RU2066773C1

RU2066773C1 - Method of operation of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2066773C1
Application number: RU9393017295A
Authority: RU
Inventors: С.В. Митрофанов
Original assignee: Митрофанов Сергей Владимирович; Осетров Александр Викторович; Индивидуальное частное предприятие "Авель"
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1996-09-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: method comes to delivering fresh charge into above-piston space of cylinder, compressing fresh charge with simultaneously passing it into combustion chamber, disconnecting combustion chamber from above-piston space, igniting fuel-air mixture, connecting combustion chamber to above-piston space, passing gases from combustion chamber into above-piston space. Connection of combustion chamber to above-piston space is effected not earlier than after turning of crankshaft through angle of 80 degrees from position occupied at moment of disconnection of combustion chamber. EFFECT: enhanced reliability of operation. 6 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям с камерами, периодически отсоединяемыми от цилиндров. The invention relates to the field of engine engineering, in particular to engines with cameras, periodically disconnected from the cylinders.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, наполнения камеры сгорания, сжатия свежего заряда с одновременным перепуском в камеру сгорания, отсоединения последней от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси, подсоединения камеры сгорания к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость (см. а.с. N 1252517, М.кл. F 02 B 19/04, 21/02 от 21.01.85). There is a known method of operating an internal combustion engine by introducing a fresh charge into the piston cavity of the cylinder, filling the combustion chamber, compressing the fresh charge while transferring it to the combustion chamber, disconnecting the latter from the supra piston cavity, igniting the air-fuel mixture, connecting the combustion chamber to the supra-piston cavity, and transferring gases from the chamber combustion in the above-piston cavity (see as.with. N 1252517, M.cl. F 02 B 19/04, 21/02 of 01/21/85).

В данном двигателе отсоединение камеры сгорания от воздушной камеры происходит цилиндрическим выпуском поршня. Перепуск горящих газов из камеры сгорания в надпоршневую полость и воздушную камеру с их закруткой вокруг оси цилиндра осуществляют сжатым воздухом воздушной камеры, а горящие газы перепускают из камеры сгорания во вращающейся в надпоршневой полости воздушный поток. In this engine, the combustion chamber is disconnected from the air chamber by the cylindrical release of the piston. The transfer of burning gases from the combustion chamber into the nadporshnevaya cavity and the air chamber with their twist around the axis of the cylinder is carried out by compressed air of the air chamber, and the burning gases are passed from the combustion chamber in an air flow rotating in the nadporshnevaya cavity.

Поскольку по известному способу отсоединение камеры сгорания от воздушной камеры осуществляют цилиндрическим выступом поршня, энергия газов подводится к полной поверхности поршня с задержкой, определяемой временем перекрытия выступом поршня канала, связывающего камеру сгорания с надпоршневой полостью, т.е. энергия отработанных газов срабатывает не на всем такте расширения и, следовательно, происходит снижение эффективности срабатывания полученной энергии сгорания, что ухудшает экономичность двигателя. Since, according to the known method, the combustion chamber is disconnected from the air chamber by a cylindrical piston protrusion, the gas energy is supplied to the piston full surface with a delay determined by the time the piston protrudes from the channel connecting the combustion chamber to the over-piston cavity, i.e. the energy of the exhaust gases does not work out during the whole expansion stroke and, consequently, the efficiency of the operation of the obtained combustion energy decreases, which affects the efficiency of the engine.

Создание способа работы двигателя, обеспечивающего наиболее полное сгорание различных видов топлива (бензин, дизельное топливо, газ) и наиболее эффективное срабатывание полученной энергии за счет подвода этой энергии в начале такта расширения является важной задачей при проектировании двигателей более экономичных и менее токсичных. Creating a method of engine operation that provides the most complete combustion of various types of fuel (gasoline, diesel fuel, gas) and the most efficient operation of the energy received by supplying this energy at the beginning of the expansion stroke is an important task in the design of engines that are more economical and less toxic.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, наполнения камеры сгорания, сжатия свежего заряда с одновременным перепуском в камеру сгорания, отсоединения последней от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси, подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость, подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости осуществляют не ранее чем через 80^o поворота коленчатого вала после ее отсоединения.The essence of the invention lies in the fact that in the method of operating an internal combustion engine by injecting fresh charge into the cylinder’s supra-piston cavity, filling the combustion chamber, compressing the fresh charge while transferring it to the combustion chamber, disconnecting the latter from the supra-piston cavity, igniting the air-fuel mixture, connecting the combustion chamber to the supra-piston cavity, transferring gases from the combustion chamber to the supra-piston cavity, connecting the combustion chamber to the supra-piston cavity is carried out not earlier than after 80 ^o p overshoot of the crankshaft after disconnecting it.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен на различных топливах (бензин, дизельное топливо, газ) вследствие того, что процесс сгорания протекает в течение периода времени, определяемого поворотом коленчатого вала не менее чем на 80^o, т.е. процесс сгорания более продолжителен и протекает при более высоких температурах и давлениях в замкнутом объеме, позволяющем сжечь полностью различное топливо и подвести эту энергию к поршню в начале такта расширения, обеспечивая эффективное срабатывание этой энергии, повышая экономичность двигателя.The method of operation of the internal combustion engine can be carried out on various fuels (gasoline, diesel fuel, gas) due to the fact that the combustion process takes place over a period of time determined by turning the crankshaft by at least 80 ^o , i.e. the combustion process is longer and proceeds at higher temperatures and pressures in a closed volume, which allows you to burn completely different fuels and bring this energy to the piston at the beginning of the expansion stroke, providing effective operation of this energy, increasing engine efficiency.

Предложенный способ работы двигателя внутреннего сгорания позволяет получить полное сгорание топлива при малых коэффициентах избытка воздуха за счет продолжительности сгорания, высоких температуры и давления в камере. Возможность сжигания топлива при малых коэффициентах избытка воздуха позволяет получить низкую токсичность по окислам азота. При истечении газов из камеры сгорания на такте расширения в надпоршневую полость будет происходить дожигание газов при смешивании со свежим зарядом, что приведет к снижению токсичности и дымности. Из данных моторных исследований и опыта доводочных испытаний и работ по созданию рабочих процессов дизелей известно, что продолжительность сгорания в ДВС при различных способах организации рабочего процесса составляет 60-80^o поворота коленчатого вала. Таким образом, можно констатировать, что 80^o поворота коленчатого вала является достаточной продолжительностью для сгорания топлива в замкнутом объеме. Поворот коленчатого вала на 80^o признак, позволяющий реализовать процесс на многоцилиндровом двигателе (фиг. 4-6). Смещение фаз рабочего процесса такого двигателя между последовательно работающими цилиндрами составляет 90^o поворота коленчатого вала. При создании 6-8 и т.д. цилиндровых двигателей при задании смещения фаз менее 90^o поворота коленчатого вала имеется по крайней мере одна проблема (не считая уравновешивания и т.п.) реализация такого запирающего устройства, которое бы позволяло надежно отсоединять и подсоединять камеру к цилиндру за очень короткий промежуток времени, оставляющий еще возможность для процесса сгорания. Таким образом, использование двигателя со смещением фаз между цилиндрами менее, чем 90^o нецелесообразно. Наполнение камеры должно завершаться в области высшей мертвой точки (ВМТ) в конце процесса сгорания. Подсоединение камеры к цилиндру должно осуществляться также в области ВМТ в начале такта расширения. Исходя из того, что минимально смещение фаз между цилиндрами 90^o и с учетом возможного перекрытия фаз клапанов, реальная продолжительность отсоединения камеры от цилиндра составляет не менее 80^o. Уменьшение продолжительности отсоединения камеры от цилиндра менее 80^o (например, 70^o) приведет либо к запаздыванию фазы отсоединения от цилиндра, что приведет к потере на такте расширения, либо к более раннему открытию, что, в свою очередь, приведет к увеличению отрицательной работы на такте сжатия, и к уменьшению полезной работы двигателя.The proposed method of operation of an internal combustion engine allows to obtain complete combustion of fuel at low excess air ratios due to the duration of combustion, high temperatures and pressure in the chamber. The possibility of burning fuel with low excess air coefficients allows to obtain low toxicity for nitrogen oxides. When gases flow out of the combustion chamber at the expansion stroke into the supra-piston cavity, afterburning of gases will occur when mixed with a fresh charge, which will reduce toxicity and smoke. From the data of motor studies and the experience of finishing tests and work on the creation of diesel work processes, it is known that the duration of combustion in the internal combustion engine with various methods of organizing the working process is 60-80 ^o of crankshaft rotation. Thus, it can be stated that 80 ^o rotation of the crankshaft is sufficient duration for combustion of fuel in a closed volume. The rotation of the crankshaft by 80 ^o sign, allowing to implement the process on a multi-cylinder engine (Fig. 4-6). The phase shift of the working process of such an engine between sequentially working cylinders is 90 ^o rotation of the crankshaft. When creating 6-8, etc. cylinder engines when setting the phase displacement less than 90 ^o rotation of the crankshaft there is at least one problem (not counting the balancing, etc.) the implementation of such a locking device that would allow you to reliably disconnect and connect the camera to the cylinder for a very short period of time, leaving another opportunity for the combustion process. Thus, the use of an engine with a phase shift between the cylinders of less than 90 ^{o is} impractical. The filling of the chamber should be completed at the highest dead center (TDC) at the end of the combustion process. The camera should also be connected to the cylinder in the TDC area at the beginning of the expansion stroke. Based on the fact that the minimum phase displacement between the cylinders is 90 ^o and taking into account the possible overlap of the valve phases, the real duration of the disconnection of the chamber from the cylinder is at least 80 ^o . Reducing the duration of the disconnection of the camera from the cylinder less than 80 ^o (for example, 70 ^o ) will lead to a delay in the phase of disconnection from the cylinder, which will lead to a loss in the expansion stroke, or to an earlier opening, which, in turn, will increase the negative work compression stroke, and to reduce the useful work of the engine.

Сущность предложенного способа можно проследить на устройствах, представленных на чертежах, где на: фиг.1 изображена схема двухтактного одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания со встречным движением поршней; фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 график мгновенных давлений в цилиндре и в камерах сгорания; фиг. 4 изображена схема двухтактного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с отставанием фаз цилиндров последующего от предыдущего на 90^o поворота коленчатого вала; фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 сечение В-В на фиг. 4.The essence of the proposed method can be traced to the devices shown in the drawings, where: Fig. 1 shows a diagram of a two-stroke single-cylinder internal combustion engine with oncoming movement of the pistons; FIG. 2, section AA in FIG. 1; FIG. 3 graph of instantaneous pressures in the cylinder and in the combustion chambers; FIG. 4 shows a diagram of a two-stroke four-cylinder internal combustion engine with a lag of the phases of the cylinders subsequent from the previous 90 ^o rotation of the crankshaft; FIG. 5 is a section BB in FIG. 4; in FIG. 6, section BB in FIG. 4.

Двухтактный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания со встречным ходом поршней состоит из цилиндра 1 с поршнями 2 и камерами 3 и 4 сгорания с клапанами 5 и 6. A two-stroke single-cylinder internal combustion engine with counter-stroke of the pistons consists of a cylinder 1 with pistons 2 and combustion chambers 3 and 4 with valves 5 and 6.

Двухтактный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндров 7, 8, 9 и 10, имеющих впускные 11, 12, 13 и 14 и выпускные 15, 16, 17 и 18 клапаны. Цилиндры 7, 8, 9 и 10 связаны последовательно между собой камерами 19, 20, 21 и 22 сгорания, которые в свою очередь соединены с надпоршневой полостью соответствующих цилиндров каналами, перекрываемыми клапанами 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 и 30. Цилиндры 7, 8, 9 и 10 имеют поршни 31. A two-stroke four-cylinder internal combustion engine consists of cylinders 7, 8, 9 and 10 having inlet 11, 12, 13 and 14 and exhaust valves 15, 16, 17 and 18. Cylinders 7, 8, 9 and 10 are connected in series with each other by combustion chambers 19, 20, 21 and 22, which in turn are connected to the supra-piston cavity of the respective cylinders by channels blocked by valves 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 and 30. The cylinders 7, 8, 9 and 10 have pistons 31.

Cпособ осуществляют следующим образом. При движении поршней 2 к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие свежего заряда в цилиндре 1 и наполнение через открытый клапан 5 камеры 3 сгорания. При достижении ВМТ клапаном 5 отсоединяют камеру 3 сгорания от надпоршневой полости цилиндра 1. В камере 3 начинается процесс сгорания. В это время клапаном 6 подсоединяют камеру 4 сгорания к надпоршневой полости цилиндра 1, в которой процесс сгорания уже закончился. Газы, выходящие из камеры 4 сгорания, совершают работу расширения в цилиндре 1 при движении поршней 2 к нижней мертвой точке (НМТ). При достижении поршнями 2 НМТ открываются продувочные окна (на чертеже не показаны) и совершается процесс газообмена. Далее поршни 2 движутся к ВМТ, совершая процесс сжатия в цилиндре 1 и наполнение камеры 4 сгорания. При достижении поршнями 2 ВМТ происходит отсоединение клапаном 6 камеры 4 сгорания, в которой начинается процесс сгорания. Клапаном 5 происходит подсоединение камеры 3 сгорания, в которой процесс сгорания, протекавший в течение двух тактов двигателя (при повороте коленчатого вала на 360^o) уже завершился. График мгновенных давлений газов характеризует работу двигателя за четыре такта (фиг. 3), где сплошной линией показано давление газов в цилиндре 1, штрихпунктирной линией давление газов в камере 3 сгорания, а пунктирной линией давление газов в камере 4 сгорания. Такая продолжительность процесса сгорания при нарастании температуры и давления в замкнутом объеме камеры сгорания приводит к более полному выгоранию топлива; подводя полученную энергию в начале такта расширения, обеспечивается эффективность срабатывания этой энергии, повышается экономичность двигателя.The method is as follows. When the pistons 2 move to the top dead center (TDC), the fresh charge is compressed in the cylinder 1 and filled through the open valve 5 of the combustion chamber 3. When the TDC is reached by the valve 5, the combustion chamber 3 is disconnected from the over-piston cavity of the cylinder 1. In the chamber 3, the combustion process begins. At this time, the combustion chamber 4 is connected by a valve 6 to the supra-piston cavity of the cylinder 1, in which the combustion process has already ended. The gases leaving the combustion chamber 4 perform the expansion work in the cylinder 1 when the pistons 2 move to the bottom dead center (BDC). When the pistons reach 2 BDCs, purge windows are opened (not shown in the drawing) and the gas exchange process takes place. Next, the pistons 2 move to TDC, performing the compression process in the cylinder 1 and filling the combustion chamber 4. When the pistons 2 reach the TDC, the valve 6 detaches the combustion chamber 4, in which the combustion process begins. Valve 5 connects the combustion chamber 3, in which the combustion process that has been going on for two engine cycles (when the crankshaft is rotated 360 ^o ) has already been completed. The graph of instantaneous gas pressures characterizes the operation of the engine for four cycles (Fig. 3), where the solid line shows the gas pressure in the cylinder 1, the dotted line shows the gas pressure in the combustion chamber 3, and the dotted line shows the gas pressure in the combustion chamber 4. This duration of the combustion process with increasing temperature and pressure in the closed volume of the combustion chamber leads to a more complete burnout of the fuel; summing up the received energy at the beginning of the expansion stroke, the efficiency of this energy is ensured, the efficiency of the engine increases.

При движении поршня 31 цилиндра 7 к ВМТ происходит сжатие свежего заряда в цилиндре 7 и наполнение камеры 19 сгорания через открытый клапан 23. Клапан 24 при этом закрыт. При достижении поршня 31 цилиндра 7 ВМТ происходит закрытие клапана 23 и воспламенение смеси в камере 19 сгорания. К этому моменту в камере 22 процесс сгорания уже завершился. Открывается клапан 30 и отработавшие газы поступают в надпоршневую полость цилиндра 7, где совершают работу расширения при движении поршня 31 цилиндра 7 от ВМТ к НМТ и догаром при смешивании с остатками свежего заряда цилиндра 7. Поскольку цилиндр 8 отстает по фазе от цилиндра 7 на 90^o процесс сгорания в камере 19 длится до перемещения поршня 31 цилиндра 8 к ВМТ, т.е. с учетом запаздывания отсоединения камеры 19 от цилиндра 7 клапаном 23 и опережения подсоединения камеры 19 к надпоршневой полости цилиндра 8 клапаном 24. Подсоединение камеры 19 сгорания к надпоршневой полости цилиндра 8 осуществляют не менее чем через 80^o поворота коленчатого вала после отсоединения камеры 19 сгорания от надпоршневой полости цилиндра 7. Достаточно продолжительный процесс сгорания при высоких температуре и давлении приводит к более полному выгоранию топлива. При достижении поршня 31 цилиндра 8 ВМТ клапан 25 закрывает наполняемую камеру 20, а клапан 24 открывает, соединяя камеру 19 с надпоршневой полостью цилиндра 8. Далее в цилиндре 8 начинается процесс расширения, аналогичный процессу, описанному в цилиндре 7. Одновременно с началом процесса расширения в цилиндре 8 процесс расширения в цилиндре 7 еще продолжается до перемещения поршня 31 цилиндра 7 к НМТ. Открываются клапаны впускной 11 и выпускной 15 цилиндра 7, совершая процесс газообмена. Клапаны 11, 15 и 30 закрываются. Итак, описан полностью процесс в цилиндре 7 и показана взаимосвязь его работы с другими цилиндрами. Процессы в остальных цилиндрах аналогичны описанному.When the piston 31 of the cylinder 7 moves to the TDC, the fresh charge is compressed in the cylinder 7 and the combustion chamber 19 is filled through the open valve 23. The valve 24 is thus closed. Upon reaching the piston 31 of the cylinder 7 TDC, the valve 23 closes and the mixture ignites in the combustion chamber 19. At this point, in the chamber 22, the combustion process has already been completed. The valve 30 opens and the exhaust gases enter the piston cavity of the cylinder 7, where they perform the expansion work when the piston 31 of the cylinder 7 moves from the top dead center to the BDC and burns when mixed with the remnants of the fresh charge of the cylinder 7. Since cylinder 8 is 90 ^° behind in phase the combustion process in the chamber 19 lasts until the piston 31 of the cylinder 8 moves to the TDC, i.e. taking into account the delay in disconnecting the chamber 19 from the cylinder 7 by the valve 23 and advancing the connection of the chamber 19 to the over-piston cavity of the cylinder 8 by the valve 24. The combustion chamber 19 is connected to the over-piston cavity of the cylinder 8 not less than 80 ^o after turning the crankshaft after disconnecting the combustion chamber 19 from the over-piston cylinder cavity 7. A sufficiently long combustion process at high temperature and pressure leads to a more complete burnout of the fuel. Upon reaching the piston 31 of cylinder 8 of the TDC, valve 25 closes the filling chamber 20, and valve 24 opens by connecting the chamber 19 to the supra-piston cavity of cylinder 8. Then, in the cylinder 8, an expansion process similar to that described in cylinder 7 begins. cylinder 8, the expansion process in the cylinder 7 is still ongoing until the piston 31 of the cylinder 7 moves to the BDC. The valves of the inlet 11 and the outlet 15 of the cylinder 7 are opened, making the gas exchange process. Valves 11, 15 and 30 are closed. So, the process in cylinder 7 is fully described and the relationship of its work with other cylinders is shown. The processes in the remaining cylinders are similar to those described.

Процесс, описанный по фиг. 4-6 отличается от процесса, описанного по фиг. 1-3 тем, что подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости цилиндра происходит не ранее чем через 80^o поворота коленчатого вала. Такая продолжительность процесса сгорания при нарастании температуры и давления в замкнутом объеме камеры сгорания приводит к более полному выгоранию топлива,
а подвода полученную энергию в начале такта расширения, обеспечивается эффективность срабатывания этой энергии, повышается экономичность двигателя. Процесс, описанный по фиг. 4-6, имеет меньшие потери тепла в камере сгорания.The process described in FIG. 4-6 is different from the process described in FIG. 1-3 by the fact that the connection of the combustion chamber to the supra-piston cavity of the cylinder occurs no earlier than after 80 ^o rotation of the crankshaft. This duration of the combustion process with increasing temperature and pressure in a closed volume of the combustion chamber leads to a more complete burnout of the fuel,
and the supply of the received energy at the beginning of the expansion stroke ensures the efficiency of this energy, increases the efficiency of the engine. The process described in FIG. 4-6, has less heat loss in the combustion chamber.

Claims

The method of operation of the internal combustion engine by introducing a fresh charge into the piston cavity of the cylinder, compressing the fresh charge while transferring it to the combustion chamber, disconnecting the latter from the piston cavity, igniting the air-fuel mixture, connecting the combustion chamber to the piston cavity, transferring gases from the combustion chamber to the piston cavity, characterized in that the combustion chamber is connected to the supra-piston cavity not earlier than after 80 ^o of crankshaft rotation after it is disconnected.