EA036869B1 - Internal combustion engine with exhaust gas heat recovery - Google Patents
Internal combustion engine with exhaust gas heat recovery Download PDFInfo
- Publication number
- EA036869B1 EA036869B1 EA201800207A EA201800207A EA036869B1 EA 036869 B1 EA036869 B1 EA 036869B1 EA 201800207 A EA201800207 A EA 201800207A EA 201800207 A EA201800207 A EA 201800207A EA 036869 B1 EA036869 B1 EA 036869B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- cylinders
- expansion
- working
- internal combustion
- cylinder
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
- F02B41/02—Engines with prolonged expansion
- F02B41/06—Engines with prolonged expansion in compound cylinders
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, работающих преимущественно в условиях номинальной нагрузки.The invention relates to heat engines and can be used in internal combustion engines operating primarily under rated load conditions.
Известен двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов путем всасывания рабочего заряда в один из двух смещенных по фазе на 360° рабочих цилиндров, его сжатия, воспламенения рабочего заряда и сгорания, расширения продуктов сгорания, перепуска их при движении поршня рабочего цилиндра к верхней мертвой точке через перепускной канал в расширительный цилиндр, дополнительного расширения в последнем продуктов сгорания с последующим выпуском отработавших газов в выпускной коллектор[1].Known is an internal combustion engine with the utilization of the heat of exhaust gases by sucking the working charge into one of the two out of phase 360 ° working cylinders, compressing it, igniting the working charge and combustion, expanding the combustion products, bypassing them when the piston of the working cylinder moves to top dead center through the bypass channel into the expansion cylinder, additional expansion in the last combustion products, followed by the release of exhaust gases into the exhaust manifold [1].
По известному способу работы теплового двигателя дополнительное расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре увеличивает работу от расширения рабочих газов, а, следовательно, повышает экономичность двигателя внутреннего сгорания. Главным недостатком донного двигателя является то, что во время выпуска значительная часть тепловой энергии отработавших газов из-за их высокой температуры (1200-1450°С) теряется во время их перемещения из рабочего цилиндра в расширительный цилиндр и выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами горения топлива. В это время остывают: расширительный цилиндр, его поршень и соединительные патрубки, поэтому при следующем рабочем цикле двигателя большая часть теплоты отработавших газов расходуется на нагрев этих деталей. Вместе с тем отработавшие газы, покидающие расширительный цилиндр содержат не меньшее количество токсичных веществ и сажи, чем традиционный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.According to the known method of operating a heat engine, additional expansion of the combustion products in the expansion cylinder increases the work from the expansion of working gases, and, consequently, increases the efficiency of the internal combustion engine. The main disadvantage of the bottom engine is that during release, a significant part of the thermal energy of the exhaust gases due to their high temperature (1200-1450 ° C) is lost during their movement from the working cylinder to the expansion cylinder and is emitted into the atmosphere along with the combustion products ... At this time, the expansion cylinder, its piston and connecting pipes cool down, therefore, during the next operating cycle of the engine, most of the heat of the exhaust gases is spent on heating these parts. However, the exhaust gases leaving the expansion cylinder contain no less toxic substances and soot than a traditional four-stroke internal combustion engine.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем поочередного наполнения одного из двух смещенных по фазе на 360° поворота коленчатого вала рабочих цилиндров рабочим зарядом, его сжатия, сгорания, расширения и перепуска продуктов сгорания при движении поршня рабочего цилиндра к верхней мертвой точке через перепускной канал в расширительные цилиндры, работающие в противофазе с рабочими, выполненные с объемом, превышающим объем рабочего цилиндра, дополнительного расширения последних продуктов сгорания с последующим выпуском отработавших газов в выпускной коллектор, при этом в конце выпуска отработавших газов из расширительных цилиндров их продувают свежим воздухом, который при движении поршней расширительных цилиндров к верхней мертвой точке сжимают и вытесняют по перепускному каналу в рабочий цилиндр, где нагревают продуктами сгорания за счет их смешивания, дожигания не успевшего сгореть топлива и охлаждения сильно нагретых деталей камеры сгорания, а при обратном ходе поршней расширительных цилиндров к нижней мертвой точке сжатый и нагретый продувочный воздух расширяют вместе с продуктами сгорания рабочего цилиндра и выпускают при продувке расширительных цилиндров, при этом перепускной канал открывают в момент выравнивания давлений в рабочем и расширительных цилиндрах, а закрывают одновременно с закрытием выпускных органов расширительных цилиндров.A known method of operation of an internal combustion engine by alternately filling one of the two out of phase 360 ° rotation of the crankshaft of the working cylinders with a working charge, its compression, combustion, expansion and bypass of combustion products when the piston of the working cylinder moves to the top dead center through the bypass channel into the expansion cylinders operating in antiphase with the workers, made with a volume exceeding the volume of the working cylinder, additional expansion of the last combustion products with the subsequent release of exhaust gases into the exhaust manifold, while at the end of exhaust gases from the expansion cylinders they are blown with fresh air, which, when the pistons move, expansion cylinders to the top dead center are compressed and displaced through the bypass channel into the working cylinder, where they are heated by combustion products due to their mixing, afterburning of the fuel that did not have time to burn and cooling the highly heated parts of the combustion chamber, and during the reverse stroke of the pistons expansion cylinders to the bottom dead center, the compressed and heated purge air is expanded together with the combustion products of the working cylinder and discharged when the expansion cylinders are purged, while the bypass channel is opened at the time of equalizing the pressures in the working and expansion cylinders, and is closed simultaneously with the closing of the outlet elements of the expansion cylinders.
Двигатель внутреннего сгорания с повышенной степенью расширения содержит по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров и двух сообщенных между собой расширительных цилиндров, поршни рабочих цилиндров и поршни расширительных цилиндров, кинематически связанные с одним коленчатым валом и смещенные по фазе вращения на угол 180° поворота кривошипа, и головку цилиндров с впускными, перепускными и выпускными клапанами с каналами. Расширительные цилиндры снабжены продувочными окнами, сообщенными с продувочным насосом, который, в свою очередь, посредством трубопроводов соединен с впускными каналами рабочих цилиндров [2].An internal combustion engine with an increased expansion ratio contains at least one module of two working cylinders and two interconnected expansion cylinders, pistons of the working cylinders and pistons of the expansion cylinders, which are kinematically connected to one crankshaft and are shifted in phase of rotation by an angle of 180 ° of rotation of the crank , and a cylinder head with intake, bypass and exhaust valves with channels. Expansion cylinders are equipped with scavenging ports connected to a scavenging pump, which, in turn, is connected via pipelines to the inlet channels of the working cylinders [2].
Основным недостатком данного двигателя является продувка расширительных цилиндров чистым воздухом через продувочные окна, выполненные в расширительных цилиндрах. Это усложняет конструкцию расширительных цилиндров, увеличивает габарит и вес поршней, а самое главное приводит к повышенному расходу картерного масла и попадание его в продувочный воздух и окружающую среду, что негативно сказывается на токсичности отработавших газов двигателя.The main disadvantage of this engine is the purging of the expansion cylinders with clean air through the purge ports made in the expansion cylinders. This complicates the design of the expansion cylinders, increases the size and weight of the pistons, and, most importantly, leads to an increased consumption of crankcase oil and its entry into the purge air and the environment, which negatively affects the toxicity of the engine exhaust gases.
Известен комбинированный поршневой двигатель, содержащий два крайних и два средних одинаковых цилиндра с расположенными в них поршнями, связанными с коленчатым валом, впускные и выпускные клапаны, каналы для прохода воздуха в цилиндры и выпуска из них горячего газа, отличающийся тем, что он содержит золотниковый распределитель потоков воздуха, в первой позиции которого воздух пропускается во все цилиндры при увеличении их объема при открытом впускном клапане, а во второй позиции воздух пропускается в крайние цилиндры, и золотниковый распределитель потоков горячего газа, в первой позиции которого горячий газ выпускается наружу из всех цилиндров, а во второй позиции горячий газ перепускается из крайних цилиндров при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане в средние цилиндры при увеличении в них объема [3].Known combined piston engine containing two extreme and two middle identical cylinders with pistons located in them connected to the crankshaft, intake and exhaust valves, channels for the passage of air into the cylinders and the release of hot gas from them, characterized in that it contains a spool valve air flows, in the first position of which air is passed into all cylinders with an increase in their volume with the intake valve open, and in the second position air is passed into the outer cylinders, and a spool valve for hot gas flows, in the first position of which hot gas is released outside from all cylinders, and in the second position, hot gas is bypassed from the extreme cylinders with a decrease in their volume with an open exhaust valve into the middle cylinders with an increase in their volume [3].
В этом двигателе дополнительное расширение продуктов сгорания в средних цилиндрах увеличивает работу от расширения рабочих газов, а, следовательно, повышает экономичность двигателя внутреннего сгорания лишь в первом варианте, только при работе на частичных нагрузках. При этом во время их перемещения из рабочего цилиндра в средние цилиндры значительная часть тепловой энергии отработавших газов из-за их высокой температуры (1200-1450°С) теряется и выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами горения топлива. В это время остывают средние цилиндры, поршни и соединительные патрубки, поэтому при следующем рабочем цикле двигателя большая часть теплоты отработавшихIn this engine, the additional expansion of the combustion products in the middle cylinders increases the work from the expansion of the working gases, and, therefore, increases the efficiency of the internal combustion engine only in the first version, only when operating at partial loads. At the same time, during their movement from the working cylinder to the middle cylinders, a significant part of the thermal energy of the exhaust gases is lost due to their high temperature (1200-1450 ° C) and is emitted into the atmosphere along with the products of fuel combustion. At this time, the middle cylinders, pistons and connecting pipes cool down, therefore, during the next operating cycle of the engine, most of the heat of the spent
- 1 036869 газов расходуется на нагрев этих деталей. Вместе с тем отработавшие газы, покидающие средние цилиндры содержат не меньшее количество токсичных веществ и сажи, чем во время работы двигателя в первом варианте (при работе на номинальной мощности) как традиционный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.- 1,036869 gases are spent on heating these parts. At the same time, the exhaust gases leaving the middle cylinders contain no less toxic substances and soot than during the operation of the engine in the first version (when operating at rated power) as a traditional four-stroke internal combustion engine.
Задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания с повышенной степенью расширения и снижение токсичности отработавших газов.The objective of the invention is to simplify the design of an internal combustion engine with an increased expansion ratio and reduce the toxicity of exhaust gases.
Указанная техническая задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов, содержащий по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров с параллельно движущимися поршнями, работающими в противофазе с поршнями расширительных цилиндров, коленчатый вал и головку цилиндров с клапанами, при этом в головке каждого расширительного цилиндра наряду с выпускным клапаном установлен по меньшей мере один продувочный клапан, соединенный трубопроводом с продувочным насосом, а рабочий объем расширительных цилиндров превышает объем рабочих цилиндров. Выпускной и продувочный клапаны расширительного цилиндра разделены лопаткой диаметрально установленной на головке расширительного цилиндра, а в днище поршня расширительного цилиндра выполнено углубление, повторяющее геометрическую форму лопатки.The specified technical problem is solved by the fact that in an internal combustion engine with heat recovery of exhaust gases, containing at least one module of two working cylinders with parallel moving pistons operating in antiphase with the pistons of the expansion cylinders, the crankshaft and the cylinder head with valves, while in the head of each expansion cylinder, along with the exhaust valve, there is at least one purge valve connected by a pipeline to the purge pump, and the working volume of the expansion cylinders exceeds the volume of the working cylinders. The outlet and purge valves of the expansion cylinder are separated by a blade diametrically mounted on the expansion cylinder head, and a recess is made in the piston bottom of the expansion cylinder, repeating the geometric shape of the blade.
На фиг. 1 и 2 представлены схемы двигателя внутреннего сгорания, работающего по предлагаемому способу. На фиг. 1 - схема двигателя с двумя расширительными цилиндрами. На фиг. 2 - схема двигателя с одним расширительным цилиндром (для удобства и наглядности рассмотрения сечение расширительного цилиндра повернуто в вертикальной плоскости вокруг оси цилиндра на 90°). На фиг. 3-10 отображена работа предлагаемого двигателя в очередности рабочих тактов. На фиг. 11 представлены индикаторные диаграммы рабочих циклов известных и предлагаемого двигателей внутреннего сгорания.FIG. 1 and 2 show diagrams of an internal combustion engine operating according to the proposed method. FIG. 1 is a diagram of an engine with two expansion cylinders. FIG. 2 is a diagram of an engine with one expansion cylinder (for convenience and clarity of consideration, the section of the expansion cylinder is rotated in a vertical plane around the cylinder axis by 90 °). FIG. Figures 3-10 show the operation of the proposed engine in the sequence of working cycles. FIG. 11 shows indicator diagrams of operating cycles of known and proposed internal combustion engines.
Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов содержит по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров 1 и 2 с поршнями 3 и 4, и двух сообщенных между собой расширительных цилиндров 5 равного диаметра с параллельно движущимися поршнями 6, при этом поршни 3 и 4 и поршни 6 кинематически связаны с одним коленчатым валом 7, причем кривошипы поршней 6 смещены по отношению к двум кривошипам поршней 3 и 4 на угол 180°. Рабочий объем расширительных цилиндров 5 превышает суммарный рабочий объем рабочих цилиндров 1 и 2. Головки рабочих цилиндров 1 и 2 содержат впускные 8 и 9 и перепускные 10 и 11 клапаны, установленные в соответствующих каналах головок цилиндров. В головках расширительных цилиндров установлены выпускные клапаны 12 и продувочные клапаны 13 с каналами, сообщенными с продувочным насосом 14, который, в свою очередь, посредством трубопроводов соединен с впускными каналами рабочих цилиндров 1 и 2. Расширительные цилиндры 5 между собой и с рабочими цилиндрами 1 и 2 соединяются перепускным каналом 15. Выпускные 12 и продувочные 13 клапаны расширительных цилиндров 5 разделены лопаткой 16, диаметрально установленной на головках расширительных цилиндров 5. В днище поршня 6 расширительного цилиндра 5 выполнено углубление 17, повторяющее геометрическую форму лопатки 16. Топливо в рабочие цилиндры подается системой подачи топлива в соответствии с загрузкой двигателя.An internal combustion engine with heat recovery from exhaust gases contains at least one module of two working cylinders 1 and 2 with pistons 3 and 4, and two interconnected expansion cylinders 5 of equal diameter with pistons 6 moving in parallel, with pistons 3 and 4 and the pistons 6 are kinematically connected to one crankshaft 7, and the cranks of the pistons 6 are displaced relative to the two cranks of the pistons 3 and 4 at an angle of 180 °. The working volume of the expansion cylinders 5 exceeds the total working volume of the working cylinders 1 and 2. The heads of the working cylinders 1 and 2 contain inlet valves 8 and 9 and bypass valves 10 and 11, installed in the corresponding channels of the cylinder heads. Exhaust valves 12 and purge valves 13 are installed in the heads of the expansion cylinders with channels connected to the purge pump 14, which, in turn, is connected by means of pipelines to the inlet channels of the working cylinders 1 and 2. The expansion cylinders 5 are between themselves and with the working cylinders 1 and 2 are connected by a bypass channel 15. The outlet 12 and purge 13 valves of the expansion cylinders 5 are separated by a blade 16 diametrically mounted on the heads of the expansion cylinders 5. In the bottom of the piston 6 of the expansion cylinder 5, a depression 17 is made, repeating the geometric shape of the blade 16. Fuel is supplied to the working cylinders by the system fuel supply in accordance with engine load.
Работа двигателя внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов осуществляется следующим образом.The work of an internal combustion engine with utilization of the heat of exhaust gases is carried out as follows.
На первом обороте коленчатого вала 7 при движении поршней 3 и 4 рабочих цилиндров 1 и 2 к нижней мертвой точке во время первого такта - в первом рабочем цилиндре 1 выполняют процесс впуска, заключающийся в наполнении рабочего цилиндра 1 свежим рабочим зарядом под некоторым избыточным давлением за счет наддува воздуха во впускной коллектор продувочным насосом 14 (фиг. 3). В то же время во втором рабочем цилиндре 2 выполняют рабочий ход, а в сообщенных между собой расширительных цилиндрах 5 заканчивают продувку и начинают сжатие чистого холодного воздуха. Для лучшей очистки расширительных цилиндров 5 от отработавших газов выпускные 12 и продувочные 13 клапаны расширительных цилиндров 5 разделены лопаткой 16, диаметрально установленной на головках расширительных цилиндров 5. Это позволяет в каждом расширительном цилиндре 5 эффективно осуществлять контурную продувку от отработавших газов с наименьшими расходами продувочного воздуха. Поток продувочного воздуха, поступающего в расширительный цилиндр 5 через продувочный клапан 13, направляется лопаткой 16 вниз цилиндра, обтекает поверхность поршня 6 и далее, двигаясь в верхнюю часть цилиндра 5 и описывая петлю, вытесняет продукты сгорания через выпускной клапан 12. Углубление 17 в поршне б повторяет геометрическую форму лопатки 16 и при движении поршня 6 к верхней мертвой точке лопатка 16 свободно входит в углубление 17 с небольшим зазором, не создавая сопротивления движению поршня. Следует отметить, что счет опережающего закрытия выпускных клапанов 12 продувочный воздух через еще открытые продувочные клапаны 13 наполнит расширительные цилиндры 5 с давлением немного больше атмосферного и обеспечит больший весовой заряд свежего воздуха в расширительных цилиндрах 5. При движении поршней расширительных цилиндров 5 к верхней мертвой точке, а поршней рабочих цилиндров 1 и 2 к нижней мертвой точке давление в цилиндрах 5 и 2 выровняется и откроется перепускной клапан 11. При дальнейшем движении поршней расширительных цилиндров 5 к верхней мертвой точке (фиг. 4) давление сжатого воздуха будет возрастать, и сжатый холодный воздух начнет вытесняться из расширительных цилиндров 5 по перепускному каналу 15 через открытыйOn the first revolution of the crankshaft 7 when the pistons 3 and 4 of the working cylinders 1 and 2 move to the bottom dead center during the first stroke - in the first working cylinder 1, the intake process is performed, which consists in filling the working cylinder 1 with a fresh working charge under a certain excess pressure due to pressurizing air into the intake manifold with a purge pump 14 (Fig. 3). At the same time, a working stroke is performed in the second working cylinder 2, and in the interconnected expansion cylinders 5, the blowing is completed and the compression of clean cold air begins. For better cleaning of the expansion cylinders 5 from exhaust gases, the outlet 12 and purge valves 13 of the expansion cylinders 5 are separated by a blade 16 diametrically mounted on the heads of the expansion cylinders 5. This makes it possible in each expansion cylinder 5 to efficiently carry out a loop purge from the exhaust gases with the lowest purge air consumption. The flow of purge air entering the expansion cylinder 5 through the purge valve 13 is directed by the blade 16 down the cylinder, flows around the surface of the piston 6 and then, moving to the upper part of the cylinder 5 and describing the loop, displaces the combustion products through the exhaust valve 12. Recess 17 in the piston b repeats the geometric shape of the blade 16 and when the piston 6 moves to the top dead center, the blade 16 freely enters the recess 17 with a small clearance, without creating resistance to the movement of the piston. It should be noted that due to the advanced closing of the exhaust valves 12, the purge air through the still open purge valves 13 will fill the expansion cylinders 5 with a pressure slightly higher than atmospheric pressure and provide a greater weight charge of fresh air in the expansion cylinders 5. When the pistons of the expansion cylinders 5 move to top dead center, and the pistons of the working cylinders 1 and 2 to the bottom dead center, the pressure in the cylinders 5 and 2 will equalize and the bypass valve 11 will open. With further movement of the pistons of the expansion cylinders 5 to the top dead center (Fig. 4), the compressed air pressure will increase and the compressed cold air will begin to be displaced from the expansion cylinders 5 through the bypass 15 through the open
- 2 036869 перепускной клапан 11 во второй рабочий цилиндр 2. В процессе прохождения сжатого воздуха в рабочий цилиндр 2 происходит его нагрев за счет охлаждения сильно нагретых деталей камеры сгорания, смешивания с горячими газами, догорания не успевшего сгореть топлива и выделения тепла вследствие окисления молекул СО, НО и т.п. В результате температура отработавших газов во втором рабочем цилиндре 2 резко снизится на 600-800С°, хотя давления газа в цилиндре 2 увеличится, за счет увеличения внутренней энергии и температуры большой массы поступившего сжатого продувочного воздуха, перемещенного из расширительных цилиндров 5. Вследствие этого процесса по завершению рабочего хода (фиг. 5) в рабочем цилиндре 2 вместо высокотоксичных отработавших газов обладающих очень высокой температурой получаем новое рабочее тело - сжатый чистый воздух с низким содержанием вредных веществ и обладающей значительной энергией, которую легко трансформировать в механическую работу с высоким КПД. Температура всей массы сжатого воздуха смешавшегося с горячими газами составит не более 600-700°С вместо имевшей место температуры отработавших газов в конце рабочего хода 13001500°С. Очевидно при такой высокой температуре отработавших газов их невозможно переправить в расширительные цилиндры без весьма существенных потерь энергии, перегрева перепускного клапана, перепускного канала и преждевременной передачи тепловой энергии отработавших газов охлаждающей жидкости. Новое рабочее тело (сжатый и нагретый продувочный воздух) имеет большую массу газа при относительно низкой температуре и позволяет без потери его внутренней энергии совершить при расширении в расширительных цилиндрах 5 еще один полезный рабочий ход. Кроме того, вследствие цикличного охлаждения сильно нагретых деталей сжатым воздухом потребуется самая простая система охлаждения двигателя (преимущественно воздушная), что упростит его конструкцию и уменьшит стоимость изготовления.- 2 036869 bypass valve 11 to the second working cylinder 2. During the passage of compressed air into the working cylinder 2, it heats up due to cooling of the highly heated parts of the combustion chamber, mixing with hot gases, afterburning of the fuel that did not have time to burn and release of heat due to oxidation of CO molecules , BUT, etc. As a result, the temperature of the exhaust gases in the second working cylinder 2 will drop sharply by 600-800C °, although the gas pressure in cylinder 2 will increase due to an increase in the internal energy and temperature of a large mass of incoming compressed purge air displaced from the expansion cylinders 5. As a result of this process, the completion of the working stroke (Fig. 5) in the working cylinder 2, instead of highly toxic exhaust gases with a very high temperature, we obtain a new working fluid - compressed clean air with a low content of harmful substances and having significant energy, which can be easily transformed into mechanical work with high efficiency. The temperature of the entire mass of compressed air mixed with hot gases will not exceed 600-700 ° C instead of the temperature of the exhaust gases at the end of the working stroke of 13001500 ° C. Obviously, at such a high temperature of the exhaust gases, they cannot be transferred to the expansion cylinders without very significant energy losses, overheating of the bypass valve, bypass channel and premature transfer of thermal energy from the exhaust gases to the coolant. The new working fluid (compressed and heated purge air) has a large mass of gas at a relatively low temperature and makes it possible, without losing its internal energy, to make another useful stroke during expansion in the expansion cylinders 5. In addition, due to the cyclic cooling of highly heated parts with compressed air, the simplest engine cooling system (mainly air) will be required, which will simplify its design and reduce the manufacturing cost.
При обратном ходе поршней рабочих цилиндров 1 и 2 к верхней мертвой точке (фиг. 6) в течение второго такта в первом рабочем цилиндре 1 закрывают впускной клапан 8 и выполняют процесс сжатия рабочего заряда. В это время, в результате нагрева сжатого воздуха, давления газов в расширительных цилиндрах 5 повысится и начнется процесс расширения сжатого и нагретого продувочного воздуха перемешавшегося с продуктами сгорания второго рабочего цилиндра 2. В расширительных цилиндрах 5 эффективно совершается еще один рабочий ход. Вследствие чего полученная дополнительная полезная работа цикла по расчетам составит 80-110% от работы, полученной в рабочем цилиндре 2 во время такта - рабочий ход при сгорании топлива и расширении нагретых газов. С учетом затрат механической энергии на продувку расширительных цилиндров 5 и дополнительных механических потерь связанных с работой расширительных цилиндров 5 общий КПД двигателя внутреннего сгорания повысится на 25-50%, при работе его на номинальной мощности.During the reverse stroke of the pistons of the working cylinders 1 and 2 to the top dead center (Fig. 6) during the second stroke in the first working cylinder 1, the intake valve 8 is closed and the process of compressing the working charge is performed. At this time, as a result of heating the compressed air, the gas pressure in the expansion cylinders 5 will increase and the process of expansion of the compressed and heated purge air mixed with the combustion products of the second working cylinder 2 will begin. In the expansion cylinders 5, one more working stroke is effectively performed. As a result, the additional useful work of the cycle, according to the calculations, will be 80-110% of the work obtained in the working cylinder 2 during the stroke - the working stroke during fuel combustion and expansion of heated gases. Taking into account the cost of mechanical energy for blowing the expansion cylinders 5 and additional mechanical losses associated with the operation of the expansion cylinders 5, the overall efficiency of the internal combustion engine will increase by 25-50% when it is operated at its rated power.
В конце хода расширительных цилиндров 5 к нижней мертвой точке (фиг. 7) первыми откроются выпускные клапаны 12 и холодные отработавшие газы покинут расширительные цилиндры 5. Причем, в связи с увеличенной степенью расширения остаточное давление в расширительных цилиндрах 5 в момент открытия выпускных клапанов 12 не превышает 2 кг/см2, и газодинамический шум в первом периоде выпуска существенно снижается или почти отсутствует. Это позволит упростить конструкцию глушителя, снизить его гидравлическое сопротивление, уменьшить уровень шума в процессе выпуска и ускорить продувку расширительных цилиндров 5. При приближении поршней 6 расширительных цилиндров 5 к нижней мертвой точке и снижения давления отработавших газов в расширительных цилиндрах 5 до величины атмосферного открываются продувочные клапаны 13 и холодный продувочный воздух под избыточным давлением, развиваемым продувочным насосом 14, устремится в расширительные цилиндры 5. При этом отработавшие газы через открытые выпускные клапаны 12 вытесняются в выпускной коллектор, а расширительные цилиндры 5 заполняются свежим воздухом. Установленные между выпускными 12 и продувочными 13 клапанами лопатки 16 не позволяют продувочному воздуху смешиваться с отработавшими газами в верхней части расширительных цилиндров 5 и направляют поток свежего воздуха к днищу поршней 6. В то же время продувочный воздух через открывшийся впускной клапан 9 поступит в камеру сгорания второго рабочего цилиндра 2 и вытеснит остатки отработавших газов из камеры сгорания через пока открытый клапан 11 в перепускной канал 15 и далее в выпускной коллектор, обеспечивая, тем самым, полную очистку рабочего цилиндра 2 от продуктов сгорания. Следует отметить, что наличие большого количества свободного кислорода в составе отработавших газов, их невысокая температура повышают эффективность использования каталитических нейтрализаторов, увеличивает срок службы последних и позволяет на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания обеспечить полноту сгорания топлива до конечных безвредных для человека и окружающей среды продуктов сгорания.At the end of the stroke of the expansion cylinders 5 to the bottom dead center (Fig. 7), the exhaust valves 12 will be the first to open and the cold exhaust gases will leave the expansion cylinders 5. Moreover, due to the increased expansion ratio, the residual pressure in the expansion cylinders 5 at the moment of opening the exhaust valves 12 is not exceeds 2 kg / cm 2 , and gas-dynamic noise in the first period of release is significantly reduced or almost absent. This will simplify the design of the muffler, reduce its hydraulic resistance, reduce the noise level in the exhaust process and accelerate the purging of the expansion cylinders 5. When the pistons 6 of the expansion cylinders 5 approach the bottom dead center and the exhaust gas pressure in the expansion cylinders 5 drops to atmospheric, the purge valves open 13 and cold purge air under excess pressure developed by the purge pump 14 will rush into the expansion cylinders 5. In this case, the exhaust gases through the open exhaust valves 12 are forced into the exhaust manifold, and the expansion cylinders 5 are filled with fresh air. The blades 16 installed between the exhaust 12 and 13 purge valves do not allow the purge air to mix with the exhaust gases in the upper part of the expansion cylinders 5 and direct the fresh air flow to the piston crown 6. At the same time, the purge air through the opened intake valve 9 will enter the combustion chamber of the second working cylinder 2 and displaces the remaining exhaust gases from the combustion chamber through the still open valve 11 into the bypass channel 15 and further into the exhaust manifold, thereby ensuring complete cleaning of the working cylinder 2 from combustion products. It should be noted that the presence of a large amount of free oxygen in the composition of the exhaust gases, their low temperature increase the efficiency of using catalytic converters, increase the service life of the latter and allow, at all operating modes of the internal combustion engine, to ensure the completeness of fuel combustion to the final combustion products harmless to humans and the environment. ...
На втором обороте вала двигателя и движении поршней 3 и 4 рабочих цилиндров 1 и 2 к нижней мертвой точке (фиг. 8) в первом рабочем цилиндре 1 в течение третьего такта выполняют рабочий ход при закрытых клапанах 8 и 10, во втором рабочем цилиндре 2 - процесс наполнения рабочим зарядом (описан выше). Параллельно с этим в расширительных цилиндрах 5 завершают продувку, при этом первыми закроются выпускные клапаны 12, а продувочные клапаны 13 еще некоторое время остаются открытыми, позволяя продувочному воздуху поступать в расширительные цилиндры 5, что увеличит массу воздуха в расширительных цилиндрах 5, подвергаемого сжатию. Далее продувочные клапаны 13 закрыOn the second revolution of the engine shaft and the movement of the pistons 3 and 4 of the working cylinders 1 and 2 to the bottom dead center (Fig. 8) in the first working cylinder 1 during the third stroke, the working stroke is performed with the valves 8 and 10 closed, in the second working cylinder 2 - the process of filling with a working charge (described above). In parallel with this, the purge is completed in the expansion cylinders 5, while the exhaust valves 12 are the first to close, and the purge valves 13 remain open for some time, allowing the purge air to flow into the expansion cylinders 5, which will increase the mass of air in the expansion cylinders 5 subjected to compression. Further purge valves 13 are closed
- 3 036869 ваются и в расширительных цилиндрах 5 вновь производят сжатие продувочного воздуха, необходимого для трансформации энергии отработавших газов от одного рабочего тела ко второму при сохранении второго закона термодинамики. При достижении величины давления сжатия продувочного воздуха в расширительных цилиндрах 5 давлению продуктов сгорания в рабочем цилиндре 1 конструктивно возможную часть сжатого воздуха вытесняют поршнями 6 в рабочий цилиндр 1 для нагрева и дожигания не успевшего сгореть топлива. Остальная часть сжатого продувочного воздуха, зажатая в перепускных каналах 15 в момент прохождения поршнями расширительных цилиндров 5 верхней мертвой точки, будет нагреваться продуктами сгорания при их перепуске из рабочего цилиндра 1 в расширительные цилиндры 5 в процессе расширения. После прохождения поршнями мертвых точек и изменения направления движения в первом рабочем цилиндре 1 (фиг. 10) во время последнего четвертого такта рабочего цикла осуществляют выпуск продуктов сгорания и смешавшегося с ними нагретого продувочного воздуха в расширительные цилиндры 5. При этом вновь, второй раз за один рабочий цикл двигателя, в расширительных цилиндрах 5 выполнится Рабочий ход и трансформируется положительная работа газовой смеси. После открытия выпускных клапанов 12 и продувочных 13 производится выпуск отработавших газов и продувка расширительных цилиндров 5. В это же время в течение четвертого такта во втором рабочем цилиндре 2 закрывают перепускной клапан 11, выполняют процесс сжатия рабочего заряда и завершают полный четырехтактный цикл. Итак, за два оборота коленчатого вала в рабочих цилиндрах 1 и 2 совершается по одному четырехтактному рабочему циклу, а в расширительных цилиндрах 5 - по два двухтактных рабочих цикла. Следовательно, в предлагаемом четырехцилиндровом двигателе число рабочих ходов равно 4, что соответствует их количеству в традиционном четырехцилиндровом четырехтактном двигателе. Необходимо отметить, что топливо при этом подается только в два рабочих цилиндра и обеспечивается 4 рабочих хода.- 3 036869 are used and in the expansion cylinders 5 the purge air is again compressed, which is necessary to transform the energy of the exhaust gases from one working medium to the second while maintaining the second law of thermodynamics. When the pressure of the purge air compression in the expansion cylinders 5 is reached to the pressure of the combustion products in the working cylinder 1, a structurally possible part of the compressed air is displaced by the pistons 6 into the working cylinder 1 for heating and afterburning the fuel that did not have time to burn. The rest of the compressed purge air, trapped in the bypass channels 15 at the time the pistons of the expansion cylinders 5 pass the top dead center, will be heated by the combustion products when they are passed from the working cylinder 1 to the expansion cylinders 5 during the expansion process. After the pistons pass through the dead points and change the direction of movement in the first working cylinder 1 (Fig. 10) during the last fourth stroke of the working cycle, the combustion products and the heated purge air mixed with them are discharged into the expansion cylinders 5. In this case, again, the second time in one the working cycle of the engine, in the expansion cylinders 5, the working stroke will be performed and the positive work of the gas mixture is transformed. After opening the exhaust valves 12 and purging 13, the exhaust gases are released and the expansion cylinders 5 are purged. At the same time, during the fourth stroke, the bypass valve 11 is closed in the second working cylinder 2, the working charge is compressed, and the complete four-stroke cycle is completed. So, for two revolutions of the crankshaft in the working cylinders 1 and 2, one four-stroke working cycle is performed, and in the expansion cylinders 5 - two two-stroke working cycles. Therefore, in the proposed four-cylinder engine, the number of working strokes is equal to 4, which corresponds to their number in a traditional four-cylinder four-stroke engine. It should be noted that in this case, fuel is supplied only to two working cylinders and 4 working strokes are provided.
На фиг. 11 представлены индикаторные диаграммы двигателей, работающих:FIG. 11 shows indicator diagrams of engines operating:
а - по циклу бензинового двигателя; b - по циклу компаундного двигателя; с и d - цикл предлагаемого двигателя, при этом d - цикл работы расширительных цилиндров.a - for the cycle of a gasoline engine; b - by the cycle of the compound engine; c and d - the cycle of the proposed engine, while d - the cycle of the expansion cylinders.
В тепловых машинах действительный рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания можно подразделить на следующие пять процессов: 1) всасывание, 2) сжатие, 3) сгорание, 4) расширение, 5) выпуск.In heat engines, the actual duty cycle of any internal combustion engine can be subdivided into the following five processes: 1) suction, 2) compression, 3) combustion, 4) expansion, 5) release.
Перечисленные процессы при осуществлении в реальном двигателе по времени соответствуют одному или двум оборотам коленчатого вала. Циклы a, b и с осуществляются в течение двух оборотов коленчатого вала, а рабочий цикл d осуществляется за один оборот коленчатого вала, используя тепловую энергию отработавших газов, которая по второму закону термодинамики неизбежна, должна быть, передана холодному источнику. Из рассмотрения площади, представленных индикаторных диаграмм нетрудно придти к заключению, что используя предлагаемый способ утилизации теплоты отработавших газов, заключающийся в передаче тепла отработавших газов другому рабочему телу теплоиспользование цикла возрастает. Наибольшую убедительность и наглядность дает сравнение циклов и их диаграмм. Работа газов в цилиндре рассматриваемых двигателей эквивалентна площади индикаторных диаграмм и совершенно очевидно, чтоThe listed processes, when implemented in a real engine, correspond in time to one or two revolutions of the crankshaft. Cycles a, b and c are carried out during two revolutions of the crankshaft, and the working cycle d is carried out in one revolution of the crankshaft, using the thermal energy of the exhaust gases, which, according to the second law of thermodynamics, must be transferred to a cold source. From an examination of the area of the presented indicator diagrams, it is easy to come to the conclusion that using the proposed method for utilizing the heat of exhaust gases, which consists in transferring heat from exhaust gases to another working fluid, the heat use of the cycle increases. Comparison of cycles and their diagrams provides the greatest persuasiveness and clarity. The work of gases in the cylinder of the engines under consideration is equivalent to the area of the indicator diagrams and it is quite obvious that
S3 + S4 > S2 > S4< S3 + S 4 > S 2 > S 4 <
Таким образом, количество тепла уносимого с отработавшими газами в предлагаемом двигателе снижается, а термический коэффициент полезного действия возрастает.Thus, the amount of heat carried away with the exhaust gases in the proposed engine decreases, and the thermal efficiency increases.
Суммируя изложенное, заключаем, что предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов обеспечивает существенное снижение токсичности и повышение экономичности на 25-50% за счет продувки расширительных цилиндров чистым воздухом, его сжатием, смешиванием с отработавшими газами непосредственно в рабочих цилиндрах двигателя и сжигания, при этом, не успевшего сгореть топлива, окисления токсичных компонентов отработавших газов СО, НО и других, а при обратном ходе, поршней расширительных цилиндров трансформации тепловой энергии полученного рабочего тела в механическую работу и крутящий момент на валу двигателя. Вместе с тем удельные параметры предлагаемого двигателя, такие как литровая мощность, металлоемкость и стоимость изготовления не уступают современному четырехтактному двигателю внутреннего сгорания при его высокой экономичности и экологической безопасности.Summarizing the foregoing, we conclude that the proposed internal combustion engine with the utilization of the heat of exhaust gases provides a significant decrease in toxicity and an increase in efficiency by 25-50% due to the blowing of the expansion cylinders with clean air, its compression, mixing with the exhaust gases directly in the working cylinders of the engine and combustion, at the same time, the fuel that did not have time to burn, oxidation of toxic components of exhaust gases CO, HO and others, and during the reverse stroke, the pistons of the expansion cylinders transform the thermal energy of the received working fluid into mechanical work and torque on the engine shaft. At the same time, the specific parameters of the proposed engine, such as liter capacity, metal consumption and manufacturing cost, are not inferior to a modern four-stroke internal combustion engine with its high efficiency and environmental safety.
Источники информации, принятые во внимание:Sources of information taken into account:
1) Заявка ФРГ 3121301 А1, МПК F02B 41/08, 19831) Application of the FRG 3121301 A1, IPC F02B 41/08, 1983
2) Патент Республики Беларусь BY 8639 С1 МПК F02B 41/02, 20062) Patent of the Republic of Belarus BY 8639 C1 IPC F02B 41/02, 2006
3) Патент РФ RU 2521704 С1 (10/07/2014)3) RF Patent RU 2521704 C1 (10/07/2014)
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201800207A EA036869B1 (en) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Internal combustion engine with exhaust gas heat recovery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201800207A EA036869B1 (en) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Internal combustion engine with exhaust gas heat recovery |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201800207A1 EA201800207A1 (en) | 2019-08-30 |
| EA036869B1 true EA036869B1 (en) | 2020-12-30 |
Family
ID=67734904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201800207A EA036869B1 (en) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Internal combustion engine with exhaust gas heat recovery |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA036869B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4409581A1 (en) * | 1994-03-21 | 1995-09-28 | Karl Maier | Four=stroke piston engine with at least three cylinders |
| RU2246014C2 (en) * | 2001-02-05 | 2005-02-10 | Зуев Анатолий Алексеевич | Internal combustion engine with communicating cylinders |
| WO2005042944A1 (en) * | 2003-08-06 | 2005-05-12 | Shengli Zhang | Piston type internal-combustion engine with second expanding operation |
| RU2521704C1 (en) * | 2012-12-19 | 2014-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" | Combined piston engine |
-
2018
- 2018-02-14 EA EA201800207A patent/EA036869B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4409581A1 (en) * | 1994-03-21 | 1995-09-28 | Karl Maier | Four=stroke piston engine with at least three cylinders |
| RU2246014C2 (en) * | 2001-02-05 | 2005-02-10 | Зуев Анатолий Алексеевич | Internal combustion engine with communicating cylinders |
| WO2005042944A1 (en) * | 2003-08-06 | 2005-05-12 | Shengli Zhang | Piston type internal-combustion engine with second expanding operation |
| RU2521704C1 (en) * | 2012-12-19 | 2014-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" | Combined piston engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201800207A1 (en) | 2019-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8371256B2 (en) | Internal combustion engine utilizing dual compression and dual expansion processes | |
| US6095100A (en) | Combination internal combustion and steam engine | |
| CN101548082B (en) | Double piston cycle engine | |
| US20080148731A1 (en) | Heat engines | |
| US8100094B2 (en) | Radial impulse engine, pump, and compressor systems, and associated methods of operation | |
| US8499728B2 (en) | Cylinder linkage method for a multi-cylinder internal-combustion engine and a multicylinder linkage compound internalcombustion engine | |
| RU2685175C1 (en) | Rotary detonation internal combustion engine | |
| US3143850A (en) | Supercharged integral compression engine | |
| EA036869B1 (en) | Internal combustion engine with exhaust gas heat recovery | |
| RU2432474C2 (en) | Reciprocating internal combustion engine operation method | |
| RU2449138C2 (en) | Internal combustion engine | |
| CN114776444A (en) | High-efficiency internal combustion engine | |
| TWM614077U (en) | Internal combustion engine booster system | |
| RU2240432C1 (en) | Internal combustion engine | |
| RU2768430C1 (en) | Hybrid power plants | |
| JPS59113239A (en) | Double expansion type internal-combustion engine | |
| RU2362893C2 (en) | Single-chamber multicylinder internal combustion engine with movement of pistons in opposite direction to each other | |
| RU2381371C1 (en) | Internal combustion engine | |
| RU2302543C1 (en) | Piston engine | |
| RU2521704C1 (en) | Combined piston engine | |
| RU2800634C1 (en) | Turbine piston internal combustion engine | |
| US20180149079A1 (en) | Spark-ignition engine with subsequent cylinders | |
| RU2636642C2 (en) | Unified piston engine without cooling system | |
| RU2773079C1 (en) | Способ осуществления газообмена двухтактного двигателя внутреннего сгорания | |
| RU2663369C1 (en) | Double acting internal combustion engine with regeneration of heat |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ KZ KG TJ TM RU |