RU2776088C1

RU2776088C1 - Two-stroke piston internal combustion engine and its operation method

Info

Publication number: RU2776088C1
Application number: RU2022101148A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Витальевич Кореневский
Original assignee: Геннадий Витальевич Кореневский
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2022-07-13

Abstract

FIELD: engine building.

SUBSTANCE: invention can be used in internal combustion engines. A two-stroke piston internal combustion engine contains block of cylinders (16), equipped with purge and outlet windows (12) and (11), pistons (8), (7) moving in cylinders (16) in opposite directions. Each piston (8), (7) controls purge and outlet, respectively. There is a mechanism for the conversion of reciprocating movement of pistons (8), (7) into rotational movement of crankshaft (1). Outlet piston (7) has toroidal prechamber (17) in a head, which periodically communicates with a supra-piston space by means of a bypass channel made in a wall of cylinder (16). A fuel supply system allows fractional fuel injection into prechamber (17) and into the main combustion chamber formed by bottoms of pistons (8), (7) and walls of cylinder (16). A method for the operation of a two-stroke piston internal combustion engine is disclosed.

EFFECT: increase in the intensity of combustion process.

5 cl, 10 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к способам осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to engine building, in particular, to methods for implementing workflows in internal combustion engines (ICE).

Уровень техникиState of the art

В двигателестроении известны способы работы ДВС, в частности поршневых, предусматривающие циклическое осуществление процессов впуска воздушного заряда, сжатия, расширения (рабочий ход), выпуска отработавших газов. И только рабочий ход имеет отношение к преобразованию химической энергии топлива, в результате его окисления (сгорания), в полезную работу. Перспективными направлениями развития поршневых двигателей считают широкое применение электронных средств управления таким параметром как ход поршня, в результате чего обеспечивается оптимальная по экономичности степень сжатия при работе двигателя на любом режиме. [1]·In engine building, methods of operation of internal combustion engines, in particular piston ones, are known, providing for the cyclic implementation of the processes of air charge intake, compression, expansion (stroke), and exhaust gases. And only the working stroke is related to the conversion of the chemical energy of the fuel, as a result of its oxidation (combustion), into useful work. Promising areas for the development of piston engines are the widespread use of electronic controls for such a parameter as the piston stroke, as a result of which the compression ratio is optimal in terms of efficiency when the engine is running in any mode. [one]·

В ДВС, работающих на бензине, используется искровое (принудительное) зажигание, при котором топливо и воздух предварительно смешиваются, и искра инициирует пламя, которое распространяется через топливно-воздушную смесь в камере сгорания.Gasoline-powered internal combustion engines use spark (forced) ignition, in which fuel and air are pre-mixed and the spark initiates a flame that propagates through the fuel-air mixture in the combustion chamber.

Дизельные двигатели представляют тип ДВС с воспламенением от сжатия, в которых воздух и топливо намеренно разделены до получения высокой температуры воздуха за счет сжатия и последующего впрыска в виде мелкодисперсных капель топлива, которое частично смешивается с воздухом и самовоспламеняется в камере сгорания.Diesel engines are a type of compression-ignition internal combustion engine in which air and fuel are intentionally separated to produce high air temperatures by compression and subsequent injection as fine droplets of fuel that partially mixes with air and spontaneously ignites in the combustion chamber.

Традиционно бензиновые ДВС имеют более высокую частоту вращения коленчатого вала (к.в.) чем дизельные ДВС, что обусловлено большой скоростью сгорания бензино-воздущных смесей. Поэтому увеличение скорости сгорания в дизельных ДВС является эффективным средством улучшения их массо-габаритных показателей до значений характерных для бензиновых ДВС.Traditionally, gasoline internal combustion engines have a higher crankshaft speed (c.v.) than diesel internal combustion engines, which is due to the high combustion rate of gasoline-air mixtures. Therefore, an increase in the combustion rate in diesel internal combustion engines is an effective means of improving their weight and size indicators to the values characteristic of gasoline internal combustion engines.

Одним из недостатков дизельных ДВС является трудность обеспечения стабильно высокого качества смесеобразования в широком диапазоне нагрузок и частот вращения к.в. Еще в 30-х годах 20-го века эта проблема решалась по-разному [2]: с. 367 - «Малый ход плунжера насоса Юнкере особенно в условиях двухтактного двигателя с двумя насосами на каждый цилиндр не гарантирует устойчивого и равномерного впрыска всеми насосами на режиме малых оборотов. Поэтому управление насосов предусматривает на малых подачах выключение одного ряда насосов и, следовательно, работу цилиндра двигателя с одним насосом; с.379 - Насос Коатален выполнен для впрыскивающей системы, в которой между насосом и форсункой помещен аккумулятор постоянного давления. В этом случае регулировка количества и момента начала подачи топлива в цилиндр переносится при необходимости на форсунку, а задача насоса сводится к поддержанию постоянного давления в аккумуляторе на всех режимах работы двигателя.» Система топливоподачи дизеля Коатален (Coatalen) стала пробразом современной аккумуляторной топливной системы типа «коммон-рэйл» (англ. common rail - общая магистраль) [3]. Система топливоподачи типа Common Rail в современных дизелях способна создавать давления топлива выше 200 МПа и обеспечивать многократный (дробный) впрыск топлива [4].One of the disadvantages of diesel internal combustion engines is the difficulty of ensuring a consistently high quality of mixture formation in a wide range of loads and speeds. Back in the 30s of the 20th century, this problem was solved in different ways [2]: p. 367 - “The small stroke of the Junkers pump plunger, especially in the conditions of a two-stroke engine with two pumps per cylinder, does not guarantee stable and uniform injection by all pumps at low speeds. Therefore, the control of the pumps provides for the shutdown of one row of pumps at low flows and, consequently, the operation of the engine cylinder with one pump; p.379 - The Coatalen pump is designed for an injection system in which a constant pressure accumulator is placed between the pump and the nozzle. In this case, the adjustment of the amount and the moment of the start of fuel supply to the cylinder is transferred, if necessary, to the nozzle, and the pump's task is to maintain a constant pressure in the accumulator in all engine operating modes. The fuel supply system of the Coatalen diesel engine has become a prototype of a modern common rail type storage fuel system (common rail) [3]. The Common Rail type fuel supply system in modern diesel engines is capable of creating fuel pressures above 200 MPa and providing multiple (fractional) fuel injection [4].

Наряду с совершенствованием систем топливоподачи важным резервом повышения скорости сгорания топлива и экономичности ДВС является применение струйного / предкамерного зажигания (англ. jet ignition), которое обеспечивает эффективное протекание рабочего процесса на частотах вращения коленчатого вала (к.в.) до 8000 об/мин.Along with the improvement of fuel supply systems, an important reserve for increasing the rate of combustion of fuel and the efficiency of internal combustion engines is the use of jet / pre-chamber ignition (English jet ignition), which ensures the efficient flow of the working process at crankshaft speeds (c.v.) up to 8000 rpm.

Известные системы струйного зажигания TJI (от англ. Turbulent Jet Ignition) ориентированы на бензиновые ДВС с искровым зажиганием и предполагают наличие дополнительной форсунки для подачи пилотной порции топлива в предкамеру [5], а иногда и дополнительной свечи зажигания в основной камере сгорания.Known systems of jet ignition TJI (from the English. Turbulent Jet Ignition) are focused on gasoline internal combustion engines with spark ignition and suggest the presence of an additional nozzle for supplying a pilot portion of fuel to the prechamber [5], and sometimes an additional spark plug in the main combustion chamber.

Известен ДВС смешанного цикла с расслоенным зарядом [6], в котором в отличие от дизельного ДВС в предкамере имеется свеча зажигания, а форсунка впрыскивает топливо не только в предкамеру, но и транзитом в основную камеру сгорания. В области свечи зажигания создается богатая топливно-воздушная смесь, а в основной камере сгорания - обедненная. Такое решение позволяет бензиновому ДВС работать с повышенными степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха.A mixed-cycle internal combustion engine with a stratified charge is known [6], in which, unlike a diesel internal combustion engine, there is a spark plug in the pre-chamber, and the nozzle injects fuel not only into the pre-chamber, but also in transit into the main combustion chamber. A rich air-fuel mixture is created in the spark plug area, and a lean one in the main combustion chamber. This solution allows the gasoline internal combustion engine to operate with an increased compression ratio and excess air ratio.

Известен двухтактный бензиновый ДВС с струйным зажиганием и предкамерой в поршне [7]. Указанный ДВС имеет прямоточную продувку посредством выпускного клапана в головке цилиндра и продувочных окон в гильзе цилиндра, открытых полностью при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ). Основная порция топлива подается насос-форсункой, а пилотная порция - произвольной впрыскивающей системой низкого давления. Предкамера выполнена в виде выемки в поршне, входное отверстие которой может располагаться напротив вспомогательной камеры смешения при положении поршня в НМТ, либо напротив свечи зажигания при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Выходное отверстие предкамеры сообщается с надпоршневым пространством посредством канала, через который струя продуктов сгорания выбрасывается в основную камеру сгорания и иницирует сгорание бедной топливно-воздушной смеси.Known two-stroke gasoline internal combustion engine with jet ignition and pre-chamber in the piston [7]. Said internal combustion engine has direct-flow purge by means of an exhaust valve in the cylinder head and purge ports in the cylinder liner that are fully open when the piston is at bottom dead center (BDC). The main portion of fuel is supplied by a pump-injector, and the pilot portion is supplied by an arbitrary low-pressure injection system. The prechamber is made in the form of a recess in the piston, the inlet of which can be located opposite the auxiliary mixing chamber when the piston is at BDC, or opposite the spark plug when the piston is at top dead center (TDC). The prechamber outlet is in communication with the over-piston space through a channel through which a jet of combustion products is ejected into the main combustion chamber and initiates the combustion of a lean fuel-air mixture.

Известно [8], что воспламенение бензино-воздушной смеси может производится не только от свечи зажигания, но и путем самовоспламенения, если эта смесь гомогенная. Двигатели с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия (HCCI, от англ. Homogeneous charge compression ignition) характеризуются плохой управляемостью процесса сгорания, поэтому их конструкции предполагают использование довольно сложных средств регулирования, таких как органы газообмена с переменными фазами открытия. Если в 4-тактных ДВС с впускными и выпускными клапанами такие решения вполне реализуемы, то в 2-тактных, при наличии выпускных и продувочных окон, они невозможны.It is known [8] that the ignition of a gasoline-air mixture can be produced not only from a spark plug, but also by self-ignition, if this mixture is homogeneous. Homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines are characterized by poor controllability of the combustion process, so their designs require the use of rather complex control means, such as gas exchange organs with variable opening phases. If in 4-stroke internal combustion engines with intake and exhaust valves such solutions are quite feasible, then in 2-stroke engines, in the presence of exhaust and purge windows, they are impossible.

Способ управления началом сгорания в дизельном ДВС с HCCI предложен в [9]. Предлагается стратегия множественных впрысков (как минимум трех), при которой первые два, произведенные на такте сжатия, создают гомогенную смесь примерно стехиометрического состава, а третий впрыск осуществляет воспламенение смеси. Способ может быть использован с применением топливоподачи системой типа Common Rail.A method for controlling the start of combustion in a diesel internal combustion engine with HCCI was proposed in [9]. A strategy of multiple injections (at least three) is proposed, in which the first two, produced on the compression stroke, create a homogeneous mixture of approximately stoichiometric composition, and the third injection ignites the mixture. The method can be used with the use of a fuel supply system of the Common Rail type.

Известен способ управления моментом самовоспламенения для ДВС с HCCI и с струйным зажиганием [10], названный авторами «НСЛ» (НСЛ, от англ. Homogeneous Combustion Jet Ignition). Способ предполагает наличие как минимум двух предкамер, открытие которых управляется микроклапанами (в позиции «С» на Фиг.1б «microvalve closed») с соответствующим блоком электронного управления по нагрузке двигателя. Отмечается, что объем каждой предкамеры на два порядка меньше объема цилиндра (длина/диаметр от 5 до 20 мм), а диаметр выходного отверстия от 0,5 до 3 мм. Предкамеры не имеют средств вентиляции, поэтому продукты сгорания от предыдущего цикла не могут быть полностью вытеснены и замещены свежим зарядом. В формуле изобретения отсутствует информация о том, каким образом основное топливо поступает в цилиндр, и только в описании имеется указание, что газообразное топливо вместе с воздухом подается через впускной клапан. Однако, если для газообразного топлива гомогенность смеси обеспечивается естественым образом, то в случае использования дизельного топлива указанный способ не реализуется и должен быть дополнен средствами обеспечения обедненной топливно-воздушной смеси. Также в способе не раскрывается механизм подготовки обогащенной смеси жидкого топлива и вошедшей в предкамеру топливно-воздушной смеси, особенно в условиях ограниченного объема предкамеры. В любом случае вызывает сомнение работоспособность устройства с предкамерами объемом порядка 0,1/6 см³ и температурой до 1000 K, управляемых микроклапанами.A known method of controlling the moment of self-ignition for internal combustion engines with HCCI and jet ignition [10], called the authors "NSL" (NSL, from the English. Homogeneous Combustion Jet Ignition). The method assumes the presence of at least two prechambers, the opening of which is controlled by microvalves (in position "C" in Fig.1b "microvalve closed") with the corresponding electronic control unit for engine load. It is noted that the volume of each prechamber is two orders of magnitude less than the volume of the cylinder (length/diameter from 5 to 20 mm), and the diameter of the outlet is from 0.5 to 3 mm. The prechambers do not have means of ventilation, so the products of combustion from the previous cycle cannot be completely displaced and replaced by a fresh charge. In the claims, there is no information about how the main fuel enters the cylinder, and only in the description there is an indication that gaseous fuel, together with air, is supplied through the intake valve. However, if for gaseous fuel the homogeneity of the mixture is provided in a natural way, then in the case of using diesel fuel, this method is not implemented and must be supplemented by means of providing a lean fuel-air mixture. Also, the method does not disclose the mechanism for preparing an enriched mixture of liquid fuel and the fuel-air mixture that entered the pre-chamber, especially in conditions of a limited volume of the pre-chamber. In any case, the operability of the device with pre-chambers with a volume of about 0.1/6 cm ³ and a temperature of up to 1000 K, controlled by microvalves, raises doubts.

В этой связи следует рассмотреть решения, в которых управление открытием предкамеры осуществлялось бы автоматически по положению поршня относительно ВМТ.In this regard, solutions should be considered in which the control of the opening of the prechamber would be carried out automatically according to the position of the piston relative to TDC.

Одной из первых попыток применить управление зажиганием топливо-воздушной смеси в газовом двигателе с ПДП по положению поршня следует признать решение [11]. Применена зажигательная трубка, выходное отверстие которой периодически перекрывается поршнем. Эта трубка нагревается докрасна («red-hot») с помощью внешнего источника пламени и поджигает горючую смесь, попавшую внутрь, таким образом воспламеняя заряд.One of the first attempts to apply the control of the ignition of the fuel-air mixture in a gas engine with a PDP according to the position of the piston should be recognized as the solution [11]. An incendiary tube is used, the outlet of which is periodically blocked by a piston. This tube is heated red-hot by an external flame source and ignites the combustible mixture trapped inside, thus igniting the charge.

Известен ДВС [12], в котором кроме основной камеры сгорания имеется дополнительная кольцевая камера, выполненная в головке поршня или в цилиндре двигателя, которая периодически отделяется/соединяется с основной камерой сгорания. Продолжительность перекрытия камер определяется высотой/толщиной козырька на головке поршня, разделяющего основную и дополнительную камеру, тогда как козырек движется вместе с поршнем относительно кругового выступа над поверхностью цилиндра. За время перекрытия камер в них происходят изменения давления, как на такте сжатия, так и на такте расширения. В любом случае, момент соединения камер сопровождается интенсивным вихреобразованием в камере сгорания, что делает сгорание более полным.An internal combustion engine [12] is known, in which, in addition to the main combustion chamber, there is an additional annular chamber made in the piston head or in the engine cylinder, which is periodically separated / connected to the main combustion chamber. The duration of the chamber overlap is determined by the height/thickness of the cap on the piston head separating the primary and secondary chambers, while the cap moves with the piston relative to the circular protrusion above the cylinder surface. During the overlapping of the chambers, pressure changes occur in them, both on the compression stroke and on the expansion stroke. In any case, the moment of connection of the chambers is accompanied by intense vortex formation in the combustion chamber, which makes combustion more complete.

Известен 2-тактный ДВС с устойчивым рабочим ходом [13], у которого в головке поршня выполнена кольцевая воздушная камера. Воздушная камера постоянно сообщается с основной камерой сгорания посредством узкого кольцевого зазора между стенкой цилиндра и кромкой козырька на головке поршня, разделяющего основную и воздушную камеру. Утверждается, что при определенных геометрических параметрах воздушной камеры и кольцевого зазора возможно акустическое взаимодействие камер с частотой Гельмгольца, что благоприятно сказывается на процессе сгорания.Known 2-stroke internal combustion engine with a stable stroke [13], which has an annular air chamber in the piston head. The air chamber is in constant communication with the main combustion chamber through a narrow annular gap between the cylinder wall and the edge of the visor on the piston head separating the main and air chamber. It is argued that with certain geometrical parameters of the air chamber and the annular gap, acoustic interaction of the chambers with the Helmholtz frequency is possible, which favorably affects the combustion process.

Подробно механизм влияния акустического и газодинамического взаимодействия основной и воздушной камер на процесс сгорания применительно к 4-тактному ДВС раскрыт в [14].The mechanism of the effect of acoustic and gas-dynamic interaction of the main and air chambers on the combustion process in relation to a 4-stroke internal combustion engine is described in detail in [14].

Известен 2-тактный поршневой ДВС с 2-мя степенями свободы и способ его работы [15]. Указанный ДВС с противоположно движущимися поршнями характеризуется тем, что геометрические ВМТ выпускного и продувочного поршней отстоят от объемной ВМТ (ВОМТ) в интервале порядка 30 град, поворота к.в. (п.к.в.), а взаимно друг от друга - на 60 град. п.к.в. Положение поршней в ВОМТ соответствует положению кривошипа по углу п.к.в. равном 180 град. Следствием этого является то, что объем надпоршневого пространства (камеры сгорания) в районе ВОМТ изменяется крайне медленно. Отмечается, что «при одинаковых давлениях начала сгорания, в предлагаемом ДВС максимальное давление сгорания выше чем в традиционном ДВС благодаря меньшей скорости изменения объема надпоршневого пространства. При этом время (в градусах п.к.в.) понижения давления до уровня давления начала сгорания в предлагаемом ДВС в 1,5 раза больше. Это означает, что при достигнутом уровне совершенства процессов смесеобразования и сгорания предлагаемый ДВС представляет возможность форсирования по частоте вращения коленчатого вала дополнительно на 50%».Known 2-stroke piston internal combustion engine with 2 degrees of freedom and how it works [15]. The specified internal combustion engine with oppositely moving pistons is characterized by the fact that the geometric TDC of the exhaust and purge pistons are spaced from the volumetric TDC (TODC) in the range of about 30 degrees, turning k.v. (p.k.v.), and mutually from each other - by 60 degrees. p.c.v. The position of the pistons in the VTO corresponds to the position of the crank in terms of the c.c.v. angle. equal to 180 degrees. The consequence of this is that the volume of the over-piston space (combustion chamber) in the TTO area changes extremely slowly. It is noted that “at the same pressures of the beginning of combustion, in the proposed ICE, the maximum combustion pressure is higher than in the traditional ICE due to the lower rate of change in the volume of the over-piston space. At the same time, the time (in degrees c.c.v.) of lowering the pressure to the pressure level of the start of combustion in the proposed internal combustion engine is 1.5 times longer. This means that with the achieved level of perfection of the processes of mixture formation and combustion, the proposed internal combustion engine provides the possibility of boosting the speed of the crankshaft by an additional 50%.

В этой связи представляется актуальной разработка способа осуществления рабочих процессов в ДВС, позволяющего увеличить интенсивность процесса сгорания за счет струйного зажигания и тем самым увеличить быстроходность (частоту вращения к.в.) ДВС дизельного типа.In this regard, it seems relevant to develop a method for implementing working processes in an internal combustion engine, which makes it possible to increase the intensity of the combustion process due to jet ignition and thereby increase the speed (rpm) of a diesel-type internal combustion engine.

Следует признать продуктивным принцип инициализации самовоспламенения в предкамере за счет интенсивного втекания в нее свежего заряда, что подтверждается данными испытаний экспериментального двигателя [10] и в этой части рассматривать указанный способ как прототип заявляемого способа работы ДВС.It should be recognized as productive the principle of initialization of self-ignition in the pre-chamber due to the intensive inflow of a fresh charge into it, which is confirmed by the experimental engine test data [10], and in this part, consider this method as a prototype of the proposed method of ICE operation.

Указанный в [15] двухтактный ДВС дизельного типа, что не исключает возможности использования его в качестве бензинового или газового двигателя, поэтому по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения он может быть выбран в качестве прототипа устройства ДВС.The two-stroke ICE of the diesel type specified in [15], which does not exclude the possibility of using it as a gasoline or gas engine, therefore, according to the set of features closest to the set of essential features of the invention, it can be selected as a prototype of the ICE device.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования тепла в работу и быстроходности ДВС за счет увеличения интенсивности процесса сгорания.The aim of the invention is to increase the efficiency of converting heat into work and the speed of the internal combustion engine by increasing the intensity of the combustion process.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, выпускной поршень в головке имеет тороидальную предкамеру, которая периодически сообщается с надпоршневым пространством посредством перепускного канала, выполненного в стенке цилиндра, а система топливоподачи допускает дробный впрыск топлива в предкамеру и в основную камеру сгорания, образованную днищами поршней и стенками цилиндра.This goal is achieved by the fact that in a known two-stroke piston internal combustion engine containing a cylinder block equipped with purge and exhaust ports, pistons moving in these cylinders in opposite directions, each of which controls purge and exhaust, respectively, a mechanism for converting reciprocating motion pistons into the rotational movement of the crankshaft, the exhaust piston in the head has a toroidal pre-chamber, which periodically communicates with the over-piston space through a bypass channel made in the cylinder wall, and the fuel supply system allows fractional fuel injection into the pre-chamber and into the main combustion chamber formed by the piston bottoms and walls cylinder.

Данный двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания позволяет осуществить способ работы, включающий продувку, сжатие, рабочий ход, выпуск и повторение рабочего цикла при возвратно-поступательном противоположном движении поршней, управляющих продувкой и выпуском соответственно, преобразование движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, поршни перемещают при наличии рассогласования фаз их движения и при опережении выпускного поршня подают пилотную часть топлива в размещенную в поршне предкамеру, которую периодически сообщают с основной камерой сгорания, чем обеспечивают переток продуктов неполного сгорания пилотной части топлива и интенсивное струйное воспламенение основной части топлива, которую последовательно подают в основную камеру сгорания.This two-stroke reciprocating internal combustion engine makes it possible to carry out an operation method including scavenging, compressing, power stroke, exhausting, and repeating the working cycle while reciprocating the opposite movement of the pistons controlling the scavenging and exhausting, respectively, converting the movement of the pistons into a rotational movement of the crankshaft, the pistons move when in the presence of a mismatch in the phases of their movement and when the exhaust piston is advanced, the pilot part of the fuel is fed into the prechamber located in the piston, which is periodically communicated with the main combustion chamber, which ensures the flow of products of incomplete combustion of the pilot part of the fuel and intense jet ignition of the main part of the fuel, which is sequentially fed into the main combustion chamber.

В дизельных ДВС с традиционной топливоподающей аппаратурой, состоящей из топливного насоса высокого давления и форсунок, управляемых давлением топлива, давление впрыска, а значит и закон подачи топлива, зависят от режима работы двигателя. Вместе со снижением частоты вращения к.в. с номинальной до холостого хода давление впрыска может снижаться в 3 и более раз [4]. Это обстоятельство наихудшим образом влияет на качество смесеобразования топлива с воздухом и эффективность процесса сгорания. Наиболее просто обеспечить требуемое давление впрыска и управляемый закон подачи топлива в аккумуляторных системах типа Common Rail.In diesel internal combustion engines with traditional fuel supply equipment, consisting of a high-pressure fuel pump and injectors controlled by fuel pressure, the injection pressure, and hence the fuel supply law, depend on the engine operating mode. Together with a decrease in the frequency of rotation k.v. from nominal to idle, the injection pressure can decrease by a factor of 3 or more [4]. This circumstance has the worst effect on the quality of mixture formation of fuel with air and the efficiency of the combustion process. It is easiest to provide the required injection pressure and a controlled fuel supply law in common rail battery systems.

Возможность использования кольцевой воздушной камеры, выполненной в головке поршня, типа изображенной на Фиг.1в, рассматривается в [13, 14]. Показано, что при условии попадания некоторого количества топлива в воздушную камеру, она может служить источником радикалов, которые ускоряют реакцию окисления топлива (сгорание) в процессе циклического газобмена между камерой сгорания и воздушной камерой. В [13] заявлено, что объем воздушной камеры, как полости резонатора Гельмгольца, составляет по меньшей мере половину объема камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. В [14] утверждается, что при малом зазоре между кромкой перегородки разделяющей камеры и стенкой цилиндра возможно реализовать принцип динамически изменяемой степени сжатия: влияние перетока газов между камерами на ходе сжатия и на ходе расширения различно при низких и высоких частотах вращения к.в. Кроме того, переток части заряда в воздушную камеру способствует снижению максимального давления сгорания и делает работу двигателя менее жесткой.The possibility of using an annular air chamber made in the piston head, such as shown in Fig.1c, is considered in [13, 14]. It is shown that if a certain amount of fuel enters the air chamber, it can serve as a source of radicals that accelerate the fuel oxidation reaction (combustion) in the process of cyclic gas exchange between the combustion chamber and the air chamber. In [13], it is stated that the volume of the air chamber, as the cavity of the Helmholtz resonator, is at least half the volume of the combustion chamber when the piston is at TDC. It is stated in [14] that with a small gap between the edge of the partition of the separating chamber and the cylinder wall, it is possible to implement the principle of a dynamically variable compression ratio: the effect of gas flow between the chambers on the compression and expansion stages is different at low and high c.v. speeds. In addition, the flow of part of the charge into the air chamber helps to reduce the maximum combustion pressure and makes the engine less harsh.

Из уровня техники не известно об использовании воздушной камеры, выполненной в головке поршня, в качестве предкамеры для реализации двух-стадийного процесса сгорания, и в частности, в качестве средства струйного воспламенения основного заряда топливно-воздушной смеси.It is not known from the prior art to use an air chamber made in the piston head as a pre-chamber for implementing a two-stage combustion process, and in particular, as a means of jet ignition of the main charge of the fuel-air mixture.

Наличие системы топливоподачи типа Common Rail позволяет реализовать различные комбинации подачи топлива в зависимости от частоты вращения к.в. и нагрузки двигателя. При пуске, когда продолжительность сгорания ничем не лимитирована, подача топлива может осуществляться с впрыском только в основную камеру сгорания, а в режиме средних и максимальных нагрузок и/или частоты вращения к.в. подача топлива может осуществляться форсункой раздельно по времени в предкамеру и в основную камеру сгорания.The presence of a Common Rail type fuel supply system makes it possible to implement various combinations of fuel supply depending on the speed of the c.v. and engine load. At start-up, when the duration of combustion is not limited by anything, the fuel supply can be carried out with injection only into the main combustion chamber, and in the mode of medium and maximum loads and / or speed of c.v. fuel can be supplied by the nozzle separately in time to the pre-chamber and the main combustion chamber.

Двухтактый ДВС с противоположно движущимися поршнями [15] не имеет головки цилиндров, что дает свободу выбора в способах размещения форсунки по отношению поверхности цилиндра, например, чтобы впрыск осуществлялся в попутном направлении и по касательной к линии тока с максимальными скоростями воздушного вихря (как на Фиг. 3).A two-stroke internal combustion engine with oppositely moving pistons [15] does not have a cylinder head, which gives freedom of choice in the ways of placing the nozzle in relation to the cylinder surface, for example, so that the injection is carried out in the same direction and tangentially to the streamline with maximum air vortex velocities (as in Fig. .3).

Для позиционирования форсунки относительно положения поршней в ВОМТ необходимо иметь оценку размеров кольцевой предкамеры. Согласно [10] объем каждой предкамеры на два порядка (в 100 раз) меньше объема цилиндра, поэтому при геометрической степени сжатия 20 объем предкамеры будет относится к объему камеры сгорания как 1:5, а суммарный объем двух предкамер - как 2:5. В то же время в [13] указано, что объем кольцевой воздушной камеры составляет по меньшей мере половину (отношение 1:2) объема камеры сгорания над поршнем, т.е. объем кольцевой воздушной камеры будет относится к объему общей камеры сгорания как 1:3. Таким образом для двухтактного ДВС по типу [15] с геометрической степенью сжатия ε=18 при объеме цилиндра 1 л необходимо иметь камеру сгорания 0,06 л с долей предкамеры в ней как максимум 1/3, т.е. 0, 02 л. Если при диаметре цилиндра ДВС 80 мм предварительно оценивать предкамеру как тороидальную, то при среднем диаметре тора 70 мм площадь поперечного кругового сечения составит 20* 10³/70/3,14159=90 мм², а малый диаметр ~11 мм. С учетом объема кольцевого входного канала в предкамеру малый диаметр ее должен быть еще уменьшен до значения порядка 8 мм, т.е. 10% от диаметра цилиндра.To position the injector relative to the position of the pistons in the TTO, it is necessary to have an estimate of the dimensions of the annular prechamber. According to [10], the volume of each prechamber is two orders of magnitude (100 times) less than the volume of the cylinder, therefore, with a geometric compression ratio of 20, the volume of the prechamber will be related to the volume of the combustion chamber as 1:5, and the total volume of two prechambers - as 2:5. At the same time, in [13], it is indicated that the volume of the annular air chamber is at least half (1:2 ratio) of the volume of the combustion chamber above the piston, i.e. the volume of the annular air chamber will be related to the volume of the common combustion chamber as 1:3. Thus, for a two-stroke internal combustion engine of the type [15] with a geometric compression ratio ε=18, with a cylinder volume of 1 l, it is necessary to have a combustion chamber of 0.06 l with a pre-chamber share in it as a maximum of 1/3, i.e. 0.02 l. If, with an internal combustion engine cylinder diameter of 80 mm, the prechamber is preliminarily assessed as toroidal, then with an average torus diameter of 70 mm, the cross-sectional area of the circular section will be 20 * 10 ³ /70/3.14159 = 90 mm ² , and the small diameter will be ~11 mm. Taking into account the volume of the annular inlet channel into the prechamber, its small diameter should be further reduced to a value of the order of 8 mm, i.e. 10% of the cylinder diameter.

Газодинамическое взаимодействие основной камеры сгорания с предкамерой намного эффективней акустического взаимодействия на частоте Гельмгольца, т.к. в последнем случае взаимодействие не связано с переносом вещества. В [14] утверждается, что возможен режим «запирания» зазора, при котором устанавливается критический режим течения газа и расход его не увеличивается при дальнейшем увеличении перепада давлений между камерами. Этой ситуации должно соответствовать отношение давления в предкамере к давлению в камере сгорания менее 0,55 (например, 33/60 бар), что в районе до ВМТ означает наличие разности давлений порядка 60-33=27 бар. Но при сечениях канала предкамеры от 0,2 до 7 мм² [10] «время, необходимое для того, чтобы давление в форкамерах поднялось до уровня давления в цилиндре, на несколько порядков меньше, чем интервал в 1 мс перед самовоспламенением». Следовательно, для создания существенного перепада давления на разделительной перегородке между камерами, суммарное сечение зазора между кромкой перегородки и стенкой цилиндра должно быть порядка целых [мм²], а величина зазора - порядка десятых долей [мм].The gas-dynamic interaction of the main combustion chamber with the prechamber is much more efficient than the acoustic interaction at the Helmholtz frequency, since in the latter case, the interaction is not associated with the transfer of matter. In [14], it is stated that the gap “locking” mode is possible, in which a critical gas flow regime is established and its flow rate does not increase with a further increase in the pressure drop between the chambers. This situation should correspond to the ratio of pressure in the prechamber to the pressure in the combustion chamber of less than 0.55 (for example, 33/60 bar), which in the area before TDC means the presence of a pressure difference of the order of 60-33=27 bar. But with cross sections of the prechamber channel from 0.2 to 7 mm ² [10], “the time required for the pressure in the prechambers to rise to the level of pressure in the cylinder is several orders of magnitude less than the interval of 1 ms before self-ignition.” Therefore, in order to create a significant pressure drop across the dividing wall between the chambers, the total section of the gap between the baffle edge and the cylinder wall should be of the order of integers [mm ² ], and the size of the gap should be of the order of tenths [mm].

Для газодинамического взаимодействия основной камеры сгорания с предкамерой на стенке цилиндра, в средней его части, должна быть выполнена кольцевая проточка, с шириной равной пути проходимому поршнем в районе ВОМТ примерно за 15 град, п.к.в. Таким образом днище выпускного поршня, содержащего предкамеру, будет дважды пересекать границы кольцевой проточки: в наравлении к ВМТ и в обратном. При пересечении ближней кромки кольцевой проточки открывается канал сообщения между предкамерой и основной камерой сгорания, и сжатый воздух втекает в предкамеру, создавая в ней интенсивный воздушный вихрь. В этот же момент времени, примерно за 40 град, п.к.в. до ВОМТ, в предкамеру подается пилотная порция топлива. Выпускной поршень пересекает дальнюю кромку кольцевой проточки и предкамера запирается объемом кольцевой проточки, а еще через 5 град, п.к.в. поршень останавливается в ВМТ. Продувочный поршень продолжает сжатие воздуха в надпоршневом пространстве (в камере сгорания), а примерно за 10 град, п.к.в. до ВОМТ, или позже, может начаться подача основной порции топлива. Выпускной поршень, изменив направление движения, проходит за дальнюю кромку и открывает канал сообщения между камерой сгорания и предкамерой. Свежий заряд, втекая в предкамеру, иницирует самовоспламенение пилотной порции топлива, если оно еще не началось до этого. В результате подъема давления в предкамере происходит выброс горячих газов из предкамеры в основную камеру сгорания. Фронт пламени не распространяется через узкие щели, но в объеме предкамеры уже прошли предпламенные реакции и поток газа содержит радикалы и продукты неполного сгорания топлива. У стенок цилиндра образуется фронт пламени, который будет распространятся к центру цилиндра. Навстречу фронту пламени будет распространяться топливный факел основной порции топлива, что и предопределит высокую скорость его сгорания. Выпускной поршень, продолжая движение от ВМТ, пересекает ближнюю кромку кольцевой проточки, замыкая объем предкамеры на стенку цилиндра. Теперь взамодействие основной камеры сгорания и предкамеры осуществляется только через зазор между кромкой перегородки и стенкой цилиндра. К этому моменту давление в камере сгорания приближается к максимальному значению и переток части заряда в предкамеру способствует его снижению, а значит и жесткости работы. В ходе расширения давление в цилиндре снижается и в некоторый момент становится ниже, чем в предкамере. Горячие газы из предкамеры будут перетекать в надпоршневое пространство, увеличивая работу расширения, вплоть до достижения предкамерой кромки выпускных окон. При прохождении мимо выпускных окон предкамера очищается от продуктов сгорания, причем окончательно в последней фазе процесса продувки на ходе поршня к ВМТ, когда он пересекает верхнюю кромку выпускных окон. Описанный способ работы ДВС можно назвать как сгорание со «струйным радикальным зажиганием» или «JRI» (JRI, от англ. Jet Radicals Ignition).For gas-dynamic interaction of the main combustion chamber with the pre-chamber on the cylinder wall, in its middle part, an annular groove must be made, with a width equal to the path traveled by the piston in the region of the TDC for approximately 15 degrees, c.c.v. Thus, the bottom of the exhaust piston containing the prechamber will cross the boundaries of the annular groove twice: in the direction of the TDC and in the opposite direction. When crossing the near edge of the annular groove, a communication channel opens between the prechamber and the main combustion chamber, and compressed air flows into the prechamber, creating an intense air vortex in it. At the same time, approximately 40 degrees, p.c.v. before the TTO, a pilot portion of fuel is fed into the prechamber. The exhaust piston crosses the far edge of the annular groove and the prechamber is locked by the volume of the annular groove, and after another 5 degrees, p.k.v. the piston stops at TDC. The purge piston continues to compress the air in the over-piston space (in the combustion chamber), and for about 10 degrees, p.k.v. before TTO, or later, the supply of the main portion of fuel may begin. The exhaust piston, having changed the direction of movement, passes beyond the far edge and opens a communication channel between the combustion chamber and the prechamber. A fresh charge, flowing into the prechamber, initiates self-ignition of the pilot portion of the fuel, if it has not yet begun before. As a result of the pressure rise in the antechamber, hot gases are ejected from the antechamber into the main combustion chamber. The flame front does not propagate through narrow slots, but pre-flame reactions have already passed in the volume of the pre-chamber, and the gas flow contains radicals and products of incomplete combustion of the fuel. A flame front is formed at the walls of the cylinder, which will spread to the center of the cylinder. The fuel torch of the main portion of the fuel will propagate towards the flame front, which will predetermine the high rate of its combustion. The exhaust piston, continuing to move from TDC, crosses the near edge of the annular groove, closing the volume of the prechamber on the cylinder wall. Now the interaction between the main combustion chamber and the prechamber is carried out only through the gap between the baffle edge and the cylinder wall. By this moment, the pressure in the combustion chamber approaches its maximum value and the flow of part of the charge into the prechamber contributes to its reduction, and hence the rigidity of the work. During the expansion, the pressure in the cylinder decreases and at some point becomes lower than in the prechamber. Hot gases from the pre-chamber will flow into the over-piston space, increasing the expansion work, until the pre-chamber reaches the edge of the exhaust ports. When passing by the exhaust ports, the prechamber is cleared of combustion products, and finally in the last phase of the purge process on the piston stroke to TDC, when it crosses the upper edge of the exhaust ports. The described method of operation of the internal combustion engine can be called as combustion with "jet radical ignition" or "JRI" (JRI, from the English. Jet Radicals Ignition).

Краткое описание чертежей На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к схеме прототипа (Фиг.1а) как устройства [15], к схеме [10] реализации способа сгорания (Фиг. 1б) и к схеме [14] реализации способа сгорания (Фиг. 1в)Brief Description of the Drawings FIG. 1 shows images related to the scheme of the prototype (Fig. 1a) as a device [15], to the scheme [10] of the implementation of the combustion method (Fig. 1b) and to the scheme [14] of the implementation of the combustion method (Fig. 1c)

На Фиг. 2 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны. На Фиг. 3 показано увеличенное изображение поперечного сечения цилиндра в районе ВОМТ.On FIG. 2 shows a longitudinal (through the axis of the cylinders) section of the proposed internal combustion engine. Auxiliary mechanisms and units are not shown. On FIG. 3 shows an enlarged view of the cross section of the cylinder in the region of the PTO.

На Фиг. 4 показано увеличенное изображение продольного сечения цилиндра в районе ВОМТ.On FIG. 4 shows an enlarged image of the longitudinal section of the cylinder in the region of the TTO.

На Фиг. 5 показан закон изменения суммарного хода поршней от угла п.к.в. предлагаемого ДВС.On FIG. 5 shows the law of change in the total stroke of the pistons from the angle of c.c.v. proposed ICE.

На Фиг. 6 показано изменение фазовых координат поршней в районе ВОМТ.On FIG. 6 shows the change in the phase coordinates of the pistons in the region of the TTO.

На Фиг. 7 показано изменение давления в цилиндре и в предкамере.On FIG. 7 shows the change in pressure in the cylinder and in the prechamber.

На Фиг.8 показано влияние открытия перепускного канала на изменение давления в цилиндре и в предкамере.Figure 8 shows the effect of opening the bypass channel on the change in pressure in the cylinder and in the prechamber.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 2. Осуществление изобретения предполагает использование противоположно движущихся поршней выпускного 7 и продувочного 8, связанных штоками 5 и 6 с коромыслами 3 и 4 соответственно. Преобразование качательных движений коромысел 3 и 4 во вращательное движение кривошипа 1 происходит за счет использования трехшарнирного шатуна 2. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя шарнирами 9 и 10, состоящих из цилиндрической и призматической (ползун) частей, допускающими для коромысел 3 и 4, соответственно, два вида движения: вращательное, относительно центров вращения шарниров 9 и 10, и поступательное по плоскости скольжения ползуна. Выпускной поршень 7 имеет надстройку в виде головки поршня, содержащей тороидальную предкамеру 17. Цилиндр 16 имеет в районе ВОМТ кольцевую проточку 18, обеспечивающую периодическую коммутацию предкамеры 17 с надпоршневым пространством, ограниченным стенками цилиндра 16.The invention can be implemented in the form of the device shown in FIG. 2. The implementation of the invention involves the use of oppositely moving pistons outlet 7 and purge 8 connected by rods 5 and 6 with rocker arms 3 and 4, respectively. The transformation of the rocking movements of the rockers 3 and 4 into the rotational movement of the crank 1 occurs due to the use of a three-hinged connecting rod 2. An additional, 2nd degree of freedom of the mechanism for converting the reciprocating movement of the pistons 7 and 8 into the rotational movement of the crank neck 1 is provided by two hinges 9 and 10, consisting of cylindrical and prismatic (slider) parts, allowing for rocker arms 3 and 4, respectively, two types of movement: rotational, relative to the centers of rotation of hinges 9 and 10, and translational along the sliding plane of the slider. The outlet piston 7 has an add-on in the form of a piston head containing a toroidal prechamber 17. The cylinder 16 has an annular groove 18 in the region of the TTO, which provides periodic switching of the prechamber 17 with the over-piston space limited by the walls of the cylinder 16.

Реализацию предложенного способа работы в описанном устройстве осуществляют следующим образом.The implementation of the proposed method of operation in the described device is carried out as follows.

В положении механизма за 60 град, п.к.в. до ВОМТ при вращении к.в. по часовой стрелке (как на Фиг.2) происходит процесс сжатия воздуха, поступившего в цилиндр 16 из воздушного коллектора 14 через продувочные окна 12. Через зазор между кромкой перегородки предкамеры 17 и стенкой цилиндра 16 сжатый воздух проникает в пространство предкамеры 17, что вызывает в ней рост давления. Этот рост давления отстает от роста давления в надпоршневом пространстве между днищами поршней 7 и 8 (как на Фиг.7), что приводит к появлению в ходе сжатия существенной разницы давлений между предкамерой 17 и основной камерой сгорания. Примерно за 50 град, п.к.в. до ВОМТ выпускной поршень 7 пересекает ближнюю (левую) кромку К1 (как на Фиг.6) кольцевой проточки 18, после чего происходит интенсивное втекание в предкамеру 17 воздуха из основной камеры сгорания. Примерно за 40 град, п.к.в. до ВОМТ кромка разделительной перегородки предкамеры 17 пересекает ось форсунки 15 и становится возможным впрыск пилотной порции топлива в предкамеру 17. В условиях интенсивного вихреобразования и контакта топлива с горячей поверхностью предкамеры 17 в ней проходят предпламенные реакции и создаются условия для самовоспламенения пилотной порции топлива. По мере дальнейшего движения выпускной поршень 7 пересекает дальнюю (правую) кромку К2 (как на Фиг.6) и замыкает объемы предкамеры 17 и кольцевой проточки 18, а за 30 град, п.к.в. до ВОМТ достигает своей ВМТ. При обратном движении выпускной поршень 7 вторично пересекает дальнюю кромку К2 и примерно за 20 град, п.к.в. до ВОМТ открывает канал сообщения предкамеры 17 с основной камерой сгорания через кольцевую проточку 18. Поскольку продувочный поршень 8 продолжает движение к своей ВМТ, происходит дальнейшее сжатие воздуха в основной камере сгорания. Давление воздуха в основной камере сгорания становится выше давления в предкамере 17, поэтому через открытый канал сообщения между камерами воздух с высокой температурой втекает в предкамеру 17 и иницирует в ней начало сгорания. В свою очередь, начало сгорания в предкамере 17 вызывает в ней подъем давления и последующий выброс в основную камеру сгорания порции радикалов и продуктов неполного сгорания топлива. Этот выброс происходит через кольцевую проточку 18, т.е. на периферии цилиндра 16, и способствует образованию кругового фронта пламени, направленного к центру камеры сгорания. Примерно за 10 град, п.к.в. до ВОМТ днище выпускного поршня 7 пересекает ось форсунки 15 и становится возможным впрыск основной порции топлива в камеру сгорания, поэтому его топливный факел будет взаимодействовать со встречным фронтом пламени. Такая ситуация наиболее благоприятна для быстрого и полного сгорания топлива.In the position of the mechanism for 60 degrees, p.k.v. to VOMT during rotation k.v. clockwise (as in Fig.2) is the process of compressing the air that enters the cylinder 16 from the air manifold 14 through the purge windows 12. Through the gap between the edge of the partition of the pre-chamber 17 and the wall of the cylinder 16, the compressed air penetrates into the space of the pre-chamber 17, which causes her pressure increase. This increase in pressure lags behind the increase in pressure in the over-piston space between the bottoms of the pistons 7 and 8 (as in Fig.7), which leads to the appearance during compression of a significant pressure difference between the pre-chamber 17 and the main combustion chamber. Approximately 50 degrees, p.k.v. before the TTO, the exhaust piston 7 crosses the near (left) edge K1 (as in Fig.6) of the annular groove 18, after which there is an intensive inflow into the pre-chamber 17 of air from the main combustion chamber. Approximately 40 degrees, p.k.v. before the TTO, the edge of the dividing wall of the prechamber 17 crosses the axis of the injector 15 and it becomes possible to inject a pilot portion of fuel into the prechamber 17. Under conditions of intense vortex formation and contact of the fuel with the hot surface of the prechamber 17, pre-flame reactions take place in it and conditions are created for self-ignition of the pilot portion of the fuel. As the exhaust piston 7 moves further, it crosses the far (right) edge K2 (as in FIG. 6) and closes the volumes of the prechamber 17 and the annular groove 18, and beyond 30 degrees, p.c.v. before TDC reaches its TDC. During the reverse movement, the exhaust piston 7 crosses the far edge K2 for the second time and approximately 20 degrees, p.k.v. up to TDC, it opens the communication channel of the prechamber 17 with the main combustion chamber through the annular groove 18. Since the purge piston 8 continues to move towards its TDC, further air compression occurs in the main combustion chamber. The air pressure in the main combustion chamber becomes higher than the pressure in the antechamber 17, therefore, through the open communication channel between the chambers, high-temperature air flows into the antechamber 17 and initiates combustion in it. In turn, the start of combustion in the pre-chamber 17 causes a rise in pressure in it and the subsequent release of a portion of radicals and products of incomplete combustion of the fuel into the main combustion chamber. This ejection occurs through the annular groove 18, i.e. on the periphery of the cylinder 16, and contributes to the formation of a circular flame front directed towards the center of the combustion chamber. Approximately 10 degrees, p.c.v. before the TTO, the bottom of the exhaust piston 7 crosses the axis of the nozzle 15 and it becomes possible to inject the main portion of the fuel into the combustion chamber, so its fuel flame will interact with the oncoming flame front. This situation is most favorable for rapid and complete combustion of fuel.

После того как выпускной поршень 7 пересечет ближнюю кромку К1 кольцевой проточки 18 объем предкамеры 17 будет замкнут на стенку цилиндра 16 (см. кривую Ф_п/к на Фиг. 6) и дальнейшее взаимодействие предкамеры 17 с основной камерой сгорания будет осуществляться через малый кольцевой зазор между стенкой цилиндра 16 и разделительной перегородкой прекамеры 17. Это взаимодействие выражается в перетекании части заряда в предкамеру 17 в период активной фазы сгорания и роста давления. При этом рост давления происходит с меньшей скоростью (меньше «жесткость сгорания») и с меньшим максимальным давлением сгорания. Такой переток горячих газов в предкамеру 17 способствует росту давления в ней и в какой-то момент времени, на ходе расширения, это давление окажется выше, чем давление в цилиндре 16. Теперь горячие газы из предкамеры 17 будут перетекать в надпоршневое пространство, увеличивая работу расширения, вплоть до достижения предкамерой кромки выпускных окон 11. Предкамера 17 первая сообщается с выпускным коллектором 13 при минимальном противодавлении в коллекторе, что способствует ее лучшей очистке. В последней фазе продувки, когда выпускной поршень 7 подходит к верхней кромке выпускных окон 11, высокоскоростной поток продувочного воздуха в окнах близких к выпускному коллектору 13 будет создавать эжектирующий эффект, что дополнительно улучшит очистку предкамеры 17 от продуктов сгорания. После закрытия продувочных окон 12 начинается процесс сжатия, т.е новый 2-тактный цикл работы ДВС.After the exhaust piston 7 crosses the near edge K1 of the annular groove 18, the volume of the pre-chamber 17 will be closed to the cylinder wall 16 (see F_p/k curve in Fig. 6) and further interaction of the pre-chamber 17 with the main combustion chamber will be carried out through a small annular gap between the wall of the cylinder 16 and the dividing wall of the prechamber 17. This interaction is expressed in the flow of part of the charge into the prechamber 17 during the active phase of combustion and pressure growth. In this case, the increase in pressure occurs at a lower rate (less "hardness of combustion") and with a lower maximum combustion pressure. Such a flow of hot gases into prechamber 17 contributes to an increase in pressure in it and at some point in time, during expansion, this pressure will be higher than the pressure in cylinder 16. Now hot gases from prechamber 17 will flow into the over-piston space, increasing the work of expansion , until the pre-chamber reaches the edge of the outlet windows 11. The pre-chamber 17 is the first to communicate with the exhaust manifold 13 at a minimum back pressure in the manifold, which contributes to its better cleaning. In the last purge phase, when the exhaust piston 7 approaches the upper edge of the exhaust windows 11, a high-speed purge air flow in the windows close to the exhaust manifold 13 will create an ejection effect, which will further improve the cleaning of the pre-chamber 17 from combustion products. After the purge windows 12 are closed, the compression process begins, i.e. a new 2-stroke cycle of the internal combustion engine.

Пример возможной реализации предлагаемого ДВС, аналогичного [15].An example of a possible implementation of the proposed ICE, similar to [15].

Исходные данные:Initial data:

1. Мощность - 2x40 кВт (2 цилиндра)1. Power - 2x40 kW (2 cylinders)

2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин2. RPM k.v. - 4000 rpm

3. Ход поршня - 95 мм3. Stroke - 95 mm

4. Диаметр цилиндра - 80 мм4. Cylinder diameter - 80 mm

5. Радиус кривошипа - 45 мм5. Crank radius - 45mm

6. Длина шатуна - 90 мм6. Connecting rod length - 90 mm

7. Степень сжатия (геометрическая) - 187. Compression ratio (geometric) - 18

8. Степень сжатия (действительная) - 168. Compression ratio (actual) - 16

Асимметрия зависимостей хода поршней S_вып и S_прод от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ и их фазовый сдвиг (60 град, п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней S_пдп от угла п.к.в. в районе ВОМТ является достаточно пологой, как показано на Фиг. 5. Это означает, что процесс выделения тепла (горение) протекает с максимальным приближением к изохорному (V=const), который характеризуется наибольшим термическим к.п.д., при прочих равных условиях.The asymmetry of the dependences of the piston stroke S _vy and S _prod on the angle of c.c.v. relative to the geometric TDC and their phase shift (60 degrees, c.c.v.) lead to the fact that the dependence of the total piston stroke S _pdp on the c.c.v. in the region of VOMT is rather flat, as shown in Fig. 5. This means that the process of heat release (combustion) proceeds as close as possible to isochoric (V=const), which is characterized by the highest thermal efficiency, all other things being equal.

Головка выпускного поршня выполнена составной и должна быть изготовлена из жаропрочного материала, т.к. разделительная перегородка предкамеры (козырек) находится под воздействием высоких температур.The exhaust piston head is made of composite and must be made of heat-resistant material, because. the separating partition of the prechamber (visor) is under the influence of high temperatures.

Для того, чтобы использовать значительное фазовое опережение выпускного поршня в целях управления перепускным каналом, его местоположение должно быть максимально смещено в сторону продувочного поршня, при этом сам перепускной канал не должен полностью перекрываться продувочным поршнем. Срединная плоскость (симметрии) кольцевого перепускного канала должна касаться днища продувочного поршня в положении его геометрической ВМТ, т.е. должна быть смещена относительно плоскости («плоскость ВОМТ») проходящей через ось вращения коленчатого вала и равноотстоящей от поршней в положении ВОМТ. Таким образом головка выпускного поршня должна проходить через плоскость ВОМТ и дважды пересекать кромки К1 и К2 перепускного канала: первый раз - К1(125 град.), К2(140 град.); второй раз - К2(160 град.), К1(175 град.). Если первое открытие перепускного канала способствует выравниванию давлений в предкамере и основной камере сгорания, интенсивному вихреобразованию в предкамере (см. Фиг. 3), то второе открытие перепускного канала используется для непосредственного воздействия на процесс сгорания.In order to use a significant phase advance of the exhaust piston for the purpose of controlling the bypass channel, its location should be shifted as much as possible towards the purge piston, while the bypass channel itself should not be completely blocked by the purge piston. The median plane (symmetry) of the annular bypass channel must touch the bottom of the scavenging piston in the position of its geometric TDC, i.e. must be offset relative to the plane (“TTO plane”) passing through the axis of rotation of the crankshaft and equidistant from the pistons in the TTO position. Thus, the head of the exhaust piston must pass through the plane of the TTO and cross the edges K1 and K2 of the bypass channel twice: the first time - K1 (125 degrees), K2 (140 degrees); the second time - K2 (160 degrees), K1 (175 degrees). If the first opening of the bypass channel promotes pressure equalization in the prechamber and the main combustion chamber, intensive vortex formation in the prechamber (see Fig. 3), then the second opening of the bypass channel is used to directly influence the combustion process.

В срединной плоскости кольцевого перепускного канала должна находиться ось форсунки, коллинеарная (в положении поршня примерно 140 град, п.к.в.), с осью тангенциального канала, выполненного в головке выпускного поршня, как на Фиг. 3 и 4.In the middle plane of the annular bypass channel, there should be an axis of the nozzle, collinear (in the position of the piston approximately 140 degrees, c.c.v.), with the axis of the tangential channel, made in the head of the exhaust piston, as in Fig. 3 and 4.

Полость предкамеры имеет постоянный сток газов в виде их утечки через поршневые кольца. Утечка моделировалась как истечение через отверстие постоянного сечения в докритическом/надкритическом режиме. При значении условной площади сечения отверстия 0,2 мм² расход картерных газов в расчете на один цилиндр (два поршня) составил примерно 3 м³/час.The cavity of the prechamber has a constant flow of gases in the form of their leakage through the piston rings. The leak was modeled as an outflow through a hole of constant cross section in subcritical/supercritical mode. When the nominal cross-sectional area of the hole is 0.2 mm ² , the consumption of crankcase gases per one cylinder (two pistons) was approximately 3 m ³ /hour.

Если предположить, что профиль кольцевого перепускного канала представляет собой полуокружность с радиусом 2 мм, то площадь сечения канала будет превосходить площадь кольцевого зазора головка поршня-цилиндр (0,1 мм) более чем в 20 раз, что обеспечит интенсивный газообмен между предкамерой и основной камерой сгорания. При указанной глубине канала 2 мм его максимальное сечение в срединной плоскости составит порядка 500 мм². Однако с учетом высоких потерь на трение и вихреобразование в канале следует применить коэффициент расхода не более 0,5, что уменьшает эффективное сечение канала до 250 мм².If we assume that the profile of the annular bypass channel is a semicircle with a radius of 2 mm, then the cross-sectional area of the channel will exceed the area of the annular gap between the piston head and the cylinder (0.1 mm) by more than 20 times, which will ensure intensive gas exchange between the prechamber and the main chamber combustion. With a specified channel depth of 2 mm, its maximum cross section in the median plane will be about 500 mm ² . However, taking into account the high losses due to friction and vortex formation in the channel, a flow coefficient of no more than 0.5 should be applied, which reduces the effective cross section of the channel to 250 mm ² .

Принят объем предкамеры 0,01 л и минимальный объем камеры сгорания 0,05 л. Доля пилотной подачи топлива в предкамеру принята как 0,1 от общей подачи топлива. Модель сгорания в предкамере принята по кинетическому механизму, а в основной камере сгорания - по диффузионному.The volume of the prechamber is 0.01 l and the minimum volume of the combustion chamber is 0.05 l. The share of the pilot fuel supply to the prechamber is taken as 0.1 of the total fuel supply. The model of combustion in the prechamber is adopted according to the kinetic mechanism, and in the main combustion chamber - according to the diffusion one.

Из Фиг. 7 и Фиг. 8 видно, что процесс тепло-массообмена между основной камерой сгорания и предкамерой имеет колебательный характер.From FIG. 7 and FIG. 8 shows that the process of heat and mass transfer between the main combustion chamber and the prechamber has an oscillatory character.

Таким образом предлагаемый двигатель и способ его работы обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности, снижении жесткости работы, улучшении удельных массо-габаритных показателей. Двигатель и способ его работы могут быть осуществлены с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель и способ его работы обладают промышленной применимостью.Thus, the proposed engine and the method of its operation provide the achievement of a technical effect, which consists in increasing fuel efficiency, reducing the rigidity of work, and improving the specific weight and size indicators. The engine and its method of operation can be implemented using means known in the art. Therefore, the proposed engine and method of its operation have industrial applicability.

Поскольку предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в области двигателестроения, а само изобретение допускает множество вариаций, модификаций и изменений в деталях, подразумевается, что весь материал, содержащийся в вышеприведенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничительном смысле.Since the preferred embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art of engine construction and the invention itself is susceptible to many variations, modifications and changes in detail, it is intended that all material contained in the foregoing description or shown in the accompanying drawings is to be interpreted as illustrative and not in restrictive sense.

Источники информации:Sources of information:

1. Конструирование и расчет поршневых двигателей: учебник для вузов / Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - 536 с.1. Design and calculation of piston engines: a textbook for universities / N.D. Chainov, A.N. Krasnokutsky, L.L. Myagkov; ed. N.D. Chynov. - Moscow: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2018. - 536 p.

2. Теория быстроходного дизеля. Мелькумов Т.М. - М.: Гос. изд-во оборон, промышленности, 1944. - 416 с.2. The theory of high-speed diesel. Melkumov T.M. - M.: State. Publishing House of Defense, Industry, 1944. - 416 p.

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аккумуляторная топливная система3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Battery fuel system

4. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: учебник для вузов/ Л.В. Грехов, Н.А. Ищенко, В.А. Марков; - М.: Легион-Автодата, 2004 - 344 с.4. Fuel equipment and diesel control systems: a textbook for universities / L.V. Grekhov, N.A. Ishchenko, V.A. Markov; - M.: Legion-Avtodata, 2004 - 344 p.

5. Pat. US 8857405, 2014.5.Pat. US 8857405, 2014.

6. Pat. US 4124000, 1978.6.Pat. US 4124000, 1978.

7. Pat. US 3937188, 1976.7.Pat. US 3937188, 1976.

8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Compression ignition engine

9. Pat. US 6668789, 2003.9.Pat. US 6668789, 2003.

10. Pat. US 7107964, 2006.10. Pat. US 7107964, 2006.

11. Pat. US 336505, 1886.11. Pat. US 336505, 1886.

12. Pat. DE 2908756, 1980.12. Pat. DE 2908756, 1980.

13. Pat. US 4370959, 1983.13. Pat. US 4370959, 1983.

14. Pat. US 4592331, 1986.14. Pat. US 4592331, 1986.

15. Пат. RU 2729562, 2020.15. Pat. RU 2729562, 2020.

Claims

1. A two-stroke reciprocating internal combustion engine, containing a block of cylinders equipped with purge and exhaust ports, pistons moving in said cylinders in opposite directions, each of which controls purge and exhaust, respectively, a mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational motion of the crankshaft , characterized in that the exhaust piston in the head has a toroidal pre-chamber, which periodically communicates with the over-piston space through a bypass channel made in the cylinder wall, and the fuel supply system allows fractional injection of fuel into the pre-chamber and into the main combustion chamber formed by the piston bottoms and cylinder walls.

2. A two-stroke piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft provides a phase mismatch of the pistons, while the phase shift angle, defined as the number of degrees of rotation of the crankshaft required to reach top dead center by the vent piston, after reaching top dead center by the exhaust piston, is more than about 10 degrees and less than about 60 degrees.

3. A two-stroke piston internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft has 2 (two) degrees of freedom.

4. The method of operation of a two-stroke reciprocating internal combustion engine, including purge, compression, power stroke, exhaust and repetition of the work cycle with reciprocating opposite movement of the pistons that control purge and exhaust, respectively, converting the movement of the pistons into rotational movement of the crankshaft, characterized in that the pistons move in the presence of a mismatch in the phases of their movement and, when the exhaust piston is advanced, the pilot part of the fuel is supplied to the prechamber located in the exhaust piston, which is periodically connected to the main combustion chamber, which ensures the flow of products of incomplete combustion of the pilot part of the fuel and intense jet ignition of the main part of the fuel, which sequentially fed into the main combustion chamber.

5. The method of operation of a two-stroke piston internal combustion engine according to claim 4, characterized in that the pistons are moved in the absence of a rigid kinematic connection with the position of the crankshaft due to a mechanism with 2 (two) degrees of freedom to convert the reciprocating motion of the pistons into the rotational motion of the crankshaft shaft and thereby create conditions for the occurrence of self-oscillations of the pistons.