RU2006626C1

RU2006626C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2006626C1
Authority: RU
Inventors: Андрей Леонидович Шпади
Original assignee: Андрей Леонидович Шпади
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: mechanical engineering, internal combustion engines. SUBSTANCE: guide chamber is brought in communication with intake port. Rod of intake piston is hollow and is mounted for regularly entering the guide chamber by means of return spring mounted in rod chamber and in guide chamber. Thickness of intake piston does not exceed axial size of side combustion chamber. Piston heads are made in form of diaphragms. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания. The invention relates to engine building, and in particular to the design of reciprocating internal combustion engines.

Известен четырехтактный двигатель В. М. Кушуля со степенью расширения, превышающей степень сжатия, содержащий сообщающиеся между собой пары цилиндров с верхнеклапановым распределительным механизмом и отдельными поршнями, кинематически связанными с коленвалом, размещенным в маслонаполненном картере двигателя. A four-stroke engine of V. M. Kushul is known with an expansion ratio exceeding the compression ratio, containing pairs of cylinders interconnected with an overhead valve distribution mechanism and individual pistons kinematically connected to a crankshaft located in an oil-filled engine crankcase.

Расход топлива у такого двигателя на 30% меньше, чем у обычных двигателей с термодинамическими циклами Отто и Дизеля, но его сложная многоцилиндровая конструкция обладает плохой уравновешен- ностью, повышенным удельным весом с габаритами. The fuel consumption of such an engine is 30% less than that of conventional engines with the thermodynamic cycles of Otto and Diesel, but its complex multi-cylinder design has poor balance, increased specific gravity with dimensions.

Известны более простые и легкие двухтактные двигатели со ступенчатым поршнем и осевой продувкой, которая осуществляется трубчатой надставкой поршня, открывающей соосное впускное окно в крышке цилиндра, после открытия поршнем бокового выпускного окна цилиндра при прохождении нижней мертвой точки. Simpler and lighter two-stroke engines with a stepped piston and axial purge are known, which is carried out by a tubular extension of the piston that opens a coaxial inlet window in the cylinder cover after the piston opens the lateral outlet window of the cylinder when passing the bottom dead center.

Недостатком таких двигателей с двойным поршнем является симметричная диаграмма продувки и одинаковое соотношение степеней сжатия-расширения, которые сопровождаются более высоким удельным расходом топлива и масла, подаваемого в цилиндр вместе с топливом, что существенно ухудшает их экономичность и экологичность. The disadvantage of such engines with a double piston is a symmetrical purge diagram and the same ratio of compression-expansion, which are accompanied by a higher specific consumption of fuel and oil supplied to the cylinder together with the fuel, which significantly affects their economy and environmental friendliness.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий и вспомогательный цилиндры с вспомогательным поршнем и автоматическими впускными клапанами, которые предназначены для осевой продувки тороидальной камеры сгорания. The closest in technical essence to the proposed is a two-stroke internal combustion engine containing a working and auxiliary cylinders with an auxiliary piston and automatic intake valves, which are designed for axial purge of a toroidal combustion chamber.

В этом двигателе обеспечивается принудительная прокачка и заполнение рабочего цилиндра свежим зарядом топливовоздушной смеси вспомогательным поршнем, однако наличие автоматических клапанов и вспомогательных цилиндров в днище поршня и головке цилиндра усложняют его конструкцию и снижает надежность, так как неизбежные утечки из вспомогательного цилиндра могут привести к зависанию в промежуточном положении вспомогательного поршня или его ударам о рабочий поршень. This engine provides forced pumping and filling of the working cylinder with a fresh charge of the air-fuel mixture with an auxiliary piston, however, the presence of automatic valves and auxiliary cylinders in the piston bottom and cylinder head complicate its design and reduce reliability, since inevitable leaks from the auxiliary cylinder can lead to a freeze in the intermediate position of the auxiliary piston or its impact on the working piston.

Цель изобретения - создание двигателя, сочетающего в себе преимущества двух- и четырехтактных двигателей за счет реализации эффективного трехтактного цикла работы, обеспечивающего сокращение удельного расхода топлива и масла, при одновременном упрощении конструкции и повышении надежности двигателя. The purpose of the invention is the creation of an engine that combines the advantages of two- and four-stroke engines through the implementation of an effective three-stroke cycle of operation, which reduces the specific consumption of fuel and oil, while simplifying the design and increasing the reliability of the engine.

Указанная цель достигается тем, что вместо вспомогательных цилиндров предлагаемый двигатель снабжен направляющей полостью, сообщающейся с впускным окном, шток вспомогательного поршня выполнен полым и установлен с возможностью периодического входа в направляющую полость посредством возвратной пружины, которая установлена в полости штока и направляющей полости. Причем днища впускного поршня выполнены в виде мембран из термостойкого материала так, что его толщина не превышает осевой размер боковой камеры сгорания. This goal is achieved by the fact that instead of the auxiliary cylinders, the proposed engine is provided with a guide cavity in communication with the inlet window, the auxiliary piston rod is hollow and is installed with the possibility of periodic entry into the guide cavity by means of a return spring, which is installed in the rod cavity and the guide cavity. Moreover, the inlet piston bottoms are made in the form of membranes of heat-resistant material so that its thickness does not exceed the axial size of the side combustion chamber.

Поскольку указанные отличия отсутствуют у аналогов и прототипа, следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Since these differences are absent from analogues and prototype, therefore, the claimed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

В результате у заявленного устройства появляются новые свойства и положительный эффект, который недостижим у известных устройств аналогичного назначения. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия". As a result, the claimed device has new properties and a positive effect, which is unattainable with known devices of a similar purpose. This allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 представлен разрез предлагаемого двигателя по оси цилиндра; на фиг. 2 - круговая диаграмма его работы; на фиг. 3 - соответствующий термодинамический цикл. In FIG. 1 shows a section of the proposed engine along the axis of the cylinder; in FIG. 2 - a pie chart of his work; in FIG. 3 - the corresponding thermodynamic cycle.

Трехтактный двигатель содержит цилиндр 1, в котором выполнена боковая полость камеры сгорания 2 с топливной форсункой 3 и свечой зажигания 4. В цилиндре 1 оппозитно размещены рабочий поршень 5, перекрывающий своей боковой поверхностью выпускное окно 6 цилиндра 1, и легкий впускной поршень 7 - вытеснитель, выполненный в виде двойной пустотелой мембранной коробки или упругой сильфонной оболочки и снабженный трубчатым штоком 8, плотно входящим в направляющую полость впускного окна 9 крышки 10 цилиндра, накрытой пробкой 11 с цилиндрической пружиной 12, упирающейся в впускной поршень. Рабочий поршень 5 кинематически связан с кривошипно-шатунным механизмом коленвала, размещенным в маслозаполненном картере 13 двигателя. The three-stroke engine contains a cylinder 1, in which a side cavity of the combustion chamber 2 with a fuel nozzle 3 and a spark plug 4 is made. A working piston 5 is arranged opposite to the cylinder 1 and overlaps its outlet surface 6 of the cylinder 1 with its lateral surface, and a lightweight inlet piston 7 is a displacer, made in the form of a double hollow membrane box or an elastic bellows shell and equipped with a tubular rod 8 that fits tightly into the guide cavity of the inlet window 9 of the cylinder cover 10, covered with a plug 11 with a coil spring 12 abutting against the intake piston. The working piston 5 is kinematically connected with the crank mechanism of the crankshaft located in the oil-filled crankcase 13 of the engine.

Полный цикл работы двигателя происходит за один оборот коленвала и начинается с нижней мертвой точки (О^l), в которой находятся оба поршня 5 и 7 под воздействием пружины 12. При этом выпускное окно 6 закрыто боковой поверхностью впускного поршня 7, а впускное окно 9 полностью открыто и цилиндр 1 заполнен воздухом атмосферного давления Р₁с максимальным рабочим объемом V₂ (фиг. 2 и 3).The full cycle of the engine occurs in one revolution of the crankshaft and starts from the bottom dead center (О ^l ), in which both pistons 5 and 7 are located under the influence of the spring 12. In this case, the exhaust window 6 is closed by the side surface of the intake piston 7, and the intake window 9 is completely openly and the cylinder 1 is filled with atmospheric pressure air P ₁ with a maximum working volume V ₂ (Fig. 2 and 3).

Первый такт - сжатие начинается с момента (I) закрытия впускного окна 9 трубчатым штоком В впускного поршня 7, который поднимается под воздействием рабочего поршня 5, сжимающего пружину 12. Совместное движение обоих поршней 5 и 7 в ВТМ сопровождается сжатием воздуха, находящегося между впускным поршнем 7 и крышкой 10 цилиндров, начиная с объема V₁, который меньше максимального рабочего объема V₂ на величину изменения объема цилиндра из-за подъема поршней от НМТ до момента (I) закрытия впускного окна 9 и объема трубчатого штока 8.The first cycle - compression starts from the moment (I) closing the inlet window 9 with the tubular rod B of the inlet piston 7, which rises under the influence of the working piston 5, compressing the spring 12. The joint movement of both pistons 5 and 7 in the VTM is accompanied by compression of the air located between the inlet piston 7 and the cylinder cover 10, starting with a volume V ₁ that is less than the maximum working volume V ₂ by the amount of change in the volume of the cylinder due to the lifting of the pistons from the BDC up to the moment (I) closing the inlet window 9 and the volume of the tubular rod 8.

Адиабатическое сжатие воздуха продолжается до момента (II) прихода поршня 5 в ВМТ и прохождения впускным поршнем 7 боковой полости камеры сгорания 2, когда объем V_о минимален, а давление Р₂ в цилиндре 1 становится настолько большим, что превышает силу давления пружины 12 на впускной поршень 7.Adiabatic compression of the air continues until (II) the piston 5 arrives at the TDC and the intake piston 7 passes through the lateral cavity of the combustion chamber 2, when the volume V _о is minimal and the pressure P ₂ in the cylinder 1 becomes so large that it exceeds the pressure force of the spring 12 at the inlet piston 7.

Второй такт - расширение начинается с прижатия впускного поршня 7 к крышке 10 силой избыточного давления Р₂, пропорциональной площади поперечного штока 8. При этом происходит интенсивное перетекание сжатого воздуха из уменьшающегося пространства над впускным поршнем 7 через камеру сгорания 2 в зазор между поршнями 5 и 7, которое сопровождается вихревым движением сжатого воздуха в камере сгорания 2 и впрыском дизельного топлива через форсунку 3. Одновременное протекание этих процессов обеспечивает хорошую гомогенизацию рабочей смеси и ее полное сгорание при высоком постоянном давлении Р₂ до объема V_о ^l, т. е. до точки (III^l) термического цикла.The second step - the expansion begins with pressing the intake piston 7 to the cover 10 with an overpressure force P ₂ proportional to the area of the transverse rod 8. In this case, intensive flow of compressed air from the decreasing space above the intake piston 7 through the combustion chamber 2 into the gap between the pistons 5 and 7 , which is accompanied by a swirling movement of compressed air in the combustion chamber 2 and the injection of diesel fuel through the nozzle 3. The simultaneous course of these processes ensures good homogenization of the working mixture and its lnoe combustion at a high constant pressure P ₂ to a volume V _of ^l, m. e. to a point (III ^l) thermal cycle.

Адиабатическое расширение раскаленных продуктов сгорания рабочей смеси происходит при неподвижном впускном поршне 7, прижатым к крышке 10 цилиндра большим избыточным давлением, которое быстро опускает рабочий поршень 5, совершая полезную работу, до момента (IV) открытия его боковой поверхностью выпускного окна 6 цилиндра 1. The adiabatic expansion of the hot products of combustion of the working mixture occurs when the inlet piston 7 is stationary, pressed to the cylinder cover 10 with a large excess pressure, which quickly lowers the working piston 5, doing useful work, until (IV) it opens with the side surface of the exhaust window 6 of cylinder 1.

Третий такт - впуск новой порции атмосферного воздуха и выпуск отработанных газов осуществляется самостоятельным движением впускного поршня 7 со штоком 8 под воздействием потенциальной энергии пружины 12, которая начинает распрямляться, как только давление Р₁ ^l в цилиндре упадет до атмосферного Р₁. При этом поршень 5 находится вблизи НМТ и свободный объем цилиндра V₂ ^l несколько больше рабочего объема V₂ на величину собственного объема трубчатого штока 8, находящегося за пределами цилиндра 1. Как только впускной поршень 7 отойдет от крышки 10 и своей боковой поверхностью перекроет нижнюю кромку боковой полости камеры сгорания 2, произойдет раздвоение рабочего объема цилиндра на две части. Нижняя часть этого объема между поршнями 5 и 7 будет монотонно уменьшаться от точки (О^l) до нуля при давлении Р₁, близком к атмосферному, обеспечивая выпуск находящихся в ней газов, а верхняя часть объема, заключенного между крышкой 10 и впускным поршнем 7, наоборот увеличивается от нуля до V_о при атмосферном давлении Р₁, что соответствует точке (О) термодинамического цикла.The third cycle - the inlet of a new portion of atmospheric air and the exhaust gas is released by independent movement of the inlet piston 7 with the rod 8 under the influence of the potential energy of the spring 12, which begins to straighten as soon as the pressure P ₁ ^l in the cylinder drops to atmospheric P ₁ . In this case, the piston 5 is located near the BDC and the free volume of the cylinder V ₂ ^{l is} slightly larger than the working volume V ₂ by the value of the intrinsic volume of the tubular rod 8 located outside the cylinder 1. As soon as the inlet piston 7 moves away from the cover 10 and closes its lower edge with its lateral surface the side cavity of the combustion chamber 2, there will be a bifurcation of the working volume of the cylinder into two parts. The lower part of this volume between the pistons 5 and 7 will monotonously decrease from the point (O ^l ) to zero at a pressure P ₁ close to atmospheric, ensuring the release of gases contained in it, and the upper part of the volume enclosed between the cover 10 and the inlet piston 7, on the contrary, it increases from zero to V _about at atmospheric pressure P ₁ , which corresponds to the point (O) of the thermodynamic cycle.

Дальнейшее движение впускного поршня 7 до момента (I^l) открытия впускного окна 9 сопровождается разрежением верхней части рабочего объема до давления Р_о, которое значительно ниже атмосферного Р₁. Поэтому после открытия впускного окна 9 трубчатым штоком 8 происходит быстрое наполнение этого объема чистым воздухом при атмосферном давлении Р₁, которое продолжается до момента (IV^l) встречи обоих поршней 5 и 7 в НМТ. При этом остаточная энергия удара пружины 12 демпфируется упругой мембранной оболочкой впускного поршня 7, что обеспечивает апериодический возврат устройства в исходное состояние (О^l) и замыкание термодинамического цикла, который кроме петли (IV^l - I-II-III^l-IV-IV^l) полезной работы (+) имеет петлю (О-I^l-I-О) отрицательной работы (-), затраченной пружиной 12 на прокачку цилиндра 1.Further movement of the intake piston 7 until the moment (I ^l ) of opening the intake window 9 is accompanied by a rarefaction of the upper part of the working volume to a pressure P _about , which is much lower than atmospheric P ₁ . Therefore, after opening the inlet window 9 with a tubular rod 8, this volume is rapidly filled with clean air at atmospheric pressure P ₁ , which continues until (IV ^l ) the meeting of both pistons 5 and 7 in the BDC. In this case, the residual impact energy of the spring 12 is damped by the elastic membrane shell of the intake piston 7, which ensures an aperiodic return of the device to its initial state (О ^l ) and closure of the thermodynamic cycle, which, in addition to the loop (IV ^l - I-II-III ^l -IV-IV ^l ) useful work (+) has a loop (О-I ^l -I-О) of negative work (-) spent by spring 12 on pumping cylinder 1.

При подключении искровой свечи зажигания 4 предлагаемый двигатель может работать и по циклу Отто с продолженным расширением на более легком или газообразном топливе как с внешним карбюратором, так и с внутренним впрыском топлива через форсунку 3, которая дополнительно снабжается автоматически обратным клапаном и подключается к топливопроводу низкого давления, поддерживаемого на уровне атмосферного, например, при помощи обычной поплавковой камеры. В этом случае впрыск топлива, в частности бензина, происходит автоматически на фазе разрежения (О-I^l) такта впуска-выпуска, а его сгорание в отличие от рассмотренного цикла Дизеля происходит по изохорде (II-III) в ВМТ до давления Р₃ с последующим расширением по адиабате (III-IV) и чередованием остальных этапов термодинамического цикла (фиг. 3) и круговой диаграммы (фиг. 2), которая имеет различные углы открытия и закрытия впускного 9 и выпускного 6 окон, так как они по своему зависят от несимметричных движений впускного 7 и выпускного 5 поршней.When a spark plug 4 is connected, the proposed engine can also operate according to the Otto cycle with continued expansion on lighter or gaseous fuels, both with an external carburetor and with internal fuel injection through an injector 3, which is additionally automatically equipped with a check valve and is connected to the low pressure fuel line maintained at atmospheric level, for example, using a conventional float chamber. In this case, the injection of fuel, in particular gasoline, occurs automatically at the rarefaction phase (O-I ^l ) of the intake-exhaust cycle, and its combustion, in contrast to the considered Diesel cycle, takes place along the isochord (II-III) in TDC to a pressure of P ₃ s subsequent expansion along the adiabat (III-IV) and the alternation of the remaining stages of the thermodynamic cycle (Fig. 3) and a pie chart (Fig. 2), which has different opening and closing angles of the inlet 9 and outlet 6 windows, since they depend on their own asymmetric movements of intake 7 and exhaust 5 pistons.

Таким образом, предлагаемый трехтактный двигатель обеспечивает практически такой же автономный цикл высококачественного впуска-выпуска рабочей смеси, так и четырехтактный двигатель, с отдельными тактами впуска и выпуска и степенью расширения, превышающей степень сжатия при наличии рабочих тактов сжатия и расширения на каждом обороте коленвала как у двухтактных двигателей, но с ощутимым снижением на 30% по сравнению с продувкой расходом топлива и масла, циркулирующего лишь в картере двигателя, что резко улучшает его экономичность и экологичность. Кроме того, несложные конструктивные отличия предлагаемого двигателя касаются лишь деталей цилиндра и его крышки, поэтому возможно простое конвертирование существующих двух- и четырехтактных двигателей в трехтактные с соответствующим повышением удельной мощности и расширением функциональных возможностей газораспределения даже по отношению к базовому варианту двухтактного двигателя внутреннего сгорания с осевой продувкой. (56) Патент Германии N 243254, кл. 46 a⁴ 10, 1910. Thus, the proposed three-stroke engine provides almost the same autonomous cycle of high-quality intake-exhaust of the working mixture, as well as a four-stroke engine, with separate intake and exhaust strokes and a degree of expansion exceeding the compression ratio in the presence of working compression and expansion strokes at each crankshaft revolution as two-stroke engines, but with a noticeable reduction of 30% compared with purging with the consumption of fuel and oil circulating only in the crankcase, which dramatically improves its efficiency and environmental ogichnost. In addition, the simple structural differences of the proposed engine concern only cylinder parts and its covers, so it is possible to easily convert existing two- and four-stroke engines into three-stroke ones with a corresponding increase in specific power and expansion of gas distribution functionality even in relation to the basic version of a two-stroke internal combustion engine with axial blowing. (56) German Patent N 243254, cl. 46 a ⁴ 10, 1910.

Claims

1. INTERNAL COMBUSTION ENGINE, comprising a cylinder with a side combustion chamber, inlet and outlet windows, the first of which is made in the cylinder head, and the second in the lower part of the cylinder wall, with a working piston kinematically connected to the crankshaft, and an opposed inlet piston having upper and lower bottoms and a rod rigidly connected to the upper bottom, the length of which is proportional to the diameter of the crank, made with the possibility of movement in the guide cavity located in the cylinder head, characterized in that, with the goal increase efficiency, guiding cavity communicated with the inlet port, the inlet of the piston rod is hollow and mounted to periodically enter the guide cavity by a return spring mounted in the cavity of the stem and the guide cavity, the inlet piston is a thickness not exceeding the axial dimension of the side of the combustion chamber.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the inlet piston bottoms are made in the form of membranes of heat-resistant material.