RU2135794C1

RU2135794C1 - Method of delivering non-combustion liquid and fuel into cylinders of internal combustion engine with subsequent conversion of liquid and fuel into steam in steam generators

Info

Publication number: RU2135794C1
Application number: RU97118753A
Authority: RU
Inventors: Ю.Б. Сошников
Original assignee: Сошников Юрий Борисович
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: preset amount of fuel is delivered into slotted fuel steam generator located in cylinder head where fuel is evaporated and delivered through holes made at angle to cylinder axis into cylinder, thus forming vortex. Non-combustible liquid is injected into slotted liquid steam generator formed by cylinder mirror and piston with space sealed by rings. Non-combustible liquid steam generator is divided into two sections by ring-valve. Steam from lower and upper sections gets into underpiston space, thus forming vortex. EFFECT: optimization of mixing and fuel combustion processes. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к способам подачи топлива или горючей смеси, либо присадок негорючих веществ для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и составным частям этих систем. The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular engine manufacturing, and in particular to methods of supplying fuel or a combustible mixture, or additives of non-combustible substances for internal combustion engines (ICE) and the components of these systems.

Известны способы подачи негорючей жидкости в цилиндры двигателей внутреннего сгорания (см. патент СССР N 707532, кл. F 02 B 47/02, F 02 M 25/02, опубликованный в 1979 г). Known methods for supplying non-combustible liquid into the cylinders of internal combustion engines (see USSR patent N 707532, class F 02 B 47/02, F 02 M 25/02, published in 1979).

Известна также система, предназначенная для подачи негорючей жидкости в камеры сгорания двигателей внутреннего сгорания, в которой используется тепло уходящих газов. В выхлопном коллекторе этой системы установлено теплообменное устройство, через которое подается негорючая жидкость к устройствам для впрыска. У известной системы имеются также теплоизолированные втулки цилиндров, уменьшающие тепловые потери в процессе теплообмена с окружающей средой. Работой насоса для негорючей жидкости управляет датчик температуры, установленный в выхлопном коллекторе (см. авторское свидетельство СССР N 1421889, кл. F 02 M 25/03, опубл. 1988 г.)
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ подачи топлива и негорючей жидкости в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в подаче топлива в цилиндр двигателя, впрыскивании негорючей жидкости в парогенератор негорючей жидкости, превращении ее в пар и создании дополнительной работы (см. заявку EP 142580, кл. F 02 M 25/03, 1985 г.)
Известное техническое решение имеет следующие недостатки. Не решена проблема охлаждения втулок цилиндров, что обязательно приведет к иx задирам. Тепло уходящих газов используется только для подогрева вспрыскиваемой негорючей жидкости, в результате чего утилизируется небольшое количество тепла уходящих газов.Also known is a system for supplying a non-combustible liquid to the combustion chambers of internal combustion engines, which uses the heat of the exhaust gases. A heat exchange device is installed in the exhaust manifold of this system, through which a non-combustible liquid is supplied to the injection devices. The known system also has thermally insulated cylinder liners that reduce heat loss during heat exchange with the environment. The operation of the pump for non-combustible liquids is controlled by a temperature sensor installed in the exhaust manifold (see USSR author's certificate N 1421889, class F 02 M 25/03, publ. 1988)
The closest technical solution to the claimed invention is a method of supplying fuel and non-combustible liquid to the cylinders of an internal combustion engine, which consists in supplying fuel to the engine cylinder, injecting non-combustible liquid into a non-combustible liquid steam generator, converting it into steam and creating additional work (see application EP 142580 Cl. F 02 M 25/03, 1985)
Known technical solution has the following disadvantages. The problem of cooling the cylinder liners has not been resolved, which will necessarily lead to their scoring. The heat of the flue gases is used only to heat the sprayed non-combustible liquid, as a result of which a small amount of heat of the flue gases is utilized.

Впрыск топлива в вихревую камеру ведет к повышенному удельному расходу топлива вследствие больших гидравлических и тепловых потерь при протекании газов из одной камеры в другую. The injection of fuel into the vortex chamber leads to an increased specific fuel consumption due to large hydraulic and heat losses during the flow of gases from one chamber to another.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в замене водяного охлаждения испарительным с возвращением части тепла, выделяемого в системах охлаждения и уходящего с отработанными газами, в работу, оптимизации процесса смесеобразования, а значит, оптимизации процессов сгорания топлива, повышении коэффициента полезного действия (КПД) двигателей внутреннего сгорания, доведении КПД двухтактных двигателей до уровня четырехтактных ДВС. Обеспечение работы ДВС по адиабатному циклу. The technical result of the invention consists in replacing evaporative water cooling with the return of part of the heat generated in the cooling systems and leaving with the exhaust gases to work, optimizing the mixture formation process, and therefore, optimizing the fuel combustion processes, increasing the efficiency (efficiency) of internal combustion engines , bringing the efficiency of two-stroke engines to the level of four-stroke internal combustion engines. Ensuring the operation of the internal combustion engine in the adiabatic cycle.

Технический результат достигается тем, что способ подачи топлива и негорючей жидкости в цилиндры двигателя внутреннего сгорания заключается в подаче топлива в цилиндр двигателя, впрыскивании негорючей жидкости в парогенератор негорючей жидкости, превращении ее в пар с использованием тепла, теряемого с уходящими газами, подаче пара в цилиндр двигателя и создании дополнительной работы, при этом требуемая для данного режима работы двигателя порция топлива подается в топливный щелевой парогенератор, расположенный в головке цилиндра, где оно испаряется, и по отверстиям, выполненным под углом к оси цилиндра, пары топлива поступают в цилиндр, образуя вихрь, а негорючая жидкость впрыскивается в щелевой парогенератор негорючей жидкости, образованный зеркалом цилиндра и поршнем с герметизацией объема кольцами и разделением парогенератора негорючей жидкости на две секции кольцом-клапаном, причем пар из верхней части парогенератора поступает по отверстиям, выполненным в поршне под углом к оси цилиндра и по касательной к окружности с возможностью образования вихря, а пар из нижней секции парогенератора, через окна в канавке кольца-клапана, попадает в верхнюю секцию парогенератора и соответственно в пространство над поршнем. The technical result is achieved in that the method of supplying fuel and non-combustible liquid to the cylinders of an internal combustion engine is to supply fuel to the engine cylinder, injecting non-combustible liquid into a non-combustible liquid steam generator, converting it into steam using heat lost with the flue gases, supplying steam to the cylinder engine and the creation of additional work, while the portion of fuel required for a given engine operating mode is supplied to the slotted fuel steam generator located in the cylinder head, where it evaporates, and through openings made at an angle to the axis of the cylinder, fuel vapor enters the cylinder, forming a vortex, and a non-combustible liquid is injected into a slot-type non-combustible liquid steam generator, formed by a cylinder mirror and a piston with a volume sealing ring and dividing the non-combustible liquid steam generator into two sections ring-valve, and steam from the upper part of the steam generator enters through holes made in the piston at an angle to the axis of the cylinder and tangentially to the circle with the possibility of the formation of a vortex, and steam from the bottom section of the steam generator, through the windows in the groove of the valve ring, enters the upper section of the steam generator and, accordingly, into the space above the piston.

В момент закрытия всасывающих клапанов для четырехтактных или выхлопных окон двухтактных бензиновых двигателей и для дизелей в районе верхней мертвой точки (ВМТ) в топливный щелевой парогенератор, расположенный в головке цилиндра и имеющий необходимые температуру и поверхность теплообмена, впрыскивается требуемая для данного режима работы двигателя порция топлива, где оно за необходимый промежуток времени испаряется и по радиальным каналам, выполненным под некоторым углом к оси цилиндра, пары топлива струями с большой скоростью поступают в цилиндр, образуя вихрь. В бензиновом двигателе по мере передвижения поршня вверх происходит интенсивное перемешивание паров топлива и воздуха, в дизеле при соприкосновении паров топлива с воздухом оно воспламеняется и горит до окончания процесса испарения. В районе ВМТ у бензиновых двигателей происходит воспламенение горючей смеси искрой от свечи зажигания. At the moment of closing the suction valves for four-stroke or exhaust windows of two-stroke gasoline engines and for diesel engines in the top dead center region (TDC), a portion of fuel required for this engine operation mode is injected into the fuel slotted steam generator located in the cylinder head and having the necessary temperature and heat exchange surface , where it for a necessary period of time also evaporates through radial channels made at some angle to the axis of the cylinder, fuel vapor jets at high speed Payuta the cylinder, forming a vortex. In a gasoline engine, as the piston moves upward, intensive mixing of fuel and air vapors occurs, in a diesel engine, when fuel vapors come into contact with air, it ignites and burns until the evaporation process ends. In the area of TDC, gasoline engines ignite the combustible mixture with a spark from the spark plug.

После воспламенения паров топлива давление в цилиндре быстро нарастает в районе, близком к давлению P_z в парогенератор, образованный стенкой цилиндра и поршнем и имеющий необходимую температуру стенок, впрыскивается негорючая жидкость. При перегреве топливного парогенератора в него также одновременно происходит впрыскивание негорючей жидкости. Температура цилиндра и поршня поддерживается таковой, чтобы выход пара был минимальным. По мере движения поршня к нижней мертвой точке (НМТ) давление над поршнем падает, топливо к этому времени сгорает, а негорючая жидкость начинает интенсивно выкипать, охлаждая тем самым цилиндр, поршень и головку, поддерживая оптимальное давление над поршнем. Выхлоп отработанных газов осуществляется в теплообменное устройство, позволяющее подогревать стенку цилиндра этими газами.After ignition of fuel vapor, the pressure in the cylinder rapidly rises in the region close to the pressure P _z into the steam generator formed by the cylinder wall and piston and having the required wall temperature, non-combustible liquid is injected. When the fuel steam generator overheats, it also injects non-combustible liquid into it at the same time. The temperature of the cylinder and piston is maintained so that the steam output is minimal. As the piston moves to the bottom dead center (BDC), the pressure above the piston drops, the fuel burns out by this time, and the non-combustible liquid begins to boil away intensively, thereby cooling the cylinder, piston and head, maintaining the optimum pressure above the piston. Exhaust gas is exhausted into a heat exchange device that allows the cylinder wall to be heated with these gases.

Для реализации способа необходимо знать, какое количество тепла выделяется на донышке поршня, головке и стенке цилиндра. Сделаем одно допущение: средняя за рабочий ход удельная интенсивность теплового потока g(Bm/м²) внутри цилиндра во все стороны одинакова. Тогда на донышке поршня и головке цилиндра выделится следующее количество тепла:

где Q_д.п. - количество тепла, выделившееся на донышке поршня,
Q_г. - количество тепла, выделившееся на головке цилиндра,
t - время,
D - диаметр цилиндра.To implement the method, you need to know how much heat is released on the bottom of the piston, the head and the wall of the cylinder. We make one assumption: the average specific heat flux per working stroke g (Bm / m ² ) inside the cylinder is the same in all directions. Then on the bottom of the piston and cylinder head the following amount of heat will be released:

where Q _d.p. - the amount of heat released at the bottom of the piston,
Q _g - the amount of heat released on the cylinder head,
t is the time
D is the diameter of the cylinder.

Количество тепла, выделившееся на зеркале цилиндра Q_ц, определится следующим образом.The amount of heat released on the mirror of the cylinder Q _C will be determined as follows.

При перемещении поршня на величину X за время t количество тепла будет равно

берем среднее время действия потока g, т.к. верхняя кромка находилась под воздействием потока t с, а нижняя 0 с.When the piston moves by an amount X over time t, the amount of heat will be equal

take the average duration of the flow g, because the upper edge was influenced by the flow t s and the lower 0 s.

При перемещении поршня на величину (x+Δx) за время (t+Δt) количество тепла будет равно

Приращение количества тепла на стенке цилиндра при перемещении поршня на величину Δx за время Δt равно:

Разделим обе части равенства на Δt

Переходим к пределу при Δt _→ 0

тогда

Решение для шатунно-кривошипного механизма дает при ходе поршня S=D следующие соотношения:
Q_д.п.=Q_г. = 25%, Q_ц. = 50% от общих потерь тепла в системе охлаждения.When the piston moves by the amount of (x + Δx) during the time (t + Δt), the amount of heat will be equal to

The increment of the amount of heat on the cylinder wall when the piston moves by Δx for the time Δt is equal to:

Divide both sides of the equality by Δt

We pass to the limit as Δt _ → 0

then

The solution for the crank mechanism gives the following relationships when the piston stroke S = D:
Q _d.p. = Q _g. = 25%, Q _c. = 50% of the total heat loss in the cooling system.

На фиг.1 показан общий вид двигателя,
фиг.2 - вид I фиг.1,
фиг.3 - вид А фиг.1.Figure 1 shows a General view of the engine,
figure 2 is a view of I figure 1,
figure 3 is a view a of figure 1.

Пример реализации способа в виде устройства для двухтактного бензинового двигателя приведен на фиг.1. An example implementation of the method in the form of a device for a two-stroke gasoline engine is shown in figure 1.

Устройство содержит стакан 1 и плиту 2, установленную на резьбе в стакане 1 с некоторым зазором, имеющую отверстия 3, выполненные под углом к оси цилиндра. В дно стакана 1 установлены свеча 4, обратный клапан 5 топливной системы, обратный клапан 6 негорючей жидкости. Стакан 1 и плита 2 образуют топливный парогенератор. Цилиндр 7 и поршень 8 с кольцами 9 и 10 образуют парогенератор негорючей жидкости, который разделен кольцом-клапаном 11 на две секции. В поршне 8 выполнены отверстия 12 под углом к оси цилиндра и по касательной к окружности с таким расчетом, чтобы струи пара из отверстий 3 и отверстий 12 образовывали вихрь одного направления. Кроме того, в канавке кольца-клапана 11 профрезерованы окна 13. Внешний теплообменник снабжен спиральными ребрами 14, причем направление спирали совпадает с направлением вихря в цилиндре. Кроме того, в стакане 1 установлен электронагреватель 15, в стенке цилиндра 7 установлен обратный клапан негорючей жидкости 16 и в линии, подающей негорючую жидкость в топливный парогенератор, установлен двухпозиционный клапан 17. Цилиндр, поршень и топливный парогенератор полностью теплоизолированы от окружающей среды. Устройство работает следующим образом. The device comprises a cup 1 and a plate 2 mounted on a thread in the cup 1 with some clearance, having holes 3 made at an angle to the axis of the cylinder. A candle 4, a check valve 5 of the fuel system, a check valve 6 of non-combustible liquid are installed in the bottom of the glass 1. The glass 1 and the stove 2 form a fuel steam generator. The cylinder 7 and the piston 8 with rings 9 and 10 form a non-combustible liquid steam generator, which is divided into two sections by a valve ring 11. Holes 12 are made in the piston 8 at an angle to the axis of the cylinder and tangentially to the circle so that steam jets from the holes 3 and the holes 12 form a vortex of the same direction. In addition, windows 13 are milled in the groove of the valve-valve 11. The external heat exchanger is provided with spiral fins 14, and the direction of the spiral coincides with the direction of the vortex in the cylinder. In addition, an electric heater 15 is installed in the cup 1, a non-combustible liquid check valve 16 is installed in the cylinder wall 7, and a two-position valve 17 is installed in the line supplying the non-combustible liquid to the fuel steam generator 17. The cylinder, piston and fuel steam generator are completely insulated from the environment. The device operates as follows.

Работу устройства рассматриваем в предположении, что температуры парогенераторов топливного T₁ и негорючей жидкости T₂ оптимальны для используемого топлива и негорючей жидкости.We consider the operation of the device under the assumption that the temperatures of the fuel steam generators T ₁ and non-combustible liquid T _{2 are} optimal for the fuel and non-combustible liquid used.

При нахождении поршня 8 в НМТ происходит продувка цилиндра воздухом. При перекрытии кромкой поршня 8 выхлопного окна через обратный клапан 5 в топливный парогенератор, состоящий из стакана 1 и плиты 2, впрыскивается топливо, которое превращается в пар и по отверстиям 3 струями попадает в цилиндр, образуя вихревое движение смеси. При нахождении поршня 8 в районе ВМТ свеча 4 поджигает смесь. В районе, близком к давлению P_z, в парогенератор негорючей жидкости, состоящий из цилиндра 7, поршня 8 с кольцами 9 и 10, через обратный клапан 16 впрыскивается необходимое количество жидкости. Температура T₂ и давление в парогенераторе таковы, что выход пара минимален. По мере движения поршня к НМТ давление над поршнем падает и становится меньше, чем в парогенераторе. К этому времени основная часть топлива сгорела. Под действием разности давления кольцо 9 поднимается вверх на величину зазора в канавке. Пар по отверстиям 12 из верхней секции парогенератора начинает поступать в пространство над поршнем, поддерживая повышенное давление, одновременно с выходом пара из верхней секции парогенератора давления в ней падает, что приводит к подъему кольца-клапана 11 вверх на величину зазора в канавке. Пар из нижней секции парогенератора через окна 13 попадает в верхнюю секцию парогенератора и соответственно в пространство над поршнем. В результате испарения негорючей жидкости цилиндр и поршень охлаждаются и производится дополнительная механическая работа. При прохождении колец 10 нижней кромки выхлопного окна давление в нижней секции парогенератора падает практически до "0". Нижняя секция парогенератора освобождается от остатков пара. Кольцо-клапан 11 прижимается к нижней кромке канавки, препятствуя падению давления в верхней секции парогенератора. При прохождении кольца-клапана 11 верхней кромки выхлопного окна давление в верхней секции парогенератора падает до "0", секция парогенератора освобождается от остатков пара, а кольцо 9 прижимается к нижней кромке канавки, препятствуя падению давления над поршнем. Фаски на кольцах 9 и 11 позволяют неиспарившейся части негорючей жидкости оставаться на стенке цилиндра, испаряясь уже после прохождения поршня. При приходе поршня в НМТ цикл повторяется.When the piston 8 is in the BDC, the cylinder is purged with air. When the edge of the piston 8 closes the exhaust window through a non-return valve 5, a fuel is injected into the fuel steam generator, consisting of a glass 1 and a plate 2, which turns into steam and enters the cylinder through the openings 3 by jets, forming a swirling motion of the mixture. When the piston 8 is in the area of TDC, the candle 4 ignites the mixture. In the region close to the pressure P _z , the required amount of liquid is injected into the non-combustible liquid steam generator, consisting of cylinder 7, piston 8 with rings 9 and 10, through the check valve 16. The temperature T ₂ and the pressure in the steam generator are such that the steam output is minimal. As the piston moves toward the BDC, the pressure above the piston drops and becomes less than in the steam generator. By this time, the bulk of the fuel burned out. Under the influence of the pressure difference, the ring 9 rises up by the size of the gap in the groove. Steam through the holes 12 from the upper section of the steam generator begins to flow into the space above the piston, maintaining increased pressure, while the steam leaves the upper section of the steam generator, the pressure in it falls, which leads to the lifting of the valve ring 11 up by the amount of clearance in the groove. Steam from the lower section of the steam generator through the windows 13 enters the upper section of the steam generator and, accordingly, into the space above the piston. As a result of the evaporation of a non-combustible liquid, the cylinder and piston are cooled and additional mechanical work is performed. With the passage of rings 10 of the lower edge of the exhaust window, the pressure in the lower section of the steam generator drops to almost "0". The lower section of the steam generator is freed from steam residues. The valve ring 11 is pressed against the lower edge of the groove, preventing the pressure drop in the upper section of the steam generator. When passing the valve ring 11 of the upper edge of the exhaust window, the pressure in the upper section of the steam generator drops to "0", the steam generator section is freed from steam residues, and ring 9 is pressed against the lower edge of the groove, preventing the pressure from falling above the piston. Chamfers on rings 9 and 11 allow the non-vaporized part of the non-combustible liquid to remain on the cylinder wall, evaporating after the piston has passed. When the piston arrives at the BDC, the cycle repeats.

Теплота парообразования и количество подаваемого топлива по сравнению с теплотой парообразования и количеством подаваемой негорючей жидкости невелики, поэтому топливный парогенератор будет перегреваться. Для предотвращения перегрева топливного парогенератора при определенной температуре T₁ через двухпозиционный клапан 17 и обратный клапан 6 в него также впрыскивается негорючая жидкость до достижения оптимальной температуры стенок парогенератора, причем впрыск негорючей жидкости в оба парогенератора происходит одновременно. Запуск такого двигателя можно осуществить при использовании обычного карбюратора и при нагреве топливного парогенератора до оптимальной температуры T₁ осуществить переход на впрыск топлива в топливный парогенератор и продувку цилиндра обычным воздухом. Другой способ пуска двигателя осуществляется путем нагрева электронагревателем 15 топливного парогенератора до оптимальной температуры T₁ с продувкой обычным воздухом.The heat of vaporization and the amount of fuel supplied compared with the heat of vaporization and the amount of supplied non-combustible liquid are small, so the fuel steam generator will overheat. To prevent overheating of the fuel steam generator at a certain temperature T ₁ through the on-off valve 17 and the check valve 6, a non-combustible liquid is also injected into it until the optimum temperature of the walls of the steam generator is reached, and the non-combustible liquid is injected into both steam generators simultaneously. The start of such an engine can be carried out using a conventional carburetor, and when the fuel steam generator is heated to the optimum temperature T ₁ , a transition is made to inject fuel into the fuel steam generator and purge the cylinder with ordinary air. Another method of starting the engine is carried out by heating an electric heater 15 of the fuel steam generator to the optimum temperature T ₁ by blowing with ordinary air.

Впрыск негорючей жидкости начинается при достижении температуры парогенератора негорючей жидкости T₂.Injection of non-combustible liquid begins when the temperature of the non-combustible liquid steam generator T _{2 is} reached.

Claims

The method of supplying fuel and non-combustible liquid to the cylinders of an internal combustion engine, which consists in supplying fuel to the engine cylinder, injecting non-combustible liquid into a non-combustible liquid steam generator, turning it into steam using heat lost with the flue gases, supplying steam to the engine cylinder and creating additional work characterized in that the portion of fuel required for a given engine operation mode is supplied to a slotted fuel steam generator located in the cylinder head, where it evaporates, and through an opening To the holes made at an angle to the axis of the cylinder, fuel vapor enters the cylinder, forming a vortex, and non-combustible liquid is injected into the slotted non-combustible liquid steam generator, formed by a cylinder mirror and a piston with sealing the volume by rings and dividing the non-combustible liquid steam generator into two sections by a valve ring, steam from the upper part of the steam generator enters through holes made in the piston at an angle to the axis of the cylinder and tangentially to the circle with the possibility of a vortex, and steam from the lower section of the steam generator Through the window in the groove of the valve ring, it enters the upper section of the steam generator and, accordingly, into the space above the piston.