[go: up one dir, main page]

RU2776460C1 - Two-stroke piston internal combustion engine - Google Patents

Two-stroke piston internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
RU2776460C1
RU2776460C1 RU2021138382A RU2021138382A RU2776460C1 RU 2776460 C1 RU2776460 C1 RU 2776460C1 RU 2021138382 A RU2021138382 A RU 2021138382A RU 2021138382 A RU2021138382 A RU 2021138382A RU 2776460 C1 RU2776460 C1 RU 2776460C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
connecting rod
pistons
internal combustion
combustion engine
rocker arms
Prior art date
Application number
RU2021138382A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Витальевич Кореневский
Original Assignee
Геннадий Витальевич Кореневский
Filing date
Publication date
Application filed by Геннадий Витальевич Кореневский filed Critical Геннадий Витальевич Кореневский
Application granted granted Critical
Publication of RU2776460C1 publication Critical patent/RU2776460C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: internal combustion engines.
SUBSTANCE: invention can be used in internal combustion engines. A two-stroke reciprocating internal combustion engine contains a block of cylinders (16) equipped with purge and exhaust ports (11), (12) and pistons (7), (8) moving in the cylinders in opposite directions. Each of the pistons controls scavenging and exhausting, respectively. There is a mechanism with two degrees of freedom for converting the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft (1) by means of one common connecting rod (2) and pivotally connected through the rod (5), (6) with each of the pistons (7), (8), through rocker arms (3), (4) swinging on hinges (9), (10) with a fixed center. The rocker arms (3), (4) are connected to a common connecting rod (2) by means of sliders and an arcuate link having a common pin with the connecting rod head (2).
EFFECT: increasing fuel efficiency and improving the specific weight and size indicators.
2 cl, 12 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to engine building, in particular to the device of piston 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.In engine building, ICE designs are known, in particular reciprocating ones, in which the processes of air charge intake, compression, expansion (stroke), and exhaust gases are carried out. And only the working stroke is related to the conversion of the chemical energy of the fuel, as a result of its oxidation (combustion), into useful work.

Известен принцип самоорганизации рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, описанный в информационном бюллетене «Идеи. Гипотезы. Решения» №1, 2000, стр. 31, как интеллектуальный продукт с регистрационным номером 70990000104, автор - Кореневский Г.В. [1]. Согласно указанного принципа, для преобразования вовзвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала может быть применен механизм с 2 (двумя) степенями свободы, за счет чего термомеханическая система, какой является ДВС, сама выбирает оптимальный вариант протекания процесса преобразования тепла в работу: «из-за избыточной степени свободы процесс получения механической энергии теперь не связан (почти) с процессом ее отвода внешнему потребителю. Значительное количество механической энергии (кинетической) циркулирует в звеньях механизма ДВС и может быть отдано потребителю в любой момент времени с к.п.д. близким к 100%» [1]. Данный принцип реализован в способе работы двухтактного поршневого ДВС с противоположно движущимися поршнями (ПДП) [2].Known principle of self-organization of work processes in internal combustion engines, described in the newsletter "Ideas. Hypotheses. Decisions” No. 1, 2000, p. 31, as an intellectual product with registration number 70990000104, author - Korenevsky G.V. [one]. According to this principle, to convert the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft, a mechanism with 2 (two) degrees of freedom can be used, due to which the thermomechanical system, which is the internal combustion engine, itself chooses the best option for the process of converting heat into work: " due to the excess degree of freedom, the process of obtaining mechanical energy is now (almost) not connected with the process of its removal to an external consumer. A significant amount of mechanical energy (kinetic) circulates in the links of the ICE mechanism and can be given to the consumer at any time with efficiency. close to 100%” [1]. This principle is implemented in the method of operation of a two-stroke piston internal combustion engine with oppositely moving pistons (PDP) [2].

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.In the specified ICE with PDP, to convert the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft, a mechanism with 2 (two) degrees of freedom is used, 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 mechanism for converting the movement of the pistons.

Известен двухтактный дизельный двигатель с ПДП [3], в котором применен механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, состоящий из одного главного шатуна, прицепного шатуна и двух коромысел, шарнирно связанных через шток с поршнями. Прицепной шатун связан через коромысло с поршнем управляющим выпуском, а главный шатун непосредственно связан через коромысло с поршнем управляющим продувкой. Основной задачей, решаемой указанным изобретением, являлось создание блочной конструкции двигателя, позволяющей за счет сборки однотипных секций кратно увеличивать мощность двигателя. В связи с тем, что расстояние между центрами шарниров главного и прицепного шатуна является переменным в указанном двигателе достигаются различные по форме зависимости хода выпускного и продувочного поршней от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) и благоприятный фазовый сдвиг открытия выпускных и продувочных окон. 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, основанного на принципе самоорганизации.Known two-stroke diesel engine with PDP [3], which uses a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft, consisting of one main connecting rod, trailer connecting rod and two rocker arms pivotally connected through the piston rod. The trailing connecting rod is connected via a rocker arm to the control piston, and the main connecting rod is directly connected via a rocker arm to the blowdown control piston. The main problem solved by the specified invention was the creation of a block design of the engine, which makes it possible to multiply the engine power by assembling the same type of sections. Due to the fact that the distance between the centers of the hinges of the main and trailer connecting rod is variable in the specified engine, various forms of dependence of the stroke of the exhaust and purge pistons on the angle of rotation of the crankshaft (c.c.v.) and a favorable phase shift of the opening of the exhaust and purge windows. 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 c.c.v. and the position of each of the pistons and the lack of the possibility of influencing the workflow based on the principle of self-organization.

Известен ДВС с ПДП [4], реализующий способ работы [2] за счет применения механизма для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна и двух коромысел шарнирно связанных через шток с каждым из поршней, при этом коромысла имеют фиксированные центры качания и связаны с общим шатуном с помощью двухподвижных шарниров типа «шарнир-шарнир» с эксцентриковыми шейками.Known ICE with PDP [4], which implements the method of operation [2] through the use of a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft by means of one common connecting rod and two rocker arms pivotally connected through the rod with each of the pistons, while the rocker arms have fixed centers of swing and are connected to a common connecting rod with the help of two-movable hinge-hinge joints with eccentric necks.

Указанный в [4] двигатель по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения может быть выбран в качестве прототипа.Specified in [4] the engine according to the set of features closest to the set of essential features of the invention can be selected as a prototype.

Целью изобретения является повышение эффективности ДВС, в котором преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала осуществляется за счет применения механизма с 2 (двумя) степенями свободы, обеспечиваемых связью головки шатуна с коромыслами посредством ползунов и дуговой кулисы.The aim of the invention is to increase the efficiency of the internal combustion engine, in which the conversion of the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft is carried out through the use of a mechanism with 2 (two) degrees of freedom, provided by the connection of the connecting rod head with the rocker arms by means of sliders and arc wings.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна и шарнирно связанных через шток с каждым из поршней двух коромысел, качающихся на шарнирах с фиксированным центром, при этом коромысла связаны с общим шатуном с помощью ползунов и дуговой кулисы, имеющей с головкой шатуна общий палец и средство фиксации от проворота.This goal is achieved by the fact that in a known two-stroke piston internal combustion engine containing a cylinder block equipped with purge and exhaust ports, pistons moving in these cylinders in opposite directions, each of which controls purge and exhaust, respectively, a mechanism for converting reciprocating motion pistons into the rotational movement of the crankshaft by means of one common connecting rod and pivotally connected through the rod with each of the pistons of two rocker arms, swinging on hinges with a fixed center, while the rocker arms are connected to a common connecting rod by means of sliders and an arcuate link having a common pin with the connecting rod head and anti-rotation device.

Отличия заявляемого двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания от традиционных ДВС и прототипа можно видеть из их анализа как механизмов с 1-й и 2-мя степенями свободы.The differences between the claimed two-stroke piston internal combustion engine from traditional internal combustion engines and the prototype can be seen from their analysis as mechanisms with 1st and 2nd degrees of freedom.

На Фиг. 1a схема ДВС с ПДП согласно [3], из которой видно, что кривошип 1, шатун 2, прицепной шатун 2а, коромысла 3 и 4, штоки 5 и 6, поршни 7 и 8 представляют собой набор из девяти (n=9) звеньев, связанных 11 (одиннадцатью) шарнирами и 2 (двумя) парами скольжения (поршень-цилиндр). Таким образом имеется 13 кинематических пар 5-го класса (р5=13). Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:On FIG. 1a is a diagram of an internal combustion engine with a PDP according to [3], from which it can be seen that the crank 1, connecting rod 2, trailer connecting rod 2a, rocker arms 3 and 4, rods 5 and 6, pistons 7 and 8 are a set of nine (n=9) links connected by 11 (eleven) hinges and 2 (two) sliding pairs (piston-cylinder). Thus, there are 13 kinematic pairs of the 5th class (p 5 =13). Using the A.P. Malyshev for the number of degrees of freedom of a flat mechanism gives the result:

w=3n-2p5=3*9-2*13=1.w=3n-2p 5 =3*9-2*13=1.

На Фиг. 1б показана схема ДВС с ПДП прототипа [4] с дополнительным звеном, в качестве которого выступает эксцентриситет 3е (4е) между шейками шарнира (изображения звена и различия в углах между плечами коромысел непропорционально увеличены), что также обеспечивает механизму 2-ю степень свободы:On FIG. Figure 1b shows a diagram of an internal combustion engine with a PDP prototype [4] with an additional link, which is the eccentricity 3e (4e) between the hinge necks (the images of the link and the differences in the angles between the arms of the rocker arms are disproportionately increased), which also provides the mechanism with the 2nd degree of freedom:

n=10 - число подвижных звеньев;n=10 - number of moving links;

р5=14 - число одноподвижных кинематических пар 5-го классаp 5 \u003d 14 - the number of single-moving kinematic pairs of the 5th class

w=3n-2p5=3*10-2*14=2w=3n-2p 5 =3*10-2*14=2

В заявляемом ДВС с ПДП применен обычный двухшарнирный шатун, головка которого имеет надстройку в виде дуговой кулисы с двумя конусными направляющими, по которым движутся две пары ползунов. Сравнение схем на Фиг. 1б и на Фиг. 1в показывает, что замена в головке шатуна пар вращения (шарниры) на пары скольжения (ползуны) не уменьшает числа одно-подвижных кинематических пар 5-го класса p5=14, а значит обеспечивает механизму 2-ю степень свободы.In the claimed ICE with PDP, a conventional double-hinged connecting rod is used, the head of which has an add-on in the form of an arcuate backstage with two conical guides along which two pairs of sliders move. Comparison of circuits in Fig. 1b and in Fig. 1c shows that the replacement of rotation pairs (hinges) with sliding pairs (sliders) in the connecting rod head does not reduce the number of single-moving kinematic pairs of the 5th class p 5 =14, and therefore provides the mechanism with the 2nd degree of freedom.

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 degree of freedom, which is redundant compared to traditional internal combustion engines, 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 taking place in the over-piston space.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к схеме механизма традиционного ДВС (Фиг. 1а), прототипа (Фиг. 1б) и предлагаемого (Фиг. 1в).On FIG. 1 shows images related to the scheme of the traditional internal combustion engine mechanism (Fig. 1a), the prototype (Fig. 1b) and the proposed one (Fig. 1c).

На Фиг. 2 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны.On FIG. 2 shows a longitudinal (through the axis of the cylinders) section of the proposed internal combustion engine. Auxiliary mechanisms and units are not shown.

На Фиг. 3 показано увеличенное изображение соединения головки шатуна с плечом коромысла посредством дуговой кулисы и пар ползунов.On FIG. 3 shows an enlarged image of the connection of the connecting rod head with the rocker arm by means of an arcuate link and pairs of sliders.

На Фиг. 4 показан контур возможных перемещений головки шатуна.On FIG. 4 shows the contour of the possible movements of the connecting rod head.

На Фиг. 5 представлены изометрическое изображение дуговой кулисы.On FIG. 5 shows an isometric view of the arc stage.

На Фиг. 6 представлены изометрические изображения пальца и пар ползунов (правых в сборе с пальцем).On FIG. 6 shows isometric images of a finger and pairs of sliders (right-hand assembly with a finger).

На Фиг. 7 показана зависимость изменения общего хода поршней от угла п.к.в. и сравнение его с таковым для традиционного ДВС с ПДП с двумя кривошипно-шатунными механизмами (КС - камера сгорания).On FIG. 7 shows the dependence of the change in the total stroke of the pistons on the angle of c.c.v. and comparing it with that of a traditional ICE with a PDP with two crank mechanisms (CC - combustion chamber).

На Фиг. 8 показана зависимость текущей степени расширения от угла п.к.в. для традиционного и предлагаемого ДВС.On FIG. 8 shows the dependence of the current degree of expansion on the angle of c.c.v. for traditional and proposed ICE.

На Фиг. 9 показана зависимость углового ускорения шатуна от угла п.к.в.On FIG. 9 shows the dependence of the angular acceleration of the connecting rod on the angle of c.c.v.

На Фиг. 10 показана зависимость кинетической энергии звеньев ДВС от угла п.к.в.On FIG. 10 shows the dependence of the kinetic energy of the ICE links on the angle of c.c.v.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 2 и с деталями на Фиг. 3. Осуществление изобретения предполагает использование противоположно движущихся поршней 7 и 8, связанных штоками 5 и 6 с коромыслами 3 и 4 соответственно. Преобразование качательных движений коромысел 3 и 4 во вращательное движение кривошипа 1 происходит за счет использования двухшарнирного шатуна 2. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя парами ползунов 3а и 4а, движущихся по конусным направляющим дуговой кулисы 2а, связанной пальцем с головкой шатуна 2.The invention can be implemented in the form of the device shown in FIG. 2 and with details in FIG. 3. The implementation of the invention involves the use of oppositely moving pistons 7 and 8 connected by rods 5 and 6 with rocker arms 3 and 4, respectively. The transformation of the rocking movements of the rockers 3 and 4 into the rotational movement of the crank 1 occurs due to the use of a double-hinged connecting rod 2. An additional, 2nd degree of freedom of the mechanism for converting the reciprocating movement of the pistons 7 and 8 into the rotational movement of the crank neck 1 is provided by two pairs of sliders 3a and 4a moving along the conical guides of the arc stage 2a, connected with a finger to the connecting rod head 2.

Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.The operation of the described device is carried out as follows.

В положении механизма в районе объемной нижней мертвой точки (НМТ) выпускные окна 12 полностью открыты и закончился свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 14, продувочные окна 11 в стадии открытия и через них из воздушного коллектора 13 воздух поступает в цилиндр 16 и вытесняет отработавшие газы. При вращении кривошипа 1 (по часовой стрелке) первыми закрываются выпускные окна 12 и происходит наддув воздуха. Далее закрываются продувочные окна 11 и начинается процесс сжатия воздушного заряда. В варианте дизельного рабочего процесса с воспламенением от сжатия в районе объемной верхней мертвой точки (ВМТ) топливо подается чрез форсунку 15 в камеру сгорания, образованную днищами поршней 7 и 8, и стенками цилиндра 16. В варианте рабочего процесса с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием форсунка (не показана) может быть расположена перед продувочными окнами 11. После прохождения поршнями 7 и 8 объемной ВМТ завершается процесс сгорания топлива и начинается процесс расширения газов с совершением полезной работы. Не доходя до геометрической НМТ поршня 8 открываются выпускные окна 12 и начинается свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 14. Далее, не доходя до геометрической НМТ поршня 7 открываются продувочные окна 11 и начинается принудительный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.In the position of the mechanism in the region of the volumetric bottom dead center (BDC), the exhaust windows 12 are fully open and the free exhaust of exhaust gases into the exhaust manifold 14 has ended, the purge windows 11 are in the opening stage and through them air enters the cylinder 16 from the air manifold 13 and displaces the exhaust gases . When the crank 1 rotates (clockwise), the outlet windows 12 are the first to close and air is blown. Next, purge windows 11 are closed and the process of compressing the air charge begins. In the variant of the diesel operating process with compression ignition in the region of volumetric top dead center (TDC), fuel is supplied through the nozzle 15 into the combustion chamber formed by the bottoms of the pistons 7 and 8 and the walls of the cylinder 16. In the variant of the working process with external carburetion and positive ignition, the nozzle (not shown) can be located in front of the purge windows 11. After the pistons 7 and 8 have passed the volumetric TDC, the combustion process of the fuel is completed and the process of gas expansion begins with the completion of useful work. Before reaching the geometric BDC of the piston 8, the exhaust windows 12 open and the free release of exhaust gases into the exhaust manifold 14 begins. Further, before reaching the geometric BDC of the piston 7, the purge windows 11 open and the forced exhaust of the exhaust gases begins, replacing them with purge air, i.e. . purge process. The two-stroke cycle is completed.

Наличие 2-й степени свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 означает, что каждому фиксированному положению кривошипа 1 может соответствовать множество положений головки шатуна 2 между двумя крайними ее положениями, в которых ось пальца шатуна 2 находится на максимальном расстоянии от центров качания коромысел 3 и 4. Если принять, что центры шарниров 9 и 10 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения кривошипа 1 и центр камеры сгорания (т.е. вертикальной плоскости, применительно к Фиг. 2), а длина плеч коромысел 3 и 4, примыкающих к шатуну 2, одинакова и равна R, как на Фиг. 3, то указанное максимальное расстояние будет равно R+r, где r - радиус траектории центров ползунов 3а и 4а, относительно оси пальца, соединяющего головку шатуна 2 и дуговую кулису 2а. Дуги радиусом R+r, проведенные из центров качания коромысел 3 и 4 ограничивают область возможных положений оси головки шатуна 2. Другими ограничениями указанной области являются дуги, радиусом равным длине шатуна 2, проведенные из центра шейки кривошипа 1 в его верхнем (0 град, п.к.в.) и в его нижнем (180 град, п.к.в.) положениях. В совокупности эти 4 (четыре) ограничения образуют область, которая хорошо аппроксимируется эллипсом, как на Фиг. 4 у которого вертикальная ось в 5-6 раз больше горизонтальной оси. С учетом сделанных замечаний можно считать, что ось головки шатуна 2 может касаться или правой, или левой дуги указанного эллипса.The presence of the 2nd degree of freedom of the mechanism for converting the reciprocating movement of the pistons 7 and 8 into the rotational movement of the crank journal 1 means that each fixed position of the crank 1 can correspond to many positions of the connecting rod head 2 between its two extreme positions, in which the axis of the connecting rod pin 2 is located at the maximum distance from the swing centers of the rocker arms 3 and 4. If we assume that the centers of the hinges 9 and 10 are located symmetrically with respect to the plane passing through the axis of rotation of the crank 1 and the center of the combustion chamber (i.e. the vertical plane, in relation to Fig. 2), and the length of the arms of the rocker arms 3 and 4 adjacent to the connecting rod 2 is the same and equal to R, as in Fig. 3, then the specified maximum distance will be equal to R + r, where r is the radius of the trajectory of the centers of the sliders 3a and 4a, relative to the axis of the pin connecting the connecting rod head 2 and the arcuate link 2a. Arcs with radius R+r, drawn from the rocker centers of rockers 3 and 4, limit the area of possible positions of the axis of the connecting rod head 2. Other restrictions of this area are arcs with a radius equal to the length of the connecting rod 2, drawn from the center of the neck of the crank 1 in its upper (0 deg, n .k.v.) and in its lower (180 degrees, p.k.v.) positions. Together, these 4 (four) constraints form a region that is well approximated by an ellipse, as in FIG. 4 whose vertical axis is 5-6 times larger than the horizontal axis. Taking into account the remarks made, we can assume that the axis of the connecting rod head 2 can touch either the right or left arc of the specified ellipse.

Вариант исполнения дуговой кулисы 2а в виде двух одинаковых обойм с двумя конусными направляющими представлен на Фиг. 5. Вариант исполнения ползунов 3а и 4а и пальцев 3b и 4b (последний в сборе) представлен на Фиг. 6.An embodiment of the arc stage 2a in the form of two identical clips with two conical guides is shown in Fig. 5. An embodiment of sliders 3a and 4a and pins 3b and 4b (the latter assembled) is shown in FIG. 6.

Определенная направленность вращения кривошипа 1 (например, по часовой стрелке) приводит к тому, что угловое ускорение шатуна 2 изменяется от угла п.к.в. по закону близкому к синусоидальному, с максимумами (по абсолютной величине) в районе 90 и 270 град, п.к.в., как на Фиг. 9. Момент сил инерции шатуна 2, дуговой кулисы 2а, ползунов 3а и 4а, действующий относительно центра шейки кривошипа 1 приводит к асимметрии в распределении сил, приложенных к головке шатуна 2 со стороны коромысел 3 и 4. Таким образом равнодействующая сил, приложенных к головке шатуна 2, будет проходить вдоль оси его симметрии только в положениях кривошипа при 0 и 180 град, п.к.в. Во всех остальных случаях на головку шатуна 2 всегда будет действовать горизонтальная составляющая равнодействующей сил, которая будет стремиться отклонить головку шатуна в сторону правой, или левой дуги упомянутого эллипса.A certain direction of rotation of the crank 1 (for example, clockwise) leads to the fact that the angular acceleration of the connecting rod 2 changes from the angle of c.c.v. according to a law close to sinusoidal, with maxima (in absolute value) in the region of 90 and 270 degrees, p.c.v., as in Fig. 9. The moment of inertia of the connecting rod 2, the arcuate wings 2a, the sliders 3a and 4a, acting relative to the center of the neck of the crank 1 leads to asymmetry in the distribution of forces applied to the head of the connecting rod 2 from the side of the rocker arms 3 and 4. Thus, the resultant of the forces applied to the head connecting rod 2, will pass along the axis of its symmetry only in the positions of the crank at 0 and 180 degrees, p.k.v. In all other cases, the connecting rod head 2 will always be affected by the horizontal component of the resultant forces, which will tend to deflect the connecting rod head towards the right or left arc of the mentioned ellipse.

Если наложить ограничение на перемещение головки шатуна 2 строго по вертикальной прямой («виртуальный крейцкопф»), т.е. понизить число степеней свободы механизма на 1 (единицу), то при одинаковых по форме и размерам деталях ответственных за выпуск и продувку (поршень, шток, коромысло) получатся одинаковые по форме и симметричные относительно объемной ВМТ зависимости хода поршня от угла п.к.в. Это обстоятельство исключает возможность эффективной продувки, характерной для ДВС с ПДП, имеющих угловое рассогласование коленчатых валов порядка 10-12 град, п.к.в.If we impose a restriction on the movement of the connecting rod head 2 strictly in a vertical straight line ("virtual crosshead"), i.e. reduce the number of degrees of freedom of the mechanism by 1 (one), then with the same shape and size of the parts responsible for the release and purge (piston, rod, rocker arm), the dependences of the piston stroke on the angle of c.c.v will be identical in shape and symmetrical with respect to volumetric TDC . This circumstance excludes the possibility of effective blowing, which is typical for internal combustion engines with PDP, having an angular mismatch of the crankshafts of the order of 10-12 degrees, c.c.v.

В заявляемом ДВС с ПДП с 2-мя степенями свободы асимметрия зависимостей хода продувочного и выпускного поршней от угла п.к.в. достигается естественным путем, за счет постоянной направленности сил инерции шатуна в течение хода сжатия / расширения.In the claimed ICE with PDP with 2 degrees of freedom, the asymmetry of the dependences of the stroke of the purge and exhaust pistons on the angle p.k.v. achieved in a natural way, due to the constant direction of the inertial forces of the connecting rod during the compression / expansion stroke.

Главным следствием наличия 2-й степени свободы является то, что фиксированному положению кривошипа 1 не соответствует какое-либо фиксированное положение поршней 7 и 8, как у любого другого традиционного поршневого ДВС. При этом возникают автоколебания поршней, которые порождают дополнительные потоки кинетической энергии в подвижных звеньях механизма, однако при первичном рассмотрении преимуществ предлагаемого ДВС можно пренебречь такими эффектами и, наложив ограничение на перемещение головки шатуна строго по левой/правой дугам упомянутого эллипса, условно понизить степень свободы механизма на 1 (единицу).The main consequence of the presence of the 2nd degree of freedom is that the fixed position of the crank 1 does not correspond to any fixed position of the pistons 7 and 8, as in any other traditional piston ICE. In this case, self-oscillations of the pistons arise, which generate additional flows of kinetic energy in the moving parts of the mechanism, however, in the initial consideration of the advantages of the proposed internal combustion engine, such effects can be neglected and, by imposing a restriction on the movement of the connecting rod head strictly along the left / right arcs of the mentioned ellipse, conditionally lower the degree of freedom of the mechanism by 1 (one).

Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.An example of a possible implementation of the proposed ICE.

В качестве аналога взят ДВС [5] спортивного самолета, 3-х цилиндровый дизельный двигатель с ПДП «Gemini-100» с S/D=2×72/69, мощностью Ne=15 кВт, при частоте вращения коленчатого вала n=4000 об/мин.As an analogue, the internal combustion engine [5] of a sports aircraft, a 3-cylinder diesel engine with a PDP "Gemini-100" with S/D=2×72/69, power N e =15 kW, with a crankshaft speed of n=4000 rpm

Исходные данные:Initial data:

1. Мощность - 80 кВт (2 цилиндра)1. Power - 80 kW (2 cylinders)

2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин2. RPM k.v. - 4000 rpm

3. Ход поршня - 2×82 мм3. Piston stroke - 2×82 mm

4. Диаметр цилиндра - 80 мм4. Cylinder diameter - 80 mm

5. Рабочий объем - 1,6 л5. Working volume - 1.6 l

6. Радиус кривошипа - 45 мм6. Crank radius - 45mm

7. Длина шатуна - 130 мм7. Connecting rod length - 130 mm

Асимметрия зависимостей хода поршней Sвып и Sвпуск от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ и их фазовый сдвиг (40 град, п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней Sпдп от угла п.к.в. в районе объемной ВМТ является гораздо более пологой, чем у ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом Sград, как показано на Фиг. 7, а также проявляется в том, что изменение объема надпоршневого пространства у предлагаемого ДВС происходит медленней чем у традиционного (см. Фиг. 8). Это означает, что процесс выделения тепла (горение) протекает с максимальным приближением к изохорному (V=const), который характеризуется наибольшим термическим к.п.д., при прочих равных условиях. Указанный фазовый сдвиг также является благоприятным для осуществления прямоточной продувки в процессе газообмена.The asymmetry of the dependences of the piston stroke S vy and S inlet on the angle of c.c.v. relative to the geometric TDC and their phase shift (40 degrees, c.c.v.) lead to the fact that the dependence of the total piston stroke S pdp on the c.c.v. in the region of volumetric TDC is much flatter than that of an internal combustion engine with a traditional crank mechanism S deg , as shown in Fig. 7, and also manifests itself in the fact that the change in the volume of the over-piston space in the proposed ICE is slower than in the traditional one (see Fig. 8). This means that the process of heat release (combustion) proceeds as close as possible to isochoric (V=const), which is characterized by the highest thermal efficiency, all other things being equal. The specified phase shift is also favorable for the implementation of once-through purge in the process of gas exchange.

В расчетной модели ДВС приняты массы поршня, штока и коромысла, приведенные к массе поршня в размере 2 кг. Массы кулисы, ползунов и пальцев приняты в размере 3 кг. Масса шатуна принята в размере 2 кг. Момент инерции шатуна с дуговой кулисой относительно центра масс, расположенного от оси пальца на расстоянии 20% длины шатуна, принят в размере 0,025 кг*м2.In the calculation model of the internal combustion engine, the masses of the piston, rod and rocker are taken, reduced to the mass of the piston in the amount of 2 kg. The masses of the backstage, sliders and fingers are taken in the amount of 3 kg. The mass of the connecting rod is assumed to be 2 kg. The moment of inertia of a connecting rod with an arcuate link relative to the center of mass, located from the axis of the pin at a distance of 20% of the length of the connecting rod, is taken in the amount of 0.025 kg * m 2 .

Расчет ДВС с 2-мя степенями свободы требует значительных вычислительных ресурсов, поэтому оценка параметров предлагаемого ДВС произведена с использованием граничной модели, в которой наложенные ограничения на перемещение головки шатуна понижают число степеней свободы на 1 (единицу). Область возможных положений оси пальца шатуна ограничена дугами эллипса, как на Фиг. 4 и динамические расчеты выполнены в двух вариантах: для левой / правой границы, как стартовой для процесса сжатия.The calculation of an internal combustion engine with 2 degrees of freedom requires significant computational resources, therefore, the parameters of the proposed internal combustion engine were estimated using a boundary model in which restrictions imposed on the movement of the connecting rod head reduce the number of degrees of freedom by 1 (one). The area of possible positions of the axis of the connecting rod pin is limited by the arcs of the ellipse, as in Fig. 4 and dynamic calculations are performed in two versions: for the left / right border, as a starting point for the compression process.

При принятом направлении вращения коленчатого вала (по часовой стрелке) под действием момента от сил инерции головка шатуна будет отклоняться на ходе сжатия (от 0 до 180 град, п.к.в.) к левой границе, а на ходе расширения (от 180 до 360 град, п.к.в.) - к правой.With the accepted direction of rotation of the crankshaft (clockwise) under the action of a moment from the forces of inertia, the connecting rod head will deviate during compression (from 0 to 180 degrees, c.c.v.) to the left border, and during expansion (from 180 to 360 degrees, p.k.v.) - to the right.

Из Фиг. 9 видно, что в интервале угла п.к.в 180-225 град, угловое ускорение шатуна не чувствительно к отклонению головки шатуна, а значит и момент сил, действующий на шатун не может оказать влияния на характер автоколебаний поршней.From FIG. 9 it can be seen that in the range of angle c.c.v 180-225 degrees, the angular acceleration of the connecting rod is not sensitive to the deviation of the connecting rod head, and hence the moment of forces acting on the connecting rod cannot affect the nature of the self-oscillations of the pistons.

Из Фиг. 10 видно, что при проведении процесса сжатия по левой границе (расширения - по правой) звенья механизма (без учета коленчатого вала) обладают большей кинетической энергией (без составляющей от переносного движения центра масс шатуна и кулисы), чем в случае выбора начальной правой границы. Это означает, что при перекладке головки шатуна возможно накопление механической энергии без мгновенной ее передачи на маховик двигателя. Таким образом термомеханическая система может сама «выбирать» траекторию движения головки шатуна, что и является реализацией принципа самоорганизации рабочих процессов в ДВС.From FIG. 10 it can be seen that when the process of compression is carried out along the left border (expansion - along the right one), the links of the mechanism (excluding the crankshaft) have a greater kinetic energy (without a component from the portable movement of the center of mass of the connecting rod and backstage) than in the case of choosing the initial right border. This means that when the connecting rod head is shifted, it is possible to accumulate mechanical energy without its instantaneous transfer to the engine flywheel. Thus, the thermomechanical system itself can "choose" the trajectory of the connecting rod head, which is the realization of the principle of self-organization of work processes in the internal combustion engine.

При принятой цилиндровой мощности 40 кВт цикловая подача топлива будет иметь порядок 0,035 г/цикл, что при теплотворной способности топлива Qp=42,7 МДж/кг обеспечит тепловыделение 1,5 кДж/цикл. Пусть за 1/10 оборота (36 град, п.к.в.) выделится 80% тепла. Тогда мощность тепловыделения составит dQ/dt=1,5*0,8*4000*10/60=800 кВт. В интервале 180-225 град, п.к.в. разница в кинетической энергии механизма в крайних положениях головки шатуна изменяется от 300 до 100 Дж (см. Фиг. 10). Пусть перекладка головки шатуна происходит за 10 град, п.к.в., или 60/4000/360*10=0,417 мс и за это время механическая энергия увеличится на 100 Дж. Тогда мощность, запасенная в звеньях механизма, составит dNмех=100*103//0,417=240 кВт, что соизмеримо с мощностью тепловыделения. Действительные колебания головки шатуна могут быть на порядок меньше, но принципиально важно, что процесс преобразования тепла в работу теперь жестко не связан с отдачей полезной работы маховику двигателя.With the accepted cylinder power of 40 kW, the cyclic fuel supply will be of the order of 0.035 g/cycle, which, with the calorific value of the fuel Q p =42.7 MJ/kg, will provide heat release of 1.5 kJ/cycle. Let 80% of heat be released in 1/10 of a turn (36 degrees, r.c.v.). Then the heat release power will be dQ/dt=1.5*0.8*4000*10/60=800 kW. In the range of 180-225 degrees, p.c.v. the difference in the kinetic energy of the mechanism in the extreme positions of the connecting rod head varies from 300 to 100 J (see Fig. 10). Let the relocation of the connecting rod head occur in 10 degrees, c.c.v., or 60/4000/360 * 10 = 0.417 ms, and during this time the mechanical energy will increase by 100 J. Then the power stored in the links of the mechanism will be dN mech = 100*10 3/ /0.417=240 kW, which is commensurate with the heat release power. The actual vibrations of the connecting rod head can be an order of magnitude smaller, but it is fundamentally important that the process of converting heat into work is now not strictly related to the return of useful work to the engine flywheel.

Таким образом, предлагаемый двигатель обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности, 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 a technical effect, which consists in increasing fuel efficiency, 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 apparent to those skilled in the art of engine construction and the invention itself is susceptible to many variations, modifications and changes in detail, it is intended that all material contained in the foregoing description or shown in the accompanying drawings is to be interpreted as illustrative and not in restrictive sense.

Источники информации:Sources of information:

1. «Идеи. Гипотезы. Решения». Информационный бюллетень. - Москва, ВНТИЦ №1, 2000, стр. 311. “Ideas. Hypotheses. Solutions". News bulletin. - Moscow, VNTIC No. 1, 2000, p. 31

2. Пат. RU 2729562, 20202. Pat. EN 2729562, 2020

3. Pat. US 2237113, 19413.Pat. US 2237113, 1941

4. Пат. RU 2739105, 20204. Pat. EN 2739105, 2020

5. https://www.geminidiesel.aero5. https://www.geminidiesel.aero

Claims (2)

1. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм с 2 (двумя) степенями свободы для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала посредством одного общего шатуна и шарнирно связанных через шток с каждым из поршней двух коромысел, качающихся на шарнирах с фиксированным центром, отличающийся тем, что коромысла связаны с общим шатуном с помощью ползунов и дуговой кулисы, имеющей с головкой шатуна общий палец.1. A two-stroke reciprocating internal combustion engine containing a cylinder block equipped with purge and exhaust ports, pistons moving in said cylinders in opposite directions, each of which controls purge and exhaust, respectively, a mechanism with 2 (two) degrees of freedom for converting reciprocating movement of the pistons into the rotational movement of the crankshaft by means of one common connecting rod and pivotally connected through the rod with each of the pistons of two rocker arms, swinging on hinges with a fixed center, characterized in that the rocker arms are connected to a common connecting rod by means of sliders and an arcuate link having a connecting rod head common finger. 2. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что дуговая кулиса имеет средство фиксации относительно головки шатуна, исключающее ее проворот на общем пальце.2. A two-stroke piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the arc link has a means of fixation relative to the connecting rod head, excluding its rotation on a common pin.
RU2021138382A 2021-12-21 Two-stroke piston internal combustion engine RU2776460C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2776460C1 true RU2776460C1 (en) 2022-07-21

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110186017A1 (en) * 2010-02-03 2011-08-04 Achates Power, Inc. Single-crankshaft, opposed-piston engine constructions
US9488099B2 (en) * 2010-08-16 2016-11-08 Achates Power, Inc. Opposed-piston engine having a single crankshaft coupled to the opposed pistons by linkages with pivoted rocker arms
RU2632356C2 (en) * 2016-02-24 2017-10-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" Internal combustion engine
RU2721963C2 (en) * 2018-05-30 2020-05-25 Павел Игнатьевич Загуменнов Ice with lever crank mechanisms and counter-moving pistons
RU2729562C1 (en) * 2019-08-15 2020-08-07 Геннадий Витальевич Кореневский Two-stroke piston internal combustion engine and method of operation thereof
RU2739105C1 (en) * 2020-06-22 2020-12-21 Геннадий Витальевич Кореневский Two-stroke reciprocating internal combustion engine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110186017A1 (en) * 2010-02-03 2011-08-04 Achates Power, Inc. Single-crankshaft, opposed-piston engine constructions
US9488099B2 (en) * 2010-08-16 2016-11-08 Achates Power, Inc. Opposed-piston engine having a single crankshaft coupled to the opposed pistons by linkages with pivoted rocker arms
RU2632356C2 (en) * 2016-02-24 2017-10-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" Internal combustion engine
RU2721963C2 (en) * 2018-05-30 2020-05-25 Павел Игнатьевич Загуменнов Ice with lever crank mechanisms and counter-moving pistons
RU2729562C1 (en) * 2019-08-15 2020-08-07 Геннадий Витальевич Кореневский Two-stroke piston internal combustion engine and method of operation thereof
RU2739105C1 (en) * 2020-06-22 2020-12-21 Геннадий Витальевич Кореневский Two-stroke reciprocating internal combustion engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6202623B1 (en) Internal combustion engines
US5228415A (en) Engines featuring modified dwell
US5031581A (en) Crankless reciprocating machine
US20170284291A1 (en) Independent compression and expansion ratio engine with variable compression ratio
AU741127B2 (en) Method for controlling machine piston movement, implementing device and balancing of said device
US20140196693A1 (en) Internal combustion engines
EP0483142B1 (en) Four dead centers crank mechanism
RU2776460C1 (en) Two-stroke piston internal combustion engine
US5537957A (en) Internal combustion engine
Hiyoshi et al. A study of a multiple-link variable compression ratio system for improving engine performance
US2458111A (en) Multiple piston for internalcombustion engines
CN110291273B (en) Opposed piston engine with offset intake and exhaust crankshafts
RU2784514C1 (en) Two-stroke reciprocating internal combustion engine with variable compression and expansion ratios
US1874195A (en) Internal combustion engine
RU2744797C1 (en) Two-stroke two-piston internal combustion engine
RU2184864C1 (en) Internal combustion engine
RU2739105C1 (en) Two-stroke reciprocating internal combustion engine
RU2787437C1 (en) Two-stroke piston internal combustion engine
US1639165A (en) Internal-combustion engine
RU2729562C1 (en) Two-stroke piston internal combustion engine and method of operation thereof
RU2800201C1 (en) Two-stroke piston internal combustion engine
RU226062U1 (en) INTERNAL COMBUSTION ENGINE
RU209665U1 (en) Volumetric piston machine
JP2003083101A (en) Internal combustion engine
AU629238B2 (en) Crankless reciprocating two stroke internal combustion engin e