RU2744797C1 - Two-stroke two-piston internal combustion engine - Google Patents
Two-stroke two-piston internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744797C1 RU2744797C1 RU2020130198A RU2020130198A RU2744797C1 RU 2744797 C1 RU2744797 C1 RU 2744797C1 RU 2020130198 A RU2020130198 A RU 2020130198A RU 2020130198 A RU2020130198 A RU 2020130198A RU 2744797 C1 RU2744797 C1 RU 2744797C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piston
- pistons
- connecting rod
- internal combustion
- combustion engine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
- F01B1/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
- F01B1/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders all in one line
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
- F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
- F02B25/12—Engines with U-shaped cylinders, having ports in each arm
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
- F02B75/18—Multi-cylinder engines
- F02B75/20—Multi-cylinder engines with cylinders all in one line
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
- F16J1/10—Connection to driving members
- F16J1/14—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections
- F16J1/16—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with gudgeon-pin; Gudgeon-pins
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к устройству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to engine building, in particular, to a device for reciprocating internal combustion engines (ICE).
Уровень техникиState of the art
В двигателестроении известны конструкции ДВС, в частности поршневых, в которых осуществляются процессы впуска воздушного заряда, сжатия, расширения (рабочий ход), выпуска отработавших газов. И только рабочий ход имеет отношение к преобразованию химической энергии топлива, в результате его окисления (сгорания), в полезную работу. Перспективными направлениями развития поршневых двигателей считают широкое применение электронных средств управления таким параметром как ход поршня, в.результате чего обеспечивается оптимальная по экономичности степень сжатия при работе двигателя на любом режиме [1].In engine building, ICE designs are known, in particular piston ones, in which the processes of air charge intake, compression, expansion (stroke), and exhaust gas discharge are carried out. And only the working stroke is related to the transformation of the chemical energy of the fuel, as a result of its oxidation (combustion), into useful work. The widespread use of electronic controls for such a parameter as the piston stroke is considered to be promising directions in the development of piston engines, as a result of which the compression ratio that is optimal in terms of economy is provided when the engine is operating in any mode [1].
Доминирующей тенденцией в автомобильном двигателестроении является улучшение массо-габаритных показателей ДВС за счет их форсирования с использованием регулируемого турбонаддува. Такой подход позволяет уменьшать количество цилиндров и/или их размерность и носит название «downsizing». Значительные преимущества перед четырехтактными ДВС по массо-габаритным показателям имеют двухтактные ДВС, и в частности двигатели с прямоточной продувкой: с противоположно движущимися поршнями (ПДП) и двухпоршневые U-типа («uniflow engine») [2].The dominant trend in the automotive engine building is the improvement of the mass and dimensions of the internal combustion engine due to their forcing with the use of controlled turbocharging. This approach allows you to reduce the number of cylinders and / or their dimensions and is called "downsizing". Two-stroke internal combustion engines have significant advantages over four-stroke internal combustion engines in terms of weight and dimensions, and in particular engines with direct-flow blowdown: with oppositely moving pistons (PDP) and two-piston U-type ("uniflow engines") [2].
Известен также двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания и способ его работы [3]. В указанном ДВС с ПДП для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала применен механизм с 2 (двумя) степенями свободы, что позволяет реализовать способ работы, при котором поршни перемещают при отсутствии жесткой кинематической связи с положением коленчатого вала и тем самым создают условия для возникновения автоколебаний поршней, которые не передают непосредственно на коленчатый вал, но генерируют дополнительные потоки кинетической энергии, циркулирующие в подвижных звеньях механизма преобразования движения поршней.Also known is a two-stroke piston internal combustion engine and its method of operation [3]. In the specified ICE with PDP, a mechanism with 2 (two) degrees of freedom is used to convert the reciprocating movement of the pistons into the rotational movement of the crankshaft, which makes it possible to implement a method of operation in which the pistons move in the absence of a rigid kinematic connection with the position of the crankshaft and thereby create conditions for the occurrence of self-oscillations of the pistons, which are not transmitted directly to the crankshaft, but generate additional flows of kinetic energy circulating in the moving links of the piston motion conversion mechanism.
Компоновка и габариты ДВС с ПДП не всегда согласуются с требованиями транспортных средств, приводом которых они являются. Поэтому целесообразно перенести принципы и способ работы ДВС [3] на двигатели с прямоточной продувкой, но с традиционной компоновкой цилиндров (рядом стоящих) как в ДВС U-типа («split-single engine») [4], у которых один цилиндр «расщеплен» на два с общей камерой сгорания.The layout and dimensions of an internal combustion engine with a RAP do not always comply with the requirements of the vehicles they are driving. Therefore, it is advisable to transfer the principles and method of operation of the internal combustion engine [3] to engines with direct-flow blowdown, but with a traditional arrangement of cylinders (adjacent to each other) as in a U-type internal combustion engine (“split-single engine”) [4], in which one cylinder is “split »For two with a common combustion chamber.
Двигатели указанного типа при наличии двух цилиндров (впускного и выпускного) и одного общего коленчатого вала различаются способами передачи усилия со стороны поршней на кривошип коленчатого вала:Engines of this type, with two cylinders (intake and exhaust) and one common crankshaft, differ in the ways of transferring force from the pistons to the crankshaft crank:
а) через два шатуна и два кривошипа с угловым смещением;a) through two connecting rods and two cranks with angular displacement;
б) через главный и прицепной шатун и общий кривошип;b) through the main and trailed connecting rod and a common crank;
в) через вильчатый шатун и общий кривошип.c) through a forked connecting rod and a common crank.
Известен двухтактный ДВС [5], у которого шатуны находятся на общем кривошипе, а смещение фаз выпуска-впуска достигается смещением осей цилиндров относительно плоскости, проходящей через ось вращения коленчатого вала. Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом поворота коленчатого вала (п.к.в.) и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.Known two-stroke internal combustion engine [5], in which the connecting rods are on a common crank, and the displacement of the exhaust-intake phases is achieved by displacement of the axes of the cylinders relative to the plane passing through the axis of rotation of the crankshaft. The specified engine is a mechanism with the 1st (one) degree of freedom, which means the presence of a rigid connection between the angle of rotation of the crankshaft (r.c.v.) and the position of each of the pistons and the absence of the possibility of influencing the working process.
Известен двухтактный ДВС [6], у которого шатуны находятся на общем кривошипе, а смещение фаз выпуска-впуска достигается различной длиной выпускного и впускного шатунов. Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.Known two-stroke internal combustion engine [6], in which the connecting rods are on a common crank, and the displacement of the exhaust-intake phases is achieved by different lengths of the exhaust and intake connecting rods. The specified engine is a mechanism with the 1st (one) degree of freedom, which means the presence of a rigid connection between the SCC angle. and the position of each of the pistons and the lack of the possibility of influencing the working process.
Известен двухтактный ДВС [7], у которого один главный шатун (выпускной) и один прицепной (впускной). Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.Known two-stroke internal combustion engine [7], which has one main connecting rod (outlet) and one trailed (inlet). The specified engine is a mechanism with the 1st (one) degree of freedom, which means the presence of a rigid connection between the SCC angle. and the position of each of the pistons and the lack of the possibility of influencing the working process.
Известен двухтактный ДВС [8], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом оба поршня являются выпускными, т.к. в двигателе реализована прямоточная клапанно-щелевая продувка. Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.Known two-stroke internal combustion engine [8], in which the pistons are connected to the crank by a forked connecting rod, while both pistons are exhaust, because the engine is equipped with a single-flow valve-slotted purge. The specified engine is a mechanism with the 1st (one) degree of freedom, which means the presence of a rigid connection between the SCC angle. and the position of each of the pistons and the lack of the possibility of influencing the working process.
Известен двухтактный двухпоршневой ДВС [9], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом не оговаривается, что поршни имеют различную конструкцию поршневых пальцев. Применительно к двухпоршневому ДВС с вильчатым шатуном в [2] утверждается: «Для возможности бокового перемещения поршневой головки шатуна один из двухпоршневых пальцев имеет специальную конструкцию». Легко показать, что заявленная в [9] конструктивная схема двигателя имеет 0-ю (нулевую) степень свободы, а значит предлагаемый ДВС не является механизмом.Known two-stroke two-piston internal combustion engine [9], in which the pistons are connected to the crank by a forked connecting rod, it is not stipulated that the pistons have a different design of the piston pins. With regard to a two-piston internal combustion engine with a forked connecting rod, [2] states: "For the possibility of lateral movement of the piston head of the connecting rod, one of the two-piston pins has a special design." It is easy to show that the design of the engine declared in [9] has a 0-th (zero) degree of freedom, which means that the proposed ICE is not a mechanism.
Известен двухтактный ДВС [10], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном по форме аналогичным шатуну из [9] , при этом утверждается, что для обеспечения работоспособности механизма расстояние между центрами поршневых головок V-образного (вильчатого) шатуна должно быть переменным, а сами стержни шатуна должны быть гибкими. Усталостная прочность такого шатуна должна быть очень высокой (неограниченной), однако предлагается выполнить шатун из алюминия, что делает работоспособность жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.Known two-stroke internal combustion engine [10], in which the pistons are connected to the crank by a forked connecting rod in a shape similar to the connecting rod from [9], while it is argued that to ensure the operability of the mechanism, the distance between the centers of the piston heads of the V-shaped (forked) connecting rod must be variable, and the connecting rod rods themselves must be flexible. The fatigue strength of such a connecting rod should be very high (unlimited), however, it is proposed to make a connecting rod made of aluminum, which makes the performance of a rigid connection between the r.s.c. angle. and the position of each of the pistons and the lack of the possibility of influencing the working process.
Известен двухтактный ДВС [7], у которого один главный шатун (выпускной) и один прицепной (впускной). Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.Known two-stroke internal combustion engine [7], which has one main connecting rod (outlet) and one trailed (inlet). The specified engine is a mechanism with the 1st (one) degree of freedom, which means the presence of a rigid connection between the SCC angle. and the position of each of the pistons and the lack of the possibility of influencing the working process.
Известен двухтактный ДВС [8], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом оба поршня являются выпускными, т.к. в двигателе реализована прямоточная клапанно-щелевая продувка. Указанный двигатель представляет собой механизм с 1-й (одной) степенью свободы, что означает наличие жесткой связи между углом п.к.в. и положением каждого из поршней и отсутствие возможности воздействия на рабочий процесс.Known two-stroke internal combustion engine [8], in which the pistons are connected to the crank by a forked connecting rod, while both pistons are exhaust, because the engine is equipped with a single-flow valve-slotted purge. The specified engine is a mechanism with the 1st (one) degree of freedom, which means the presence of a rigid connection between the SCC angle. and the position of each of the pistons and the lack of the possibility of influencing the working process.
Известен двухтактный двухпоршневой ДВС [9], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном, при этом не оговаривается, что поршни имеют различную конструкцию поршневых пальцев. Применительно к двухпоршневому ДВС с вильчатым шатуном в [2] утверждается: «Для возможности бокового перемещения поршневой головки шатуна один из двухпоршневых пальцев имеет специальную конструкцию». Легко показать, что заявленная в [9] конструктивная схема двигателя имеет 0-ю (нулевую) степень свободы, а значит предлагаемый ДВС не является механизмом.Known two-stroke two-piston internal combustion engine [9], in which the pistons are connected to the crank by a forked connecting rod, it is not stipulated that the pistons have a different design of the piston pins. With regard to a two-piston internal combustion engine with a forked connecting rod, [2] states: "For the possibility of lateral movement of the piston head of the connecting rod, one of the two-piston pins has a special design." It is easy to show that the design of the engine declared in [9] has a 0-th (zero) degree of freedom, which means that the proposed ICE is not a mechanism.
Известен двухтактный ДВС [10], у которого поршни связаны с кривошипом вильчатым шатуном по форме аналогичным шатуну из [9] , при этом утверждается, что для обеспечения работоспособности механизма расстояние между центрами поршневых головок V-образного (вильчатого) шатуна должно быть переменным, а сами стержни шатуна должны быть гибкими. Усталостная прочность такого шатуна должна быть очень высокой (неограниченной), однако предлагается выполнить шатун из алюминия, что делает работоспособностьKnown two-stroke internal combustion engine [10], in which the pistons are connected to the crank by a forked connecting rod in a shape similar to the connecting rod from [9], while it is argued that to ensure the operability of the mechanism, the distance between the centers of the piston heads of the V-shaped (forked) connecting rod must be variable, and the connecting rod rods themselves must be flexible. The fatigue strength of such a connecting rod should be very high (unlimited), however, it is proposed to make the connecting rod from aluminum, which makes the performance
р5 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.p 5 - the number of single-moving kinematic pairs of the 5th class.
Схема такого механизма прототипа представлена на Фиг. 1а. Неподвижные элементы: опора 0, блок цилиндров (БЦ) 3, головка цилиндров (ГЦ) 4. Подвижные звенья: кривошип 1, шатун 2, поршень 5, поршень 6. Кинематические пары 5-го класса: пара трения гильза-поршень - две, шарниров - четыре.A diagram of such a prototype mechanism is shown in FIG. 1a. Fixed elements: support 0, cylinder block (BC) 3, cylinder head (GC) 4. Moving links:
n=4 - число подвижных звеньев;n = 4 is the number of moving links;
р5=6 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.p 5 = 6 - the number of one-way kinematic pairs of the 5th class.
w=3*4-2*6=0w = 3 * 4 - 2 * 6 = 0
Данный результат соответствует ситуации с ДВС из [9].This result corresponds to the situation with the internal combustion engine from [9].
Для того, чтобы отразить фактор гибкости стержней шатуна у ДВС прототипа достаточно внести в схему фиктивное (растяжимое) звено и дополнительный шарнир.In order to reflect the flexibility factor of the connecting rod rods in the ICE of the prototype, it is enough to add a fictitious (extensible) link and an additional hinge to the scheme.
На Фиг. 1б показана замена левого стержня шатуна на комбинацию из двух звеньев - изогнутого основного и фиктивного:FIG. 1b shows the replacement of the left rod of the connecting rod with a combination of two links - a curved main and a fictitious one:
n=4+1 - число подвижных звеньев;n = 4 + 1 is the number of moving links;
р5=6+1 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.p 5 = 6 + 1 - the number of one-way kinematic pairs of the 5th class.
w=3*5-2*7=1w = 3 * 5 - 2 * 7 = 1
Таким образом прототип является механизмом с 1-й (одной) степенью свободы.Thus, the prototype is a mechanism with the 1st (one) degree of freedom.
На Фиг. 1в показана возможность модификации схемы «б» с целью изменения числа степеней свободы механизма до 2 (двух). Для этого вводятся звенья 7 и 8 (имея ввиду, что это могут быть эксцентрики) с длиной равной эксцентриситету е и два шарнира.FIG. 1c shows the possibility of modifying the scheme "b" in order to change the number of degrees of freedom of the mechanism to 2 (two). For this, links 7 and 8 are introduced (bearing in mind that these can be eccentrics) with a length equal to the eccentricity e and two hinges.
n=4+2 - число подвижных звеньев;n = 4 + 2 is the number of moving links;
р5=6+2 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса.p 5 = 6 + 2 - the number of one-way kinematic pairs of the 5th class.
w=3*6-2*8=2w = 3 * 6 - 2 * 8 = 2
Число степеней свободы плоского механизма по схеме «в» равно 2 (двум). В качестве поршневого пальца может быть использован конструктивный элемент с одной шатунной (меньшего диаметра) шейкой и двух поршневых, одна из которых, или обе (как на Фиг. 2) являются разъемными (е' в е'').The number of degrees of freedom of the flat mechanism according to the "c" scheme is equal to 2 (two). As a piston pin, a structural element with one connecting rod (smaller diameter) neck and two piston ones can be used, one of which, or both (as in Fig. 2) are split (e 'in e' ').
При наличии еще одной, избыточной по сравнению с традиционными ДВС, степени свободы каждому фиксированному положению коленчатого вала уже не будет соответствовать строго определенное положение поршней; оно будет устанавливаться динамически, исходя из процессов протекающих в надпоршневом пространстве.In the presence of one more, redundant in comparison with traditional internal combustion engines, degrees of freedom, each fixed position of the crankshaft will no longer correspond to a strictly defined position of the pistons; it will be set dynamically based on the processes occurring in the above-piston space.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к схеме механизма ДВС прототипа (Фиг. 1а и 1б) и предлагаемого ДВС (Фиг. 1в).FIG. 1 shows images related to the scheme of the mechanism of the internal combustion engine of the prototype (Fig. 1a and 1b) and the proposed internal combustion engine (Fig. 1c).
На Фиг. 2 представлены изображения поршневого пальца как двухподвижного шарнира цельного (Фиг. 2а) и разъемного (Фиг. 2б).FIG. 2 shows the images of the piston pin as a two-piece hinge one-piece (Fig. 2a) and split (Fig. 2b).
На Фиг. 3 показан поперечный (через оси цилиндров) разрез предлагаемого ДВС.FIG. 3 shows a transverse (through the axes of the cylinders) section of the proposed internal combustion engine.
На Фиг. 4 показано увеличенное изображение соединения поршневой головки шатуна с выпускным поршнем.FIG. 4 is an enlarged view of the connecting rod piston head to the exhaust piston.
На Фиг. 5 показана схема вихревого движения продувочного воздуха.FIG. 5 shows a diagram of the swirling movement of the purge air.
На Фиг. 6 показана диаграмма фаз открытия органов газообмена (окон).FIG. 6 shows a diagram of the opening phases of the gas exchange organs (windows).
На Фиг. 7 показана предполагаемая зависимость отклонения оси симметрии шатуна под влиянием колебания поршней.FIG. 7 shows the assumed dependence of the deviation of the axis of symmetry of the connecting rod under the influence of oscillation of the pistons.
На Фиг. 8 показаны зависимости скоростей поршней и шатуна от угла п.к.в.FIG. 8 shows the dependence of the speeds of the pistons and the connecting rod on the angle of the c.c.v.
На Фиг. 9 показаны зависимости удельной кинетической энергии поршней и шатуна от угла п. к.в.FIG. 9 shows the dependence of the specific kinetic energy of the pistons and the connecting rod on the f.c.h. angle.
На Фиг. 10 показаны зависимости мощности сил инерции поршней и шатуна от угла п.к.в.FIG. 10 shows the dependence of the power of the inertial forces of the pistons and connecting rod on the r.c.v. angle.
На Фиг. 11 показано влияние колебаний поршней на индикаторные диаграммы ДВС.FIG. 11 shows the effect of piston oscillations on the indicator diagrams of the internal combustion engine.
Осуществление изобретения Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенных на Фиг. 3. Осуществление изобретения предполагает использование двух, движущихся в основном однонаправленно, поршней 5 и 6, связанных с вильчатым шатуном 2 посредством двухшарнирных поршневых пальцев 7 и 8. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 5 и 6 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя двухшарнирными пальцами 7 и 8 (двухподвижными шарнирами), образованными пальцем 7' и вкладышами 7'' (для поршня 5) как на Фиг. 4. В отличие от традиционных поршней, в которых поршневой палец имеет плотную посадку, в поршне 5 (6) вкладыши 7'' совершают возвратно-вращательное движение, поэтому отверстие в поршне должно быть выполнено с втулкой, например, бронзовой. Малый эксцентриситет е между шатунной осью пальца 7' и поршневой осью вкладыша 7'' допускает перекладку головки шатуна по горизонтали в максимуме на величину 2е, однако фактическая перекладка головки шатуна оказывается значительно меньше, что обеспечивает возможное качательное движение шатуна 2 относительно оси кривошипа 1 с размахом порядка 1 градуса. Таким образом колебательные движения вильчатого шатуна 2 при любом фиксированном положении кривошипа 1 способны вызвать колебательные движения поршней 5 и 6, которые уже при вращении кривошипа 1 будут накладываться на их основные возвратно-поступательные движения в блоке цилиндров 3.DETAILED DESCRIPTION The invention can be carried out in the form of the apparatus shown in FIG. 3. The implementation of the invention involves the use of two, moving mainly unidirectionally,
Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.The operation of the described device is carried out as follows.
В положении кривошипа 1 в верхней объемной мертвой точке (ВОМТ или 180 град, п. к.в.), но не ВМТ поршней 5 и 6 (как на Фиг. 3), воздушный заряд находится в сжатом состоянии и в него уже произведен (с некоторым опережением до ВОМТ) врыск топлива через форсунку (не показана), ориентированную в сторону камеры сгорания 13. Камера сгорания 13 простой полуэлипсоидной формы может иметь керамическое покрытие, которое не только уменьшит теплопотери в головку цилиндров 4, но и улучшит объемно-пленочное испарение топлива, а значит и полноту его сгорания. При вращении кривошипа (по часовой стрелке) после прохождения ВОМТ начинается рабочий ход с совершением полезной работы, при котором поршень 5 опережает поршень 6 в своем движении к своей нижней мертвой точке (НМТ). Поршень 5 достигает верхней кромки выпускных окон 9, при этом продувочные окна 10 перекрыты юбкой поршня 6. В дальнейшем начинается свободный выпуск отработавших газов через выпускные окна 9 в выпускной коллектор 11, а поршень 6 достигает верхней кромки продувочных окон 10. Далее через продувочные окна 10 воздух, поступая в надпоршневое пространство, вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 9 в выпускной коллектор 11 - начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. При вращении кривошипа 1 первыми закрываются выпускные окна 9 и происходит наддув воздуха. После закрытия продувочных окон 10 надпоршневое пространство снова замыкается и начинается процесс сжатия воздушного заряда, до достижения ВОМТ. Двухтактный цикл завершается.In the position of the
Асимметрия законов движения поршней относительно ВОМТ приводит к тому, что в районе ВОМТ силы инерции действуют на правый и левый поршень разнонаправленно: один ускоряется, другой замедляется. Поэтому даже при равенстве газовых сил, приложенных к днищам поршней, возникает асимметрия сил приложенных к правой и левой поршневым головкам шатуна, что является побудительной причиной для их взаимного отклонения и, в частности, колебаний самого шатуна 2 относительно оси кривошипа 1. Если движение шатуна 2 при отсутствии колебаний назвать «равновесным» (аналогия с маятником), то такому движению будет соответствовать и движение отрезка с длиной шатуна, лежащем на оси его симметрии. При этом конец этого отрезка - «средняя точка» - будет двигаться по вертикальной прямой, проходящей через ось вращения коленчатого вала, как в случае центрального кривошипно-шатунного механизма.The asymmetry of the laws of motion of the pistons relative to the PTO leads to the fact that in the area of the PTO the inertial forces act on the right and left pistons in different directions: one accelerates, the other slows down. Therefore, even if the gas forces applied to the piston crowns are equal, an asymmetry of the forces applied to the right and left piston heads of the connecting rod occurs, which is the incentive for their mutual deviation and, in particular, vibrations of the connecting
Главным следствием наличия 2-й степени свободы является то, что фиксированному положению кривошипа 1 не соответствует какое-либо фиксированное положение поршней 5 и 6, как у любого другого традиционного поршневого ДВС. При этом возникают автоколебания поршней, которые порождают дополнительные потоки кинетической энергии в подвижных звеньях механизма [3].The main consequence of the presence of the 2nd degree of freedom is that the fixed position of the
Пример возможной реализаций предлагаемого ДВС.An example of possible implementations of the proposed internal combustion engine.
Исходные данные:Initial data:
1. Мощность - 50 кВт1. Power - 50 kW
2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин2. Frequency of rotation of c.v. - 4000 rpm
3. Ход поршней - 92 мм3. Piston stroke - 92 mm
4. Диаметр цилиндров - 80 мм4. Diameter of cylinders - 80 mm
5. Радиус кривошипа - 45 мм5. Crank radius - 45 mm
6. Длина шатуна (по осям) - 250 мм6. The length of the connecting rod (along the axes) - 250 mm
7. Угол развала шатуна - 28 град.7. The camber angle of the connecting rod - 28 degrees.
8. Эксцентриситет поршневого пальца - 7 мм8. Eccentricity of the piston pin - 7 mm
9. Степень сжатия (геометрическая) - 209. Compression ratio (geometric) - 20
10. Степень сжатия (действительная) - 1610. Compression ratio (valid) - 16
11. Давление продувочного воздуха - 0,12 МПа11. Purge air pressure - 0.12 MPa
12. Коэффициент избытка воздуха - 1,712. Excess air ratio - 1.7
Заявляемая конструктивная схема не накладывает ограничений на тип ДВС, т.е. на способ смесеобразования и способ воспламенения, но в дальнейшем рассматривается дизельный вариант ДВС.The claimed constructive scheme does not impose restrictions on the type of internal combustion engine, i.e. on the method of mixture formation and the method of ignition, but in the future the diesel version of the internal combustion engine is considered.
Для обеспечения степени сжатия εд=16 и выше необходимо минимизировать объем камеры сгорания. С другой стороны, необходимо обеспечить минимальное сопротивление перетеканию газа из одного цилиндра (впускного) в другой (выпускной) при продувке. Канал 14, выполненный в БЦ ориентирован в направлении касательной к окружностям, на которых максимальна окружная скорость вихревого движения воздуха, а камера сгорания 13 размещена над указанным каналом и ориентирована вдоль его оси, как на Фиг. 5.To ensure the compression ratio ε d = 16 and higher, it is necessary to minimize the volume of the combustion chamber. On the other hand, it is necessary to provide a minimum resistance to gas flow from one cylinder (inlet) to another (outlet) during purging. The
Заявляемая конструктивная схема ДВС естественным путем обеспечивает фазовый сдвиг (24° п.к.в.) зависимостей хода поршней от угла п.к.в, что является благоприятным для осуществления прямоточной продувки в процессе газообмена. Как видно из Фиг. 6 при общей продолжительности газообмена 132° п.к.в., на период продувки (перекрытие фаз открытия органов газообмена) приходится 72° п.к.в.The inventive design scheme of the internal combustion engine naturally provides a phase shift (24 ° c.c.v.) of the dependences of the piston stroke on the sc.c.v. angle, which is favorable for the implementation of direct-flow blowing in the process of gas exchange. As seen in FIG. 6 with a total duration of gas exchange of 132 ° sc.c.v., the purge period (overlapping of the phases of opening of the gas exchange organs) accounts for 72 ° sc.c.v.
Работоспособность заявляемой конструктивной схемы ДВС можно доказать только расчетным путем. Расчет ДВС является сложной математической задачей, поэтому для ее решения делаются упрощающие допущения:The operability of the claimed ICE structural scheme can only be proved by calculation. The calculation of the internal combustion engine is a complex mathematical problem, therefore, simplifying assumptions are made to solve it:
а) интенсивность автоколебаний поршней пропорциональна мощности тепловыделения dQ/dt (по модели И.И. Вибе с m=0,55 и ϕz=65° п.к.в.) [3];a) the intensity of self-oscillations of the pistons is proportional to the power of heat release dQ / dt (according to the model of II Vibe with m = 0.55 and ϕ z = 65 ° SCH) [3];
б) движения звеньев определяются суперпозицией «равновесных» движений, т.е. при отсутствии колебаний и движений, «вызванных» колебаниями шатуна по заданному закону.b) the movements of the links are determined by the superposition of "equilibrium" movements, i.e. in the absence of vibrations and movements "caused" by vibrations of the connecting rod according to a given law.
«Равновесное» движение звеньев получается наложением ограничения на перемещение «средней точки» шатуна строго по прямой, условно понижая степень свободы механизма на 1 (единицу)."Equilibrium" movement of the links is obtained by imposing restrictions on the movement of the "midpoint" of the connecting rod strictly in a straight line, conventionally reducing the degree of freedom of the mechanism by 1 (one).
На Фиг. 7 показана предполагаемая связь отклонения оси шатуна dGa/к со скоростью тепловыделения K*dQ/dt, при максимальном отклонении от «равновесного» положения равном 0,5°. Возможный фазовый сдвиг зависимостей (запаздывание) порядка 10° п.к.в. Такие колебания шатуна «вызваны» колебаниями поршней, зависимости скорости которых представлены на Фиг. 8: а) «равновесные» движения (б/к); б) при наличии автоколебаний (а/к).FIG. 7 shows the assumed relationship between the deviation of the connecting rod axis dG a / k and the rate of heat release K * dQ / dt, with a maximum deviation from the "equilibrium" position equal to 0.5 °. The possible phase shift of the dependences (lag) is of the order of 10 ° sc.c. Such vibrations of the connecting rod are "caused" by vibrations of the pistons, the speed dependences of which are shown in FIG. 8: a) "balanced" movements (b / c); b) in the presence of self-oscillations (a / c).
Движения поршней и шатуна происходят с изменением их кинетической энергии, при этом кинетическая энергия поршней пропорциональна их массе (0,6 кг каждого), а кинетическая энергия шатуна пропорциональна его моменту инерции (0,0325 кг*м2). Кинетическая энергия шатуна от перемещения вдоль осей цилиндров не учитывается. Зависимости удельной (отнесенной к массе поршня) кинетической энергии представлены на Фиг. 9: а) «равновесные» движения; б) при наличии автоколебаний.The movements of the pistons and connecting rod occur with a change in their kinetic energy, while the kinetic energy of the pistons is proportional to their mass (0.6 kg each), and the kinetic energy of the connecting rod is proportional to its moment of inertia (0.0325 kg * m 2 ). The kinetic energy of the connecting rod from movement along the axes of the cylinders is not taken into account. The dependences of the specific (relative to the piston mass) kinetic energy are shown in Fig. 9: a) "balanced"movements; b) in the presence of self-oscillations.
С изменением кинетической энергии звеньев связана мощность сил инерции, положительная при убыли кинетической энергии и отрицательная при ее возрастании. На Фиг. 10 показаны зависимости мощности сил инерции, циркулирующей в звеньях механизма ДВС в связи с изменением их кинетической энергии. Как видно из Фиг. 10а значения мощности соизмеримы с цилиндровой мощностью, как и у традиционных ДВС. Однако, как видно из Фиг. 106, чтобы вывести термомеханическую систему из «равновесия» с предполагаемой амплитудой и частотой (5-кратной к частоте вращения к.в.) необходимо приложить мощность на порядок большую. Источник такой мощности отсутствует, следовательно, инерционность самого «энергоемкого» звена - шатуна естественным образом препятствует увеличению амплитуды и частоты колебаний звеньев ДВС с двумя степенями свободы. Таким образом реальные колебания звеньев механизма ДВС будут происходить с меньшей амплитудой и частотой равной частоте вращения коленчатого вала, поэтому их следует ассоциировать с дополнительной перекладкой шатуна в моменты перехода механизма через ВМТ(НМТ). Как указывалось ранее, ВМТ поршней разнесены на 12° п.к.в. относительно ВОМТ (180° п.к.в.). Такую перекладку шатуна в районе ВОМТ можно назвать «тригтерной», а предполагаемый закон изменения отклонения шатуна dGтриг приведен на Фиг. 7. Расчет показывает, что «триггерная» перекладка шатуна с амплитудой 0,1° происходит при мощности сил инерции того же порядка, что и цилиндровая мощность ДВС.The change in the kinetic energy of the links is associated with the power of inertial forces, positive with a decrease in kinetic energy and negative with an increase. FIG. 10 shows the dependences of the power of the inertial forces circulating in the links of the ICE mechanism in connection with a change in their kinetic energy. As seen in FIG. 10a, the power values are comparable to the cylinder power, as in traditional internal combustion engines. However, as seen in FIG. 106, in order to bring the thermomechanical system out of "equilibrium" with the expected amplitude and frequency (5 times the rotational speed of the r.v.), it is necessary to apply an order of magnitude greater power. There is no source of such power, therefore, the inertia of the most "energy-intensive" link - the connecting rod naturally prevents an increase in the amplitude and frequency of oscillations of the ICE links with two degrees of freedom. Thus, real vibrations of the links of the internal combustion engine mechanism will occur with a lower amplitude and frequency equal to the crankshaft rotation frequency, therefore, they should be associated with an additional shift of the connecting rod at the moments of the mechanism transition through the TDC (BDC). As mentioned earlier, the TDC of the pistons are spaced 12 ° sc.c. relative to the PTO (180 ° sc.c.). Such a shift of the connecting rod in the area of the PTO can be called "trigger", and the assumed law of variation of the deflection of the connecting rod dG trigger is shown in Fig. 7. The calculation shows that the "trigger" shift of the connecting rod with an amplitude of 0.1 ° occurs at the power of inertia forces of the same order as the cylinder power of the internal combustion engine.
На Фиг. 11 показано, в виде индикаторной диаграммы, влияние колебаний поршней на внутрицилиндровые процессы. Учет автоколебаний (а/к) поршней приводит к незначительному росту среднеиндикаторного давления с 0,96 МПа до 0,97 МПа, однако способствует снижению жесткости работы двигателя на 11%.FIG. 11 shows, in the form of an indicator diagram, the influence of piston oscillations on the in-cylinder processes. Taking into account the self-oscillations (a / c) of the pistons leads to a slight increase in the average indicator pressure from 0.96 MPa to 0.97 MPa, however, it helps to reduce the rigidity of the engine by 11%.
Таким образом предлагаемый двигатель обеспечивает достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности за счет применения эффективной прямоточной продувки, улучшении удельных массо-габаритных показателей. Двигатель может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.Thus, the proposed engine provides the achievement of the technical effect, which consists in increasing the fuel efficiency through the use of effective direct-flow blowing, improving the specific weight and dimensions. The engine can be implemented using means known in the art. Therefore, the proposed engine has industrial applicability.
Поскольку предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в области двигателестроения, а само изобретение допускает множество вариаций, модификаций и изменений в деталях, подразумевается, что весь материал, содержащийся в вышеприведенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничительном смысле.Since the preferred embodiments of the present invention will be obvious to those skilled in the art of propulsion engineering, and the invention itself is susceptible of many variations, modifications and changes in detail, it is intended that all material contained in the above description or shown in the accompanying drawings should be interpreted as illustrative and not in restrictive sense.
Источники информацииSources of information
1. Конструирование и расчет поршневых двигателей: учебник для вузов/ Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - 536 с.1. Design and calculation of piston engines: textbook for universities / N.D. Chainov, A.N. Krasnokutsky, L.L. Myagkov; ed. N. D. Chainova. - Moscow: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2018 .-- 536 p.
2. Комбинированные двухтактные двигатели. Орлин А.С., Круглое М.Г., М., «Машиностроение», 1968, 576 с.2. Combined two-stroke engines. Orlin A.S., Krugloye M.G., M., "Mechanical Engineering", 1968, 576 p.
3. Пат. RU 2729562, 2020.3. Pat. RU 2729562, 2020.
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Split-single_engine.4.https://en.wikipedia.org/wiki/Split-single_engine.
5. Pat. US 1476305, 1923.5. Pat. US 1476305, 1923.
6. Pat. US 2048243, 1936.6. Pat. US 2048243, 1936.
7. Pat. US 2443502, 1948.7. Pat. US 2443502, 1948.
8. Pat. US 2168096, 1939.8. Pat. US 2168096, 1939.
9. Pat. US 4079705, 1978.9. Pat. US 4079705, 1978.
10. Pat. US 5758611, 1998.10. Pat. US 5758611, 1998.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020130198A RU2744797C1 (en) | 2020-09-14 | 2020-09-14 | Two-stroke two-piston internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020130198A RU2744797C1 (en) | 2020-09-14 | 2020-09-14 | Two-stroke two-piston internal combustion engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2744797C1 true RU2744797C1 (en) | 2021-03-15 |
Family
ID=74874374
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020130198A RU2744797C1 (en) | 2020-09-14 | 2020-09-14 | Two-stroke two-piston internal combustion engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2744797C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2800201C1 (en) * | 2023-03-06 | 2023-07-19 | Геннадий Витальевич Кореневский | Two-stroke piston internal combustion engine |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1777478A (en) * | 1928-07-07 | 1930-10-07 | Wichita Blue Streak Motors Com | Internal-combustion engine |
US5758611A (en) * | 1997-04-15 | 1998-06-02 | Collins; Imack L. | Flex-rod |
RU2581751C1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-20 | Евгений Николаевич Захаров | Hinged joint of piston machine |
RU2612234C1 (en) * | 2015-11-03 | 2017-03-03 | Лев Федорович Ростовщиков | Engine with intake and exhaust openings and valves |
-
2020
- 2020-09-14 RU RU2020130198A patent/RU2744797C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1777478A (en) * | 1928-07-07 | 1930-10-07 | Wichita Blue Streak Motors Com | Internal-combustion engine |
US5758611A (en) * | 1997-04-15 | 1998-06-02 | Collins; Imack L. | Flex-rod |
RU2581751C1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-20 | Евгений Николаевич Захаров | Hinged joint of piston machine |
RU2612234C1 (en) * | 2015-11-03 | 2017-03-03 | Лев Федорович Ростовщиков | Engine with intake and exhaust openings and valves |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2800201C1 (en) * | 2023-03-06 | 2023-07-19 | Геннадий Витальевич Кореневский | Two-stroke piston internal combustion engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3798403B2 (en) | Split 4-stroke cycle internal combustion engine | |
JP5690772B2 (en) | Internal combustion engine | |
US6722127B2 (en) | Split four stroke engine | |
US20100000492A1 (en) | Modified revolving piston internal combustion engine | |
JP6069306B2 (en) | Internal combustion engine | |
AU741127B2 (en) | Method for controlling machine piston movement, implementing device and balancing of said device | |
US20110048370A1 (en) | Revolving piston internal combustion engine | |
EP0483142B1 (en) | Four dead centers crank mechanism | |
JP2013505397A (en) | Crankless engine | |
WO1997045629A1 (en) | Energy conservation cycle engine | |
RU2744797C1 (en) | Two-stroke two-piston internal combustion engine | |
RU2721963C2 (en) | Ice with lever crank mechanisms and counter-moving pistons | |
US4092957A (en) | Compression ignition internal combustion engine | |
JPS598648B2 (en) | Taikou Piston Gatadoriyokukikan | |
RU2787437C1 (en) | Two-stroke piston internal combustion engine | |
RU2776460C1 (en) | Two-stroke piston internal combustion engine | |
RU2739105C1 (en) | Two-stroke reciprocating internal combustion engine | |
RU2784514C1 (en) | Two-stroke reciprocating internal combustion engine with variable compression and expansion ratios | |
RU2729562C9 (en) | Two-stroke piston internal combustion engine and method of operation thereof | |
RU226062U1 (en) | INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
JPH10259735A (en) | Crank mechanism for reciprocating engine | |
CN109630265B (en) | Marine engine | |
RU2739104C1 (en) | Two-stroke reciprocating internal combustion engine | |
RU2800201C1 (en) | Two-stroke piston internal combustion engine | |
RU2704510C1 (en) | Internal combustion engine |