RU2184862C2 - Method of building torque in piston engines converting translational motion into rotary motion by means of crank - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: method is designed for developing power units of machines and mechanisms of different application. According to proposed method working medium (steam, gas, fuel) is pressure-fed and after conversion of energy of working medium, waste fumes or gases are discharged. Value of working stroke in cycle is reduced, and compression ratio is held or required or maximum possible compression ratio is created at rotation of working shaft after passing of position corresponding to top dead center in cycle before beginning of working stroke or in process of stroke. EFFECT: enlarged operating capabilities, improved performance characteristics. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к областям машиностроения, автомобилестроения, всех видов транспорта и предназначается для создания на его базе силовых агрегатов машин и механизмов различного назначения. The invention relates to the fields of mechanical engineering, automotive, all types of transport and is intended to create on its basis power units of machines and mechanisms for various purposes.

Предшествующий уровень техники
Известен способ создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающий подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или пара, и устройство для его осуществления (И.М. Ленин, А.В.Костров, О.М.Малашкин и др. "Автомобильные и тракторные двигатели", ч. 1, изд. второе, дополненное и переработанное под ред. проф. И.М.Ленина. Изд. Высшая школа, 1976 г., стр. 1-24; С.С.Баландин. "Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания". М., Машиностроение, 1968 г. (1972 г., изд. второе); С.В.Бальян. "Техническая термодинамика и тепловые двигатели", изд. второе, переработанное и дополненное. Л., Машиностроение, 1973 г., стр. 227-254).State of the art
A known method of creating torque in reciprocating engines, converting translational motion into rotational with a crank, including the supply and combustion of fuel or the supply of steam or gas under pressure, the release of exhaust gases or steam, and a device for its implementation (I.M. Lenin, A .V. Kostrov, O.M. Malashkin and others. "Automobile and tractor engines", part 1, second edition, supplemented and revised by the editorship of I.M. Lenin. Higher school, 1976. , pp. 1-24; S.S. Balandin. "Rodless piston internal combustion engines ". M., Engineering, 1968 (1972, second edition); S.V. Balyan." Technical thermodynamics and heat engines ", second edition, revised and supplemented. L., Mechanical engineering, 1973. , p. 227-254).

За прототип выбран известный способ создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающий подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или пара, и устройство для его осуществления, содержащее по меньшей мере один рабочий цилиндр, размещенный в нем рабочий поршень, кинематически связанный с коленчатым валом (см. И.М. Ленин, А.В.Костров, О.М.Малашкин и др. "Автомобильные и тракторные двигатели", ч. 1, издание второе, дополненное и переработанное под ред. проф. И.М. Ленина. Изд. Высшая школа, 1976 г., стр.1-24). For the prototype, a well-known method of creating torque in reciprocating engines, converting translational motion into rotational by means of a crank, including supplying and burning fuel or supplying steam or gas under pressure, exhaust gas or steam, and a device for its implementation, containing at least one working cylinder, the working piston placed in it, kinematically connected with the crankshaft (see I.M. Lenin, A.V. Kostrov, O.M. Malashkin and others. "Automobile and tractor engines", part 1, edition second e, supplemented and revised under the editorship of Prof. IM Lenin, Higher School Publishing House, 1976, pp. 1-24).

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является то, что рабочий ход в цикле начинается от положения кривошипа, соответствующего верхней "мертвой" точке (ВМТ) (именно в этом положении создаются наивыгоднейшие условия сгорания топлива, создается необходимая степень сжатия, создается наивысшее давление газов на поршень), однако именно в этом положении кривошип не передает приложенных к поршню усилий на рабочий вал. В свою очередь, положения кривошипа, соответствующие близким к положению ВМТ, при вращении рабочего вала до начала рабочего хода из-за необходимости воспламенять топливо заранее в известном способе и устройстве препятствуют вращению рабочего вала, а во время рабочего хода при таких положениях кривошипа усилия, приложенные к поршню, практически не создают крутящего момента на рабочем валу в силу конструктивных особенностей кривошипа, что в целом снижает технико-экономические показатели. A disadvantage of the known method and device for its implementation is that the stroke in the cycle starts from the position of the crank corresponding to the top dead center (TDC) (it is in this position that the most favorable conditions for fuel combustion are created, the necessary compression ratio is created, and the highest gas pressure is created to the piston), however, in this position, the crank does not transmit the forces applied to the piston to the working shaft. In turn, the crank positions corresponding to those close to the TDC, when the working shaft rotates before the start of the working stroke due to the need to ignite the fuel in advance in the known method and device, impedes the rotation of the working shaft, and during the working stroke at such crank positions, the forces applied to the piston, practically do not create torque on the working shaft due to the design features of the crank, which generally reduces the technical and economic indicators.

Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение технико-экономических показателей, а именно повышение коэффициента полезного действия и величины вращающего момента на рабочем валу путем исключения из рабочего хода в цикле неэффективной зоны работы кривошипа при положениях, близких к соответствующим ВМТ.Disclosure of invention
The objective of the proposed technical solution is to improve technical and economic indicators, namely increasing the efficiency and torque on the working shaft by eliminating the crank from the working stroke in the inefficient working zone at positions close to the corresponding TDC.

Для решения указанной задачи в известном способе создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающем подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или пара, уменьшают величину рабочего хода в цикле, удерживают или создают необходимую или максимально возможную степень сжатия при вращении рабочего вала после прохождения им положения, соответствующего ВМТ в цикле до начала рабочего хода или во время рабочего хода. To solve this problem in a known method of creating torque in reciprocating engines that convert translational motion into rotational by means of a crank, which includes the supply and combustion of fuel or the supply of steam or gas under pressure, the release of exhaust gases or steam, reduce the stroke in the cycle, hold or create the necessary or maximum possible compression ratio when the working shaft rotates after it passes through the position corresponding to the TDC in the cycle before the start of the working stroke or during working go move.

Краткое описание чертежей
На чертеже изображена схема поршневого двигателя, преобразующего поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа для осуществления предлагаемого способа.Brief Description of the Drawings
The drawing shows a diagram of a piston engine that converts the translational motion into rotational with the help of a crank to implement the proposed method.

Поршневой двигатель содержит рабочий цилиндр 1, размещенный в нем рабочий поршень 2, кинематически связанный шатуном 3 с рабочим коленчатым валом 4, дополнительно размещенный в рабочем цилиндре 1 вспомогательный поршень - пробка 5, образующий одним из своих торцов с рабочим поршнем 2 камеру сгорания (зону подачи пара или газа под давлением), другим торцом под действием пружины 6, упирающейся в рабочий цилиндр 1, поджатый к нажимному сектору вспомогательного вала 7, кинематически связанного с коленчатым валом 4, например, цепной передачей (на схеме не показано). Подразумевается наличие систем подачи топлива или пара (газа) под давлением и отвода отработанных газов (пара), например, аналогичных с прототипом (на схеме не показаны). The piston engine contains a working cylinder 1, a working piston 2 located in it, kinematically connected by a connecting rod 3 with a working crankshaft 4, an auxiliary piston additionally placed in the working cylinder 1 - a plug 5, which forms one of its ends with a working piston 2 combustion chamber (feed zone steam or gas under pressure), the other end under the action of a spring 6, abutting against the working cylinder 1, pressed against the pressure sector of the auxiliary shaft 7, kinematically connected with the crankshaft 4, for example, a chain gear (in e not shown). This implies the presence of systems for supplying fuel or steam (gas) under pressure and exhaust gas (steam), for example, similar to the prototype (not shown in the diagram).

Поршневой двигатель работает следующим образом. The piston engine operates as follows.

В рабочем цикле при вращении рабочего вала 4 вспомогательный поршень-пробка 5 под воздействием нажимного сектора вспомогательного вала с нажимным сектором 7 синхронно перемещается с рабочим поршнем 2 от положения, соответствующего ВМТ на величину радиуса нажимного сектора, сжимая пружину 6, и остается в таком положении до достижения рабочим валом 4 положения, соответствующего нижней "мертвой" точке (НМТ), при дальнейшем вращении рабочего вала 4 и кинематически связанного с ним вспомогательного вала с нажимным сектором 7 вспомогательный поршень-пробка 5 под воздействием пружины 6 возвращается в исходное положение. In the working cycle, when the working shaft 4 rotates, the auxiliary piston-plug 5 under the influence of the pressure sector of the auxiliary shaft with the pressure sector 7 synchronously moves with the working piston 2 from the position corresponding to TDC by the radius of the pressure sector, compressing the spring 6, and remains in this position until achievement by the working shaft 4 of the position corresponding to the bottom dead center (BDC), with further rotation of the working shaft 4 and kinematically associated auxiliary shaft with a pressure sector 7 auxiliary pore Shade-tube 5 under the action of the spring 6 returns to the initial position.

Таким образом, в описываемом двигателе при помощи вспомогательного поршня-пробки 5 и вспомогательного вала с нажимным сектором 7 уменьшают величину рабочего хода в цикле на величину радиуса нажимного сектора, удерживают или создают необходимую или максимальновозможную степень сжатия при вращении рабочего вала 4 после прохождения им положения, соответствующего ВМТ в цикле до начала рабочего хода или во время рабочего хода, что позволяет исключить неэффективную зону работы кривошипа при положениях, соответствующих близким к ВМТ
Рассмотрим преимущества предлагаемого способа перед известным на примере работы описанного двигателя при подаче пара или газа под давлением от парогенератора (газогенератора). Пусть давление пара (газа) во время рабочего хода в известном и предлагаемом способах будет постоянным и равным Р. Известный способ предполагает рабочий ход в цикле от ВМТ до НМТ или от 0 до 180^o по углу поворота кривошипа. Если разбить весь рабочий ход в цикле на три равных части при движении рабочего поршня 2 от ВМТ до НМТ по объему израсходованного пара (газа) в известном способе, то следует выделить средний участок рабочего хода в цикле как наиболее производительный по сравнению с участками начала и конца рабочего хода. При реализации известного способа две части объема пара (газа), израсходованного в начале и конце рабочего хода, израсходованы с меньшим коэффициентом полезного действия. Предлагаемый способ позволяет исключить из рабочего хода кривошипа менее производительные участки начала и конца, имеющие место при реализации известного способа в данном примере. Для реализации предлагаемого способа в данном примере в поршневом двигателе (см. чертеж) следует использовать вспомогательный вал с нажимным сектором 7 с радиусом нажимного сектора, равным одной третьей хода от ВМТ до НМТ рабочего поршня 2, подать пар (газ) под давлением в рабочий цилиндр 1 при вращении рабочего вала 4 после прохождения им положения, соответствующего ВМТ в цикле на угол, соответственно равный перемещению рабочего поршня 2 на треть хода от ВМТ до НМТ, и прекратить подачу пара (газа) после прохождения рабочим поршнем 2 двух третей хода рабочего поршня 2 от ВМТ до НМТ.Thus, in the described engine, using the auxiliary piston plug 5 and the auxiliary shaft with the pressure sector 7, the stroke in the cycle is reduced by the radius of the pressure sector, hold or create the necessary or maximum possible compression ratio when the working shaft 4 rotates after it passes through the position, corresponding TDC in the cycle before the start of the working stroke or during the working stroke, which allows to exclude the inefficient crank operation zone at positions corresponding to close to the TDC
Consider the advantages of the proposed method over the well-known example of the described engine when feeding steam or gas under pressure from a steam generator (gas generator). Let the vapor (gas) pressure during the working stroke in the known and proposed methods be constant and equal to R. The known method involves a working stroke in a cycle from TDC to BDC or from 0 to 180 ^o along the crank angle. If we divide the entire working stroke in the cycle into three equal parts when the working piston 2 moves from TDC to BDC according to the volume of consumed steam (gas) in the known method, then we should select the middle section of the working stroke in the cycle as the most productive compared to the start and end sections working stroke. When implementing the known method, two parts of the volume of steam (gas) consumed at the beginning and end of the stroke are used up with a lower efficiency. The proposed method allows to exclude from the working stroke of the crank less productive sections of the beginning and end that occur when implementing the known method in this example. To implement the proposed method in this example, in a piston engine (see drawing), an auxiliary shaft with a pressure sector 7 with a radius of the pressure sector equal to one third stroke from TDC to BDC of the working piston 2 should be used, apply steam (gas) under pressure to the working cylinder 1 when the working shaft 4 rotates after it passes through the position corresponding to the upper dead center in the cycle by an angle corresponding to the displacement of the working piston 2 by one third of the stroke from the upper dead center to the bDC, and stop the flow of steam (gas) after the second piston passes through two thirds 2 working stroke from TDC to BDC.

В соответствии с вышеизложенным, реализуя предлагаемый способ в поршневом двигателе (см. чертеж), можно осуществить три рабочих хода в трех циклах взамен одного рабочего хода в цикле в известном способе, израсходовав одинаковое количество пара (газа) в обоих случаях, но с более высоким коэффициентом полезного действия. In accordance with the foregoing, implementing the proposed method in a piston engine (see drawing), it is possible to carry out three working strokes in three cycles instead of one working stroke in a cycle in the known method, using the same amount of steam (gas) in both cases, but with a higher coefficient of performance.

Повышение коэффициента полезного действия и величины вращающего момента на рабочем валу 4 очевидны и в случае реализации предлагаемого способа в поршневом двигателе (см. чертеж) в режиме двигателя внутреннего сгорания ввиду переноса зоны наивысшего давления газов сгоревшего топлива в начале рабочего хода из зоны ВМТ в известном способе в зону углов положения кривошипа после прохождения им ВМТ в цикле в предлагаемом способе. The increase in the efficiency and the magnitude of the torque on the working shaft 4 are also obvious in the case of the implementation of the proposed method in a piston engine (see drawing) in the mode of an internal combustion engine due to the transfer of the zone of the highest pressure of gases of burnt fuel at the beginning of the working stroke from the TDC in the known method in the area of the angles of the position of the crank after the passage of the TDC in the cycle in the proposed method.

Следует отметить, что реализация предлагаемого способа в двигателях внутреннего сгорания может происходить как с воспламенением топлива от постороннего источника, так и в режиме самовоспламенения топлива. Заданная степень сжатия в поршневом двигателе (см. чертеж) определяется взаимным пространственным положением рабочего поршня 2 и вспомогательного поршня-пробки 5, пространственное положение которого может быть задано, равно как и скорость его перемещения относительно рабочего поршня 2 вспомогательным валом с нажимным сектором 7. It should be noted that the implementation of the proposed method in internal combustion engines can occur both with ignition of the fuel from an external source, and in the mode of self-ignition of the fuel. The specified compression ratio in the piston engine (see drawing) is determined by the mutual spatial position of the working piston 2 and the auxiliary piston-plug 5, the spatial position of which can be set, as well as the speed of its movement relative to the working piston 2 by an auxiliary shaft with a pressure sector 7.

Изменяя величину радиуса нажимного сектора вспомогательного вала с нажимным сектором 7, можно моделировать различные режимы работы двигателя (см. чертеж) с учетом режимов нагрузки и желаемой скорости вращения рабочего вала 4. Changing the radius of the pressure sector of the auxiliary shaft with the pressure sector 7, it is possible to simulate various modes of engine operation (see drawing) taking into account the load conditions and the desired speed of rotation of the working shaft 4.

Claims (2)

1. Способ создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающий подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или паров, отличающийся тем, что уменьшают величину рабочего хода в цикле, удерживают или создают необходимую или максимально возможную степень сжатия при вращении рабочего вала после прохождения им положения, соответствующего верхней "мертвой" точке в цикле до начала рабочего хода или во время рабочего хода. 1. The method of creating torque in reciprocating engines that translate translational motion into rotational by means of a crank, including the supply and combustion of fuel or the supply of steam or gas under pressure, the release of exhaust gases or vapors, characterized in that they reduce the amount of stroke in the cycle, hold or create the necessary or maximum possible compression ratio when the working shaft rotates after it passes through the position corresponding to the top dead center in the cycle before the start of the working stroke or during operation its stroke. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулируют величину рабочего хода в цикле. 2. The method according to p. 1, characterized in that they regulate the magnitude of the stroke in the cycle.