RU2031223C1

RU2031223C1 - Method of operation of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2031223C1
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Замараев; Вячеслав Николаевич Осауленко
Original assignee: Олег Александрович Замараев; Вячеслав Николаевич Осауленко
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 cylinder, supplying cooling charge in a space heated by heat of combustion products of charge, compressing the charge in the cylinder, compressing and heating the cooling charge in the space, igniting the charge, burning out the charge, expanding combustion products in the cylinder which is accompanied with doing mechanical work, discharging exhaust gases from the cylinder, and discharging heated cooling charge from the space. Exhaust gases are fed from the cylinder to a heat exchanger. The heated cooling charge is heated additionally in the heat exchanger, expanded and heated upstream of the outlet of the space that is accompanied with doing additional mechanical work. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), утилизирующих тепло продуктов сгорания, не используемое в рабочем процессе. The invention relates to mechanical engineering, in particular, to engine building, and in particular to methods of operation of internal combustion engines (ICE), utilizing the heat of combustion products not used in the working process.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, нагретого от выпускного коллектора теплом отработавших газов, подачи в полость, окружающую цилиндр, охлаждающего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда с одновременным вытеснением нагретого охлаждающего заряда из полости, воспламенения рабочего заряда, его сгорания и расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы и одновременным впуском свежего охлаждающего заряда в полость, перепуска отработавших газов из цилиндра в выпускной коллектор (теплообменник) для нагрева свежего рабочего заряда и выпуска их в атмосферу [1]. A known method of operating an internal combustion engine by introducing into the cylinder a working charge heated from the exhaust manifold by the heat of exhaust gases, supplying a cooling charge to the cavity surrounding the cylinder, compressing the working charge in the cylinder while simultaneously displacing the heated cooling charge from the cavity, igniting the working charge, burning it, and expansion of the combustion products in the cylinder with the completion of mechanical work and the simultaneous inlet of fresh cooling charge into the cavity, bypassing the exhaust gases from the cylinder into the exhaust manifold (Heat exchanger) for heating the fresh charge and discharge of working them into the atmosphere [1].

Однако нагрев перед впуском в цилиндр рабочего заряда отрицательно влияет на коэффициент наполнения цилиндра, а следовательно, на мощностные характеристики и КПД ДВС. С другой стороны, известное техническое решение не предусматривает использование энергии, полученной охлаждающим зарядом в нагретой полости, для совершения дополнительной полезной работы и повышения КПД. However, heating before the inlet of the working charge into the cylinder adversely affects the filling factor of the cylinder, and therefore, the power characteristics and efficiency of the internal combustion engine. On the other hand, the known technical solution does not provide for the use of energy obtained by the cooling charge in a heated cavity to perform additional useful work and increase efficiency.

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

Однако в этом способе также не используется энергия нагретого в полости охлаждающего заряда для совершения дополнительной механической работы. Кроме того, величина нагрева охлаждающего заряда, т.е. повышение внутренней энергии этого заряда, не велико, поскольку для его нагрева используется преимущественно ушедшее в стенки цилиндра тепло продуктов сгорания, в то время как имеющие высокую температуру отработавшие газы из цилиндра свободно выбрасываются в окружающую среду без использования их тепловой энергии для повышения КПД. However, this method also does not use the energy of the cooling charge heated in the cavity to perform additional mechanical work. In addition, the amount of heating of the cooling charge, i.e. the increase in the internal energy of this charge is not large, since it uses mainly the heat of combustion products that has gone into the cylinder walls, while high-temperature exhaust gases from the cylinder are freely released into the environment without using their thermal energy to increase efficiency.

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 охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости, отработавшие газы из цилиндра направляют в теплообменник, охлаждающий заряд дополнительно нагревают через теплообменник, а перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют при одновременном подогреве с совершением дополнительной механической работы. 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 cooling charge to the cavity heated by the heat of the combustion products, compressing the working charge in the cylinder, compressing and heating the cooling charge in the cavity, igniting the working charge, and burning it, expansion of the combustion products in the cylinder with mechanical work, exhaust gas from the cylinder and the release of a heated cooling charge from the cavity, the exhaust gases from the cylinder are sent to a heat exchanger, cooling yuschy charge additionally heated through the heat exchanger, and prior to release of the heated cooling cavities extend charge while heating with fulfillment of additional mechanical work.

Таким образом, сущность заявляемого способа заключается в более полном использовании тепловой энергии продуктов сгорания основного рабочего заряда, преимущественно тепла отработавших газов, для эффективного нагрева в изолированной от цилиндра полости газообразного вещества с одновременным его расширением для совершения дополнительной механической работы. Thus, the essence of the proposed method consists in a more complete use of thermal energy of the combustion products of the main working charge, mainly the heat of exhaust gases, for efficient heating of a gaseous substance cavity isolated from the cylinder with its simultaneous expansion to perform additional mechanical work.

Именно заявляемая совокупность признаков позволяет получить положительный эффект - повышение КПД ДВС при сохранении основных преимуществ прототипа, в частности поддержания требуемого теплового режима ДВС путем использования охлаждающего (воздушного) заряда. Однако в предлагаемом способе охлаждающий заряд имеет еще одну функцию - дополнительного рабочего тела, внутренняя энергия которого повышается не за счет собственного горения, а за счет нагрева в теплообменнике теплом продуктов сгорания другого (топливного) заряда. Кроме того, так же, как и в прототипе, нагретый охлаждающий заряд может быть использован для продувки цилиндра, но только после того, как он (заряд) совершит работу при расширении. It is the claimed combination of features that allows you to get a positive effect - increasing the efficiency of the internal combustion engine while maintaining the main advantages of the prototype, in particular maintaining the required thermal regime of the internal combustion engine by using a cooling (air) charge. However, in the proposed method, the cooling charge has another function - an additional working fluid, whose internal energy does not increase due to its own combustion, but due to the heating of the combustion products of another (fuel) charge in the heat exchanger. In addition, as in the prototype, a heated cooling charge can be used to purge the cylinder, but only after it (charge) completes the work during expansion.

Заявляемый способ может быть реализован как в двух-, так и в четырехтактных двигателях с разными типами рабочих процессов и с различными газообразными средами в качестве охлаждающего заряда. Однако в любом случае охлаждающая полость работает по двухтактному циклу. В случае использования отработавшего дополнительного рабочего тела для продувки основного цилиндра должны применяться воздушный охлаждающий заряд и двухтактный цикл работы цилиндра. В случае использования других охлаждающих рабочих тел процессы в полости и цилиндре должны проходить независимо, т.е. без смешивания рабочего и охлаждающего зарядов, и признак тактности становится несущественным. Теплообменник располагается вблизи (вокруг) цилиндра, при этом охлаждающая полость обогревается дополнительно ушедшим в стенки цилиндра теплом продуктов сгорания, а также принудительно охлаждаются стенки цилиндра. The inventive method can be implemented in both two- and four-stroke engines with different types of working processes and with different gaseous media as a cooling charge. However, in any case, the cooling cavity operates in a push-pull cycle. In the case of using the spent additional working fluid to purge the main cylinder, an air cooling charge and a two-stroke cycle of operation of the cylinder should be used. In the case of the use of other cooling working fluids, the processes in the cavity and cylinder should take place independently, i.e. without mixing the working and cooling charges, and the sign of tact becomes insignificant. The heat exchanger is located near (around) the cylinder, while the cooling cavity is heated by the heat of combustion products that has additionally gone into the cylinder walls, and the cylinder walls are also forced to cool.

На фиг. 1 и 2 изображен ДВС при положении поршня в верхней (ВМТ) (фиг. 1) и нижней (НМТ) (фиг. 2) мертвых точках, продольный разрез; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2. In FIG. 1 and 2 shows the internal combustion engine with the piston position in the upper (TDC) (Fig. 1) and lower (BDC) (Fig. 2) dead points, a longitudinal section; in FIG. 3 is a section AA in FIG. 2.

ДВС содержит двухступенчатый цилиндр, состоящий из цилиндров меньшего 1 и большего 2 диаметров, в которых расположены соответственно первая 3 и вторая 4 ступени двухступенчатого поршня, связанного с преобразовательным механизмом (не показан). Цилиндр 1 имеет оребрение 5 и окружен теплообменником, который образован коллектором - сборником 6 отработавших газов, внутренняя (ближняя к цилиндру) стенка 7 которого имеет гофры и охватывает цилиндр 1 с образованием вокруг него охлаждающей полости 8, а наружная стенка 9 покрыта слоем теплоизоляции 10. Цилиндр 1 и коллектор 6 закрыты крышкой 11, содержащей полость 12, сообщенную с охлаждающей полостью 8, и полость 13, сообщенную с полостью коллектора 6 отработавших газов. В крышке 11 установлены форсунка 14, выпускной клапан 15 и впускной клапан 16. Крышка 11, цилиндр 1 и днище первой ступени 3 поршня образуют камеру 17 сгорания переменного объема (камеру первого контура), а днище второй ступени 4 поршня с боковой стенкой первой ступени 3 и цилиндром 2 образуют камеру 18 второго контура переменного объема, которая постоянно через отверстия 19 соединена с охлаждающей полостью 8 и полостью 12 крышки, которая, в свою очередь, при открытом впускном клапане 16 соединяется с выходом компрессора 20. Камера 17 сгорания при открытом клапане 15 соединяется с полостью коллектора 6, который снабжен выпускным патрубком 21. Стенки цилиндра 1 имеют пояс впускных окон 22 первого контура, управляемых днищем первой ступени 3 поршня и сообщенных с охлаждающей полостью 8 второго контура при положении поршня вблизи НМТ. В стенках цилиндра 2 выполнены выпускные окна 23 второго контура, окруженные коллектором 24 с установленными в нем около окон 23 клапанами 25. ICE contains a two-stage cylinder, consisting of cylinders of less than 1 and more than 2 diameters, in which the first 3 and second 4 stages of a two-stage piston are connected, connected with a conversion mechanism (not shown). The cylinder 1 has a fin 5 and is surrounded by a heat exchanger, which is formed by a collector - an exhaust gas collector 6, the inner (closest to the cylinder) wall 7 of which has corrugations and covers the cylinder 1 with the formation of a cooling cavity 8 around it, and the outer wall 9 is covered with a layer of thermal insulation 10. The cylinder 1 and the manifold 6 are closed by a lid 11 containing a cavity 12 in communication with the cooling cavity 8 and a cavity 13 in communication with the cavity of the exhaust manifold 6. The nozzle 14, the exhaust valve 15 and the inlet valve 16 are installed in the cover 11. The cover 11, the cylinder 1 and the bottom of the first piston stage 3 form a variable volume combustion chamber 17 (the chamber of the first circuit), and the piston bottom of the second stage 4 with the side wall of the first stage 3 and a cylinder 2 form a chamber 18 of a second circuit of variable volume, which is constantly connected through openings 19 to the cooling cavity 8 and the lid cavity 12, which, in turn, when the intake valve 16 is open, is connected to the output of the compressor 20. The combustion chamber 17, when open to the lapane 15 is connected to the cavity of the manifold 6, which is equipped with an outlet pipe 21. The walls of the cylinder 1 have a belt of inlet windows 22 of the first circuit, controlled by the bottom of the first stage 3 of the piston and communicated with the cooling cavity 8 of the second circuit with the piston position near the BDC. In the walls of the cylinder 2 there are made exhaust windows 23 of the second circuit, surrounded by a collector 24 with valves 25 installed in it near the windows 23.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Оба контура ДВС - горячий первый (17, 6, 13) и нагреваемый второй (18, 8, 12) работают синхронно по двухтактному циклу. В установившемся режиме стенки 1, 7 охлаждающей полости 8 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива в камере 17 сгорания и от отработавших газов, собранных в коллекторе-теплообменнике 6. Во время движения поршня к ВМТ, когда клапаны 15, 16 и окна 22, 23 закрыты, происходит раздельное сжатие первой ступенью 3 поршня рабочего заряда в камере 17 сгорания и второй ступенью 4 поршня охлаждающего заряда в полостях второго контура (18, 8, 12). При этом сжимаемый между ребрами 5 в полости 8 воздушный заряд охлаждает стенки цилиндра 1, коллектора 7 и крышку 11, нагреваясь при этом как от горячих поверхностей, так и от сжатия. Температура и давление охлаждающего заряда быстро повышаются по мере приближения поршня к ВМТ. Одновременно нагревается от сжатия рабочий заряд в камере 17, куда впрыскивается топливо форсункой 14 при подходе поршня к ВМТ. Воспламенившееся топливо выжигают, нагревая стенки цилиндра 1 и крышку 11, и расширяют горячие газы в камере 17 первого контура с совершением механической работы на первую ступень 3 поршня. Во время рабочего хода поршня во втором контуре (8, 12, 18) также происходит расширение при продолжающемся нагреве охлаждающего заряда, который, воздействуя на вторую ступень 4 поршня, совершает дополнительную механическую работу. При подходе поршня к НМТ открывают выпускной клапан 15 и отработавшие в цилиндре 1 газы заполняют полость 13 крышки и коллектор 6, передавая часть своего тепла внутренним стенкам 7. Затем первая ступень 3 поршня открывает пояс впускных окон 22 и отработавший во втором контуре воздушный заряд, имеющий остаточное повышенное давление, поступает в камеру 17, вытесняя в коллектор оставшиеся продукты сгорания. В конце продувки открывается впускной клапан 16 и воздух от компрессора 20 заполняет камеру 17 первого и все камеры второго контура (8, 12, 18). При этом из камеры 17 вытесняются в коллектор 6 остатки горячих газов, клапан 15 закрывается. Через выпускные окна 23, открытые поршнем в НМТ, под давлением воздуха из компрессора 20 выпускают остатки нагретого охлаждающего заряда, продувая второй контур. В начале такта сжатия поршнем перекрываются окна 22 и 23, заканчивается наддув всех камер и клапан 16 закрывается. Выхлопные газы, нагрев внутреннюю стенку 7 теплообменника, уходят из выпускного патрубка 21. Начинается сжатие свежих рабочего и охлаждающего зарядов. Цикл повторяется. Both ICE circuits - the hot first (17, 6, 13) and the heated second (18, 8, 12) work synchronously in a push-pull cycle. In the steady state, the walls 1, 7 of the cooling cavity 8 are heated from the heat of the combustion products of the fuel in the combustion chamber 17 and from the exhaust gases collected in the collector-heat exchanger 6. During the movement of the piston to TDC, when the valves 15, 16 and windows 22, 23 are closed separate compression occurs by the first stage 3 of the piston of the working charge in the combustion chamber 17 and the second stage 4 of the piston of the cooling charge in the cavities of the second circuit (18, 8, 12). In this case, an air charge compressed between the ribs 5 in the cavity 8 cools the walls of the cylinder 1, the collector 7 and the cover 11, being heated both from hot surfaces and from compression. The temperature and pressure of the cooling charge rapidly increase as the piston approaches TDC. At the same time, the working charge in the chamber 17 is heated from compression, where fuel is injected with the nozzle 14 when the piston approaches the TDC. The ignited fuel is burned out, heating the walls of the cylinder 1 and the cover 11, and expand the hot gases in the chamber 17 of the first circuit with mechanical work on the first stage 3 of the piston. During the piston stroke in the second circuit (8, 12, 18), expansion also occurs with continued heating of the cooling charge, which, acting on the second piston stage 4, performs additional mechanical work. When the piston approaches the BDC, the exhaust valve 15 is opened and the gases exhausted in the cylinder 1 fill the lid cavity 13 and the manifold 6, transferring part of its heat to the inner walls 7. Then, the first piston stage 3 opens the intake port belt 22 and the air charge exhausted in the second circuit, which has residual increased pressure enters the chamber 17, displacing the remaining combustion products into the collector. At the end of the purge, the inlet valve 16 opens and air from the compressor 20 fills the chamber 17 of the first and all chambers of the second circuit (8, 12, 18). In this case, the remains of hot gases are forced out of the chamber 17 into the collector 6, the valve 15 closes. Through the exhaust ports 23, opened by the piston in the BDC, the remains of the heated cooling charge are discharged from the compressor 20 under air pressure, purging the second circuit. At the beginning of the compression stroke, the pistons overlap the windows 22 and 23, the pressurization of all the chambers ends and the valve 16 closes. The exhaust gases, heating the inner wall 7 of the heat exchanger, leave the exhaust pipe 21. The compression of fresh working and cooling charges begins. The cycle repeats.

Технико-экономические преимущества заявляемого способа по сравнению с прототипом заключаются в более полном использовании тепла, теряемого в прототипе с выхлопными газами и в нагреваемых элементах конструкции, для совершения дополнительной механической работы и повышения КПД. Основное достоинство предложенного способа в том, что использование горячих выхлопных газов для нагрева дополнительного рабочего тела в теплообменнике позволяет во избежание перегрева цилиндра транспортировать и использовать тепло отработавших газов в специально предусмотренных полостях и теплообменниках. Это способствует снижению тепловой напряженности в цилиндро-поршневой группе, повышению ресурса ДВС. The technical and economic advantages of the proposed method compared to the prototype consist in a more complete use of the heat lost in the prototype with exhaust gases and in heated structural elements, to perform additional mechanical work and increase efficiency. The main advantage of the proposed method is that the use of hot exhaust gases to heat the additional working fluid in the heat exchanger allows to transport and use the heat of the exhaust gases in specially provided cavities and heat exchangers to avoid overheating of the cylinder. This helps to reduce thermal stress in the cylinder-piston group, increase the internal combustion engine resource.

Claims

METHOD FOR WORKING THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE by introducing a working charge into the cylinder, supplying a cooling charge to the cavity heated by heat of the combustion products, compressing the working charge in the cylinder, compressing and heating the cooling charge in the cavity, igniting the working charge, burning it, expanding the combustion products into cylinder with mechanical work, exhaust gas from the cylinder and a heated cooling charge from the cavity, characterized in that the exhaust gases from the cylinder are sent in a heat exchange The cooling cooling charge is additionally heated through a heat exchanger, and before being discharged from the cavity, the heated cooling charge is expanded while heating with additional mechanical work.