RU2432474C2 - Reciprocating internal combustion engine operation method - Google Patents
Reciprocating internal combustion engine operation method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2432474C2 RU2432474C2 RU2010100505/06A RU2010100505A RU2432474C2 RU 2432474 C2 RU2432474 C2 RU 2432474C2 RU 2010100505/06 A RU2010100505/06 A RU 2010100505/06A RU 2010100505 A RU2010100505 A RU 2010100505A RU 2432474 C2 RU2432474 C2 RU 2432474C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- air
- working
- compressor
- compression
- working cylinder
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано при разработке двигателей для различных транспортных средств и стационарных установок.The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and can be used in the development of engines for various vehicles and stationary installations.
Известен способ работы двигателя по патенту RU №2022136, по которому во время расширения в рабочем цилиндре продуктов сгорания в компрессорный цилиндр повторно подается воздух, который во время выпуска отработавших газов направляется в рабочий цилиндр. При этом впрыск топлива осуществляется двумя порциями, причем вторая порция подается после достижения максимальной доли первой порции и до окончания ее впрыска. Дополнительная подача топлива в рабочий цилиндр приводит к повышению температуры газов, что приводит к увеличению работы расширения. Кроме того, очень сложно позиционировать время подачи второй порции топлива, что вместо увеличения времени расширения рабочего тела может вызвать только временной всплеск температуры горения топливной смеси, что не обеспечит повышение работы расширения - механической работы двигателя.A known method of operating the engine according to patent RU No. 2022136, according to which, during expansion in the working cylinder of the combustion products, air is re-fed into the compressor cylinder, which is sent to the working cylinder during exhaust gas discharge. In this case, fuel is injected in two portions, the second portion being fed after reaching the maximum proportion of the first portion and before the end of its injection. Additional fuel supply to the working cylinder leads to an increase in gas temperature, which leads to an increase in the expansion work. In addition, it is very difficult to position the time of supply of the second portion of fuel, which, instead of increasing the expansion time of the working fluid, can only cause a temporary surge in the combustion temperature of the fuel mixture, which will not provide an increase in the expansion work — the mechanical operation of the engine.
Ввиду отсутствия процесса по охлаждению воздуха при его сжатии ступенчатая (порционная) подача топлива не дает положительного эффекта. А подогрев газов при их расширении за счет смешения с выхлопными, без использования регенераторов, также вызывает большие сомнения.Due to the absence of a process for cooling air during its compression, a stepwise (portioned) fuel supply does not give a positive effect. And the heating of gases during their expansion due to mixing with exhaust, without the use of regenerators, also raises great doubts.
Поэтому дополнительная подача воздуха в рабочий цилиндр через компрессорный и повторный впрыск топлива для его сжигания кроме увеличения расхода топливной смеси ничего не дает.Therefore, the additional air supply to the working cylinder through the compressor and repeated injection of fuel for its combustion, in addition to increasing the consumption of the fuel mixture, does not give anything.
Тем не менее, этот способ взят за прототип разработанному способу работы двигателя.However, this method is taken as a prototype of the developed method of engine operation.
Технический результат разработанного способа заключается в следующем. Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется путем выполнения тактов цикла работы двигателя в компрессорном и рабочем цилиндрах, сжатия воздуха в компрессоре, впрыска топлива в рабочий цилиндр с последующим горением, расширения продуктов сгорания - рабочий ход поршня и выпуска отработавших газов, при этом сжатие воздуха в компрессорном цилиндре производят ступенчато, при двух и более ступенях, с промежуточным охлаждением воздуха и подачей его в ресивер и регенератор через рабочий цилиндр, а процесс расширения газа выполняется ступенчато, при двух и более ступенях, с промежуточным дополнительным впрыском топлива и подводом теплоты, отбираемой у выхлопных газов воздуху, направляемому в рабочий цилиндр, при этом четырехтактной цикл работы двигателя осуществляют раздельно - такты всасывания и сжатия воздуха в отдельном компрессоре, а такты - рабочий ход и выхлоп отработавших газов - непосредственно в рабочем цилиндре, причем рабочий цилиндр может работать в режиме двойного рабочего действия, обеспечивая, тем самым, выполнение двух рабочих тактов за один оборот выходного вала, подготовку топливной смеси осуществляют в предкамере путем подачи из ресивера сжатого и подогретого в регенераторе воздуха и впрыска топлива при достижении поршнем верхней мертвой точки после окончания процесса выхлопа газов. В результате чего, цикл работы четырехтактного двигателя осуществляется в двух цилиндрах: компрессорном - такты всасывания и сжатия воздуха, и рабочем - такты расширения газов и выхлопа отработавших газов.The technical result of the developed method is as follows. The operation of a reciprocating internal combustion engine is carried out by performing the cycle cycles of the engine in the compressor and working cylinders, compressing the air in the compressor, injecting fuel into the working cylinder with subsequent combustion, expanding the combustion products - the piston stroke and exhaust gas, while compressing the air in the compressor the cylinder is produced in steps, with two or more steps, with intermediate cooling of the air and its supply to the receiver and regenerator through the working cylinder, and the gas expansion process It is performed stepwise, with two or more stages, with an intermediate additional fuel injection and supply of heat taken from the exhaust gases to the air sent to the working cylinder, while the four-cycle engine operation cycle is carried out separately - the intake and compression cycles of the air in a separate compressor, and the cycles - the working stroke and exhaust exhaust is directly in the working cylinder, and the working cylinder can work in a double working mode, thereby ensuring the execution of two working cycles in one n rotation of the output shaft, the preparation of the fuel mixture is carried out in the pre-chamber by supplying compressed and heated air in the regenerator from the receiver and injecting fuel when the piston reaches top dead center after the end of the exhaust gas process. As a result, the four-stroke engine operates in two cylinders: the compressor cycle — air intake and compression cycles, and the working cycle — gas expansion and exhaust exhaust cycles.
При этом сжатие воздуха выполняют ступенчато с промежуточным его охлаждением на каждой ступени и с последующей подачей в ресивер. Ступенчатое сжатие воздуха с охлаждением приближает процесс к изотермическому, что снижает до минимума работу сжатия.In this case, air compression is performed stepwise with intermediate cooling at each stage and with subsequent supply to the receiver. Stepwise compression of air with cooling brings the process closer to isothermal, which minimizes the compression work.
А процесс расширения газов - рабочий ход поршня - тоже осуществляют ступенчато, при этом на каждой ступени дополнительно впрыскивают топливо в камеру сгорания, что приближает процесс к изотермическому и приводит к увеличению работы расширения газов и, тем самым, механической работы на выходном валу двигателя.And the process of gas expansion - the piston stroke - is also carried out stepwise, while at each stage, fuel is additionally injected into the combustion chamber, which brings the process closer to isothermal and leads to an increase in the work of gas expansion and, thus, mechanical work on the engine output shaft.
Кроме того, перед подачей сжатого воздуха в рабочий цилиндр его нагревают теплом выхлопных газов в теплообменнике (регенераторе).In addition, before applying compressed air to the working cylinder, it is heated by the heat of exhaust gases in a heat exchanger (regenerator).
В итоге выполнения предложенного способа работы двигателя реализуются:As a result, the implementation of the proposed method of operation of the engine are implemented:
- снижение работы на получение сжатого воздуха;- reduced work on receiving compressed air;
- повышение работы расширения рабочих газов;- increase the work of expanding the working gases;
- понижение расхода топлива за счет регенерации тепла выхлопных газов.- lower fuel consumption due to heat recovery of exhaust gases.
Описанный способ организации работы двигателя приводит к циклу, состоящему из двух изотерм (сжатие воздуха и расширение газа) и двух изохор (охлаждение газов и нагрев воздуха в регенераторе). Такой цикл, как известно, является обобщенным термодинамическим циклом Карно, КПД которого в заданном интервале температур равен КПД классического цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат.The described method of organizing engine operation leads to a cycle consisting of two isotherms (air compression and gas expansion) and two isochores (gas cooling and air heating in the regenerator). Such a cycle is known to be a generalized Carnot thermodynamic cycle, the efficiency of which in a given temperature range is equal to the efficiency of the classical Carnot cycle, consisting of two isotherms and two adiabats.
Двигатель по предложенному способу работает по четырехтактному циклу.The engine according to the proposed method operates on a four-cycle cycle.
На фиг.1 цикл работы ДВС с изотермическими сжатием и расширением и регенерацией теплоты, схематично показаны все этапы процессов изотермического сжатия и расширения рабочего тела, а также регенерации теплоты выхлопных газов.Figure 1 cycle of the internal combustion engine with isothermal compression and expansion and regeneration of heat, schematically shows all the stages of the processes of isothermal compression and expansion of the working fluid, as well as the regeneration of heat of exhaust gases.
Нумерация процессов на фиг.1 обозначаетThe numbering of processes in figure 1 denotes
- Линия 0-1 представляет линию всасывания воздуха из атмосферы в цилиндр первой ступени компрессора.- Line 0-1 represents the line for drawing air from the atmosphere into the cylinder of the first compressor stage.
- Линия 1-2 представляет политропное сжатие воздуха в первой ступени компрессора.- Line 1-2 represents polytropic air compression in the first compressor stage.
- Линия 2-а представляет процесс нагнетания воздуха в промежуточный охладитель.- Line 2-a represents the process of forcing air into the intercooler.
- Линия а-3 является линией всасывания воздуха во вторую ступень компрессора.- Line a-3 is the line for sucking air into the second stage of the compressor.
- Линия 2-3 представляет процесс изобарного охлаждения воздуха в промежуточном охладителе с передачей в окружающую среду теплоты в количестве . Как видно из диаграммы, в процессе охлаждения сжатого воздуха происходит уменьшение его объема на величину ΔV1=V2-V3, причем без изменения его весового количества.- Line 2-3 represents the process of isobaric air cooling in an intercooler with the transfer of heat to the environment in the amount of . As can be seen from the diagram, in the process of cooling compressed air, its volume decreases by ΔV 1 = V 2 -V 3 , and without changing its weight quantity.
- Линии 3-4, 4-b, b-5 - соответственно представляют политропное сжатие воздуха во второй ступени компрессора, нагнетание воздуха в промежуточный охладитель и всасывание воздуха в третий цилиндр компрессора.- Lines 3-4, 4-b, b-5 - respectively, represent polytropic air compression in the second stage of the compressor, forcing air into the intercooler and sucking air into the third compressor cylinder.
- Линия 4-5 представляет процесс изобарного охлаждения воздуха в промежуточном охладителе с передачей в окружающую среду теплоты в количестве . При этом объем газа уменьшается на величину ΔV2=V4-V5.- Line 4-5 represents the process of isobaric air cooling in an intercooler with the transfer of heat to the environment in the amount of . In this case, the gas volume decreases by ΔV 2 = V 4 -V 5 .
- Линия 5-6 является процессом политропного сжатия воздуха в третьей ступени компрессора.- Line 5-6 is a process of polytropic air compression in the third stage of the compressor.
- Линия 6-с представляет нагнетание воздуха в емкость (ресивер).- Line 6-c represents the discharge of air into the container (receiver).
- Линия с-6 является линией всасывания воздуха в регенеративный подогреватель (теплообменник).- The s-6 line is a line for absorbing air into a regenerative heater (heat exchanger).
- В процессе 6-7 проходит передача теплоты qрег от выхлопных газов воздуху в регенеративном подогревателе (теплообменнике).- In the process 6-7, heat transfer q reg from the exhaust gases to the air in the regenerative heater (heat exchanger) takes place.
- С параметрами в точке 7 (Р7 и T7) воздух находится в камере сгорания.- With parameters at point 7 (P 7 and T 7 ), the air is in the combustion chamber.
- В процессе 7-8 через форсунку впрыскивается топливо в камеру сгорания и происходит его воспламенение, в результате чего к рабочему телу подводится теплота q1. В точке 8 газ находится при максимальных параметрах (P8, T8).- In the process 7-8, fuel is injected through the nozzle into the combustion chamber and ignited, as a result of which heat q 1 is supplied to the working fluid. At
После воспламенения топлива в результате повышения давления газа открывается сопловой клапан и поршень начинает совершать первую часть рабочего хода.After ignition of the fuel as a result of increasing gas pressure, the nozzle valve opens and the piston begins to make the first part of the stroke.
На фиг.1 и 2 этот процесс изображается линией 8-9 и является адиабатным расширением рабочего тела.In figures 1 and 2, this process is depicted by line 8-9 and is an adiabatic expansion of the working fluid.
В изобарном процессе 9-10 к рабочему телу дополнительно подводится теплота в количестве путем подачи в камеру сгорания дополнительной порции топлива через форсунку. В процессе 10-11 происходит дальнейшее адиабатное расширение газа. В процессе 11-12 к рабочему телу впрыскивается еще одна дополнительная порция топлива. В результате чего при его сгорании к рабочему телу подводится дополнительная теплота в количестве .In the isobaric process 9-10, heat is additionally supplied to the working fluid in an amount by supplying an additional portion of fuel to the combustion chamber through the nozzle. In the process 10-11, further adiabatic expansion of the gas occurs. In the process 11-12, another additional portion of fuel is injected to the working fluid. As a result, during its combustion, additional heat is supplied to the working fluid in the amount of .
Величины подводимых теплот и должны быть такими, чтобы температура в точках 10 и 12 была равна температуре в точке 8. В результате такого ступенчатого (или непрерывного) процесса подачи топлива процесс расширения газа в цилиндре в целом будет приближаться к изотермическому, при котором, как известно, вся теплота, подводимая к рабочему телу, превращается в работу.Values of heat input and must be such that the temperature at
В процессе 12-13 происходит адиабатное расширение газа на заключительном этапе движения поршня от верхней мертвой точки к нижней. В изохорном процессе 13-14 в регенераторе (теплообменнике) происходит отвод теплоты qрег от выхлопных газов к воздуху, поступаемому в камеру сгорания. При этом температура и давление газа понижаются от параметров в точке 13 до параметров в точке 14, а температура и давление воздуха после регенератора (теплообменника) возрастают от параметров в точке 6 до параметров в точке 7. В процессе 14-1 происходит охлаждение выхлопных газов в атмосфере с передачей в окружающую среду теплоты в количестве q2. In process 12-13, adiabatic expansion of the gas occurs at the final stage of the piston movement from top dead center to bottom. In the isochoric process 13-14 in the regenerator (heat exchanger), the heat q q is removed from the exhaust gases to the air supplied to the combustion chamber. In this case, the temperature and gas pressure decrease from the parameters at
При соответствующем подборе поверхностей теплообменников температура воздуха в точках 3 и 5 будет равна температуре в точке 1, что обеспечивает выполнение процесса сжатия воздуха в целом при температуре, близкой к изотермическому процессу.With appropriate selection of the surfaces of the heat exchangers, the air temperature at
Известно, что изотермический процесс сжатия по величине затрачиваемой на это работы является самым выгодным по сравнению с другими процессами сжатия.It is known that the isothermal compression process in terms of the amount of work spent on this is the most profitable in comparison with other compression processes.
В итоге при организации всех мероприятий, связанных с многоступенчатым сжатием и многоступенчатым расширением (сгоранием) при условии передачи теплоты (процесс 13-14) к воздуху (процесс 6-7) в регенеративных подогревателях, рассматриваемый цикл будет максимально приближаться к обобщенному термодинамическому циклу Карно (см. фиг.3). Такой цикл, как известно, состоит из двух изотерм и двух эквидистантных кривых (изохор или изобар, в нашем случае - изохор).As a result, when organizing all activities related to multi-stage compression and multi-stage expansion (combustion) under the condition of heat transfer (process 13-14) to air (process 6-7) in regenerative heaters, the cycle under consideration will be as close as possible to the generalized Carnot thermodynamic cycle ( see figure 3). Such a cycle, as is known, consists of two isotherms and two equidistant curves (isochore or isobar, in our case, isochore).
Важнейшим его преимуществом является высокий КПД, который в одном и том же интервале температур (например, T1 и T8;) равен КПД обычного цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат.Its most important advantage is its high efficiency, which in the same temperature range (for example, T 1 and T 8 ;) is equal to the efficiency of the usual Carnot cycle, consisting of two isotherms and two adiabats.
Обобщенный термодинамический цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух изохор, показан на фиг.3. КПД обобщенного цикла Карно определяется по формулеThe generalized Carnot thermodynamic cycle, consisting of two isotherms and two isochores, is shown in Fig.3. The efficiency of the generalized Carnot cycle is determined by the formula
. .
Если принять температуру в камере сгорания равной 1000°C, а температуру окружающей среды 0°c, тоIf we take the temperature in the combustion chamber equal to 1000 ° C, and the
. .
Если учесть, что лучшие современные двигатели имеют КПД не более 35-38%, то можно заключить, что в них используется менее половины работоспособности используемой теплоты, т.е. более половины вырабатываемой в таких двигателях теплоты выбрасывается в окружающую среду. Следовательно, для повышения КПД современных двигателей имеются значительные резервы. Из представленного на фиг.1, 2 и 3 цикла видно, что есть возможность создания более эффективных двигателей внутреннего сгорания. Предложенный способ повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания полностью это подтверждает.If we take into account that the best modern engines have an efficiency of not more than 35-38%, then we can conclude that they use less than half the working capacity of the heat used, i.e. more than half of the heat generated in such engines is released into the environment. Therefore, to increase the efficiency of modern engines there are significant reserves. From the cycles shown in FIGS. 1, 2 and 3, it can be seen that it is possible to create more efficient internal combustion engines. The proposed method of increasing the efficiency of internal combustion engines fully confirms this.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010100505/06A RU2432474C2 (en) | 2010-01-11 | 2010-01-11 | Reciprocating internal combustion engine operation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010100505/06A RU2432474C2 (en) | 2010-01-11 | 2010-01-11 | Reciprocating internal combustion engine operation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010100505A RU2010100505A (en) | 2011-07-20 |
RU2432474C2 true RU2432474C2 (en) | 2011-10-27 |
Family
ID=44752096
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010100505/06A RU2432474C2 (en) | 2010-01-11 | 2010-01-11 | Reciprocating internal combustion engine operation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2432474C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9062548B2 (en) | 2010-03-01 | 2015-06-23 | Bright Energy Storage Technologies, Llp | Rotary compressor-expander systems and associated methods of use and manufacture, including integral heat exchanger systems |
US9551292B2 (en) | 2011-06-28 | 2017-01-24 | Bright Energy Storage Technologies, Llp | Semi-isothermal compression engines with separate combustors and expanders, and associated systems and methods |
RU2657011C1 (en) * | 2014-05-15 | 2018-06-08 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Injection fuel control device and injection fuel control method for internal combustion engine |
-
2010
- 2010-01-11 RU RU2010100505/06A patent/RU2432474C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9062548B2 (en) | 2010-03-01 | 2015-06-23 | Bright Energy Storage Technologies, Llp | Rotary compressor-expander systems and associated methods of use and manufacture, including integral heat exchanger systems |
US9551292B2 (en) | 2011-06-28 | 2017-01-24 | Bright Energy Storage Technologies, Llp | Semi-isothermal compression engines with separate combustors and expanders, and associated systems and methods |
RU2657011C1 (en) * | 2014-05-15 | 2018-06-08 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Injection fuel control device and injection fuel control method for internal combustion engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010100505A (en) | 2011-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2434149C2 (en) | Waste heat recovery system and method for split-cycle engine | |
RU2645888C1 (en) | "two-start" internal combustion engine with preliminary cooled compression | |
RU2432474C2 (en) | Reciprocating internal combustion engine operation method | |
JP2010285977A (en) | Built-in compressor type six-stroke engine exclusive for hydrogen | |
WO2016000400A1 (en) | Efficient thermal energy power device and work-doing method therefor | |
WO2016114683A1 (en) | Internal combustion engine and operating method therefor | |
US6434939B1 (en) | Rotary piston charger | |
CN103470399A (en) | Volumetric heat engine | |
WO2012159637A2 (en) | Split-cycle engine | |
RU2214525C2 (en) | Method of operation of power plant with piston internal combustion engine (versions) and power plant for implementing the method | |
GB2481980A (en) | I.c. engine in which water is recovered from the exhaust and re-used | |
RU2449138C2 (en) | Internal combustion engine | |
JPH04209933A (en) | Piston type engine | |
Chouder et al. | Dynamic Modeling of a Free Liquid Piston Ericsson Engine (FLPEE) | |
CN101482056A (en) | Heat absorption and energy recovery type internal combustion engine | |
RU2246625C2 (en) | Method of operation of internal combustion engine and device for implementing the method | |
RU2636642C2 (en) | Unified piston engine without cooling system | |
US20100269502A1 (en) | External combustion engine | |
RU2477375C2 (en) | Method of piston engine cycling and piston engine | |
RU2663369C1 (en) | Double acting internal combustion engine with regeneration of heat | |
CN110388265A (en) | Multi fuel internal combustion type heat engine | |
RU2641180C2 (en) | Operating method of internal combustion engine with heat regeneration in cycle and motor used for its implementation | |
US6799563B1 (en) | Two stroke internal combustion engine | |
SU746126A1 (en) | I.c.engine | |
US1212917A (en) | Method of increasing the efficiency of internal-combustion motors. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140112 |