RU2022135C1

RU2022135C1 - Internal combustion engine and method of its operation

Info

Publication number: RU2022135C1
Application number: SU904879240A
Authority: RU
Inventors: Порфирий Сергеевич Владимиров
Original assignee: Порфирий Сергеевич Владимиров
Priority date: 1990-11-01
Filing date: 1990-11-01
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: internal combustion engine has at least one cylinder with two opposed pistons, rows of intake and exhaust ports, bypass passage divided by free additional piston into inlet brought in communication with exhaust ports and exhaust valves and inlet connected by means of bypass valves with under-piston chambers whose minimum pressure is regulated with the aid of external source of compressed gas. The method may be applied to diesel engines and carburettor engines. EFFECT: recovery of energy of exhaust gas pressure, enhanced efficiency, simplified construction and enhanced reliability. 11 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, конкретнее к способам работы и устройствам двигателей внутренней сгорания. The invention relates to the field of energy, and more particularly to methods of operation and devices of internal combustion engines.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем продувки цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительного сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в сжатый воздух, сгорания, расширения продуктов сгорания, подачи их на вход перепускного канала, сжатия в нем продувочного воздуха и последующего выпуска продуктов сгорания в выхлопной тракт. Устройство, реализующее способ, содержит качающийся поршень (лопасть), разделяющий вход и выход перепускного канала. A known method of operating an internal combustion engine by purging the cylinder with pre-compressed air, additionally compressing the air in the cylinder, supplying fuel to the compressed air, burning, expanding the combustion products, supplying them to the inlet of the bypass channel, compressing the purge air therein and subsequently discharging the combustion products into the exhaust tract. A device that implements the method includes a swinging piston (blade) that separates the input and output of the bypass channel.

Недостатками известного ДВС являются неполное использование энергии выпускных газов и недостаточная уравновешенность двигателя. The disadvantages of the known internal combustion engine are the incomplete use of energy of the exhaust gases and the lack of balance of the engine.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. повышение эффективности двигателя путем дополнительного сжатия воздуха в подпоршневых полостях и его последующего расширения размещением в перепускном канале двух оппозитно движущихся поршней, упрощением клапанных узлов, регулированием давления газа в подпоршневых полостях. The aim of the invention is to remedy these disadvantages, i.e. increasing engine efficiency by additional compression of air in the piston cavities and its subsequent expansion by placing two opposing pistons in the bypass channel, simplification of valve assemblies, and regulation of gas pressure in the piston cavities.

На фиг.1 изображен двигатель в осевом разрезе; на фиг.2 - то же, вариант с двумя дополнительными поршнями; на фиг.3 - устройство перепускного клапана; на фиг.4 - вариант выпускного клапана. Figure 1 shows the engine in axial section; figure 2 is the same, an option with two additional pistons; figure 3 - device bypass valve; figure 4 is a variant of the exhaust valve.

Двигатель содержит по меньшей мере один рабочий цилиндр 1, в котором с возможностью взаимного противоположного движения размещены поршни 2 и 3 со штоками 4 и выполнены впускные окна 5, сообщающиеся через ресивер 6 и впускной патрубок 7 с источником сжатого воздуха (например, с турбокомпрессором), выпускные окна 8, сообщающиеся с входом перепускного канала 9, снабженного выпускными клапанами 10 и выпускными патрубками 11. Перепускной канал посредством подвижно установленного дополнительного кольцевого поршня 12 разделен на две части; его выход через перепускные клапаны 13, полость 14, окна 15 и трубопроводы 16 сообщен с подпоршневыми полостями 17 и 18. Полость 14 трубопроводом 19 через газовый редуктор 20 с регулирующим элементом - рычагом 21 сообщена с внешним источником сжатого воздуха, например с пневмосистемой транспортной машины. Рычаг 21 кинематически связан (например, посредством тяги, тросов и т.п.) с регулятором цикловой подачи топлива (с топливным насосом или дроссельной заслонкой), эта связь обеспечивает повышение давления на выходе из газового редуктора при увеличении расхода топлива. The engine contains at least one working cylinder 1, in which the pistons 2 and 3 with the rods 4 are placed with the possibility of mutual opposite movement and the inlet windows 5 are made, communicating through the receiver 6 and the inlet pipe 7 with a source of compressed air (for example, with a turbocharger), exhaust ports 8 communicating with the inlet of the bypass channel 9 provided with exhaust valves 10 and exhaust pipes 11. The bypass channel is divided into two parts by means of a movably mounted additional annular piston 12; its exit through the bypass valves 13, the cavity 14, the windows 15 and the pipelines 16 is in communication with the sub-piston cavities 17 and 18. The cavity 14 is connected by a pipeline 19 through a gas reducer 20 with a control element - a lever 21 communicated with an external source of compressed air, for example, with the pneumatic system of a transport machine. The lever 21 is kinematically connected (for example, by means of traction, cables, etc.) with a fuel cyclic regulator (with a fuel pump or throttle), this connection provides an increase in pressure at the outlet of the gas reducer with an increase in fuel consumption.

Двигатель работоспособен также при соединении трубопровода 19 с полостью ресивера 6. Трубопровод 19 может быть снабжен обратным клапаном 22. Управление выпускными клапанами 10 и перепускными клапанами 13 может быть выполнено традиционным - посредством коромысел, кинематически связанных с кулачковым валом (это исполнение по причине его широкой известности на чертежах не изображено), на фиг.1 и 3 изображены более простые варианты, характеризующиеся тем, что торцы дополнительного поршня 12 выполнены плоскими и сопряжены в крайних положениях хода дополнительного поршня с тарелками клапанов 10 и 13, которые на периферии имеют кольцевые опорные поверхности, ограничивающие торцовые углубления - полости 23 малой глубины, например, в виде внутреннего конуса с глубиной, примерно в 1,5 раза превышающей величину упругой деформации (прогиба) тарелки при соприкосновении его с поршнем 12. Клапаны снабжены пружинами 24 и 25, на стержне клапана 26, с возможностью осевого перемещения установленного в отверстии 27 корпуса, закреплена дополнительная тарелка 28 с внутренней полостью 29 и выполнены пазы (лыски) 30, посредством которых и трубопровода 31 полости 29 в закрытом положении клапана сообщены с выпускным патрубком 11. Диаметр тарелки 28 больше диаметра тарелки клапана 13. The engine is also operable when connecting the pipe 19 to the cavity of the receiver 6. The pipe 19 can be equipped with a check valve 22. The exhaust valves 10 and the bypass valves 13 can be controlled traditionally by means of rockers connected kinematically with the cam shaft (this is due to its wide popularity not shown in the drawings), Figs. 1 and 3 show simpler options, characterized in that the ends of the additional piston 12 are made flat and mated in the extreme positions of the stroke an additional piston with valve plates 10 and 13, which on the periphery have annular supporting surfaces that limit the end recesses - cavities 23 of shallow depth, for example, in the form of an inner cone with a depth of about 1.5 times the amount of elastic deformation (deflection) of the plate when its contact with the piston 12. The valves are equipped with springs 24 and 25, on the valve stem 26, with the possibility of axial movement of the housing installed in the hole 27, an additional plate 28 with an internal cavity 29 is fixed and grooves are made (flats ) 30, through which the pipe 31 of the cavity 29 in the closed position of the valve is in communication with the outlet pipe 11. The diameter of the plate 28 is larger than the diameter of the valve plate 13.

В двигателях с продувкой несжатым воздухом, находящимся под атмосферным давлением (без турбокомпрессора), выпускной клапан 10 дополнен обратным клапаном 32 (фиг.4) с пружиной 33, а объем перепускного канала увеличен примерно в 1,7 раза. In engines with a purge of uncompressed air under atmospheric pressure (without a turbocharger), the exhaust valve 10 is supplemented by a check valve 32 (Fig. 4) with a spring 33, and the volume of the bypass channel is increased by about 1.7 times.

Возможен вариант двигателя, содержащего не один, а два дополнительных поршня 34 и 35, два перепускных клапана 36 и 37, две полости 38 и 39, соединенные между собой и с подпоршневыми полостями трубопроводами 40 и 41, выпускные клапаны 42 с пружинами 43 и поршнями 44, подвижно с зазором установленными в цилиндрах 45. Клапаны 36, 37 и 42 могут иметь привод от обычного кулачкового вала, однако проще исполнение выпускных клапанов 36 и 37 согласно фиг. 3, а выпускного клапана 42 в виде диска, подвижно сопряженного с минимальным зазором с цилиндрическим отверстием 46, длина l которого и масса клапана 42 со стержнем и поршнем 44 выбираются из условия приблизительного равенства времени хода до начала открытия клапана и времени хода поршней 34 и 35 до клапанов 36 и 37. A variant of the engine is possible, containing not one but two additional pistons 34 and 35, two bypass valves 36 and 37, two cavities 38 and 39 connected to each other and to the piston cavities by pipelines 40 and 41, exhaust valves 42 with springs 43 and pistons 44 movably with a gap installed in the cylinders 45. Valves 36, 37 and 42 may be driven by a conventional cam shaft, however, it is easier to design exhaust valves 36 and 37 according to FIG. 3, and the exhaust valve 42 in the form of a disk movably conjugated with a minimum clearance with a cylindrical hole 46, the length l of which and the mass of the valve 42 with the stem and piston 44 are selected from the condition of approximate equality of the stroke time before the valve opens and the stroke time of the pistons 34 and 35 to valves 36 and 37.

Возможен также вариант двигателя с дополнительным поршнем в виде качающейся (поворотной) лопасти, сопряженной с перепускным каналом в виде цилиндрического сектора (подобно прототипу). A variant of the engine with an additional piston in the form of a swinging (rotary) blade, coupled to the bypass channel in the form of a cylindrical sector (similar to the prototype) is also possible.

Вместо коаксиального расположения перепускного канала возможно исполнение его в виде обычного цилиндра, расположенного рядом с основным и снабженного обычным (не кольцевым) дополнительным поршнем. В цилиндре 1 установлена форсунка 47 или свеча зажигания. Instead of the coaxial arrangement of the bypass channel, it is possible to perform it in the form of a conventional cylinder located next to the main cylinder and equipped with a conventional (non-annular) additional piston. A nozzle 47 or a spark plug is installed in cylinder 1.

Реализация способа и действие двигателя осуществляются следующим образом. После продувки рабочей камеры двигателя через окна 5 и 8 встречным движением поршней 2 и 3 производится сжатие воздушного заряда, впрыск топлива через форсунку 47, самовоспламенение смеси и расширение продуктов сгорания. Перед открытием выпускного окна 8 дополнительный поршень 12 на фиг.1 находится в крайнем левом положении, при этом выпускной клапан 10 под воздействием поршня 12 прижат к седлу и закрыт, клапан 13 открыт, в подпоршневых полостях 17 и 18, в полости 14 и в правой части перепускного канала находится воздух под давлением порядка 3 бар, регулируемым газовым редуктором 20 через кинематическую связь рычага 21 с регулятором цикловой подачи топливного насоса. С началом открытия окон 8 продукты сгорания из рабочей камеры цилиндра 1 под давлением примерно 10 бар проникают на вход перепускного канала 9 в зазор между выпускным клапаном 10 и торцом поршня 12, при этом клапан давлением газа удерживается в закрытом положении, а поршень с большим ускорением движется вправо, сжимает воздух в полостях 14, 17 и 18 и в конце хода закрывает клапаны 13. В этой фазе действия двигателя давление на входе перепускного канала падает примерно до 2,2 бар, клапаны 10 усилием пружин 25 открываются, одновременно открываются впускные окна 5 и давлением воздуха от турбонагнетателя порядка 2,5 бар осуществляется продувка цилиндра 1. При закрытии перепускного клапана 13 в момент контакта с поршнем 12 плоский торец последнего и углубление (полость) 23 на тарелке клапана с уплотняющим выступом на периферии обеспечивают создание воздушной подушки, обеспечивающей мягкое, безударное соприкосновение поршня с тарелкой клапана, этому способствует коническая форма тарелки, обладающей свойствами упругой тарельчатой пружины. Одновременно с посадкой перепускного клапана на седло опирается на корпус дополнительная тарелка 28, ее полость 29 изолируется от полости 14 и соединяется через пазы 30 и трубопровод 31 с выпускным патрубком 11, давление в полости 29 уменьшается относительно давления в полости 14 в несколько раз, и поскольку диаметр тарелки 28 больше диаметра тарелки клапана 13, последняя удерживается в закрытом положении при давлении в полостях 14, 17 и 18 около 11 бар, обратный клапан 22 при этом закрыт. При встречном движении поршней 2 и 3 воздух в подпоршневых полостях расширяется и совершает полезную работу на вал двигателя. Вблизи верхней мертвой точки давление в полости 14 падает примерно до 3 бар, клапаны 13 пружинами 24 открываются, поршень 12 перемещается в обратном направлении до закрытия клапана 10, и цикл повторяется. The implementation of the method and the action of the engine are as follows. After purging the working chamber of the engine through the windows 5 and 8 with the oncoming movement of the pistons 2 and 3, the air charge is compressed, fuel is injected through the nozzle 47, the mixture spontaneously ignites, and the combustion products expand. Before opening the outlet window 8, the additional piston 12 in figure 1 is in the extreme left position, while the exhaust valve 10 is pressed against the seat by the action of the piston 12 and is closed, the valve 13 is open, in the piston cavities 17 and 18, in the cavity 14 and in the right part of the bypass channel is air under a pressure of the order of 3 bar, regulated by a gas reducer 20 through the kinematic connection of the lever 21 with the regulator of the cyclic supply of the fuel pump. With the beginning of the opening of the windows 8, the combustion products from the working chamber of the cylinder 1 under a pressure of about 10 bar penetrate the inlet of the bypass channel 9 into the gap between the exhaust valve 10 and the end face of the piston 12, while the valve is held in gas pressure and the piston moves with great acceleration to the right, compresses the air in the cavities 14, 17 and 18 and closes the valves 13 at the end of the stroke. In this phase of the engine, the pressure at the inlet of the bypass channel drops to about 2.2 bar, the valves 10 open by the force of the springs 25, and the inlets open at the same time e of the window 5 and the air pressure from the turbocharger of about 2.5 bar, cylinder 1 is purged. When the bypass valve 13 is closed at the moment of contact with the piston 12, the flat end of the latter and the recess (cavity) 23 on the valve plate with a sealing protrusion on the periphery provide an air cushion providing a soft, shockless contact of the piston with the valve disc, this is facilitated by the conical shape of the disc, which has the properties of an elastic disc spring. Simultaneously with the bypass valve landing on the seat, an additional plate 28 rests on the body, its cavity 29 is isolated from the cavity 14 and connected through the grooves 30 and the pipe 31 to the outlet pipe 11, the pressure in the cavity 29 decreases several times with respect to the pressure in the cavity 14, and since the diameter of the plate 28 is larger than the diameter of the valve plate 13, the latter is held in a closed position at a pressure in the cavities 14, 17 and 18 of about 11 bar, the check valve 22 is closed. With the oncoming movement of the pistons 2 and 3, the air in the piston cavities expands and does useful work on the engine shaft. Near the top dead center, the pressure in the cavity 14 drops to about 3 bar, the valves 13 by the springs 24 open, the piston 12 moves in the opposite direction until the valve 10 closes, and the cycle repeats.

Действие двигателя без наддува, в частности карбюраторного, имеет некоторые особенности. Ход дополнительного поршня вправо совершается до создания разрежения на входе в перепускной канал, при этом соединение входа канала с выпускным патрубком 11 (фиг.4) устраняется обратным клапаном 32. В фазе разрежения на входе дополнительный поршень, движущийся по инерции с большой скоростью, обеспечивает всасывание смеси через окна 5 в полость цилиндра 1, а при обратном ходе дополнительного поршня продукты сгорания вытесняются через клапаны 10 в выпускной патрубок 11. The action of a naturally aspirated engine, in particular a carburetor, has some features. The additional piston moves to the right until a vacuum is created at the inlet to the bypass channel, and the connection of the channel inlet to the outlet pipe 11 (Fig. 4) is eliminated by the check valve 32. In the rarefaction phase at the inlet, the additional piston moving by inertia with high speed ensures suction mixture through the window 5 into the cavity of the cylinder 1, and with the reverse stroke of the additional piston, the combustion products are displaced through the valves 10 into the exhaust pipe 11.

Работа двигателя с одним дополнительным поршнем сопровождается неуравновешенными осевыми силами и вибрацией. Этого недостатка нет у схемы с двумя дополнительными поршнями (фиг.2), при этом в два раза уменьшается ход каждого поршня, соответственно уменьшается инерционность их действия (время прямого и обратного ходов). Engine operation with one additional piston is accompanied by unbalanced axial forces and vibration. This drawback does not exist in a circuit with two additional pistons (Fig. 2), while the stroke of each piston is halved, and the inertia of their action (the time of forward and reverse strokes) is accordingly reduced.

Поскольку ход дополнительных поршней и клапана 42 определяется давлением газа на входе в перепускной канал, действие их нетрудно синхронизировать подбором массы клапана и длины l цилиндра. Since the stroke of the additional pistons and valve 42 is determined by the gas pressure at the inlet to the bypass channel, their action can be easily synchronized by selecting the valve mass and cylinder length l.

На режимах частичных нагрузок уменьшаются давление выпускных газов и кинематическая энергия дополнительных поршней, поэтому для сохранения хода до упора в перепускные клапаны нужно уменьшать начальное (минимальное) давление в полостях 38, 39 и 14, что достигается кинематической связью регулятора подачи топлива с приводом газового редуктора 20 или соединением этих полостей с впускным ресивером 6, давление наддува в котором уменьшается на частичных режимах. Возможно также оптимальное управление газовым редуктором с помощью бортового компьютера. At partial load conditions, the pressure of the exhaust gases and the kinematic energy of the additional pistons are reduced, therefore, to maintain the stroke all the way to the bypass valves, it is necessary to reduce the initial (minimum) pressure in the cavities 38, 39 and 14, which is achieved by the kinematic connection of the fuel supply regulator to the gas gear drive 20 or by connecting these cavities with the intake receiver 6, the boost pressure of which decreases in partial modes. Optimal control of the gas reducer with the on-board computer is also possible.

Перепуск малой части газа из полости 29 в выпускной патрубок 11 обеспечивает медленную смену объема газа в полости 14 (дренаж) и выпуск кратерных газов. Bypassing a small part of the gas from the cavity 29 into the exhaust pipe 11 provides a slow change in the volume of gas in the cavity 14 (drainage) and the release of crater gases.

Технико-экономическая эффективность предложения обусловлена следующими факторами. Technical and economic efficiency of the proposal is due to the following factors.

Предложение применимо к дизельным и карбюраторным двигателям с наддувом и без него, т.е. оно обеспечивает расширение области применения. The proposal is applicable to diesel and carburetor engines with and without supercharging, i.e. it provides an extension of the scope.

Устройство по сравнению с прототипом имеет меньше клапанов, газовых полостей и патрубков, проще по конструкции, имеет более высокую надежность, экономичнее вследствие уменьшения насосных потерь в клапанах. Compared with the prototype, the device has fewer valves, gas cavities and nozzles, is simpler in design, has higher reliability, more economical due to the reduction of pump losses in the valves.

Устройство снабжено элементами автоматического регулирования параметров рабочего тела в подпоршневых полостях, что обеспечивает расширение диапазона мощностных режимов работы двигателя. The device is equipped with elements for automatically controlling the parameters of the working fluid in the piston cavities, which provides an extension of the range of power modes of the engine.

Обеспечено многократное снижение расхода воздуха во вспомогательном подпоршневом тракте, уменьшаются габариты воздушных фильтров и запыление вспомогательного тракта. A multiple reduction in air flow in the auxiliary piston path is ensured, the dimensions of the air filters and dusting of the auxiliary duct are reduced.

Предложенные технические решения обеспечивают утилизацию энергии выпускных газов и снижение расхода топлива примерно нa 20%, что обеспечивает значительный экономический эффект. The proposed technical solutions ensure the utilization of exhaust gas energy and reduce fuel consumption by about 20%, which provides a significant economic effect.

Claims

1. The method of operation of an internal combustion engine by purging the cylinder with air, compressing the air in the cylinder, supplying fuel, burning it, expanding the combustion products, supplying exhaust gases to the inlet of the bypass channel, expanding them and subsequently discharging them, characterized in that, in order to improve efficient indicators, simultaneously with the expansion of exhaust gases at the inlet of the bypass channel, from its outlet pass the compressed gas into the piston cavity of the pistons, disconnect the piston cavity from the outlet of the bypass channel, expand ryayut therein pressurized gas and release it into the crossover passage outlet, and the minimum pressure in the compressed gas subpiston cavities is adjusted according to the fuel supply cycle.

2. An internal combustion engine comprising at least one cylinder with inlet ports communicated with the receiver, exhaust ports and opposed pistons placed therein, a bypass duct with an inlet connected to exhaust ports and connected through exhaust valves to an exhaust port and an outlet, and a regulator of cyclic fuel supply, characterized in that, in order to improve effective performance, it is equipped with a source of compressed gas of variable pressure, the pistons are equipped with piston cavities, in the bypass anal arranged additional piston, the bypass passage outlet is connected via a bypass poppet valves are provided with a drive, with the subpiston cavities associated with the compressed gas source and the receiver.

3. The engine according to claim 2, characterized in that the additional piston is made with flat ends, and the plates of the exhaust and bypass valves are made concave from the side of the additional piston and mated with its ends in its extreme positions.

4. The engine according to paragraphs. 2 and 3, characterized in that it is provided with a second additional piston located in the bypass channel provided with a second outlet, and the exhaust valves are located in the middle of the bypass channel.

5. The engine according to paragraphs. 2 - 4, characterized in that the plate of each exhaust valve is equipped with a rod made in the form of a piston mated to the walls of the discharge pipe.

6. The engine according to paragraphs. 2 to 5, characterized in that each bypass valve is equipped with an additional plate of a larger diameter than the main plate, and a cylindrical spool with channels communicating the cavity under the additional plate with an outlet pipe.

7. The engine according to paragraphs. 2 to 6, characterized in that the check valves are installed in the exhaust pipe.

8. The engine according to paragraphs. 2 to 7, characterized in that it is equipped with a gas gear with a drive and additional check valves, and the piston cavity communicates with a source of compressed gas through a gas gear and additional check valves.

9. The engine according to paragraphs. 2 to 8, characterized in that it is equipped with a throttle channel, through which the piston cavity communicates with the receiver.

10. The engine of claim 8, characterized in that the gas reducer drive is kinematically connected to the fuel cyclic regulator.

11. The engine according to paragraphs. 2 to 9, characterized in that it is equipped with an onboard component associated with the drive of the gas gear.