RU2096635C1

RU2096635C1 - Double-stroke heat engine

Info

Publication number: RU2096635C1
Application number: SU914949265A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Фиалков; Е.А. Фиалкова; В.Г. Куленко; И.В. Зефиров
Original assignee: Вологодский молочный институт
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: power engineering; conversion of heat energy released by burning fuel into mechanical energy. SUBSTANCE: engine has cylinder 1 with piston 3 kinematically linked with crankshaft, peripheral furnace 5 with air-supply system, filler system with admission valve 11 in the form of spring-loaded plunger whose space under plunger communicates through valve 15 controlled by centrifugal governor 16 with exhaust gas outlet piping; furnace air supply system is closed-circuit arrangement provided with receiver 6; cylinder 2 head is divided by partition 8 into two isolated spaces 9, 10 one of which mounts exhaust valve 11 and other space is provided with spring-loaded delivery valve 26; both space communicate with receiver 6; piping feeding air to furnace is inserted in piping for exhaust gas outlet from cylinder 1. EFFECT: improved performance characteristics and thermal efficiency due to using furnace gases as working medium. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, а конкретно касается совершенствования установок, обеспечивающих преобразование тепловой энергии сгорания топлива в механическую работу. Известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания (дизели), в которых преобразование энергии происходит за счет впрыска топлива в высокотемпературную надпоршневую полость цилиндра и последующего расширения образующихся при его горении газов. Однако, из-за того, что горение протекает в ограниченный промежуток времени, продукты горения (топливо и воздух) не успевают прореагировать между собой и значительная часть их вместе с остатками теплохимической реакции выбрасывается в атмосферу, вызывая нежелательные последствия с экологической точки зрения. Попытки создателей и разработчиков современных дизелей обеспечить экологичность двигателей путем интенсификации процесса горения топливной смеси (наддув) пока не достигли желаемых результатов. Применение антидетонационных присадок, как показывает практика, приводит к еще большему загрязнению окружающей среды за счет выброса в атмосферу соединений свинца и других энтерогенных веществ, образующихся в процессе сгорания топлива, двигатели внутреннего сгорания прошли большой путь всестороннего совершенствования и в данное время имеют предельный уровень КПД. Для дальнейшего совершенствования тепловых двигателей как с точки зрения повышения их эффективности (КПД), так и со стороны воздействия на окружающую среду (экологичность) необходимо искать новые направления. Одним из таких направлений является использование в качестве преобразователя тепловой энергии двигателя внешнего сгорания, который обеспечивает более полное использование теплотворной способности топлива, позволяет применять любые известные в настоящее время его виды и включить в процесс преобразования энергии тепло выхлопных газов. Первый двигатель с внешним процессом горения был изобретен 200 лет тому назад монахом Стирлингом. В то время двигатели Стирлинга не нашли широкого распространения из-за отсутствия жаростойких сталей. На многие годы двигатель Стирлинга был забыт, но теперь к нему проявляется большой интерес. Недостатком двигателя Стирлинга является относительно низкий термический КПД, обусловленный невозможностью использования в его цикле тепла отработанных газов (рекуперации). Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловой двигатель по авт. свид. СССР N 92496 (заявка N 438607 от 20.11.50). Несмотря на то, что данное изобретение касается конструкции паросиловой установки, общим и основным существенным признаком с заявляемым техническим решением является наличие системы газораспределения, управляемой потоком используемого двигателем рабочего тепла и потоком отработанных газов, т. е. отсутствием жесткой кинематической связи коленчатого вала с выпускным клапаном головки цилиндра. Недостатком данной паросиловой установки является незначительный температурный перепад рабочего цикла, что обуславливает ее низкий термический КПД, как следствие, громоздкость котельной установки. Невозможность повышения температурного перепада связана с тем, что при росте температуры топочных газов становится возможным чрезмерное повышение давления пара в котле. Указанный недостаток можно устранить, если в качестве рабочего тела использовать не водяной пар, а непосредственно топочные газы, получаемые при сжигании топлива, целью данного изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик, повышение термического коэффициента полезного действия за счет использования в качестве рабочего тела топочных газов. При наличии системы охлаждения цилиндра и непосредственно впускного клапана температуру рабочего тела можно принять равной температуре горения, что с учетом использования теплоты отработанных газов, позволяет более чем в 2 раза повысить КПД двигателя. The invention relates to energy, and specifically relates to the improvement of installations, providing the conversion of thermal energy of fuel combustion into mechanical work. Two-stroke internal combustion engines (diesels) are known in which energy is converted by injecting fuel into the high-temperature super-piston cavity of the cylinder and subsequent expansion of the gases generated during its combustion. However, due to the fact that the combustion takes place in a limited period of time, the combustion products (fuel and air) do not have time to react among themselves and a significant part of them, together with the residues of the thermochemical reaction, are released into the atmosphere, causing undesirable consequences from an environmental point of view. Attempts by the creators and developers of modern diesel engines to ensure the environmentally friendly engines by intensifying the process of burning the fuel mixture (pressurization) have not yet achieved the desired results. The use of antiknock additives, as practice shows, leads to even greater environmental pollution due to the emission into the atmosphere of lead compounds and other enterogenic substances generated during the combustion of fuel, internal combustion engines have come a long way to comprehensive improvement and at this time have a maximum level of efficiency. In order to further improve heat engines, both in terms of increasing their efficiency (Efficiency) and environmental impact (environmental friendliness), it is necessary to look for new directions. One of these areas is the use of an external combustion engine as a thermal energy converter, which provides a more complete use of the calorific value of the fuel, allows you to use any of its currently known types and to include heat from exhaust gases in the energy conversion process. The first engine with an external combustion process was invented 200 years ago by the monk Stirling. At that time, Stirling engines were not widely used due to the lack of heat-resistant steels. For many years, the Stirling engine has been forgotten, but now it is showing great interest. The disadvantage of the Stirling engine is its relatively low thermal efficiency, due to the inability to use exhaust gas heat (recovery) in its cycle. Closest to the claimed technical essence and the achieved effect is a heat engine according to ed. testimonial. USSR N 92496 (application N 438607 from 11.20.50). Despite the fact that this invention relates to the design of a steam power plant, a common and main essential feature with the claimed technical solution is the presence of a gas distribution system controlled by the flow of working heat used by the engine and the flow of exhaust gases, i.e., the absence of a rigid kinematic connection between the crankshaft and the exhaust valve cylinder heads. The disadvantage of this steam-powered installation is the insignificant temperature difference in the duty cycle, which leads to its low thermal efficiency, and, as a consequence, the bulkiness of the boiler installation. The impossibility of increasing the temperature difference is due to the fact that with an increase in the temperature of the flue gases, an excessive increase in the vapor pressure in the boiler becomes possible. This drawback can be eliminated if not the steam used as the working fluid, but directly the flue gases obtained by burning fuel, the purpose of this invention is to improve operational characteristics, increase the thermal efficiency due to the use of flue gases as the working fluid. In the presence of a cylinder cooling system and a direct inlet valve, the temperature of the working fluid can be taken equal to the combustion temperature, which, taking into account the use of the heat of the exhaust gases, allows more than 2-fold increase in engine efficiency.

Упомянутая цель достигается тем, что в известном тепловом двигателе, содержащем рабочий цилиндр с размещенным внутри поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, элементы подготовки рабочего тела с периферийной топкой и системой воздухоподачи в нее, систему наполнения цилиндра рабочим телом с размещенным в головке впускным клапаном в виде подвижного в осевом направлении подпружиненного плунжера, внутренняя полость которого с трубопроводом выпуска отработанных газов через клапан, управляемый центробежным регулятором, кинематически связанным с коленчатым валом, система подачи воздуха в топку выполнена в виде замкнутого контура и снабжена ресивером, головка цилиндра разделена перегородкой на две изолированные друг от друга полости, в одной из которых размещен клапан впуска рабочего тела, а другая снабжена подпружиненным напорным клапаном, при этом обе полости соединены посредством трубопроводов с ресивером системы подачи воздуха в топку, при этом трубопровод, соединяющий топку с ресивером, размещен внутри трубопровода выпуска отработанных газов из цилиндра. This goal is achieved by the fact that in a known heat engine containing a working cylinder with a piston placed inside, kinematically connected to the crankshaft, the working fluid preparation elements with a peripheral firebox and an air supply system into it, a cylinder filling system with a working fluid with an inlet valve in the head in an axially movable spring-loaded plunger, the internal cavity of which with the exhaust gas pipe through a valve controlled by a centrifugal regulator, is a kinema connected with the crankshaft, the air supply system to the furnace is made in the form of a closed circuit and is equipped with a receiver, the cylinder head is divided by a partition into two cavities isolated from each other, in one of which the working fluid inlet valve is located, and the other is equipped with a spring-loaded pressure valve, in this case, both cavities are connected by means of pipelines to the receiver of the air supply system to the furnace, while the pipeline connecting the furnace to the receiver is placed inside the exhaust pipe from the cylinder .

Ниже, в качестве примера практического воплощения изобретения, приведено подробное, поясненное чертежами описания одного из возможных вариантов заявленного теплового двигателя. Below, as an example of a practical embodiment of the invention, a detailed description of one of the possible variants of the claimed heat engine explained by the drawings is given.

На фиг. 1 приведена общая схема энергетической установки; на фиг.2 - расчетные значения термических КПД двигателя при различных значениях температуры рабочего тела в зависимости от перепада давлений впуска и выпуска; на фиг.3 диаграмма рабочего цикла заявленного двигателя. In FIG. 1 shows a general diagram of a power plant; figure 2 - the calculated values of the thermal efficiency of the engine at different values of the temperature of the working fluid, depending on the differential pressure of the inlet and outlet; figure 3 diagram of the duty cycle of the claimed engine.

В заявленном варианте двигатель включает рабочий цилиндр 1 с головкой 2 и поршнем 3, кинематически связанным с коленчатым валом (на чертеже не показан). В стенках цилиндра расположены окна 4 выпуска отработанных газов. Система подготовки рабочего тела содержит периферийную топку 5 и ресивер 6 подачи окислителя (воздуха) в топку. Головка 2 перегородкой 8 разделена на изолированные друг от друга полости 9 и 10. В полости 10 установлен подвижный в осевом направлении впускной клапан 11, выполненный в виде плунжера и нагруженный пружиной 12. Надплунжерная полость 13 клапана 11 трубопроводом 14 соединена с клапаном 15, управляемым центробежным регулятором 16, который представляет собой смонтированный на коленчатом валу 17 двигателя подпружиненный (пружина 18) и снабженный противовесом 19 кулачок 20, профильная поверхность 21 которого через промежуточное коромысло 22 контактирует с толкателем 23 клапана 15. Система выпуски отработанных газов содержит рекуператор 24, внутри которого смонтирован трубопровод 25 подачи воздуха из ресивера 6 в топку 5. В полости 9 головки цилиндра установлен нагнетательный клапан 26, нагруженный пружиной 27, усилие которой может регулироваться, например, посредством винтового механизма 28. Полость 9 головки цилиндра соединена с ресивером 6 посредством трубопровода 29. Клапан 11 впуска рабочего тела в целях обеспечения его интенсивного и принудительного охлаждения размещен в полости 10 внутри стакана 30 с перфорированными стенками, а сама полость 10 трубопроводом 31 соединена с ресивером 6, надплунжерная полость 13 впускного клапана 11 центробежным регулятором 16 может соединяться или с атмосферой, или через трубопровод с системой выпуска отработанных газов (во втором случае снижение давления в надплунжерной полости 13 клапана 11 протекает более интенсивно за счет сил эжекции выхлопных газов двигателя). Работа двигателя осуществляется следующим образом: при нахождении поршня 3 в нижней мертвой точке через окна 4 происходит продувка цилиндра (или за счет давления, создаваемого поршнем в картере двигателя, или путем наддува от автономного нагнетателя). При движении поршня 3 вверх окна 4 перекрываются и воздух в цилиндре сжимаются до давления, определяемого величиной усилия пружины 27 нагнетательного клапана 26, при дальнейшем повышении давления клапан 26 открывается и находящийся в цилиндре воздух через полость 9 головки по трубопроводу 29 поступает в ресивер 6, а оттуда: во-первых, через рекуператор 24 в (где происходит его подогрев) в топку 5 (в качестве окислителя) и, во-вторых, по трубопроводу 31 в полость 10 головки цилиндра, далее через перфорированные стенки стакана 30 и плунжерные зазоры клапане 11 - на охлаждение последнего. Ввиду того, что усилие пружины 12 больше усилия пружины 27 клапан 11 в данный момент остается закрытым. При подходе поршня к верхней мертвой точке кулачок 20 центробежного регулятора 16, воздействия профильной поверхностью 21 через коромысло 22 и толкатель 23, открывает клапан 15, соединяя надплунжерную полость 13 клапана 11 или с атмосферой, или с системой выпуска отработанных газов; давление в полости 13 резко падает, давление пружины 12 ослабляется, и клапан 11 открывается на время (определяемое формой профильной поверхностью 21 кулачка 40), обеспечивающее впуск в цилиндр горячих топочных газов из топки 5 поршень под их действием движется вниз (рабочий ход). В его начале кулачок 20 центробежного регулятора выходит из контакта с толкателем 23 клапана 15, 11 и 26 остаются закрытыми, а давление в цилиндре обуславливается усилием пружины 12 клапана 11 и усилием пружины 27 клапана 26 (с учетом давления воздуха в ресивере 6). В зависимости от требуемой мощности посредством центробежного регулятора 16 (возможно и педальное и ручное управление) регулирование степени наполнения цилиндра рабочим телом. При увеличении нагрузки происходит снижение числа оборотов и уменьшение центробежной силы противовеса 19 кулачка 20 регулятора 16, под действием пружины 18 кулачок 20 выдвигается относительно вала 17 на большую величину), соответственно увеличивая подъем штока 23 клапана 15, что приводит к большому падению давления в полости 13 клапана 11 его проходное сечение увеличивается и в цилиндр пропускается большее количество топочных газов и при их последующем расширении растет мощность. Цикл двигателя (фиг. 3) состоит из:
адиабатического сжатия воздуха (точки 1, 2);
нагревания воздуха в рекуператоре (точки 2, 3);
нагрева рабочего тела (горение топлива) точки 3,4;
адиабатического расширения (точки 4,5).In the claimed embodiment, the engine includes a working cylinder 1 with a head 2 and a piston 3 kinematically connected with the crankshaft (not shown). In the walls of the cylinder there are 4 exhaust gas windows. The preparation system of the working fluid contains a peripheral furnace 5 and a receiver 6 for supplying an oxidizing agent (air) to the furnace. The head 2 of the partition 8 is divided into cavities 9 and 10 isolated from each other. In the cavity 10, an axially movable intake valve 11 is installed, made in the form of a plunger and loaded with a spring 12. The plunger cavity 13 of the valve 11 is connected by a pipe 14 to a valve 15 controlled by a centrifugal the regulator 16, which is mounted on a crankshaft 17 of the engine spring-loaded (spring 18) and equipped with a counterweight 19 cam 20, the profile surface 21 of which through the intermediate beam 22 is in contact with a pusher 23 of the valve 15. The exhaust system contains a recuperator 24, inside which a pipe 25 for supplying air from the receiver 6 to the furnace 5 is mounted. In the cavity 9 of the cylinder head there is a pressure valve 26 loaded with a spring 27, the force of which can be regulated, for example, by means of a screw mechanism 28. The cavity 9 of the cylinder head is connected to the receiver 6 through a pipe 29. The valve 11 of the inlet of the working fluid in order to ensure intensive and forced cooling is placed in the cavity 10 inside the glass 30 with perforated walls, and the cavity 10 is connected by a pipe 31 to the receiver 6, the supra-plunger cavity 13 of the inlet valve 11 can be connected to the atmosphere or via the pipeline with the exhaust system (in the second case, the pressure in the supra-plunger cavity 13 of the valve is reduced 11 proceeds more intensively due to the forces of ejection of exhaust gases of the engine). The operation of the engine is as follows: when the piston 3 is at bottom dead center through the window 4, the cylinder is purged (either due to the pressure created by the piston in the crankcase, or by boosting from an autonomous supercharger). When the piston 3 moves upwards, the windows 4 are closed and the air in the cylinder is compressed to a pressure determined by the force of the spring 27 of the discharge valve 26, with a further increase in pressure, the valve 26 opens and the air in the cylinder through the cavity 9 of the head through the pipe 29 enters the receiver 6, and from there: firstly, through a 24 v recuperator (where it is heated) to the furnace 5 (as an oxidizing agent) and, secondly, through a pipe 31 into the cavity 10 of the cylinder head, then through the perforated walls of the glass 30 and plunger valve clearances not 11 - cooling the latter. Due to the fact that the force of the spring 12 is greater than the force of the spring 27, the valve 11 remains closed at the moment. When the piston approaches the top dead center, the cam 20 of the centrifugal controller 16, exposing the profile surface 21 through the rocker 22 and the pusher 23, opens the valve 15, connecting the supraplunger cavity 13 of the valve 11 with either the atmosphere or the exhaust system; the pressure in the cavity 13 drops sharply, the pressure of the spring 12 is weakened, and the valve 11 opens for a while (determined by the shape of the profile surface 21 of the cam 40), allowing the piston to move hot flue gases into the cylinder from the furnace 5 downward (working stroke). At its beginning, the cam 20 of the centrifugal controller comes out of contact with the pusher 23 of the valve 15, 11 and 26 remain closed, and the pressure in the cylinder is determined by the force of the spring 12 of the valve 11 and the force of the spring 27 of the valve 26 (taking into account the air pressure in the receiver 6). Depending on the required power, by means of a centrifugal regulator 16 (possibly pedal and manual control), the degree of filling of the cylinder with a working fluid is regulated. With an increase in the load, a decrease in the number of revolutions and a decrease in the centrifugal force of the counterweight 19 of the cam 20 of the regulator 16, under the action of the spring 18, the cam 20 extends relative to the shaft 17 by a large amount), respectively increasing the rise of the stem 23 of the valve 15, which leads to a large pressure drop in the cavity 13 of valve 11, its flow area increases and a larger amount of flue gases is passed into the cylinder, and with their subsequent expansion, the power increases. The engine cycle (Fig. 3) consists of:
adiabatic air compression (points 1, 2);
heating air in the recuperator (points 2, 3);
heating the working fluid (fuel combustion) points 3.4;
adiabatic expansion (points 4,5).

На фиг.2 приведены расчетные значения термических КПД двигателя для различных значений абсолютных температур рабочего тела в зависимости от степени сжатия. Учитывая неизбежные при работе двигателя механические и тепловые потери практический КПД будет иметь максимальное значение при степени сжатия, приближающейся к 10. Figure 2 shows the calculated values of the thermal efficiency of the engine for various values of the absolute temperatures of the working fluid, depending on the degree of compression. Given the mechanical and thermal losses that are inevitable during engine operation, the practical efficiency will have a maximum value with a compression ratio approaching 10.

Преимуществами предлагаемого двигателя являются:
использование тепла выхлопных газов (рекуперация);
меньшее экологическое загрязнение атмосферы (непрерывное горение топлива);
возможность использования любого топлива.The advantages of the proposed engine are:
use of heat of exhaust gases (recovery);
less environmental pollution of the atmosphere (continuous burning of fuel);
the possibility of using any fuel.

Claims

1. A two-stroke thermal engine containing a working cylinder with a piston placed kinematically connected to the crankshaft, elements for preparing the working fluid in the form of a peripheral furnace with an air supply system, a cylinder filling system with a working fluid with an inlet valve mounted in the cylinder head in the form of axially movable a spring-loaded plunger, the inner cavity of which is connected to the exhaust pipe through a valve with a controlled centrifugal regulator, kinematically connected with a crankshaft, characterized in that, for the purpose of operational characteristics, increasing the thermal efficiency due to the use of flue gases as a working fluid, the air supply system to the furnace is made in the form of a closed loop and equipped with a receiver, the cylinder head is divided into two by a partition isolated cavities, in one of which is located the inlet valve of the working fluid, and in the other a spring-loaded pressure valve, while both valves are made interacting.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the pipeline for supplying air from the receiver to the furnace is placed inside the exhaust gas pipe from the engine cylinder.