SK982010U1 - Operation of six-stroke combustion piston engine - Google Patents

Abstract

Method of operation of 6-stroke reciprocating internal combustion engine runs serially through three working cylinders in two tranches, the first sequence duty cycle starts intake in the low-pressure cylinder (1), continues precompression, compression and primary expansion in high-pressure cylinder (3), ending the secondary expansion and exhaust in low pressure cylinder (2), the second sequence starts with a duty cycle intake in low-pressure cylinder (2), continues precompression, compression and primary expansion high-pressure cylinder (4) and ends with secondary expansion and exhaust in low pressure cylinder (1).

Description

V súčasnosti sa na pohon dopravnej a strojnej techniky v prevažnej miere používajú piestové spaľovacie motory, ktorých spôsob činnosti je založený na 2-taktnom a 4taktnom pracovnom cykle. Na týchto dvoch princípoch pracujú motory zážihové i vznetové. Hlavnou nevýhodou týchto motorov však je ich nízka tepelná účinnosť, čo nepriaznivo ovplyvňuje efektívnosť prevádzky techniky v ktorej sa tieto motory používajú. Nízka tepelná účinnosť je tiež hlavnou príčinou vysokej tvorby škodlivých látok, ako sú CO, CO2, NOx a nespálených uhľovodíkov, produkovaných týmito motormi. Z konštrukčného a principiálneho hľadiska tieto motory už nie je možné zásadne zdokonaliť a teda znížiť nepriaznivý vplyv na efektívnosť prevádzky a životné prostredie.Recently, reciprocating internal combustion engines are used to drive transport and machinery technology, based on a 2-stroke and 4-stroke duty cycle. Petrol and diesel engines work on these two principles. However, the main disadvantage of these engines is their low thermal efficiency, which adversely affects the efficiency of operation of the technique in which they are used. Low thermal efficiency is also a major cause of the high production of harmful substances such as CO, CO2, NOx and unburnt hydrocarbons produced by these engines. From a constructional and principally point of view, these engines can no longer be fundamentally improved and thus reduce the adverse effect on operation efficiency and the environment.

Uvedené nedostatky motorov s dvojtaktným a štvortaktným pracovným cyklom je možné zmierniť predkladaným riešením spôsobu činnosti piestového spaľovacieho motora.The above-mentioned shortcomings of engines with two-stroke and four-stroke duty cycle can be alleviated by the present solution of the method of operation of the piston internal combustion engine.

PODSTATA TECHNICKÉHO RIEŠENIA:PRINCIPLE OF THE TECHNICAL SOLUTION:

Podstatou technického riešenia je 6-taktný pracovný cyklus piestového spaľovacieho motora s vratným pohybom piestov, ktorý sériovo prebieha v rozdielnych objemoch a priemeroch troch pracovných valcov, funkčne a počtom navzájom závislých. Tento pracovný cyklus spočíva v nútenom preplňovaní pracovných valcov v ktorých dochádza k prvotnému (primárnemu) spaľovaniu palivovej zmesi. Ďalším podstatným znakom tohto pracovného cyklu je, že v ňom prebieha i druhotné (sekundárne) spaľovanie horiacich plynov, po procese prvého pracovného zdvihu (primárnej expanzie), čo sa deje pred procesom druhého pracovného zdvihu (sekundárna expanzia). 6-taktný pracovný cyklus môže byť realizovaný len v motore konštruovanom pre takýto cyklus. Porovnateľný 4-taktný pracovný cyklus, v ktorom pracuje väčšina piestových spaľovacích motorov, prebieha v rovnakých objemoch a priemeroch valcov, funkčne a počtom navzájom nezávislých. 6-taktný pracovný cyklus v procese používa podstatu a výhody 4-taktného pracovného cyklu a zároveň využíva nevýhody tohto cyklu na zvýšenie tepelnej účinnosti motora.The essence of the technical solution is a 6-stroke duty cycle of the reciprocating piston internal combustion engine, which runs in series in different volumes and diameters of the three working cylinders, functionally and by a number of interdependent. This duty cycle consists of forced charging of the working cylinders in which the fuel mixture is initially (primary) combusted. Another essential feature of this duty cycle is that it also undergoes secondary (secondary) combustion of the combustion gases, after the process of the first work stroke (primary expansion), which happens before the process of the second work stroke (secondary expansion). The 6-stroke duty cycle can only be realized in an engine designed for such a cycle. A comparable 4-stroke duty cycle, in which most piston engines work, runs in the same cylinder volumes and diameters, functionally and independently of each other. The 6-stroke duty cycle in the process uses the essence and advantages of the 4-stroke duty cycle while exploiting the disadvantages of this cycle to increase the thermal efficiency of the engine.

PREHĽAD OBRÁZKOV NA VÝKRESOCH:OVERVIEW OF THE DRAWINGS:

Proces 6-taktného pracovného cyklu je znázornený na obrázkoch výkresov 1 až 6. Na obrázkoch sú schematicky znázornené najnutnejšie časti 4-valcového motora, ktorý spĺňa konštrukčné podmienky pre 6-taktný pracovný cyklus. Postavenie pohyblivých častí motora je v začínajúcich a priebežných polohách jednotlivých taktov, počínajúc prvým taktom na obrázku č.l a la, končiac šiestym taktom na obrázku č.6 a 6a, s vyznačením pozície ventilov vo všetkých valcoch pri jednotlivých taktoch. Šípkami je znázornený postup plynov pri jednotlivých taktoch v priebehu jedného pracovného cyklu.The process of the 6-stroke duty cycle is shown in the drawings of Figures 1-6. The figures show schematically the most necessary parts of a 4-cylinder engine that meets the design conditions for the 6-stroke duty cycle. The position of the moving parts of the engine is in the starting and running positions of the individual bars, starting with the first bar in Figures 1 and 1a, ending with the sixth bar in Figures 6 and 6a, indicating the valve positions in all cylinders for each. The arrows show the progress of the gases for each of these during one working cycle.

Na výkrese č.7, obr.7 je znázornená schéma technického riešenia 4-valcového motora s 6taktným pracovným cyklom, ktorý v takomto usporiadaní tvorí jeden funkčný celok. Na základe tejto schémy je vysvetľovaný proces 6-taktného pracovného cyklu.7, FIG. 7 shows a schematic of the technical solution of a 4-stroke engine with a 6-stroke duty cycle, which in such an arrangement forms a single functional unit. Based on this scheme, the process of the 6-stroke duty cycle is explained.

PRÍKLADY USKUTOČNENIA:EXAMPLES:

6-taktný pracovný cyklus piestového spaľovacieho motora je možné uskutočniť len v motore s vratným pohybom piestov, skonštruovanom pre takýto pracovný cyklus. Hlavné časti a technické riešenie tohto motora sú schematicky znázornené a popísané na výkrese Č.7 obr.7. Tento motor má najmenej štyri valce v zložení; dva valce nízkotlakové 1 a 2, ktoré sú väčšieho priemeru a dva valce vysokotlakové 3 a 4 , ktoré sú menšieho priemeru. Všetky valce sú uzatvorené spoločnou hlavou valcov 22 v ktorej je kanálový systém zodpovedajúci potrebám 6-taktného pracovného cyklu. Kanálový systém obsahuje sací kanál 20 , výfukový kanál 21 a spoločný prepúšťací kanál 19. Uprostred prepúšťacieho kanála 19 je kanálový ventil 18. Sací 20 a výfukový 21 kanál je len v oboch nízkotlakových valcoch 1, 2 v ktorých ich uzatvárajú príslušné ventily. Spoločný prepúšťací kanál 19 spája všetky valce navzájom. V nízkotlakových valcoch 1,2 ho uzatvárajú prepúšťacie ventily 12 , 13 a vo vysokotlakových valcoch 3,4 ho uzatvárajú pracovné ventily 10 , 11, cez ktoré sa tieto valce plnia i vyprázdňujú. Vo vysokotlakových valcoch 3,4 je umiestnené zapaľovacie alebo vstrekovacie 23,24 zariadenie. Vratný pohyb piestov 5, 6, 7, 8 , zabezpečuje klasický kľukový mechanizmus prostredníctvom kľukového hriadeľa 25 a ojníc 9, a je riešený tak, že piesty 7 ,8 nízkotlakových valcov 1 , 2 vykonávajú pohyb vo valcoch súbežne (spolu). Súbežný pohyb vo valcoch vykonávajú i piesty 5 , 6 vo vysokotlakových valcoch 3,4, ale striedavo voči piestom 7, 8 nízkotlakových valcov 1, 2. Štvorvalcové zloženie motora je nutné z dôvodu priebehu 6-taktného pracovného cyklu. Jeden pracovný cyklus, t.j. 6 taktov, sa vykoná počas troch otáčok kľukového hriadeľa 25 a prebieha cez jednotlivé valce v poradí; nízkotlakový -vysokotlakový -nízkotlakový. V druhom vysokotlakovom valci sa koná príslušný takt z druhého sledu pracovného cyklu. Štvorvalcové zloženie motora umožňuje súčinnosť a prekrývanie sa dvoch 6-taktných pracovných cyklov (prvý a druhý sled) v celkovom pracovnom procese motora. Jednotlivé valce tohto motora nie sú schopné samostatnej činnosti, pretože sú funkčne a počtom navzájom závislé. Môže fungovať len ako celok. Ďalší funkčný celok bude tvoriť 8-valcová, 12- valcová, atď. verzia. Tento motor môže byť konštruovaný ako zážihový i vznetový.The 6-stroke duty cycle of the reciprocating internal combustion engine can only be performed in a reciprocating engine designed for such duty cycle. The main parts and technical solution of this engine are schematically shown and described in drawing no. 7 fig.7. This engine shall have at least four cylinders in the composition; two low-pressure cylinders 1 and 2, which are of larger diameter and two high-pressure cylinders 3 and 4, which are of smaller diameter. All the cylinders are closed by a common cylinder head 22 in which the channel system meets the needs of the 6-stroke duty cycle. The duct system comprises an intake duct 20, an exhaust duct 21 and a common passage duct 19. A duct valve 18 is located in the middle of the duct 19. The intake duct 20 and the exhaust duct 21 are only in the two low-pressure cylinders 1, 2 in which the respective valves close. A common passage channel 19 connects all the rollers to each other. In the low-pressure cylinders 1,2 it is closed by bypass valves 12, 13 and in the high-pressure cylinders 3,4 it is closed by working valves 10, 11, through which these cylinders are filled and emptied. In the high-pressure cylinders 3,4, an ignition or injection device 23,24 is arranged. The reciprocating movement of the pistons 5, 6, 7, 8 provides a classical crank mechanism by means of the crankshaft 25 and connecting rods 9, and is designed so that the pistons 7, 8 of the low pressure cylinders 1, 2 perform the movement in the cylinders simultaneously. The pistons 5, 6 in the high-pressure cylinders 3,4 also perform parallel movement in the cylinders, but alternating with the pistons 7, 8 of the low-pressure cylinders 1, 2. The four-cylinder engine composition is required because of the 6-stroke cycle. One duty cycle, i. 6 strokes, is performed during three turns of the crankshaft 25 and runs through the individual cylinders in sequence; low-pressure -high-pressure-low-pressure. In the second high-pressure cylinder, the corresponding cycle of the second sequence of the duty cycle takes place. The four-cylinder engine composition allows interoperability and overlapping of two 6-stroke duty cycles (first and second sequence) in the overall engine working process. The individual cylinders of this engine are not capable of operating independently because they are functionally and in number dependent on each other. It can only function as a whole. Another functional unit will consist of 8-cylinder, 12-cylinder, etc. version. This engine can be designed as both petrol and diesel.

Proces jedného 6-taktného pracovného cyklu je znázornený na obrázkoch výkresov 1 až 6 a vzťahuje sa na vznetový motor. Tento pracovný cyklus je v prvom slede a prebieha nasledovne;The process of one 6-stroke duty cycle is shown in the figures 1 to 6 and relates to a diesel engine. This duty cycle is in the first sequence and proceeds as follows;

1. takt (nasávanie)1st cycle (suction)

Piest 7 nízkotlakového valca 1 pri pohybe z hornej úvrate (ďalej len HÚ) do dolnej úvrate (ďalej len DÚ) nasáva vzduch cez sací kanál 20 a otvorený sací ventil 14 do nízkotlakového valca 1. Po dosiahnutí DÚ sa zatvorí sací ventil 14, otvorí sa prepúšťací ventil 12 a kanálový ventil 18.The piston 7 of the low-pressure cylinder 1, when moving from the top dead center (LO) to the bottom dead center (LO), draws air through the intake duct 20 and the open suction valve 14 to the low-pressure cylinder 1. bypass valve 12 and channel valve 18.

V nízkotlakovom valci 2 a vysokotlakovom valci 3 je proces sekundárnej expanzie z predchádzajúceho prvého sledu pracovného cyklu, vo vysokotlakovom valci 4 je proces kompresie z predchádzajúceho druhého sledu pracovného cyklu.In the low-pressure cylinder 2 and the high-pressure cylinder 3 there is a process of secondary expansion from the previous first working cycle sequence, in the high-pressure cylinder 4 there is a compression process from the previous second working cycle sequence.

2. takt (predkompresia)2nd cycle (precompression)

Piest 7 nízkotlakového valca 1 sa pohybuje z DÚ do HÚ a pretláča nasatý vzduch cez spoločný prepúšťací kanál 19, otvorený prepúšťací ventil 12, otvorený kanálový ventil 18 a otvorený pracovný ventil 11, do vysokotlakového valca 3 v ktorom sa piest 6 pohybuje z HÚ do DÚ. Po dosiahnutí DÚ piestom 6 sa kanálový 18 a pracovný ventil 11 zatvorí.The piston 7 of the low-pressure cylinder 1 moves from the HH to the HH and pushes the sucked air through the common air passage 19, the open bypass valve 12, the open duct valve 18 and the open working valve 11 to the high-pressure cylinder 3. . Upon reaching the DP by the piston 6, the duct 18 and the working valve 11 close.

V nízkotlakovom valci 2 je proces výfuku z predchádzajúceho prvého sledu pracovného cyklu, vo vysokotlakovom valci 4 je proces primárnej expanzie z predchádzajúceho druhého sledu pracovného cyklu.In the low pressure cylinder 2 there is an exhaust process from the previous first work cycle sequence, in the high pressure cylinder 4 there is a primary expansion process from the previous second work cycle sequence.

3. takt (kompresia)3rd cycle (compression)

Piest 6 vysokotlakového valca 3 sa pohybuje z DÚ do HÚ a stláča pretlačený vzduch, ktorý je už čiastočne stlačený vplyvom rozdielnych objemov nízkotlakového 1 a vysokotlakového 3 valca. Tesne pred dosiahnutím HÚ sa do stlačeného, vplyvom tlaku a zmenšeného objemu zohriateho vzduchu, vstrekne vstrekovacou dýzou 24, vysokým tlakom jemne rozprášené palivo (motorová nafta).The piston 6 of the high-pressure cylinder 3 moves from the TI to the DGR and compresses the pressurized air which is already partially compressed due to the different volumes of the low-pressure cylinder 1 and the high-pressure cylinder 3. Just before reaching the DGR, finely atomised fuel (diesel) is injected into the compressed nozzle 24, high pressure, under the pressure and reduced volume of heated air.

Vo vysokotlakovom valci 4 a nízkotlakovom valci 1 je proces sekundárnej expanzie z predchádzajúceho druhého sledu pracovného cyklu, v nízkotlakovom valci 2 je proces nasávania, čím sa nanovo začína druhý sled pracovného cyklu.In the high-pressure cylinder 4 and the low-pressure cylinder 1 there is a secondary expansion process from the previous second working cycle sequence, in the low-pressure cylinder 2 there is a suction process, thus restarting the second working cycle sequence.

4. takt (primárna expanzia)4th cycle (primary expansion)

Po dosiahnutí HÚ piestom 6 vysokotlakového valca 3, nastáva prvý pracovný zdvih (primárna expanzia), kedy tlak vzniknutý vplyvom zhorenia paliva tlačí na piest 6, ktorý sa pohybuje z HÚ do DÚ.Upon reaching the DGR by the piston 6 of the high-pressure cylinder 3, the first working stroke (primary expansion) occurs, when the pressure generated by the fuel burns presses on the piston 6, which moves from the DGR to the DGR.

Vo vysokotlakovom valci 4 a nízkotlakovom valci 2 je proces predkompresie druhého sledu pracovného cyklu, v nízkotlakovom valci 1 je proces výfuku z predchádzajúceho druhého sledu pracovného cyklu.In the high-pressure cylinder 4 and the low-pressure cylinder 2 there is a pre-compression process of the second operating cycle sequence, in the low pressure cylinder 1 there is the exhaust process of the previous second operating cycle sequence.

5. takt (sekundárna expanzia)Step 5 (Secondary Expansion)

Piest 8 nízkotlakového valca 2 sa pohybuje striedavo voči piestu 6 susedného vysokotlakového valca 3. Keď piest 6 dosiahne DÚ v takte primárnej expanzie, piest 8 nízkotlakového valca 2 dosiahne HÚ. Jeho predchádzajúca činnosť bol 2.takt v druhom slede pracovného cyklu predkompresia, to znamená, že pretláčal nasatý vzduch do vysokotlakového valca 4 v druhom slede pracovného cyklu. Tesne pred dosiahnutím HÚ piestom 8 nízkotlakového valca 2 sa zatvorí kanálový ventil 18. Prepúšťací ventil 13 zostáva otvorený. Kompresný priestor valca 2 a priestor prepúšťacieho kanála 19 v tejto polohe obsahuje čiastočne stlačený čistý vzduch. Po otvorení pracovného ventilu 11 sa ešte horúce, prípadne horiace plyny z primárnej expanzie vo vysokotlakovom valci 3 dostanú do styku s čiastočne stlačeným vzduchom susedného nízkotlakového valca 2. Takto pridaný sekundárny vzduch umožní lepšie dohorenie paliva a tým zvýšenie teploty a tlaku plynov. Keďže priemer nízkotlakového valca 2 je väčší ako priemer vysokotlakového valca 3, vykoná sa druhý pracovný zdvih (sekundárna expanzia) v nízkotlakovom valci 2, pri ktorom sa piest 8 pohybuje z HÚ do DÚ. Počas celého zdvihu je pracovný ventil 11 vysokotlakového valca 3 a prepúšťací ventil 13 nízkotlakového valca 2 otvorený, sací 15, výfukový 17 a kanálový 18 ventil sú zatvorené.The piston 8 of the low-pressure cylinder 2 moves alternately with respect to the piston 6 of the adjacent high-pressure cylinder 3. When the piston 6 reaches the DP in its primary expansion, the piston 8 of the low-pressure cylinder 2 reaches the DG. Its previous operation was Stage 2 in the second sequence of the precompression operating cycle, that is to say it forced the intake air into the high pressure cylinder 4 in the second sequence of the working cycle. Immediately before reaching the LCI by the piston 8 of the low pressure cylinder 2, the channel valve 18 is closed. The bypass valve 13 remains open. The compression space of the cylinder 2 and the space of the passageway 19 in this position contain partially compressed clean air. Upon opening of the working valve 11, the hot or burning gases from the primary expansion in the high-pressure cylinder 3 come into contact with the partially compressed air of the adjacent low-pressure cylinder 2. The secondary air thus added will allow better combustion of the fuel and thereby increase the temperature and gas pressure. Since the diameter of the low-pressure cylinder 2 is larger than the diameter of the high-pressure cylinder 3, a second working stroke (secondary expansion) is performed in the low-pressure cylinder 2, in which the piston 8 moves from the DG to the DP. During the entire stroke, the working valve 11 of the high-pressure cylinder 3 and the bypass valve 13 of the low-pressure cylinder 2 are open, the inlet 15, the exhaust 17 and the channel 18 valve are closed.

V nízkotlakovom valci 1 je proces nasávania, čím sa začína prvý sled pracovného cyklu, vo vysokotlakovom valci 4 je proces kompresie druhého sledu pracovného cyklu.In the low pressure cylinder 1 there is a suction process, which starts the first sequence of the working cycle, in the high pressure cylinder 4 there is a process of compression of the second sequence of the working cycle.

6.takt (výfuk)6th cycle (exhaust)

Po vykonaní sekundárnej expanzie v nízkotlakovom valci 2, kedy piest 8 dosiahol DÚ, sa zatvorí prepúšťací ventil 13 a otvorí sa výfukový ventil 17. Pohybom piesta 8 z DÚ do HÚ sa splodiny odvedú cez výfukový ventil 17 do výfukového systému. Po dosiahnutí HÚ sa zatvorí výfukový ventil 17, otvorí sa sací ventil 15, Čím sa začína druhý sled pracovného cyklu.After secondary expansion in the low pressure cylinder 2, when the piston 8 has reached the DP, the bypass valve 13 is closed and the exhaust valve 17 is opened. By moving the piston 8 from the DP to the DG, the fumes are led through the exhaust valve 17 to the exhaust system. After reaching the DGR, the exhaust valve 17 closes, the intake valve 15 opens, starting the second sequence of the duty cycle.

V nízkotlakovom valci 1 a vysokotlakovom valci 3 je proces predkompresie prvého sledu pracovného cyklu, vo vysokotlakovom valci 4 je proces primárnej expanzie druhého sledu pracovného cyklu.In the low pressure cylinder 1 and the high pressure cylinder 3 there is a process of precompression of the first work cycle sequence, in the high pressure cylinder 4 there is a process of primary expansion of the second work cycle sequence.

Claims (1)

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS Spôsob činnosti 6-taktného piestového spaľovacieho motora uskutočňujúci sa v motore s vratným pohybom piestov, ktorý má najmenej 4 pracovné valce v kombinácii; dva valce nízkotlakové(l , 2) väčšieho priemeru a dva valce vysokotlakové(3 , 4) menšieho priemeru, vyznačujúci sa tým, že sa koná v 6-taktnom pracovnom cykle, ktorý prebieha sériovo cez tri pracovné valce v dvoch sledoch, pričom prvý sled pracovného cyklu začína nasávaním do nízkotlakového valca(l), pokračuje predkompresiou, kompresiou a primárnou expanziou vo vysokotlakovom valci(3), končí sekundárnou expanziou a výfukom v nízkotlakovom valci(2), druhý sled pracovného cyklu začína nasávaním do nízkotlakového valca(2), pokračuje predkompresiou, kompresiou a primárnou expanziou vo vysokotlakovom valci(4) a končí sekundárnou expanziou a výfukom v nízkotlakovom valci(l).A method of operation of a 6-stroke reciprocating internal combustion engine operating in a reciprocating engine having at least four working cylinders in combination; two low-pressure cylinders (1,2) of larger diameter and two high-pressure cylinders (3,4) of smaller diameter, characterized in that it takes place in a 6-stroke duty cycle, which runs in series over three working cylinders in two sequences, the first sequence the working cycle begins with aspiration into the low pressure cylinder (1), continues with pre-compression, compression and primary expansion in the high pressure cylinder (3), ends with secondary expansion and exhaust in the low pressure cylinder (2); proceeds with precompression, compression and primary expansion in the high pressure cylinder (4) and ends with secondary expansion and exhaust in the low pressure cylinder (1).