RU2784514C1 - Two-stroke reciprocating internal combustion engine with variable compression and expansion ratios - Google Patents
Two-stroke reciprocating internal combustion engine with variable compression and expansion ratios Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784514C1 RU2784514C1 RU2022106789A RU2022106789A RU2784514C1 RU 2784514 C1 RU2784514 C1 RU 2784514C1 RU 2022106789 A RU2022106789 A RU 2022106789A RU 2022106789 A RU2022106789 A RU 2022106789A RU 2784514 C1 RU2784514 C1 RU 2784514C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- internal combustion
- combustion engine
- moving
- rotation
- pistons
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к устройству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to the field of engine building, in particular, to the arrangement of reciprocating internal combustion engines (ICE).
Уровень техникиState of the art
Тактность ДВС определяется количеством ходов, которые совершает поршень двигателя для совершения одного рабочего цикла и в случае применения кривошипно-шатунного механизма двухтактный двигатель осуществляет один оборот коленчатого вала, а четырехтактный - два оборота. «Поскольку число рабочих циклов больше в 2 раза, ожидаемый рост мощности двухтактного двигателя выше в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5…1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затрат мощности на приведение в действие продувочного насоса.» [1].The ICE cycle is determined by the number of strokes that the engine piston makes to complete one working cycle, and in the case of using a crank mechanism, a two-stroke engine performs one revolution of the crankshaft, and a four-stroke engine performs two revolutions. “Because the number of duty cycles is more than 2 times, the expected increase in power of a two-stroke engine is 2 times higher. In reality, the power of a two-stroke engine increases by approximately 1.5 ... 1.7 times due to the loss of part of the working volume, the deterioration of cleaning and filling, as well as the power consumption for actuating the scavenge pump. [one].
В связи с интенсивным развитием гибридных силовых установок для автомобильного транспорта, ДВС получают роль вспомогательного источника механической энергии, используемой непосредственно для передачи в трансмиссию или для привода электрогенератора. Это обстоятельство выдвигает дополнительное требование к улучшению массо-габаритных показателей ДВС. Наилучшие массо-габаритные показатели имеют 2-х тактные ДВС и в частности ДВС с противоположно движущимися поршнями (ПДП/ «opposed piston engine»). Обзор конструкций подобных ДВС представлен в [2]. Наиболее совершенный авиационный двигатель Junkers Jumo-207 с ПДП, выпускавшийся с 1938 года имел значение удельной мощности 42 кВт/л. В настоящее время возвращается интерес к двигателям с ПДП: авиационный дизель «Gemini-100» (S/D=2×72/69) с удельной мощностью 46 кВт/л [3]; дизель автомобиля Ford F-150 (S/D=2×88,5/80) с удельной мощностью 73 кВт/л [4]. Указанные двигатели с ПДП имеют исполнение с двумя коленчатыми валами связанными зубчатой передачей, которая задает фиксированное по углу поворота рассогласование коленчатых валов. Изменением углового рассогласования коленчатых валов возможно изменять как фазы газораспределения, так и степень сжатия, однако устройство рассогласования должно пропускать через себя до половины мощности двигателя, что сделает такое устройство инерционным и энергоемким.In connection with the intensive development of hybrid power plants for road transport, internal combustion engines are taking on the role of an auxiliary source of mechanical energy used directly for transmission to a transmission or to drive an electric generator. This circumstance puts forward an additional requirement for improving the weight and dimensions of the internal combustion engine. The best weight and size indicators are 2-stroke internal combustion engines and, in particular, internal combustion engines with oppositely moving pistons (PDP / “opposed piston engine”). A review of the designs of such internal combustion engines is presented in [2]. The most advanced aircraft engine Junkers Jumo-207 with PDP, produced since 1938, had a specific power value of 42 kW / l. Currently, interest is returning to engines with PDP: aviation diesel "Gemini-100" (S / D = 2 × 72/69) with a specific power of 46 kW / l [3]; diesel car Ford F-150 (S/D=2×88.5/80) with a specific power of 73 kW/l [4]. These engines with PDP have a design with two crankshafts connected by a gear train, which sets a misalignment of the crankshafts fixed in terms of the angle of rotation. By changing the angular mismatch of the crankshafts, it is possible to change both the valve timing and the compression ratio, however, the mismatch device must pass through itself up to half of the engine power, which will make such a device inertial and energy-intensive.
Известен ДВС с ПДП [5], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции являлось то, что на один оборот коленчатого вала приходился один рабочий ход, но при этом двигатель оставался четырехтактным, т.к. каждый такт происходил ровно за четверть оборота коленчатого вала. В указанном ДВС впервые реализован принцип превышения степени расширения над степенью сжатия, который позже трансформировался в принцип цикла Аткинсона-Миллера в двигателях с перерасширением («over-expanshion»).Known ICE with PDP [5], in which the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons contains two rocker arms and one crankshaft. The design feature was that there was one working stroke per revolution of the crankshaft, but the engine remained four-stroke, because. each stroke occurred exactly one quarter of a revolution of the crankshaft. In this internal combustion engine, for the first time, the principle of exceeding the degree of expansion over the degree of compression was implemented, which was later transformed into the principle of the Atkinson-Miller cycle in engines with over-expansion (“over-expanshion”).
Известен ДВС с ПДП [6], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является то, что поршни двигателя связаны с поршнями воздушного компрессора, обеспечивающего продувку, что дополнительно исключает возникновение силы бокового давления на стенки цилиндра. Для сопряжения коромысла с поршнем использована кинематическая пара типа «шарнир-ползун». Шейки шарниров, на которых качаются кормысла, связаны разгрузочной штангой («stress member») из высокопрочной стали, чем компенсируются встречные нагрузки, уменьшается передача нагрузок на корпус двигателя и что позволяет выполнить его из легких сплавов. К недостаткам указанного ДВС следует отнести сложность конструкции и невозможность воздействия на рабочий процесс.Known ICE with PDP [6], in which the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons contains two rocker arms and one crankshaft. A design feature is that the engine pistons are connected to the pistons of the air compressor, which provides blowing, which additionally eliminates the occurrence of a side pressure force on the cylinder walls. To pair the rocker arm with the piston, a kinematic pair of the “hinge-slider” type was used. The necks of the hinges, on which the yokes swing, are connected by a stress member made of high-strength steel, which compensates for counter loads, reduces the transfer of loads to the engine housing and makes it possible to make it from light alloys. The disadvantages of this internal combustion engine include the complexity of the design and the impossibility of influencing the workflow.
Известен ДВС с ПДП [7], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является размещение коромысел на эксценриках, которые могут поворачиваться от механического привода, управляемого компьютером. Конструкция ДВС позволяет изменять степень сжатия в автоматическом режиме в соответствии с нагрузкой. К недостаткам конструкции указанного ДВС следует отнести ограниченность воздействия на рабочий процесс лишь через изменение степени сжатия.Known ICE with PDP [7], in which the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons contains two rocker arms and one crankshaft. A design feature is the placement of rocker arms on eccentrics, which can be rotated by a mechanical drive controlled by a computer. The design of the internal combustion engine allows you to change the compression ratio in automatic mode in accordance with the load. The disadvantages of the design of the specified internal combustion engine should include the limited impact on the work process only through a change in the compression ratio.
Известен ДВС с ПДП [8], в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней содержит два коромысла и один коленчатый вал. Особенностью конструкции является наличие у механизма двух степеней свободы. 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.Known ICE with PDP [8], in which the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons contains two rocker arms and one crankshaft. The design feature is that the mechanism has two degrees of freedom. 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.
Показано, что используя механизм воздействия на центры качания коромысел на двухподвижных шарнирах можно в широких пределах изменять степень сжатия и степень расширения. В частности, имеется ввиду вариант исполнения ДВС, когда оба двухподвижных шарнира выполнены в виде двухподвижной вращательно-вращательной кинематической пары типа «шарнир-шарнир», допускающей одновременно с поворотом коромысла вращательное (по дуге) смещение его центра качания относительно фиксированного центра вращения шарнира.It is shown that using the mechanism of action on the swing centers of the rocker arms on two-movable hinges, it is possible to change the degree of compression and the degree of expansion within a wide range. In particular, we mean the version of the internal combustion engine, when both two-moving hinges are made in the form of a two-moving rotational-rotational kinematic pair of the "hinge-hinge" type, which simultaneously with the rotation of the rocker arm rotates (along the arc) displacement of its center of swing relative to the fixed center of rotation of the hinge.
Указанный в [8] двигатель по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения может быть выбран в качестве прототипа.Specified in [8] 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 за счет применения механизма изменения степени сжатия и степени расширения появляется возможность оперативной и оптимальной настройки рабочего процесса, а значит и достижения повышенной топливной экономичности и надежности ДВС.The aim of the invention is to increase the efficiency of the internal combustion engine, in which, through the use of a mechanism for changing the compression ratio and expansion ratio, it becomes possible to promptly and optimally adjust the working process, and hence achieve increased fuel efficiency and reliability of the internal combustion engine.
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 двух коромысел шарнирно связанных через шток с каждым из поршней, коромысла качаются на двухподвижных шарнирах с фиксированными ценрами вращения, при этом один из шарниров приводится во вращение с возможностью изменения фазового угла положения шарнира относительно кривошипа коленчатого вала для изменения степени сжатия и степени расширения.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 rotational motion of the crankshaft by means of one common connecting rod and two rocker arms articulated through the rod with each of the pistons, the rocker arms swing on two-movable joints with fixed centers of rotation, while one of the joints is driven into rotation with the possibility of changing the phase angle of the position of the hinge relative to the crankshaft crank shaft to change the compression ratio and expansion ratio.
На Фиг. 1а схема прототипа, из которой видно, что кривошип 1, шатун 2, коромысла 3 и 4, штоки 5 и 6, поршни 7 и 8, шарниры (эксцентриситет) 9 и 10 представляют собой набор из десяти (n=10) звеньев, связанных 12 (двенадцатью) шарнирами и 2 (двумя) парами скольжения (поршень-цилиндр). Таким образом имеется 14 кинематических пар 5-го класса (р5=14). Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:On FIG. 1a is a prototype diagram, from which it can be seen that the
w=3n-2p5=3*10-2*14=2.w=3n-2p 5 =3*10-2*14=2.
Наложение связи (вращение) между кривошипом 1 и двухподвижным шарниром 9 означает добавление виртуального звена v (как на Фиг. 1б) с двумя шарнирами на концах. У такого механизма n=10+1=11 и р5=14+2=16. Использование формулы А.П. Малышева для числа степеней свободы плоского механизма дает результат:The imposition of a connection (rotation) between the
n=11 - число подвижных звеньев;n=11 - number of moving links;
р5=16 - число одноподвижных кинематических пар 5-го класса;p 5 =16 - the number of single-moving kinematic pairs of the 5th class;
w=3*11-2*16=1w=3*11-2*16=1
Таким образом добавление связи между коленчатым валом и двухподвижным шарниром делает шарнир 9 «одноподвижным» и переводит исходный механизм (прототип) в механизм с 1-й степенью свободы, в котором каждому положению кривошипа соответствует строго определенное положение всех звеньев, а значит и поршней. В разрыве звена v предусмотрен фазорегулятор (variator), который только «доопределяет» (попутное или встречное вращение) связь кривошипа 1 с шарниром 9, но не меняет ее по существу.Thus, adding a connection between the crankshaft and the two-moving joint makes the joint 9 “single-movable” and translates the original mechanism (prototype) into a mechanism with the 1st degree of freedom, in which each position of the crank corresponds to a strictly defined position of all links, and hence the pistons. In the break of the link v, a phase regulator (variator) is provided, which only “determines” (associated or counter rotation) the connection of the
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к схеме механизма ДВС прототипа (Фиг. 1а) и предлагаемого ДВС (Фиг. 1б).On FIG. 1 shows images related to the scheme of the ICE mechanism of the prototype (Fig. 1a) and the proposed ICE (Fig. 1b).
На Фиг. 2 представлены изображения двухподвижных шарниров коромысел выпускного (Фиг. 2а) и продувочного (Фиг. 2б) поршней.On FIG. Figure 2 shows images of double-moving hinges of the rocker arms of the exhaust (Fig. 2a) and purge (Fig. 2b) pistons.
На Фиг. 3 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны.On FIG. 3 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. 4 показаны кинематические схемы механического фазорегулятора прямого (Фиг. 4а) и реверсивного (Фиг. 4б) действия.On FIG. 4 shows the kinematic diagrams of a mechanical phase regulator of direct (Fig. 4a) and reverse (Fig. 4b) action.
На Фиг. 5 показана зависимость изменения (относительного) объема надпоршневого пространства в ВОМТ (верхняя объемная мертвая точка) и степени сжатия/расширения от фазы вращения шарнира.On FIG. 5 shows the dependence of the change in the (relative) volume of the above-piston space at VDC (volumetric top dead center) and the degree of compression/expansion on the phase of rotation of the joint.
На Фиг. 6 показана зависимость изменения общего хода поршней от угла п.к.в. для предлагаемого и традиционного ДВС.On FIG. 6 shows the dependence of the change in the total stroke of the pistons on the angle of c.c.v. for the proposed and traditional ICE.
На Фиг. 7 показана зависимость текущей степени расширения от угла п. к.в. для предлагаемого и традиционного ДВС.On FIG. 7 shows the dependence of the current degree of expansion on the angle of the c.v. for the proposed and traditional ICE.
На Фиг. 8 показано изменение фаз продувки/выпуска от степени сжатия для традиционного и предлагаемого ДВС (здесь: (о) - «открыт»; (з) - «закрыт»).On FIG. 8 shows the change in the purge / exhaust phases from the compression ratio for the traditional and proposed internal combustion engines (here: (o) - "open"; (h) - "closed").
На Фиг. 9 показаны индикаторные диаграммы традиционного и предлагаемого ДВС.On FIG. 9 shows the indicator diagrams of the traditional and proposed ICE.
На Фиг. 10 показано влияние степени сжатия на протекание рабочего процесса при ограничении максимального давления сгорания.On FIG. 10 shows the effect of the compression ratio on the flow of the working process when the maximum combustion pressure is limited.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 3 и с деталями на Фиг. 4. 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 трехшарнирного шатуна 2. Двухподвижный шарнир 10 с эксцентриситетом е2, являясь пассивным, может совершать вращательно-колебательные движения, а шарнир 9 с эксцентриситетом e1 с приводом, являясь активным, может совершать только вращательное движение (одно- или противонаправленное с коленчатым валом как на Фиг. 2).The invention can be implemented in the form of the device shown in FIG. 3 and with details in FIG. 4. The implementation of the invention involves the use of oppositely moving
Двухподвижный шарнир 10 может быть выполнен в виде двухподвижной вращательно-поступательной кинематической пары типа «шарнир-ползун», допускающей одновременно с поворотом коромысла поступательное по прямой смещение его центра качания относительно фиксированного центра вращения шарнира, как у прототипа [8].The double-moving
Работу описанного устройства осуществляют следующим образом.The operation of the described device is carried out as follows.
В положении механизма в районе объемной НМТ (как на Фиг. 3) из воздушного коллектора 14 через продувочные окна 12 воздух поступает в цилиндр 16 и вытесняет отработавшие газы через выпускные окна 11 в выпускной коллектор 13. При вращении кривошипа 1 (по часовой стрелке) первыми закрываются выпускные окна 11 и происходит наддув воздуха. Далее закрываются продувочные окна 12 и начинается процесс сжатия воздушного заряда.In the position of the mechanism in the region of the volume BDC (as in Fig. 3), from the
В варианте дизельного рабочего процесса с воспламенением от сжатия в районе объемной ВМТ топливо подается чрез форсунку 15 в камеру сгорания (КС), образованную днищами поршней 7 и 8, и стенками цилиндра 16. В варианте рабочего процесса с внешним смесеообразованием и принудительным зажиганием форсунка (не показана) может быть расположена перед продувочными окнами 12. 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 7 открываются выпускные окна 11 и начинается свободный выпуск отработавших газов в выпускной коллектор 13. Далее, не доходя до геометрической НМТ поршня 8 открываются продувочные окна 12 и начинается принуди- тельный выпуск отработавших газов с замещением их продувочным воздухом, т.е. процесс продувки. Двухтактный цикл завершается.In the variant of the diesel working process with compression ignition in the region of volumetric TDC, the fuel is supplied through the
Коленчатый вал (кривошип 1) связан с активным двухподвижным шарниром 9 механической передачей: зубчатой, цепной, ременной. Промежуточным агентом этой связи является вспомогательное устройство для регулирования фазового угла между положениями кривошипа 1 и эксцентриситета шарнира 9 - фазорегулятор. Фазорегулятор может быть гидравлического типа, как в системах регулируемого газораспределения (VVT - variable valve timing) автомобильных двигателей. Но четырех-пяти лопастные фазорегуляторы имеют ограниченный диапазон изменения угла 20…30 град., что недостаточно для устойчивого управления механизмом двигателя с целью изменения степеней сжатия и расширения. Желательным является диапазон регулирования фазового угла 90…110 град, п. к.в.The crankshaft (crank 1) is connected with an active two-
Больший диапазон регулирования обеспечивают механические фазорегуляторы на основе пары специальных косозубых шестерен, имеющих противоположное направление нарезки зубьев. Они выполняют функцию полумуфт, которые охватываются общей цилиндрической муфтой. Смещением муфты вдоль оси обеспечивается угловое смещение одного вала относительно другого.A larger range of regulation is provided by mechanical phase regulators based on a pair of special helical gears with the opposite direction of cutting teeth. They perform the function of coupling halves, which are covered by a common cylindrical coupling. The displacement of the coupling along the axis ensures the angular displacement of one shaft relative to the other.
В качестве фазорегулятора может быть использовано устройство (обозначено «Ф»), выполненное по кинематическим схемам как на Фиг. 4. На Фиг. 3 показана условно связь между коленчатым валом 1 и шарниром 9 с помощью цилиндрической зубчатой передачи с однонаправленным вращением зубчатых колес, при этом фазорегулятор «Ф» (вариант как Фиг. 4а) представлен как промежуточное зубчатое колесо. Механизм показан в положении при значении фазового угла 90 град, п.к.в. (опережение кривошипа). Изменение фазового угла производится вращением корпуса фазорегулятора с помощью червячной передачи.As a phase regulator, a device (indicated by "F") can be used, made according to kinematic schemes as in Fig. 4. In FIG. 3 shows a conventional connection between the
Наличие двух шарниров в головке шатуна 2 для связи с коромыслами 3 и 4 приводит к тому, что при наклоне шатуна 2, вызванного вращением шейки кривошипа 1, в любой момент, кроме объемных НМТ и ВМТ, возникает асимметрия в угловых скоростях коромысел 3 и 4: одно ускоряется, другое замедляется. В результате этого поршни достигают своих мертвых точек (минимальное расстояние до центра КС) в разное время. Так как объемная ВМТ практически совпадает по углу п. к.в с положением кривошипа в точке 180 град, п.к.в. (геометрическая ВМТ), то можно утверждать, что во всем диапазоне регулирования фазового угла положения мертвых точек поршней меняются мало: выпускного - 18…20 град, п.к.в. до ВМТ; продувочного - 13…20 град, п.к.в. после ВМТ. Таким образом имеет место фазовый сдвиг мертвых точек поршней 30…40 град, п.к.в., что в 3-4 раза больше угла рассогласования 10-12 град, п.к.в. коленчатых влов ДВС с ПДП, выполненных по классической схеме («традиционной»).The presence of two hinges in the head of the connecting
Пример возможной реализации предлагаемого ДВС.An example of a possible implementation of the proposed ICE.
В качестве аналога взят ДВС спортивного самолета, 3-х цилиндровый дизельный двигатель с ПДП (традиционный) «Gemini-ЮО» с S/D=2×72/69, мощностью Ne=75 кВт, при частоте вращения коленчатого вала n=4000 об/мин, с удельной мощностью 46 кВт/л.As an analogue, the internal combustion engine of a sports aircraft was taken, a 3-cylinder diesel engine with a PDP (traditional) "Gemini-YuO" with S / D = 2 × 72/69, power N e = 75 kW, with a crankshaft speed of n = 4000 rpm, with a power density of 46 kW/l.
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 - 95 мм3. Stroke - 95 mm
4. Диаметр цилиндра - 80 мм4. Cylinder diameter - 80 mm
5. Радиус кривошипа - 45 мм5. Crank radius - 45mm
6. Длина шатуна - 90 мм6. Connecting rod length - 90 mm
7. Степень сжатия (геометрическая) - 197. Compression ratio (geometric) - 19
8. Степень сжатия (действительная) - 158. Compression ratio (actual) - 15
Использование шарнира 9 с эксценриситетом e1=3 мм и шарнира 10 с эксценриситетом е2=8 мм позволяет за счет изменения фазы вращения шарнира 9 изменять степень сжатия в широких пределах: от 9 до 16 (см. Фиг. 5).The use of
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 Sтрад, как показано на Фиг. 6. В качестве традиционного рассматривается двигатель геометрически подобный дизелю с ПДП типа 10Д100 со степенью сжатия 15,1 и углом рассогласования коленчатых валов равным 12 град. п.к.в [9]. Пологость указанной характеристики проявляется в том, что изменение объема надпоршневого пространства у предлагаемого ДВС происходит медленней чем у традиционного (см. Фиг. 7). 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 благопрятным 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 area of TDC volume is much flatter than that of an internal combustion engine with a traditional crank mechanism S trad , as shown in Fig. 6. As a traditional one, an engine is considered geometrically similar to a diesel engine with a PDP type 10D100 with a compression ratio of 15.1 and a misalignment angle of the crankshafts equal to 12 degrees. a.c.c. in [9]. The flatness of this characteristic is manifested 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. 7). 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. This phase shift is also favorable for the implementation of direct-flow purge in the process of gas exchange.
У ДВС с переменной степенью сжатия (Prius, Toyota) работающих по циклу Аткинсона-Миллера и использующих механизм регулируемых фаз газораспределения (VVT) позднее закрытие впускных клапанов приводит к выталкиванию части воздушного заряда (или топливо-воздушной смеси) обратно во впускной коллектор, что неизбежно приводит к снижению удельной мощности двигателя. В предлагаемом двигателе механизм изменения степени сжатия иной: одновременно с уменьшением хода поршней происходит увеличение объема КС в ВОМТ (см. Фиг. 5). При этом изменение фаз открытия/закрытия выпускных и продувочных окон оказывается значительно меньше, чем у традиционных ДВС. Если традиционный ДВС имеет степень сжатия 15, то для понижения степени сжатия до 9 необходимо увеличить угол рассогласования коленчатых валов с 12 до 36 град., что означает (см. Фиг. 8) увеличение угла закрытия продувочных окон с 58 до 72 град, п.к.в. после НМТ и увеличение угла открытия выпускных окон с 62 до 78 град, п.к.в. до НМТ. У предлагаемого ДВС изменение степени сжатия с 16 до 9 предполагает увеличение угла закрытия продувочных окон всего с 52 до 56 град, п.к.в. после НМТ при практически неизменной фазе открытия выпускных окон.On variable compression ICEs (Prius, Toyota) operating on the Atkinson-Miller cycle and using a variable valve timing (VVT) mechanism, late closing of the intake valves leads to the expulsion of part of the air charge (or fuel-air mixture) back into the intake manifold, which is inevitable leads to a decrease in the specific power of the engine. In the proposed engine, the mechanism for changing the compression ratio is different: simultaneously with a decrease in the stroke of the pistons, an increase in the volume of the COP in the PTO occurs (see Fig. 5). At the same time, the change in the opening/closing phases of the exhaust and purge windows is much less than that of traditional internal combustion engines. If a traditional internal combustion engine has a compression ratio of 15, then to lower the compression ratio to 9, it is necessary to increase the misalignment angle of the crankshafts from 12 to 36 degrees, which means (see Fig. 8) an increase in the closing angle of the purge windows from 58 to 72 degrees, p. q.v. after BDC and an increase in the opening angle of the outlet windows from 62 to 78 degrees, p.c.v. to NMT. For the proposed ICE, a change in the compression ratio from 16 to 9 implies an increase in the closing angle of the purge windows from only 52 to 56 degrees, p.c.v. after BDC with a practically unchanged phase of opening the exhaust windows.
Таким образом предлагаемый ДВС характеризуется гораздо меньшей потерей рабочего хода на осуществление процессов газообмена, чем традиционный ДВС.Thus, the proposed internal combustion engine is characterized by a much smaller loss of power for the implementation of gas exchange processes than a traditional internal combustion engine.
Для выявления преимуществ заявляемой конструктивной схемы ДВС с ПДП по сравнению с традиционной была выполнена серия расчетов рабочего процесса с целью сравнения индикаторных показателей (к.п.д., среднее давление). В качестве модельного варианта традиционного ДВС с ПДП был принят двигатель с двумя коленчатыми валами, смещенными на 12 град, п.к.в. с тем же рабочим объемом, объемом КС, действительной степенью сжатия В расчетах использовались одинаковые режимные параметры: цикловая подача топлива, коэффициент избытка воздуха, давление и температура продувочного воздуха. Процесс сгорания расчитывался с использованием модели И.И. Вибе с m=0,3 и ϕz=40 град, п.к.в., опережение начала сгорания ϕос=5 град, п.к.в. до ВОМТ, теплопередача по формулам Г. Вошни.To identify the advantages of the proposed design scheme of the internal combustion engine with PDP compared to the traditional one, a series of calculations of the working process was performed in order to compare indicator indicators (efficiency, average pressure). An engine with two crankshafts displaced by 12 degrees, c.c.v. with the same displacement, COP volume, actual compression ratio The same operating parameters were used in the calculations: cyclic fuel supply, excess air ratio, pressure and temperature of the purge air. The combustion process was calculated using the model of I.I. Vibe with m=0.3 and ϕ z =40 deg, p.c.v., advancing the start of combustion ϕ os =5 deg. up to VOMT, heat transfer according to the formulas of G. Voshni.
Как видно из Фиг. 9 при одинаковых давлениях начала сгорания, в предлагаемом ДВС максимальное давление сгорания выше чем в традиционном ДВС благодаря меньшей скорости изменения объема надпоршневого пространства (см. Фиг. 7). Среднее индикаторное давление Pi=0,84 МПа у предлагаемого ДВС выше чем у традиционного Pi=0,73 МПа на 15%, что означает его повышенную топливную экономичность.As seen from FIG. 9 at the same pressures of the beginning of combustion, in the proposed ICE, the maximum combustion pressure is higher than in the traditional ICE due to the lower rate of change in the volume of the over-piston space (see Fig. 7). The average indicator pressure P i =0.84 MPa for the proposed internal combustion engine is higher than that of the traditional P i =0.73 MPa by 15%, which means its increased fuel efficiency.
В отличие от ДВС, работающих по циклу Аткинсона-Миллера предлагаемый ДВС позволяет не только не снижать удельную мощность при уменьшении степени сжатия, а наоборот, увеличивать ее. Из Фиг. 10 видно, что уменьшение степени сжатия с 15 до 9 при увеличенном давлении продувки с 0,125 до 0,185 МПа и ограничении по максимальному давлению сгорания Pz=13 МПа позволяет увеличить среднее индикаторное давление Pi с 0,84 до 1,30 МПа, что при частоте вращения к.в. 4000 об/мин и механическом к.п.д. 0,82 означает получение удельной мощности от 46 до 72 кВт/л.Unlike internal combustion engines operating on the Atkinson-Miller cycle, the proposed internal combustion engine allows not only not to reduce the specific power with a decrease in the compression ratio, but, on the contrary, to increase it. From FIG. 10 shows that a decrease in the compression ratio from 15 to 9 with an increased purge pressure from 0.125 to 0.185 MPa and a limitation on the maximum combustion pressure P z \u003d 13 MPa allows you to increase the average indicator pressure P i from 0.84 to 1.30 MPa, which at speed k.v. 4000 rpm and mechanical efficiency 0.82 means obtaining a specific power from 46 to 72 kW / l.
Предлагаемый ДВС обеспечивает превышение степени расширения над степенью сжатия во всем диапазоне изменения последней.The proposed internal combustion engine provides an excess of the expansion ratio over the compression ratio in the entire range of the latter.
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 size indicators. 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 building 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 информацииSources of information
1. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Алексеев В.П., Воронин В.Ф., Грехов Л.В. и др. М., «Машиностроение», 1990, 284 с.1. Internal combustion engines. The device and operation of piston and combined engines. Alekseev V.P., Voronin V.F., Grekhov L.V. etc. M., "Engineering", 1990, 284 p.
2. Комбинированные двухтактные двигатели. Орлин А.С., Круглов М.Г., М., «Машиностроение», 1968, 576 с.2. Combined two-stroke engines. Orlin A.S., Kruglov M.G., M., "Engineering", 1968, 576 p.
3. https://www.geminidiesel.aero3. https://www.geminidiesel.aero
4. https://www.achatespower.com4.https://www.achatespower.com
5. Pat. US 336505, 1886.5.Pat. US 336505, 1886.
6. Pat. US 2730087, 1956.6.Pat. US 2730087, 1956.
7. Pat. US 9359896, 2016.7.Pat. US 9359896, 2016.
8. RU 2739104, 2020.8. RU 2739104, 2020.
9. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки). Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. М., «Транспорт», 1984,384 с.9. Internal combustion engines (locomotive diesels and gas turbines). Simeon A.E., Khomich A.Z., Kurits A.A. and others. M., "Transport", 1984,384 p.
Claims (8)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2784514C1 true RU2784514C1 (en) | 2022-11-28 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103016150A (en) * | 2012-12-26 | 2013-04-03 | 北京理工大学 | A balanced range extender engine |
US9359896B2 (en) * | 2010-08-16 | 2016-06-07 | Achates Power, Inc. | Opposed-piston engine having a single crankshaft coupled to the opposed pistons by linkages with pivoted rocker arms |
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 |
RU2739104C1 (en) * | 2020-08-04 | 2020-12-21 | Геннадий Витальевич Кореневский | Two-stroke reciprocating internal combustion engine |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9359896B2 (en) * | 2010-08-16 | 2016-06-07 | Achates Power, Inc. | Opposed-piston engine having a single crankshaft coupled to the opposed pistons by linkages with pivoted rocker arms |
CN103016150A (en) * | 2012-12-26 | 2013-04-03 | 北京理工大学 | A balanced range extender engine |
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 |
RU2739104C1 (en) * | 2020-08-04 | 2020-12-21 | Геннадий Витальевич Кореневский | Two-stroke reciprocating internal combustion engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5228415A (en) | Engines featuring modified dwell | |
AU2008323992B2 (en) | Monoblock valveless opposing piston internal combustion engine | |
US5927236A (en) | Variable stroke mechanism for internal combustion engine | |
US6722127B2 (en) | Split four stroke engine | |
EP2699777B1 (en) | Split cycle reciprocating piston spark ignition engine | |
US7174863B2 (en) | Mechanism for internal combustion piston engines | |
AU741127B2 (en) | Method for controlling machine piston movement, implementing device and balancing of said device | |
WO2009006682A1 (en) | Mechanism for internal combustion piston engines | |
JP2003517526A (en) | Dual-cylinder expander engine and combustion method having one cycle and two expansion strokes | |
CN101709671B (en) | Symmetrical pendulum type high torque output engine | |
US8875674B2 (en) | Differential-stroke internal combustion engine | |
RU2721963C2 (en) | Ice with lever crank mechanisms and counter-moving pistons | |
RU2784514C1 (en) | Two-stroke reciprocating internal combustion engine with variable compression and expansion ratios | |
RU2739104C1 (en) | Two-stroke reciprocating internal combustion engine | |
RU2739105C1 (en) | Two-stroke reciprocating internal combustion engine | |
RU226062U1 (en) | INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
RU2742155C1 (en) | Internal combustion engine with the variable compression rate | |
RU2787437C1 (en) | Two-stroke piston internal combustion engine | |
RU2729562C9 (en) | Two-stroke piston internal combustion engine and method of operation thereof | |
RU2800201C1 (en) | Two-stroke piston internal combustion engine | |
RU2744797C1 (en) | Two-stroke two-piston internal combustion engine | |
CN111720211A (en) | Variable compression ratio type five-stroke engine | |
WO2003008784A1 (en) | Internal combustion engine | |
US5699757A (en) | Internal combustion engine | |
RU209665U1 (en) | Volumetric piston machine |