RU2043514C1

RU2043514C1 - Method of operating two-stroke internal combustion engine

Info

Publication number: RU2043514C1
Authority: RU
Inventors: О.А. Замараев; Ю.А. Замараев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "АДВИ-АЛМАС"
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1995-09-10

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: working charge is fed to the working cylinder, cooling charge is fed to the space heated by combustion products of working charge, working charge is compressed in the cylinder, cooling charge is compressed and heated in the space, working charge is ignited and burnt out, combustion products is expanded in the cylinder to do mechanical work, exhaust gases are discharged from the cylinder and heated cooling charge is by-passed from the space to the cylinder for its blowing. The heated cooling charge is expanded before by-passing to the cylinder with further heating and doing additional mechanical work. EFFECT: enhanced efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания, 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 that utilize 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]
Однако в известном способе не предусмотрено использование энергии, полученной охлаждающим зарядом в нагреваемой полости, для совершения полезной работы и повышения КПД.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]
However, the known method does not provide for the use of energy received by the cooling charge in the heated cavity to perform useful work and increase efficiency.

Известен способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания 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 перепуска нагретого охлаждающего заряда из полости в цилиндр для его продувки [2]
Однако в этом известном способе также не используется энергия нагретого охлаждающего заряда для совершения дополнительной механической работы.A known method of operating a two-stroke internal combustion engine by admitting a working charge into the cylinder, supplying a cooling charge to a 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 products combustion in the cylinder with mechanical work, exhaust gas from the cylinder and bypass of the heated cooling charge from the cavity into the cylinder to purge it [2]
However, in this known method, the energy of the heated cooling charge is also not used to perform additional mechanical work.

Цель изобретения повышение КПД двигателя. The purpose of the invention is to increase engine efficiency.

Это достигается тем, что в способе работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания 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 перепуска нагретого охлаждающего заряда из полости в цилиндр для его продувки, перед перепуском в цилиндр нагретого охлаждающего заряда его расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы. This is achieved by the fact that in the method of operating a two-stroke internal combustion engine by introducing a working charge into the cylinder, supplying a cooling charge to a cavity heated by the heat of the products of combustion of the working charge, compressing the working charge in the cylinder, compressing and heating the cooling charge in the cavity, igniting the working charge, its combustion, expansion of combustion products in the cylinder with mechanical work, exhaust gas from the cylinder and bypass of the heated cooling charge from the cavity into the cylinder to purge it and a bypass before cooling the heated cylinder charge its expanded, continuing heating, the commission additional mechanical work.

Положительный эффект повышение КПД двигателя достигается за счет расширения с совершением дополнительной работы нагреваемого охлаждающего заряда перед его перепуском в цилиндр. Таким образом, охлаждающий заряд, сохраняя функции поддержания требуемого температурного режима двигателя и продувки рабочей камеры цилиндра, играет роль дополнительного рабочего тела, внутренняя энергия которого повышается не за счет собственного горения, а путем нагрева от ушедшего в элементы конструкции, в частности в головку и стенки цилиндра тепла продуктов сгорания топливного заряда, в том числе и отработавших газов. The positive effect of increasing engine efficiency is achieved by expanding with the additional work of the heated cooling charge before it is transferred to the cylinder. Thus, the cooling charge, while maintaining the function of maintaining the required temperature of the engine and purging the working chamber of the cylinder, plays the role of an additional working fluid, the internal energy of which increases not due to its own combustion, but by heating from the structure that has gone into the elements, in particular to the head and walls cylinder heat of combustion products of a fuel charge, including exhaust gases.

Работа двигателя по предлагаемому способу поясняется фиг. 1 и 2, на которых изображен продольный разрез цилиндра при положении поршня в верхней и нижней мертвых точках соответственно. The operation of the engine according to the proposed method is illustrated in FIG. 1 and 2, which depict a longitudinal section of the cylinder with the piston in the upper and lower dead points, respectively.

Двигатель содержит два коаксиальных цилиндра внутренний 1 и наружный 2, между которыми расположена кольцевая полость 3, головку цилиндров 4, поршень, связанный с преобразовательным механизмом (не показан) и имеющий две ступени первую (меньшего диаметра) 5 и вторую (большего диаметра) 6. Первая ступень поршня 5 образует со стенками внутреннего цилиндра 1 и головкой цилиндров 4 рабочую камеру 7 переменного объема (камеру внутреннего контура двигателя). Вторая ступень поршня 6 образует между внутренними стенками наружного цилиндра 2 и боковыми стенками первой ступени поршня 5 камеру переменного объема 8, постоянно соединенную с кольцевой полостью 3, а также с полостью 9, выполненной в головке цилиндров 4. Полости 3 и 9 вместе с камерой 8 образуют камеру наружного контура двигателя. В головке цилиндров 4 также расположены форсунка 10, выступающая в рабочую камеру 7, выпускной клапан 11 внутреннего контура и впускной клапан 12 наружного контура. Клапан 12 управляет впускным клапаном 13, соединяющим компрессор 14 с камерой наружного контура (3,8,9). В стенке внутреннего цилиндра 1 выполнены продувочные окна 15, управляемые первой ступенью поршня 5 и соединяющие камеры наружного и внутреннего контуров при расположении поршня вблизи НМТ. Внутренний цилиндр 1 имеет оребрение 16, выступающее в полость 3 для интенсификации теплообмена в наружном контуре двигателя. The engine contains two coaxial cylinders inner 1 and outer 2, between which there is an annular cavity 3, a cylinder head 4, a piston connected to a conversion mechanism (not shown) and having two stages of the first (smaller diameter) 5 and the second (larger diameter) 6. The first stage of the piston 5 forms with the walls of the inner cylinder 1 and the cylinder head 4 a working chamber 7 of variable volume (chamber of the internal circuit of the engine). The second stage of the piston 6 forms between the inner walls of the outer cylinder 2 and the side walls of the first stage of the piston 5 a chamber of variable volume 8, permanently connected to the annular cavity 3, and also to the cavity 9 made in the cylinder head 4. Cavities 3 and 9 together with the chamber 8 form a chamber of the outer circuit of the engine. In the cylinder head 4 are also located the nozzle 10, protruding into the working chamber 7, the exhaust valve 11 of the internal circuit and the intake valve 12 of the external circuit. The valve 12 controls the inlet valve 13, connecting the compressor 14 with the camera of the external circuit (3,8,9). In the wall of the inner cylinder 1, purge windows 15 are made, controlled by the first stage of the piston 5 and connecting the chambers of the external and internal circuits when the piston is located near the BDC. The inner cylinder 1 has a fin 16 protruding into the cavity 3 to enhance heat transfer in the outer circuit of the engine.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Оба контура двигателя внутренний 7 и наружный (3,8,9) работают синхронно по двухтактному циклу. В установившемся режиме стенки внутреннего цилиндра 1 и головка цилиндров 4 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива, впрыскиваемого форсункой 10 в рабочую камеру 7. Во время движения поршня к ВМТ происходит раздельное сжатие первой ступенью поршня 5 рабочего заряда во внутреннем цилиндре 1 и второй ступенью поршня 6 охлаждающего заряда в камере наружного контура (3,8,9). Клапаны 11 и 12 закрыты. Сжимаемый между ребер 16 в полости 3 воздушный заряд охлаждает стенки цилиндров 1 и 2, а так же головку цилиндров 4, нагреваясь при этом как от тепла стенок, так и от сжатия. Температура и давление охлаждающего заряда повышается по мере приближения поршня к ВМТ. Одновременно в нагретый от сжатия в камере 7 рабочий заряд впрыскивают топливо форсункой 10, воспламеняют и выжигают его, нагревая стенки головки 4 и цилиндра 1, и расширяют горячие газы с совершением механической работы на первую ступень поршня 5. Начинается рабочий ход поршня. При этом в наружном контуре (3,8,9) так же происходит расширение при продолжающемся нагревании охлаждающего заряда, который воздействует на вторую ступень поршня 6, совершая дополнительную механическую работу. При подходе поршня к НМТ открывают выпускной клапан 11 и осуществляют свободный выпуск отработавших продуктов сгорания из камеры 7 внутреннего контура. Затем первая ступень поршня 5 открывает продувочные окна 15 и отработавший воздушный заряд, имеющий остаточное повышенное давление, поступает через окна 15 в камеру 7, вытесняя продукты сгорания через выпускной клапан 11. В конце продувки открывается впускной клапан 12 наружного контура, воздух от компрессора 14 заполняет камеру наружного контура (3,8,9) свежим охлаждающим зарядом и, вытесняя горячий воздух и остатки продуктов сгорания из камеры внутреннего контура 7, заполняет ее более холодным рабочим зарядом. Клапаны 11 и 12 закрываются, начинается сжатие зарядов в обеих камерах. Цикл повторяется. Both engine circuits, internal 7 and external (3,8,9), operate synchronously in a push-pull cycle. In the steady state, the walls of the inner cylinder 1 and the cylinder head 4 are heated by the heat of the products of combustion of fuel injected by the nozzle 10 into the working chamber 7. During the movement of the piston to TDC, the first stage piston 5 of the working charge is separately compressed in the inner cylinder 1 and the second stage of piston 6 cooling charge in the chamber of the external circuit (3,8,9). Valves 11 and 12 are closed. Compressed between the ribs 16 in the cavity 3, an air charge cools the walls of the cylinders 1 and 2, as well as the cylinder head 4, while heating both from the heat of the walls and from compression. The temperature and pressure of the cooling charge increases as the piston approaches the TDC. At the same time, fuel is injected into the working charge heated by compression in the chamber 7 by the nozzle 10, ignited and burned out, heating the walls of the head 4 and cylinder 1, and the hot gases are expanded with mechanical work to the first piston stage 5. The piston stroke begins. At the same time, in the external circuit (3,8,9) expansion also occurs with continued heating of the cooling charge, which acts on the second stage of the piston 6, performing additional mechanical work. When the piston approaches the BDC, the exhaust valve 11 is opened and the exhaust combustion products are freely released from the inner loop chamber 7. Then, the first stage of the piston 5 opens the purge windows 15 and the exhaust air charge, having a residual increased pressure, enters the chamber 7 through the windows 15, displacing the combustion products through the exhaust valve 11. At the end of the purge, the inlet valve 12 of the external circuit opens, the air from the compressor 14 fills the chamber of the outer loop (3,8,9) with a fresh cooling charge and, displacing hot air and the remnants of combustion products from the chamber of the inner loop 7, fills it with a cooler working charge. Valves 11 and 12 are closed, the compression of charges in both chambers begins. The cycle repeats.

Таким образом, воздушный заряд наружного контура охлаждает нагретые поверхности, окружающие рабочую камеру внутреннего контура, является при этом дополнительным рабочим телом, совершающим полезную работу, и используется для продувки рабочей камеры внутреннего контура после совершения работы. За счет такого использования охлаждающего заряда удается повысить эффективный КПД двигателя. Thus, the air charge of the external circuit cools the heated surfaces surrounding the working chamber of the internal circuit, while it is an additional working fluid that performs useful work, and is used to purge the working chamber of the internal circuit after completion of work. Due to this use of the cooling charge, it is possible to increase the effective efficiency of the engine.

Очевидно, что индикаторный КПД наружного контура, а следовательно, и двигателя в целом, будет повышаться при увеличении температуры стенок цилиндра. Заметный прирост КПД начинается при разогреве стенок полости выше 400^оС. Однако такие температуры крайне нежелательны в традиционных ДВС, использующих масло для смазки цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Поэтому предлагаемый способ будет наиболее эффективен в двигателях, работающих без смазки или без компрессионных колец в ЦПГ и использующих новые жаропрочные конструкционные материалы, в частности обладающие низким коэффициентом трения.It is obvious that the indicator efficiency of the external circuit, and therefore the engine as a whole, will increase with increasing temperature of the cylinder walls. A noticeable increase in efficiency when heating begins cavity walls above 400 ^C. However, such temperatures is highly undesirable in traditional internal combustion engines using oil for the lubrication of the cylinder-piston group (CPG). Therefore, the proposed method will be most effective in engines running without lubrication or without compression rings in the CPG and using new heat-resistant structural materials, in particular with a low coefficient of friction.

Claims

METHOD FOR WORKING A TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE by admitting a working charge into a cylinder, supplying a cooling 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 cooling charge in a cavity, igniting a working charge, burning it, expanding combustion products in the cylinder with the completion of mechanical work, exhaust exhaust from the cylinder and transfer of the heated cooling charge from the cavity to the cylinder for purging it, characterized in that bypass unit into the cylinder of the heated coolant charge extend it while continuing heating, the commission additional mechanical work.