RU63475U1 - FOUR STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения, а точнее к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в энергетике и на транспорте. Техническим результатом данной полезной модели является повышение коэффициента полезного действия за счет изменения цикла двигателей внутреннего сгорания и конструкции двигателей, работающих по измененным циклам. Данный технический результат достигается за счет того, что в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащим корпус с отверстиями под цилиндры, закрытые крышками, в которой расположены впускные и выпускные клапана, поршни, расположенные в каждом цилиндре, механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, работающего по циклу двигателя внутреннего сгорания, механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя выполнен в виде подшипникового узла на оси закрепленного к поршню, и через узел которого поршень кинематически связан с профилированным кулачком выходного вала двигателя. Конструкция двигателя может быть оснащена дополнительным впускным клапаном, соединяющим камеру сгорания с атмосферой. Дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень повышения давления в степени 1/к при работе по циклу с подводом тепла при постоянном объеме. При работе по циклу с подводом тепла при постоянном давлении дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход, при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень предварительного расширения. При работе по циклу со смешанным подводом тепла для производства дополнительного процесса всасывания атмосферного воздуха, предшествующий такту выхлоп, дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход, при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень увеличения давления в степени 1/k и степени предварительного расширения. Профиль кулачка выходного вала двигателя выполнен таким образом, что объем камеры сгорания в конце процесса выхлопа продуктов сгорания меньше, чем объем камеры сгорания в конце процесса сжатия смеси. В конструкцию двигателя дополнительно включен компрессор, который в начале такта рабочий ход через дополнительный впускной клапан впрыскивает сжатый воздух в камеру сгорания.The utility model relates to the field of engineering, and more specifically to internal combustion engines and can be used in energy and transport. The technical result of this utility model is to increase the efficiency by changing the cycle of internal combustion engines and the design of engines operating on modified cycles. This technical result is achieved due to the fact that in a four-stroke internal combustion engine containing a housing with cylinder openings, closed by caps, in which inlet and outlet valves are located, pistons located in each cylinder, a mechanism for converting the translational motion of the piston into the rotational motion of the output shaft, working on a cycle of an internal combustion engine, a mechanism for converting the translational motion of the piston into the rotational motion of the output shaft of the engine ene in a bearing assembly on an axle fastened to the piston assembly and through which the piston is kinematically connected with profiled cam engine output shaft. The engine design can be equipped with an additional inlet valve connecting the combustion chamber to the atmosphere. An additional inlet valve connecting the combustion chamber to the atmosphere opens during the stroke when the expansion degree of the combustion products is greater than the compression ratio and less than the product of the compression ratio and the pressure increase degree of 1 / k when working in a cycle with heat supply at a constant volume. When working on a cycle with heat supply at constant pressure, an additional inlet valve connecting the combustion chamber to the atmosphere opens during the stroke a stroke, when the degree of expansion of the combustion products is greater than the compression ratio and less than the product of the compression ratio and the preliminary expansion ratio. When working on a cycle with a mixed heat supply for the production of an additional process of aspirating atmospheric air, the exhaust preceding the exhaust stroke and the additional intake valve connecting the combustion chamber to the atmosphere open the stroke during the stroke, with the degree of expansion of the combustion products greater than the compression ratio and less than the product of the compression ratio by the degree of pressure increase in the degree of 1 / k and the degree of preliminary expansion. The cam profile of the engine output shaft is designed so that the volume of the combustion chamber at the end of the exhaust process is less than the volume of the combustion chamber at the end of the compression process. The compressor is additionally included in the engine design, which at the beginning of the stroke, the working stroke through the additional inlet valve injects compressed air into the combustion chamber.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, а точнее к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в энергетике и на транспорте. Известны циклы двигателя внутреннего сгорания (с подводом тепла при постоянном объеме, с подводом тепла при постоянном давлении, со смешанным подводом тепла), которые лежат в основе рабочего процесса любого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, описанные в любом учебнике термодинамики, например А.В.Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К.Щукин; «Термодинамика и теплопередача»; «Высшая школа»; Москва; 1964 г. Газ в конце такта рабочий ход во всех известных циклах двигателя внутреннего сгорания имеет давление выше атмосферного, но выбрасывается в атмосферу, не совершая полезной работы. Известен способ использования этой энергии в двигателе внутреннего сгорания с турбо наддувом, в котором отработанный газ используется для привода турбины, которая в свою очередь приводит в движение компрессор, применяемый для нагнетания воздуха в камеру сгорания в такте впуск. Но эффективность такого решения не велика, так как энергия отработанного газа сначала преобразуется в механическую энергию вращения турбины и затем в энергию сжатого газа с соответствующими потерями при преобразовании одного вида энергии в другой. Еще одним недостатком циклов двигателя внутреннего сгорания является то, что в конце такта выпуск отработанный газ выбрасывается в атмосферу не полностью. Этот горячий газ, смешиваясь со свежей смесью увеличивает ее температуру, не позволяя увеличить степень сжатия из-за возникновения явлений самовозгорания и детонации.The utility model relates to the field of engineering, and more specifically to internal combustion engines and can be used in energy and transport. There are known cycles of an internal combustion engine (with heat supply at a constant volume, with heat supply at a constant pressure, with mixed heat supply), which underlie the workflow of any four-stroke internal combustion engine, described in any thermodynamics textbook, for example A.V.Bolgar , G.A. Mukhachev, V.K. Shchukin; “Thermodynamics and heat transfer”; "Graduate School"; Moscow; 1964. Gas at the end of a stroke, the working stroke in all known cycles of an internal combustion engine has a pressure higher than atmospheric, but is released into the atmosphere without performing useful work. There is a method of using this energy in a turbo-charged internal combustion engine in which the exhaust gas is used to drive a turbine, which in turn drives a compressor used to pump air into the combustion chamber at the intake stroke. But the effectiveness of such a solution is not great, since the energy of the exhaust gas is first converted into mechanical energy of rotation of the turbine and then into the energy of compressed gas with corresponding losses when converting one type of energy to another. Another disadvantage of internal combustion engine cycles is that at the end of the cycle the exhaust gas discharge is not completely emitted into the atmosphere. This hot gas, mixed with a fresh mixture, increases its temperature, not allowing it to increase the degree of compression due to the occurrence of spontaneous combustion and detonation phenomena.

Двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклам двигателей внутреннего сгорания, при практической реализации оснащаются системой охлаждения, которая необходима для обеспечения работоспособности двигателя, в условиях высокой тепловой нагрузки. Эта система отводит часть подведенного тепла в атмосферу без совершения полезной работы, ухудшая экономичность двигателя. Кроме этого часть полезной работы расходуется на привод этой системы, тем самым, уменьшая и без того низкий коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания.Internal combustion engines operating on the cycles of internal combustion engines, in practical implementation, are equipped with a cooling system, which is necessary to ensure the operability of the engine under high heat load. This system removes part of the supplied heat into the atmosphere without performing useful work, impairing the efficiency of the engine. In addition, part of the useful work is spent on the drive of this system, thereby reducing the already low efficiency of the internal combustion engine.

В качестве механизма для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя используется кривошипно-шатунный механизм. Он широко известен, применяется на двигателях отечественных легковых автомобилей, описан в литературе, например К.С.Шестопалов, С.Ф.Демиховский; «Легковые автомобили»; «ДОСААФ СССР»; Москва; 1989 год. Так как этот механизм обеспечивает равные величины тактов (величины хода поршня), применение этого механизма и не позволяет использовать энергию отработанного газа и избавится от вредного объема камеры сгорания в конце такта выпуск.A crank mechanism is used as a mechanism for converting the translational motion of the piston into the rotational motion of the output shaft of the engine. It is widely known, is used on engines of domestic cars, is described in the literature, for example, K.S. Shestopalov, S.F. Demikhovsky; "Cars"; "DOSAAF USSR"; Moscow; 1989 year. Since this mechanism provides equal clock cycles (piston stroke values), the use of this mechanism does not allow the use of exhaust gas energy and eliminates the harmful volume of the combustion chamber at the end of the exhaust stroke.

Известны многочисленные попытки модернизации кривошипно-шатунного механизма, например патент RU 2122662, GB 2241988, US 5060603. Но все эти решения направлены на улучшение, по мнению авторов, преобразования поступательного движения во вращательное, не устраняя вышеуказанных недостатков циклов двигателя внутреннего сгорания.Numerous attempts to modernize the crank mechanism are known, for example, patent RU 2122662, GB 2241988, US 5060603. But all these decisions are aimed at improving, according to the authors, the translation from linear to rotational without eliminating the above-mentioned drawbacks of the cycles of an internal combustion engine.

Широко известны системы охлаждения, они описаны, например К.С.Шестопалов, С.Ф.Демиховский; «Легковые автомобили»; «ДОСААФ СССР»; Москва; 1989 год. Но эта система при снижении тепловой нагрузки на двигатель просто станет не нужной, что позволит упростить конструкцию двигателя и уменьшить тепло потери.Cooling systems are widely known, they are described, for example, K.S. Shestopalov, S.F. Demikhovsky; "Cars"; "DOSAAF USSR"; Moscow; 1989 year. But this system, while reducing the thermal load on the engine, will simply become unnecessary, which will simplify the design of the engine and reduce heat loss.

Техническим результатом данной полезной модели является повышение коэффициента полезного действия за счет изменения цикла двигателей внутреннего сгорания и конструкции двигателей, работающих по измененным циклам.The technical result of this utility model is to increase the efficiency by changing the cycle of internal combustion engines and the design of engines operating on modified cycles.

Данный технический результат достигается за счет того, что в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащим корпус с отверстиями под цилиндры, закрытые крышками, в которой расположены впускные и выпускные клапана, поршни, расположенные в каждом цилиндре, механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, работающего по циклу двигателя внутреннего сгорания, механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя выполнен в виде подшипникового узла на оси закрепленного к поршню, и через узел которого поршень кинематически связан с профилированным кулачком выходного вала двигателя.This technical result is achieved due to the fact that in a four-stroke internal combustion engine containing a housing with cylinder openings, closed by caps, in which inlet and outlet valves are located, pistons located in each cylinder, a mechanism for converting the translational motion of the piston into the rotational motion of the output shaft, working on a cycle of an internal combustion engine, a mechanism for converting the translational motion of the piston into the rotational motion of the output shaft of the engine ene in a bearing assembly on an axle fastened to the piston assembly and through which the piston is kinematically connected with profiled cam engine output shaft.

Конструкция двигателя может быть оснащена дополнительным впускным клапаном, соединяющим камеру сгорания с атмосферой.The engine design can be equipped with an additional inlet valve connecting the combustion chamber to the atmosphere.

Дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень повышения давления в степени 1/k при работе по циклу с подводом тепла при постоянном объеме.An additional inlet valve connecting the combustion chamber to the atmosphere opens during the stroke when the expansion degree of the combustion products is greater than the compression ratio and less than the product of the compression ratio and the pressure increase degree of 1 / k when working in a cycle with heat supply at a constant volume.

При работе по циклу с подводом тепла при постоянном давлении дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход, при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень предварительного расширения.When working on a cycle with heat supply at constant pressure, an additional inlet valve connecting the combustion chamber to the atmosphere opens during the stroke a stroke, when the degree of expansion of the combustion products is greater than the compression ratio and less than the product of the compression ratio and the preliminary expansion ratio.

При работе по циклу со смешанным подводом тепла для производства дополнительного процесса всасывания атмосферного воздуха, предшествующий такту выхлоп, дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход, при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень увеличения давления в степени 1/k и степени предварительного расширения.When working on a cycle with a mixed heat supply for the production of an additional process of aspirating atmospheric air, the exhaust preceding the exhaust stroke and the additional intake valve connecting the combustion chamber to the atmosphere open the stroke during the stroke, with the degree of expansion of the combustion products greater than the compression ratio and less than the product of the compression ratio by the degree of pressure increase in the degree of 1 / k and the degree of preliminary expansion.

Профиль кулачка выходного вала двигателя выполнен таким образом, что объем камеры сгорания в конце процесса выхлопа продуктов сгорания меньше, чем объем камеры сгорания в конце процесса сжатия смеси.The cam profile of the engine output shaft is designed so that the volume of the combustion chamber at the end of the exhaust process is less than the volume of the combustion chamber at the end of the compression process.

В конструкцию двигателя дополнительно включен компрессор, который в начале такта рабочий ход через дополнительный впускной клапан впрыскивает сжатый воздух в камеру сгорания.The compressor is additionally included in the engine design, which at the beginning of the stroke, the working stroke through the additional inlet valve injects compressed air into the combustion chamber.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 представлены циклы двигателя сгорания с подводом тепла при постоянном объеме в координатах P-V, где: Р - давление газа, V - объем газа;Figure 1 shows the cycles of a combustion engine with heat supply at a constant volume in coordinates P-V, where: P is the gas pressure, V is the volume of gas;

На фиг.2 представлена конструктивная схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания, гдеFigure 2 presents a structural diagram of the proposed internal combustion engine, where

1 - Конец такта впуск и начало такта сжатие, 2 - Такт сжатие, 3 - Конец такта сжатие и начало такта рабочий ход, 4 - Такт рабочий ход, 5 - Конец такта рабочий ход и начало такта выпуск, 6 - Такт выпуск, 7 - Конец такта выпуск и начало такта впуск, 8 - Такт впуск, 9 - корпус с отверстиями под цилиндры, закрытые крышками - 10, в каждом цилиндре расположен поршень - 11.1 - The end of the inlet measure and the beginning of the compression step, 2 - The compression step, 3 - The end of the compression cycle and the start of the working stroke, 4 - The stroke of the working stroke, 5 - The end of the measure, working stroke and the beginning of the measure step, 6 - The release step, 7 - The end of the exhaust stroke and the beginning of the intake stroke, 8 - intake stroke, 9 - the case with holes for the cylinders, closed by covers - 10, in each cylinder there is a piston - 11.

На фиг.3 представлено сечение цилиндра в конце такта выпуск, 12 - подшипниковый узел, закрепленный на оси поршня и состоящий из подшипника - 13, подшипников - 14, водил - 15 и осей - 16; через подшипниковый узел поршень кинематически связан с кулачком выходного вала - 17 двигателя.Figure 3 presents the cross section of the cylinder at the end of the stroke release, 12 - bearing assembly mounted on the axis of the piston and consisting of a bearing - 13, bearings - 14, carrier - 15 and axles - 16; through the bearing assembly, the piston is kinematically connected with the cam of the output shaft - 17 of the engine.

На фиг.4 представлены циклы двигателя сгорания с подводом тепла при постоянном давлении в координатах P-V.Figure 4 presents the cycles of a combustion engine with heat supply at constant pressure in coordinates P-V.

На фиг.5 представлены циклы двигателя сгорания со смешанным подводом тепла в координатах P-V.Figure 5 presents the cycles of a combustion engine with a mixed supply of heat in coordinates P-V.

На фиг.6 представлены циклы двигателя сгорания подводом тепла при постоянном объеме и подводом сжатого воздуха в начале процесса расширения продуктов сгорания и в координатах Р-V.Figure 6 presents the cycles of the combustion engine by applying heat with a constant volume and supply of compressed air at the beginning of the expansion process of the combustion products and in coordinates P-V.

Заявленный результат можно подтвердить на конкретном примере цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме.The claimed result can be confirmed on a specific example of a cycle of an internal combustion engine with heat supply at a constant volume.

На фиг.1 изображены несколько циклов.Figure 1 shows several cycles.

Линия abcdeba - цикл с обычной для этих двигателей степенью сжатия 8,5 и степенью увеличения давления 1,5.The abcdeba line is a cycle with a compression ratio of 8.5 typical for these engines and a pressure increase of 1.5.

Линия abcfgba - цикл с обычной для этих двигателей степенью сжатия 8,5 и степенью увеличения давления 2,2.The abcfgba line is a cycle with a compression ratio of 8.5 common for these engines and a pressure increase of 2.2.

Линия abchiba - цикл с обычной для этих двигателей степенью сжатия 8,5 и степенью увеличения давления 5.The abchiba line is a cycle with a compression ratio of 8.5 typical for these engines and a pressure increase of 5.

Это классические циклы двигателя с искровым зажиганием, они описаны в литературе, например А.В.Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К.Щукин; «Термодинамика и теплопередача»; «Высшая школа»; Москва; 1964 г. Их термические коэффициенты полезного действия не зависят от степени повышения давления, в данном случае равны 57,5% и вычисляются по формуле:These are the classic engine cycles with spark ignition, they are described in the literature, for example, A.V. Bolgar, G.A. Mukhachev, V.K. Shchukin; “Thermodynamics and heat transfer”; "Graduate School"; Moscow; 1964. Their thermal efficiencies do not depend on the degree of pressure increase, in this case they are 57.5% and are calculated by the formula:

где: h_t - термический коэффициент полезного действия, v - степень сжатия, k - показатель адиабаты.where: h _t is the thermal efficiency, v is the compression ratio, k is the adiabatic index.

Сущность устройстваDevice essence

В конце такта выпуск, так как поршень 3 вплотную прилегает к крышке 2, объем камеры сгорания практически равен 0, впускной и выпускной клапаны закрыты (на рисунке не показаны). Такт впуск. Впускной клапан открывается. За счет инерции кулачок 9, поворачиваясь вокруг оси, перемещает поршень 3, увеличивая объем камеры сгорания. Смесь через открытый впускной клапан подвергается процессу всасывания. По достижению крайнего положения впускной клапан закрывается. Процесс всасывания смеси и такт впуск заканчивается (линия 1b (фиг.1)). Такт сжатие. За счет инерции кулачок 9, поворачиваясь вокруг оси, перемещает поршень 3 в противоположную сторону, уменьшая объем камеры сгорания в конце такта в 8,5 раза, тем самым смесь подвергают сжатию со степенью сжатия 8,5. Процесс сжатия смеси и такт сжатие заканчивается (линия bc).At the end of the exhaust stroke, since the piston 3 is adjacent to the cover 2, the volume of the combustion chamber is almost 0, the intake and exhaust valves are closed (not shown in the figure). Intake cycle. The inlet valve opens. Due to inertia, the cam 9, rotating around its axis, moves the piston 3, increasing the volume of the combustion chamber. The mixture through the open inlet valve undergoes a suction process. Upon reaching the end position, the intake valve closes. The process of suction of the mixture and the intake stroke ends (line 1b (figure 1)). Tact compression. Due to inertia, the cam 9, rotating around the axis, moves the piston 3 in the opposite direction, reducing the volume of the combustion chamber at the end of the cycle by 8.5 times, thereby compressing the mixture with a compression ratio of 8.5. The compression process of the mixture and the compression step ends (line bc).

Такт рабочий ход. Смесь поджигается искрой. Поршень 3 вновь меняет направление движения и за счет давления газа начинает вращать кулачок вокруг оси. При этом объем камеры сгорания к концу такта увеличивается в 14,9 раза, тем самым рабочее тело последовательно подвергают процессу горения и расширению продуктов сгорания со степенью расширения 14,9 для циклов со степенью увеличения давления 2,2 и 5 (линии fgm или hin соответственно). Для цикла со степенью увеличения давления 1,5 такт рабочий ход изменяют. При уменьшении давления в камере сгорания до величины атмосферного давления открывают клапан (на рисунке не показан), соединяющий камеру сгорания с атмосферой, и дальнейшее движении поршня осуществляют, засасывая атмосферный воздух в камеру сгорания (линии depm). По достижению крайнего положения клапан закрывается. Такт рабочий ход и процесс расширения продуктов сгорания заканчивается.Tact working stroke. The mixture is ignited by a spark. The piston 3 again changes the direction of motion and, due to gas pressure, begins to rotate the cam around its axis. At the same time, the volume of the combustion chamber at the end of the step increases by 14.9 times, thereby the working fluid is sequentially subjected to the combustion process and expansion of the combustion products with an expansion ratio of 14.9 for cycles with a pressure increase of 2.2 and 5 (fgm or hin lines, respectively ) For a cycle with a pressure increase of 1.5 clock strokes, the stroke is changed. When the pressure in the combustion chamber decreases to atmospheric pressure, a valve is opened (not shown in the figure) connecting the combustion chamber to the atmosphere, and further piston movement is carried out by sucking in atmospheric air into the combustion chamber (depm lines). Upon reaching the extreme position, the valve closes. The cycle of the stroke and the process of expansion of the combustion products ends.

Такт выпуск. Открывается выпускной клапан. За счет инерции кулачок 3 перемещает поршень 9, уменьшая объем камеры сгорания. Продукты сгорания через открытый выпускной клапан подвергают процессу вытеснения в атмосферу. По достижению крайнего положения, в котором объем камеры сгорания уменьшается до 0 выпускной клапан закрывают. Процесс выхлопа продуктов сгорания и такт выпуск заканчивается (линии m1 или nm1 для цикла со степенью увеличения давления 5).Tact Release. The exhaust valve opens. Due to inertia, the cam 3 moves the piston 9, reducing the volume of the combustion chamber. The products of combustion through an open exhaust valve are subjected to a process of displacement into the atmosphere. Upon reaching the extreme position in which the volume of the combustion chamber is reduced to 0, the exhaust valve is closed. The process of exhausting combustion products and the cycle of exhaustion ends (lines m1 or nm1 for a cycle with a pressure increase of 5).

Таким образом, за 1 оборот кулачка происходит полный цикл двигателя внутреннего сгорания. На фиг.2 изображены цилиндры в разных фазах цикла.Thus, for 1 revolution of the cam, a complete cycle of the internal combustion engine occurs. Figure 2 shows the cylinders in different phases of the cycle.

Итак, линия 1bcfm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 2,2 и степенью расширения 14,9. Его полезная работа больше чем у цикла abcfgba на величину равную площади ограниченной линиями gmbg. Описание этого цикла известно в термодинамике под названием «цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном объеме». Мощность двигателя работающего по этому циклу увеличится на 8,7% за один цикл. Коэффициент полезного действия в данном случае равен 62,5% и применительно к двигателям внутреннего сгорания вычисляется по формуле:So, line 1bcfm1 is an altered cycle of an internal combustion engine with a compression ratio of 8.5; a degree of increase in pressure of 2.2 and a degree of expansion of 14.9. Its useful work is greater than the abcfgba cycle by an amount equal to the area bounded by the gmbg lines. The description of this cycle is known in thermodynamics under the name "cycle of a gas turbine installation with heat supply at a constant volume." The engine power working on this cycle will increase by 8.7% per cycle. The efficiency in this case is 62.5% and, as applied to internal combustion engines, is calculated by the formula:

где: 1 - степень повышения давления.where: 1 - the degree of pressure increase.

Линия 1bchnm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 5 и степенью расширения 14,9. Его полезная работа больше, чем у цикла abchiba на величину равную площади ограниченной линиями inmbi. Описание этого цикла не известно в термодинамике и формула для вычисления коэффициента полезного действия также не известна. Но по графику, построенному в масштабе, не сложно определить значение коэффициента полезного действия. Он в данном случае будет примерно равен 65%. Мощность двигателя работающего по этому циклу увеличится на 13% за один цикл. Если увеличить степень расширения до 26,8 (расширить газ до атмосферного давления), то можно еще увеличить значение коэффициента полезного действия до 67,9%, а мощность увеличится на 18%.Line 1bchnm1 - modified cycle of an internal combustion engine with a compression ratio of 8.5; a degree of increase in pressure of 5 and a degree of expansion of 14.9. Its useful work is greater than that of the abchiba cycle by an amount equal to the area bounded by inmbi lines. The description of this cycle is not known in thermodynamics and the formula for calculating the efficiency is also not known. But according to the graph, built on a scale, it is not difficult to determine the value of the coefficient of performance. He in this case will be approximately equal to 65%. The engine power of this cycle will increase by 13% in one cycle. If you increase the degree of expansion to 26.8 (expand the gas to atmospheric pressure), then you can still increase the value of the efficiency to 67.9%, and the capacity will increase by 18%.

Линия 1bcdpm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 1,5 и степенью расширения 11,3. Его полезная работа больше, чем у цикла abcdeba на величину равную площади ограниченной линиями epbe. Коэффициент полезного действия в данном случае будет примерно равен 60%. Мощность двигателя работающего по этому циклу увеличится на 5% за один цикл.Line 1bcdpm1 - modified cycle of an internal combustion engine with a compression ratio of 8.5; the degree of increase in pressure of 1.5 and the degree of expansion of 11.3. Its useful work is greater than the abcdeba cycle by an amount equal to the area bounded by the epbe lines. The efficiency in this case will be approximately equal to 60%. The engine power working on this cycle will increase by 5% in one cycle.

Линия 1bcdnm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 1,5 и степенью расширения 14,9. Этот цикл получается из цикла 1bcdpm1 при отсутствии клапана, соединяющего камеру сгорания с атмосферой, то есть без процесса всасывания в такте рабочий ход. Так как двигатель изображенный на фиг.2 и 3 обеспечивает степень расширения равную 14,9, давление в камере сгорания на участке рn, упадет ниже атмосферного. Поэтому поршень на этом участке будет тормозиться, то есть будет совершаться вредная работа пропорциональная площади ограниченной линиями pnmp. Это приведет к уменьшению коэффициента полезного действия двигателя до величины 56,6%. Таким образом, без введения процесса всасывания величина коэффициента полезного действия Line 1bcdnm1 - modified cycle of an internal combustion engine with a compression ratio of 8.5; the degree of increase in pressure of 1.5 and the degree of expansion of 14.9. This cycle is obtained from cycle 1bcdpm1 in the absence of a valve connecting the combustion chamber to the atmosphere, that is, without a suction process in the stroke of the stroke. Since the engine shown in FIGS. 2 and 3 provides an expansion ratio of 14.9, the pressure in the combustion chamber in the PN section will drop below atmospheric. Therefore, the piston in this section will slow down, that is, harmful work will be performed proportional to the area limited by the pnmp lines. This will reduce the efficiency of the engine to 56.6%. Thus, without introducing a suction process, the value of the coefficient of performance

становится даже меньше коэффициента полезного действия классического цикла (57,5%), то есть излишнее расширение продуктов сгорание более вредно, чем их недорасширение. Следовательно, для увеличения коэффициента полезного действия степень расширения в цикле двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме должна быть больше либо равна произведению степени сжатия на степень повышения давления в степени 1/k. В диапазоне, где степень расширения больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень повышения давления в степени 1/k нужно ввести дополнительный процесс всасывания в такте рабочий ход. Кроме этого более высокие значения коэффициента полезного действия двигателя при расширении продуктов сгорания получаются при больших значениях степени подвода тепла (при l=1,5 h_t=60%; при l=7 h_t=70%), поэтому наиболее оптимальным решением будет двигатель с большой степенью расширения, который позволяет максимально расширить продукты сгорания при больших степенях увеличения давления, а при низких, введением процесса всасывания при такте рабочий ход, не допустить излишнее расширение продуктов сгорания.it becomes even less than the efficiency of the classical cycle (57.5%), that is, excessive expansion of the products of combustion is more harmful than their underexpansion. Therefore, to increase the efficiency, the degree of expansion in the cycle of an internal combustion engine with heat supply at a constant volume should be greater than or equal to the product of the compression ratio and the degree of pressure increase to the degree of 1 / k. In the range where the degree of expansion is greater than the degree of compression and less than the product of the degree of compression and the degree of pressure increase to a degree of 1 / k, an additional suction process must be introduced at the stroke of the stroke. In addition, higher values of the efficiency of the engine during the expansion of the combustion products are obtained for large values of the degree of heat input (at l = 1.5 h _t = 60%; at l = 7 h _t = 70%), so the engine will be the most optimal solution with a large degree of expansion, which allows the maximum expansion of the combustion products with large degrees of increase in pressure, and at low, by introducing the suction process during the stroke, to prevent excessive expansion of the combustion products.

Как видно из приведенных выше формул коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания прямо пропорционален степени сжатия. Явления самовоспламенения смеси и детонация возникают из-за высокой температуры в конце процесса сжатия (стр.125 А.В.Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К.Щукин; «Термодинамика и теплопередача»; «Высшая школа»; Москва; 1964 г). Тем самым, предотвратив смешивание отработанных газов со свежей смесью, можно понизить температуру в конце такта сжатие. Это позволит уже на этапе проектирования заложить большие значения степени сжатия, тем самым, увеличивая коэффициент полезного действия. Очевидно, что увеличение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания будет получено также и в цикле дизельного двигателя и цикле со смешанным подводом тепла. Классические и измененные циклы двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном давлении в координатах P-V изображен на фиг.4. Линия abcgiba, линия abcdeba и линия abcghba - классические циклы с подводом тепла при постоянном давлении. Линия 1bcgmf1, линия 1bcdf1 и линия 1bcgif1 - измененные циклы с подводом тепла при постоянном давлении. При данном цикле давление в камере сгорания станет равным атмосферному в конце такта рабочий ход при степени расширения равной произведению степени сжатия на степень предварительного расширения.As can be seen from the above formulas, the efficiency of the internal combustion engine is directly proportional to the degree of compression. Self-ignition phenomena of the mixture and detonation arise due to the high temperature at the end of the compression process (p. 125 A.V. Bolgarsky, G.A. Mukhachev, V.K. Shchukin; “Thermodynamics and heat transfer”; “Higher school”; Moscow; 1964 g). Thus, by preventing mixing of the exhaust gases with the fresh mixture, it is possible to lower the temperature at the end of the compression stroke. This will allow us to lay large values of the degree of compression already at the design stage, thereby increasing the efficiency. Obviously, an increase in the efficiency of the internal combustion engine will also be obtained in the cycle of the diesel engine and the cycle with mixed heat supply. Classic and modified cycles of an internal combustion engine with heat supply at constant pressure in coordinates P-V are depicted in figure 4. The abcgiba line, the abcdeba line and the abcghba line are classic cycles with constant pressure heat input. Line 1bcgmf1, line 1bcdf1 and line 1bcgif1 - modified cycles with heat input at constant pressure. With this cycle, the pressure in the combustion chamber will become equal to atmospheric at the end of the cycle the stroke when the degree of expansion equal to the product of the degree of compression by the degree of preliminary expansion.

Классические и измененные циклы двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом тепла в координатах P-V представлен на фиг.5. Линия abcpqrba, линия abcdmeba и линия abcgnhba - классические циклы со смешанным подводом тепла. Линия 1bcpqsf1, линия 1bcdmf1 и линия 1bcgnif1 - измененные циклы со смешанным подводом тепла. При цикле со смешанным подводом тепла давление в камере сгорания станет равным атмосферному в конце такта рабочий ход при степени расширения равной произведению степени сжатия, степени увеличения давления в степени 1/k и степени предварительного расширения.Classic and modified cycles of an internal combustion engine with a mixed supply of heat in coordinates P-V are presented in Fig.5. The abcpqrba line, the abcdmeba line, and the abcgnhba line are classic cycles with mixed heat input. Line 1bcpqsf1, line 1bcdmf1 and line 1bcgnif1 are modified cycles with mixed heat input. In a cycle with a mixed supply of heat, the pressure in the combustion chamber will become equal to atmospheric at the end of the cycle the stroke with an expansion degree equal to the product of the compression ratio, the degree of pressure increase of 1 / k and the degree of preliminary expansion.

Заявленный результат по снижению тепловой нагрузки на двигатель можно продемонстрировать на примере цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме и подводом сжатого воздуха в начале процесса расширения продуктов сгорания представленному на фиг.6.The claimed result of reducing the thermal load on the engine can be demonstrated by the example of a cycle of an internal combustion engine with heat supply at a constant volume and compressed air supply at the beginning of the expansion process of the combustion products shown in Fig.6.

Двигатель работает в этом конкретном примере традиционно, но во время совершения тактов всасывания, сжатия и начале такта рабочий ход в дополнительном компрессоре сжимается объем воздуха равный объему смеси в конце такта впуск (линия 1ab фиг.6). Когда давление продуктов сгорания в процессе расширения станет равным давлению сжатого компрессором воздуха, открывают клапан, воздух вытесняется в камеру сгорания (линии bh и ef), после этого клапан закрывают. Температура сжатого воздуха существенно ниже температуры продуктов сгорания, поэтому температура смеси будет значительно меньше температуры продуктов сгорания. Таким образом, уже в начале процесса расширения удается резко понизить температуру газа, далее при дальнейшем расширении температура газа еще уменьшится (линия fg). Традиционно дальше следует такт выпуск (линия g1).The engine operates traditionally in this particular example, but during the execution of the suction, compression, and start of the cycle, the stroke in the additional compressor compresses the air volume equal to the volume of the mixture at the end of the intake cycle (line 1ab of FIG. 6). When the pressure of the combustion products during the expansion process becomes equal to the pressure of the air compressed by the compressor, the valve is opened, air is forced into the combustion chamber (lines bh and ef), after which the valve is closed. The temperature of the compressed air is significantly lower than the temperature of the combustion products, so the temperature of the mixture will be significantly lower than the temperature of the combustion products. Thus, already at the beginning of the expansion process, it is possible to sharply lower the gas temperature, then with further expansion the gas temperature will decrease further (line fg). Traditionally followed by the beat release (line g1).

Итак, 1abcefg1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме и подводом сжатого воздуха (1abh). Полезная работа цикла увеличилась по сравнению с циклом 1abcd1, описанный выше на величину площади ограниченной линиями efgde, но для привода компрессора нужно израсходовать энергию равную площади ограниченной линиями 1abh1. Площадь, ограниченная линиями efgde не значительно (за счет того, что теплоемкость реального газа зависит от температуры) больше площади ограниченной линиями 1abh1, поэтому коэффициент полезного действия будет практически равным коэффициенту полезного действия цикла 1abcd1, описанного выше. Регулируя количество подводимого сжатого воздуха можно обеспечить приемлемую тепловую нагрузку на двигатель и если не полностью исключить, потери от системы охлаждения, то существенно уменьшить их.So, 1abcefg1 is an altered cycle of an internal combustion engine with heat supply at a constant volume and compressed air supply (1abh). The useful work of the cycle has increased compared to the cycle 1abcd1, described above by the amount of area limited by lines efgde, but to drive the compressor you need to expend energy equal to the area limited by lines 1abh1. The area limited by the efgde lines is not significant (due to the fact that the heat capacity of the real gas depends on temperature) is larger than the area limited by the lines 1abh1, so the efficiency will be almost equal to the efficiency of the 1abcd1 cycle described above. By adjusting the amount of compressed air supplied, it is possible to provide an acceptable thermal load on the engine and, if not completely exclude, losses from the cooling system, then significantly reduce them.

В случае классического цикла двигателя внутреннего сгорания подвод воздуха в такте рабочий ход энергетически не выгоден, так как площадь, ограниченная линиями efine (фиг.6), существенно меньше энергии необходимой на привод компрессора (площадь ограниченная линиями 1abh1).In the case of the classical cycle of an internal combustion engine, air supply in a stroke is not energetically favorable, since the area limited by the efine lines (Fig. 6) is significantly less than the energy required for the compressor drive (the area limited by lines 1abh1).

Очевидно, что подвод сжатого воздуха в камеру сгорания в начале такта рабочий ход для снижения тепловой нагрузки на двигатель, эффективен и для двигателей, работающим по измененным циклам с подводом тепла при постоянном давлении и со смешанным подводом тепла.Obviously, the supply of compressed air to the combustion chamber at the beginning of the stroke, the working stroke to reduce the thermal load on the engine, is also effective for engines operating on modified cycles with heat supply at constant pressure and with mixed heat supply.

Claims (4)

1. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с отверстиями под цилиндры, закрытые крышками, в которой расположены впускные и выпускные клапана, поршни, расположенные в каждом цилиндре, механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, работающего по циклу двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя выполнен в виде профилированного кулачка выходного вала двигателя, кинематически связанного с поршнем через подшипниковый узел.1. Four-stroke internal combustion engine, comprising a housing with cylinder openings, closed by covers, in which inlet and outlet valves are located, pistons located in each cylinder, a mechanism for converting the translational motion of the piston into the rotational motion of the output shaft, operating along the cycle of the internal combustion engine characterized in that the mechanism for converting the translational motion of the piston into the rotational motion of the output shaft of the engine is made in the form of a profiled cam in Khodnev shaft of the engine is kinematically connected to the piston through a bearing assembly. 2. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что конструкция двигателя оснащена дополнительным впускным клапаном, соединяющим камеру сгорания с атмосферой и выполненным с возможностью открытия в периоде такта рабочий ход, если давление внутри камеры сгорания станет меньше либо равно атмосферному.2. The four-stroke internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the engine design is equipped with an additional inlet valve connecting the combustion chamber to the atmosphere and configured to open a stroke during the stroke period if the pressure inside the combustion chamber becomes less than or equal to atmospheric. 3. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что профиль кулачка выходного вала двигателя выполнен таким образом, что объем камеры сгорания в конце процесса выхлопа продуктов сгорания меньше, чем объем камеры сгорания в конце процесса сжатия смеси.3. The four-stroke internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the cam profile of the output shaft of the engine is designed so that the volume of the combustion chamber at the end of the exhaust process of the combustion products is less than the volume of the combustion chamber at the end of the compression process of the mixture. 4. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в конструкцию двигателя дополнительно включен компрессор, который выполнен с возможностью в начале такта рабочий ход через дополнительный впускной клапан впрыскивает сжатый воздух в камеру сгорания.

4. The four-stroke internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the compressor is additionally included in the engine design, which is configured to, at the beginning of the stroke, a working stroke through an additional intake valve, injects compressed air into the combustion chamber.