RU2136920C1

RU2136920C1 - Method of operation of two-stroke internal combustion engine

Info

Publication number: RU2136920C1
Application number: RU98103256A
Authority: RU
Inventors: Б.Х. Перельштейн
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева; Перельштейн Борис Хаймович
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-09-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; omnivorous two-stroke internal combustion engines. SUBSTANCE: piston compressor (piston cold group) is introduced into two-stroke internal combustion engine from which for instance through receiver, compressed air is supplied to working (not) group of pistons at filling duty for filling from minimum (practically zero volume) to preset volume. At the cost of increase in diameter of hot piston group, as compared with diameter of cold piston group, degree of increase in volume at expansion is of the order of 20 at standard 8-10 fold degree of volume change at compression. length of working stroke of hot group, as compared with stroke of cold group, can be reduced more than two times. Hot pressure, according to invention, is 1.1 arm. abs, instead of 3-5 atm. abs. in existing engines. Cyclic economy is 1.5 times higher as compared with standard four-stroke engine. EFFECT: provision of increase in volume in process of hot expansion, enhanced ecological characteristics of cycle. 1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в создании двухтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). The invention relates to the field of engine building and can be used to create two-stroke internal combustion engines (ICE).

Известны двухтактные карбюраторные и дизельные ДВС, реализующие элементы цикла V = const, P = const, со смешанным процессом сжатия и др. (см., Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов и комбинированных двигателей. Под. ред. А.С.Орлина, М., Машиностроение, 1971) [1]. Known are two-stroke carburetor and diesel ICEs that implement cycle elements V = const, P = const, with a mixed compression process, etc. (see. Internal combustion engines. Theory of work processes and combined engines. Ed. By A.S. Orlin, M., Mechanical Engineering, 1971) [1].

Известен проект двигателя, работающий по циклу Кристиансена ("Автомобильная промышленность США", N 1, 1980 г., стр. 3). В двигателе Кристиансена по способу работы осуществляют степень изменения объема в процессе расширения рабочего тела, превышающую степень изменения объема при его сжатии. В этом двигателе нет коленчатого вала, а имеется цилиндрический вал, общий для всех поршней, и кулачковый барабан. Профиль данного кулачка позволяет реализовать превышение степени изменения объема при расширении над степенью изменения объема при сжатии. Кулачковый барабан имеет очень сложную кинематическую цепь преобразования. Кроме того, в названном двигателе предусмотрен вращающийся блок цилиндров. Более чем за 15 лет названная конструкция не реализована из-за своей сложности даже в экспериментальном образце. Known design of the engine, working on the Christiansen cycle ("Automotive industry in the United States", N 1, 1980, p. 3). In the Christiansen engine, according to the method of operation, the degree of volume change during the expansion of the working fluid is exceeded, exceeding the degree of volume change during compression. There is no crankshaft in this engine, but a cylindrical shaft common to all pistons and a cam drum. The profile of this cam allows you to realize the excess of the degree of change in volume during expansion over the degree of change in volume during compression. The cam drum has a very complex kinematic conversion chain. In addition, in the named engine provides a rotating cylinder block. For more than 15 years, the design mentioned has not been implemented due to its complexity even in the experimental sample.

Наиболее близким техническим решением является способ работы двухтактного ДВС, осуществляющего работу в группе горячих поршней с процессами заполнения рабочего объема свежим воздухом, его сжатия, подвода топлива, сгорания, расширения продуктов сгорания, продувки внутренней полости с процессом заполнения рабочего объема свежим воздухом [1]. The closest technical solution is the method of operating a push-pull ICE operating in a group of hot pistons with processes for filling the working volume with fresh air, compressing it, supplying fuel, combustion, expanding the combustion products, purging the internal cavity with the process of filling the working volume with fresh air [1].

Основным недостатком классического двухтактного ДВС является то, что в конце рабочего хода поршня рабочее тело имеет высокую способность к производству работы (P₄ = ≈ 0,4 МПа; T₄ = ≈ 1350 K). Эта работа не используется и, как следствие, получаем невысокий КПД, порядка hi = 0.3. Пониженный КПД определен еще и тем, что коэффициент заполнения меньше единицы из-за неполной продувки и из-за наличия мертвого пространства, определенного объемом камеры сгорания. Изобретение решает задачу повышения КПД и удельной мощности.The main disadvantage of the classic two-stroke ICE is that at the end of the piston stroke the working fluid has a high ability to produce work (P ₄ = ≈ 0.4 MPa; T ₄ = ≈ 1350 K). This work is not used and, as a result, we obtain a low efficiency, of the order of hi = 0.3. The reduced efficiency is also determined by the fact that the fill factor is less than unity due to incomplete purging and due to the presence of dead space determined by the volume of the combustion chamber. The invention solves the problem of increasing efficiency and specific power.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе работы двухтактного ДВС, осуществляющего работу в группе горячих поршней с процессами заполнения объема свежим воздухом, его сжатия, подвода топлива, сгорания, расширения продуктов сгорания, продувки внутренней полости и заполнения рабочего объема свежим воздухом - вводят группу холодных поршней с всасывающим и нагнетающим клапанами, вводят коммуникации высокого давления, включающие в себя ресивер с клапанами, и осуществляют сжатие над свежим воздухом в холодной группе поршней, откуда сжатый воздух по коммуникациям высокого давления, включающих в себя ресивер с клапанами, расчетный заряд воздуха подают на горячую группу поршней в камеру сгорания при изменении ее объема от минимального до расчетного, в горячей группе поршней в процессе расширения продуктов сгорания обеспечивают превышение степени изменения объема рабочего заряда по сопоставлению со степенью изменения объема в процессе сжатия соответствующего заряда в холодной группе, при повороте коленвала на один и тот же угол. The problem is achieved by the fact that in the known method of operating a two-stroke ICE operating in a group of hot pistons with processes of filling the volume with fresh air, compressing it, supplying fuel, combustion, expanding the combustion products, purging the internal cavity and filling the working volume with fresh air, the group is introduced cold pistons with suction and discharge valves, high pressure communications are introduced, including a receiver with valves, and compress over fresh air in the cold piston group where, from compressed air via high-pressure communications, including a receiver with valves, the calculated air charge is supplied to the hot group of pistons in the combustion chamber when its volume changes from minimum to calculated, in the hot group of pistons in the process of expansion of the combustion products, the degree of change is exceeded the volume of the working charge in comparison with the degree of change in volume during compression of the corresponding charge in the cold group, when the crankshaft is rotated by the same angle.

На фиг. 1 и фиг. 2 показаны схемы устройств в варианте осуществления простейшего двухтактного процесса. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны схемы устройств в варианте осуществления рабочего процесса при совмещении холодной группы поршней в одном цилиндре оппозитного и обычного двигателя. На фиг. 5 показан вариант схемы ДВС с регенерацией тепла выхлопных газов. На фиг. 6 показан термодинамический цикл работы ДВС для осуществления заявленного способа работы. In FIG. 1 and FIG. 2 shows device diagrams in an embodiment of a simple push-pull process. In FIG. 3 and FIG. 4 shows diagrams of devices in an embodiment of the working process when combining a cold group of pistons in one cylinder of the opposed and conventional engine. In FIG. 5 shows a variant of the ICE scheme with heat recovery of exhaust gases. In FIG. 6 shows the thermodynamic cycle of the internal combustion engine for the implementation of the claimed method of operation.

На фиг. 1 двухтактный ДВС включают холодный блок - 1 с поршнем - 2, всасывающими клапанами - 3 (при двухходовой конструкции нагнетания сжатого воздуха в ресивер) и нагнетающим клапаном - 4, ресивером - 5. ДВС так же включает рабочий (горячий ) блок - 6 с поршнем - 7. Относительный объем камеры сгорания показан позицией - 8. Впускной клапан рабочей (горячей) части показан позицией - 9. Коммуникация сжатого газа - 10. Выхлопной клапан - 11. Принципиальное размещение шатунно-кривошипной группы показано на позиции - 12. Запуск ДВС возможен обычным способом, что обеспечивается всасывающим клапаном 13 и выпускным клапаном 14 - оба клапана работают только на запуске. Неисключен запуск от сжатого воздуха в ресивере. In FIG. 1 push-pull ICEs include a cold block - 1 with a piston - 2, suction valves - 3 (with a two-way design for pumping compressed air into the receiver) and a pressure valve - 4, receiver - 5. The ICE also includes a working (hot) block - 6 with a piston - 7. The relative volume of the combustion chamber is shown at - 8. The inlet valve of the working (hot) part is shown at - 9. Communication of the compressed gas - 10. Exhaust valve - 11. The basic arrangement of the connecting rod and crank group is shown at position - 12. Starting the engine is possible in the usual way, which ensures It is equipped with a suction valve 13 and an exhaust valve 14 - both valves work only at start-up. Starting from compressed air in the receiver is not excluded.

На фиг. 2 показан вариант исполнения двухтактного ДВС, где вместо ресивера последовательного включения - 5 установлен ресивер параллельного включения - 5. In FIG. Figure 2 shows an embodiment of a two-stroke ICE, where instead of a serial receiver - 5, a parallel receiver - 5 is installed.

На фиг. 3 оппозитной схеме холодная группа представлена тыльной стороной поршня 2. In FIG. 3, the cold group is represented by the back of the piston 2.

На фиг. 4 в двигателе стандартной схемы холодная группа представлена тыльной стороной поршня 2. In FIG. 4 in the standard circuit engine, the cold group is represented by the back of the piston 2.

На фиг. 5 ресивер 15 выполнен в виде теплообменника с выхлопом - 16. In FIG. 5 receiver 15 is made in the form of a heat exchanger with exhaust - 16.

На фиг. 6 показан рабочий цикл с типовыми параметрами. In FIG. 6 shows a duty cycle with typical parameters.

ДВС работает следующим образом (рис. 1) В холодной группе цилиндра - 1, двухходовой поршневой компрессор с поршнем - 2 засасывает через клапаны - 3 свежий воздух и при степени изменения объема, например, в 8 раз обеспечивает при среднем показателе политропы n = 1.3 степень повышения давления π = 15. Через клапан 4 воздух поступает в ресивер последовательного включения - 5. В ресивере - 5 среднее давление P = 1,5 МПа и при этом объем превышает суммарные объемы камер сгорания, например, в 10 раз - для выравнивания процесса. Когда рабочий поршень - 7 в рабочей (горячей) группе - 6 полностью вытеснит продукты сгорания через клапан - 11, остаточный (минимальный) объем близок к нулю, открывается клапан - 9 и камера сгорания 8 заполняется (в процессе движения поршня вниз) необходимой порцией свежего и уже сжатого до расчетного давления воздуха. С учетом демпферирующих свойств ресивера и осуществления режима заполнения (поршень находится в районе верхней мертвой точки - относительная скорость его в цилиндре минимальна) - флуктуации давления и потери на клапанах - 9, например, в количестве 2 - 6 (условно показано один клапана на поршень) сводятся к минимуму. Этому же способствует относительное расположение шатунов холодного и рабочих поршней на кривошипе. В процессе заполнения впрыскивается топливо и происходит после закрытия клапанов - 9 его сжигание. Начинается рабочий ход. Пусть в частном случае диаметр горячей части D₂ = 1,58^*D₁. При равенстве зарядов G₁=G₂ и высоте холодной камеры сгорания h1, объем V1=V2, и, соответственно, h2^*0,785^*(1,58^*D₁)² = h1^*0,785^*D₁ ². Тогда высота камеры сгорания в горячей группе - h2 будет в 2,5 раза ниже высоты камеры сгорания аналога (в холодной группе) при равенстве количества рабочего заряда. Отсюда, при одинаковой величине хода поршня обеспечивают превышение степени изменения объема рабочего заряда по сопоставлению со стандартной степенью изменения объема. При указанной разнице в диаметрах вместо изменения степени изменения объема в 8 раз получаем степень изменения объема в 8 х 2,5 = 20 раз. Результат такого "расширяющего" хода без увеличения длины поршневой группы показан на фиг. 3. Заштрихованная часть цикла эквивалентна дополнительной работе.ICE works as follows (Fig. 1) in the cold group of cylinder - 1, a two-way reciprocating compressor with piston - 2 draws in fresh air through valves - 3 and, with a volume change degree of, for example, 8 times, provides an average polytropic index n = 1.3 of degree pressure increase π = 15. Through valve 4, air enters the successive switching receiver - 5. In the receiver - 5, the average pressure is P = 1.5 MPa and the volume exceeds the total volumes of the combustion chambers, for example, 10 times to equalize the process. When the working piston - 7 in the working (hot) group - 6 completely displaces the combustion products through the valve - 11, the residual (minimum) volume is close to zero, the valve - 9 opens and the combustion chamber 8 is filled (in the process of moving the piston down) with the necessary portion of fresh and already compressed to the calculated air pressure. Taking into account the damping properties of the receiver and the filling mode (the piston is in the region of top dead center - its relative speed in the cylinder is minimal) - pressure fluctuations and losses on the valves are 9, for example, in the amount of 2-6 (one valve is conventionally shown per piston) are minimized. The relative arrangement of cold connecting rods and working pistons on the crank also contributes to this. In the process of filling fuel is injected and occurs after the valves are closed - 9 it is burned. The working course begins. Let in a particular case, the diameter of the hot part D ₂ = 1,58 ^* D ₁ . If the charges are equal G ₁ = G ₂ and the height of the cold combustion chamber is h1, the volume is V1 = V2, and, accordingly, h2 ^* 0.785 ^* (1.58 ^* D ₁ ) ² = h1 ^* 0.785 ^* D ₁ ² . Then the height of the combustion chamber in the hot group - h2 will be 2.5 times lower than the height of the combustion chamber of the analogue (in the cold group) with equal amounts of working charge. Hence, with the same magnitude of the piston stroke, the degree of change in the volume of the working charge is exceeded in comparison with the standard degree of change in volume. With the indicated difference in diameters, instead of changing the degree of volume change by 8 times, we get the degree of volume change by 8 x 2.5 = 20 times. The result of such an “expanding” stroke without increasing the length of the piston group is shown in FIG. 3. The shaded part of the cycle is equivalent to additional work.

В ДВС по фиг. 2 ресивер - 5 установлен параллельно коммуникациям и выполняет функцию демпфера. Сжатый воздух напрямую подается из холодного поршня в горячий (без дроселирования) за счет того, что амплитуда кривошипно-шатунного механизма горячего поршня расчетно ниже амплитуды холодного поршня. Заполнение сжатым воздухом начинается с минимального, практически с нулевого объема (верхняя мертвая точка горячего поршня). В рассматриваемом случае, благодаря уменьшению диаметра расположения шеек вала шатунно-кривошипного механизма для рабочих поршней относительно холодного поршня, возможно дальнейшее увеличение диаметра рабочих поршней с сохранением превышения расширения над сжатием, в частном случае, в 2,5 раза. In the internal combustion engine of FIG. 2 receiver - 5 is installed in parallel with communications and acts as a damper. Compressed air is directly supplied from the cold piston to the hot one (without throttling) due to the fact that the amplitude of the crank mechanism of the hot piston is calculated to be lower than the amplitude of the cold piston. Filling with compressed air begins with a minimum, practically from zero volume (top dead center of the hot piston). In the case under consideration, due to a decrease in the diameter of the arrangement of the shaft necks of the connecting rod and crank mechanism for the working pistons relative to the cold piston, a further increase in the diameter of the working pistons is possible while maintaining the excess of expansion over compression, in the particular case, by 2.5 times.

На фиг. 3 в оппозитной схеме холодный воздух сжимается тыльной стороной поршня 2. При подаче рабочего заряда в камеру сгорания поршни 7 и 2, расширяясь, создают двойной объем для продуктов сгорания (эквивалентный диаметр горячей группы поршней увеличивается на

На фиг. 4 сжатый тыльной стороной поршня - 2 воздух, проходя через ресивер, последовательно расширятся, например, в двух горячих цилиндрах.In FIG. 3 in the opposite diagram, cold air is compressed by the back of the piston 2. When the working charge is fed into the combustion chamber, the

pistons

7 and 2, expanding, create a double volume for the combustion products (the equivalent diameter of the hot group of pistons increases by

In FIG. 4 compressed by the rear side of the piston - 2 air passing through the receiver will expand sequentially, for example, in two hot cylinders.

В ДВС по фиг. 5 предусмотрена регенерация тепла выхлопных газов. Горячие газы через выхлопной клапан - 11 подаются в межтрубное пространство регенератора-ресивера - 15 и далее на выхлоп - 16, а сжатый воздух через клапан - 4 подается в трубное пространство, где санагревается и далее через клапан - 9 поступает в камеру сгорания - 8. In the internal combustion engine of FIG. 5 provides for heat recovery of exhaust gases. Hot gases through the exhaust valve - 11 are fed into the annular space of the regenerator-receiver - 15 and then to the exhaust - 16, and compressed air through the valve - 4 is fed into the pipe space, where it is heated and then through the valve - 9 enters the combustion chamber - 8.

На фиг. 6 заштрихованная вертикальная часть между точками 2 и 3 показывает регенеративную часть введенного тепла. Заштрихованная часть площадь 1-4-5-6 эквивалента дополнительной работе. In FIG. 6, the shaded vertical portion between points 2 and 3 shows the regenerative portion of the heat introduced. The shaded portion is an area of 1-4-5-6 equivalent to additional work.

Способ работы ДВС может быть реализован в однорядных и двухрядных ДВС, V - образных двигателях, в оппозитных двигателях. С двумя и более группами холодных поршней, включая расположение холодных поршней с тыльной стороны горячих поршней в различной соотносительности в их диаметрах. Использованием дополнительных клапанов или клапанов запуска 13, 14 (при их одновременном открытии) возможен холостой ход горячих поршней с целью регулирования вырабатываемой мощности и организации, при необходимости, только воздушного охлаждения, например, каждый третий ход - "холодный". Клапанами 4 можно регулировать давление в ресивере и использовать различные топлива. The ICE operation method can be implemented in single-row and double-row ICEs, V-shaped engines, in opposed engines. With two or more groups of cold pistons, including the location of the cold pistons on the back of the hot pistons in different correlations in their diameters. Using additional valves or start valves 13, 14 (when they are simultaneously opened), idling of hot pistons is possible in order to regulate the generated power and organize, if necessary, only air cooling, for example, every third stroke is “cold”. Valves 4 can adjust the pressure in the receiver and use a variety of fuels.

Для технико-экономической оценки предлагаемого изобретения обратимся к фиг. 6. В незаштрихованной части цикла показаны достаточно типичные параметры двухтактного карбюраторного ДВС. Заштрихованная часть показывает дополнительную работу, которую можно реализовать благодаря данному изобретению. Превышение цикловой работы над аналогом происходит до 50% при том же расходе топлива. Обосновано можно предположить, что сгорание в большом объеме приводит к улучшению экологических показателей выхлопа. For a feasibility study of the invention, refer to FIG. 6. In the unshaded part of the cycle, fairly typical parameters of a two-stroke carburetor ICE are shown. The shaded part shows additional work that can be realized thanks to this invention. Excess cyclic work over the analog occurs up to 50% at the same fuel consumption. It can be reasonably assumed that large-scale combustion leads to improved environmental performance of the exhaust.

Claims

The method of operation of a two-stroke internal combustion engine operating in a group of hot pistons with processes of filling the working volume with fresh air, compressing it, supplying fuel, combustion, expanding the combustion products, purging the internal cavity and filling the working volume with fresh air, characterized in that a cold group is introduced pistons with suction and discharge valves, high pressure communications are introduced, including a receiver with valves, and they are compressed over fresh air in the cold group Piston, from where compressed air is supplied through a high-pressure line including a receiver with valves, the calculated air charge is supplied to the hot group of pistons in the combustion chamber when its volume changes from minimum to calculated, in the hot group of pistons during the expansion of the combustion products they exceed the degree of change the volume of the working charge in comparison with the degree of change in volume during compression of the corresponding charge in the cold group when the crankshaft rotates by the same angle.