry. SUBSTANCE: gear rack 7 is coupled with rod 5 through levers 8 and 9 defining the parallelogram connection of a clamping member. During working stroke of piston 4, stop 13 secured to rod 5 interacts with the clamping member. The clamping member rotates the take off wheel. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателестроению двух- и четырехтактных поршневых двигателей внутреннего сгорания. The invention relates to engine building, in particular to engine building of two- and four-stroke piston internal combustion engines.

Аналогами предлагаемого изобретения являются все известные автору поршневые двигатели внутреннего сгорания. Analogs of the invention are all piston internal combustion engines known to the author.

В качестве прототипа выбрана конструкция дизельного двигателя KSZ/ДКРН 105/180/ (см. В.А.Ванштейдт, Н.Н.Иванченко "Дизели" Справочник, Л. Машиностроение, 1977, рис. 14), содержащего гильзу цилиндра, поршень со штоком, перемещающемся по направляющим, шатун и коленвал. As a prototype, the design of the KSZ / ДКРН 105/180 / diesel engine (see V.A. Vansteinidt, NN Ivanchenko "Diesels" Handbook, L. Mashinostroenie, 1977, Fig. 14) containing a cylinder liner, a piston with rod moving along the guides, connecting rod and crankshaft.

Недостатком такого устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД). The disadvantage of this device is the low coefficient of performance (COP).

Для анализа потерь КПД целесообразно считать шток и направляющую продолжением поршня и цилиндра соответственно, а шатунную втулку штока обычным соединением поршня с шатуном. Непременное условие работы кривошипно-шатунного механизма при нахождении поршня в верхней или нижней мертвой точке (ВМТ или НМТ) шатун и кривошип коленвала лежат на одной прямой. На этой же прямой чаще всего лежит и ось цилиндра. To analyze the efficiency losses, it is advisable to consider the rod and the guide as a continuation of the piston and cylinder, respectively, and the rod connecting rod sleeve as the usual connection of the piston with the connecting rod. An indispensable condition for the operation of the crank mechanism when the piston is at the top or bottom dead center (TDC or BDC), the connecting rod and crankshaft crank, lie on one straight line. The cylinder axis most often lies on the same straight line.

При анализе рабочего хода двигателя наблюдаем следующую картину. В момент воспламенения горючей смеси (смесь воздуха с распыленным топливом) поршень находится в районе ВМТ. Вектор силы, действующей на головку поршня от сгорающей смеси, направлен от шарнира штока вдоль оси шатуна на шатунную шейку коленвала. Вектор же возможного перемещения этой шатунной шейки направлен перпендикулярно вектору силы, т.е. сила в данный момент не может производить никакой полезной работы. И это при максимальных, пиковых давлениях в цилиндре. При угловом перемещении плеча кривошипа угол отклонения его от линии действия силы α растет от 0^о до 90^о, а вектор силы, производящей полезную работу растет от нуля по синусоидальному закону. К примеру, при 6^о полезная сила составляет 10% от прилагаемой, при 12^о соответственно 20% при 30^о 50% при 45^о 0,7 и так далее. В этой же фазе движения сила трения в шатунной шейке и опорах коленвала по косинусоидальному закону уменьшается от максимальной до минимальной. В конце рабочего хода картина с ростом сил трения и падением отдаваемой полезной работы повторяется.When analyzing the stroke of the engine, we observe the following picture. At the moment of ignition of the combustible mixture (air mixture with atomized fuel), the piston is in the area of the top dead center. The force vector acting on the piston head from the burning mixture is directed from the rod hinge along the connecting rod axis to the crankshaft connecting rod journal. The vector of the possible movement of this connecting rod neck is directed perpendicular to the force vector, i.e. force at the moment cannot produce any useful work. And this is at maximum peak pressures in the cylinder. With the angular movement of the crank arm, the angle of its deviation from the line of action of the force α grows from 0 ^about to 90 ^about , and the vector of the force that does useful work grows from zero according to the sinusoidal law. For example, if 6 ^of useful power is 10% of the appended at ^about 12 to 20% respectively at ³⁰ 50% at ⁴⁵ 0.7, and so on. In the same phase of motion, the friction force in the crank pin and crankshaft bearings, according to the cosine law, decreases from maximum to minimum. At the end of the working stroke, the picture is repeated with an increase in the friction forces and a drop in the given useful work.

Необходимо отметить, что вал отбора мощности коленвал несет функцию возврата поршня в исходное положение, т.е. из НМТ в ВМТ для повторения цикла рабочего хода. Других механизмов для этой функции нет. И все вышеперечисленные потери мощности порождены этим совмещением. It should be noted that the crankshaft power take-off shaft has the function of returning the piston to its original position, i.e. from BDC to TDC to repeat the stroke cycle. There are no other mechanisms for this function. And all of the above power losses are generated by this combination.

Целью изобретения является повышение КПД поршневого двигателя внутреннего сгорания посредством исключения из его схемы кривошипно-шатунного механизма. При этом обеспечение возвратно-поступательного движения поршня со штоком осуществляется устройством возврата поршня в исходное положение, например в виде двух сообщающихся штоковых полостей двух рядом расположенных цилиндров и жидкой среды, находящейся в этих полостях. Снятие усилия со штока осуществляется установленным на нем захватным органом, периодически воздействующим на устройство отбора мощности. Усилие на штоке может быть выходным толкающим усилием двигателя или окружной силой на колесе, создающей крутящий момент на постоянном плече (радиус колеса). В последнем случае захватный орган может быть исполнен, например в виде рейки, соединяющейся со штоком параллелограммной связью и имеющей упор на штоке со стороны поршня. The aim of the invention is to increase the efficiency of a reciprocating internal combustion engine by excluding from its circuit a crank mechanism. In this case, the reciprocating movement of the piston with the rod is provided by the device for returning the piston to its original position, for example, in the form of two communicating rod cavities of two adjacent cylinders and a liquid medium located in these cavities. Removing the force from the rod is carried out by a gripping body installed on it, periodically acting on the power take-off device. The force on the rod can be the output pushing force of the engine or the circumferential force on the wheel, creating torque on the constant arm (radius of the wheel). In the latter case, the gripping body can be performed, for example, in the form of a rail connected to the rod by a parallelogram connection and having an emphasis on the rod from the piston side.

В результате применения такого устройства КПД двигателя внутреннего сгорания может быть поднят ориентировочно на 5-30% Уменьшится нагрев двигателя из-за резкого уменьшения потерь на трение. Рост КПД может выражаться в поднятии мощности при прежнем расходе топлива или уменьшении расходов топлива. As a result of the use of such a device, the efficiency of the internal combustion engine can be increased by approximately 5-30%. The engine heating will decrease due to a sharp decrease in friction losses. The increase in efficiency can be expressed in increasing power at the same fuel consumption or reducing fuel consumption.

На чертеже показан предлагаемый двигатель внутреннего сгорания, состоящий из двух цилиндров, механизма возврата поршней в исходное положение и захватного устройства на одном из штоков в контакте с механизмом отбора мощности. Захватное устройство второго штока не показано. The drawing shows the proposed internal combustion engine, consisting of two cylinders, a mechanism for returning the pistons to their original position and a gripping device on one of the rods in contact with the power take-off mechanism. The gripper of the second rod is not shown.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры 1, каждый из которых включает гильзу цилиндра 2 с устройством газораспределения и подачи топлива 3, поршень 4 со штоком 5. Шток 5 оснащен захватным устройством 6, включающим в себя установленную на параллелограмной связи зубчатую рейку 7. Параллелограмная связь включает в себя два стержня 8 и 9, соединяющиеся с шатуном и рейкой осями 10 и 11. Рейка 7 в момент входа в зацепление с шестерней отбора мощности 12 через стержень 8 упирается в уступ 13 штока 5. Гильза цилиндров 2 и поршень 4 со штоком 5 образуют бесштоковую 14 и штоковую 15 полости. Штоковые полости 15 двух цилиндров соединены трубопроводом 16, который может проходить через радиатор 17. The internal combustion engine comprises cylinders 1, each of which includes a cylinder liner 2 with a gas distribution and fuel supply device 3, a piston 4 with a rod 5. The rod 5 is equipped with a gripping device 6, including a gear rack mounted on a parallelogram connection 7. The parallelogram connection includes two rods 8 and 9 themselves, connected to the connecting rod and rack by the axes 10 and 11. Rail 7 at the moment of engagement with the power take-off gear 12 through the rod 8 abuts against the shoulder 13 of the rod 5. The cylinder liner 2 and the piston 4 with the rod 5 form a sshtokovuyu 14 and rod 15 of the cavity. The rod cavities 15 of the two cylinders are connected by a pipe 16, which can pass through a radiator 17.

Устройство работает следующим образом. Рассмотрим работу дизеля. Принимаем, что в начальный момент поршень 4 находится в верхнем положении (около механизма газораспределения 3), клапаны механизма 3 закрыты, рабочий объем воздуха в бесштоковой полости 14 сжат и имеет температуру, достаточную для воспламенения топлива, рейка 5 не входит в зацепление с шестерней отбора мощности 12 и висит на стержнях 8 и 9 в нижнем положении. The device operates as follows. Consider the operation of a diesel engine. We assume that at the initial moment the piston 4 is in the upper position (near the gas distribution mechanism 3), the valves of the mechanism 3 are closed, the working volume of air in the rodless cavity 14 is compressed and has a temperature sufficient to ignite the fuel, the rack 5 is not engaged with the selection gear power 12 and hangs on the rods 8 and 9 in the lower position.

При впрыске топлива механизмом 3 в бесштоковую полость 14, оно воспламеняется. Процесс сгорания топлива сопровождается резким повышением давления в бесштоковой полости 14, приводящем в движение поршень 4 со штоком 5 и захватным устройством 6. Зуб рейки 7 упирается в боковую поверхность зуба шестерни отбора мощности 12 и продолжает двигаться в контакте с ней. Шток 5, имеющий значительно большую скорость движения, чем рейка 7, перемещает оси 10 вперед до утыкания стержня 8 в уступ 13. С этого момента и до конца хода поршня 4 (нижнее, наиболее удаленное от механизма газораспределения 3 положение поршня) вся энергия сгорающего топлива преобразуется в окружное усилие шестерни отбора мощности. When fuel is injected by mechanism 3 into rodless cavity 14, it ignites. The fuel combustion process is accompanied by a sharp increase in pressure in the rodless cavity 14, which drives the piston 4 with the rod 5 and the gripping device 6. The tooth of the rack 7 abuts against the side surface of the tooth of the power take-off gear 12 and continues to move in contact with it. The rod 5, which has a significantly higher speed than the rail 7, moves the axis 10 forward until the rod 8 is pushed into the ledge 13. From this moment to the end of the piston stroke 4 (the lowest position of the piston that is farthest from the gas distribution mechanism 3), all the energy of the burning fuel converted to the circumferential force of the power take-off gear.

В нижнем положении поршень 4 со штоком 5 останавливаются, а шестерня отбора мощности 12 под действием получившего во время рабочего хода энергию маховика продолжает вращаться. Зубья шестерни 12 продолжают перемещать рейку 7 по направлению окружной силы. Рычаги 8 и 9 начинают вращаться вокруг неподвижных осей 10, а оси 11, описывая траекторию окружности вокруг осей 10, выводят рейку 7 из зацепления. Тот же механизм вывода рейки из контакта с шестерней работает и при ходе поршня 4 со штоком 5 в верхнее положение (около механизма газораспределения 3). In the lower position, the piston 4 with the rod 5 stops, and the power take-off gear 12 under the influence of the flywheel energy received during the working stroke continues to rotate. The teeth of the gear 12 continue to move the rack 7 in the direction of the circumferential force. The levers 8 and 9 begin to rotate around the fixed axes 10, and the axles 11, describing the trajectory of the circle around the axes 10, disengage the rail 7. The same mechanism for removing the rack from contact with the gear also works when the piston 4 with the rod 5 is in the upper position (near the timing 3).

При движении поршня 4 со штоком 5 из верхнего положения в нижнее под действием давления в бесштоковой полости 14 рабочая жидкость, которая заполняет штоковые полости 15, начинает переливаться по трубопроводу 16 из штоковой полости совершающего рабочий ход цилиндра в штоковую полость цилиндра, уже закончившего рабочий ход, что приводит к перемещению поршня со штоком второго цилиндра из нижнего положения в верхнее. When the piston 4 with the rod 5 moves from the upper position to the lower under the action of pressure in the rodless cavity 14, the working fluid that fills the rod cavities 15 begins to overflow through the pipeline 16 from the rod cavity of the cylinder operating stroke to the rod cavity of the cylinder that has already completed the stroke, which leads to the displacement of the piston with the rod of the second cylinder from the lower to the upper position.

В начальный период перемещения поршня 4 из нижнего положения в верхнее открываются продувочные клапаны механизма газораспределения и продукты сгорания выходят из бесштоковой полости 14 в атмосферу. По известным закономерностям двухтактных ДВС при открытых клапанах выпуска продуктов сгорания механизма газораспределения 3 открываются клапана впуска свежего воздуха. Свежий воздух, поступающийся в бесштоковую полость 14, вытесняя продукты сгорания, заполняет ее объем, после чего впускные и выпускные клапана закрываются. Поршень, двигаясь в верхнее положение, сжимает замкнутый объем воздуха, подготавливая его к новому циклу. При поднятии поршня к механизму газораспределения 3 цилиндр 1 приходит в исходное положение и при впрыске топлива совершает новый рабочий ход. In the initial period of movement of the piston 4 from the lower position to the upper, the purge valves of the gas distribution mechanism open and the combustion products exit the rodless cavity 14 into the atmosphere. According to the known patterns of two-stroke internal combustion engines with open valves for the release of combustion products of the gas distribution mechanism 3, the fresh air intake valves open. Fresh air entering the rodless cavity 14, displacing the combustion products, fills its volume, after which the inlet and outlet valves are closed. The piston, moving to the upper position, compresses a closed volume of air, preparing it for a new cycle. When the piston is raised to the gas distribution mechanism 3, cylinder 1 returns to its original position and, when injected with fuel, makes a new stroke.

Рабочая жидкость штоковых полостей 15 при перетекании по трубопроводу 16 может отдавать часть тепла (охлаждаться) при прохождении радиатора 17. The working fluid of the rod cavities 15 when flowing through the pipeline 16 can give part of the heat (cool) when passing the radiator 17.

Claims

1. An internal combustion engine comprising a cylinder, a piston with a rod installed therein, a gripping member made in the form of a gear rack, on which the ends of the parallelogram link arms, the power take-off gear, the stop and the piston return mechanism are pivotally mounted, characterized in that the other ends of the levers of the parallelogram connection pivotally mounted directly on the rod, and the gear rack is placed with the possibility of interaction with the gear wheel power, while the emphasis is rigidly fixed on and stock with the possibility of interaction with the gripping body.

3. The engine according to claim 1, characterized in that it is equipped with a second cylinder, and the mechanism for returning the piston to its original position is made in the form of rod cavities of two cylinders connected by means of an additionally introduced pipeline.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the gear engagement of the rack with the power take-off wheel is made involute.