RU2230919C1

RU2230919C1 - Four-stroke internal combustion engine

Info

Publication number: RU2230919C1
Application number: RU2002128380/06A
Authority: RU
Inventors: А.В. Пошехонов (RU); А.В. Пошехонов
Original assignee: Пошехонов Анатолий Викторович
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-06-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; four-stroke opposed-piston engines.

SUBSTANCE: proposed engine contains cylinder block with piston moving in each cylinder opposite to each other, and rods. Mechanism for converting reciprocating motion of pistons into rotary motion of shaft is made in form of two drums fitted on shaft and provided with curvilinear channels, two sliding units for each rod, and fixed side segments. Piston rods are installed in sliding supports. One of rod sliding unit is arranged in curvilinear channel of movable drum, and the other, in channel of fixed segment made parallel to cylinder axis. Heat exchangers for heating water are arranged in middle part of cylinders and devices for water injection are also arranged in said part of cylinders.

EFFECT: increased efficiency, reduced specific mass and overall dimensions, provision of dynamic balancing of engine moving parts.

2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания со встречно движущимися двумя поршнями, механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, теплообменниками для нагрева воды.The invention relates to four-stroke internal combustion engines with counter-moving two pistons, a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational movement of the shaft, heat exchangers for heating water.

Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров с движущимися в них поршнями и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение, выполненный в виде кривошипно-шатунного вала (Н.Н. Лариков “Общая теплотехника” Москва, Стройиздат, 1975 г. с. 206, рис. 11,1). Двигатель имеет низкий кпд и не обеспечивает получение высокой мощности в одном агрегате из-за больших инерционных усилий, возникающих от возвратно-поступательно движущихся деталей. Требует использования противовесов коленвала и имеет сравнительно большую массу и габариты на единицу получаемой мощности.A four-stroke internal combustion engine is known that contains a cylinder block with pistons moving in them and a mechanism for converting reciprocating pistons into rotational motion, made in the form of a crank shaft (NN Larikov “General Heat Engineering” Moscow, Stroyizdat, 1975 p. 206, fig. 11.1). The engine has a low efficiency and does not provide high power in one unit due to the large inertial forces arising from the reciprocating moving parts. It requires the use of crankshaft balances and has a relatively large mass and dimensions per unit of received power.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий устройство для впрыска воды в цилиндр через распылитель с насосом, снабженным механизмом привода, и средства газораспределения, управляемые кулачковым валом через толкатель и коромысло. Механизм привода насоса шарнирно сочленен с коромыслом системы газораспределения при помощи шатуна (патент SU №869567, М. Кл.³ F 02 В 47/02, опубл. 30.09.81, Бюл. №36).A known internal combustion engine comprising a device for injecting water into a cylinder through a spray with a pump equipped with a drive mechanism, and gas distribution means controlled by a cam shaft through a pusher and rocker. The pump drive mechanism is articulated with the rocker of the gas distribution system using a connecting rod (patent SU No. 869567, M. Cl. ³ F 02 B 47/02, publ. 30.09.81, Bull. No. 36).

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок-цилиндр с поршнем, связанным при помощи шатуна с кривошипом. В головке цилиндра расположены форсунки для впрыска топлива и воды. Двигатель снабжен теплообменником для подогрева впрыскиваемой воды при частичном выпуске газа, расположенным в выпускном окне (Авт. св. SU №1090906, М.кл. F 02 В 47/02, опубл. 07.05.84 Бюл. №17).A known internal combustion engine containing a cylinder block with a piston connected by a connecting rod with a crank. At the cylinder head are nozzles for fuel and water injection. The engine is equipped with a heat exchanger for heating the injected water with a partial gas outlet, located in the exhaust window (Aut. St. SU No. 1090906, M. Cl. F 02 B 47/02, publ. 07.05.84 Bull. No. 17).

Известен наиболее близкий к предложенному двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок-цилиндр со встречно движущимися в одном цилиндре поршнями, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала в виде двух коленвалов с шатунами, размещенными внутри полых поршней, при этом опоры коренных шеек коленчатых валов расположены в стенках цилиндра (Авт. св. №383858, М. Кл. F 02 В 75/28, опубл. 23.05.73, Бюл. №24, прототип).Known closest to the proposed internal combustion engine, containing a cylinder block with counter-moving pistons in one cylinder, a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational motion of the shaft in the form of two crankshafts with connecting rods placed inside the hollow pistons, while the bearings of the crankshaft the shafts are located in the walls of the cylinder (Aut. St. No. 383858, M. Cl. F 02 B 75/28, publ. 23.05.73, Bull. No. 24, prototype).

Это устройство сложно по конструкции, требуется на каждый цилиндр два коленвала (отдельный на каждый поршень). С помощью шестерен движение с коленвалов передается на один вал. Двигатель имеет большую массу относительно получаемой мощности. Как и для всех двигателей с кривошипными валами имеют место усилия поршней на боковые стенки цилиндра, что требует определенной прочности уплотнительных колец (обычно из стальных сплавов), использования смазки и увеличивает потери мощности на трение в цилиндрах. Двигатель имеет низкий кпд, не используется теплота сгоревшего топлива для превращения воды в пар в целях увеличения объема рабочего тела.This device is complex in design, two crankshafts are required for each cylinder (separate for each piston). Using gears, movement from the crankshafts is transmitted to one shaft. The engine has a large mass relative to the received power. As with all engines with crank shafts, piston forces are applied to the side walls of the cylinder, which requires a certain strength of the sealing rings (usually made of steel alloys), the use of lubricant and increases the friction power loss in the cylinders. The engine has a low efficiency, the heat of the burned fuel is not used to turn water into steam in order to increase the volume of the working fluid.

Задача изобретения - увеличение кпд и снижение удельной массы и габаритов на получаемую мощность.The objective of the invention is an increase in efficiency and a decrease in specific gravity and dimensions for the received power.

Эта задача решается тем, что в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров со встречно движущимися в каждом цилиндре поршнями со штоками, вал, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, системы газораспределения, нагрева и впрыска воды, смазки, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала выполнен в виде двух насаженных на вал барабанов, двух опор скольжения, двух узлов скольжения каждого штока и неподвижных боковых сегментов. Барабаны снабжены криволинейными каналами с переменной амплитудой в зависимости от тактов рабочего цикла. Один из узлов скольжения штока размещен в криволинейном канале подвижного барабана, а другой - в канале неподвижного сегмента, параллельном оси цилиндра.This problem is solved in that in a four-stroke internal combustion engine containing a cylinder block with opposing pistons with rods in each cylinder, a shaft, a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational shaft movement, a gas distribution system, heating and water injection, lubrication, a mechanism the conversion of the reciprocating movement of the pistons into the rotational movement of the shaft is made in the form of two drums mounted on the shaft, two sliding bearings, two sliding nodes of each rod and not odvizhnyh lateral segments. The drums are equipped with curved channels with a variable amplitude depending on the cycles of the working cycle. One of the stem sliding nodes is located in the curved channel of the movable drum, and the other in the channel of the fixed segment parallel to the axis of the cylinder.

На чертежах изображено: фиг.1 - общий вид двигателя, разрез вдоль оси вала; фиг.2 - размещение цилиндров в восьмицилиндровом двигателе; фиг.3 - разрез А-А; фиг.4 - вид криволинейных каналов барабанов с расположением в них узлов скольжения восьмицилиндрового двигателя; фиг.5 - узел скольжения С; фиг.6 - вид приводов систем газораспределения и нагрева и впрыска воды, разрез В-В; фиг.7 - то же, вид Д.The drawings show: figure 1 - General view of the engine, a cut along the axis of the shaft; figure 2 - placement of the cylinders in an eight-cylinder engine; figure 3 is a section aa; figure 4 - view of the curved channels of the drums with the location of the nodes of the sliding eight-cylinder engine; 5 is a slip node C; 6 is a view of the actuators of gas distribution systems and heating and water injection, section BB; Fig.7 is the same, view D.

Двигатель содержит цилиндры 1 (фиг.1), объединенные в блок, например, из восьми цилиндров 1 (фиг.2). Каждый цилиндр 1 имеет по два встречно движущихся поршня 2 со штоками 3, расположенными в подшипниковых опорах скольжения 4, 5, для обеспечения движения штоков 3 строго параллельно осям О-О цилиндров 1. Двигатель снабжен валом 6, установленным в подшипниках качения, и механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней 2 во вращательное движение вала 6, выполненным в виде двух насажанных на вал 6 барабанов 7, 8, двух узлов скольжения 9, 10 (фиг.5) для каждого штока 3, неподвижных боковых сегментов 11 с каналами 12, параллельными осям О-О цилиндров 1 (фиг.1, 3). Барабаны 7,8 выполнены полыми и снабжены на наружной поверхности криволинейными каналами 13, 14 (фиг.4). Канал 13 представляет замкнутый криволинейный участок KLMNPR, состоящих из двух ветвей KLM и MNPR с разными амплитудами 15, 16. Первая ветвь KLM соответствует "всасу" и "сжатию", вторая MNPR - "рабочему ходу" и "выпуску". Величины амплитуд 15, 16 этих ветвей различны и взяты с учетом тактов рабочего цикла и обеспечения необходимого давления в цилиндре 1 для испарения воды, впрыснутой в точке N второй половины рабочего хода, и получения максимального импульса движения. Канал 14 барабана 8 - зеркальное отражение канала 13 барабана 7. Узлы скольжения 9, 10 представляют собой подшипники качения 17 (фиг.5).The engine comprises cylinders 1 (FIG. 1) combined in a block, for example, of eight cylinders 1 (FIG. 2). Each cylinder 1 has two counter-moving pistons 2 with rods 3 located in the sliding bearings 4, 5, to ensure the movement of the rods 3 strictly parallel to the axes O-O of the cylinders 1. The engine is equipped with a shaft 6 installed in the rolling bearings, and a conversion mechanism reciprocating movement of the pistons 2 into the rotational movement of the shaft 6, made in the form of two drums 7, 8 mounted on the shaft 6, two sliding nodes 9, 10 (Fig. 5) for each rod 3, fixed side segments 11 with channels 12 parallel O-axes cylinders 1 (figures 1, 3). The drums 7.8 are hollow and provided on the outer surface with curved channels 13, 14 (figure 4). Channel 13 represents a closed curved section of KLMNPR, consisting of two branches KLM and MNPR with different amplitudes 15, 16. The first branch of KLM corresponds to “inlet” and “compression”, the second MNPR corresponds to “working stroke” and “release”. The magnitudes of the amplitudes 15, 16 of these branches are different and are taken into account the cycles of the working cycle and the necessary pressure in the cylinder 1 to evaporate the water injected at point N of the second half of the working stroke and to obtain the maximum momentum of movement. Channel 14 of the drum 8 is a mirror image of the channel 13 of the drum 7. The sliding units 9, 10 are rolling bearings 17 (figure 5).

Система нагрева и впрыска воды (фиг.1, 6, 7) в каждый цилиндр 1 выполнена в виде теплообменника 18, размещенного в средней части цилиндра двух плунжерных пар 19, 20, обратного клапана 21 на канале 22, подводящем воду из рубашки охлаждения 23 к одной из плунжерных пар 19, закачивающей воду в теплообменник 18, форсунки 24 на плунжерной паре 20, впрыскивающей нагретую воду из теплообменника 18 в цилиндр 1. С помощью толкателей 25 и коромысел 26 (фиг.6, 7) управление плунжерными парами 19, 20 выведено на внешнюю сторону двигателя, движение передается от кулачковых дисков 27.The heating and water injection system (Figs. 1, 6, 7) in each cylinder 1 is made in the form of a heat exchanger 18, located in the middle of the cylinder of two plunger pairs 19, 20, a check valve 21 on the channel 22, which supplies water from the cooling jacket 23 to one of the plunger couples 19, pumping water into the heat exchanger 18, nozzles 24 on the plunger pair 20, injecting heated water from the heat exchanger 18 into the cylinder 1. Using the pushers 25 and the rocker arm 26 (Fig.6, 7), control of the plunger couples 19, 20 is derived to the outside of the engine, movement is transmitted from cam disco at 27.

Система газораспределения выполнена в виде двух кулачковых дисков 28, расположенных на валу 6 (фиг.1), толкателей 29, коромысел 30, клапанов 31 с пружинами 32 (фиг.6, 7). Коромысла 30, клапаны 31, концы толкателей 25, 29, пружины 32 клапанов 31 и пружины 33 плунжеров 19, 20 расположены в канале 34 (фиг.1, 6, 7) на внешней стороне центральной части двигателя. Толкатели 25, 29 расположены в каналах 35 (фиг.6, 7), проходящих через рубашку охлаждения 23. Системы газораспределения и впрыска воды смещены относительно друг друга по окружности цилиндров 1.The gas distribution system is made in the form of two cam discs 28 located on the shaft 6 (Fig. 1), pushers 29, rocker arm 30, valves 31 with springs 32 (Figs. 6, 7). The rocker arms 30, the valves 31, the ends of the pushers 25, 29, the springs 32 of the valves 31 and the springs 33 of the plungers 19, 20 are located in the channel 34 (Figs. 1, 6, 7) on the outside of the central part of the engine. Pushers 25, 29 are located in the channels 35 (6, 7) passing through the cooling jacket 23. The gas distribution and water injection systems are offset relative to each other around the circumference of the cylinders 1.

Двигатель работает следующим образом.The engine operates as follows.

Вал 6 с барабанами 7, 8, получив импульс движения, совершает вращательное движение. При этом при прохождении узлами скольжения 10 участка KL криволинейных каналов 13, 14 (фиг.4) узлы скольжения 10, упираясь на стенки каналов 13, 14, передвигают штоки 3 с поршнями 2 от центра цилиндров 1. Благодаря фиксированию штоков 3 по оси O-O цилиндров 1 в опорах скольжения 4, 5 и расположению узла скольжения 9 в канале 12, параллельном оси цилиндра 1, штоки могут двигаться только по оси O-O цилиндров 1. При движении поршней 2 от центра цилиндра 1 возникает разрежение в цилиндре 1, при этом кулачком одного из дисков 28 толкатель 29, поворачивая коромысло 30, перемещает и открывает клапан 31, обеспечивая поступление воздуха в цилиндр 1. На одном из дисков 27 в это время заканчивается кулачок, и плунжер 19 под действием пружины перемещается в гильзе, создавая в ней разрежение и увлекая туда через обратный клапан 21, канал 22 воду из рубашки охлаждения 23. При прохождении узлами скольжения 10 точки L каналов 13,14 на диске 28 заканчивается кулачок привода впускного клапана 31 (фиг.6, 7), толкатель 29 сдвигается к кулачковому диску 28 под действием сжатой пружины 32 клапана 31. При этом клапан 31 закрывается.The shaft 6 with the drums 7, 8, having received a momentum of movement, performs a rotational movement. In this case, when the slip nodes 10 pass the portion KL of the curved channels 13, 14 (Fig. 4), the slip nodes 10, resting on the walls of the channels 13, 14, move the rods 3 with pistons 2 from the center of the cylinders 1. Thanks to the fixation of the rods 3 along the OO axis of the cylinders 1 in the sliding bearings 4, 5 and the location of the sliding unit 9 in the channel 12, parallel to the axis of the cylinder 1, the rods can only move along the axis OO of the cylinders 1. When the pistons 2 move from the center of the cylinder 1, a rarefaction occurs in the cylinder 1, while the cam of one of discs 28 pusher 29, turning rocker 30, alternating Pulls and opens the valve 31, ensuring the flow of air into the cylinder 1. At this time, the cam ends on the cam 27, and the plunger 19 moves under the action of the spring in the sleeve, creating a vacuum in it and dragging water through the check valve 21, channel 22 from cooling jacket 23. When the slip nodes 10 pass the point L of the channels 13.14 on the disk 28, the cam of the inlet valve actuator 31 ends (Fig. 6, 7), the pusher 29 is shifted to the cam disk 28 under the action of the compressed spring 32 of the valve 31. The valve 31 is closing.

При прохождении узлами скольжения 10 участка кривой LM каналов 13, 14 (фиг.4) поршни перемещаются к центру, клапаны 31 (фиг.6, 7) при этом закрыты. Происходит сжатие воздуха с соответствующими изменениями параметров его состояния, температуры, давления, при этом происходит первичный нагрев воды в теплообменнике. В точке М подается сигнал в систему подачи топлива и в цилиндр 1 впрыскивается топливо. Под действием высокой температуры оно воспламеняется и сгорает, увеличивая температуру и давление газов в цилиндре 1. При этом происходит дальнейший нагрев небольшого по массе количества воды в теплообменнике 18.When the nodes slip 10 section of the curve of the LM channels 13, 14 (figure 4), the pistons move to the center, the valves 31 (6, 7) are closed. Air is compressed with corresponding changes in its state parameters, temperature, pressure, while the primary heating of water in the heat exchanger occurs. At point M, a signal is supplied to the fuel supply system and fuel is injected into cylinder 1. Under the influence of high temperature, it ignites and burns, increasing the temperature and pressure of the gases in the cylinder 1. In this case, further heating of a small mass of water in the heat exchanger 18 occurs.

При прохождении узлами скольжения 10 участка MN каналов 13, 14 (фиг.4) происходит перемещение поршней 2 под действием давления газов сгоревшего топлива. При достижении точки N начинается кулачок на диске 27 и при дальнейшем движении вала 6 он перемещает один из толкателей 25, коромысло 26, шток плунжера 20, впрыскивая нагретую в теплообменнике 18 воду в цилиндр 1. Распыленная с помощью форсунки 24 нагретая вода превращается в пар, увеличивая давление в цилиндре 1. При прохождении узлами скольжения 10 участка MNP барабаны 7, 8 получают импульс движения, достаточный для обеспечения внешней работы и совершения последующих тактов, благодаря инерции барабанов 7, 8.When the sliding nodes 10 of the MN section pass through the channels 13, 14 (Fig. 4), the pistons 2 move under the action of the gas pressure of the burned fuel. When the point N is reached, the cam on the disk 27 starts and with the further movement of the shaft 6 it moves one of the pushers 25, the rocker 26, the piston rod 20, injecting the water heated in the heat exchanger 18 into the cylinder 1. The heated water sprayed with the help of the nozzle 24 turns into steam, increasing the pressure in the cylinder 1. When the sliding nodes 10 of the MNP section pass, the drums 7, 8 receive a motion impulse sufficient to ensure external operation and subsequent cycles due to the inertia of the drums 7, 8.

При прохождении узлами скольжения 10 участка PR каналов 13, 14 (фиг.4) на одном из дисков 27 начинается кулачок, который при дальнейшем движении перемещает один из толкателей 25, далее одно из коромысел 26, передвигая шток одного из плунжеров 19, закачивающего воду в теплообменник 18. Аналогично на диске 28 (фиг.1) кулачок перемещает один из толкателей 29, одно из коромысел 30 и открывает выпускной клапан 31. Узлы же скольжения 10, перемещаясь по участку PR, передвигают поршни 2 к центру, вытесняя из цилиндра 1 отработанные газы и пар. Далее цикл KR повторяется. Для работы двигателя используют дистиллированную воду. Подпитку производят дополнительным насосом.When the slip nodes 10 pass the PR section of the channels 13, 14 (Fig. 4), a cam starts on one of the disks 27, which, with further movement, moves one of the pushers 25, then one of the rocker arms 26, moving the rod of one of the plungers 19 pumping water into heat exchanger 18. Similarly, on the disk 28 (Fig. 1), the cam moves one of the pushers 29, one of the rocker arms 30 and opens the exhaust valve 31. The sliding units 10, moving along the PR section, move the pistons 2 to the center, displacing the spent ones from cylinder 1 gases and steam. Next, the cycle KR repeats. Distilled water is used to operate the engine. Make-up is done with an additional pump.

Выполнение механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала в виде двух насаженных на вал барабанов, двух опор и двух узлов скольжения каждого штока, из которых один перемещается параллельно оси цилиндра, а другой по криволинейному каналу подвижного барабана, позволяет упростить конструкцию, уменьшить массу и габариты, ликвидировать усилия на боковые стенки поршней, то есть уменьшить потери мощности на преодоление сил трения, обеспечить динамическую уравновешенность движущихся частей.The implementation of the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational motion of the shaft in the form of two drums mounted on the shaft, two bearings and two sliding nodes of each rod, of which one moves parallel to the cylinder axis and the other along the curved channel of the movable drum, simplifies the design, reduces mass and dimensions, eliminate efforts on the side walls of the pistons, that is, reduce power losses to overcome friction forces, ensure dynamic balance of moving parts .

Размещение теплообменников и устройств для впрыска воды (форсунок) в центральной части цилиндров обеспечивает увеличение поверхности теплообмена, уменьшение времени нагрева воды и использование ее в рабочем цикле, что увеличивает кпд двигателя.Placing heat exchangers and water injection devices (nozzles) in the central part of the cylinders provides an increase in the heat exchange surface, a decrease in the heating time of water and its use in the duty cycle, which increases the efficiency of the engine.

Claims

1. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров со встречно движущимися в каждом цилиндре поршнями со штоками, вал, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, систему газораспределения, отличающийся тем, что штоки поршней установлены в опорах скольжения, а механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала выполнен в виде двух насаженных на вал барабанов, двух узлов скольжения каждого штока и неподвижных боковых сегментов, при этом барабаны снабжены криволинейными каналами с двумя ветвями разных амплитуд в зависимости от тактов рабочего цикла, а один из узлов скольжения штока размещен в криволинейном канале подвижного барабана, а другой в канале неподвижного сегмента, выполненном параллельно оси цилиндра.1. A four-stroke internal combustion engine comprising a cylinder block with pistons counter-moving in each cylinder with rods, a shaft, a mechanism for converting reciprocating pistons into rotational shaft movements, a gas distribution system, characterized in that the piston rods are mounted in sliding bearings, and the mechanism transforming the reciprocating movement of the pistons into a rotational movement of the shaft is made in the form of two drums mounted on the shaft, two sliding units of each rod and fixed Shackle segments, wherein the drums are provided with curved channels with two branches of different amplitudes depending on the operating cycle cycles, and one of the sliding rod assemblies disposed in a curved channel movable roller and the other channel of the fixed segment, taken parallel to the cylinder axis.

2. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что он снабжен теплообменниками для нагрева воды и устройствами для впрыска воды в каждый цилиндр, размещенными в средней части цилиндров.2. The four-stroke internal combustion engine according to claim 1, characterized in that it is equipped with heat exchangers for heating water and devices for injecting water into each cylinder located in the middle of the cylinders.