Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/091098
Kind Code:
A1
Abstract:
Operation method of a two-stroke internal combustion engine. Near-isothermal compression is carried out in a separate screw compressor with an injection of a cooling liquid. The heat of exhaust gases is used to heat a compressed working medium to a fuel auto-ignition temperature. At the end of an exhaust stroke, a specific quantity of the exhaust gases is compressed. During compression of the exhaust gases, an initial fuel injection is carried out with a specific advance angle. The engine power is adjusted by proportionally reducing the intake phase, the quantity of fuel taken in, and the compressor capacity.

Inventors:
EGOROV, Boris Lvovich (pr-kt Lenina, 41 kv. 76,Vladimirskaya obl, Vladimir 5, 600015, RU)
Application Number:
RU2015/000815
Publication Date:
June 01, 2017
Filing Date:
November 24, 2015
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
EGOROV, Boris Lvovich (pr-kt Lenina, 41 kv. 76,Vladimirskaya obl, Vladimir 5, 600015, RU)
International Classes:
F02B33/32; F02B41/04; F02G5/02
Foreign References:
US20030049139A12003-03-13
JPH04209933A1992-07-31
RU2012121102A2013-11-27
US20050257523A12005-11-24
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания с внешним сжатием в отдельном компрессоре и нагревом сжатого рабочего тела в регенераторе теплом отработавших газов, отличающийся тем, что сжатие осуществляют в винтовом компрессоре с впрыском охлаждающего агента в сжимаемый воздух, а в конце такта выпуска двигателя закрывают выпускной клапан расширительной машины раньше прихода поршня в верхнюю мертвую точку, осуществляют сжатие определенного количества отработавших газов, производят первоначальный впрыск топлива в сжимаемые отработавшие газы, продолжают впрыск топлива в течение фазы впуска поддерживая заданную температуру рабочего тела, при этом регулируют мощность двигателя пропорциональным уменьшением фазы впуска, количества вводимого топлива и производительности компрессора.

Description:
Способ работы двигателя внутреннего сгорания

Область изобретения

Изобретение относится к двигателестроению

Предпосылки создания изобретения

Известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания, в которых сжатие рабочего тела осуществлялось в отдельном компрессоре, а подвод тепловой энергии и

расширение непосредственно в цилиндре двигателя. При этом, как правило,

предлагалось осуществлять сжатие в отдельном цилиндре, то есть фактически почти адиабатно. Такой способ работы из-за увеличения тепловых и газодинамических потерь не приводил к увеличению эффективности по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, работающими по циклу Отто или Дизеля. Одним из главных недостатков вышеуказанного типа двигателей являются потери при перетекании рабочего тела в цилиндры расширительной машины, которые

увеличиваются при повышении частоты вращения двигателя. Это связано с тем, что в известных аналогичных способах рабочее тело после такта расширения полностью выталкивается из цилиндра поршнем и остается только в так называемом мертвом пространстве, образованном днищем поршня и головкой блока. Давление в мертвом пространстве в момент открытия впускного клапана близко к атмосферному и при впуске происходит дросселирование сжатого рабочего тела, так как клапан открывается постепенно, а объем мертвого пространства будет в любом случае значителен. При увеличении частоты вращения двигателя рабочее тело не будет успевать заполнить объем мертвого пространства с заданным давлением при нахождении поршня в ВМТ и компенсировать увеличение объема надпоршневого пространства при движении поршня вниз. Так как впуск рабочего тела при данном способе начинается в момент, когда поршень достигает ВМТ, то впрыск и горение топлива может быть осуществлено только после ВМТ. Учитывая задержку воспламенения топлива, активная фаза горения может начаться при большой частоте вращения только через 20-30° поворота коленчатого вала после ВМТ. Такое позднее воспламенение приводит к неполному сгоранию топлива, потере эффективности и увеличению вредных выбросов в отработавших газах.

Наиболее близкими к предлагаемому способу являются способы работы двигателя, описанные в патентах US 4040400, дата публикации: 9.08.1977 и RU 2246625 дата публикации: 20.05.2005, а также в заявке автора РСТ /RU2015/000010. Способы работы, описанные в указанных патентах, предусматривают изотермическое сжатие с последующим нагревом сжатого рабочего тела отработавшими газами, но сжатие предлагается осуществлять в поршневом многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением. Политропа сжатия поршневого компрессора составляет в среднем 1,3, то есть ближе к адиабате, а промежуточное охлаждение не уменьшает работу сжатия. Термодинамический эффект от применения сжатия с промежуточным охлаждением и последующим нагревом сжатого рабочего тела отработавшими газами все же будет, но он будет менее значителен. Учитывая низкий объемный и

механический КПД поршневых многоступенчатых компрессоров данный эффект будет сведен к минимуму или к нулю. Значительного увеличения термодинамической эффективности способа работы двигателя со сжатием в отдельном компрессоре, а подводом тепла и расширением непосредственно в цилиндре, можно добиться только при применении сжатия, максимально близкого к изотермическому, использовании тепловой энергии

отработавших газов для последующего нагрева сжатого рабочего тела до температуры самовоспламенения и минимизации механических потерь при реализации.

Для эффективного сжатия в отдельном компрессоре политропа сжатия должна быть в реальных условиях близка к значению 1,1 и весь процесс сжатия предпочтительно осуществить одноступенчато с минимальными механическими потерями и высоким объемным КПД. Также в указанных способах при впуске рабочего тела в расширительный цилиндр будет происходить дросселирование, уменьшающее эффективность двигателя. А позднее воспламенение вследствие впрыска топлива после ВМТ уменьшит

эффективность сгорания топлива и увеличит вредные выбросы в особенности на средних и высоких оборотах.

Сущность изобретения

Главной целью предлагаемого способа является повышение КПД двухтактного двигателя внутреннего сгорания с внешним сжатием за счет более эффективного применения термодинамического цикла с изотермическим сжатием и регенерацией тепловой энергии выхлопных газов, а также за счет оптимизации процессов впуска рабочего тела и сгорания топлива.

Теоретический термодинамический цикл предлагаемого способа работы, включает: изотермическое сжатие - регенеративный подвод теплоты - изобарный (изохорно- изобарный) подвод теплоты - адиабатическое расширение - изохорный (изобарный) отвод теплоты. Теоретическая эффективность предлагаемого цикла при условии идеальной регенерации тепловой энергии отработавших газов будет максимально близка к эффективности идеального цикла Карно для заданной разности температур.

Для эффективного изотермического сжатия в отдельном компрессоре политропа сжатия должна быть максимально близка к изотерме или в реальных условиях к значению 1,1. При этом весь процесс сжатия предпочтительно осуществить

одноступенчато с минимальными механическими потерями и высоким объемным КПД.

В настоящее время только винтовые компрессоры с впрыском масла или охлаждающей жидкости отвечают таким требованиям.

Эффективная реализация цикла возможна при степени повышения давления в процессе изотермического сжатия от 18 и выше.

В предлагаемом регенеративном цикле после изотермического сжатия воздуха и сепарации свежий заряд нагревают отработавшими газами в теплообменнике

(регенераторе) повышая температуру до 500-700°С. Для того чтобы избежать дросселирования при впуске рабочего тела в расширительный цилиндр и позднего воспламенения топлива, выпуск отработавшего рабочего тела должен быть осуществлен не полностью, то есть выпускной клапан закрывают раньше прихода поршня в ВМТ. Небольшое количество отработавших газов сжимают в конце такта выпуска, одновременно производя первоначальный впрыск топлива.

Отработавшие газы будут предположительно иметь температуру 600-800°С и содержание кислорода около 10%. При степени сжатия 7 , например, температура отработавших газов в мертвом пространстве цилиндра повысится до 1600-1700°С, а давление до 15-16 бар. Впрыск топлива производят с определенным углом опережения по аналогии с дизельным двигателем. Активная фаза горения начнется уже до ВМТ как в дизельном двигателе, и давление возрастет до уровня давления во впускном трубопроводе (20-22 бар), а температура до максимальной заданной температуры рабочего тела. Степень сжатия отработавших газов может быть также увеличена до 10, тогда температура в момент прихода поршня в ВМТ будет уже приближена к максимальной заданной температуре рабочего тела, а значение давления приближено к давлению во впускном трубопроводе. В данном случае активная фаза горения должна быть инициирована в момент открытия впускного клапана.

В момент прихода поршня в ВМТ или с определенным углом опережения открывают впускной клапан и производят впуск рабочего тела. При этом продолжают впрыск топлива для поддержания заданной температуры рабочего тела до окончания процесса впуска. При впуске по предлагаемому способу равномерно поступающий в цилиндр свежий заряд будет быстро нагреваться и занимать увеличивающийся объем

надпоршневого пространства без падения давления и значимых потерь на

дросселирование.

Описание чертежей

Фиг. 1 Общая схема устройства, работающего по предлагаемому способу.

Фиг. 2, 3, 4, 5 Схематичное изображение работы двигателя при впуске, расширении и выпуске. Фиг. 6 PV-диаграмма цикла согласно предлагаемому способу. Описание варианта реализации изобретения

Предлагаемый способ может быть реализован в поршневом двигателе, имеющем специальные системы впуска, выпуска и газораспределительного механизма, а также снабженном отдельным винтовым компрессором (фиг. 1)

Устройство содержит следующие основные элементы: расширительная машина (двигатель) 1 , выпускной клапан 2, впускной клапан 3, регенератор 4 , сепаратор 5, компрессор 6, вентилятор 7, радиатор охлаждения компрессора 8.

Винтовой компрессор с впрыском масла или воды снабжен системой охлаждения и сепарации впрыскиваемой жидкости. Регенератор представляет собой теплообменник, который может быть дополнен системой предпускового подогрева и системой нейтрализации вредных веществ. Расширительная машина или сам двигатель традиционной поршневой конструкции с кривошипно-шатунным механизмом.

Впускной клапан должен быть специальной конструкции, предотвращающей

самопроизвольное открытие вследствие разности давлений, а также быть максимально уравновешенным, чтобы на его открытие не требовалось больших энергетических затрат. Привод впускного клапана должен быть снабжен механизмом регулирования длительности фазы впуска для регулирования мощности двигателя.

Топливная система двигателя, в общем, может быть аналогична системам дизельных двигателей с непосредственным впрыском, но со специальным алгоритмом управления.

Предлагаемый цикл является двухтактным и реализуется за один оборот коленчатого вала поршневого двигателя нижеследующим образом.

Когда поршень двигателя приближается к НМТ, открывают выпускной клапан и при движении поршня вверх осуществляют выпуск отработавшего рабочего тела (фиг 2.) Выпуск рабочего тела осуществляют не полностью и за 10-40° до ВМТ закрывают выпускной клапан и осуществляют сжатие отработавшего рабочего тела, одновременно осуществляя впрыск топлива (фиг 3.) Когда поршень достигает ВМТ, открывают впускной клапан и осуществляют впуск свежего заряда (фиг 4.), то есть воздуха предварительно сжатого в отдельном винтовом компрессоре и нагретого отработавшими газами в регенераторе-теплообменнике.

Максимальная длительность фазы впуска определяется заданными параметрами рабочего тела (температура, давление, масса) в конце впуска так, чтобы количество рабочего тела в цилиндре по окончании впуска соответствовало максимальной производительности компрессора. Длительность фазы впуска изменяют одновременно с уменьшением количества вводимого топлива и производительности компрессора при уменьшении нагрузки. При пропорциональном уменьшении фазы впуска, количества вводимого топлива и производительности компрессора снижение мощности двигателя не будет приводить к снижению теплового КПД цикла при уменьшении нагрузки. Следовательно, изменение эффективного КПД всей системы в зависимости от нагрузки будет не таким значительным как у традиционных дизельных и бензиновых двигателей. Производительность компрессора регулируют одним из известных используемых способов на основе показаний датчика давления.

По окончании процесса впуска закрывают впускной клапан и осуществляют расширение рабочего тела (фиг. 5)

По предварительным теоретическим расчетам цикла согласно предлагаемому способу работы тепловой КПД будет значительно выше теплового КПД цикла Сабатэ- Тринклера и может превышать 80%.

Режим предлагаемого двигателя двухтактный, поэтому на одну и ту же мощность нужен значительно меньший объем цилиндров, чем для четырехтактного дизельного двигателя. Механический КПД предлагаемого двигателя будет выше механического КПД дизельного двигателя.

На основании вышеизложенного можно предположить, что эффективный КПД предлагаемого двигателя сможет достичь и даже превысить 60%.