RU2746820C2 - Method for internal combustion engine operation - Google Patents
Method for internal combustion engine operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746820C2 RU2746820C2 RU2018140801A RU2018140801A RU2746820C2 RU 2746820 C2 RU2746820 C2 RU 2746820C2 RU 2018140801 A RU2018140801 A RU 2018140801A RU 2018140801 A RU2018140801 A RU 2018140801A RU 2746820 C2 RU2746820 C2 RU 2746820C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piston
- cylinder
- engine
- internal combustion
- combustion
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
- F02B41/02—Engines with prolonged expansion
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено для усовершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для наземного транспорта и малой авиации.The invention relates to engine building and can be used to improve piston internal combustion engines intended for land transport and small aircraft.
Указанному применению по весогабаритным параметрам более всего соответствуют поршневые двигатели внутреннего сгорания (далее ДВС), работающие по циклу Отто (см. например: ШИФРИН Д.М. Тепловые двигатели. Часть 1. Гос. издательство машиностроительной литературы. М., 1962 г., c. 100-222). В идеале, рабочий процесс таких двигателей состоит в предварительном приготовлении сжатой топливовоздушной смеси, которую помещают в закрытую камеру, в которой смесь поджигают, сохраняя объем практически постоянным в течение всего времени сгорания, а затем полученные продукты сгорания расширяют, увеличивая объем камеры путем перемещения поршня, и передают работу поршня на выходной вал двигателя. Таким образом, в идеале, реализуется термодинамический цикл Отто, состоящий в последовательно совершаемых процессах: адиабатического сжатия, изохорического сгорания и адиабатического расширения.In terms of weight and dimensions, the indicated application is most suitable for reciprocating internal combustion engines (hereinafter ICE) operating according to the Otto cycle (see for example: DM SHIFRIN Thermal engines. Part 1. State publishing house of machine-building literature. M., 1962, p. 100-222). Ideally, the working process of such engines consists in preliminary preparation of a compressed air-fuel mixture, which is placed in a closed chamber, in which the mixture is ignited, keeping the volume practically constant during the entire combustion time, and then the resulting combustion products expand, increasing the volume of the chamber by moving the piston. and transfer the work of the piston to the output shaft of the engine. Thus, ideally, the Otto thermodynamic cycle is realized, which consists of successively performed processes: adiabatic compression, isochoric combustion and adiabatic expansion.
Чаще всего сжатие, сгорание и расширение производят в одном и том же цилиндре. Конструктивно это кажется наиболее простым решением. Однако оно осложняется проблемой организации газообмена, из за которого приходится выделять половину рабочего времени поршня на впуск и выпуск (4-тактный цикл), или применять не совсем обратимую, т.е. довольно диссипативную, операцию продувки цилиндра в нижней мертвой точке (2-тактный цикл). Если же использовать для сжатия и расширения разные цилиндры, или разные полости одного цилиндра, то удается корректно осуществить весь цикл за один оборот коленвала. Это используется в различных вариантах реализации двигателя с так называемым разделенным циклом.Most often, compression, combustion and expansion are performed in the same cylinder. Structurally, this seems to be the simplest solution. However, it is complicated by the problem of organizing gas exchange, because of which it is necessary to allocate half of the working time of the piston for inlet and outlet (4-stroke cycle), or use a not completely reversible one, i.e. rather dissipative, cylinder purging operation at bottom dead center (2-stroke cycle). If we use different cylinders for compression and expansion, or different cavities of one cylinder, then it is possible to correctly carry out the entire cycle in one revolution of the crankshaft. This is used in various so-called split-cycle engine implementations.
Наиболее известным представителем такой конструкции является двигатель Кармело Скудери (США) (см. патент РФ №2286470, 2002-2006 г.г. Фиг. 7). По сути, в нем реализуется тот же указанный выше способ работы, что и в обычных двигателях, работающих по циклу Отто (за некоторыми параметрическим отклонениями, рациональность которых находится в противоречии с научными представлениями). Однако, формально, представленная в указанном патенте схема двигателя более других подходит для анализа недостатков способа работы ДВС по циклу Отто, т.к. в этой схеме присутствуют все конструктивные элементы, необходимые для осуществления предлагаемого способа работы ДВС, отличающегося от цикла Отто, а также присутствуют два существенных признака, необходимых для предлагаемого способа, состоящих в разделенности процессов сжатия и расширения, а также в том, что поршень, в момент начала всасывания горючей смеси, находится максимально близко к крышке цилиндра.The most famous representative of this design is the Carmelo Scuderi engine (USA) (see RF patent No. 2286470, 2002-2006, Fig. 7). In fact, it implements the same method of operation indicated above as in conventional engines operating according to the Otto cycle (for some parametric deviations, the rationality of which is in conflict with scientific ideas). However, formally, the engine diagram presented in this patent is more suitable than others for analyzing the disadvantages of the ICE operation method according to the Otto cycle, since this scheme contains all the structural elements necessary for the implementation of the proposed method of operation of the internal combustion engine, which differs from the Otto cycle, and there are also two essential features necessary for the proposed method, consisting in the separation of the compression and expansion processes, as well as the fact that the piston, in the moment of the beginning of the suction of the combustible mixture is as close as possible to the cylinder cover.
Рассмотрим недостатки способа работы ДВС по циклу Отто с использованием в качестве конкретизирующего конструктива двигатель, описанный в вышеуказанном патенте РФ и представленный, с несущественными сокращениями, на фиг. 1 настоящей заявки.Let us consider the disadvantages of the method of operating an internal combustion engine according to the Otto cycle using the engine described in the aforementioned RF patent and presented, with insignificant abbreviations, in FIG. 1 of this application.
Реализуемый в известном двигателе, наиболее близкий к предлагаемому, известный способ работы состоит в том, что предварительно приготовленную сжатую горючую смесь, находящуюся в специальной накопительной камере 1, всасывают через впускной клапан 2 силовым поршнем 3 в рабочий цилиндр 4. Причем существенно то, что в рассматриваемом прототипе, в начале всасывания, силовой поршень 3 находится максимально близко к крышке 5 цилиндра. После всасывания определенного объема горючей смеси в камеру сгорания 6, впускной клапан 2 закрывают и поджигают горючую смесь искровой свечой 7, производя т.о. процесс изохорического подвода теплоты, т.е. при постоянном объеме. Затем поршень 3 опускают, производя адиабатическое расширение продуктов сгорания с передачей работы поршня 3 на выходной вал двигателя. Часть этой работы используется для последующего адиабатического сжатия воздуха (или горючей смеси - безразлично), используемого в следующих циклах работы двигателя. Т.о., за исключением вышеуказанной, не имеющей принципиального значения, перестановки процессов сжатия и расширения, мы имеем цикл Отто. В рассматриваемом патенте делается упор на существенность процесса задержки момента зажигания на 30-60 градусов поворота коленвала после верхней мертвой точки. Но это является безусловным недостатком (не имеющим однако принципиального значения для проведения сравнительного анализа способов по существу). Несущественно также и смещение фазы работы отдельного компрессорного поршня, являющееся основным (по мнению Скудери) отличительным признаком его технического решения, т.к. между компрессором и рабочим цилиндром 4 имеется накопительная камера 1 (по сути - рессивер), объем которой можно (и нужно, как это сделано в последующих патентах Скудери) неограниченно увеличивать.Implemented in the known engine, the closest to the proposed one, the known method of operation consists in the fact that the pre-prepared compressed combustible mixture located in a special storage chamber 1 is sucked through the
Далее следовало бы, как обычно делается в заявках на изобретение, аргументировано указать на недостатки известного способа, устранение которых является целью заявляемого изобретения. Однако мы в силах устранить только то, что позволяют нам законы природы. Но обычно априори неизвестно, какие недостатки удастся устранить изобретением и какие получаться преимущества. Поэтому сначала лучше рассмотреть новое техническое решение, а затем посмотреть, чем оно лучше старого. Выявленные преимущества и будут рассматриваться в качестве «цели» изобретения.Further, as is usually done in applications for an invention, it would be argued to point out the disadvantages of the known method, the elimination of which is the purpose of the claimed invention. However, we can only eliminate what the laws of nature allow us. But usually it is not known a priori what disadvantages can be eliminated by the invention and what advantages will be obtained. Therefore, first it is better to consider the new technical solution, and then see how it is better than the old one. The identified advantages and will be considered as the "object" of the invention.
Предлагается способ работы ДВС, состоящий в том, что предварительно приготовленную сжатую горючую смесь всасывают через впускной клапан в надпоршневое пространство рабочего цилиндра за счет опускании поршня от положения максимально близкого к крышке цилиндра. Отличие от рассмотренного выше прототипа состоит в том, что горючую смесь поджигают в самом начале процесса всасывания, располагая свечу зажигания на пути идущего от впускного клапана потока горючей смеси. При этом надпоршневое пространство рабочего цилиндра заполняется не горючей смесью, а пламенем, то есть горячими газами, находящимися в стадии горения. При этом горение происходит при постоянном давлении, т.е. изобарически, что обеспечивается за счет открытого впускного клапана, сохраняющего сообщение рабочего цилиндра с ресивером большого объема, в котором находится предварительно сжатая горючая смесь. Распространения горения через впускной клапан удается избежать из за того, что скорость потока в щели впускного клапана обычно намного больше скорости распространения пламени (если вообще пламя способно распространяться через зазор). Кроме того, всегда можно поставить во впускной кананал пламязаградительную металлическую сетку (как в шахтерской лампе Деви). После всасывания в цилиндр определенного объема горячего газа, являющегося к этому моменту времени уже продуктами практически завершенного процесса сгорания, впускной клапан закрывают, т.е. производят т.н. з. «отсечку впуска», как в паровой машине, и производят адиабатическое расширение продуктов сгорания. При этом момент отсечки впуска определяют из условия получения заданного коэффициента расширения продуктов сгорания, т.е. получения полного или почти полного расширения.The proposed method of operation of the internal combustion engine, which consists in the fact that a pre-prepared compressed combustible mixture is sucked through the inlet valve into the above-piston space of the working cylinder by lowering the piston from the position as close as possible to the cylinder cover. The difference from the prototype discussed above is that the combustible mixture is ignited at the very beginning of the suction process, placing the spark plug in the path of the combustible mixture flow coming from the inlet valve. In this case, the above-piston space of the working cylinder is filled not with a combustible mixture, but with a flame, that is, with hot gases in the combustion stage. In this case, combustion occurs at constant pressure, i.e. isobaric, which is ensured by the open inlet valve, which maintains the communication of the working cylinder with a large-volume receiver, in which the pre-compressed combustible mixture is located. Combustion propagation through the inlet valve is avoided because the flow rate in the inlet valve slit is usually much higher than the flame propagation rate (if at all, the flame is able to propagate through the gap). In addition, a flame retardant metal mesh (as in the Devi miner's lamp) can always be placed in the intake duct. After a certain amount of hot gas has been sucked into the cylinder, which at this point in time is already the product of an almost complete combustion process, the inlet valve is closed, i.e. produce the so-called. h. "Cutoff of the intake", as in a steam engine, and produce an adiabatic expansion of the combustion products. In this case, the intake cutoff moment is determined from the condition of obtaining a given expansion coefficient of the combustion products, i.e. obtaining a complete or almost complete expansion.
Предлагаемый способ работы ДВС, как и взятый за прототип способ работы двигателя с разделенным циклом, может обеспечить:The proposed ICE operation method, as well as the split-cycle engine operation method taken as a prototype, can provide:
а) полное расширение продуктов сгорания и, следовательно, позволяет избавиться от глушителя шума выпуска.a) complete expansion of combustion products and, therefore, allows you to get rid of the exhaust silencer.
б) как и в прототипе, облегчается процесс запуска двигателя, т.к. при запуске давление в ресивере нулевое и запуск начинается с нулевой степени сжатия, т.е. без толчка.b) as in the prototype, the process of starting the engine is facilitated, because at start-up, the pressure in the receiver is zero and the start-up begins with a zero compression ratio, i.e. without push.
в) как и в прототипе, обеспечивается двухтактность цикла без применения необратимых высоко диссипативных процессов продувки.c) as in the prototype, a two-stroke cycle is ensured without the use of irreversible highly dissipative blowing processes.
Однако, по сравнению с прототипом, имеются следующие дополнительные преимущества обусловленные переходом от изохорического процесса горения к изобарическому:However, in comparison with the prototype, there are the following additional advantages due to the transition from isochoric combustion to isobaric:
1. Устраняются условия для возникновения детонационного горения, т.к., в отличие от горения в закрытой камере, не происходит нарастания давления с соответствующим возрастанием температуры сжатия остаточных порций горючей смеси. В камере сгорания вообще отсутствует горючая смесь, т.к. в цилиндр впускается уже практически сгоревшая субстанция, причем она не подвергается дальнейшему сжатию. Таким образом, двигатель становится практически всетопливным, так что можно будет забыть о том, что такое «октановое число». Единственным требованиям к качеству топлива остается его испаряемость. Это удешевляет моторное топливо и увеличивает располагаемые его ресурсы.1. The conditions for the occurrence of detonation combustion are eliminated, since, in contrast to combustion in a closed chamber, there is no increase in pressure with a corresponding increase in the compression temperature of the residual portions of the combustible mixture. There is no combustible mixture in the combustion chamber at all, because the already practically burnt substance is admitted into the cylinder, and it is not subjected to further compression. Thus, the engine becomes almost all-fuel, so that you can forget about what the "octane number" is. The only requirement for fuel quality is its volatility. This reduces the cost of motor fuel and increases its available resources.
2. В связи с устранением высокотемпературного пика давления индикаторной диаграммы устраняются эффекты т.н.з. «закалки» продуктов, диссоциации, а также окислы азота в составе выхлопных газов. Т.о. можно обеспечить высокие требования к токсичности выхлопа без установки дорогостоящих каталитических дожигателей.2. In connection with the elimination of the high-temperature peak pressure of the indicator diagram, the effects of the so-called. "Hardening" of products, dissociation, as well as nitrogen oxides in the exhaust gases. So high emission requirements can be met without the need for expensive catalytic converters.
3. Срезание острого пика давления и замена его продолжительным плато на PV диаграмме дополнительно (по сравнению с вышеуказанным корректным переходом к двухтактности) снижает неравномерность крутящего момента на валу, являющуюся источником сильных вибраций в трансмиссии.3. Cutting off a sharp peak of pressure and replacing it with a long plateau on the PV diagram additionally (compared to the above correct transition to two-stroke) reduces the uneven torque on the shaft, which is a source of strong vibrations in the transmission.
4. Упрощается система зажигания, т.к. высоковольтная искровая свеча может, и даже должна, быть заменена калильной свечой зажигания, не требуя при этом каких либо дополнительных мер синхронизации ее работы (например в виде подбора силы накала свечи или подбора степени выступания ее в камеру сгорания). При этом свеча будет потреблять только низковольтное питание, причем только при запуске или при сильном снижении нагрузки, поддерживая в крейсерском режиме накал за счет горячих газов. Это также повышает надежность работы в крейсерском режиме, что очень важно для авиадвигателя, большинство отказов которого связано с электрической системой зажигания.4. The ignition system is simplified, because A high-voltage spark plug can, and even should, be replaced with a glow plug without requiring any additional measures to synchronize its operation (for example, in the form of selecting the glow strength of the plug or selecting the degree of its protrusion into the combustion chamber). In this case, the candle will consume only low-voltage power, and only at start-up or with a strong decrease in load, maintaining the glow in cruising mode due to hot gases. It also improves the reliability of cruise operation, which is very important for an aircraft engine, most of whose failures are associated with the electrical ignition system.
5. Уменьшается масса конструкции цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма, т.к. она пропорциональна произведению пикового давления цикла на ометаемый поршнем объем, т.е. пропорциональна так называемой габаритной площади индикаторной PV диаграммы цикла, которая, как будет доказано ниже, у изобарического цикла с полным расширением меньше, чем у изохорического цикла с полным расширением.5. The weight of the structure of the cylinder-piston group and the crank mechanism is reduced, because it is proportional to the product of the peak cycle pressure and the volume swept by the piston, i.e. is proportional to the so-called overall area of the indicator PV diagram of the cycle, which, as will be proved below, is less for an isobaric cycle with full expansion than for an isochoric cycle with full expansion.
6. Снимаются ограничения на максимальное число оборотов со стороны качества процессов сгорания, т.к. воспламенение горючей смеси производится путем непосредственного контакта каждого элемента объема горючей смеси с калильной свечой в процессе ее прохождения по впускному каналу, в котором свеча установлена. Таким образом устраняется ограниченный по скорости процесс самопроизвольного распространения пламени по объему камеры сгорания.6. The restrictions on the maximum number of revolutions on the part of the quality of combustion processes are removed, since Ignition of the combustible mixture is carried out by direct contact of each element of the volume of the combustible mixture with the glow plug during its passage through the inlet channel in which the plug is installed. Thus, the speed-limited process of spontaneous flame propagation through the volume of the combustion chamber is eliminated.
В качестве возможного варианта осуществления предлагаемого способа предлагается вместо отдельного компрессорного цилиндра использовать подпоршневое пространство рабочего цилиндра.As a possible embodiment of the proposed method, it is proposed to use the sub-piston space of the working cylinder instead of a separate compressor cylinder.
Регулирование мощности двигателя, как возможный вариант, предлагается производить изменением фазы отсечки впуска, воздействуя на систему управления впускным клапаном. При этом оптимальное давление рабочего цикла предлагается сохранять изменением так называемого «вредного объема» пространства компрессора, осуществляющего предварительное сжатие (в частности подпоршневого пространства рабочего цилиндра, если оно используется в качестве компрессора).It is proposed to regulate engine power, as a possible option, by changing the intake cut-off phase, acting on the intake valve control system. In this case, it is proposed to maintain the optimal pressure of the working cycle by changing the so-called "harmful volume" of the space of the compressor performing preliminary compression (in particular, the sub-piston space of the working cylinder, if it is used as a compressor).
Изобретение поясняется нижеследующим описанием примеров осуществления способа и тремя фигурами.The invention is illustrated by the following description of examples of implementation of the method and three figures.
На фиг. 1 изображен фрагмент схемы известного двигателя с разделенным циклом.FIG. 1 shows a fragment of a schematic diagram of a known split-cycle engine.
На фиг. 2 изображена схема двигателя, оптимизированная применительно к осуществлению предлагаемого способа.FIG. 2 shows a diagram of the engine, optimized in relation to the implementation of the proposed method.
На фиг. 3 изображены, для сравнения, в общей системе координат наложенные одна на другую PV диаграммы работы ДВС по предлагаемому способу и по способу, взятому за прототип.FIG. 3 shows, for comparison, in a common coordinate system superimposed on one another PV diagrams of ICE operation according to the proposed method and according to the method taken as a prototype.
Двигатель с разделенным циклом, оптимизированный для осуществления предлагаемого способа содержит цилиндр 8, надпоршневое пространство которого используется в качестве расширительного механизма, а подпоршневое пространство - в качестве компрессора. Имеется ресивер 9, соединенный посредством автоматического нагнетательного клапана 10 с подпоршенвым пространством. К подпоршневому пространству также присоединена камера 11 регулируемого объема, служащая для изменения объема вредного пространства компрессора с целью регулирования давления рабочего цикла двигателя. Рессивер 9 также соединен с надпоршневым пространством цилиндра 8 посредством впускного клапана 12, управляемого от кулачка 13, закрепленного на колевалу 14 двигателя. Причем кулачек 13 сделан двухмерным, т.е. многодорожечным, что позволяет оперативно управлять моментом отсечки впуска, изменяя т.о. мощность двигателя. В камере сгорания 15 двигателя установлена калильная свеча 16. Она расположена во впускном канале 17 под впускным клапаном 12 непосредственно у входа в полость камеры сгорания 15. Свеча 16 имеет тело накала, выполненное из высокотемпературной керамики, и снабжена проводником электроподогрева и датчиком температуры, например карборундовыми, имеющими электрические выводы, расположенные в холодной зоне тела накала. Электрические выводы свечи 16 подключены к низковольному источнику питания и к автоматическому регулятору температуры. Выпускной клапан 18 имеет управление от кулачка 19, закрепленного на коленвалу 14. Ресивер 9 сообщается с системой смесеприготовления 20. В частном варианте выполнения она состоит из инжектора 21 жидкого горючего непрерывного, т.е. не синхронизированного, действия, и камеры с испарительной насадкой 22, выполненной, например из минераловаты, закрепленной между двумя металлическими сетками 23, выполняющими также функцию пламязаградительного фильтра. Поршень 24 соединен с коленвалом посредством штока и шатуна с крейцкопфным направляющим механизмом.A split-cycle engine optimized for the implementation of the proposed method comprises a
Работает данный двигатель в соответствии с предлагаемым способом следующим образом.This engine operates in accordance with the proposed method as follows.
Для запуска вращают коленвал 14. При этом избыточное давление в ресивере 9 вначале равно нулю, поэтому для запуска не требуется большого усилия. При этом практически весь ход поршня 24 сопровождается процессом нагнетания воздуха в ресивер 9. При этом отбор воздуха (или горючей смеси) из ресивера 9 через впускной клапан 12 соответствует малой части хода поршня, поэтому давление в ресивере быстро поднимается. С ростом давления увеличивается плотность отбираемой в цилиндр газовой субстанции, и при некотором давлении, устанавливается баланс между приходом и расходом, соответствующий рабочему давлению цикла. Если при этом работает инжектор 21 горючего, то, испаряясь на большой поверхности насадки 22, горючее смешивается с воздухом из ресивера, и горючая смесь всасывается в камеру сгорания 15. Проходя во впускном канале 17 мимо раскаленной свечи 16, горючая смесь воспламеняется, и в камеру сгорания входит уже в виде факела горения, всасываемого поршнем 24. При этом давление в камере сгорания 15 остается практически постоянным, т.к. оно стабилизируется за счет сравнительно большого объема ресивера 9, с которым в процессе горения сообщается камера сгорания через открытый впускной клапан 12.To start, rotate the
Рассмотрим этот процесс подробнее, т.к. он является ключевым в работе двигателя по предлагаемому способу.Let's consider this process in more detail, since it is key in the operation of the engine according to the proposed method.
До начала открывания впускного клапана 12 во впускном патрубке 17 и в надпоршневой щели (т.е. в минимальном объеме камеры сгорания 15) находятся продукты сгорания от предыдущего цикла, которые не могут гореть. Затем клапан 12 плавно открывают, и, практически одновременно, начинают опускать поршень 24. При этом по каналу 17 начинает распространяться фронт сравнительно плотной горючей смеси, который внедряется в более горячие и менее плотные остаточные продукты сгорания. Когда фронт горючей смеси коснется горячей зоны свечи 16, смесь воспламеняется. При этом пламя в первый момент начинает распространяться назад к клапану 12. Вследствие этого суммарный объем газов под клапаном увеличивается. Поршень 24, находясь около верхней мертвой точки, движется медленно и может не скомпенсировать указанное возрастание объема. Это приведет к небольшому всплеску давления во впускном канале и к приостановке процесса всасывания до того момента, пока опускающийся поршень не скомпенсирует возникшее приращение объема. Величина приращения объема определяется коэффициентом расширения объема горючей смеси, находящейся в пространстве между свечей 16 и клапаном 12, и сравнительно небольшая. Однако может произойти небольшой обратный выброс горючей смеси через клапан в камеру 20 смесеприготовления. Это несколько обеднит смесь над клапаном 12. Но вскоре процесс всасывания горючей смеси продолжится и установиться стационарный процесс перетекания горючей смеси через канал 17 мимо раскаленной свечи 16, сопровождающийся непрерывным зажиганием потока смеси, поступающей в надпоршневое пространство камеры сгорания 15. При этом, скорость потока горючей смеси в канале 17 не превышает нескольких десятков метров в секунду, т.к. скорость поршня в начале его движения от верхней мертовой точки невелика. Поэтому требуемая для устойчивого зажигания потока температура накала свечи составит порядка 1200-1400 град, цельсия (см. кн. С. КУМАГАИ, «Горение», М. Изд. Химия, 1979 г., стр. 68-74.) Требуемая площадь поверхности свечи при этом составляет порадка 1 см. кв., а мощность пускового электроподогрева свечи - около 30 вт.Before the start of the opening of the
На более позднем этапе всасывания горючей смеси, когда скорость поршня возрастет, вышеуказанное условие устойчивого зажигания при больших оборотах двигателя может нарушиться. Однако при этом горючая смесь будет уже вливаться в достаточно большой объем накопленного в камере сгорания 15 раскаленного газа и будет зажигаться от него.At a later stage of the intake of the combustible mixture, when the piston speed increases, the above condition of stable ignition at high engine speeds may be violated. However, in this case, the combustible mixture will already be poured into a sufficiently large volume of hot gas accumulated in the
В нужный момент, определяемый управляемым двухмерным кулачком 13, впускной клапан 12 закрывается, и начинается процесс расширения продуктов сгорания. Горение при этом можно считать практически завершимся, чему способствует сильная турбулизация факела горения в процессе впуска, а также непосредственный контакт свечи 16 с каждым элементом объема горючей смеси в процессе прохождения ее через впускной канал 17.At the right moment, determined by the controlled two-
После достижения поршнем нижней мертвой точки кулачок 19 открывает выпускной клапан 18 и поршень 24, при своем обратном ходе вверх, выталкивает продукты сгорания в атмосферу. При этом коэффициент расширения, определяемый моментом отсечки впуска, может выбран таким, чтобы расширение было полным или почти полным, чтобы обеспечить бесшумный выхлоп. При этом, в отличие от двигателей, работающих по циклу Отто, не требуется большого коэффициента расширения, т.к. пиковое давление многократно ниже (порядка 10 ати). Так что камера сгорания остается, в среднем, достаточно толстой, чтобы обеспечить приемлемо малую отдачу тепла в стенки.After the piston reaches the bottom dead center, the
Регулирование мощности двигателя можно производить согласованным изменением момента отсечки впуска и суммарного подпоршневого (т.н.з. вредного) объема компрессорной полости. При этом отсечку впуска изменяют перемещая толкатель кулачка на другую дорожку двухмерного кулачка 13. Если отсечку впуска произвести раньше, то объем отбираемого за цикл газа уменьшиться и давление в ресивере будет расти. Скомпенсировать это можно уменьшением объема нагнетания компрессора, который сильно зависит от объема вредного пространства, который в данном двигателе управляется с помощью камеры 11, путем перемещения расположенного в ней регулировочного поршня 25. Увеличение «вредного» объема компрессора приводит, как известно, к уменьшению объема нагнетания в ресивер - вплоть до полного прекращения нагнетания, если давление в рессивере превышает коэффициент сжатия поршнем.The engine power can be controlled by a coordinated change in the intake cut-off moment and the total sub-piston (so-called harmful) volume of the compressor cavity. In this case, the intake cutoff is changed by moving the cam follower to another track of the two-
В заключение рассмотрим, чем обусловлена возможность уменьшения удельной массы цилиндропоршевой группы и кривошипношатунного механизма при работе по предлагаемому способу.In conclusion, let us consider what caused the possibility of reducing the specific mass of the cylinder-piston group and the crank mechanism when working according to the proposed method.
Масса указанных механизмов изменяется пропорционально произведению максимального давления в рабочем цикле двигателя на ометаемый поршнем объем. На PV диаграмме работы двигателя это изобразится площадью прямоугольника, описанного вокруг индикаторной диаграммы рабочего процесса (называемой также габаритной площадью PV диаграммы).The mass of these mechanisms changes in proportion to the product of the maximum pressure in the operating cycle of the engine and the volume swept by the piston. On the PV diagram of the engine, this is represented by the area of a rectangle circumscribed around the workflow indicator diagram (also called the overall area of the PV diagram).
На фиг. 3 PV диаграмма работы двигателя по предлагаемому способу, т.е. со сгоранием при постоянном давлении (заштрихованные области «а» и «d»), совмещена с диаграммой работы двигателя по циклу Отто, в которой к указанным областям добавляется область «b», соответствующая пику давления при изохорном сгорании, происходящем при постоянном объеме. Масштабированием указанные диаграммы в нижних частях совмещены, что не влияет на результат сравнения удельных масс двигателей. Рассмотрим коэффициенты возрастания массы «Км» и индикаторной работы «Кр» при переходе от изобарного цикла к изохорному. Т.е. определим, на сколько возрастает при этом габаритная площадь S диаграмм и индикаторная площадь диаграмм и определим, которая из площадей возрастает больше по относительной величине.FIG. 3 PV diagram of the engine operation according to the proposed method, i.e. constant pressure combustion (shaded areas "a" and "d") is aligned with the Otto cycle diagram, in which the area "b" is added to these areas, corresponding to the pressure peak during isochoric combustion occurring at constant volume. By scaling, the indicated diagrams in the lower parts are aligned, which does not affect the result of comparing the specific weights of the engines. Let us consider the coefficients of the increase in the mass "Km" and the indicator work "Кр" during the transition from the isobaric cycle to the isochoric one. Those. Let us determine how much the overall area S of the diagrams and the indicator area of the diagrams increase in this case and determine which of the areas increases more in relative value.
На фиг. 3 заглавными русскими буквами обозначены вершины рассматриваемых прямоугольников, а латинскими площади - заштрихованных областей индикаторных диаграмм.FIG. 3, uppercase Russian letters denote the vertices of the considered rectangles, and Latin areas - the shaded areas of the indicator diagrams.
(а - это площадь, равновеликая площади прямоугольника ЖБГН)(a is the area equal to the area of the ZhBGN rectangle)
Kp=b/(a+d).Kp = b / (a + d).
Сравнение определяется отношением найденных величинComparison is determined by the ratio of the found values
Км/Кр=(b+c)(a+d)/(ab).Km / Kp = (b + c) (a + d) / (ab).
Очевидно, что полученное отношение больше единицы, т.к. сомножители а и b, стоящие в числителе, увеличены на некоторые величины d и с, а в знаменателе у них эти приращения отсутствуют (заметим, что все вычисления ведутся в положительных числах).Obviously, the resulting ratio is greater than one, since the factors a and b in the numerator are increased by some values of d and c, and in the denominator these increments are absent (note that all calculations are carried out in positive numbers).
Последнее означает, что при переходе от предлагаемого способа работы ДВС к известному циклу Отто удельная масса конструкции основных силовых частей двигателя возрастает.The latter means that during the transition from the proposed method of operation of the internal combustion engine to the well-known Otto cycle, the specific gravity of the structure of the main power parts of the engine increases.
Впрочем, результат приведенного выше доказательства следует также и из простого представления о компактности формы PV диаграммы рабочего цикла, которая заметно уменьшается при появлении острого пика повышения давления в цилиндре в процессе изохорического сгорания. При этом приходится многократно, и далеко не пропорционально дополнительной работе, увеличивать прочность, а следовательно и массу всех деталей кривошипно-шатунного механизма. В данном рассуждении, для простоты, объемы двигателя приняты неизменяющимися, т.к. давление и объем практически одинаково влияют на удельную массу двигателя. Оптимизационные изменения незначительны по сравнению с рассматриваемыми здесь эффектами.However, the result of the above proof also follows from the simple concept of the compactness of the PV diagram of the operating cycle, which noticeably decreases with the appearance of a sharp peak in the pressure increase in the cylinder during isochoric combustion. In this case, it is necessary to repeatedly, and far from proportional to the additional work, increase the strength, and therefore the mass of all parts of the crank mechanism. In this reasoning, for simplicity, the volumes of the engine are assumed to be unchanged, since pressure and volume have almost the same effect on the specific gravity of the engine. The optimization changes are minor compared to the effects discussed here.
КПД двигателя при работе по предлагаемому способу существенно не меняется, т.к. он определяется главным образом коэффициентом адиабатического расширения, которое в предлагаемом способе, вследствие уменьшения верхнего давления цикла, существенно не меняется, хотя мы и достигаем полного расширения. Увеличение коэффициента расширения, как и в обычном ДВС, ограничено увеличением потерь тепла в стенку, когда камера сгорания приобретает щелеобразную форму. То, что в предлагаемом способе в начале процесса всасывания, камера сгорания щелеобразная, компенсируется возможным сокращением временем проведения сгорания, т.к. исключается процесс самопроизвольного распространения фронта горения по объему камеры сгорания. Горючая смесь поджигается принудительно прямым контактом калильной свечи с каждым элементом своего объема в процессе прохождения ее мимо свечи во впускном канале. Это существенно увеличивает полноту сгорания и максимально возможное число оборотов двигателя, которое обычно ограничивается качеством сгорания больше, чем прочностью механизма. Повышение быстроходности - это еще одна из возможностей дополнительного снижения удельного веса ДВС при работе по предлагаемому способу, что крайне необходимо для возможности их широкого применения в малой авиации, т.к. газотурбинные двигатели в диапазоне малых мощностей не неэффективны, а стоимость их слишком высока для широкого применения.The efficiency of the engine when operating according to the proposed method does not change significantly, because it is mainly determined by the coefficient of adiabatic expansion, which in the proposed method, due to a decrease in the upper pressure of the cycle, does not change significantly, although we achieve full expansion. The increase in the expansion coefficient, as in a conventional ICE, is limited by an increase in heat loss to the wall when the combustion chamber acquires a slit-like shape. The fact that in the proposed method at the beginning of the suction process, the combustion chamber is slit-like, is compensated by a possible reduction in the combustion time, tk. the process of spontaneous propagation of the combustion front over the volume of the combustion chamber is excluded. The combustible mixture is ignited forcibly by direct contact of the glow plug with each element of its volume as it passes by the plug in the intake channel. This significantly increases the efficiency of combustion and the maximum possible engine speed, which is usually limited by the quality of combustion more than by the strength of the mechanism. Increasing speed is another possibility of further reducing the specific gravity of internal combustion engines when working according to the proposed method, which is extremely necessary for the possibility of their widespread use in small aircraft, since gas turbine engines in the low power range are not inefficient, and their cost is too high for widespread use.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018140801A RU2746820C2 (en) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | Method for internal combustion engine operation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018140801A RU2746820C2 (en) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | Method for internal combustion engine operation |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2018140801A RU2018140801A (en) | 2020-05-19 |
| RU2018140801A3 RU2018140801A3 (en) | 2021-04-06 |
| RU2746820C2 true RU2746820C2 (en) | 2021-04-21 |
Family
ID=70734815
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018140801A RU2746820C2 (en) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | Method for internal combustion engine operation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2746820C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09291825A (en) * | 1996-02-26 | 1997-11-11 | Hiroyasu Tanigawa | Piston cycle energy converting method and device |
| RU2135788C1 (en) * | 1998-04-22 | 1999-08-27 | Зуев Анатолий Алексеевич | Working process in internal combustion engine with communicating cylinders |
| RU2178090C2 (en) * | 1996-04-15 | 2002-01-10 | Ги Негр | Method of operation of internal combustion engine |
| US20110308505A1 (en) * | 2010-06-18 | 2011-12-22 | Scuderi Group, Llc | Split-cycle engine with crossover passage combustion |
| RU2449138C2 (en) * | 2010-01-11 | 2012-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Internal combustion engine |
-
2018
- 2018-11-19 RU RU2018140801A patent/RU2746820C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09291825A (en) * | 1996-02-26 | 1997-11-11 | Hiroyasu Tanigawa | Piston cycle energy converting method and device |
| RU2178090C2 (en) * | 1996-04-15 | 2002-01-10 | Ги Негр | Method of operation of internal combustion engine |
| RU2135788C1 (en) * | 1998-04-22 | 1999-08-27 | Зуев Анатолий Алексеевич | Working process in internal combustion engine with communicating cylinders |
| RU2449138C2 (en) * | 2010-01-11 | 2012-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Internal combustion engine |
| US20110308505A1 (en) * | 2010-06-18 | 2011-12-22 | Scuderi Group, Llc | Split-cycle engine with crossover passage combustion |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2018140801A3 (en) | 2021-04-06 |
| RU2018140801A (en) | 2020-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2178090C2 (en) | Method of operation of internal combustion engine | |
| US3880126A (en) | Split cylinder engine and method of operation | |
| CA2433433C (en) | Eight-stroke internal combustion engine utilizing a slave cylinder | |
| US3808818A (en) | Dual combustion engine and cycle | |
| CA2421023C (en) | Internal combustion engine with regenerator and hot air ignition | |
| RU98120453A (en) | INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AN INDEPENDENT COMBUSTION COMBUSTION CAMERA | |
| US7273023B2 (en) | Steam enhanced double piston cycle engine | |
| US10087818B2 (en) | Engine block and a process for hybrid ignition of an engine | |
| US8205593B2 (en) | DEV cycle engine | |
| US4015424A (en) | Combustion engine with dual function motor element and rotary valve for cyclical fuel and exhaust metering | |
| KR20200015472A (en) | Improved Systems and Methods of Compression Ignition Engines | |
| US4070999A (en) | Gasoline engine of four-cycle spark ignition type | |
| US3991721A (en) | Low emission compound combustion engine | |
| RU2746820C2 (en) | Method for internal combustion engine operation | |
| CN109469557B (en) | Self-adaptive compressed air continuous combustion piston engine | |
| JP2001227368A (en) | Piston type internal combustion engine | |
| US4862841A (en) | Internal combustion engine | |
| US9920685B2 (en) | Mesh anchored combustion internal combustion engine | |
| CN1210199A (en) | Split-cylinder cycle internal combustion engine | |
| Caton | The use of a three-zone combustion model to determine nitric oxide emissions from a homogeneous-charge, spark-ignited engine | |
| US3446013A (en) | Method of and apparatus for increasing the efficiency of combustion engines | |
| US8251041B2 (en) | Accelerated compression ignition engine for HCCI | |
| RU2684046C1 (en) | Method of internal combustion engine operation | |
| Shah et al. | Parametric Optimization of Producer Gas fuelled Spark Ignition Engine through Thermodynamic Modelling | |
| RU2067193C1 (en) | Method of operation and design of two-prechamber internal combustion engine |