RU2031218C1

RU2031218C1 - Method of operation of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2031218C1
Application number: SU925023358A
Authority: RU
Inventors: А.Ю. Волков; В.Н. Осауленко; А.А. Казанцев; В.И. Слободчук
Original assignee: Волков Андрей Юрьевич; Осауленко Вячеслав Николаевич
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: method includes supplying charge into the cylinder, supplying fresh charge into the compression chamber, compressing the charge in the cylinder, igniting the charge, burning out the charge and expansion of burned out products, compression and heating of the fresh charge in the compression chamber, discharging exhaust gases from the cylinder, and by-passing of compressed fresh charge from the compression chamber to the cylinder. Heat, which is generated in compression of the fresh charge during by- passing from the compression chamber to the cylinder, is partially accumulated in the compression chamber. The fresh charge is then expanded to transfer the accumulated heat to the charge. EFFECT: enhanced efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) путем подачи свежего заряда топливовоздушной смеси (ТВС) в подпоршневую компрессорную полость, сжатия его в этой полости, перепуска свежего заряда в цилиндр, воспламенения заряда от сжатия, сгорания, расширения и выпуска продуктов сгорания из цилиндра [1]. A known method of operation of an internal combustion engine (ICE) by supplying a fresh charge of the air-fuel mixture (FA) to the piston compressor cavity, compressing it in this cavity, transferring the fresh charge to the cylinder, igniting the charge from compression, combustion, expansion and release of combustion products from the cylinder [ 1].

Однако в известном способе сжимают ТВС в компрессорной полости без отвода тепла, что приводит к разогреву сжимаемого заряда, повышению потерь на сжатие, возникает опасность детонации ТВС. However, in the known method, the fuel assemblies are compressed in the compressor cavity without heat removal, which leads to heating of the compressible charge, an increase in compression losses, and there is a danger of fuel assembly detonation.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи свежего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости свежего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания, выпуска отработавших газов из цилиндра и продувки цилиндра свежим зарядом из полости [2]. A known method of operating an internal combustion engine by introducing a working charge into a cylinder, supplying a fresh charge to a cavity heated by heat of combustion products of a working charge, compressing a working charge in a cylinder, compressing and heating a fresh charge in a cavity, igniting a working charge, burning it, expanding combustion products, exhaust exhaust gases from the cylinder and purging the cylinder with a fresh charge from the cavity [2].

Однако в известном способе свежий заряд нагревается в полости и от сжатия, и от горячих стенок цилиндра, что приводит к дополнительному росту давления в полости, повышению потерь на сжатие и уменьшает КПД ДВС. However, in the known method, a fresh charge is heated in the cavity both from compression and from the hot walls of the cylinder, which leads to an additional increase in pressure in the cavity, an increase in compression losses and reduces the efficiency of the internal combustion engine.

Цель изобретения - повышение КПД ДВС. The purpose of the invention is to increase the efficiency of internal combustion engines.

Цель достигается тем, что по способу работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи в компрессорную камеру свежего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, воспламенения его, сгорания и расширения продуктов сгорания, сжатия и нагрева в компрессоpной камере свежего заряда, выпуска отработавших газов из цилиндра и перепуска сжатого свежего заряда из компрессорной камеры в цилиндр при сжатии свежего заряда его тепло частично аккумулируют в компрессорной камере, а во время перепуска из компрессорной камеры в цилиндр свежий заряд расширяют, передавая ему аккумулированное в компрессорной камере тепло. The goal is achieved by the fact that according to the method of ICE operation, by introducing a working charge into the cylinder, supplying a fresh charge to the compressor chamber, compressing the working charge in the cylinder, igniting it, burning and expanding the products of combustion, compressing and heating the fresh charge in the compressor chamber, exhaust gas from the cylinder and bypassing the compressed fresh charge from the compressor chamber to the cylinder, when the fresh charge is compressed, its heat is partially accumulated in the compressor chamber, and during the bypass from the compressor chamber to the cylinder, the fresh charge expanding, passing it the heat accumulated in the compressor chamber.

Сущность заявляемого способа заключается в аккумулировании возникающего при сжатии в компрессорной полости тепла с целью снижения температуры заряда и давления в полости. В результате снижаются потери энергии на сжатие свежего заряда и повышается КПД ДВС. Саккумулированное в компрессорной полости тепло возвращается затем в заряд на стадии его расширения при перепуске в цилиндр. Таким образом достигается положительный эффект. Предложенная циклическая аккумуляция тепла при сжатии с отдачей тепла при расширении заряда может быть осуществлена с помощью размещенного в компрессорной полости регенеративного теплообменника. The essence of the proposed method consists in the accumulation of heat arising during compression in the compressor cavity in order to reduce the temperature of the charge and pressure in the cavity. As a result, energy losses due to compression of the fresh charge are reduced and the efficiency of the internal combustion engine is increased. The heat accumulated in the compressor cavity is then returned to the charge at the stage of expansion when it is transferred to the cylinder. Thus, a positive effect is achieved. The proposed cyclic heat storage during compression with heat loss during charge expansion can be carried out using a regenerative heat exchanger located in the compressor cavity.

На фиг. 1 и 2 изображен цилиндр ДВС с расположением кольцевой компрессорной камеры вокруг цилиндра с двухступенчатым поршнем, расположенным в нижней (НМТ) и верхней (ВМТ) мертвых точках соответственно; на фиг.3 - ДВС с подпоршневой компрессорной камерой. In FIG. 1 and 2, an internal combustion engine cylinder with an annular compressor chamber around a cylinder with a two-stage piston located at the bottom (BDC) and top (TDC) dead points, respectively, is shown; figure 3 - ICE with a piston compressor chamber.

П р и м е р 1 (фиг.1 и 2). PRI me R 1 (figures 1 and 2).

Двигатель содержит два коаксиальных цилиндра: внутренний 1 и наружный 2, между которыми расположена кольцевая компрессорная камера 3, заполненная набивкой регенеративного теплообменника, головку 4 цилиндров, поршень, связанный с преобразовательным механизмом (не показан) и имеющий две ступени - первую 5 меньшего диаметра и вторую 6 большего диаметра. Первая ступень 5 поршня образует со стенками внутреннего цилиндра 1 и головкой 4 цилиндров рабочую камеру 7 переменного объема. Вторая ступень 6 поршня образует между внутренними стенками наружного цилиндра 2 и боковыми стенками первой ступени 5 поршня перепускную камеру 8, которая отделена от компрессорной камеры 3 перепускными каналами 9 автоматическими клапанами 10. В головке цилиндров расположены форсунка 11, выступающая в рабочую камеру 7, и выпускной клапан 12. В стенке внутреннего цилиндра 1 выполнены продувочные окна 13, управляемые первой ступенью 5 поршня и соединяющие компрессорную 3 и рабочую 7 камеры при расположении поршня вблизи НМТ (фиг.1). В стенке наружного цилиндра 2 ниже перепускных каналов 9 выполнены впускные окна 14 с клапанами 15, через которые в двигатель подается свежий заряд. Регенератор, размещенный в компрессорной камере 3, представляет собой набор концентрических "галет" (набивка), спрессованных из тонкой проволочной путанки диаметром 30-60 мкм. Кроме этого, может использоваться фольга. The engine contains two coaxial cylinders: inner 1 and outer 2, between which there is an annular compressor chamber 3 filled with a packing of a regenerative heat exchanger, a cylinder head 4, a piston connected to a conversion mechanism (not shown) and having two stages - the first 5 is of smaller diameter and the second 6 larger diameter. The first piston stage 5 forms, with the walls of the inner cylinder 1 and the cylinder head 4, a working chamber 7 of variable volume. The second piston stage 6 forms between the inner walls of the outer cylinder 2 and the side walls of the first piston stage 5 a bypass chamber 8, which is separated from the compressor chamber 3 by the bypass channels 9 by automatic valves 10. At the cylinder head there is an nozzle 11 protruding into the working chamber 7 and an exhaust valve 12. In the wall of the inner cylinder 1, purge windows 13 are made, controlled by the first stage 5 of the piston and connecting the compressor 3 and the working chamber 7 when the piston is located near the BDC (Fig. 1). In the wall of the outer cylinder 2 below the bypass channels 9, inlet windows 14 with valves 15 are made, through which a fresh charge is supplied to the engine. The regenerator, located in the compressor chamber 3, is a set of concentric "biscuits" (stuffing), pressed from a thin wire rope with a diameter of 30-60 microns. In addition, foil can be used.

Способ по примеру 1 осуществляется следующим образом. The method according to example 1 is as follows.

При движении поршня от НМТ к ВМТ первая ступень 5 поршня перекрывает продувочные окна 13, автоматические клапаны 15 впускных окон 14 закрываются под действием перепада давления, а перепускные клапаны 10 открываются. Начинается раздельное сжатие рабочего заряда в рабочей камере 7 и свежего заряда в компрессорной 3 и перепускной 8 камерах. При этом свежий заряд через перепускные каналы 9 поступает в компрессорную камеру 3 и сжимается в объеме, заполненном набивкой регенератора, нагреваясь при этом как от стенок внутреннего цилиндра 1, так и от сжатия. Одновременно регенератор частично забирает тепло от воздушного заряда, также нагреваясь при этом. Поскольку толщина проволоки "галет" и полная теплоемкость регенератора определены из условия их минимальной тепловой инерционности, температура набивки отслеживает температуру воздушного заряда путем частичного аккумулирования тепла в материале набивки. Температура набивки и заряда, а также давление в компрессорной камере повышаются вплоть до подхода поршня к ВМТ. Однако температура максимального сжатия свежего заряда не должна превышать температуры стенок внутреннего цилиндра 1 во избежание перегрева двигателя. Увеличение полной теплоемкости компрессорной камеры 3 благодаря размещенной в ней набивке позволяет выполнять это условие при степени сжатия до 5-7, что невозможно при отсутствии регенератора, когда степень сжатия в камере 3 не должна превышать 2-3. Вблизи ВМТ в нагретый от сжатия в камере 7 рабочий заряд впрыскивают топливо форсункой 11, воспламеняют и выжигают его. Начинается рабочий ход поршня, расширение продуктов сгорания с совершением механической работы. Сжатый в компрессорной камере 3 свежий заряд остается в ней почти до конца рабочего хода поршня, поскольку в конце такта сжатия перепускной клапан 10 закрывается, отсекая камеру 3 от перепускной камеры 8. В самой перепускной камере начинается накопление новой порции свежего заряда, поступающего через впускные окна 14, клапаны 15 на которых открываются под действием перепада давления. При подходе поршня к НМТ открывают выпускной клапан 12 и осуществляют свободный выпуск отработавших газов из рабочей камеры 7. Затем первая ступень поршня открывает продувочные окна 13 и свежий заряд из компрессорной камеры 3 начинает под давлением поступать в рабочую камеру 7, вытесняя продукты сгорания через открытый выпускной тракт. При этом происходит расширение сжатого заряда в объеме регенератора, температура заряда уменьшается, и начинается передача ранее саккумулированного тепла от более горячей (на этой стадии) набивки в охлаждающийся при расширении газ. Использование проволоки малого диаметра для образования развитой поверхности набивки и минимальной тепловой инерционности ее делает процесс передачи тепла за время цикла от газа регенератору и наоборот чрезвычайно эффективным. Таким образом, в конце продувки и наполнения рабочей камеры 7 регенератор отдает в свежий заряд саккумулированное ранее тепло и возвращается в начальное состояние. Поршень находится в НМТ. Выпускной клапан 12 закрыт. В перепускной камере 8 накоплен свежий заряд для следующего цикла, и автоматический клапан 15 закрывается. С началом нового такта сжатия открываются перепускные клапаны 10 и закрываются первой ступенью 5 поршня продувочные окна 13. Цикл повторяется. When the piston moves from BDC to TDC, the first piston stage 5 closes the purge windows 13, the automatic valves 15 of the inlet windows 14 are closed by a differential pressure, and the bypass valves 10 open. Separate compression of the working charge in the working chamber 7 and the fresh charge in the compressor 3 and bypass 8 chambers begins. In this case, the fresh charge through the bypass channels 9 enters the compressor chamber 3 and is compressed in the volume filled with the packing of the regenerator, while heating both from the walls of the inner cylinder 1 and from compression. At the same time, the regenerator partially removes heat from the air charge, while also heating up. Since the thickness of the wire “biscuits” and the total heat capacity of the regenerator are determined from the condition of their minimum thermal inertia, the temperature of the packing monitors the temperature of the air charge by partially accumulating heat in the packing material. The temperature of the packing and charge, as well as the pressure in the compressor chamber increase until the piston approaches TDC. However, the temperature of maximum compression of the fresh charge should not exceed the temperature of the walls of the inner cylinder 1 in order to avoid overheating of the engine. The increase in the total heat capacity of the compressor chamber 3 due to the packing placed in it allows this condition to be fulfilled with a compression ratio of up to 5-7, which is impossible in the absence of a regenerator, when the compression ratio in chamber 3 should not exceed 2-3. Near TDC, fuel is injected into nozzle 11 heated by compression in chamber 7, fuel is injected, ignited and burned. The piston stroke begins, the expansion of combustion products with the completion of mechanical work. The fresh charge compressed in the compressor chamber 3 remains in it almost to the end of the piston stroke, since at the end of the compression stroke the bypass valve 10 closes, cutting off the chamber 3 from the bypass chamber 8. In the bypass chamber, the accumulation of a new portion of the fresh charge coming through the inlet windows begins 14, the valves 15 on which are opened under the action of a differential pressure. When the piston approaches the BDC, the exhaust valve 12 is opened and the exhaust gases are freely discharged from the working chamber 7. Then the first piston stage opens the purge windows 13 and a fresh charge from the compressor chamber 3 begins under pressure to enter the working chamber 7, displacing the combustion products through the open exhaust tract. In this case, the compressed charge expands in the volume of the regenerator, the charge temperature decreases, and the transfer of previously accumulated heat from the hotter (at this stage) packing begins to flow into the gas cooling during expansion. Using a small diameter wire to form a developed packing surface and minimizing its thermal inertia makes the process of heat transfer during the cycle from the gas to the regenerator and vice versa extremely effective. Thus, at the end of the purge and filling of the working chamber 7, the regenerator gives up the previously accumulated heat to a fresh charge and returns to its initial state. The piston is located at the BDC. The exhaust valve 12 is closed. A fresh charge is accumulated in the bypass chamber 8 for the next cycle, and the automatic valve 15 closes. With the beginning of a new compression stroke, the bypass valves 10 open and the purge windows 13 are closed by the first piston stage 5. The cycle repeats.

П р и м е р 2 (фиг.3). PRI me R 2 (figure 3).

Двигатель содержит цилиндр 16, поршень 17 с перепускным клапаном 18, разделяющий внутрицилиндровый объем на надпоршневую рабочую камеру 19 и подпоршневую компрессорную камеру 20. Последняя имеет впускные отверстия 21 с клапанами 22 и содержит регенеративный теплообменник 23, форма которого соответствует внутренней поверхности юбки поршня 17. В полость рабочей камеры 19 выступает форсунка 24. В стенке цилиндра 16 выполнены выпускные окна 25. Регенератор 23 аналогичен описанному в примере 1. The engine includes a cylinder 16, a piston 17 with an overflow valve 18, dividing the cylinder volume into the over-piston working chamber 19 and the under-piston compressor chamber 20. The latter has inlets 21 with valves 22 and contains a regenerative heat exchanger 23 whose shape corresponds to the inner surface of the piston skirt 17. B the cavity of the working chamber 19 is the nozzle 24. In the wall of the cylinder 16 there are exhaust ports 25. The regenerator 23 is similar to that described in example 1.

Способ по примеру 2 осуществляют следующим образом. The method according to example 2 is as follows.

При движении поршня 17 от НМТ к ВМТ перепускной клапан 18 закрыт и в замкнутой компрессорной камере 20 создается начальное разряжение, в результате чего открываются клапаны 22 впускных отверстий 21 и начинает поступать свежий заряд. Одновременно в рабочей камере 19 происходит сжатие рабочего заряда и впрыск топлива в разогретый от сжатия заряд. При прохождении поршнем ВМТ клапаны 22 закрываются - заканчивается накопление свежего заряда в компрессорной камере 20 и начинается его сжатие в объеме регенератора 23 при рабочем ходе поршня 17 под действием расширяющихся продуктов сгорания. Аналогично примеру 1 набивка регенератора аккумулирует часть возникающего при сжатии тепла, "отслеживая" температуру свежего заряда. В результате процесс сжатия проходит при более низких температуре и давлении свежего заряда, и потери на сжатие уменьшаются. При подходе к НМТ поршень 17 открывает выпускные окна 25. Затем открывается поршневой перепускной клапан 18, и свежий заряд, сжатый в объеме регенератора 23 (занимающего весь подпоршневой объем при положении поршня в НМТ), начинает поступать в рабочую камеру, вытесняя остатки продуктов сгорания. На этой стадии, когда температура расширяющегося свежего заряда уменьшается, более нагретая проволочная набивка начинает отдавать газу ранее саккумулированное тепло, стремясь приблизить процесс расширения к изотермическому. Поршень 17 проходит НМТ, продувка и наполнение рабочей камеры 19 заканчиваются. Перепускной клапан 18 и выпускные окна 25 закрываются. Цикл повторяется. When the piston 17 moves from BDC to TDC, the bypass valve 18 is closed and an initial vacuum is created in the closed compressor chamber 20, as a result of which the valves 22 of the inlet openings 21 open and a fresh charge begins to flow. At the same time, in the working chamber 19, the working charge is compressed and fuel is injected into the charge heated from compression. When the piston passes through the TDC, the valves 22 are closed - the accumulation of fresh charge in the compressor chamber 20 ends and its compression begins in the volume of the regenerator 23 during the working stroke of the piston 17 under the action of expanding combustion products. Analogously to example 1, the packing of the regenerator accumulates part of the heat generated during compression, "tracking" the temperature of the fresh charge. As a result, the compression process takes place at lower temperature and fresh charge pressure, and compression losses are reduced. When approaching the BDC, the piston 17 opens the exhaust ports 25. Then the piston bypass valve 18 opens, and the fresh charge compressed in the volume of the regenerator 23 (occupying the entire piston volume when the piston is in the BDC) starts to enter the working chamber, displacing the remaining combustion products. At this stage, when the temperature of the expanding fresh charge decreases, the warmer wire packing begins to give off the previously accumulated heat to the gas, trying to bring the expansion process closer to isothermal. The piston 17 passes the BDC, the purge and filling of the working chamber 19 is completed. The bypass valve 18 and the outlet ports 25 are closed. The cycle repeats.

Описанный процесс осуществим в ДВС с различными видами смесеобразования, разными типами компрессорных камер и способами использования сжатого свежего заряда (продувка, наддув, охлаждение цилиндра или последующее расширение сжатого в объеме регенератора заряда с совершением полезной механической работы). Во всех случаях достигается повышение КПД ДВС за счет уменьшения механических потерь на сжатие свежего заряда, поскольку "отслеживание" набивкой температуры газа делает процесс расширения и сжатия более близким к изотермическому, т.е. более энергетически выгодным по сравнению с прототипом. The described process is feasible in ICE with different types of mixture formation, different types of compressor chambers and methods of using compressed fresh charge (blowing, pressurizing, cooling the cylinder or subsequent expansion of the charge compressed in the volume of the regenerator with the performance of useful mechanical work). In all cases, an increase in the efficiency of the internal combustion engine is achieved by reducing the mechanical loss of compression of the fresh charge, since the "tracking" of the gas temperature by packing makes the expansion and compression process closer to isothermal, i.e. more energy efficient compared to the prototype.

Claims

METHOD FOR WORKING THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE by introducing a working charge into the cylinder, supplying a fresh charge to the compressor chamber, compressing the working charge in the cylinder, igniting it, burning and expanding the combustion products, compressing and heating the fresh charge in the compressor chamber, exhausting the exhaust gases from the cylinder and bypass compressed fresh charge from the compressor chamber to the cylinder, characterized in that when the fresh charge is compressed, its heat partially accumulates in the compressor chamber, and during bypass from the compressor chamber the fresh charge is expanded into the cylinder, transferring heat accumulated in the compressor chamber to it.