RU2675162C1 - Hyperventilation method of a combustion chamber - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.SUBSTANCE: invention relates to engine building and can be used in gas distribution mechanism of internal combustion engine. Essence of the invention is in the fact that in exhaust gas tract exhaustion is created using energy of exhaust gases. Gas streams are separated at outlet in such a way that one stream passes through exhaust valve of increased diameter, and the second stream goes through exhaust valve for ventilation of combustion chamber. Next, the flows pass through the discharge manifold and the ventilation manifold to the ejection unit, where exhaust gases is ejector gas, and the ejected gas is the air from atmosphere entering through the intake and vent valves.EFFECT: technical result is to increase in engine power and to reduce in fuel consumption while reducing harmful substances in exhaust gases.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к моторостроению и может быть использовано в газораспределительном механизме двигателя внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering and can be used in the gas distribution mechanism of an internal combustion engine.

Известна система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания по патенту №2472950 с приоритетом от 20.04.2011 г., опубл. 27.10.2012 г., содержащая турбину, компрессор, газоподводящие каналы, впускной коллектор, перепускной клапан отработавших газов с пнемоэлементом, байпасный канал наддувочного воздуха, на котором установлен перепускной клапан надувочного воздуха, охладитель наддувочного воздуха и блок управления. К первому, второму, третьему, четвертому входам блока управления подключены соответственно датчики температуры и давления, установленные во впускном коллекторе, датчик положения органа топливоподачи и датчик частоты вращения коленчатого вала, установленные на двигателе. К выходам блока управления подключены соответственно перепускной клапан наддувочного воздуха и электромагнитный клапан, управляющий подводом надувочного воздуха в надмембранное пространство пневмоэлемента перепускного клапана отработавших газов.A known system of turbocharging an internal combustion engine according to patent No. 2472950 with a priority of 04/20/2011, publ. 10.27.2012, containing a turbine, a compressor, gas supply channels, an intake manifold, an exhaust gas bypass valve with an air element, a charge air bypass channel on which a charge air bypass valve, a charge air cooler and a control unit are installed. To the first, second, third, fourth inputs of the control unit are connected, respectively, temperature and pressure sensors installed in the intake manifold, a fuel position sensor and a crankshaft speed sensor mounted on the engine. The charge air bypass valve and the solenoid valve, which controls the supply of charge air to the supmembrane space of the pneumatic element of the exhaust gas bypass valve, are respectively connected to the control unit outputs.

Но данное устройство не позволяет избавиться от недостатков конструкции турбонаддува с использованием энергии выхлопных газов. Для создания давления наддувочного газа необходимо потратить энергию выхлопных газов, что означает потерю мощности на преодоление сопротивления турбины и соосного с ней компрессора. Кроме того, также не преодолена сложность конструкции, ее многодетальность и ограниченный ресурс, так как колеса турбины и компрессора соответсвенно, являются телами вращения и с соответсвующими эксплутационными требованиями, такими как создание условий для охлаждения турбины на холостом ходу, обеспечением подачи масла в зону масляного клина. Сложность, многодетальность, определенные условия эксплуатации только снижает надежность системы в целом. Кроме того, проблемой является эффект турбоямы, для преодоления которого приходится еще более усложнять конструкцию элементов турбонаддува.But this device does not allow to get rid of the design flaws of the turbocharger using the energy of exhaust gases. To create boost gas pressure, it is necessary to spend the energy of exhaust gases, which means loss of power to overcome the resistance of the turbine and the compressor coaxial with it. In addition, the complexity of the design, its many-sidedness and limited resource, as the wheels of the turbine and compressor, respectively, are bodies of rotation and with corresponding operational requirements, such as creating conditions for cooling the turbine at idle speed, providing oil supply to the oil wedge zone, is also not overcome. . Complexity, multi-detail, certain operating conditions only reduce the reliability of the system as a whole. In addition, the problem is the effect of the turbojama, to overcome which it is necessary to further complicate the design of the elements of the turbocharger.

Самым близким по своей технической сущности является устройство управления фазами газораспределения двигателя по патенту №2567478 с Конвенционным приоритетом 08.08.2011 JP 2011-172936; 23.02.2012 JP 2012-036887 опубликовано 10.11.2015 г., содержащее: механизм регулируемых фаз газораспределения, имеющий первый ротор, выполненный с возможностью вращаться синхронно с вращением коленчатого вала двигателя, и второй ротор, выполненный с возможностью вращаться вместе с распределительным валом двигателя и выполненный с возможностью вращения относительно первого ротора, причем механизм регулируемых фаз газораспределения выполнен с возможностью переменно регулировать фазы газораспределения впускного/выпускного клапана, открываемого и закрываемого посредством распределительного вала, посредством изменения относительных позиций вращения обоих из роторов в диапазоне перемещения между позицией максимального опережения по фазе и позицией максимального запаздывания по фазе; промежуточный стопорящий механизм, выполненный с возможностью ограничивать относительные позиции вращения обоих из роторов промежуточной застопоренной позицией, подходящей для запуска двигателя и расположенной посередине между позицией максимального опережения по фазе и позицией максимального запаздывания по фазе,The closest in its technical essence is a device for controlling the gas distribution phases of the engine according to patent No. 2567478 with Convention priority 08.08.2011 JP 2011-172936; 02/23/2012 JP 2012-036887 published November 10, 2015, comprising: a variable valve timing mechanism having a first rotor configured to rotate synchronously with the rotation of the engine crankshaft, and a second rotor configured to rotate together with the engine camshaft and made with the possibility of rotation relative to the first rotor, moreover, the mechanism of variable valve timing is configured to vary the valve timing of the intake / exhaust valve, openable and discontinuity through a camshaft, by changing the relative positions of rotation of the two rotors in the range of displacement between the position of maximum phase advance and the position of maximum phase delay; an intermediate locking mechanism configured to limit the relative rotation positions of both of the rotors with an intermediate locked position suitable for starting the engine and located in the middle between the position of the maximum phase advance and the position of maximum phase delay,

- причем механизм регулируемых фаз газораспределения и промежуточный стопорящий механизм приводятся в действие и управляются таким образом, чтобы устанавливать промежуточное застопоренное состояние, в котором относительные позиции вращения ограничены в промежуточной застопоренной позиции, когда определяется запрос на остановку двигателя, отличающееся тем, что оно содержит: средство определения промежуточного застопоренного состояния для определения того, установлено или нет промежуточное застопоренное состояние;- moreover, the variable valve timing mechanism and the intermediate locking mechanism are actuated and controlled in such a way as to establish an intermediate locked state in which the relative rotation positions are limited in the intermediate locked position when the engine shutdown request is determined, characterized in that it comprises: determining an intermediate locked state to determine whether or not an intermediate locked state has been established;

- средство остановки двигателя для выполнения процесса остановки двигателя, когда предварительно определенный период от определения запроса на остановку двигателя истек без определения промежуточного застопоренного состояния в пределах предварительно определенного периода; и средство продолжения отслеживания промежуточного застопоренного состояния для продолжения отслеживания промежуточного застопоренного состояния даже после того, как процесс остановки двигателя выполнен.- engine stop means for performing an engine stop process when a predetermined period from determining a request to stop the engine has expired without determining an intermediate locked state within a predetermined period; and means for continuing monitoring the intermediate locked state to continue monitoring the intermediate locked state even after the engine shutdown process is completed.

Но данное устройство не позволяет повысить надежность работы ДВС во всех режимах в силу своей многодетальности и сложности в управлении. Любое усложнение однозначно снижает надежность системы в целом. При внедрении в серийное производство потребуется изменение структуры сервисного обслуживания ДВС с данной системой.But this device does not allow to increase the reliability of the internal combustion engine in all modes due to its many details and complexity in management. Any complication definitely reduces the reliability of the system as a whole. When introduced into mass production, it will be necessary to change the structure of the engine service with this system.

Предлагаемый способ гипервентиляции камеры сгорания направлен на получение следующего технического результата: увеличение мощности двигателя и снижение расхода топлива при этом уменьшение вредных веществ в выхлопных газах.The proposed method of hyperventilation of the combustion chamber is aimed at obtaining the following technical result: an increase in engine power and a decrease in fuel consumption while reducing harmful substances in the exhaust gases.

Поставленная задача решается за счет того, что способ гипервентиляции камеры сгорания, заключается в том, что в выпускном тракте создают разряжение, используя энергию выхлопных газов, при этом газовые потоки разделяют на выпуске, таким образом, что один поток проходит через выпускной клапан увеличенного диаметра, а второй поток через выпускной клапан вентиляции камеры сгорания, далее потоки проходят по выпускному коллектору и коллектору вентиляции соответственно до узла эжекции, где эжекторным газом является выхлопные газы, а эжектируемым воздух из атмосферы, поступающий через впускной и вентиляционный клапана.The problem is solved due to the fact that the method of hyperventilation of the combustion chamber consists in creating a vacuum in the exhaust path using the energy of the exhaust gases, while the gas flows are separated at the outlet, so that one stream passes through the exhaust valve of increased diameter, and the second stream through the exhaust valve of the ventilation of the combustion chamber, then the flows pass through the exhaust manifold and ventilation manifold, respectively, to the ejection unit, where the ejector gas is the exhaust gas, and ejected air from the atmosphere coming in through the inlet and ventilation valves.

При этом,Wherein,

- I-й цилиндр - рабочий ход, все клапана закрыты;- I-cylinder - stroke, all valves are closed;

- II-цилиндр - выпуск, открыт клапан выпуска отработанных газов в выпускной коллектор, клапан вентиляции закрыт;- II-cylinder - exhaust, the valve for exhaust gas to the exhaust manifold is open, the ventilation valve is closed;

- III-й цилиндр - сжатие, все клапана закрыты;- III cylinder - compression, all valves are closed;

- IV-й цилиндр - впуск, открыт впускной клапан и в момент перекрытия клапанов в высшей мертвой точке открыт клапан вентиляции, идет вентиляция камеры сгорания за счет разряжения в коллекторе вентиляции. Для создания разряжения в выпускном тракте используется энергия выхлопных газов за счет чего происходит более полное сгорание топлива и, следовательно происходит уменьшение вредных веществ в выхлопных газах. Для эффективной вентиляции камеры сгорания газовые потоки разделяют на выпуске, таким образом, что остается один выпускной клапан, но увеличенного диаметра, а второй выпускной клапан становится клапаном вентиляции камеры сгорания, что обеспечивает более эффективное сгорание топлива и повышается мощность двигателя. Пример работы показан на работе 4-го цилиндра. Поршень 4-го цилиндра находится в точке ВМТ (верхняя мертвая точка). В этот момент происходит перекрытие клапанов. Впускной клапан уже открыт, и еще открыт клапан вентиляции. Газовые потоки с выпускных клапанов и клапанов вентиляции разделены и проходят по выпускному коллектору и коллектору вентиляции соответственно до узла эжекции. Роль эжекторного газа играют выхлопные газы, роль эжектируемого - чистый воздух из атмосферы через впускной клапан, клапан вентиляции в момент перекрытия клапанов на 4-м цилиндре. В классическом варианте эжекции газа газом на одну единицу эжекторного газа приходится 3 единицы эжектируемого газа. В предлагаемом способе роль эжекторного газа играют горячие выхлопные газы, имеющие гораздо больший объем, чем эжектируемый газ, за счет чего узел эжекции работает как вакуумный насос. При протягивании газов через кольцевые зазоры клапанов между вентиляционным клапаном и седлом клапана разрежение работает гораздо эффективнее, чем нагнетание. Выпускной тракт ДВС состоит из двух коллекторов - выпускного коллектора и коллектора вентиляции. Они разделены на всем пути газовых потоков от клапанов до эжектора. Таким образом, разделив газовые потоки и направив их в узел эжекции, изменив работу клапанов выпускного тракта, заменив один клапан выпуска на клапан вентиляции, обеспечивается устойчивая и эффективная вентиляция камеры сгорания ДВС на всех режимах работы двигателя. Уменьшение вредных веществ в выхлопных газах происходит за счет более полного сгорания топлива, снижается расход топлива за счет более эффективного сгорания, повышается мощность двигателя. Таким образом, предлагаемый способ гипервентиляции камеры сгорания лишен всех недостатков прототипа и классического турбонаддува или турбонаддува с эжекцией выхлопных газов, как на прототипе фирмы Ниссан.- The fourth cylinder is the inlet, the inlet valve is open, and at the moment of shutting off the valves, the ventilation valve is open at the highest dead center, the combustion chamber is being ventilated due to discharge in the ventilation manifold. To create a vacuum in the exhaust tract, the energy of the exhaust gases is used, due to which there is a more complete combustion of the fuel and, consequently, the reduction of harmful substances in the exhaust gases. For efficient ventilation of the combustion chamber, gas flows are separated at the outlet, so that one exhaust valve remains, but of an increased diameter, and the second exhaust valve becomes a ventilation valve of the combustion chamber, which provides more efficient combustion of the fuel and increases engine power. An example of work is shown on the 4th cylinder. The piston of the 4th cylinder is located at TDC (top dead center). At this point, the valves overlap. The inlet valve is already open, and the ventilation valve is still open. The gas flows from the exhaust valves and ventilation valves are separated and pass through the exhaust manifold and ventilation manifold, respectively, to the ejection unit. The role of ejector gas is played by exhaust gases, the role of ejected gas is pure air from the atmosphere through the inlet valve, the ventilation valve at the moment the valves are closed on the 4th cylinder. In the classical version of gas ejection with gas, one unit of ejector gas accounts for 3 units of ejected gas. In the proposed method, the role of the ejector gas is played by hot exhaust gases having a much larger volume than the ejected gas, due to which the ejection unit operates as a vacuum pump. When gases are drawn through the annular clearance of the valves between the ventilation valve and the valve seat, vacuum is much more efficient than pumping. The exhaust path of the internal combustion engine consists of two collectors - the exhaust manifold and the ventilation manifold. They are separated along the entire path of gas flows from valves to the ejector. Thus, by separating the gas flows and directing them to the ejection unit, changing the operation of the valves of the exhaust tract, replacing one exhaust valve with a ventilation valve, stable and efficient ventilation of the combustion engine of the internal combustion engine in all engine operating modes is ensured. Reduction of harmful substances in exhaust gases occurs due to more complete combustion of fuel, fuel consumption is reduced due to more efficient combustion, engine power is increased. Thus, the proposed method of hyperventilation of the combustion chamber is devoid of all the disadvantages of the prototype and the classic turbocharger or turbocharger with ejection of exhaust gases, as on the prototype of Nissan.

Суть технического решения поясняется чертежами где, на фигуре 1, 2 изображена схема двигателя внутреннего сгорания, в качестве примера взят 4-х цилиндровый ДВС, хотя техническое решение реализуемо на любом количестве цилиндров и любом типе ДВС. Фигура 1- цилиндр в цикле выпуска 1, цилиндр в цикле впуска 2, выпускной коллектор 4, коллектор вентиляции 5, узел эжекции 6, клапан вентиляции 8, клапан выпуска 9. На фигуре 2 изображены: цилиндр в цикле впуска 2, впускной коллектор 3, клапан впуска 7. На фигуре 3 изображена схема распределения потоков - впускной коллектор 3, выпускной коллектор 4, коллектор вентиляции 5, узел эжекции 6, клапан впуска 7, клапан вентиляции 8, клапан выпуска 9.The essence of the technical solution is illustrated by the drawings, where, in figures 1, 2, a diagram of the internal combustion engine is shown, a 4-cylinder internal combustion engine is taken as an example, although the technical solution is implemented on any number of cylinders and any type of internal combustion engine. Figure 1 - cylinder in the exhaust cycle 1, cylinder in the intake cycle 2, exhaust manifold 4, ventilation manifold 5, ejection unit 6, ventilation valve 8, exhaust valve 9. Figure 2 shows: cylinder in the intake cycle 2, intake manifold 3, intake valve 7. Figure 3 shows a flow distribution diagram — intake manifold 3, exhaust manifold 4, ventilation manifold 5, ejection unit 6, intake valve 7, ventilation valve 8, exhaust valve 9.

Способ гипервентиляции камеры сгорания осуществляется следующим образом. Работа системы показана на работе 4-го цилиндра, находящегося в цикле впуска. Поршень 4-го цилиндра находится в точке ВМТ, верхней точке. В этот момент происходит перекрытие клапанов, Уже открыт впускной клапан 7, (фигура 2, 3) и еще открыт клапан вентиляции 8, (фигура 1, 3). Газовые потоки с выпускных клапанов 9, (фигура 1,3) и клапанов вентиляции 8, (фигура 1, 3) разделены и проходят по выпускному коллектору 4, (фигура 1, 3) и коллектору вентиляции 5, соответственно до узла эжекции 6 (фигура 1, 3). Роль эжекторного газа играют выхлопные газы, роль эжектируемого - чистый воздух из атмосферы через впускной клапан 7, (фигура 2), клапан вентиляции 8 в момент перекрытия клапанов 7 и 8 на 4-м цилиндре в момент впуска. Роль эжекторного газа играют горячие выхлопные газы, имеющие гораздо больший объем, чем эжектируемый газ, за счет чего, узел эжекции 6 работает как вакуумный насос. При протягивании газов через кольцевые зазоры между вентиляционным клапанами и седлами клапанов разрежение работает гораздо эффективнее, чем нагнетание. Выпускной тракт ДВС в нашем случае состоит из двух коллекторов - выпускного коллектора 4 и коллектора вентиляции 5, (фигура 1, 3). Они разделены на всем пути газовых потоков от клапанов выпуска 9 и клапанов вентиляции 8 соответственно до эжектора 6. Работа клапанов происходит следующим образом:The method of hyperventilation of the combustion chamber is as follows. The operation of the system is shown on the 4th cylinder in the intake cycle. The piston of the 4th cylinder is located at TDC, the top point. At this point, the valves overlap. The inlet valve 7, (figure 2, 3) is already open and the ventilation valve 8, (figure 1, 3) is still open. The gas flows from the exhaust valves 9, (figure 1,3) and ventilation valves 8, (figure 1, 3) are separated and pass through the exhaust manifold 4, (figure 1, 3) and the ventilation manifold 5, respectively, to the ejection unit 6 (figure 13). The role of ejector gas is played by exhaust gases, the role of ejected gas is clean air from the atmosphere through the inlet valve 7, (figure 2), the ventilation valve 8 at the moment of shutting off of valves 7 and 8 on the 4th cylinder at the time of inlet. The role of the ejector gas is played by hot exhaust gases, which have a much larger volume than the ejected gas, due to which, the ejection unit 6 works like a vacuum pump. When pulling gases through the annular gaps between the ventilation valves and valve seats, vacuum is much more efficient than pumping. The exhaust path of the internal combustion engine in our case consists of two collectors - the exhaust manifold 4 and the ventilation manifold 5, (figure 1, 3). They are divided along the entire path of gas flows from the exhaust valves 9 and ventilation valves 8, respectively, to the ejector 6. The operation of the valves is as follows:

- I-й цилиндр - рабочий ход, все клапана закрыты;- I-cylinder - stroke, all valves are closed;

- II-цилиндр - выпуск 1, открыт клапан выпуска 9 отработанных газов в выпускной коллектор 4, клапан вентиляции 8 закрыт;- II-cylinder - exhaust 1, the exhaust valve 9 for the exhaust gases in the exhaust manifold 4 is open, the ventilation valve 8 is closed;

- III-й цилиндр - сжатие, все клапана закрыты;- III cylinder - compression, all valves are closed;

- IV-й цилиндр - впуск, открыт впускной клапан 7 и в момент перекрытия клапанов в высшей мертвой точке открыт клапан вентиляции 8, идет вентиляция камеры сгорания за счет разряжения в коллекторе вентиляции 5.- IV cylinder - inlet, inlet valve 7 is open, and at the moment of shutting off the valves, the ventilation valve 8 is open at the highest dead center, the combustion chamber is being ventilated due to discharge in the ventilation manifold 5.

Совокупность признаков нова и позволяет уменьшить выброс вредных веществ в выхлопных газах за счет более полного сгорания топлива, при этом снизить расход топлива за счет более эффективного сгорания топлива, и повысить мощность двигателя.The combination of features is new and allows to reduce the emission of harmful substances in exhaust gases due to more complete combustion of fuel, while reducing fuel consumption due to more efficient combustion of fuel, and increasing engine power.

Claims (1)

Способ гипервентиляции камеры сгорания, заключающийся в том, что в выпускном тракте создают разрежение, используя энергию выхлопных газов, при этом газовые потоки разделяют на выпуске таким образом, что один поток проходит через выпускной клапан увеличенного диаметра, а второй поток – через выпускной клапан вентиляции камеры сгорания, далее потоки проходят по выпускному коллектору и коллектору вентиляции, соответственно, до узла эжекции, где эжекторным газом являются выхлопные газы, а эжектируемым – воздух из атмосферы, поступающий через впускной и вентиляционный клапаны.The method of hyperventilation of the combustion chamber, which consists in the fact that a vacuum is created in the exhaust duct using the energy of the exhaust gases, while the gas flows are separated at the exhaust so that one flow passes through an exhaust valve of increased diameter, and the second flow through the exhaust valve of the chamber ventilation combustion, then the flows pass through the exhaust manifold and ventilation manifold, respectively, to the ejection unit, where the ejector gas is the exhaust gas, and the ejected air is the air from the atmosphere es inlet and vent valves.

Images