RU2311547C1

RU2311547C1 - Working cycle in two-stroke internal combustion engine and such engine

Info

Publication number: RU2311547C1
Application number: RU2006110750/06A
Authority: RU
Inventors: Роман Львович Сницаренко (RU); Роман Львович Сницаренко
Original assignee: Роман Львович Сницаренко
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-11-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: according to proposed cycle in two-stroke internal combustion engine steam formed in evaporator by heat removed from walls of cylinder heads is introduced into cylinder of internal combustion engine during expansion stroke after finishing of burning process. Steam mixes with working medium, gets heated and expanded, thus increasing indicated pressure and decreases mean temperature and amount of toxic matter in working medium. Fresh air is introduced into cylinder of internal combustion engine before opening exhaust ports. Fresh air mixes working medium, gets expanded, thus increasing indicated pressure, decreases temperature and amount of toxic matter in working medium. When exhaust ports open, working medium in form of exhaust gases passes into exhaust manifold, and amount of exhaust gases remaining in cylinder of internal combustion engine is regulated by pressure built is exhaust manifold. At end of expansion stroke process of compression and cooling of supercharging air in compressor is completed. At beginning of compression stroke pressure of supercharging compressed air is used to move pistons. Moving pistons deliver portion of heated water inside plunger of auxiliary compressor, said water being designed for introduction into supercharging air, exhaust ports are closed and after definite angle of turning of eccentric shaft determined by engine operating conditions, supercharging air is delivered into cylinder of auxiliary compressor which directs one portion of water into evaporator and entrains other portion into cylinder of internal combustion engine where it is mixed with exhaust gases and gets compressed. Fresh air is delivered into cylinders of supercharging and auxiliary compressors. Next portion of heated water is introduced into cylinder of auxiliary compressor. In proposed two-stroke internal combustion engine, outer surfaces of pistons are connected with one arm of bellcranks whose other arms rests on guides controllably displaced relative to body of internal combustion engine. Piston seals are made of elastic tape in form of conical Archimedean spiral without clearances between coils. Coils can be move. Extensions of long sides in cross section of coil intersect. Guide surfaces of pistons rest on plungers of supercharging and auxiliary compressors on support end of which slots are made, and plunger proper is installed for controlled displacement.

EFFECT: reduced amount of toxic matter in exhaust gases, increased efficiency of engine.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано везде, где используются поршневые ДВС.The invention relates to the field of engine engineering and can be used wherever piston ICEs are used.

В современных поршневых ДВС осуществляют двухтактные и четырехтактные рабочие циклы, в которых избыточную теплоту стенок поршней и цилиндров отводят в атмосферу, т.е. теряют. Эти потери доходят до 38%. Для оптимизации процессов сгорания топлива и уменьшения токсичных выбросов в ряде фирм применяют процессы рециркуляции, т.е. вводят отработанные газы обратно в цилиндр. Кроме того, в тех же целях применяют введение в топливную смесь воды в количестве до 10% от массы топлива. Однако эти новшества имеют ограниченное применение.In modern piston ICEs, two-stroke and four-stroke duty cycles are carried out, in which the excess heat of the walls of the pistons and cylinders is removed to the atmosphere, i.e. lose. These losses reach 38%. To optimize the processes of fuel combustion and reduce toxic emissions, a number of firms use recycling processes, i.e. exhaust gases are introduced back into the cylinder. In addition, for the same purposes, the introduction of water into the fuel mixture in an amount of up to 10% by weight of the fuel is used. However, these innovations have limited application.

Аналогами по способам осуществления рабочего цикла являются: а.с. СССР №767378, F02B 47/08, а.с. СССР №1677356 F02B 47/02, а.с. СССР №648745 F02B 47/02. Что касается устройства двухтактного ДВС, то кинематическим прототипом является отечественный дизель серии Д100. Однако, как показывают расчеты, наши эффективные показатели значительно выше.Analogs for the methods of implementation of the working cycle are: USSR No. 767378, F02B 47/08, a.s. USSR No. 1677356 F02B 47/02, a.s. USSR No. 648745 F02B 47/02. As for the two-stroke ICE device, the kinematic prototype is the domestic diesel of the D100 series. However, as calculations show, our effective indicators are much higher.

Технический результат заключается в полном сгорании топлива, уменьшении количества токсичных веществ в отработанных газах, потерь теплоты через системы охлаждения, потерь мощности на сжатие воздуха наддува, устранении причины, ограничивающей число оборотов ДВС, возможности изменения степени сжатия и коэффициента избытка воздуха в процессе работы ДВС, увеличении КПД.The technical result consists in complete combustion of the fuel, reduction of the amount of toxic substances in the exhaust gases, heat loss through the cooling system, loss of power to compress the charge air, eliminating the reason limiting the speed of the internal combustion engine, the possibility of changing the compression ratio and the coefficient of excess air during the operation of the internal combustion engine increase in efficiency.

Технический результат достигается применением нового рабочего цикла, компоновкой агрегатов в ДВС и его кинематической схемы.The technical result is achieved by using a new duty cycle, the layout of the units in the internal combustion engine and its kinematic scheme.

Предложен рабочий цикл в двухтактном ДВС, включающий такт расширения, во время которого в цилиндре ДВС осуществляют процессы горения топливной смеси, образование рабочего тела, давлением которого совершают перемещение поршней; охлаждают стенки поршней и цилиндра ДВС; нейтрализуют токсичные вещества, выпускают рабочее тело в виде отработанных газов (ОГ) в выпускной коллектор через выпускные окна, осуществляют сжатие и охлаждение воздуха наддува в цилиндре компрессора; во время такта сжатия в цилиндр ДВС, содержащий регулируемое количество ОГ, вводят воздух наддува, содержащий регулируемое количество воды, и в эту смесь вводят топливо. Во время такта расширения, после окончания процесса горения, в цилиндр ДВС вводят водяной пар, образующийся в испарителе теплотой, отобранной у стенок головок поршней; пар смешивается с рабочим телом, нагревается от него, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает среднюю температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле; затем, до открывания выпускных окон, в цилиндр ДВС вводят свежий воздух, который смешивается с рабочим телом, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле; когда открываются выпускные окна, рабочее тело в виде ОГ перетекает в выпускной коллектор, а количество ОГ, остающихся в цилиндре ДВС, регулируют величиной давления, создаваемого в выпускном коллекторе; в конце такта расширения завершают процесс сжатия и охлаждения воздуха наддува в компрессоре, на что используют силы инерции поршней, рычагов и шатунов; в начале такта сжатия для перемещения поршней используют давление сжатого воздуха наддува; поршни, перемещаясь, сначала вводят внутрь плунжера вспомогательного компрессора порцию нагретой воды, предназначенной для введения ее в воздух наддува, закрывают выпускные окна, после чего, через определенный режимом работы ДВС угол поворота эксцентрикового вала в цилиндр вспомогательного компрессора вводят воздух наддува, который одну порцию находящейся там воды вводит в испаритель, а другую порцию уносит с собой в цилиндр ДВС, где смешивается с ОГ и сжимается; в цилиндры компрессоров наддува и вспомогательного вводят свежий воздух, а в цилиндр вспомогательного компрессора вводят следующую порцию нагретой воды.A duty cycle in a two-stroke ICE is proposed, including an expansion stroke, during which combustion processes of the fuel mixture are carried out in the ICE cylinder, the formation of a working fluid, the pressure of which moves the pistons; cool the walls of the pistons and cylinder of the internal combustion engine; neutralize toxic substances, release the working fluid in the form of exhaust gases (exhaust gas) into the exhaust manifold through the exhaust windows, compress and cool the boost air in the compressor cylinder; during the compression stroke, pressurization air containing an adjustable amount of water is introduced into the internal combustion engine cylinder containing an adjustable amount of exhaust gas, and fuel is introduced into this mixture. During the expansion stroke, after the end of the combustion process, water vapor is introduced into the internal combustion engine cylinder, which is formed in the evaporator by the heat taken from the walls of the piston heads; steam mixes with the working fluid, heats up from it, expands, increasing the indicator pressure, reduces the average temperature and the amount of toxic substances in the working fluid; then, before opening the outlet windows, fresh air is introduced into the internal combustion engine cylinder, which is mixed with the working fluid, expands, increasing the indicator pressure, reduces the temperature and the amount of toxic substances in the working fluid; when the exhaust windows open, the working fluid in the form of exhaust gas flows into the exhaust manifold, and the amount of exhaust gas remaining in the internal combustion engine cylinder is controlled by the pressure created in the exhaust manifold; at the end of the expansion stroke, the process of compression and cooling of the boost air in the compressor is completed, which uses the inertia forces of the pistons, levers and connecting rods; at the beginning of the compression stroke, pressurized compressed air pressure is used to move the pistons; the pistons, moving, first introduce into the plunger of the auxiliary compressor a portion of heated water intended for introducing it into the boost air, close the exhaust windows, and then, through the rotation angle of the eccentric shaft determined by the engine operation mode, the boost air is introduced into the cylinder of the auxiliary compressor, which is one portion of the there it introduces water into the evaporator, and takes another portion with it to the internal combustion engine cylinder, where it is mixed with the exhaust gas and compressed; fresh air is introduced into the cylinders of the boost and auxiliary compressors, and the next portion of the heated water is introduced into the cylinder of the auxiliary compressor.

Предложен двухтактный ДВС, содержащий цилиндр ДВС с двумя рядами выпускных окон, в котором размещены два кинематически связанных поршня с возможностью их зеркально симметричного перемещения; внутри поршней выполнены цилиндры компрессоров, испарители и направляющие поверхности, поршни снабжены уплотнительными устройствами и связаны с эксцентриковым валом посредством подвижных соединений через шатуны, двуплечие рычаги, которые одним плечом связаны с поршнем, вторым с корпусом ДВС, а средней частью - с шатуном; компрессоры наддува и вспомогательные - с неподвижными плунжерами; внутри плунжера наддува размещен водяной холодильник и плунжер вспомогательного компрессора с клапаном; цилиндры наддува воздуха снабжены клапанам, которые управляемы копирами; выпускной коллектор и герметичный корпус ДВС снабжены самодвижущимися клапанами. Наружные поверхности поршней связаны с одним плечом двуплечих рычагов, второе плечо которых оперто на направляющие, которые имеют возможность управляемого перемещения относительно корпуса ДВС; уплотнительные устройства поршней выполнены из упругой ленты в форме конусообразной архимедовой спирали без зазоров между витками; витки имеют возможность перемещения; в поперечном сечении витка продолжения длинных его сторон пересечены между собой; направляющие поверхности поршней оперты на плунжеры компрессоров наддува и вспомогательного, у которого на опорном конце выполнены пазы, а сам плунжер имеет возможность регулируемого перемещения.A two-stroke internal combustion engine is proposed, comprising an internal combustion engine cylinder with two rows of exhaust windows, in which two kinematically connected pistons are placed with the possibility of their mirror-symmetric movement; inside the pistons, compressor cylinders, evaporators and guide surfaces are made, the pistons are equipped with sealing devices and are connected to the eccentric shaft by means of movable joints through the connecting rods, two shoulders levers, which are connected by one shoulder to the piston, the second to the ICE body, and the middle part to the connecting rod; boost compressors and auxiliary - with fixed plungers; inside the boost plunger there is a water cooler and an auxiliary compressor plunger with a valve; boost cylinders are equipped with valves that are controlled by copiers; exhaust manifold and sealed ICE housing are equipped with self-propelled valves. The outer surfaces of the pistons are connected to one shoulder of the two-arm levers, the second shoulder of which is supported by guides that have the ability to controlled movement relative to the engine body; piston sealing devices are made of elastic tape in the form of a cone-shaped Archimedean spiral without gaps between the turns; turns have the ability to move; in the cross section of the coil, the extensions of its long sides are intersected; the guiding surfaces of the pistons are supported on the plungers of the boost and auxiliary compressors, in which grooves are made on the supporting end, and the plunger itself has the ability to be controlled to move.

Чертежи, поясняющие изобретение.Drawings illustrating the invention.

На фиг.1 показана компоновка агрегатов и кинематическая схема ДВС. Условно левый поршень показан в ВМТ, а правый в НМТ. В действительности поршни всегда расположены зеркально симметрично.Figure 1 shows the layout of the aggregates and the kinematic diagram of the internal combustion engine. Conventionally, the left piston is shown at TDC, and the right at BDC. In fact, the pistons are always symmetrically mirrored.

На фиг.2 показаны сечения по уплотнительному устройству. На левом рисунке уплотнение функционирует аналогично клапану.Figure 2 shows a section through a sealing device. In the left figure, the seal functions similarly to a valve.

Двигатель содержит цилиндр 1, снабженный выпускными окнами, выпускным коллектором 2 и форсункой 3. Внутри цилиндра 1 размещены два поршня 4 с возможностью их зеркального перемещения. Внутри поршней 4 выполнены полости, являющиеся цилиндрами компрессоров. А - компрессоров наддува, Б - вспомогательных компрессоров, а В - полость испарителей. В стенках полостей имеются радиальные отверстия. Полости разделены уплотнительными устройствами 5, 6, 7, 8, которые препятствуют давлению газа только в одном направлении. Наружные поверхности поршней 4 посредством подвижных связей соединены с эксцентриковым валом 9 через двуплечие рычаги 10 и шатуны 11. Двуплечие рычаги 10 снабжены ползунами 12, размещенными в направляющих 13. Внутри поршней 4 смонтированы плунжеры 14 компрессоров наддува, которые крепятся на стенках корпуса 15. Внутри плунжеров 14 имеются полости Г, заполняемые водой через дроссели 16. Через плунжеры 14 пропущены плунжеры 17 вспомогательного компрессора с возможностью его перемещения. Внутри плунжера 17 выполнены сквозные каналы. В полости Г размещен клапан 18, сообщающийся с плунжером 17. На внутреннем конце плунжера 17 выполнены пазы. Полости А снабжены клапанами 19, управляемыми копирами 20 с приводом от шестерни 22. Направляющие 13 перемещаются от шестерни 23.The engine comprises a cylinder 1 equipped with exhaust ports, an exhaust manifold 2 and a nozzle 3. Two pistons 4 are placed inside the cylinder 1 with the possibility of their mirror movement. Inside the pistons 4, cavities are made which are cylinders of the compressors. A - boost compressors, B - auxiliary compressors, and C - evaporator cavity. There are radial holes in the walls of the cavities. The cavities are separated by sealing devices 5, 6, 7, 8, which prevent gas pressure in only one direction. The outer surfaces of the pistons 4 are connected by means of movable links to the eccentric shaft 9 through two shoulders levers 10 and connecting rods 11. Two shoulders levers 10 are equipped with sliders 12 located in the guides 13. Inside the pistons 4 are mounted plungers 14 of boost compressors that are mounted on the walls of the housing 15. Inside the plungers 14 there are cavities G filled with water through the chokes 16. The plungers 17 of the auxiliary compressor are passed through the plungers 14 with the possibility of its movement. Inside the plunger 17 is made through channels. A valve 18 is placed in the cavity G, which communicates with the plunger 17. Grooves are made at the inner end of the plunger 17. Cavity A is equipped with valves 19, controlled by copiers 20 driven by gear 22. Guides 13 are moved from gear 23.

ДВС работает следующим образом. Во время такта расширения в полости цилиндра 1 происходит сгорание топливной смеси, уже содержащей в себе требуемое количество ОГ. Выделяется тепло, образуется рабочее тело, давлением которого перемещаются поршни 4. Теплотой, отобранной у головок поршней 4, в испарителях В образуется водяной пар. Когда давление пара превысит давление рабочего тела, пар начнет поступать в полость С цилиндра 1 через уплотнительные устройства 8, попутно охлаждая стенки цилиндра 1. Пар, смешиваясь с рабочим телом, нагревается и, превращаясь в перегретый, увеличивает индикаторное давление и нейтрализует токсичные вещества. Одновременно с этим происходит разрежение воздуха внутри корпуса ДВС 15, а в цилиндрах компрессоров наддува А и вспомогательных Б происходит сжатие воздуха. Когда давление воздуха во вспомогательном цилиндре Б превысит давление в полости С цилиндра 1 ДВС, в нее начнет перетекать свежий воздух, который перемешиваясь с рабочим телом, нагревается, увеличивает индикаторное давление и нейтрализует токсичные вещества. Когда откроются выпускные окна, рабочее тело будет перетекать в выпускной коллектор 2 через клапаны 24, но в полости С останутся ОГ, количество которых регулируют величиной давления в коллекторе 2. Одновременно в заканчивают сжатие и охлаждение воздуха наддува в полостях А компрессоров наддува. На работу сжатия используют силы инерции поршней 4, двуплечих рычагов 10 и шатунов 11. В начале такта сжатия для перемещения поршней 4 используют давление воздуха наддува в полости А. Перемещаясь, поршни 4 закрывают выпускные окна и когда уплотнительные устройства 6 пройдут кромки спиралевидных пазов в плунжере 17 вспомогательного компрессора, воздух наддува начнет поступать из полости А в полость Б, а затем через уплотнительные устройства 7, 8 в полость С, где, смешиваясь с ОГ, отбирает теплоту от стенок цилиндр 1. Одновременно с этим воздух наддува проталкивает воду, находящуюся в полости Б, через уплотнения 7 в полость В испарителей. При дальнейшем перемещении поршней 4 происходит рост давления в полости С и внутри корпуса 15, клапаны 25 закрываются. В полостях А и Б давление падает, в них возникает разрежение и туда начинает поступать свежий воздух через уплотнения 5 и клапаны 19. В результате упомянутого разрежения вода из полости Г холодильников через клапаны 18 и каналы в плунжерах 17 поступает в полость Б. Для регулирования величины коэффициента избытка воздуха используют копиры 20, которые управляют клапанами 19. Перемещение копиров 20 осуществляют шестерней 22. Для регулирования величины степени сжатия используют перемещение направляющих 13 с помощью шестерни 23. Уплотнительные устройства действуют подобно самодвижущимся клапанам. Количество воды, поступающей в холодильники, регулируют дросселями 16.ICE works as follows. During the expansion stroke in the cavity of the cylinder 1, the combustion of the fuel mixture, already containing the required amount of exhaust gas, takes place. Heat is generated, a working fluid is formed, the pressure of which moves the pistons 4. By the heat taken from the heads of the pistons 4, water vapor forms in evaporators B. When the vapor pressure exceeds the pressure of the working fluid, the steam will begin to enter the cavity C of the cylinder 1 through the sealing devices 8, simultaneously cooling the walls of the cylinder 1. The steam, mixed with the working fluid, heats up and turns into superheated, increases the indicator pressure and neutralizes toxic substances. At the same time, there is a rarefaction of air inside the engine ICE case 15, and air compression occurs in the cylinders of the boost compressors A and auxiliary B. When the air pressure in the auxiliary cylinder B exceeds the pressure in the cavity C of cylinder 1 of the engine, fresh air will begin to flow into it, which, mixing with the working fluid, heats up, increases the indicator pressure and neutralizes toxic substances. When the exhaust windows open, the working fluid will flow into the exhaust manifold 2 through the valves 24, but in the cavity C there will remain exhaust gas, the amount of which will be regulated by the pressure in the manifold 2. At the same time, the compression and cooling of the boost air in the cavities A of the boost compressors is completed. Inertia forces of the pistons 4, two-arm levers 10 and connecting rods are used for compression work. At the beginning of the compression stroke, pressurized air pressure in cavity A is used to move the pistons 4. Moving, the pistons 4 close the outlet windows and when the sealing devices 6 pass the edges of the spiral grooves in the plunger 17 of the auxiliary compressor, pressurization air will begin to flow from cavity A to cavity B, and then through sealing devices 7, 8 to cavity C, where, mixing with the exhaust gas, cylinder 1 takes heat from the walls. Simultaneously, the charge air va pushes water in the space B through the seal 7 in the cavity of the evaporator. With further movement of the pistons 4 there is an increase in pressure in the cavity C and inside the housing 15, the valves 25 are closed. In the cavities A and B, the pressure drops, a rarefaction occurs in them and fresh air begins to flow there through the seals 5 and valves 19. As a result of the aforementioned vacuum, water from the cavity G of the refrigerators through the valves 18 and the channels in the plungers 17 enters the cavity B. To regulate the value excess coefficient of air use copiers 20, which control the valves 19. The movement of the copiers 20 is carried out by the gear 22. To control the magnitude of the degree of compression, use the movement of the guides 13 using the gear 23. Sealing devices Twa act like self-moving valves. The amount of water entering the refrigerators is regulated by chokes 16.

Claims

1. The duty cycle in a two-stroke ICE, including the expansion stroke, during which the combustion of the fuel mixture is carried out in the ICE cylinder, the formation of a working fluid, the pressure of which moves the pistons, cool the walls of the pistons and the ICE cylinder, neutralize toxic substances, release the working fluid in the form exhaust gas (exhaust gas) into the exhaust manifold through exhaust windows, compress and cool the boost air in the compressor cylinder, during the compression stroke in the internal combustion engine cylinder, containing an adjustable amount of exhaust gas, pressurized air containing an adjustable amount of water is fed, and fuel is introduced into the mixture, characterized in that during the expansion stroke, after the combustion process is completed, water vapor is introduced into the internal combustion engine cylinder, the heat generated in the evaporator taken from the walls of the piston heads is mixed with the working fluid, heats up from it, expands, increasing the indicator pressure, reduces the average temperature and the amount of toxic substances in the working fluid, then, until the exhaust windows open, fresh air is introduced into the ICE cylinder, which is mixed connects with the working fluid, expands, increasing the indicator pressure, reduces the temperature and the amount of toxic substances in the working fluid when the exhaust windows open, the working fluid flows in the form of exhaust gas into the exhaust manifold, and the amount of exhaust gas remaining in the internal combustion engine cylinder is controlled by the pressure created in the exhaust the manifold, at the end of the expansion stroke complete the process of compression and cooling of the boost air in the compressor, which use the inertia forces of the pistons, levers and connecting rods, at the beginning of the compression stroke to move the pistons and pressurized compressed air pressure is applied, pistons moving, first, a portion of heated water intended for introducing it into the charge air is introduced into the auxiliary compressor plunger, the exhaust windows are closed, after which, through the internal combustion engine operating mode determined by the operating mode, the air is turned into the auxiliary compressor cylinder pressurization, which introduces one portion of the water therein into the evaporator, and takes the other portion with it to the engine cylinder, where it mixes with the exhaust gas and is compressed into the compressor cylinders above fresh air is introduced into the blower and auxiliary, and the next portion of heated water is introduced into the cylinder of the auxiliary compressor.

2. Two-stroke internal combustion engine containing an internal combustion engine cylinder with two rows of exhaust windows, in which two kinematically connected pistons are placed with the possibility of mirror-symmetric movement, compressor cylinders, evaporators and guide surfaces are made inside the pistons, pistons are equipped with sealing devices and are connected to the eccentric shaft by means of movable connections through connecting rods, two-arm levers, which are connected with a piston with one shoulder, with the ICE housing with the second, and with the connecting rod in the middle, boost compressors and auxiliary - with fixed plungers, a water cooler and an auxiliary compressor plunger with a valve are located inside the pressurization plunger, air pressurization cylinders are equipped with valves that are controlled by copiers, the exhaust manifold and the sealed engine case are equipped with self-moving valves, characterized in that the outer surfaces of the pistons are connected to one shoulder two shoulders levers, the second shoulder of which is supported on guides that have the ability to controlled movement relative to the engine body, sealing devices The pistons are made of an elastic tape in the form of a cone-shaped Archimedean spiral without gaps between the turns, the turns have the ability to move, in the cross section of the coil the extensions of its long sides are intersected, the guiding surfaces of the pistons are supported on the rams of the boost and auxiliary compressors, in which the grooves are made on the supporting end , and the plunger itself has the ability to adjustable movement.