SK288121B6

SK288121B6 - Engine with compression and expansion pistons with early exhaust

Info

Publication number: SK288121B6
Application number: SK52-2009A
Authority: SK
Inventors: Pavol Kupcak
Original assignee: Pavol Kupcak
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2013-09-03
Also published as: SK522009A3

Abstract

Combustion engine with compression and expansion pistons with early exhaust has two pairs of cylinders, which one pair are the compression cylinders (7) and the second pair are the expansion cylinders (8). The compression pistons (4) and the expansion pistons (5) are connected by a piston rod (6) with a crankshaft (3). The early exhaust is carried out with a free piston (16) and a guide piston (5), which are part of the expansion cylinder (8).

Description

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka motora s kompresným a expanzným piestom s predčasným výfukom, ktorý slúži na zlepšenie účinnosti spaľovacích a tepelných motorov, ktoré majú samostatné valce na kompresiu a na expanziu, používajú sa na pohon rôznych strojov v širokom rozsahu pôsobenia.The present invention relates to a premature exhaust compression and expansion piston engine for improving the efficiency of internal combustion and heat engines having separate compression and expansion cylinders, used to drive a variety of machines over a wide range of applications.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Doteraz sú motory riešené ako jednokomorové a to tak, že kompresia aj expanzia sa uskutočňuje v jednom valci, čo neumožňuje dosiahnutie väčšej zmeny kompresného pomeru.Until now, the engines are designed as single-chamber engines in such a way that both compression and expansion take place in one cylinder, which does not allow for a greater change in the compression ratio.

V súčasnosti sú známe aj riešenia, ktoré majú expanziu a kompresiu v samostatných valcoch, ako napríklad patentový dokument US2007/0157894, ktorý opisuje využitie samostatných valcov na kompresiu a expanziu, ale prevedenie stlačeného vzduchu z kompresného valca do expanzného valca je riešené otváraním ventilov v polohách, ktoré nie sú úplne priaznivé pre chod motora, čím sa stráca účinnosť motora, pretože nie je možné v dostatočne krátkom čase odviesť spaliny z expanzného valca a následne priviesť stlačený vzduch z kompresného valca. To vedie opätovne k stratám účinnosti. Použitím voľného piesta v navrhovanom riešení sa tento nedostatok odstráni aje dostatok času na odvedenie spalín do výfukového potrubia a na privedenie stlačeného vzduchu z kompresného valca.Also known are solutions that have expansion and compression in single cylinders, such as US2007 / 0157894, which describes the use of single cylinders for compression and expansion, but converting compressed air from the compression cylinder to the expansion cylinder is accomplished by opening the valves in positions , which are not entirely favorable to the operation of the engine, thereby losing the efficiency of the engine, since it is not possible to remove the flue gas from the expansion cylinder in a sufficiently short time and subsequently supply compressed air from the compression cylinder. This again leads to efficiency losses. By using a free piston in the proposed solution, this drawback is eliminated and sufficient time is taken to vent the flue gas into the exhaust pipe and to supply compressed air from the compression cylinder.

Tiež sú známe patentové dokumenty US-A-2006005793 a WO-A1-2006072208, ktoré opisujú využitie voľného piesta, ktorý je s pružinou v kontakte s piestom spojeným s ojnicou na účely zvýšenia kompresného pomeru tak, že počas pracovného cyklu je pri kompresii iný objem vo valci ako pri expanzii, čo spôsobuje voľná časť piesta s pružinou a to tak, že pri rôznych tlakoch počas pracovného cyklu sa mení zdvihový objem valca. Ale kompresia aj expanzia prebieha v jednom a tom istom valci a kompresný pomer je limitovaný len do malej miery. Navrhovaný spôsob síce používa spojenie voľnej časti piesta s piestom vo väzbe s ojnicou tiež pružinu, ale v prípade, kedy je kompresia a expanzia v samostatných valcoch. Toto využitie nie je kvôli zvýšeniu kompresného pomeru, ale kvôli včasnému odvedeniu spalín do výfukového potrubia a včasnému privedeniu stlačeného vzduchu z kompresného valca.Also known are US-A-2006005793 and WO-A1-2006072208, which disclose the use of a free piston which is in contact with a piston connected to a connecting rod to increase the compression ratio so that there is a different compression volume during the duty cycle in the cylinder as in the expansion, which causes the free part of the spring-loaded piston to change the cylinder displacement at different pressures during the duty cycle. But both compression and expansion take place in the same cylinder and the compression ratio is limited to a small extent. Although the proposed method uses the coupling of the free part of the piston to the piston in conjunction with the connecting rod also a spring, but in the case where the compression and expansion is in separate cylinders. This use is not due to the increase in the compression ratio, but to the timely evacuation of the flue gas to the exhaust pipe and the timely supply of compressed air from the compression cylinder.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nedostatky odstraňuje motor s kompresným a expanzným piestom s predčasným výfukom, kde podstata vynálezu spočíva v zostavení mechanizmu piestového motora tak, aby mal priaznivejšie vlastnosti. Mechanizmus pozostáva z párov valcov expanzných a kompresných, kde kompresné valce sú v mechanickej väzbe spojené pomocou ojnice s kľukovým hriadeľom, vykonávajú nasávanie vzduchu a kompresiu vzduchu. Expanzné valce sú v mechanickej väzbe spojené ojnicou s kľukovým hriadeľom, vykonávajú expanziu (spaľovanie zmesi) a výfuk spalín.These drawbacks are overcome by a premature exhaust compression and expansion piston engine, the essence of the invention being to design the piston engine mechanism to have more favorable properties. The mechanism consists of pairs of expansion and compression cylinders, where the compression cylinders are connected in mechanical linkage by means of a connecting rod to the crankshaft, they perform air intake and compress the air. The expansion cylinders are connected by a connecting rod to the crankshaft in mechanical coupling, they perform expansion (combustion of the mixture) and exhaust of the flue gases.

Expanzný piest pozostáva z troch dielov. Prvý diel je vodiaci piest spojený s ojnicou a slúži na prenos síl na ojnicu. Druhý diel je voľný piest, ktorý je v kontakte so spaľovanou zmesou. Prenáša sily na vodiaci piest a umožňuje skoršie vytlačenie už spálenej zmesi do výfukového potrubia. Tretia časť je tlačná pružina, ktorá je medzi voľným piestom a vodiacim piestom a zabezpečuje oddialenie voľného piesta od vodiaceho piesta, čím umožňuje predčasný výfuk. Pružina má tuhosť len o niečo vyššiu, ako je potrebné na prekonanie tlaku spalín pri výfuku do výfukového potrubia, ale nie vyššiu ako je tlak vzduchu pri kompresii alebo expanzii. Takto je umožnené, aby bola spálená zmes vytlačená z valca skôr, ako je vodiaci piest v hornom úvrate a môže ešte byť do valca privedený vzduch z kompresného valca. Pružina môže byť nahradená zvýšením tlaku v bloku motora tak, aby bol tento tlak pôsobiaci na voľnú časť piesta zo spodnej časti vyšší, ako je tlak pri výfuku zmesi, ale nižší ako je tlak stlačeného vzduchu po kompresii alebo pri expanzii.The expansion piston consists of three parts. The first part is a guide piston connected to the connecting rod and serves to transfer forces to the connecting rod. The second part is a loose piston which is in contact with the combustion mixture. It transmits forces to the guide piston and allows the previously burned mixture to be expelled into the exhaust pipe. The third part is a compression spring that is between the free piston and the guide piston and provides a separation of the free piston from the guide piston, thereby allowing premature exhaust. The spring has a stiffness only slightly higher than that necessary to overcome the exhaust gas pressure into the exhaust manifold, but not higher than the air pressure during compression or expansion. This allows the burnt mixture to be expelled from the cylinder before the guide piston is at the top dead center and air from the compression cylinder can still be introduced into the cylinder. The spring may be replaced by increasing the pressure in the engine block so that the pressure applied to the free part of the piston from the bottom is higher than the pressure of the mixture exhaust, but lower than the compressed air pressure after compression or expansion.

Pracovný cyklus prebieha nasatím vzduchu do kompresného valca, ktorý je v mechanickej väzbe s kľukovým hriadeľom. Potom dochádza ku kompresii vzduchu. Táto kompresia je spoločná s expanzným valcom v čase, keď je už ukončený výfuk spálenej zmesi z expanzného valca a to otvorením ventilov potrubia, ktoré spája kompresný valec s expanzným. Výfuk zmesi je umožnený skôr pomocou pružiny, ktorá tlačí na voľný piest. Tak je možné kompresným aj expanzným piestom súčasne stláčať zmes. Keď oba piesty dosiahnu horný úvrat, tak v expanznom valci je stlačený vzduch z oboch valcov, kde sa následne vstrekne palivo. Zapálením zmesi pomocou motorovej sviečky elektrickou iskrou sa zvýši teplota a tlak v expanznom valci, čím dochádza k prenosu energie z tepelnej na kinetickú. Výtlak expanzného valca je prevedený ojnicou v mechanickej väzbe na kľukový hriadeľ. Kľukový hriadeľ má v pevnej väzbe zotrvačník s ozubením. Čím je dosiahnutá cyklickosť navrhovaného riešenia a výstup výkonu ďalej do poháňaného systému.The duty cycle takes place by sucking air into the compression cylinder, which is mechanically coupled to the crankshaft. Air is then compressed. This compression is common with the expansion cylinder at the time when the exhaust of the burnt mixture from the expansion cylinder is finished by opening the pipeline valves that connect the compression cylinder to the expansion cylinder. The exhaust of the mixture is made possible by a spring which presses on the free piston. Thus, it is possible to simultaneously compress the mixture with the compression and expansion pistons. When both pistons reach the top dead center, the expansion cylinder is pressurized air from both cylinders where fuel is then injected. Ignition of the mixture by means of a spark plug by an electric spark increases the temperature and pressure in the expansion cylinder, thereby transferring energy from thermal to kinetic. The expansion cylinder is displaced by a connecting rod in a mechanical coupling to the crankshaft. The crankshaft has a toothed flywheel in a fixed coupling. This achieves the cyclicity of the proposed solution and outputs the power further to the driven system.

Výhodou navrhovaného systému je zvýšenie kompresného pomeru kvôli rôznym objemom kompresného valca a expanzného valca. Taktiež vďaka použitiu voľného piesta v expanznom valci, čím dochádza k predčasnému výfuku, je efektívnejší prestup stlačeného vzduchu z kompresného valca do expanzného valca a nedochádza k stratám.The advantage of the proposed system is an increase in the compression ratio due to the different volumes of the compression cylinder and the expansion cylinder. Also, thanks to the use of a free piston in the expansion cylinder, thereby causing premature exhaust, the transfer of compressed air from the compression cylinder to the expansion cylinder is more efficient and there is no loss.

Nevýhodou navrhovaného systému je viac súčiastok potrebných na chod motora v porovnaní s klasickým štvortaktným piestovým motorom.The disadvantage of the proposed system is more components needed for the engine operation compared to a conventional four-stroke piston engine.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Tento dokument obsahuje tri výkresy a to obr. 1, obr. 2 a obr. 3, ktoré znázorňujú:This document contains three drawings, namely FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3, which show:

Na obr. 1 je znázornený schematický nákres navrhovaného spaľovacieho motora s kompresnými a expanznými valcami s piestami na predčasný výfuk a to v nárysnom pohľade a dvoch rezoch: jeden pre kompresný valec a jeden pre expanzný valec.In FIG. 1 is a schematic diagram of a proposed internal combustion engine with compression and expansion cylinders with pre-exhaust pistons in a front view and two sections: one for the compression cylinder and one for the expansion cylinder.

Na obr. 2 je znázornený jeden pracovný cyklus expanzného valca v prípade, keď na dosiahnutie odtláčania voľného piesta je použitá tlačná pružina.In FIG. 2 illustrates one expansion cylinder operating cycle when a compression spring is used to achieve deflection of the free piston.

Na obr. 3 je znázornený jeden pracovný cyklus expanzného valca v prípade, keď na dosiahnutie odtláčania voľného piesta je použitý zvýšený tlak vzduchu v bloku motora.In FIG. 3 illustrates one expansion cylinder duty cycle when an increased air pressure in the engine block is used to achieve deflection of the free piston.

Príklady uskutočnenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Na priloženom výkrese obr. 1 je schematické konštrukčné prevedenie tu opisovaného spaľovacieho motora. Základnou stavebnou časťou je blok motora I, v ktorom je uloženie ložísk pre kľukový hriadeľ 3. Hlava kompresného valca 7 a expanzného valca 8 sú v pevnej väzbe s blokom motora i. Kľukový hriadeľ 3 pomocou ojnice 6 je spojený s piestami 4 a 5. Vzduch je do kompresných valcov 7 privádzaný cez nasávacie potrubie a nasávací ventil 9. Stlačený vzduch je odvádzaný cez ventil JO a ventilom 11 je privádzaný do expanzného valca 8. Palivo sa do expanzného valca 8 vpúšťa, keď voľný piest 16 a vodiaci piest 5 sú v hornom úvrate s ohľadom na časovanie ventilov. Prívod paliva je cez samostatné potrubie a dýzu 13. Potom sa zmes zapáli pomocou motorovej zapaľovacej elektrickej sviečky 14, alebo pri prevedení so spaľovaním nafty sa vznieti. Zapálením zmesi dôjde k jej horeniu, čím sa dosiahne zvýšenie tlaku a vytláčaniu voľného piesta 16 a vodiaceho piesta 5. Výfuk zmesi je cez výfukový ventil 12. Vodiaci piest 5 je spojený s ojnicou 6 a s kľukovým hriadeľom 3. Na predčasný výfuk je použitá pružina 15, ktorej tuhosť je vyššia ako pracovný tlak pri výfuku zmesi a nižšia ako pri kompresii alebo expanzii. Táto pružina J_5 môže byť nahradená zvýšením tlaku vzduchu v bloku motora i, ako je znázornené na obr. 3 alebo použitím oboch spôsobov súčasne.In the accompanying drawing, FIG. 1 is a schematic design of an internal combustion engine described herein. The basic building part is the engine block I, in which the bearings for the crankshaft 3 are mounted. The head of the compression cylinder 7 and the expansion cylinder 8 are in fixed relationship with the engine block i. The crankshaft 3 is connected to the pistons 4 and 5 by means of a connecting rod 6. The air is supplied to the compression cylinders 7 via the intake manifold and the intake valve 9. The compressed air is discharged through the valve 10 and the valve 11 into the expansion cylinder 8. the cylinder 8 admits when the free piston 16 and the guide piston 5 are at top dead center with respect to valve timing. The fuel supply is via a separate conduit and a nozzle 13. Then the mixture is ignited by means of an electric spark plug 14 or ignites in a diesel fuel version. Ignition of the mixture causes it to burn, thereby increasing the pressure and expelling the free piston 16 and the guide piston 5. The exhaust of the mixture is via the exhaust valve 12. The guide piston 5 is connected to the connecting rod 6 and the crankshaft 3. A spring 15 is used whose stiffness is higher than the working pressure of the exhaust mixture and lower than that of compression or expansion. This spring 15 can be replaced by an increase in air pressure in the engine block 1 as shown in FIG. 3 or using both methods simultaneously.

Na priloženom výkrese obr. 2 je znázornený jeden pracovný cyklus expanzného valca 8 v prípade, keď na dosiahnutie odtláčania voľného piesta 16 je použitá tlačná pružina 15. Pracovný cyklus začína v polohe a), keď je stlačený vzduch v expanznom valci 8 a je zmiešaný so vstreknutým palivom. Voľný piest 16 je v hornom úvrate a zapálením zmesi pomocou motorovej sviečky 14 elektrickou iskrou sa zvýši teplota a tlak zmesi v expanznom valci 8. Voľný piest 16 je v tejto fáze stále pritlačený k vodiacemu piestu 16 a to až do polohy b), kedy dosiahne dolný úvrat. Potom nasleduje otvorenie výfukového ventilu 12 a voľný piest 16 je odtlačený pomocou tlačnej pružiny 15, čím sa skráti dĺžka zdvihu a čas potrebný na výfuk spalín do výfukového potrubia. V tejto polohe, ako je na obrázku označená fáza c), dochádza k výfuku spalín do výfukového potrubia. V polohe d), keď už voľný piest 16 dosiahne hornú výšku expanzného valca 8 a spaliny sú už vytlačené z expanzného valca 8, sa otvorí ventil J_1 z potrubia, ktorý expanzný valec 8 spája s kompresným valcom 7. Dochádza k súčasnej kompresii vzduchu v oboch valcoch, kompresnom valci 7 a expanznom valci 8. V polohe e), keď už oba piesty, voľný piest 16 a vodiaci piest 5, z expanzného valca 8 dosahujú skoro horný úvrat, je vzduch na konci kompresie.In the accompanying drawing, FIG. 2, one operating cycle of the expansion cylinder 8 is shown in the case where a compression spring 15 is used to push out the free piston 16. The operation cycle begins at position a) when the air in the expansion cylinder 8 is compressed and mixed with the injected fuel. The free piston 16 is at the top dead center and the ignition of the mixture with the spark plug 14 by electric spark increases the temperature and pressure of the mixture in the expansion cylinder 8. The free piston 16 is still pressed against the guide piston 16 until it reaches position b). lower dead center. This is followed by the opening of the exhaust valve 12 and the free piston 16 is pushed by the compression spring 15, thereby reducing the stroke length and time required to exhaust the flue gas into the exhaust pipe. In this position, as indicated in phase (c) in the figure, the flue gas is exhausted into the exhaust pipe. In position d), when the free piston 16 has already reached the upper height of the expansion cylinder 8 and the flue gas is already expelled from the expansion cylinder 8, the valve 11 is opened from the duct which connects the expansion cylinder 8 to the compression cylinder 7. In position e), when the two pistons, the free piston 16 and the guide piston 5, from the expansion cylinder 8 have reached almost the upper dead center, the air is at the end of the compression.

Na priloženom výkrese obr. 3 je znázornený jeden pracovný cyklus expanzného valca 8 v prípade, keď na dosiahnutie odtláčania voľného piesta 16 je použitý zvýšený tlak vzduchu v bloku motora 1. Pracovný cyklus začína v polohe a), keď je stlačený vzduch v expanznom valci 8 a je zmiešaný so vstreknutým palivom. Voľný piest J6 je v hornom úvrate a zapálením zmesi pomocou motorovej sviečky M elektrickou iskrou sa zvýši tepíota a tlak zmesi v expanznom valci 8. Tlak horiacej zmesi p_e je väčší ako tlak v bloku motora 1 p_m. Voľný piest 16 je v tejto fáze stále pritlačený k vodiacemu piestu 5 a to až do polohy b), kedy dosiahne dolný úvrat. Potom nasleduje otvorenie výfukového ventilu 12 a voľný piest 16 je odtlačený stlačeným vzduchom v bloku motora 1. V tejto polohe, ako je na obrázku označená fáza c), dochádza k výfuku spalín do výfukového potrubia, kedy je tlak spalín p_v pri otvorenom výfukovom ventile ,12 menší ako tlak v bloku motora 1 p_m. V polohe d), keď už voľný piest 16 dosiahne hornú výšku expanzného valca 8 a spaliny sú už vytlačené z expanzného valca 8, sa otvorí ventil H z potrubia, ktorý expanzný valec 8 spája s kompresným valcom 7. Dochádza k súčasnej kompresii vzduchu v oboch valcoch, kompresnom valci 2 a expanznom valci 8. Kompres3 ný tlak vzduchu p_k je väčší ako tlak v bloku motora i p_m. Čím je voľný piest 16 pritlačený k vodiacemu piestu 5. V polohe e), keď už oba piesty, voľný piest 16 a vodiaci piest 5, z expanzného valca 8 dosahujú skoro horný úvrat je vzduch na konci kompresie.In the accompanying drawing, FIG. 3 shows one operating cycle of the expansion cylinder 8 in the case where an increased air pressure in the engine block 1 is used to achieve the deflection of the free piston 16. fuel. The free piston 16 is at the top dead center and the ignition of the mixture by means of a spark plug M by electric spark increases the temperature and pressure of the mixture in the expansion cylinder 8. The pressure of the combustion mixture p _e is greater than the pressure in the engine block 1 p _m . In this phase, the free piston 16 is still pressed against the guide piston 5 until it reaches the lower dead center. This is followed by the opening of the exhaust valve 12 and the free piston 16 is pushed out by compressed air in the engine block 1. In this position, as indicated in phase c), the exhaust gas is exhausted to the exhaust pipe, where the exhaust gas pressure p is _v , 12 less than the pressure of the motor assembly 1 p _m. In position d), when the free piston 16 has already reached the upper height of the expansion cylinder 8 and the flue gas is already expelled from the expansion cylinder 8, the valve H is opened from the duct which connects the expansion cylinder 8 to the compression cylinder 7. cylinders, compression cylinder 2 and expansion cylinder 8. The compressed air pressure p _k is greater than the pressure in the engine block ip _m . Thus, the free piston 16 is pressed against the guide piston 5. In position e), when both the pistons, the free piston 16 and the guide piston 5, reach the near-top dead center of the expansion cylinder 8 at the end of compression.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial usability

Pre spaľovacie motory a ostatné tepelné stroje.For internal combustion engines and other thermal machines.

Claims

PATENT CLAIMS

An engine with a premature exhaust compression and expansion piston, characterized in that the expansion piston is of two parts, namely a free piston (16) and a guide piston (5).

15

Pre-exhaust compression and expansion piston engine according to claim 1, characterized in that a compression spring (15) is provided between the free piston (16) and the guide piston (5).

Pre-exhaust compression and expansion piston engine according to claim 1 and 2, characterized in that the compression spring (15) can be replaced by increasing the air pressure in the engine block (1).