RU2636642C2

RU2636642C2 - Unified piston engine without cooling system

Info

Publication number: RU2636642C2
Application number: RU2015115050A
Authority: RU
Inventors: Фарит Фаварисович Ахияров
Original assignee: Фарит Фаварисович Ахияров
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2017-11-24
Also published as: RU2015115050A

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: invention discloses an internal combustion engine consisting of working pistons, working cylinders with combustion chambers, fuel nozzles and glow plugs in which the working cylinders have separate cylindrical combustion chambers with fuel nozzles and glow plugs as well as cylindrical heat shields coaxially included in the heat shields provided in the working pistons.

EFFECT: arrangement of the workflow with split cycle, which does not require the removal of heat to the cooling system.

2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве привода транспортных средств, механизмов и оборудования.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to internal combustion engines (ICE), and can be used as a drive for vehicles, mechanisms and equipment.

Известны различные конструкции ДВС, в основе которых используются двигатели с кривошипно-шатунным механизмом (поршневые двигатели), роторно-поршневые, роторно-лопастные и другие разновидности двигателей, не нашедших своего применения. Поршневой двигатель при всех имеющихся недостатках выпускается на протяжении 160 лет без особых конструктивных изменений и является на сегодняшний день самым массовым, а в отдельных случаях своего применения, и единственным.Various ICE designs are known, which are based on engines with a crank mechanism (piston engines), rotary piston, rotary vane and other types of engines that have not found their application. The piston engine with all the shortcomings available has been produced for 160 years without special design changes and is by far the most massive, and in some cases its use, the only one.

Основным недостатком поршневых двигателей является низкий КПД, достигаемый у бензиновых двигателей до 32%, у дизельных до 45%. Низкий КПД вызван значительными тепловыми потерями, составляющими в общем тепловом балансе двигателя порядка 50-65% и состоящими из потерь тепловой энергии с выхлопными газами, дающими порядка 30-40% потерь и передачей тепла через элементы двигателя в систему охлаждения, имеющие порядка 20-25%, а также механическими потерями на трение и привод вспомогательных систем. Причиной столь высоких тепловых потерь является малая эффективность принятых в классических поршневых двигателях рабочих процессов, а также представленный порядок и режимы выполнения рабочих тактов:The main disadvantage of piston engines is the low efficiency achieved in gasoline engines up to 32%, in diesel engines up to 45%. Low efficiency is caused by significant heat losses, comprising in the overall heat balance of the engine about 50-65% and consisting of heat energy losses with exhaust gases, giving about 30-40% losses and heat transfer through engine elements to the cooling system, having about 20-25 %, as well as mechanical friction losses and drive auxiliary systems. The reason for such high heat losses is the low efficiency of the working processes adopted in classic piston engines, as well as the presented order and modes of working cycles:

- такты впуск и сжатие производятся в основных рабочих цилиндрах, с разогретыми после завершения тактов рабочий ход и выпуск стенками рабочих камер, что влечет за собой на первой стадии такта сжатие, дополнительное повышение температуры сжимаемого воздуха и как следствие дополнительные затраты энергии на сжатие (до 25%) и соответственно повышенные температуры рабочего тела в конце такта сжатия, влияющие в свою очередь на уменьшение значения степени повышения давления при расширении рабочего тела (до 25%), а также способствует общему повышению температуры рабочего процесса, сопровождающегося увеличением теплопередачи в систему охлаждения. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь и затрат энергии на сжатие, может служить изотермическое сжатие рабочего тела в отдельном компрессоре с принудительным охлаждением. - intake and compression strokes are performed in the main working cylinders, with the working stroke and exhaust walls of the working chambers warmed up after completion of the strokes, which entails compression, an additional increase in the temperature of the compressed air and, as a consequence, additional energy costs for compression (up to 25 %) and correspondingly increased temperatures of the working fluid at the end of the compression stroke, which in turn affect the decrease in the degree of pressure increase during expansion of the working fluid (up to 25%), and also contributes to an overall ju temperature of the working process, accompanied by an increase in heat transfer to the cooling system. A technical solution aimed at reducing heat loss and energy consumption for compression can be isothermal compression of the working fluid in a separate compressor with forced cooling.

- такт рабочий ход, классического поршневого двигателя, начинающийся с воспламенения топлива и достижения температур в камере сгорания до 2500-2800°С, сопровождается передачей до 25% тепловой энергии в систему охлаждения, а завершается при температурах в 900-1200°С, способствуя передаче до 40% энергии теплового процесса в атмосферу с отработанными газами. Кроме того, с ростом температуры растет и удельная теплоемкость воздуха, снижая эффективность рабочего процесса, а показатель адиабаты с ростом температуры падает, способствуя при этом снижению термического КПД. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь, может служить рабочий процесс, проходящий при избытке воздуха в 1,5-2,0 раза, превышающий необходимое количество и соответственно с пропорциональным снижением максимальных температур, а также с внесением конструктивных дополнений, позволяющих осуществить процесс без отвода тепла. Данный рабочий процесс будет тем эффективней, чем ниже температура сжатого рабочего тела перед воспламенением. (Справочник машиностроителя. Том 2. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. Москва, 1955, стр. 51.)- the stroke of the stroke of a classic piston engine, starting with ignition of the fuel and reaching temperatures in the combustion chamber up to 2500-2800 ° C, is accompanied by the transfer of up to 25% of thermal energy to the cooling system, and ends at temperatures of 900-1200 ° C, facilitating the transfer up to 40% of the energy of the thermal process to the atmosphere with exhaust gases. In addition, with increasing temperature, the specific heat of air also increases, reducing the efficiency of the working process, and the adiabatic index decreases with increasing temperature, thereby contributing to a decrease in thermal efficiency. A technical solution aimed at reducing heat loss can be a working process that takes place with an excess of air of 1.5-2.0 times, exceeding the required amount and, accordingly, with a proportional decrease in maximum temperatures, as well as with the introduction of design amendments that allow the process to be carried out without heat dissipation. This working process will be more effective the lower the temperature of the compressed working fluid before ignition. (Handbook of machine builder. Volume 2. State scientific and technical publishing house of machine-building literature. Moscow, 1955, p. 51.)

Известных конструкций ДВС, реализовавших предлагаемые технические решения в результате проведенного заявителем поиска, обнаружить не удалась. По этой причине, для детального изложения сути предлагаемых технических решений, с точки зрения их реализации наиболее подходящим является поршневой двигатель со встречным движением поршней. В рассматриваемом поршневом двигателе реализованы указанные технические решения, позволяющие осуществить рабочий процесс, проходящий при меньших тепловых потерях, а также обеспечивающий по отношению к классическому поршневому двигателю более лучшие эксплуатационные и стоимостные показатели, ему не требуется радиатор и насос системы охлаждения работает по тепловому процессу, обеспечивающему соблюдение самых жестких экологических требований.The known ICE designs that implemented the proposed technical solutions as a result of the search conducted by the applicant were not found. For this reason, for a detailed presentation of the essence of the proposed technical solutions, from the point of view of their implementation, the most suitable is a piston engine with oncoming movement of the pistons. In the piston engine under consideration, the indicated technical solutions are implemented, which allow for a workflow that takes place with less heat loss, and also provides better operational and cost performance with respect to the classic piston engine, it does not need a radiator and the cooling system pump operates in a thermal process that ensures compliance with the most stringent environmental requirements.

По способу реализации рабочего процесса, позволяющего снизить температуру отработанных газов за счет регенерации тепла, а также уменьшить затраты энергии на сжатие воздуха в ступенчатом компрессоре за счет применения теплообменников после каждой ступени, наиболее близким к заявленному является двигатель внутреннего сгорания (Патент RU 2449138), состоящий из компрессорного блока и блока рабочих цилиндров, камер сгорания, картера с силовым преобразователем движения поршней, цилиндропоршневой группы, причем компрессорный блок выполнен двух- или более ступенчатым с установленными теплообменниками на каждой ступени, рабочий блок выполнен из цилиндров с рабочими камерами сгорания, при этом компрессорный блок и рабочие блоки соединены между собой воздуховодом через ресивер, регенератор и клапан впуска.According to the method of implementing the working process, which allows to reduce the temperature of the exhaust gases due to heat recovery, as well as to reduce the energy consumption for compressing air in a step compressor due to the use of heat exchangers after each stage, the closest to the claimed is an internal combustion engine (Patent RU 2449138), consisting from a compressor block and a block of working cylinders, combustion chambers, a crankcase with a power transducer for piston movement, a piston-cylinder group, the compressor block being made of two - or more stepwise with heat exchangers installed at each stage, the working unit is made of cylinders with working combustion chambers, while the compressor unit and working units are interconnected by an air duct through a receiver, a regenerator and an intake valve.

Данный ДВС конструктивно достаточно сложный, требующий значительного количества дополнительного оборудования, что в свою очередь способствует увеличению массы, стоимости и габаритов двигателя. Задача минимизировать недостатки, характерные для классических поршневых двигателей, в предлагаемом двигателе без системы охлаждения решается особой организацией рабочего процесса с разделенным циклом, а также рядом предложенных дополнительных технических решений.This ICE is structurally complex enough, requiring a significant amount of additional equipment, which in turn contributes to an increase in the mass, cost and dimensions of the engine. The task of minimizing the disadvantages characteristic of classic piston engines in the proposed engine without a cooling system is solved by the special organization of the work process with a divided cycle, as well as a number of proposed additional technical solutions.

Описание чертежей.Description of the drawings.

На фиг. 1 изображен продольный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.In FIG. 1 shows a longitudinal section through a piston engine without a cooling system.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.In FIG. 2 is a cross-sectional view of a piston engine without a cooling system.

Блок 1 с рабочими цилиндрами 2, имеющими камеры сгорания 3, топливные форсунки 4, свечи накала 5, тепловые экраны 6, выпускные клапана 7 с кулачком 8, кожухом 9 с раструбом 10, впускными клапанами 11 с коллектором 12, а также рабочие поршни 13 с поршневыми кольцами 14, тепловыми экранами 15, поршневыми пальцами 16 с шарнирами 17, связанными через рычаги 18, установленными на осях 19 с пружинами 20 и шатунами 21 посредством кривошипа 22 с маховиком 23, установленным на оси 24 через подшипники 25 с шестерней 26, связанной с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28. Поршни компрессора 29 в компрессорных камерах 30 с поршневыми кольцами 31, маслеными форсунками 32, впускными и обратными клапанами 33 и 34 с выходом в впускной коллектор 35 и обратный коллектор 36 соответственно.Block 1 with working cylinders 2 having combustion chambers 3, fuel nozzles 4, glow plugs 5, heat shields 6, exhaust valves 7 with cam 8, casing 9 with socket 10, intake valves 11 with manifold 12, and working pistons 13 s piston rings 14, heat shields 15, piston fingers 16 with hinges 17 connected through levers 18, mounted on axles 19 with springs 20 and connecting rods 21 by means of crank 22 with flywheel 23 mounted on axis 24 through bearings 25 with gear 26 connected to power take-off gear 27 having splines 28. compressor pistons 29 in the compressor chambers 30 with piston rings 31, oil nozzles 32, inlet and non-return valves 33 and 34 with access to the inlet manifold 35 and the return manifold 36, respectively.

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

Элементы двигателя закреплены на блоке 1, представляющем собой плиту, в которых выполнены коллектора 12, обеспечивающие подачу сжатого воздуха, через впускные клапана 11, в рабочие цилиндры 2, впускные коллектора 35, обеспечивающие поступление воздуха через впускные клапана 33 в компрессорные камеры 30 и обратные коллектора 36, обеспечивающие отбор сжатого воздуха из компрессорных камер, через обратные клапана 34. В рабочих цилиндрах 2 установлены по паре рабочих поршней 13 с возможностью выполнять встречно друг к другу возвратно-поступательные движения, причем на участке их сближения в рабочем цилиндре имеются впускные клапана 11 и выпускные клапана 7, управляемые распределительным кулачком 8, обеспечивающие выпуск отработанных газов в кожух 9 и далее в раструб 10, а также имеются камеры сгорания 3, выполненные в форме цилиндра из жаропрочной стали, куда имеют выход свечи накала 5 с распылителями топливных форсунок 4 и тепловые экраны 6, выполненные также в форме цилиндров, но из материала с высокой теплопроводностью. У рабочих поршней 13 имеются тепловые экраны 15, коаксиально входящие в тепловые экраны 15 встречного поршня и в тепловые экраны 6 рабочего цилиндра 2, причем первые тепловые экраны 15, перекрывающие камеры сгорания 3, выполнены из жаропрочной стали, остальные - из материала с высокой теплопроводностью. Рабочие поршни 13 с имеющейся внутренней цилиндрической полостью - компрессорными камерами 30 установлены на поршни компрессора 29, имеющие поршневые кольца 31, масленые форсунки 32, впускные клапана 33 и обратные клапана 34.The engine elements are mounted on a block 1, which is a plate, in which a manifold 12 is made that provides compressed air through the inlet valves 11, into the working cylinders 2, inlet manifolds 35, which allow air to flow through the inlet valves 33 into the compressor chambers 30 and the return manifolds 36, providing for the selection of compressed air from the compressor chambers, through check valves 34. In the working cylinders 2, a pair of working pistons 13 are installed with the ability to reciprocate against each other Vision, and in the area of their convergence in the working cylinder there are inlet valves 11 and exhaust valves 7, controlled by a distribution cam 8, providing exhaust gases into the casing 9 and further into the socket 10, and there are also combustion chambers 3 made in the form of a heat-resistant cylinder steel, where the glow plugs 5 with the nozzles of the fuel nozzles 4 and the heat shields 6, also made in the form of cylinders, but from a material with high thermal conductivity, have an exit. The working pistons 13 have heat shields 15 coaxially included in the heat shields 15 of the oncoming piston and in the heat shields 6 of the working cylinder 2, the first heat shields 15 overlapping the combustion chambers 3 made of heat-resistant steel, the rest of the material with high thermal conductivity. Working pistons 13 with an existing internal cylindrical cavity - compressor chambers 30 are mounted on the pistons of the compressor 29 having piston rings 31, oil nozzles 32, inlet valves 33 and check valves 34.

Рабочие поршни 13 через поршневые пальцы 16 с шарнирами 17 закреплены на качающихся рычагах 18, установленных на осях 19 и связанных через пружины 20 в пружинный маятник, закрепленный с одной стороны на блоке 1, с другой - на рычаге 18, причем качающиеся рычаги связаны по диагонали через шатуны 21 посредством шарнира и кривошипа 22, выполненном в маховике 23, который установлен на оси 24 через подшипники 25 вместе с шестерней 26, имеющей зацепление с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28.Working pistons 13 through piston pins 16 with hinges 17 are mounted on swinging levers 18 mounted on axles 19 and connected through springs 20 to a spring pendulum mounted on one side on block 1 and on the other on lever 18, the swinging levers being connected diagonally through the connecting rods 21 by means of a hinge and crank 22, made in the flywheel 23, which is mounted on the axis 24 through the bearings 25 together with the gear 26, which is engaged with the power take-off gear 27, with splines 28.

Работает поршневой двигатель без системы охлаждения по разделенному циклу, выполняя за один оборот маховика 23 в рабочих цилиндрах 2 такты рабочий ход и выпуск, в компрессорных камерах 30 такты впуск, сжатие и вытеснение сжатого воздуха через обратные клапана 34 в обратный коллектор 36 и далее в воздушный кулер и ресивер (на чертежах не показаны), причем в начале такта сжатие, в компрессорные камеры через масленые форсунки 32, впрыскивается охлажденное до температуры окружающей среды масло, в количестве, достаточном для осуществления изотермического сжатия воздуха.A piston engine without a cooling system operates in a divided cycle, performing a one-turn stroke and release in a flywheel 23 in two working cylinders; stroke and exhaust in compressor chambers 30; inlet, compression and displacement of compressed air through check valves 34 into a return manifold 36 and further into the air cooler and receiver (not shown in the drawings), and at the beginning of the cycle, the compression, in the chambers through the oil nozzles 32, is injected with oil cooled to ambient temperature in an amount sufficient to effect isothermal Skog air compression.

Удаление масла из воздуха производится в ресивере, устроенном как циклон и являющемся также маслобаком.Oil is removed from the air in a receiver arranged as a cyclone, which is also an oil tank.

Такт выпуск производится при встречном движении рабочих поршней 13 из положения нижней мертвой точки (НМТ) при открытых выпускных клапанах 7, направляя поток газов через кожух 9 в раструб 10, причем в завершающей стадии выпуска, когда камеры сгорания 3 и тепловые экраны 6 начинают перекрываться тепловыми экранами 15, вытеснение отработавших газов производится через кольцевые области, образованные тепловыми экранами, в направлении от центра камер сгорания к стенкам рабочего цилиндра, интенсифицируя при этом теплопередачу тепловым экранам. До прихода рабочего поршня 13 в верхнюю мертвую точку (ВМТ), с закрытием выпускных клапанов 7 открываются впускные клапана 11, обеспечивающие через впускной коллектор 12 подачу в рабочие цилиндры из ресивера сжатого и охлажденного воздуха, причем поступление воздуха производится через кольцевые области, образованные коаксиально расположенными тепловыми экранами 6 и 15, в направлении движения потока от стенок рабочего цилиндра к центру камеры сгорания, обеспечивая при этом, вследствие разницы давлений, значительное охлаждение тепловых экранов и стенок рабочего цилиндра и в то же время осуществляя подвод тепла к рабочему телу.The exhaust stroke is made when the working pistons 13 meet in the opposite direction from the bottom dead center position (BDC) with the exhaust valves 7 open, directing the gas flow through the casing 9 to the socket 10, and in the final stage of the exhaust, when the combustion chambers 3 and thermal shields 6 begin to overlap with thermal shields 15, the exhaust gas is displaced through the annular regions formed by the heat shields in the direction from the center of the combustion chambers to the walls of the working cylinder, while intensifying the heat transfer to the heat shields. Prior to the arrival of the working piston 13 at the top dead center (TDC), with the closing of the exhaust valves 7, the intake valves 11 are opened, providing compressed air and cooled air to the working cylinders from the intake manifold 12, the air being supplied through annular regions formed by coaxially arranged heat shields 6 and 15, in the direction of flow from the walls of the working cylinder to the center of the combustion chamber, while providing, due to pressure differences, significant cooling of the heat shields s and the walls of the working cylinder and at the same time supplying heat to the working fluid.

В начальной стадии выполнения такта рабочий ход, в разогретые до температуры порядка 1000°С камеры сгорания 3, где имеется остаток не вытесненной высокотемпературной воздушно-газовой смеси, с поступлением разогретого сжатого воздуха производится впрыск топлива форсунками 4 и последующее его самовоспламенение. Температурный фронт и тепловое излучение, вызванные воспламенением топлива в первой стадии рабочего хода, сдерживается стенками камеры сгорания 3 и первыми тепловыми экранами 15. Избыток воздуха, составляющий около 2/3 от общего объема, сосредоточенный между тепловыми экранами и выполняющий роль бустера и барьерного воздуха, защищающего стенки рабочего цилиндра от жесткого температурного воздействия, в первой стадии рабочего хода, вследствие общего повышения давления в рабочем цилиндре, разогревается, способствуя при этом дополнительному повышению давления. Во второй стадии рабочего хода, с расхождением тепловых экранов 6 и 15, барьерный воздух в пространстве между тепловыми экранами, находится в стадии расширения, препятствуя активному теплообмену продуктов сгорания с тепловыми экранами, сохраняя тем самым эффективность процесса расширения. Тепловые экраны вступают в активную фазу теплообмена с началом такта выпуск, а особенно после их взаимного схождения.In the initial stage of the cycle, the working stroke is heated to a temperature of about 1000 ° C of the combustion chamber 3, where there is a remainder of the unplaced high-temperature air-gas mixture, fuel is injected with nozzles 4 and its self-ignition with the arrival of heated compressed air. The temperature front and thermal radiation caused by the ignition of the fuel in the first stage of the working stroke are restrained by the walls of the combustion chamber 3 and the first heat shields 15. An excess of air, comprising about 2/3 of the total volume, concentrated between the heat shields and acting as a booster and barrier air, protecting the walls of the working cylinder from hard temperature, in the first stage of the working stroke, due to the general increase in pressure in the working cylinder, it warms up, further contributing to mu increase pressure. In the second stage of the stroke, with the divergence of the heat shields 6 and 15, the barrier air in the space between the heat shields is in the expansion stage, preventing the active exchange of combustion products with the heat shields, thereby preserving the efficiency of the expansion process. Thermal screens enter the active phase of heat transfer with the start of the exhaust stroke, and especially after their mutual convergence.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в организации рабочего процесса разделенным циклом, не требующим отвода тепла в систему охлаждения и позволяющим значительно снизить температуру и давление выхлопных газов, а также в реализации следующих технических решений:The novelty of the invention lies in the organization of the work process in a divided cycle that does not require heat removal to the cooling system and can significantly reduce the temperature and pressure of the exhaust gases, as well as the implementation of the following technical solutions:

1. Применение цилиндрических камер сгорания и тепловых экранов, коаксиально входящих один в другой при сближении поршней, позволяет защитить стенки рабочих камер от температурного воздействия в стадии воспламенения топлива, а сжатый воздух, находящийся в пространстве между тепловыми экранами, работает как бустер, способствуя росту степени увеличения давления, и как барьерный воздух, препятствуя активному теплообмену при такте рабочий ход, обеспечивая возможность осуществления рабочего процесса без отвода тепла в систему охлаждения, а так же рекуперацию тепла от отработавших газов потупившему в рабочую камеру воздуху.1. The use of cylindrical combustion chambers and heat shields, coaxially entering one another when the pistons approach each other, allows protecting the walls of the working chambers from temperature effects in the stage of fuel ignition, and the compressed air located in the space between the heat shields acts as a booster, increasing the degree of increase in pressure, and as a barrier air, interfering with the active heat transfer during the stroke, the working stroke, providing the possibility of the working process without heat removal to the cooling system, and also heat recovery from exhaust gases dull air into the working chamber.

2. Применение рабочих поршней с внутренней полостью, образующих рабочие и компрессорные камеры разных объемов, позволяет получить степень расширения газов в рабочих цилиндрах по значению выше, чем степень сжатия в компрессорных камерах, что в свою очередь способствует снижению температуры и давления отработанных газов.2. The use of working pistons with an internal cavity, forming working and compressor chambers of different volumes, allows to obtain the degree of expansion of gases in the working cylinders by a value higher than the degree of compression in the compressor chambers, which in turn helps to reduce the temperature and pressure of the exhaust gases.

3. Впрыск охлажденного масла в компрессорные камеры при такте сжатия позволяет снизить затраты энергии на сжатие.3. The injection of chilled oil into the compressor chambers during the compression stroke allows to reduce the energy consumption for compression.

Данные технические решения позволяют осуществить рабочий процесс без принудительного охлаждения рабочих камер, при значительно сниженных значениях температуры и давления выхлопных газов, что в свою очередь позволяет снизить затраты на привод насоса и вентилятора системы охлаждения, затраты на эксплуатационные материалы, на обслуживание, способствует снижению стоимости и массы агрегата, а при отсутствии значительного избыточного давления в системе выхлопа позволяет отказаться от резонатора и в стандартном исполнении глушителя.These technical solutions allow you to carry out the workflow without forced cooling of the working chambers, with significantly reduced values of temperature and pressure of the exhaust gases, which in turn allows you to reduce the cost of driving the pump and fan of the cooling system, the cost of operating materials, maintenance, helps to reduce the cost and mass of the unit, and in the absence of significant excess pressure in the exhaust system allows you to abandon the resonator in the standard design of the muffler.

Claims

An internal combustion engine consisting of working pistons, working cylinders with combustion chambers, with fuel nozzles and glow plugs, characterized in that the working cylinders have separate cylindrical combustion chambers with fuel nozzles and glow plugs, as well as cylindrical thermal shields that are coaxially included in the thermal shields available on working pistons.