RU2031221C1 - Method of operation of internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: method includes supplying charge into cylinder, supplying cooling charge in a space heated by heat of combustion products of charge, compressing the charge in the cylinder, compressing and heating the cooling charge in the space, igniting the charge, burning out the charge, expanding combustion products in the cylinder which is accompanied with doing mechanical work, discharging exhaust gases from the cylinder, and discharging heated cooling charge from the space. The heated cooling charge is expanded and heated upstream of the outlet of the space that is accompanied with doing additional mechanical work. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), утилизирующих тепло, не используемое в рабочем процессе. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to methods of operation of internal combustion engines (ICE), utilizing heat not used in the working process.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, окружающую цилиндр, сжатия в цилиндре рабочего заряда с одновременным вытеснением нагретого охлаждающего заряда из полости, воспламенения рабочего заряда, его сгорания и расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы и одновременным впуском свежего охлаждающего заряда в полость, выпуска отработавших газов из цилиндра [1]. A known method of operating an internal combustion engine by introducing a working charge into the cylinder, supplying a cooling charge to the cavity surrounding the cylinder, compressing the working charge in the cylinder while displacing the heated cooling charge from the cavity, igniting the working charge, burning it and expanding the combustion products in the cylinder with mechanical work and the simultaneous inlet of a fresh cooling charge into the cavity, exhaust exhaust from the cylinder [1].

Однако в известном способе не предусмотрено использование энергии, полученной охлаждающим зарядом в нагретой полости, для совершения полезной работы и повышения КПД. However, in the known method does not provide for the use of energy obtained by the cooling charge in a heated cavity to perform useful work and increase efficiency.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и продувки цилиндра нагретым охлаждающим зарядом [2]. A known method of operating an internal combustion engine by admitting a working charge into a cylinder, supplying a cooling charge to a cavity heated by heat of the products of combustion of the working charge, compressing the working charge in the cylinder, igniting the working charge, burning it, expanding the combustion products in the cylinder with mechanical work, releasing exhaust gases from the cylinder and blowing the cylinder with a heated cooling charge [2].

Однако в этом известном способе также не используется энергия нагретого охлаждающего заряда для совершения дополнительной механической работы. However, in this known method, the energy of the heated cooling charge is also not used to perform additional mechanical work.

Цель изобретения - повышение КПД. The purpose of the invention is improving efficiency.

Указанная цель достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости, перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряда расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы. В частном случае расширение нагретого охлаждающего заряда осуществляют одновременно с расширением продуктов сгорания в цилиндре. This goal is achieved by the fact that in the method of operating an internal combustion engine by introducing a working charge into the cylinder, supplying a cooling charge to a cavity heated by the heat of the products of combustion of the working charge, compressing the working charge in the cylinder, compressing and heating the cooling charge in the cavity, igniting the working charge, its combustion, expansion of combustion products in the cylinder with mechanical work, exhaust gas from the cylinder and the release of the heated cooling charge from the cavity, before discharge from the cavity to the heated cooling charge is expanded while continuing to heat, with additional mechanical work. In the particular case, the expansion of the heated cooling charge is carried out simultaneously with the expansion of the combustion products in the cylinder.

Положительный эффект - повышение КПД двигателя - достигается именно за счет расширения с совершением дополнительной работы нагреваемого охлаждающего заряда. Таким образом, охлаждающий заряд, сохраняя функцию поддержания требуемого температурного режима двигателя, играет роль дополнительного рабочего тела, внутренняя энергия которого повышается не за счет собственного горения, а путем нагрева от ушедшего в элементы конструкции, в частности в стенки цилиндра, тепла продуктов сгорания топливного заряда, в том числе и отработавших газов. A positive effect - an increase in engine efficiency - is achieved precisely due to expansion with additional work of the heated cooling charge. Thus, the cooling charge, while maintaining the function of maintaining the required temperature of the engine, plays the role of an additional working fluid, the internal energy of which increases not due to its own combustion, but by heating from the heat of the combustion products of the fuel charge that has gone into the structural elements, in particular into the cylinder walls , including exhaust gases.

Предлагаемый способ может быть реализован как в двух-, так и четырехтактных двигателях, однако в нагреваемой полости процесс в любом случае идет по двухтактному циклу. В качестве охлаждающего заряда могут использоваться различные газообразные вещества, поскольку процессы газообмена в цилиндре и в нагреваемой полости идут независимо, т.е. без смешения и непосредственного контакта рабочего и охлаждающего зарядов. The proposed method can be implemented in both two- and four-stroke engines, however, in a heated cavity, the process in any case proceeds in a two-stroke cycle. Various gaseous substances can be used as a cooling charge, since gas exchange processes in the cylinder and in the heated cavity proceed independently, i.e. without mixing and direct contact of the working and cooling charges.

Работа двигателя по заявляемому способу поясняется фиг. 1 и 2, на которых изображен продольный разрез цилиндра при расположении поршня в верхней и нижней мертвой точках соответственно. The operation of the engine according to the claimed method is illustrated in FIG. 1 and 2, which depict a longitudinal section of the cylinder with the piston at the top and bottom dead center, respectively.

Двигатель содержит два коаксиальных цилиндра: внутренний 1 и наружный 2, между которыми расположена кольцевая полость 3, головку цилиндров 4, поршень, связанный с преобразовательным механизмом (не показан) и имеющий два ступени - меньшего диаметра 5 и большего диаметра 6. Первая ступень 5 поршня образует со стенками внутреннего цилиндра 1 и головкой цилиндров 4 рабочую камеру 7 переменного объема (камеру первого контура двигателя). Вторая ступень 6 поршня образует между внутренними стенками наружного цилиндра 2 и боковыми стенками первой ступени 5 поршня камеру переменного объема 8, постоянно соединенную с кольцевой полостью 3 (камера второго контура двигателя). В головке цилиндров 4 расположены форсунка 9, впускной 10 и выпускной 11 клапаны, с помощью которых осуществляется газообмен в камере 7 первого контура двигателя. В стенках наружного цилиндра 2 выполнены впускные 12 и выпускные 13 окна. Впускные окна 12 окружены впускным коллектором 14 с автоматическим клапаном 15, сообщающим кольцевую полость 3 второго контура с нагнетателем (не показан). Соответственно выпускные окна 13 окружены выпускным коллектором 16, снабженным автоматическим клапаном 17 для изоляции масляного картера (подпоршневого пространства) от внешней среды. Внутренний цилиндр 1 может иметь оребрение 18 в полости 3 для интенсификации теплообмена во втором контуре двигателя. The engine contains two coaxial cylinders: an inner 1 and an outer 2, between which there is an annular cavity 3, a cylinder head 4, a piston connected to a conversion mechanism (not shown) and having two stages — a smaller diameter 5 and a larger diameter 6. The first stage 5 of the piston forms a working chamber 7 of variable volume with the walls of the inner cylinder 1 and the cylinder head 4 (chamber of the primary circuit of the engine). The second piston stage 6 forms between the inner walls of the outer cylinder 2 and the side walls of the first piston stage 5 a chamber of variable volume 8, which is constantly connected to the annular cavity 3 (chamber of the second engine circuit). In the cylinder head 4 there are nozzle 9, inlet 10 and outlet 11 valves, with which gas is exchanged in the chamber 7 of the primary engine circuit. In the walls of the outer cylinder 2 are made inlet 12 and outlet 13 windows. The inlet windows 12 are surrounded by an inlet manifold 14 with an automatic valve 15 communicating the annular cavity 3 of the second circuit with a supercharger (not shown). Accordingly, the outlet windows 13 are surrounded by an exhaust manifold 16 provided with an automatic valve 17 for isolating the oil sump (sub-piston space) from the external environment. The inner cylinder 1 may have a rib 18 in the cavity 3 to enhance heat transfer in the second circuit of the engine.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Газообмен в рабочей камере 7 первого контура происходит по обычному четырехтактному дизельному циклу. В установившемся режиме стенки внутреннего цилиндра 1 и головка цилиндров 4 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива, впрыскиваемого форсункой 9 в рабочую камеру 7. Второй контур двигателя, включающий полости 3 и 8, работает по двухтактному циклу. При этом во время движения поршня к ВМТ происходит сжатие воздушного заряда второй ступенью 6 поршня за счет уменьшения объема камеры 8. При повышении давления во втором контуре клапаны 15 закрываются. Сжимаемый между ребрами 18 в полости 3 воздушный заряд охлаждает стенки внутреннего цилиндра 1 и частично головку цилиндров 4, нагреваясь при этом как от тепла стенок, так и от сжатия. Температура и давление охлаждающего заряда повышаются вплоть до подхода поршня к ВМТ. При обратном движении поршня к НМТ во втором контуре продолжается нагрев и происходит расширение нагреваемого охлаждающего заряда, который воздействует на вторую ступень 6 поршня, совершая при этом полезную работу, дополнительную к основной работе, совершаемой при расширении продуктов сгорания в рабочей камере 7 первого контура. При подходе поршня к НМТ вторая ступень его открывает выпускные окна 13. Под действием повышенного давления газов второго контура открываются клапаны 17 выпускного коллектора 16 - происходит выпуск нагретого отработавшего охлаждающего заряда из полости 8. Затем из-за перепада давлений на выходе нагнетателя и в полости 3 открываются клапаны 15 впускного коллектора 14 и второй контур наполняется свежим воздушным охлаждающим зарядом. Омывая внутренние поверхности полостей 3 и 8, свежий заряд начинает нагреваться. При прохождении поршнем НМТ выпускные окна 13 закрываются. Начинается сжатие свежего заряда в полостях 3 и 8. Цикл повторяется. Gas exchange in the working chamber 7 of the first circuit occurs in the usual four-cycle diesel cycle. In the steady state, the walls of the inner cylinder 1 and the cylinder head 4 are heated by the heat of the products of combustion of fuel injected by the nozzle 9 into the working chamber 7. The second engine circuit, including cavities 3 and 8, operates on a push-pull cycle. Moreover, during the movement of the piston to the TDC, the air charge is compressed by the second stage 6 of the piston due to a decrease in the volume of the chamber 8. When the pressure in the second circuit increases, the valves 15 close. Compressed between the ribs 18 in the cavity 3, an air charge cools the walls of the inner cylinder 1 and partially the cylinder head 4, being heated both from the heat of the walls and from compression. The temperature and pressure of the cooling charge increase until the piston approaches TDC. When the piston moves back to the BDC in the second circuit, heating continues and the heated cooling charge expands, which acts on the second piston stage 6, while doing useful work additional to the main work performed when the combustion products expand in the working chamber 7 of the primary circuit. When the piston approaches the BDC, the second stage opens the exhaust windows 13. Under the action of the increased pressure of the gases of the second circuit, the valves 17 of the exhaust manifold 16 open - the heated spent cooling charge is released from the cavity 8. Then, due to the pressure difference at the outlet of the supercharger and in the cavity 3 the valves 15 of the intake manifold 14 open and the second circuit is filled with fresh air cooling charge. Washing the internal surfaces of cavities 3 and 8, the fresh charge begins to heat up. With the passage of the piston of the BDC, the exhaust windows 13 are closed. Compression of the fresh charge begins in cavities 3 and 8. The cycle repeats.

Таким образом, воздух второго контура охлаждает нагретые поверхности, окружающие рабочую камеру первого контура, и является при этом рабочим телом, совершающим дополнительную полезную работу, что повышает эффективный КПД двигателя. Изменяя количество воздуха, поступающего от нагнетателя в полости второго контура, можно управлять мощностью и температурным режимом двигателя. Thus, the air of the second circuit cools the heated surfaces surrounding the working chamber of the first circuit, and is at the same time a working fluid that performs additional useful work, which increases the effective efficiency of the engine. By changing the amount of air coming from the supercharger in the cavity of the secondary circuit, it is possible to control the power and temperature conditions of the engine.

Очевидно, что индикаторный КПД второго контура, а следовательно, двигателя в целом, будет повышаться при увеличении температуры стенок цилиндра. Заметный прирост КПД начинается при разогреве стенок полости выше 400^оС. Однако такие температуры крайне нежелательны в традиционных ДВС, использующих масло для смазки цилиндро-поршневой группы. Поэтому заявляемый способ будет наиболее эффективен в двигателях, работающих без смазки или без компрессионных колец в ЦПГ и использующих новые конструкционные жаропрочные материалы, в частности, обладающие низким коэффициентом трения.It is obvious that the indicator efficiency of the second circuit, and therefore, the engine as a whole, will increase with increasing temperature of the cylinder walls. A noticeable increase in efficiency when heating begins cavity walls above 400 ^C. However, such temperatures is highly undesirable in traditional internal combustion engines using oil for the lubrication of the cylinder-piston group. Therefore, the inventive method will be most effective in engines running without lubrication or without compression rings in the CPG and using new structural heat-resistant materials, in particular, having a low coefficient of friction.

Claims (2)

1. СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости, отличающийся тем, что перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы. 1. WAY OF WORKING THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE by admitting a working charge into the cylinder, supplying a cooling charge to the cavity heated by the heat of the combustion products, compressing the working charge in the cylinder, compressing and heating the cooling charge in the cavity, igniting the working charge, burning it, expanding the products combustion in the cylinder with mechanical work, exhaust gas from the cylinder and the release of the heated cooling charge from the cavity, characterized in that before the release of the cavity, the heated cooling conductive charge expanded, continuing heating, the commission additional mechanical work. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширение нагретого охлаждающего заряда осуществляют одновременно с расширением продуктов сгорания в цилиндре. 2. The method according to claim 1, characterized in that the expansion of the heated cooling charge is carried out simultaneously with the expansion of the combustion products in the cylinder.

Images