RU2035599C1

RU2035599C1 - Internal combustion engine with phase shifting of operation cycle

Info

Publication number: RU2035599C1
Application number: SU894760166A
Authority: RU
Inventors: Юрий Каликстович Таранд; Сергей Михайлович Русаков
Original assignee: Юрий Каликстович Таранд; Сергей Михайлович Русаков
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: engine has cylinder, working and auxiliary pistons received in the cylinder, spark plug, inlet and outlet valves mounted in the wall of the cylinder, transmitting members coupled with the crankshaft, additional shaft connected to one of the transmitting members, cam coupled with one of the ends of the additional shaft, returning spring, and stop with a rod connected to the auxiliary piston. One of the ends of the spring is connected to the stop which is in contact with the cam. The working piston is coupled with the crankshaft through a crank mechanism. The gear ratio of the transmitting members is 1. Power hydraulic cylinder with a rod and oil distributor, which affords movement of the rod of the power hydraulic cylinder, can drive the auxiliary piston. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобильной промышленности и на транспорте. The invention relates to the field of engine manufacturing and can be used in the automotive industry and in transport.

Известен двигатель, содержащий цилиндр с поршнем, систему газораспределения, систему зажигания, коленчатый вал с маховиком, причем коленчатый вал соединен с поршнем через шатун, система газораспределения соединена с коленчатым валом посредством передаточных элементов в виде зубчатых колес или цепи. A known engine comprising a cylinder with a piston, a gas distribution system, an ignition system, a crankshaft with a flywheel, the crankshaft being connected to the piston through a connecting rod, the gas distribution system is connected to the crankshaft via gear elements in the form of gears or a chain.

Этому двигателю присущи такие недостатки, как низкий крутящий момент и большие динамические нагрузки на подшипники коленчатого вала вследствие того, что максимальное давление рабочего процесса приходится на малые углы поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя, равные 10-14^о, от верхней мертвой точки (ВМТ), где сила, создающая крутящий момент, невелика по отношению к силе, действующей нормально на коленчатый вал двигателя и приводящей к значительным потерям мощности и износу подшипников коленчатого вала. К недостаткам следует отнести необходимость использования дорогостоящего высокооктанового топлива для повышения мощности двигателя за счет увеличения степени сжатия и ухудшение массогабаритных характеристик двигателя при повышении крутящего момента двигателя за счет увеличения длины кривошипа коленчатого вала.This engine is characterized by such disadvantages as low torque and high dynamic loads on the crankshaft bearings due to the fact that the maximum pressure of the working process falls on the small angles of rotation of the crankshaft (PCV) of the engine, equal to 10-14 ^о , from the top dead center (TDC) ), where the torque generating force is small with respect to the force acting normally on the crankshaft of the engine and leading to significant power losses and wear of the crankshaft bearings. The disadvantages include the need to use expensive high-octane fuel to increase engine power by increasing the compression ratio and the deterioration of the overall dimensions of the engine with increasing engine torque by increasing the length of the crankshaft crank.

Известен двигатель с противофазно движущимися поршнями, причем каждый поршень имеет свой коленчатый вал, с которым соединен через шатун, коленчатые валы через систему зубчатых колес соединены с выходным валом двигателя и системой газораспределения. A known engine with out-of-phase moving pistons, each piston having its own crankshaft, to which it is connected via a connecting rod, crankshafts through a system of gear wheels are connected to the output shaft of the engine and the gas distribution system.

По сравнению с однопоршневой такая конструкция обеспечивает повышение мощности, но она имеет те же недостатки, что и однопоршневая конструкция. Основным недостатком является низкое значение силы, создающей крутящий момент, по отношению к силе, вызывающей динамические нагрузки на валу двигателя и увеличивающей потери мощности на трение и износ при углах ПКВ вблизи ВМТ, где давление и температура рабочего процесса имеют максимальные значения. Compared to a single-piston, this design provides increased power, but it has the same drawbacks as a single-piston design. The main disadvantage is the low value of the force that creates the torque in relation to the force that causes dynamic loads on the motor shaft and increases the friction and wear power loss at the PCV angles near TDC, where the pressure and temperature of the working process have maximum values.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому двигателю является двигатель внутреннего сгорания с усовершенствованным процессом горения, содержащий цилиндр с основным и вспомогательным поршнями с впускным и выпускным клапанами, свечой зажигания, рычажную систему передачи движения вспомогательному поршню от толкателя, возвратную пружину, установленную между упором и толкателем, который через подшипник качения упирается в кулачок, соединенный посредством механической передачи с коленчатым валом двигателя. The closest in technical essence to the proposed engine is an internal combustion engine with an improved combustion process, comprising a cylinder with a main and auxiliary pistons with intake and exhaust valves, an spark plug, a lever system for transmitting movement to the auxiliary piston from the pusher, a return spring installed between the stop and the pusher which, through a rolling bearing, abuts against a cam connected by means of a mechanical transmission to the crankshaft of the engine.

Цель этого изобретения заключается в осуществлении рабочего процесса в ДВС после ВМТ без потери степени сжатия и мощности. The purpose of this invention is the implementation of the working process in the internal combustion engine after TDC without loss of compression ratio and power.

Поджиг рабочей смеси осуществляется при угле ПКВ 34^о после ВМТ основного поршня, причем вспомогательный поршень не двигается и находится в своей нижней мертвой точке (НМТ). Профиль кулачка управления вспомогательным поршнем обеспечивает нахождение вспомогательного поршня в НМТ в течение 43^о поворота своего вспомогательного вала после момента поджига.The ignition of the working mixture is carried out at an angle of PKV 34 ^about after the top dead center piston, and the auxiliary piston does not move and is located at its bottom dead center (BDC). The profile of the auxiliary piston control cam ensures that the auxiliary piston is located in the BDC for 43 ^° rotation of its auxiliary shaft after the moment of ignition.

Основные недостатки этого двигателя заключаются в следующем. В начале рабочего процесса при угле ПКВ 34^о от ВМТ основного поршня вспомогательный поршень находится в НМТ и происходит поджиг смеси. При этом скорость движения основного поршня в 2-2,5 раза больше, чем при угле ПКВ 3-7^о до ВМТ в обычном по конструкции двигателе, что определяется законом движения кривошипно-шатунного механизма. Коэффициент передачи движения от рабочего поршня к вспомогательному, который в данном двигателе принят равным 0,5, и большая скорость движения основного поршня приводят к значительной скорости увеличения объема камеры сгорания. Действие этого фактора совместно с тем, что процесс горения топливной смеси не происходит мгновенно, определяет рабочий процесс, в котором ухудшены условия как начальной фазы горения топлива, так и периода основного горения. Поэтому в рассматриваемом двигателе будут снижены максимальное и среднее эффективное давление и, как следствие, упадет эффективность работы по сравнению с двигателем обычной конструкции.The main disadvantages of this engine are as follows. At the beginning of the workflow at an angle of ^about 34 PKV main piston from TDC auxiliary piston is at BDC occurs and ignition of the mixture. The velocity of the main piston motion is 2-2.5 times greater than at an angle of ^about 3-7 PCI before TDC in the conventional structure of the engine, which is determined by the law of motion of the crank mechanism. The transmission coefficient of motion from the working piston to the auxiliary one, which in this engine is assumed to be 0.5, and the high speed of the main piston, lead to a significant rate of increase in the volume of the combustion chamber. The action of this factor, together with the fact that the combustion process of the fuel mixture does not occur instantly, determines the working process in which the conditions of both the initial phase of the combustion of the fuel and the period of the main combustion are worsened. Therefore, in the engine in question, the maximum and average effective pressure will be reduced and, as a result, the operating efficiency will drop compared to a conventional engine.

Цель изобретения заключается в повышении эффективности работы двигателя при осуществлении рабочего процесса после ВМТ рабочего поршня. Положительный эффект заключается в значительном увеличении крутящего момента на валу двигателя по сравнению с двигателем обычной конструкции при одинаковом рабочем объеме. В предлагаемом двигателе возможно повысить степень сжатия до максимальной возможной для конкретного типа топлива. Кроме того, обеспечивается "мягкая" работа двигателя и улучшается его пуск. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the engine during the workflow after the TDC of the working piston. The positive effect is a significant increase in torque on the motor shaft compared to a conventional engine with the same displacement. In the proposed engine, it is possible to increase the compression ratio to the maximum possible for a particular type of fuel. In addition, "soft" operation of the engine is ensured and its start-up is improved.

Сущность изобретения состоит в смещении рабочего процесса на участок движения рабочего поршня после его ВМТ с помощью вспомогательного поршня, движение которого происходит таким образом, что процесс горения топлива осуществляется при постоянном объеме. Это достигается за счет профиля кулачка и коэффициентом передачи движения от рабочего поршня к вспомогательному, равным единице. За счет этого повышается эффективность работы двигателя по сравнению с прототипом. The essence of the invention consists in the displacement of the working process to the area of movement of the working piston after its top dead center using an auxiliary piston, the movement of which occurs in such a way that the fuel combustion process is carried out at a constant volume. This is achieved due to the cam profile and the transmission coefficient of motion from the working piston to the auxiliary, equal to one. Due to this, increases the efficiency of the engine compared to the prototype.

К отличительным от прототипа признакам относятся следующие: передаточные элементы привода вспомогательного поршня выполнены с коэффициентом передачи, равным единице, двигатель дополнительно содержит силовой гидроцилиндр со штоком и маслораспределитель, а последний выполнен с возможностью перемещения штока силового гидроцилиндра. The distinctive features of the prototype include the following: transmission elements of the auxiliary piston drive are made with a transmission coefficient equal to unity, the engine additionally contains a power hydraulic cylinder with a rod and an oil distributor, and the latter is made with the possibility of moving the power hydraulic cylinder rod.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы двигателя с приводом вспомогательного поршня от кулачка и с помощью гидравлического привода; на фиг. 3 и 4 диаграммы движения рабочего и вспомогательного поршней. In FIG. 1 and 2 are engine diagrams with an auxiliary piston drive from a cam and a hydraulic drive; in FIG. 3 and 4 diagrams of the movement of the working and auxiliary pistons.

Двигатель (фиг. 1) содержит цилиндр 1 с размещенными в нем рабочим 2 и вспомогательным 3 поршнями, свечу зажигания 4, впускной клапан 5, выпускные клапаны 6, установленные в стенке цилиндра передаточные элементы зубчатые колеса 7 и 8, цепь 9 с коэффициентом передачи, равным единице, связанные с коленчатым валом 10, дополнительный вал 11, соединенный с зубчатым колесом 7, кулачок 12, присоединенный к дополнительному валу 11, возвратную пружину 13 и упор 14 со штоком 15, соединенный со вспомогательным поршнем 3, причем один из концов пружины 13 связан с упором 14, контактирующим с кулачком 12, а рабочий поршень 2 соединен с коленчатым валом 10 посредством кривошипно-шатунного механизма 16. The engine (Fig. 1) contains a cylinder 1 with a working piston 2 and an auxiliary 3 pistons, an spark plug 4, an intake valve 5, exhaust valves 6, gear elements 7 and 8 installed in the cylinder wall, a chain 9 with a gear ratio, equal to unity associated with the crankshaft 10, the additional shaft 11 connected to the gear 7, the cam 12 connected to the additional shaft 11, the return spring 13 and the stop 14 with the rod 15 connected to the auxiliary piston 3, one of the ends of the spring 13 linked to focus 1 4 in contact with the cam 12, and the working piston 2 is connected to the crankshaft 10 by means of a crank mechanism 16.

В случае использования гидравлического привода вспомогательного поршня двигатель (фиг. 2) содержит силовой гидроцилиндр 17 со штоком 15, соединенным со вспомогательным поршнем 3, маслораспределитель 18, соединенный каналами с камерами силового гидроцилиндра 17, возвратную пружину 13, соединенную одним концом с маслораспределителем 18, а другим с упором 14 со штоком 19, кулачок 12, контактирующий с упором 14, зубчатое колесо 7, соединенное посредством дополнительного вала 11 с кулачком 12. Привод зубчатого колеса 7 осуществляется так же, как и на фиг. 1. Коэффициент передачи также равен единице. In the case of using a hydraulic drive of the auxiliary piston, the engine (Fig. 2) comprises a power hydraulic cylinder 17 with a rod 15 connected to the auxiliary piston 3, an oil distributor 18 connected by channels to the chambers of the power hydraulic cylinder 17, a return spring 13 connected at one end to the oil distributor 18, and another with a stop 14 with a rod 19, a cam 12 in contact with the stop 14, a gear 7 connected by an additional shaft 11 to the cam 12. The gear 7 is driven in the same way as in FIG. 1. The gear ratio is also equal to one.

Такты работы двигателя и диаграммы движения рабочего и вспомогательного поршней представлены на фиг. 3. В начале такта впуска оба поршня находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Вспомогательный поршень 3 находится в своей НМТ, а рабочий поршень 2 ниже на 60-70^о своей ВМТ.The engine cycles and the motion diagrams of the working and auxiliary pistons are shown in FIG. 3. At the beginning of the intake stroke, both pistons are at a minimum distance from each other. Auxiliary piston 3 is located in its BDC, and the working piston 2 is lower by 60-70 ^about its TDC.

При движении рабочего поршня 2 вниз открывается впускной клапан 5 и рабочая смесь поступает из карбюратора в цилиндр. Впуск продолжается до НМТ рабочего поршня 2. Затем начинается процесс сжатия. Рабочий поршень 2 и вспомогательный поршень 3 двигаются вверх. При угле ПКВ 300^о вспомогательный поршень 3 достигает свою ВМТ, рабочий поршень 2 продолжает движение до своей ВМТ. При угле ПКВ 360^о рабочий поршень 2 находится в своей ВМТ вспомогательный поршень 3 в своей ВМТ. Расстояние в этот момент между поршнями определяется расчетной или немного меньшей степенью сжатия для определенного вида топлива. Затем поршни двигаются вниз, причем скорость движения вспомогательного поршня 3 возрастает по отношению к скорости движения рабочего поршня 2. При угле ПКВ 60-70^о вспомогательный поршень 3 приходит в свою НМТ. В этот момент расстояние между поршнями минимальное и определяется максимальной степенью сжатия для определенного вида топлива. Поджиг рабочей смеси осуществляется за 10-15^о ПКВ до указанного момента. При этом, хотя и велика скорость движения поршней относительно стенок цилиндра, не происходит, в отличие от прототипа, резкого изменения объема камеры сгорания, уменьшения времени и ухудшения условий начальной фазы горения топлива. Максимальное давление в камере сгорания возникает при угле ПКВ, равном 70^о, когда плечо, на которое действует тангенциально направленная сила, приложенная к кривошипу, имеет максимальную величину. После этого угла ПКВ начинается рабочий ход. Рабочий поршень 2 движется вниз, а вспомогательный поршень 3 находится в своей НМТ. При угле ПКВ 180^о вспомогательный поршень 3 начинает двигаться вверх, после указанного угла ПКВ открываются выпускные клапаны 6 и начинается такт выпуска.When the working piston 2 moves down, the intake valve 5 opens and the working mixture flows from the carburetor into the cylinder. The inlet continues to the BDC of the working piston 2. Then, the compression process begins. The working piston 2 and the auxiliary piston 3 move up. At an angle of PKV 300 °, ^the auxiliary piston 3 reaches its TDC, the working piston 2 continues to move to its TDC. At an angle of PKV 360 °, ^the working piston 2 is located in its TDC and the auxiliary piston 3 in its TDC. The distance between the pistons at this moment is determined by the calculated or slightly lower compression ratio for a certain type of fuel. Then the pistons move downward, and the speed of the auxiliary piston 3 increases with respect to the speed of the working piston 2. At an angle of 60–70 ° PKV, ^the auxiliary piston 3 enters its BDC. At this moment, the distance between the pistons is minimal and is determined by the maximum compression ratio for a certain type of fuel. The ignition of the working mixture is carried out for 10-15 ^about PKV to the specified point. In this case, although the speed of movement of the pistons relative to the walls of the cylinder is great, unlike the prototype, a sharp change in the volume of the combustion chamber does not occur, the time is reduced, and the conditions of the initial phase of fuel combustion deteriorate. The maximum pressure in the combustion chamber occurs at an angle PCI equal to ^about 70 when shoulder on which acts tangentially directed force applied to the crank, it has a maximum value. After this angle, the PCV begins the stroke. The working piston 2 moves down, and the auxiliary piston 3 is located in its BDC. At an angle of PKV 180 °, ^the auxiliary piston 3 starts to move upward, after the specified angle of the PKV, the exhaust valves 6 open and the exhaust stroke begins.

Claims

1. INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH PHASE DISPLACEMENT OF THE WORKING CYCLE, comprising a cylinder with a working and auxiliary pistons placed in it, a spark plug, intake and exhaust valves installed in the cylinder wall, transmission elements associated with the crankshaft, an additional shaft connected to one of transmission elements, a cam attached to one of the ends of the additional shaft, a return spring and a stop with a rod connected to the auxiliary piston, one of the ends of the spring being connected to the stop, contact uyuschim with the cam, and a working piston connected to a crankshaft via a crank mechanism, characterized in that, in order to increase efficiency, transmission elements configured to transfer coefficient equal to 1.

2. The engine according to claim 1, characterized in that it further comprises a power hydraulic cylinder with a rod and an oil distributor, wherein the power hydraulic cylinder is connected to an auxiliary piston, the cam is configured to control the operation of the oil distributor, and the latter is capable of moving the rod of the power hydraulic cylinder.