SK6056Y2 - Four-stroke internal combustion piston engines using fuel energy and energy exhaust - Google Patents
Four-stroke internal combustion piston engines using fuel energy and energy exhaust Download PDFInfo
- Publication number
- SK6056Y2 SK6056Y2 SK5-2011U SK52011U SK6056Y2 SK 6056 Y2 SK6056 Y2 SK 6056Y2 SK 52011 U SK52011 U SK 52011U SK 6056 Y2 SK6056 Y2 SK 6056Y2
- Authority
- SK
- Slovakia
- Prior art keywords
- piston
- exhaust
- cylinder
- stroke
- fuel
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Description
Oblasť technikyTechnical field
Technické riešenie sa týka štvortaktných piestových spaľovacích motorov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora, ktoré sú využívané ako pohony:The technical solution concerns four-stroke reciprocating internal combustion piston engines, which are used as propulsion engines:
- v dopravných prostriedkoch cestnej, železničnej a vodnej dopravy,- in means of transport by road, rail and waterway,
- v poľnohospodárskych a lesných traktoroch a strojoch,- agricultural and forestry tractors and machines,
- v letectve pre malé lietadlá a helikoptéry,- in aviation for small aircraft and helicopters,
- v systémoch výroby energií elektrickej, tlakovej kvapaliny pre hydraulické systémy rýpadiel, nakladačov, cestných, stavebných aj poľnohospodárskych strojov a v ďalších priemyselných odvetviach.- electrical power, pressure fluid power generation systems for hydraulic systems of excavators, loaders, road, construction and agricultural machinery, and other industries.
Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Piestové spaľovacie motory rozdeľujeme podľa používaného druhu paliva:Reciprocating internal combustion engines are classified according to the type of fuel used:
- benzínové, ktoré využívajú energiu paliva benzínu jeho spaľovaním a aj palivá s obdobnými vlastnosťami, ako zemný plyn, propán-bután a ďalšie; zapaľovanie zmesi paliva a vzduchu je realizované elektrickou iskrou zapaľovacej sviečky,- gasoline, which uses the energy of the gasoline fuel by its combustion and also fuels with similar properties to natural gas, propane-butane and others; ignition of the fuel-air mixture is realized by an electric spark of the spark plug,
- naftové, ktoré využívajú energiu nafty jej spaľovaním a aj palív s obdobnými vlastnosťami, ako je bionafta pod. Na zapaľovanie zmesi paliva a vzduchu sa využíva teplo získané kompresiou vzduchu privedeného do valca.- diesel, which uses diesel energy by burning it and also fuels with similar properties to biodiesel below. The heat obtained by compressing the air supplied to the cylinder is used to ignite the fuel-air mixture.
Podľa spôsobu pracovných cyklov sú dvojtaktné, pracovný cyklus trvá jednu otáčku kľukového hriadeľa motora, alebo štvortaktné, pracovný cyklus trvá dve otáčky. Podľa usporiadania valcov sú radové, tvaru „V, ležaté, hviezdicové. Podľa veľkosti otáčok sú:Depending on the operating cycles they are two-stroke, the working cycle takes one revolution of the engine crankshaft, or four-stroke, the working cycle takes two turns. According to the arrangement of the cylinders, they are in-line, V-shaped, horizontal, star-shaped. According to the size of the revolutions are:
- rýchlobežné v rozsahu otáčok od 3 000 až 17 000 otáčok za minútu,- high-speed in the speed range from 3 000 to 17 000 rpm,
- pomalobežné v rozsahu otáčok od 750 do 3 000 otáčok za minútu,- low-speed in the speed range from 750 to 3 000 rpm,
- veľmi pomalobežné lodné a veľkých výkonov v rozsahu otáčok od 100 ot./minútu.- very slow-speed boat and high power ranging from 100 rpm.
Podľa veľkosti výkonu sú:According to the size of the performance are:
- miniatúrne, na pohon modelov lietadiel, vrtuľníkov, lokomotív, lodí, malé výkony na pohon ručných nástrojov píl, vŕtačiek, kladív atď.,- miniature, to power aircraft, helicopter, locomotive, ship models, low power to power hand-held saws, drills, hammers, etc.,
- s výkonmi od 50 kW až 300 kW pre osobné automobily, až 1 000 kW pre nákladné,- from 50 kW to 300 kW for cars, up to 1 000 kW for trucks,
- pre vyššie výkony do 10 000 kW a aj vyššie výkony pre stacionárne agregáty.- for higher outputs up to 10 000 kW and also higher outputs for stationary aggregates.
Piestové spaľovacie motory sa využívajú ako pohonné agregáty predovšetkým:Piston internal combustion engines are mainly used as propulsion units:
- v dopravných prostriedkoch cestnej, železničnej, vodnej aj leteckej doprave,- in the means of transport by road, rail, water or air,
- v stavebných a cestných strojoch, v poľnohospodárskych strojoch,- in construction and road machines, in agricultural machinery,
- v stacionárnych pohonných systémoch ako pohonné agregáty na výrobu elektrickej energie, na pohon vodných čerpadiel, kompresorov atď.- in stationary propulsion systems, such as power packs, power pumps, compressors, etc.
Značnou nevýhodou piestových spaľovacích motorov je nízka účinnosť, pri tých najmodernejších dosahuje hranicu len 45 % a je dôsledkom vysokých strát tepelnej energie a strát mechanických. Podmienky pre efektívny spaľovací proces sú pre vyrábané piestové spaľovacie motory zabezpečené len vo veľmi malej oblasti pracovných otáčok, čo je zrejmé z grafov špecifickej spotreby benzínových a aj naftových motorov automobilov MERCEDES značky A 160 s benzínovým motorom a A 170 CDI s naftovým motorom, uvedených na výkrese číslo 1. Rozhodujúce nedostatky piestových spaľovacích motorov sú produktom zastaranej koncepcie a nižšej účinnosti. Neefektívne využívanie energie paliva, keď v prevádzke je vyššia spotreba paliva pri nižšom zaťažení a vyššia spotreba paliva je pri nižšom zaťažení a vysoká produkcia škodlivých emisií.A considerable disadvantage of reciprocating internal combustion engines is their low efficiency, reaching only 45% for the most advanced ones, and resulting from high thermal and mechanical losses. Conditions for efficient combustion process for produced piston combustion engines are ensured only in a very low working speed range, which is evident from the graphs of specific consumption of both petrol and diesel engines of cars A 160 with petrol engine and A 170 CDI with diesel engine. The main drawbacks of piston engines are the product of an outdated concept and lower efficiency. Inefficient use of fuel energy when higher fuel consumption at lower load and higher fuel consumption at lower load and high emission emissions are in operation.
Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution
Štvortaktné piestové spaľovacie motory, využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov, v modifikácii zážihového alebo vznetového motora, s efektívnym využívaním dvoch druhov energií v dvoch druhov pracovných procesov realizovaných v jednom valci.Four-stroke reciprocating internal combustion engines, using both fuel and exhaust energy, in a spark-ignition or compression-ignition engine, with the efficient use of two types of energy in two types of single-cylinder operation.
Prvý štvortaktný preplňovaný pracovný proces efektívne využíva energiu paliva spaľovaním zmesi paliva a stlačeného vzduchu nad piestom v hornom úvrate. Palivo je vstreknuté vstrekovačom do stlačeného vzduchu vo valci nad piestom v hornom úvrate, rovnako ako súčasné štvortaktné piestové spaľovacie motory. Piest sa pri expanzii paliva a stlačeného vzduchu pohybuje vo valci z horného do dolného úvratu; je to efektívny zdvih, pri ktorom pôsobením tlaku na čelnú plochu piesta vzniká sila, ktorá pôsobí počas expanzného zdvihu po dráhe zdvihu a koná užitočnú prácu.The first four-stroke turbocharging process effectively utilizes fuel energy by burning a mixture of fuel and compressed air above the piston at top dead center. Fuel is injected by an injector into the compressed air in the cylinder above the piston at top dead center, as well as the current four-stroke piston internal combustion engines. The piston moves from the top to the bottom dead center in the cylinder as the fuel and compressed air expand; it is an effective stroke in which a pressure is exerted on the piston face by a force which acts on the stroke path during the expansion stroke and performs useful work.
Pri ďalšom výfukovom zdvihu sa piest vo valci pohybuje z dolného úvratu do horného úvratu a vytlačí horúce výfukové plyny:At the next exhaust stroke, the piston in the cylinder moves from the bottom dead center to the top dead center and expels hot exhaust gases:
- do expanznej komory pri uzatvorenej výfukovej prívierky; v expanznej komore dopravený objem horúcich výfukových plynov stlačí piest aj s pružinou o prvú časť objemu expanznej komory,- into the expansion chamber with the exhaust flap closed; in the expansion chamber, the conveyed volume of hot exhaust gases compresses the piston with the spring by the first part of the volume of the expansion chamber,
- po otvorení výfukovej prívierky do výfukového potrubia.- after opening the exhaust flap into the exhaust pipe.
Pri štartovaní, rozbehu a mimoriadnom zaťažení motora elektronický riadiaci systém opakovane realizuje len prvý štvortaktný preplňovaný pracovný proces, pri ktorom je využívaná energia paliva.When starting, starting, and subjecting the engine to an extreme load, the electronic control system repeatedly carries out only the first four-stroke turbocharged process using fuel energy.
Druhý štvortaktný preplňovaný pracovný proces efektívne využíva tepelnú energiu horúcich výfukových plynov, ktoré boli výfukovým zdvihom piesta vytlačené z valca do expanznej komory a elektronický systém riadenia zabezpečí jeho realizáciu:The second four-stroke turbocharged process effectively utilizes the thermal energy of the hot exhaust gases that have been pushed out of the cylinder into the expansion chamber by an exhaust stroke, and the electronic control system ensures that:
- v štvortaktnom preplňovanom pracovnom procese, ktorý začína po skončení výfukového zdvihu, pričom sa piest pohybuje z horného úvratu do dolného úvratu a prebieha preplňovanie valca vzduchom. Pri ďalšom kompresnom zdvihu sa piest pohybuje z dolného úvratu do horného úvratu a vo valci nad piestom je stláčaný vzduch až do dosiahnutia požadovaného tlaku a to pri polohe piesta 40 až 30 stupňov pred horným úvratom. Elektronický riadiaci systém otvorí výfukový ventil, cez ktorý je pretlakom stlačený vzduch vo valci vytlačený do expanznej komory pri uzatvorenej výfukovej prívierke. Vytlačený vzduch má na začiatku vyšší tlak, ako je tlak výfukových plynov v expanznej komore a stlačí piest a jeho pružinu o druhú časť objemu expanznej komory. Pri dosiahnutí polohy piesta v hornom úvrate elektronický riadiaci systém realizuje vstrekovačom expanznej komory vstrek tlakovej kvapaliny/vzduchu; tá v expanznej komore expanduje a zvýši tlak expandujúcej zmesi, ktorý stlačí piest a jeho pružinu až do dolnej polohy, kde dosadne na spínač, ktorý zablokuje polohu piesta v dolnom úvrate. Ďalší nárast tlaku v expanznej komore núti prúdiť expandujúcu zmes cez stále otvorený výfukový ventil späť do valca, kde tlačí na piest, ktorý sa pohybuje z horného úvratu do dolného úvratu, rýchlo zväčšuje objem vo valci, čo zníži tlak v expanznej komore a pružina piesta vystrelí piest do hornej polohy a vytlačí expandujúcu zmes do valca. Piest vo valci vykonáva druhý pracovný zdvih bez použitia paliva a bez produkcie emisií. Ďalším pohybom piesta z dolného úvratu do horného je expandovaná zmes so stále horúcimi výfukovými plynmi, podľa rozhodnutia elektronického riadiaceho systému, vytlačená cez výfukový ventil:- in a four-stroke turbocharging process that begins after the exhaust stroke, with the piston moving from top dead center to bottom dead center, and the cylinder is charged with air. At the next compression stroke, the piston moves from the bottom dead center to the top dead center, and air is compressed in the cylinder above the piston until the desired pressure is reached at the piston position 40 to 30 degrees before the top dead center. The electronic control system opens the exhaust valve through which the compressed air in the cylinder is forced into the expansion chamber with the exhaust flap closed. The expelled air initially has a higher pressure than the exhaust gas pressure in the expansion chamber and compresses the piston and its spring by a second portion of the volume of the expansion chamber. Upon reaching the top dead center position of the piston, the electronic control system injects pressurized fluid / air through the expansion chamber injector; it in the expansion chamber expands and increases the pressure of the expanding mixture, which compresses the piston and its spring up to the lower position where it engages a switch that locks the position of the piston at the bottom dead center. Further pressure build-up in the expansion chamber forces the expanding mixture to flow through the still open exhaust valve back to the cylinder where it pushes the piston moving from top dead center to bottom dead center, rapidly increasing the cylinder volume, reducing the expansion chamber pressure and firing the piston spring. the piston to the up position and push the expanding mixture into the cylinder. The piston in the cylinder performs a second working stroke without using fuel and without producing emissions. Another movement of the piston from the bottom dead center to the top is the expanded mixture with the still hot exhaust gas, as decided by the electronic control system, pushed through the exhaust valve:
- len do expanznej komory a bude opakovane realizovaný ďalší dvojtaktný pracovný proces, nakoľko to umožňuje dostatočne vysoká teplota výfukových plynov,- only into the expansion chamber and a further two-stroke working process will be carried out repeatedly, as this allows for a sufficiently high exhaust gas temperature,
- do výfukového potrubia, po otvorení výfukovej prívierky.- into the exhaust pipe after opening the exhaust flap.
V dvojtaktnom pracovnom procese, ktorý začína hneď po skončení expanzného zdvihu piesta, po ktorom sú výfukové plyny pohybom piesta z dolného úvratu do horného úvratu vytlačené do expanznej komory a stlačia piest s pružinou o časť jeho zdvihu. Elektronický riadiaci systém realizuje vstrekovačom expanznej komory vstrek tlakovej kvapaliny/vzduchu, ktorá v horúcich výfukových plynoch expanduje a zvýši tlak expandujúcej zmesi a ten stlačí piest s pružinou až do dolnej polohy, kde dosadne na spínač, ktorý zablokuje polohu piesta v dolnom úvrate. Ďalší rast tlaku v expanznej komore núti prúdiť expandujúcu zmes cez stále otvorený výfukový ventil späť do valca, kde tlačí na piest, ktorý rýchlo zväčšuje objem vo valci a tým poklesne tlak v expanznej komore a stlačená pružina vystrelí piest do hornej polohy a ten vytlačí expandujúcu zmes do valca. Piest pohybom z horného úvratu do dolného koná druhý pracovný zdvih bez použitia paliva a bez produkcie emisií. Ďalším pohybom piesta z dolného úvratu do horného je expandovaná zmes horúcich výfukových plynov vytlačená cez stále otvorený výfukový ventil, podľa výsledku vyhodnotenia elektronického riadiaceho systému:In a two-stroke process that begins immediately after the expansion stroke of the piston has ended, after which the exhaust gases are moved into the expansion chamber by moving the piston from the bottom dead center to the top dead center and compressing the piston with the spring by a portion of its stroke. The electronic control system injects a pressurized liquid / air injection through the expansion chamber injector, which expands in the hot exhaust gases and increases the pressure of the expanding mixture, which presses the spring-loaded piston down until it engages a switch that locks the piston at lower dead center. Further pressure build-up in the expansion chamber forces the expanding mixture through the still open exhaust valve back into the cylinder where it pushes on the piston, which rapidly increases the cylinder volume, thereby dropping the pressure in the expansion chamber and compressed spring fires the piston to the up position into the cylinder. The piston moves from the top dead center to the bottom acting a second working stroke without using fuel and without producing emissions. The next movement of the piston from the bottom dead center to the top is the expanded mixture of hot exhaust gases pushed through the still open exhaust valve, according to the evaluation of the electronic control system:
- len do expanznej komory a je pripravená na realizáciu ďalšieho dvojtaktného pracovného procesu, čo umožňuje vysoká teplota výfukových plynov,- only into the expansion chamber and is ready to carry out another two-stroke working process, allowing high exhaust gas temperatures,
- do výfukového potrubia, po otvorení výfukovej prívierky.- into the exhaust pipe after opening the exhaust flap.
Pri štartovaní, rozbehu a mimoriadnom zaťažení motora elektronický riadiaci systém opakovane realizuje len prvý štvortaktný preplňovaný pracovný proces, pri ktorom je využívaná energia paliva. Keď riadiaci systém vyhodnotí, že potrebné časti motora dosiahli požadovanú prevádzkovú teplotu, až potom realizuje aj druhý pracovný proces, pri ktorom je efektívne využívaná aj tepelná energia výfukových plynov.When starting, starting, and subjecting the engine to an extreme load, the electronic control system repeatedly carries out only the first four-stroke turbocharged process using fuel energy. When the control system evaluates that the necessary engine parts have reached the desired operating temperature, it then carries out a second working process that also uses the exhaust thermal energy efficiently.
Pre modifikáciu vznetového vyhotovenia motora je výhodné vstrekovanú kvapalinu obohatiť o močovinu, jej prínosom je výrazná redukcia emisií (NOx).In order to modify the diesel version of the engine, it is advantageous to enrich the injected liquid with urea, the benefit of which is a significant reduction in emissions (NOx).
Štvortaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov využívajú elektronický riadiaci systém na „on-line“ spriahnuté riadenie, priebežné sledovanie a vyhodnocovanie okamžitého stavu procesu, údajov potrebných na riadenie a efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.Four-stroke internal combustion engines using both fuel and exhaust energy utilize an electronic control system for on-line coupled control, continuous monitoring and evaluation of process instantaneous status, data needed to control and efficiently implement a new two-work process concept using two types of energy .
Centrálna riadiaca jednotka elektronického riadiaceho systému motora má na svoje vstupy pripojené výstupy snímačov na získanie informácií:The central control unit of the electronic engine control system has sensor outputs connected to its inputs to obtain information:
- o teplote a tlaku oleja, paliva, vody, dodávaných akčnými členmi riadenia (spoločný rozvod - common rail),- the temperature and pressure of the oil, fuel, water supplied by the actuators (common rail),
- o množstve paliva, dodávaného do vstrekovača paliva,- the amount of fuel delivered to the fuel injector,
- o množstve tlakovej kvapaliny, dodávanej do vstrekovača expanznej komory,- the amount of pressure fluid supplied to the expansion chamber injector,
- o množstve vzduchu pre preplňovanie valcov,- the amount of air for cylinder supercharging,
- o polohe kľukového hriadeľa,- the position of the crankshaft,
- o spolupracujúcich agregátov motora: alternátora na výrobu elektrickej energie, hydročerpadla na výrobu tlakového oleja, čerpadla tlakovej kvapaliny.- for cooperating engine units: alternator for power generation, hydraulic oil pumps, pressure fluid pumps.
Na výstupy centrálnej riadiacej jednotky sú pripojené akčné členy: vstrekovania paliva, vstrekovania vody, výfukového ventilu a výfukovej prívierky.Actuators are connected to the outputs of the central control unit: fuel injection, water injection, exhaust valve and exhaust flap.
Centrálna riadiaca jednotka riadiaceho systému piestového spaľovacieho motora:Central control unit of piston combustion engine control system:
- priebežne spracováva získané informácie zo snímačov motora, a zo spolupracujúcich agregátov motora, s ktorými realizuje pohon,- continuously process the information obtained from the engine sensors and the cooperating engine units with which it operates;
- rozhoduje, na základe vyhodnotenia požiadaviek zadaných v programe alebo požiadaviek vyjadrených stlačením plynového pedálu dopravného prostriedku,- make decisions on the basis of an evaluation of the requirements entered in the program or those expressed by depressing the accelerator of the means of transport,
- generuje aktuálne príkazy pre podružné riadiace jednotky systému: riadiace jednotky akčných členov, vstrekovania paliva, vstrekovania tlakovej vody otvárania výfukového ventilu a výfukovej prívrerky, ktoré realizujú požadované funkcie riadiacej jednotky.- generates current commands for the system sub-controllers: actuator control units, fuel injection, exhaust valve opening and exhaust flap, which perform the required control unit functions.
Rozhodujúce prínosy novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií sú:The decisive benefits of the new concept of two types of work processes using two types of energy are:
- výrazne efektívnejšie využívanie energie paliva,- significantly more efficient use of fuel energy,
- výrazné zníženie spotreby paliva, ktoré môže dosiahnuť až 40 %,- a significant reduction in fuel consumption, which can reach up to 40%,
- výrazné zníženie produkcie škodlivých emisií, ktoré produkuje len každý druhý štvortaktný preplňovaný pracovný proces, keď využíva energiu paliva,- a significant reduction in the production of harmful emissions, which is produced only by every other four-stroke turbulent working process when it uses fuel energy,
- 100 % reprodukovateľnosť funkcií riadiacej jednotky, vyplývajúcej z použitia číslicových systémov riadenia,- 100% reproducibility of control unit functions resulting from the use of digital control systems,
- výrazné zvýšenie účinnosti a to o 20 až 25 %, zvýšenie technických parametrov motora, jednoduchá preprogramovateľnosť funkcií centrálnej riadiacej jednotky na ďalšie možné rozšírenie a využitie systému.- Significant increase of efficiency by 20 to 25%, increase of technical parameters of the engine, easy reprogrammability of functions of the central control unit for further possible expansion and utilization of the system.
Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Výkres číslo 1Drawing number 1
Zobrazuje špecifickú spotrebu paliva - graficky vyrábaných a využívaných štvortaktných piestových spaľovacích motorov automobilov Mercedes.It shows the specific fuel consumption - graphically produced and used four-stroke piston internal combustion engines of Mercedes cars.
Výkres číslo 2Drawing number 2
Schéma hlavných častí štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý využíva energiu paliva aj energiu výfukových plynov v modifikácií zážihového alebo vznetového motora a efektívne realizuje novú koncepciu dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.A schematic of the main parts of a four-stroke reciprocating internal combustion engine that uses both fuel and exhaust energy in modifications to the petrol or diesel engine and effectively implements the new concept of two types of work processes using two types of energy.
Výkres číslo 3Drawing number 3
Schéma elektronického riadiaceho systému pre štvortaktný piestový spaľovací motor, ktorý efektívne realizuje novú koncepciu dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.Diagram of an electronic control system for a four-stroke reciprocating internal combustion engine that effectively implements a new concept of two types of work processes using two types of energy.
Výkres číslo 4Drawing number 4
Zobrazuje vyhotovenie tesniaceho krúžku novej koncepcie piesta expanznej komory.It shows an embodiment of the sealing ring of the new expansion chamber piston concept.
Príklady uskutočneniaEXAMPLES
Základné vyhotovenie jednovalcového štvortaktného piestového spaľovacieho motora, využívajúceho energiu paliva aj energiu výfukových plynov s preplňovaným pracovným procesom v modifikácii zážihového alebo vznetového motora, znázornený na výkrese číslo 2, má vytvorené podmienky na efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií a to energie paliva a energie horúcich výfukových plynov v jednom valci štvortaktného piestového spaľovacieho motora a jednej expanznej komory umiestnenej pri výfukovom potrubí valca a jedným kľukovým mechanizmom.The basic design of a one-cylinder four-stroke reciprocating internal combustion engine using both turbocharged and exhaust-gas energy with a turbocharged engine modification process, shown in Figure 2, has the conditions to efficiently implement the new dual-energy process concept and to the energy of the fuel and the energy of the hot exhaust gases in one cylinder of a four-stroke piston engine and one expansion chamber located at the cylinder exhaust pipe and one crank mechanism.
Hlavné časti motora sú: valec J, piest 2, ojníca 3 a mechanizmus s jednou kľukou kľukového hriadeľa 4, nasávacím ventilom s potrubím 5, výfukovým ventilom s elektronickým ovládaním 7, smerov prúdenia 8 vzduchu vytláčaného z valca pri druhom kompresnom zdvihu piesta z valca do expanznej komory a smeru prúdenia expandujúcej zmesi z expanznej komory do valca 1, vstrekovač paliva 6 do valca, expanzná komora 10 s izoláciou pripojená za výfukovým ventilom, vstrekovač kvapaliny/vzduchu do valca expanznej komoryThe main engine parts are: cylinder J, piston 2, connecting rod 3 and one crankshaft crankshaft 4, intake valve with piping 5, exhaust valve with electronic control 7, airflow directions 8 of the air discharged from the cylinder at the second compression stroke of the piston from cylinder to the expansion chamber and the direction of flow of the expansion mixture from the expansion chamber to the cylinder 1, the fuel injector 6 into the cylinder, the expansion chamber 10 with insulation connected downstream of the exhaust valve, the liquid / air injector into the expansion chamber cylinder
15. piest expanznej komory 11 s tlačnou pružinou piesta, spínač koncovej polohy piesta v dolnom úvrate 12, výfuková prívierka 13, s elektronickým ovládaním, ktorým je uzatváraná v smere šípky 16. výfukové potrubie 14 a smer prúdenia výfukových plynov v potrubí. Na zvýšenie efektívnosti expanzie v druhom pracovnom procese je do expanznej komory vstrekovačom 15 vstreknutá kvapalina, ktorá svojou expanziou výrazne zvýši tlak expandujúcej zmesi výfukových plynov a tlakového vzduchu. Pre modifikáciu vznetového vyhotovenia je kvapalina obohatená o močovinu, pre redukciu (NOx).15. piston of expansion chamber 11 with piston compression spring, piston end position switch at bottom dead center 12, exhaust flap 13, with electronic control that closes in the direction of arrow 16, exhaust pipe 14, and direction of exhaust gas flow in the pipe. In order to increase the efficiency of the expansion in the second process, a liquid is injected into the expansion chamber by the injector 15, which by its expansion significantly increases the pressure of the expanding mixture of exhaust gases and compressed air. To modify the diesel version, the liquid is enriched in urea for reduction (NOx).
Realizácia dvoch druhov pracovných procesov, ktoré využívajú energiu paliva aj energiu výfukových plynov:Implementing two types of work processes that use both fuel and exhaust energy:
- Prvý pracovný proces využíva energiu paliva v jednom valci so štvortaktným preplňovaným pracovným procesom. Pri výfukovom zdvihu piesta sú horúce výfukové plyny dopravené cez otvorený výfukový ventil 7 v smere šípky 8 do expanznej komory 10 pri uzatvorenej výfukovej prívierke 13.- The first process uses fuel energy in one cylinder with a four-stroke turbocharged process. During the exhaust stroke of the piston, the hot exhaust gases are conveyed through the open exhaust valve 7 in the direction of the arrow 8 to the expansion chamber 10 with the exhaust flap 13 closed.
- Druhý z pracovných procesov využíva tepelnú energiu horúcich výfukových plynov v štvortaktnom preplňovanom pracovnom procese. Pri kompresnom zdvihu piesta 2 je vzduch stlačený vo valci 1 dopravený v smere šípky 8 do expanznej komory 10 pri uzatvorenej prívierke 13, ktorá je naplnená horúcim výfukovým plynom. Ich expanzia tlačí na piest expanznej komory U, ktorý stlačí svoju pružinu a zväčší objem expanznej komory 10. Pred dosiahnutím polohy piesta v hornom úvrate elektronický riadiaci systém realizuje vstrek tlakovej kvapaliny/vzduchu vstrekovačom v expanznej komore. Expandujúca zmes horúcich výfukových plynov, tlakovej kvapaliny/vzduchu v expanznej komore pôsobí tlakom na piest komory, ktorý stlačí pružinu expanznej komory až do dolného úvratu. Zväčšujúci tlak v expanznej komore 10 núti expandujúcu zmes prúdiť späť cez otvorený výfukový ventil 7 do valca 1, kde tlakom na piest 2 realizuje druhý pracovný proces. Pokračovaním expanzie zmesi horúcich výfukových plynov tlakovej kvapaliny/vzduchu rastie jej tlak a núti prúdiť zmes otvoreným výfukovým ventilom 7 späť do valca 1 a tam tlačí na piest 2 vo valci a ten sa pohybuje z horného úvratu do dolného úvratu a rýchlo zväčšuje objem vo valci a stlačená pružina v expanznej komore vystrelí piest 11 do horného úvratu a vytlačí expandujúcu zmes horúcich výfukových plynov, tlakovej kvapaliny/vzduchu z expanznej komory cez otvorený výfukový ventil 7 do valca L- The second process uses the heat energy of the hot exhaust gas in a four-stroke turbocharged process. During the compression stroke of the piston 2, the air compressed in the cylinder 1 is conveyed in the direction of the arrow 8 to the expansion chamber 10 with the closed flap 13 being filled with hot exhaust gas. Their expansion presses on the piston of the expansion chamber U, which compresses its spring and increases the volume of the expansion chamber 10. Before reaching the position of the piston at the top dead center, the electronic control system injects the pressure liquid / air through the injector in the expansion chamber. The expanding mixture of hot exhaust gas, pressurized liquid / air in the expansion chamber exerts a pressure on the chamber piston, which compresses the expansion chamber spring to its lower dead center. The increasing pressure in the expansion chamber 10 forces the expanding mixture to flow back through the open exhaust valve 7 into the cylinder 1, where, by pressure on the piston 2, the second working process is carried out. By continuing the expansion of the hot exhaust gas / air mixture, its pressure increases and forces the mixture through the open exhaust valve 7 back to the cylinder 1 and pushes the piston 2 therein, which moves from top dead center to bottom dead center and rapidly increases cylinder volume and a compressed spring in the expansion chamber fires the piston 11 into the top dead center and expels an expanding mixture of hot exhaust gas, pressurized fluid / air from the expansion chamber through the open exhaust valve 7 into cylinder L
Po ukončení expanzného zdvihu je výfukovým zdvihom piesta vytlačená z valca 1 expandovaná zmes cez otvorený výfukový ventil 7 v smere šípky 8 a po otvorení výfukovej prívierky 13 až do výfukového potrubia v smere šípky.Upon completion of the expansion stroke, the piston exhaust stroke is expelled from the cylinder 1 the expanded mixture through the open exhaust valve 7 in the direction of the arrow 8 and after opening the exhaust port 13 to the exhaust pipe in the direction of the arrow.
Štvortaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov v jednom valci majú elektronický riadiaci systém na „on-line“ spriahnuté riadenie, priebežné sledovanie a vyhodnocovanie okamžitého stavu procesu, údajov potrebných na riadenie a efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.Four-stroke piston engines using both fuel and exhaust power in one cylinder have an electronic control system for on-line coupled control, continuous monitoring and evaluation of process immediate status, data needed to control and efficiently implement the new concept of two types of workflow utilizing two kinds of energies.
Na vstupe centrálnej riadiacej jednotky 30 piestového spaľovacieho motora sú pripojené výstupy snímačov na získanie informácií o:At the input of the central control unit 30 of the reciprocating internal combustion engine, sensor outputs are connected to obtain information about:
- teplote a tlaku oleja 32 dodávaného akčným členom riadiacich jednotiek na časovanie výfukového ventilu 36,- the temperature and pressure of the oil 32 supplied by the actuators of the exhaust valve timing control units 36,
- regulácii dodávaného paliva objemu (množstva) vstrekovaného do valca 34,- regulating the fuel supplied by the volume (quantity) injected into the cylinder 34,
- regulácii otvárania a zatvárania výfukovej prívierky 39,- regulating the opening and closing of the exhaust flap 39,
- regulácii dodávky objemu tlakovej kvapaliny/vzduchu vstrekovanej do expanznej komory 37.- regulating the supply of pressurized fluid / air injected into the expansion chamber 37.
- regulácii objemu paliva 34 dodávaného do vstrekovača paliva 6,- regulating the volume of fuel 34 supplied to the fuel injector 6,
- množstve vzduchu na plnenie valcov a pri kompresii vzduchu vo valci,- the amount of air used to fill the cylinders and to compress the air in the cylinder,
- expandujúcej zmesi paliva a vzduchu v hornom úvrate piesta,- expanding fuel / air mixture at the top dead center of the piston,
- výfukových plynoch, dopravených do expanznej komory,- exhaust gases delivered to the expansion chamber,
- množstve vzduchu pri konci kompresného zdvihu, počas jeho prúdenia do expanznej komory,- the amount of air at the end of the compression stroke during its flow into the expansion chamber,
- expandujúcej zmesi výfukových plynov a tlakovej kvapaliny/vzduchu v expanznej komore, ako aj výstupy ďalších snímačov: polohy kľukového hriadeľa 41, systému chladenia, alternátora na výrobu elektrickej energie, hydročerpadla na výrobu tlakového oleja, pre mazanie, pre akčné členy riadiaceho systému.- an expanding mixture of exhaust gas and pressurized liquid / air in the expansion chamber, as well as other sensor outputs: crankshaft position 41, cooling system, alternator for power generation, hydraulic oil pump, for lubrication, for actuators of the control system.
Hlavné časti centrálnej riadiacej jednotky štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý efektívne realizuje v každom valci novú koncepciu dvoch druhov pracovných procesov vysokotlakového s využívaním energie paliva a nízkotlakového s využívaním energie výfukových plynov, sú:The main parts of the central control unit of a four-stroke reciprocating internal combustion engine, which effectively implements in each cylinder a new concept of two types of fuel-efficient high-pressure and low-pressure exhaust-gas working processes, are:
vstrekovač paliva do valca 1, vstrekovač tlakovej kvapaliny/vzduchu do expanznej komory 10, centrálna riadiaca jednotka štvortaktného piestového spaľovacieho motora, rozvod tlakového paliva, pre vstrekovače paliva, palivový „common rail“, rozvod tlakového oleja na otváranie výfukového ventilu, olejový „common rail“, rozvod vody na vstrekovanie do expanznej komory vodový „common rail“, riadiaca jednotka množstva (objemu) vstrekovaného paliva, regulácia dodávaného tlakového oleja, pre časovanie výfukového ventilu 7, ovládanie časovania otvárania výfukového ventilu 7 tlakovým olejom, riadiaca jednotka množstva (objemu) vstrekovanej vody, ovládanie časovania otvárania výfukovej prívierky 7 tlakovým olejom, regulácia dodávaného tlakového oleja, pre časovanie výfukovej prívierky 13.Fuel injector to cylinder 1, Pressure fluid / air injector to expansion chamber 10, Central control unit for four stroke internal combustion engine, Pressure fuel distribution, For fuel injectors, Fuel common rail, Exhaust valve oil pressure, Common rail oil ", Common rail water injection unit, fuel injection amount (volume) control, supply oil pressure control, for exhaust valve timing 7, pressure oil outlet valve 7 timing control, volume (volume) control unit injection water control, exhaust oil opening timing control 7 by pressure oil, supply oil pressure control, for exhaust blank timing 13.
tok signálov snímačov a aj signálov pre výkon funkcií, snímač polohy kľukového hriadeľa.flow of sensor signals as well as signals for performance of functions, crankshaft position sensor.
Centrálna riadiaca jednotka 30 piestového spaľovacieho motora:Central control unit 30 of a reciprocating internal combustion engine:
- priebežne spracováva získané informácie zo snímačov motora a zo spolupracujúcich agregátov motora, s ktorými realizuje pohon,- continuously process the information obtained from the engine sensors and the cooperating engine units with which it operates,
- rozhoduje o spôsobe/ceste, ako bude realizovať plnenie požiadaviek zadaných v programe a požiadaviek vyjadrených stlačením plynového pedálu motora,- decides on the way / path it will implement to meet the program requirements and the requirements expressed by depressing the accelerator,
- realizuje rozhodnutie o postupe realizácie.- implements the decision on the progress of implementation.
Centrálna riadiaca jednotka 30 piestového spaľovacieho motora realizuje: pri štartovaní a rozbehu motora všetky funkcie potrebné na realizáciu len prvého pracovného procesu v každom valci motora, ktorý využíva energiu paliva a to dovtedy, dokiaľ sa nezohrejú potrebné časti motora na prevádzkovú teplotu.The central control unit 30 of the reciprocating internal combustion engine carries out: when starting and starting up the engine, all the functions necessary to carry out only the first working process in each fuel-efficient engine cylinder until the necessary engine parts have been heated to operating temperature.
- Prvý pracovný proces začína plnením valca 1 cez otvorený nasávací ventil 5, pri ktorom sa piest 2 pohybuje z horného úvratu do dolného a pokračuje kompresným zdvihom piesta 2 vo valci 1, pri ktorom sa pohybuje piest 2 z dolného úvratu do horného. Po dosiahnutí horného úvratu riadiaca jednotka akčného člena 36 vstrekovača paliva 6 vstrekne palivo do valca motora 1, pri uzatvorených ventiloch 5 a 7 a aj výfukovej privierke 13. Prvý pracovný proces končí výfukovým zdvihom piesta 2 vo valci 1, ktorým vytlačí horúce výfukové plyny otvoreným výfukovým ventilom 7 a uzatvorenou výfukovou prívierkou 13 do expanznej komory 10 a tie stlačia piest 11 a jeho pružinu pod piestom.The first working process starts by filling the cylinder 1 through an open intake valve 5, in which the piston 2 moves from the top dead center to the bottom and continues with the compression stroke of the piston 2 in the cylinder 1, in which the piston 2 moves from the bottom dead center to the top. Upon reaching the top dead center, the fuel injector actuator actuator control unit 36 injects fuel into the engine cylinder 1, with valves 5 and 7 closed as well as the exhaust port 13. The first working process ends with the exhaust stroke of the piston 2 in the cylinder 1. a valve 7 and a closed exhaust flap 13 into the expansion chamber 10 and these compress the piston 11 and its spring below the piston.
- Druhý pracovný proces, ktorý začína plnením valca 1 cez otvorený nasávací ventil 5, pri ktorom sa piest pohybuje z horného úvratu do dolného a pokračuje kompresným zdvihom piesta 2 vo valci 1, a po otvorení výfukového ventilu 7 riadiacou jednotkou akčného člena 36 vytlačí vzduch z valca 1 cez otvorený výfukový ventil 7 do expanznej komory 10. Pri dosiahnutí horného úvratu piesta 2 vo valci 1 riadiaca jednotka akčného člena 37 vstrekovača tlakovej kvapaliny/vzduchu 15 vstrekne túto do expanznej komory 10. Expanzia zmesi stlačí piest expanznej komory 11 až do dolného úvratu. Zvyšovanie tlaku núti expandujúcu zmes prúdiť stále otvoreným výťukovým ventilom 7 späť do valca 1 a tlačiť na piest, 2 ktorý koná druhý pracovný zdvih len s využitím energie horúcich výfukových plynov. Druhý pracovný proces končí výfukovým zdvihom piesta 2 vo valci 1, ktorým cez stále otvorený výfukový ventil 7 vytlačí expandovanú zmes cez riadiacou jednotkou akčného člena 38 otvorenú výfukovú prívierku 13 do výfuku.A second working process, which begins by filling the cylinder 1 through an open intake valve 5, in which the piston moves from top dead center to the bottom and continues by compressing the piston 2 in the cylinder 1, and after opening the exhaust valve 7 by the actuator control unit 36 When the top dead center of the piston 2 in the cylinder 1 is reached, the control unit 37 of the pressure / air injector 15 injects this into the expansion chamber 10. Expansion of the mixture pushes the piston of the expansion chamber 11 up to the bottom dead center. . The pressure increase forces the expanding mixture to flow back through the still open exhaust valve 7 into the cylinder 1 and to push the piston 2, which performs the second working stroke using only the energy of the hot exhaust gases. The second working process ends with the exhaust stroke of the piston 2 in the cylinder 1, by means of which the exhaust valve 7 is pushed through the still open exhaust valve 7 through the actuator control unit 38 into the exhaust.
Piest expanznej komory má nové vyhotovenie tesniaceho krúžku, ktoré zabezpečuje tesnenie expandujúcich horúcich výfukových plynov a tlakovej kvapaliny/vzduchu v expanznej komore. Utesnenie je realizované plochou, ktorá vyplýva z dĺžky tesniaceho krúžku, tá môže byť 75 až 85 percent dĺžky piesta. Deliaca štrbina B je vhodná pre dlhšie tesniace krúžky a štrbina A je pre kratšie krúžky a vyššie tlaky.The expansion chamber piston has a new seal ring design that provides sealing of expanding hot exhaust gases and pressure fluid / air in the expansion chamber. The seal is realized by a surface which results from the length of the sealing ring, which may be 75 to 85 percent of the length of the piston. The separating slot B is suitable for longer sealing rings and slot A is for shorter rings and higher pressures.
Priemyselná využiteľnosťIndustrial usability
Jednovalcové vyhotovenie štvortaktného piestového spaľovacieho motora využívajúceho energiu paliva aj energiu výťukových plynov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora je základné zobrazené na výkrese číslo 2. Znázorňuje novú koncepciu dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií realizovanú v každom valci. Ich využívanie v jednovalcovom alebo viacvalcovom vyhotovení je pri všetkých pohonných systémoch, kde sú teraz využívané piestové spaľovacie motory, ktoré využívajú len energiu paliva a tepelnú energiu výfukových plynov nechajú unikať výfukom alebo ju využívajú len čiastočne na pohon pomocných agregátov.A one-cylinder design of a four-stroke reciprocating internal combustion engine using both fuel and exhaust gas energy in a positive-ignition or compression-ignition engine modification is shown in Figure 2. It illustrates a new concept of two types of dual-energy workflows implemented in each cylinder. Their use in single-cylinder or multi-cylinder versions is in all propulsion systems where piston internal combustion engines are now used which only use the fuel energy and allow the thermal energy of the exhaust gases to escape through the exhaust or only partially use it to power the auxiliary units.
Štvortaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora sú využiteľné predovšetkým vo vyhotoveniach:Four-stroke reciprocating internal combustion engines using both fuel and exhaust energy in the modification of a positive-ignition or compression-ignition engine are particularly useful in versions:
- radové vyhotovenie s usporiadaním valcov v rade,- in-line design with cylinder arrangement in-line,
- vyhotovenie v tvare „V“ s uhlom rozovretia valcov 30 až 90 stupňov,- 'V' design with a cylinder angle of 30 to 90 degrees,
- ležaté vyhotovenie má uhol rozovretia valcov 180 stupňov.- the horizontal design has a roll angle of 180 degrees.
Pre pohonné systémy výrobkov:For product drive systems:
- osobných, dodávkových aj nákladných automobilov a autobusov výrazne zníženie spotreby paliva a predovšetkým aj produkcie škodlivých emisií pri piestových spaľovacích motoroch, pre ktoré je EU predpisované znižovanie škodlivých emisií:- passenger cars, vans and trucks and buses significantly reduce fuel consumption and, in particular, the production of harmful emissions from reciprocating internal combustion engines for which the EU is required to reduce harmful emissions:
- poľnohospodárskych, lesných, stavebných a cestných strojov,- agricultural, forestry, construction and road machinery,
- stacionárnych pohonných systémov, záskokových zdrojov - generátorov výroby energií elektrickej, tlakovej kvapaliny a tlakového vzduchu,- stationary propulsion systems, standby power sources - generators of power generation, pressure fluid and compressed air,
- malých dopravných a športových lietadiel a helikoptér.- small transport and sport aircraft and helicopters.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SK5-2011U SK6056Y2 (en) | 2011-01-12 | 2011-01-12 | Four-stroke internal combustion piston engines using fuel energy and energy exhaust |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SK5-2011U SK6056Y2 (en) | 2011-01-12 | 2011-01-12 | Four-stroke internal combustion piston engines using fuel energy and energy exhaust |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SK52011U1 SK52011U1 (en) | 2011-10-04 |
SK6056Y2 true SK6056Y2 (en) | 2012-03-02 |
Family
ID=44720272
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SK5-2011U SK6056Y2 (en) | 2011-01-12 | 2011-01-12 | Four-stroke internal combustion piston engines using fuel energy and energy exhaust |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
SK (1) | SK6056Y2 (en) |
-
2011
- 2011-01-12 SK SK5-2011U patent/SK6056Y2/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SK52011U1 (en) | 2011-10-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2826978A1 (en) | A two-stroke internal combustion engine, method operating a two-stroke internal combustion engine and method of converting a two-stroke engine | |
WO2007019082A9 (en) | Method and apparatus for operating an internal combustion engine | |
US9133808B2 (en) | Fuel injection system and method for a combustion engine | |
KR20140024390A (en) | Split cycle phase variable reciprocating piston spark ignition engine | |
US11215131B2 (en) | Internal combustion engine and method for controlling such an internal combustion engine | |
RU2338914C2 (en) | Internal combustion engine | |
CN103266950A (en) | Oil water fuel composite exhaust gas powered two-stroke engine | |
RU2324830C1 (en) | Free-piston gas generator of self-propelling engine with one compressor drive cylinder | |
CN204476553U (en) | Two-stroke pure oxygen motor waste expansion mechanism | |
SK6056Y2 (en) | Four-stroke internal combustion piston engines using fuel energy and energy exhaust | |
US20180149079A1 (en) | Spark-ignition engine with subsequent cylinders | |
SK122011U1 (en) | Double-stroke internal combustion piston engines using fuel energy and energy exhaust | |
Parashar et al. | Design and analysis of compressed air engine | |
Alqahtani et al. | Evaluation of the effect of variable compression ratios performance on opposed piston 2-stroke engine | |
US8875672B2 (en) | Engine system having dedicated cylinder-to-cylinder connection | |
RU2786859C1 (en) | Method and experimental system with independent supply air source for two-stroke ice | |
CN111094724B (en) | Internal combustion engine and method for controlling such an internal combustion engine | |
SK7026Y1 (en) | Four-stroke internal combustion engines and their combinations using energy of fuel and exhaust energy | |
CN104632362A (en) | Exhaust gas expanding mechanism for two-stroke pure oxygen engine | |
WO2003058043A1 (en) | A kind of structures of a reciprocating internal combustion engine | |
RU2280188C1 (en) | Internal combustion engine | |
RU101499U1 (en) | TWO STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
SK722012U1 (en) | Two-stroke internal combustion engines and their combinations using energy of fuel and exhaust energy | |
CN103382881A (en) | Cylinder pressure boost four stroke internal combustion engine | |
UA156198U (en) | Low-octane gas engine power supply system |