RU2057954C1

RU2057954C1 - Piston two-stroke internal combustion engine

Info

Publication number: RU2057954C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Демидченко; В.В. Демидченко; П.Г. Попов
Original assignee: Демидченко Владимир Иванович
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1996-04-10

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: cylinder of the internal combustion engine has gas and hydraulic spaces and is separated along the axis into two equal compartments with a plan rigid baffle perforated at its bottom part. The float piston is hollow and made of metal sheets strengthened with stiffeners. EFFECT: enhanced efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано при создании двигателей внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения транспортного и стационарного назначения. The invention relates to heat engines and can be used to create internal combustion engines of volume compression and expansion of transport and stationary purposes.

Известен экономичный лодочный гидрореактивный двигатель, в котором вода заменяет поршень с шатуном и коленчатым валом, позволяющий "напрямую преобразовать тепловую энергию продуктов сгорания в кинетическую энергию реактивной струи, создающей тягу". Двигатель является экологически чистым из-за отсутствия смазочных масел в продуктах сгорания и более полного окисления горючих компонентов топлива. An economical boat hydro-jet engine is known in which water replaces a piston with a connecting rod and crankshaft, which allows "directly converting the thermal energy of the combustion products into the kinetic energy of the jet generating thrust." The engine is environmentally friendly due to the absence of lubricating oils in the combustion products and more complete oxidation of combustible fuel components.

Недостатком этого двигателя является то, что он не может быть использован на транспорте, кроме лодочного, и в качестве стационарного двигателя внутреннего сгорания, так как будучи гидрореактивным, он конструктивно оформлен для случая прямоточного движения воды. The disadvantage of this engine is that it cannot be used in transport, except boat, and as a stationary internal combustion engine, since being hydro-reactive, it is structurally designed for the case of direct-flow movement of water.

Известные двухтактные поршневые двигатели внутреннего сгорания включают цилиндр, газовые клапаны, камеру сгорания, поршень, совершающий выпуск продуктов сгорания и впуск воздуха за два неполных противоположных по направлению хода, форсунку. Known two-stroke reciprocating internal combustion engines include a cylinder, gas valves, a combustion chamber, a piston that performs the release of combustion products and air inlet for two incomplete opposite in direction of travel, the nozzle.

Недостатками такого двигателя являются отсутствие качественной продувки камеры сгорания и то, что процессы выпуска продуктов сгорания и впуска воздуха приходятся на два противоположных по направлению неполных хода, а следовательно, занимают значительную часть времени, затраченного на цикл, а также значительная металлоемкость, механическая необратимость, использование масел, загрязняющих продукты сгорания. The disadvantages of such an engine are the lack of high-quality purge of the combustion chamber and the fact that the processes of exhausting the combustion products and the air intake account for two opposite incomplete strokes in the direction, and therefore, take up a significant part of the time spent on the cycle, as well as significant metal consumption, mechanical irreversibility, and use oils polluting combustion products.

Известен современный транспортный двигатель внутреннего сгорания с гидравлической передачей, включающий блок цилиндров, в которых размещены поршни, разделяющие объемы цилиндров на камеры сгорания и гидравлические подпоршневые полости, сообщаемые между собой кольцевой магистралью, органы газораспределения и топливоподачи, подключенные к блоку управления. Характерно противоречие между тепловым двигателем и трансмиссией, выражающееся в том, что неравномерность работы трансмиссии прямым образом отражается на экономике двигателя. Экономичному двигателю необходимо работать в оптимально-стационарном режиме, но трансмиссии известных типов не могут его обеспечить. Поэтому любая нестабильность в эксплуатации транспортного двигателя резко (в 1,5 раза) снижает его КПД. A modern transport internal combustion engine with hydraulic transmission is known, including a cylinder block, in which pistons are placed that divide the cylinder volumes into combustion chambers and hydraulic piston cavities, interconnected by an annular highway, gas distribution and fuel supply bodies connected to the control unit. The contradiction between the heat engine and the transmission is characteristic, which is expressed in the fact that the uneven operation of the transmission directly affects the engine economy. An economical engine needs to operate in an optimal stationary mode, but transmissions of known types cannot provide it. Therefore, any instability in the operation of a transport engine dramatically (1.5 times) reduces its efficiency.

Известные транспортные двигатели объемного сжатия и расширения обладают недостатками, заключающимися в том, что режим работы двигателя внутреннего сгорания является дискретным, так как полностью определяется режимом движения транспортного средства; поршневые двигатели внутреннего сгорания работают с изохорным отводом теплоты; поршни, разделяющие полости цилиндров, обеспечивают герметичность каждого из них, что связано с механической необратимостью и необходимостью использования масел в целях смазки и охлаждения, а следовательно, имеют низкий эффективный КПД и неэкологичны. Known transport engines of volume compression and expansion have the disadvantages that the mode of operation of the internal combustion engine is discrete, since it is completely determined by the mode of movement of the vehicle; piston internal combustion engines operate with isochoric heat removal; pistons separating the cavity of the cylinders ensure the tightness of each of them, which is associated with mechanical irreversibility and the need to use oils for lubrication and cooling, and therefore have low effective efficiency and are not environmentally friendly.

Технический результат уменьшение металлоемкости, улучшение качества продувки камеры сгорания и организации рабочего цикла в двигателе. EFFECT: reduced metal consumption, improved quality of the purge of the combustion chamber and organization of the working cycle in the engine.

Технический результат достигается тем, что цилиндры двигателя, сообщающиеся через магистрали высокого и низкого давления, разделены по оси на две равные полости посредством плоской жесткой перегородки протяженностью около 2/3 высоты цилиндра сплошной в верхней части и перфорированной в остальной нижней части, укрепленной в головке цилиндра по образующей плоскости перегородки, а в днище цилиндра фиксацией периферийных опорных стоек, а поршень представляет собой рабочую жидкость с плоским поплавком на ее поверхности, выполненным пустотелым из металлических листов, подкрепленных ребрами жесткости с перфорацией верхнего листа и прорезью по диаметру, и снабжены тремя датчиками уровней жидкости в совокупности с тремя исполнительными органами, управляющими работой двух газовых и двух жидкостных клапанов и двух форсунок, при этом работа двигателя организована по двухтактному циклу. The technical result is achieved in that the engine cylinders communicating via high and low pressure lines are axially divided into two equal cavities by means of a flat rigid partition with a length of about 2/3 of the cylinder height continuous in the upper part and perforated in the rest of the lower part, fixed in the cylinder head along the generatrix of the partition wall, and in the cylinder bottom by fixing the peripheral support posts, and the piston is a working fluid with a flat float on its surface, made of voids made of metal sheets, supported by stiffeners with perforation of the top sheet and a slot in diameter, and equipped with three liquid level sensors in conjunction with three actuators that control the operation of two gas and two liquid valves and two nozzles, while the engine is organized according to a two-stroke cycle .

На фиг. 1 приведена схема двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 продольный разрез по оси цилиндра двигателя с жесткой перегородкой, вид сбоку, и горизонтальный разрез цилиндра выше поплавка. In FIG. 1 shows a diagram of a two-stroke piston internal combustion engine; in FIG. 2 is a longitudinal section along the axis of the engine cylinder with a rigid partition, side view, and a horizontal section of the cylinder above the float.

Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с эластичным поршнем состоит из цилиндра 1 (фиг. 1 и 2), разделенного на две равные полости 2 и 3 расположенной по оси цилиндра плоской жесткой перегородкой 4, протяженностью около 2/3 высоты цилиндра, сплошной в верхней части и протяженностью около 1/4 высоты цилиндра, и перфорированной в остальной нижней части, укрепленной в головке 5 цилиндра по образующей плоскости перегородкой 4, а в днище 6 цилиндра фиксацией периферийных опорных стоек 7 перегородки 4 с камерой сгорания 8, впускным 9 и выпускным 10 клапанами соответственно для впуска в камеру сгорания с целью продувки ее воздухом с избыточным давлением не более 0,15 МПа от воздушного продувочного компрессора 11 и выпуска продуктов сгорания с продувочным воздухом в атмосферу, впускным 12 и выпускным 13 жидкостными клапанами, жестко соединенными штоком 14 соответственно для впуска рабочей жидкости в цилиндр 1 из магистрали 15 низкого давления и выпуска рабочей жидкости из цилиндра 1 двигателя в магистраль 16 высокого давления, форсунками 17 и 18, размещенными на головке 5 цилиндра соответственно в левой и правой полостях 2 и 3 камеры сгорания 8, через которые вводится в камеру сгорания топливо, датчиками, например, емкостного типа, верхнего 19, промежуточного 20 и нижнего 21 уровней жидкости для дачи информации о трех реперных уровнях жидкости в цилиндре 1 двигателя и передачи этой информации исполнительным органам 22, 23 и 24, например, соленоидного типа, управляющим перемещением газовых и жидкостных клапанов соответственно 9, 10 и 12, 13. A two-stroke piston internal combustion engine with an elastic piston consists of a cylinder 1 (Figs. 1 and 2), divided into two equal cavities 2 and 3 by a plane rigid partition 4 located along the axis of the cylinder, with a length of about 2/3 of the height of the cylinder, solid in the upper part and about 1/4 of the height of the cylinder, and perforated in the rest of the lower part, fixed in the cylinder head 5 along the generatrix by the partition 4, and in the cylinder bottom 6 by fixing the peripheral support posts 7 of the partition 4 with the combustion chamber 8, inlet 9 and outlet 10 valves, respectively, for inlet into the combustion chamber to purge it with air with an overpressure of not more than 0.15 MPa from the air purge compressor 11 and release combustion products with purge air into the atmosphere, inlet 12 and outlet 13 liquid valves rigidly connected by a rod 14 accordingly, for the inlet of the working fluid into the cylinder 1 from the low pressure line 15 and the release of the working fluid from the cylinder 1 of the engine to the high-pressure line 16, with nozzles 17 and 18 located on the cylinder head 5, respectively Actually in the left and right cavities 2 and 3 of the combustion chamber 8, through which fuel is introduced into the combustion chamber, by sensors, for example, of the capacitive type, upper 19, intermediate 20, and lower 21 liquid levels to provide information on the three reference liquid levels in the cylinder 1 of the engine and transmitting this information to the executive bodies 22, 23 and 24, for example, of the solenoid type, controlling the movement of gas and liquid valves, respectively 9, 10 and 12, 13.

Функции эластичного поршня в цилиндре 1 двигателя выполняет рабочая жидкость, на поверхности которой для сглаживания пульсации и уменьшения эффекта парообразования находится плоский, круглый с прорезью по диаметру для перемещения по вертикали вдоль перегородки 4 и ее опорных стоек 7 как направляющих, поплавок 25 возможно с уплотнением, выполненный в случае отсутствия уплотнения, например, из двух металлических листов, верхний из которых перфорирован в 4-10-ти точках, соединенных большим числом, ребер жесткости со свободным пространством, заполненным газом, и общей плотностью, меньшей плотности рабочей жидкости. The functions of the elastic piston in the cylinder 1 of the engine are performed by a working fluid, on the surface of which, to smooth out the pulsation and reduce the effect of vaporization, it is flat, round with a slot in diameter for vertical movement along the partition 4 and its support posts 7 as guides, the float 25 is possible with a seal, made in the absence of a seal, for example, of two metal sheets, the upper of which is perforated at 4-10 points connected by a large number of stiffeners with free space, s filled with the gas, and the overall density less than the density of the working fluid.

Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с эластичным поршнем работает следующим образом. A two-stroke piston internal combustion engine with an elastic piston operates as follows.

Рабочая жидкость из магистрали 15 низкого давления через впускной жидкостной клапан 12 поступает в цилиндр 1 (фиг. 1 и 2), разделенный, начиная ориентировочно с 1/3 высоты цилиндра от его днища 6, перегородкой 4 на две полуцилиндрические полости 2 и 3, и затем в полости 2 и 3. Скорость наполнения цилиндра 1 и полостей 2 и 3 рабочей жидкостью, определяющая скорость подъема эластичного поршня, а следовательно, и частоту процессов горения топлива в камере сгорания 8 двигателя можно регулировать. По мере заполнения цилиндра 1 и полостей 2 и 3 рабочая жидкость, например, с плоским, круглым, с прорезью по диаметру для перемещения по вертикали вдоль перегородки 4 и ее опорных стоек 7, как направляющих, поплавок 25 возможно с уплотнением, выполненный в случае отсутствия уплотнения, например, из двух металлических листов, верхний из которых перфорирован в 4-10-ти точках, соединенных большим числом ребер жесткости, со свободным пространством, заполненным газом, и общей плотностью меньшей плотности рабочей жидкости, как поршень перемещается вверх от низшей мертвой точки, на уровне которой находится датчик 21 нижнего уровня жидкости, и выталкивает от предыдущего рабочего хода продукты сгорания следующим образом. С открытием жидкостного клапана 12 через исполнительный орган 22 синхронно открываются впускной воздушный клапан 9 и выпускной газовый клапан 10. Сжатый воздух подается через клапан 9 в камеру сгорания 8 и, обтекая перегородку 4, вытесняет продукты сгорания через клапан 10 в атмосферу процесс выпуска продуктов сгорания и впуска воздуха. Движение воздуха из полости 2 цилиндра 1 в полость 3 происходит по траектории наименьшего сопротивления, т.е. на петле петлевая продувка камеры сгорания. Петлевая продувка продолжается и при заполнении цилиндра 1 рабочей жидкостью на 1/3 высоты цилиндра от его днища. Но начиная с этого уровня и при дальнейшем подъеме рабочей жидкости, продувка происходит через перфорирующие перегородку отверстия (фиг. 2). По достижении рабочей жидкостью уровня, на котором установлен датчик 20 промежуточного уровня, от контакта последнего с рабочей жидкостью он срабатывает и через исполнительный орган 23 закроются воздушный 9 и газовый 10 клапаны. Продувка окончена. The working fluid from the low pressure line 15 through the inlet fluid valve 12 enters the cylinder 1 (Fig. 1 and 2), divided, starting approximately from 1/3 of the height of the cylinder from its bottom 6, by a partition 4 into two half-cylindrical cavities 2 and 3, and then in the cavity 2 and 3. The speed of filling the cylinder 1 and the cavities 2 and 3 with a working fluid, which determines the lifting speed of the elastic piston, and therefore the frequency of the fuel combustion processes in the combustion chamber 8 of the engine, can be adjusted. As the cylinder 1 and the cavities 2 and 3 are filled, the working fluid, for example, is flat, round, with a diameter slot for moving vertically along the partition 4 and its support posts 7, as guides, the float 25 is possible with a seal made in the absence of seals, for example, of two metal sheets, the upper of which is perforated at 4-10 points connected by a large number of stiffeners, with a free space filled with gas, and a total density of a lower density of the working fluid, as the piston moves in x from the lower dead point, at which the sensor 21 is a lower liquid level and ejects from the previous power stroke of the combustion products as follows. With the opening of the liquid valve 12 through the actuator 22, the inlet air valve 9 and the exhaust gas valve 10 synchronously open. Compressed air is supplied through the valve 9 to the combustion chamber 8 and, flowing around the baffle 4, displaces the combustion products through the valve 10 into the atmosphere, the process of exhausting the combustion products and air inlet. The movement of air from the cavity 2 of the cylinder 1 to the cavity 3 occurs along the path of least resistance, i.e. loop loop purge of the combustion chamber. Loop purging continues when cylinder 1 is filled with working fluid 1/3 of the height of the cylinder from its bottom. But starting from this level and with a further rise in the working fluid, the purge occurs through the perforating baffle of the hole (Fig. 2). Upon reaching the working fluid level at which the sensor 20 is installed at an intermediate level, from the contact of the latter with the working fluid, it is triggered and through the actuator 23 the air 9 and gas 10 valves are closed. The purge is over.

При дальнейшем заполнении цилиндра 1 двигателя рабочая жидкость с поплавком 25, как поршень перемещается вверх, сжимая воздух до уровня, отмеченного датчиком 19 верхнего уровня, при котором температура сжатого воздуха достигает значения, превышающего температуру самовоспламенения топлива процесс политропного сжатия рабочего тела. В момент контакта рабочей жидкости с датчиком 19 верхнего уровня жидкости последний срабатывает и через исполнительный орган 24 приводит в действие топливный насос и одновременно с помощью исполнительного органа 22 перебрасываются клапаны 12 и 13, жестко связанные штоком 14 так, что клапан 12 оказывается закрытым, а клапан 13 открытым. Топливо подается через общий трубопровод к форсункам 17 и 18 и в камеру сгорания 8, в которой топливо самовоспламеняется и сгорает при постоянном давлении рабочего тела процесс изобарного подвода теплоты к рабочему телу или, что то же самое, процесс предварительного расширения рабочего тела. При горении топлива эластичный поршень под давлением продуктов сгорания начинает опускаться и рабочая жидкость выходит через клапан 13 в магистраль 16 высокого давления. With further filling of the engine cylinder 1, the working fluid with the float 25, as the piston moves upward, compressing the air to the level noted by the upper level sensor 19, at which the temperature of the compressed air reaches a value higher than the temperature of the autoignition of the fuel, the process of polytropic compression of the working fluid. At the moment of contact of the working fluid with the upper liquid level sensor 19, the latter is activated and actuates the fuel pump through the actuator 24 and, simultaneously, the valves 12 and 13, rigidly connected by the rod 14 so that the valve 12 is closed and the valve 13 open. Fuel is supplied through a common pipeline to the nozzles 17 and 18 and into the combustion chamber 8, in which the fuel spontaneously ignites and burns with constant pressure of the working fluid, the process of isobaric supply of heat to the working fluid or, equivalently, the process of preliminary expansion of the working fluid. When burning fuel, the elastic piston under the pressure of the combustion products begins to lower and the working fluid exits through valve 13 into the high-pressure line 16.

По окончании изобарного горения начинается процесс политропного, близкого к адиабатному, расширения продуктов сгорания. Датчики 19 и 20 соответственно верхнего и промежуточного уровней жидкости не реагируют при опускании рабочей жидкости в цилиндре 1. Рабочее тело продукты сгорания продолжают выталкивать эластичный поршень из цилиндра 1 и рабочая жидкость с поплавком устремляется по-прежнему вниз рабочий ход двигателя, через клапан 13 в магистраль 16 высокого давления. Опускание эластичного поршня происходит до момента, при котором давление продуктов сгорания в камере 8 становится равным давлению окружающей среды. Этому расчетному моменту соответствует определенный уровень в нижней части цилиндра 1, на котором установлен датчик 21 нижнего уровня рабочей жидкости. При отсутствии контакта с рабочей жидкостью датчик 21 нижнего уровня жидкости срабатывает и импульс от него поступает на исполнительный орган 22, с помощью которого принудительно закрывается клапан 13 и синхронно открывается клапан 12, жестко связанный с клапаном 13 штоком 14. Таким образом, датчиком 21 нижнего уровня жидкости задается минимальный уровень рабочей жидкости в цилиндре 1. Кроме того, этот уровень рабочей жидкости соответствует минимальному давлению продуктов сгорания в процессе рабочего хода при политропном расширении рабочего тела в цилиндре 1, равного 0,1-0,12 МПа. At the end of isobaric combustion, the process of polytropic, close to adiabatic, expansion of combustion products begins. Sensors 19 and 20, respectively, of the upper and intermediate liquid levels do not respond when the working fluid is lowered in cylinder 1. The working fluid continues to push the elastic piston out of cylinder 1 and the working fluid with the float continues to flow down the engine stroke through valve 13 to the line 16 high pressure. The lowering of the elastic piston occurs until the moment at which the pressure of the combustion products in the chamber 8 becomes equal to the pressure of the environment. This calculated moment corresponds to a certain level in the lower part of the cylinder 1, on which the sensor 21 of the lower level of the working fluid is installed. In the absence of contact with the working fluid, the sensor 21 of the lower liquid level is activated and the pulse from it is supplied to the actuator 22, with the help of which the valve 13 is forcibly closed and the valve 12 is synchronously opened, which is rigidly connected to the valve 13 by the rod 14. Thus, the sensor 21 of the lower level the minimum level of the working fluid in the cylinder 1 is set. In addition, this level of the working fluid corresponds to the minimum pressure of the combustion products during the working stroke during polytropic expansion of the working I ate in the cylinder 1 equal to 0.1-0.12 MPa.

С перемещением системы 12-14-13 в положение: клапан 13 закрыт, а клапан 12 открыт рабочая жидкость из магистрали 15 низкого давления вновь поступает в цилиндр 1 двигателя. Начинается процесс выпуска продуктов сгорания и наполнения воздухом. Цикл замкнулся и далее процессы, происходящие в цилиндре 1, повторяются в той же последовательности. With the movement of the system 12-14-13 in position: the valve 13 is closed, and the valve 12 is open, the working fluid from the low pressure line 15 again enters the cylinder 1 of the engine. The process of exhausting combustion products and filling with air begins. The cycle is closed and then the processes occurring in cylinder 1 are repeated in the same sequence.

Улучшение технико-экономических и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания в сравнении с существующими дизельными двигателями обусловлено
чрезвычайно простой конструкцией;
уменьшением на порядок требований к точности изготовления деталей двигателя;
уменьшением на 10-15% доли теплоты, отдаваемой низкотемпературному источнику, за счет замены изохорного отвода теплоты на изобарный;
уменьшением необратимых механических потерь двигателя из-за отсутствия шатуна, коленчатого вала, системы уплотнения и смазки контактной пары поршень-цилиндр, системы глушения и других механизмов преобразования энергии;
сокращением выбросов вредных веществ благодаря тому, что двигатель в силовой установке эксплуатируется всегда в неизменном оптимальном режиме.Improvement of technical, economic and environmental indicators of an internal combustion engine in comparison with existing diesel engines is due to
extremely simple design;
reduction by an order of magnitude of the requirements for precision manufacturing of engine parts;
a 10-15% decrease in the fraction of heat given to a low-temperature source due to the replacement of isochoric heat removal with an isobaric one;
reduction of irreversible mechanical losses of the engine due to the lack of a connecting rod, crankshaft, sealing system and lubrication of the piston-cylinder contact pair, jamming system and other energy conversion mechanisms;
reduction of emissions of harmful substances due to the fact that the engine in the power plant is always operated in the same optimal mode.

Claims

A piston two-stroke internal combustion engine containing a cylinder with gas and hydraulic cavities separated by a float piston, a start-up system, gas distribution and fuel supply, a control unit with actuators and liquid level sensors, a hydraulic valve unit, characterized in that the cylinder is divided along the axis into two equal cavities by means of a flat rigid partition mounted on supporting posts and perforated in its lower part, the float piston is made of hollow metal l ists reinforced by stiffening ribs, perforated topsheet and a slit in diameter, and hydraulic valve block made of two fixedly interconnected valve driven by a control unit.