RU2023180C1 - Two-stroke internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of engines. SUBSTANCE: arranged in under-piston chamber is finned heat exchanger which has passages whose inlet is connected to the fuel tank and outlet is connected to the fuel tank or injector. Radiator may be mounted before the fuel tank; pump may be driven by the engine shaft. EFFECT: enhanced efficiency of engine and enhanced efficiency of cooling the fresh charge. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению. The invention relates to engine building.

Известны двигатели внутреннего сгорания (ДВС), содержащие цилиндр с поршнем и впускными отверстиями, к которым подключена система подачи свежего заряда, состоящая из по крайней мере одного компрессора и холодильника, соединенных последовательно [1 и 2]. Known internal combustion engines (ICE), containing a cylinder with a piston and inlets, to which a fresh charge supply system is connected, consisting of at least one compressor and a refrigerator connected in series [1 and 2].

Однако в известных технических решениях устройства охлаждения и сжатия свежего заряда не совмещены, в результате чего происходит чередование циклов охлаждения и сжатия. Это приводит к значительным потерям на сжатие, не позволяет достичь высоких КПД двигателя и эффективности охлаждения. However, in the known technical solutions, the cooling and compression devices of the fresh charge are not combined, as a result of which the cooling and compression cycles alternate. This leads to significant loss in compression, does not allow to achieve high engine efficiency and cooling efficiency.

Известен двухтактный ДВС, содержащий цилиндр, спаренные поршни со штоком, разделяющие внутрицилиндровый объем на рабочую надпоршневую камеру и две компрессорные камеры в межпоршневом пространстве, разделенные перегородками с клапанами, связанными с впускным трактом, рубашки охлаждения цилиндра, окружающие указанные камеры, и выполненные в штоке каналы для циркуляции охлаждающей жидкости [3]. Known two-stroke internal combustion engine containing a cylinder, twin pistons with a rod, dividing the inner cylinder volume on the working nadporshnevoy chamber and two compressor chambers in the piston space, separated by partitions with valves associated with the inlet tract, cylinder cooling shirts surrounding these chambers, and channels made in the rod for coolant circulation [3].

Однако рубашки цилиндра и каналы в штоке известного устройства служат в основном для охлаждения этих деталей двигателя, т.е. эффективность охлаждения заряда за счет снижения температуры этих элементов конструкции крайне низка. Увеличение же эффективности охлаждения заряда путем наращивания поверхности теплообмена в известном устройстве невозможно, поскольку внутренняя поверхность цилиндра и шток не могут быть оребрены. However, the cylinder shirts and channels in the stem of the known device serve mainly to cool these engine parts, i.e. the efficiency of charge cooling by lowering the temperature of these structural elements is extremely low. The increase in the cooling efficiency of the charge by increasing the heat transfer surface in the known device is impossible, since the inner surface of the cylinder and the rod cannot be finned.

Цель изобретения - повышение КПД двигателя путем увеличения эффективности охлаждения свежего заряда. The purpose of the invention is to increase engine efficiency by increasing the cooling efficiency of a fresh charge.

Для этого в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере один цилиндр с выполненными в нем выпускными окнами по меньшей мере поршень, размещенный в цилиндре, имеющий шток, связанный с валом, и разделяющий цилиндр на рабочую надпоршневую камеру и компрессорную подпоршневую камеру, ограниченную подпоршневой перегородкой и снабженную впускными отверстиями с клапанами, теплообменник, расположенный в компрессорной камере соосно с цилиндром и имеющий каналы с входным и выходным отверстиями, и топливоподающую систему, имеющую топливные бак, насос и по меньшей мере одну форсунку, теплообменник выполнен оребренным, а входное отверстие каналов теплообменника подключено к топливному насосу, выходное отверстие каналов теплообменника подключено к топливному баку или топливной форсунке, между выходным отверстием и топливным баком расположен топливный радиатор, а привод топливного насоса связан с валом. For this, in a two-stroke internal combustion engine containing at least one cylinder with exhaust ports made therein, at least a piston located in the cylinder, having a rod connected to the shaft, and separating the cylinder into a working over-piston chamber and a compressor under-piston chamber limited by a sub-piston a partition and equipped with inlet openings with valves, a heat exchanger located in the compressor chamber coaxially with the cylinder and having channels with inlet and outlet openings, and a fuel supply system mu having a fuel tank, pump and at least one nozzle, the heat exchanger is finned, and the inlet of the channels of the heat exchanger is connected to the fuel pump, the outlet of the channels of the heat exchanger is connected to the fuel tank or fuel nozzle, between the outlet and the fuel tank there is a fuel radiator, and the fuel pump drive is connected to the shaft.

Наличие в предлагаемом устройстве оребренного теплообменника и использование в качестве теплоносителя (хладагента) топлива, которое в свою очередь охлаждается перед поступлением в топливный бак с помощью топливоохлаждающего радиатора, обеспечивают более высокую по сравнению с прототипом, эффективность охлаждения свежего заряда в компрессорной камере, в результате чего уменьшается средняя температура сжатия заряда, снижается работа сжатия подпоршневого компрессора, возрастает наполнение цилиндра, а следовательно, и мощность двигателя и его КПД. На чертеже изображен цилиндр двигателя с подключенной топливоподающей системой (показана условно), осевой разрез. The presence in the proposed device of a finned heat exchanger and the use of fuel as a coolant (coolant), which, in turn, is cooled before entering the fuel tank using a fuel-cooling radiator, provides a higher efficiency of cooling a fresh charge in the compressor chamber compared to the prototype, as a result of which the average temperature of compression of the charge decreases, the compression work of the sub-piston compressor decreases, the filling of the cylinder increases, and therefore A and its efficiency. The drawing shows an engine cylinder with a connected fuel supply system (shown conditionally), axial section.

Двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2, топливную форсунку 3. Подпоршневая компрессорная камера 4 расположена между поршнем 2 и корпусом теплообменника вытеснителя 5, который размещен соосно с цилиндром 1 и снабжен ребрами 6. В теле теплообменника выполнены каналы с входным и выходным отверстиями 8, 9, которые соединены с топливоподающей системой двигателя. В стенке цилиндра 1 выполнены выпускные окна 10 рабочей надпоршневой камеры 11 и впускные отверстия 12 с клапанами 13, а в теле поршня установлен перепускной клапан 14, который расположен соосно с цилиндром 1. Топливопо- дающая система двигателя состоит из топливного бака 15, подкачивающего топливного насоса 16, топливного наcоcа 17 высокого давления, связанного с форсункой 3. На топливопроводе 18, соединяющем топливный насос 16 с входным отверстием 8, установлен запорный вентиль 19. На топливопроводе 29, соединяющем выходное отверстие 9 с топливным баком 15, установлен топливный радиатор 21, перед которым установлен перепускной клапан 22, соединенный с топливным насосом 17 высокого давления. The engine contains a cylinder 1, a piston 2, a fuel injector 3. A piston compressor chamber 4 is located between the piston 2 and the housing of the displacer 5 heat exchanger, which is placed coaxially with the cylinder 1 and is equipped with fins 6. In the body of the heat exchanger channels are made with inlet and outlet openings 8, 9 which are connected to the fuel supply system of the engine. In the wall of the cylinder 1, there are exhaust windows 10 of the working over-piston chamber 11 and inlets 12 with valves 13, and a bypass valve 14 is installed in the piston body, which is located coaxially with cylinder 1. The fuel supply system of the engine consists of a fuel tank 15, a fuel pump 16, a high pressure fuel pump 17 connected to the nozzle 3. A shut-off valve 19 is installed on the fuel pipe 18 connecting the fuel pump 16 to the inlet 8. On the fuel pipe 29 connecting the outlet 9 to the fuel tank 15, a fuel radiator 21 is installed in front of which a bypass valve 22 is connected to the high pressure fuel pump 17.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Подкачивающий насос 16 постоянно прокачивает топливо как хладагент через каналы 7 теплообменника 5, обеспечивая охлаждение поверхности ребер 6. Скорость и объем прокачиваемого топлива, а следовательно, температурный режим компрессора задается вентилем 19. В начале движения поршня 2 к верхней мертвой точке в замкнутой компрессорной камере 4 создается начальное разрежение, в результате чего открываются клапаны 13 впускных отверстий 12 и начинает поступать свежий заряд. Потоки заряда из отверстий 12 попадают непосредственно на охлаждаемую хладагентом оребренную поверхность 6 теплообменника 5 и проходят вдоль оребрения, эффективно охлаждаясь. При протекании свежего заряда снаружи теплообменника между его ребрами 6 температура заряда понижается, плотность возрастает, в результате чего в конце впуска (при подходе поршня 2 к верхней мертвой точке) в камере 4 скапливается масса газа больше, чем у прототипа. С началом рабочего хода поршня клапаны 13 закрываются и в камере 4 происходит сжатие свежего заряда при продолжающемся его охлаждении. При подходе поршня 2 к нижней мертвой точке (НМТ) открываются выпускные окна 10 и начинается выпуск отработавших газов. При достижении в камере 4 заданной степени сжатия открывается перепускной клапан 14 и начинается заполнение рабочей камеры 11 охлажденным зарядом, что способствует эффективной очистке камеры 11 от остатков отработавших газов и обеспечивает качественное наполнение цилиндра. Подогретое в теплообменнике 5 топливо подается по топливопроводу 20 в радиатор 21, который охлаждается воздухом, например от турбокомпрессора (не показан) и возвращается в бак 15. The booster pump 16 constantly pumps fuel as refrigerant through the channels 7 of the heat exchanger 5, providing cooling of the surface of the ribs 6. The speed and volume of the pumped fuel, and therefore, the temperature regime of the compressor, is set by valve 19. At the beginning of the movement of the piston 2 to the top dead center in the closed compressor chamber 4 an initial vacuum is created, as a result of which the valves 13 of the inlet openings 12 open and a fresh charge begins to flow. The charge flows from the openings 12 fall directly onto the finned surface 6 of the heat exchanger 5 cooled by the refrigerant and pass along the fins, cooling efficiently. When a fresh charge flows outside the heat exchanger between its ribs 6, the charge temperature decreases, the density increases, as a result, at the end of the inlet (when the piston 2 approaches the top dead center), more gas mass accumulates in the chamber 4 than the prototype. With the beginning of the piston stroke, the valves 13 are closed and in the chamber 4 there is a compression of the fresh charge with continued cooling. When the piston 2 approaches the bottom dead center (BDC), the exhaust windows 10 open and the exhaust begins. When the specified compression ratio is reached in the chamber 4, the bypass valve 14 opens and the working chamber 11 begins to be filled with a cooled charge, which contributes to the effective cleaning of the chamber 11 from the residual exhaust gases and ensures high-quality filling of the cylinder. The fuel heated in the heat exchanger 5 is fed through the fuel line 20 to the radiator 21, which is cooled by air, for example from a turbocharger (not shown) and returned to the tank 15.

При понижении температуры окружающей среды подогретое в теплообменнике 5 топливо при помощи перепускного клапана 23 попадает через насос 17 высокого давления и топливную форсунку 3 в рабочую камеру 11, излишки топлива возвращаются в топливный бак 15. When the ambient temperature drops, the fuel heated in the heat exchanger 5 with the bypass valve 23 enters through the high pressure pump 17 and the fuel nozzle 3 into the working chamber 11, the excess fuel is returned to the fuel tank 15.

Проведенные расчеты показывают, что при заявленной совокупности признаков работа сжатия в компрессорной камере уменьшается на 25%, дополнительное охлаждение воздуха (по сравнению с адиабатным процессом) 20-40^оС при степени сжатия в компрессорной камере 2-4. Эффективность ребра на стадии перепуска Е = 0,9827, а на стадии сжатия Е = 0,999, т.е. практически максимальна. The calculations show that at the stated features aggregate compression work in the compressor chamber is reduced by 25%, the additional cooling air (compared to the adiabatic process) 20-40 ° ^C under compression chamber in the compressor 2-4. The efficiency of the rib at the bypass stage is E = 0.9827, and at the compression stage, E = 0.999, i.e. almost maximum.

Claims (5)

1. ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с выполненными в нем выпускными окнами, по меньшей мере один поршень, размещенный в цилиндре, имеющий шток, связанный с валом и разделяющий цилиндр на рабочую надпоршневую камеру и компрессорную подпоршневую камеру, ограниченную подпоршневой перегородкой и снабженную впускными отверстиями с клапанами, теплообменник, расположенный в компрессорной камере соосно с цилиндром и имеющий каналы с входными и выходными отверстиями, и топливоподающую систему, имеющую топливный бак, насос и по меньшей мере одну форсунку, отличающийся тем, что теплообменник выполнен оребренным, а входное отверстие каналов теплообменника подключено к топливному насосу. 1. Two-stroke internal combustion engine, comprising at least one cylinder with exhaust ports made therein, at least one piston located in the cylinder, having a rod connected to the shaft and separating the cylinder into a working piston chamber and a compressor piston chamber limited by a piston a partition and provided with inlet openings with valves, a heat exchanger located in the compressor chamber coaxially with the cylinder and having channels with inlet and outlet openings, and a fuel supply system, having a fuel tank, a pump and at least one nozzle, characterized in that the heat exchanger is finned, and the inlet of the channels of the heat exchanger is connected to the fuel pump. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выходное отверстие каналов теплообменника подключено к топливному баку. 2. The engine according to claim 1, characterized in that the outlet of the channels of the heat exchanger is connected to the fuel tank. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выходное отверстие каналов теплообменника подключено к топливной форсунке. 3. The engine according to claim 1, characterized in that the outlet of the heat exchanger channels is connected to the fuel injector. 4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что между выходным отверстием и топливным баком расположен топливный радиатор. 4. The engine according to claim 2, characterized in that between the outlet and the fuel tank there is a fuel radiator. 5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что привод топливного насоса связан с валом. 5. The engine according to claims 1 to 4, characterized in that the fuel pump drive is connected to the shaft.

Images