SK8609Y1 - Method of operation of the 2-stroke hybrid engine - Google Patents

Abstract

The method of operation of the 2-stroke hybrid engine takes place in a combustion cylinder (3) of a conventional 4-stroke engine such way, that the first two strokes, the suction and compression of a conventional 4-stroke cycle are replaced by a compressor (1) driven by an electric motor (2). The compressor (1) sucking and compressing air or a mixture of air and fuel under thermodynamically more favourable conditions instead of a piston (4) in a combustion cylinder (3).Subsequently two additional cycle-firing and exhaust take place. The compression pressure and the temperature of the compressed air or mixture in the combustion cylinder (3) is not given by the compression ratio and temperature conditions in the cylinder (3), but by the outlet pressure and temperature of the compressed air used by the compressor (1) and by using the cooler (5). This makes it possible to change the compression pressure and temperature compared to the conventional engine, where they are given by the engine design.

Description

Ples tové spaľovacie motory.Ball combustion engines.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V súčasnosti sa na pohon dopravnej a strojovej techniky používajú piestové spaľovacie motory, ktorých spôsob činnosti je založený na 2-taktnoma 4-taktoom pracovnom cykle. Na týchto princípoch pracujú motory zážihové i vznetové. Hlavnou nevýhodou týchto motorov je ich nízka tepelná účinnosť. Jednou z pričiň nízkej účinnosti je skutočnosť, že kompresia stlačenej zmesi alebo vzduchu pri motoroch so vstrekovaním paliva priamo do pracovného valca prebieha vo valci, v ktorom v predchádzajúcom takte prebiehalo horenie zmesi a výfok. Nasávaný vzduch alebo zmes vzduchu a paliva prichádza do horúceho valca a jeho stláčanie prebieha pri termodynamicky nevýhodných podmienkach a kompresný tlak a teplota sú dané kompresným pomerom a teplotnými podmienkami vo valci. Veľkosť kompresného tlaku a teploty je hmitovaná použitým palivom a konštrukčným usporiadaním pracovného priestoru vo valci.Recently, reciprocating internal combustion engines are used for propulsion of transport and machinery technology, the mode of operation of which is based on a 2-stroke, 4-stroke cycle. Petrol and diesel engines work on these principles. The main disadvantage of these motors is their low thermal efficiency. One of the reasons for the low efficiency is that the compression of the compressed mixture or air of the fuel injected engines directly into the working cylinder takes place in the cylinder in which the mixture and the exhaust were burnt in the previous cycle. The intake air or air / fuel mixture enters the hot cylinder and is compressed under thermodynamically disadvantageous conditions and the compression pressure and temperature are given by the compression ratio and the temperature conditions in the cylinder. The amount of compression pressure and temperature is fed by the fuel used and the working space in the cylinder.

Zážihový motor spaľuje zmes benzínu a vzduchu približne v stechiometrickom pomere. Otáčky a výkon tohto typu motora sú regulované škrtiacou klapkou, t. j. zmenou plniaceho tlaku, pričom pomer paliva a vzduchu zostáva zachovaný. Tento motor produkuje malé množstvo NOx, ale jeho účinnosť je nižšia v porovnaní so vaietovým motorom Vznetový motor pri práci spaľuje zmes motorovej nafty a vzduchu, ktorá je zapálená samovznietením pri určitom tlaku a teplote. Otáčky a výkon vznetového motora sú regulované množstvom paliva vstrekovaného do konštantného množstva vzduchu. Pri malom a strednom zaťaženi je spaľovaná chudobná zmes, čo má za následok nižšiu spotrebu paliva v porovnaní so zážihovým motorom ale zároveň vyššiu tvorbuNOx, nakoľko pri chudobnej zmesi je vyššíprebytokspaľovacieho vzduchu.The petrol engine burns a mixture of gasoline and air in a stoichiometric ratio. The speed and power of this type of engine are regulated by the throttle, ie. j. by varying the boost pressure while maintaining the fuel / air ratio. This engine produces a small amount of NOx, but its efficiency is lower than that of a vaiet engine. The diesel engine at work burns a mixture of diesel and air, which is ignited by autoignition at a certain pressure and temperature. The speed and power of the diesel engine are controlled by the amount of fuel injected into the constant amount of air. At low and medium load lean mixture is burned, which results in lower fuel consumption compared to petrol engine but at the same time higher NOx production, since lean mixture is higher in excess of combustion air.

Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution

Podstatou technického riešenia je 2-taktný hybridný nrotor, konštrukčne zhodný so 4-taktným motorom, vyznačujúci sa tým, že z pôvodných štyroch taktov klasického motora prvé dva takty, t. j. nasávanie a kompresiu, nevykonáva motor, ale samostatný kompresor poháňaný elektromotorom, a motor vykonáva iba spaľovanie a výluk spalín. Výhodou takéhoto riešenia je, že kompresia prebieha za lepších termodynamických podmienok - neprebieha v horúcom valci, a tým sa zlepší celková účinnosť motora. Keďže samotný motor nevykonáva kompresnú prácu, môže pracovať pri značne nižších otáčkach, to znamená predĺžený čas horenia zmesi, dokonalejšie spaľovanie a nižšie trenie a opotrebenie.The essence of the invention is a 2-stroke hybrid rotary engine, identical in design to a 4-stroke engine, characterized by the fact that the original four strokes of the classic engine the first two bars, t. j. intake and compression, not by the engine, but by a separate compressor driven by an electric motor, and the engine only performs combustion and flue gas discharge. The advantage of such a solution is that the compression takes place under better thermodynamic conditions - it does not take place in a hot cylinder and thus improves the overall efficiency of the engine. Since the engine itself does not perform compression work, it can operate at considerably lower engine speeds, that is, increased burn time, improved combustion, and less friction and wear.

Stlačený vzduch dodaný do spaľovacieho priestoru má n ižšiu teplou· ako komprimovaný vzduch vo valci motora, to znamená nižšie teploty spaľovania a nižšiu tvorbu NOx oproti klasickému motoru. Nižšie teploty stlačeného vzduchu zároveň umožňujú zvýšiť kompresný tlak, a tým zvýšiť účinnosť motora, čo zníži spotrebu a tvorbu CO?. 'Výhodou takéhoto usporiadania je skutočnosť, že kompresný tlak nie je konštrukčne daný geometriou spaľovacieho priestoru valca, aleje daný použitým kompresorom Kompresný tlak nie je limitovaný konštrukčným kompresným ponerom a je možné zvoliť ľubovoľný tvar a veľkosť konpresného priestoru a vo väčšom rozsahu meniť množstvo paliva aj pomer paliva k množstvu vzduchu.The compressed air supplied to the combustion chamber has a lower warmth than the compressed air in the engine cylinder, i.e. lower combustion temperatures and lower NOx formation than a conventional engine. At the same time, lower compressed air temperatures make it possible to increase the compression pressure and thereby increase the efficiency of the engine, thus reducing consumption and CO 2 production. The advantage of such an arrangement is that the compression pressure is not structurally determined by the geometry of the combustion chamber of the cylinder, but is given by the compressor used. fuel to the amount of air.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Proces 2-taktného pracovného cyklu je znázornený na obrázkoch la a 1b. Na obrázkoch sú schemat icky znázornené časti motora, ktoré tvoria jeden funkčný celok, v ktorom je realizovaný 2-taktný cyklus. Postavenie pohyblivých časti motora je v začínajúcich polohách jednotlivých taktov. Na obr. la je znázornený 1. takt - expanzia v spaľovacom valci 3. Na obr. 1b je znázornený 2. takt - výfuk zo spaľovacieho valca 3. šípkou je znázornený postup plynov pri jednotlivých taktoch.The process of the two-stroke duty cycle is shown in Figures 1a and 1b. The figures show schematically the parts of the engine which form a single functional unit in which a two-stroke cycle is carried out. The position of the moving parts of the engine is in the starting positions of each cycle. In FIG. 1a shows the first cycle - expansion in the combustion cylinder 3. FIG. 1b shows the second cycle - the exhaust from the combustion cylinder by the 3 rd arrow shows the progress of the gases in each of these.

Príklad}' uskutočneniaEmbodiment Example

Proces jedného 2-taktného pracovného cyklu je znázornený na obr. la a 1b.The process of one 2-stroke duty cycle is shown in FIG. 1a and 1b.

1. takt expanzia v spaľovacom valci 3 Po dosiahnutí HU piesta 4 spaľovacieho valca 3 sa uzatvorí výfukový ventil 7 a otvorí sa nasávaci ventil1 st expansion expansion in combustion cylinder 3 After reaching HU piston 4 of combustion cylinder 3, the exhaust valve 7 is closed and the intake valve is opened

6. Do kompresného priestoru je privedený tlakový' vzduch z kompresora 1 a následne vstreknuté palivo. Ďalší6. Compressed air is supplied to the compression chamber from the compressor 1 and the fuel injected thereafter. Next

S K 8609 ΥΙ tlak vzniká vplyvom horenia paliva, a tým tlači na piest 4, ktorý sa pohybuje z HU do DU.With K 8609 ΥΙ the pressure is generated by the combustion of the fuel, thereby pushing the piston 4, which moves from HU to DU.

2. takí ---výfuk zo spaľovacieho valca 32. such --- exhaust from combustion cylinder 3

Piest 4 sa pohybuje z DU do HÚ a zároveň sa otvára výfukový ventil 7. Spaliny sú vytláčané do výfukového priestoru.The piston 4 moves from the DU to the DGR and at the same time the exhaust valve 7 opens. The combustion gases are forced into the exhaust chamber.

Konštrukčné usporiadanie 2-taktného hybridného motora je rovnaké ako pri klasickom 4-taktnommotore. Rozdiel je iba na strane plnenia spaľovacích valcov, kde je použitý kompresor 1 poháňaný elektromotorom2 na zabezpečenie kompresného tlaku, tak pre benzínový ako aj pre dieselový motor. Kompresný tlak môže byť vyšší ako pri klasickom 4-taktnom motore, kde je limitovaný teplotnými podmienkami, čo sa prejaví na zvýšenej celkovej účinnosti navrhovaného 2-taktného hybridného motora.The design of the 2-stroke hybrid engine is the same as the classic 4-stroke engine. The only difference is on the side of the combustion cylinder, where a compressor 1 driven by an electric motor 2 is used to provide the compression pressure for both the gasoline and diesel engines. The compression pressure may be higher than that of a conventional 4-stroke engine, where it is limited by temperature conditions, resulting in increased overall efficiency of the proposed 2-stroke hybrid engine.

Elektrická energia potrebná na pohon kompresora je dodávaná z batérii, ktoré sú nabíjané pri prebytku výkonu motora v rôznych jazdných režimoch, ako aj pri brzdení.The power required to drive the compressor is supplied by batteries that are charged when the engine power is exceeded in different driving modes as well as during braking.

Priemyselitá využiteľnosťIndustrial usability

Spôsob činnosti 2-taktného hybridného motora je využiteľný v snahe konštruktérov spaľovacích motorov dosiahnuť razantné zníženie spotreby paliva a zároveň nínimalizovať produkciu škodlivých látok po. prevádzke spaľovacieho motora za súčasného zachovania alebo zvýšenia výkonu a krútiaceho momentu. Tento cieľ je vo veľkej netere ovplyvnený zvýšením tepelnej účinnosti motora. V súčasnosti je snaha zvýšiť tepelnú účinnosť spôsobom spaľovania HCCT (homogene-ous chargé- compression ignition), čo je vlastne spaľovanie, ktoré využíva dobré vlastnosti tak zážihového ako aj vznetového motora. Využitím spôsobu činnosti 2-taktného hybridného motora, ako aj ďalších znántych riešení, napr. pneumatického ovládania ventilov, je možné splniť v budúcnosti čoraz, prísnejšie normy spotreby paliva a produkcie škodlivých látok.The method of operation of the 2-stroke hybrid engine is useful in the efforts of internal combustion engineers to achieve a significant reduction in fuel consumption while minimizing pollutant production. operation of an internal combustion engine while maintaining or increasing power and torque. This objective is influenced in large scale by an increase in the thermal efficiency of the engine. At present, there is an attempt to increase thermal efficiency by means of HCCT (homogene-ous chargé-compression ignition) combustion, which is actually a combustion that utilizes the good characteristics of both the petrol and diesel engines. By utilizing the method of operation of the 2-stroke hybrid engine as well as other known solutions, e.g. pneumatic valve control, it can meet in the future increasingly stringent standards of fuel consumption and the production of harmful substances.

Claims (2)

S K 8609 ΥίS K 8609 Υί NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS 1. Spôsob činnosti 2-takíného hybridného motora uskutočňujúci sa vo valci klasického 4-taktného motora, vyznačuj ó c i sa tým, že kompresor (i) poháňaný elektromotorom (2) nasáva a stláča1. A method of operating a 2-stroke hybrid engine in a cylinder of a conventional 4-stroke engine, characterized in that the compressor (i) driven by the electric motor (2) sucks and compresses 5 vzduch alebo zmes vzduchu a paliva, a týrnkoná všetku kompresnú prácu potrebnú na stláčanie vzduchu alebo zmesi, ktorá je následne dopravená do kompresného priestoru spaľovacieho valca (3), kde prebieha 1. takt - horenie zmesi a 2. takí - výfirk spalín.5 and all the compression work required to compress the air or mixture, which is then conveyed to the compression space of the combustion cylinder (3), where the first cycle - combustion of the mixture and the second such - exhaust gas exhaust takes place. 2. Spôsob činnosti 2-taktného hybridného motora podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že stlačený vzduch alebo zmes vzduchu a paliva po výstupe z kompresora (1) prechádza čiastočne alebo úpl-Method of operation of a two-stroke hybrid engine according to claim 1, characterized in that the compressed air or the air-fuel mixture passes partially or completely after leaving the compressor (1). 10 ne chladičom (5), a tým je regulovaná teplota stlačeného vzduchu alebo zmesí dopravenej do spaľovacieho valca (3).10, and thus the temperature of the compressed air or mixtures delivered to the combustion cylinder (3) is controlled.