RU2176739C1 - Method of operation of internal combustion engine (versions) - Google Patents
Method of operation of internal combustion engine (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2176739C1 RU2176739C1 RU2001107942A RU2001107942A RU2176739C1 RU 2176739 C1 RU2176739 C1 RU 2176739C1 RU 2001107942 A RU2001107942 A RU 2001107942A RU 2001107942 A RU2001107942 A RU 2001107942A RU 2176739 C1 RU2176739 C1 RU 2176739C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- air
- air mixture
- piston
- mixture
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 53
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 51
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 51
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims abstract description 28
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 75
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 claims description 4
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 40
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 40
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 11
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010754 BS 2869 Class F Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NHTMVDHEPJAVLT-UHFFFAOYSA-N Isooctane Chemical compound CC(C)CC(C)(C)C NHTMVDHEPJAVLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- JVSWJIKNEAIKJW-UHFFFAOYSA-N dimethyl-hexane Natural products CCCCCC(C)C JVSWJIKNEAIKJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 201000000736 Amenorrhea Diseases 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 231100000357 carcinogen Toxicity 0.000 description 1
- 239000003183 carcinogenic agent Substances 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 231100000171 higher toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
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
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
- F02B75/021—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having six or more strokes per cycle
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)
Abstract
Description
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в автомобильной промышленности и машиностроении. The invention relates to engine building, and in particular to methods of operation of internal combustion engines (ICE), and can be used in the automotive industry and mechanical engineering.
Одной из основных проблем работы ДВС является организация экологически чистого горения. В современных ДВС для этого используют топливно-воздушные смеси (ТВС) бедного состава (О.И. Жегалин и др. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М: Машиностроение, 1985). Однако использование бедных ТВС создает проблемы с их воспламенением и устойчивым горением. Известно, что облегчение воспламенения бедных ТВС можно достичь путем увеличения температуры сжатия горючей смеси за счет повышения степени сжатия. Известные ДВС не позволяют достичь высоких степеней сжатия из-за недостаточной механической прочности обычных конструкций и из-за ограничения, связанного с возможностью возникновения детонационного режима горения. One of the main problems of the internal combustion engine is the organization of environmentally friendly combustion. In modern ICEs, poor-air fuel-air mixtures (FAs) are used for this (OI Zhegalin et al. Reducing the toxicity of automobile engines. M: Mechanical Engineering, 1985). However, the use of poor fuel assemblies creates problems with their ignition and sustainable burning. It is known that the relief of ignition of poor fuel assemblies can be achieved by increasing the compression temperature of the combustible mixture by increasing the degree of compression. Known ICEs do not allow to achieve high degrees of compression due to the insufficient mechanical strength of conventional structures and because of the limitations associated with the possibility of a detonation combustion mode.
Известен способ работы карбюраторного ДВС с воспламенением от сжатия (RU 2008456 С1, кл. F 02 В 23/00 з. 1990, п. 1994), в котором сжатие ТВС осуществляется в две последовательные стадии, для чего в одноцилиндровом четырехтактном ДВС устанавливают дополнительный поршень, движение которого осуществляется при помощи блока пружин. Сжатие ТВС на первой стадии - до степени сжатия 6-7 - осуществляют движением основного поршня до верхней мертвой точки (ВМТ), что сопровождается одновременным сжатием блока пружин дополнительного поршня навстречу основному поршню, в результате чего степень сжатия возрастает до 19-20, и происходит воспламенение ТВС. Сжатие блока пружин и их сброс осуществляется посредством упорной штанги, кинематически связанной с кривошипно-шатунным механизмом и коленчатым валом двигателя. A known method of operation of a carburetor internal combustion engine with compression ignition (RU 2008456 C1, class F 02 23/00 s. 1990, p. 1994), in which the fuel assembly is compressed in two successive stages, for which an additional piston is installed in a single-cylinder four-stroke internal combustion engine , the movement of which is carried out using a block of springs. The fuel assemblies are compressed at the first stage — to compression ratio 6–7 — by moving the main piston to the top dead center (TDC), which is accompanied by simultaneous compression of the additional piston spring block towards the main piston, as a result of which the compression ratio increases to 19–20, and ignition of fuel assemblies. The compression of the spring block and their discharge is carried out by means of a thrust rod kinematically connected with the crank mechanism and the engine crankshaft.
Недостатком описанного способа является организация воспламенения ТВС при высоких степенях сжатия, что резко увеличивает вероятность возникновения детонации и приводит к значительному увеличению механической нагрузки на шатунно-поршневую группу двигателя. Реализация способа потребует существенного усложнения и утяжеления конструкции ДВС. Кроме того, данный способ характеризуется недостаточно эффективным перемешиванием ТВС в цилиндре, что ведет к неполноте сгорания и увеличению токсичности отработавших газов. The disadvantage of the described method is the organization of fuel assembly ignition at high compression ratios, which sharply increases the likelihood of detonation and leads to a significant increase in the mechanical load on the connecting rod-piston group of the engine. The implementation of the method will require significant complication and weighting of the design of the internal combustion engine. In addition, this method is characterized by insufficiently effective mixing of the fuel assemblies in the cylinder, which leads to incomplete combustion and increased toxicity of exhaust gases.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ ДВС (RU 2162530 С1, кл. F 02 В 75/00, F 02 В 23/00 з. 1999, п. 2001), позволяющий достичь высокие температуры сжатия в 4- и 6-тактном ДВС (700-2300К) при двухстадийном сжатии ТВС, которое осуществляют в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, для чего используют цилиндр с поршнем, разделенный на основную и дополнительную камеры поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска ТВС, и на первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке производят нагрев сжатием ТВС до температуры T1=(1.5-2)Т0, где Т0 - начальная температура ТВС, затем осуществляют перепуск нагретой ТВС в пространство цилиндра за перегородкой и проводят вторую стадию сжатия ТВС при движении поршня к ВМТ до достижения температуры Тс=(4.2-7.8)Т0 с последующим воспламенением и сгоранием ТВС. При использовании 6-тактного двигателя с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, последовательные стадии двухстадийного неизоэнтропического сжатия либо совмещают с тактами сжатия двигателя, либо осуществляют на каждом такте сжатия.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention (prototype) is the ICE method (RU 2162530 C1, class F 02 B 75/00, F 02 B 23/00 z 1999, p. 2001), which allows to achieve high temperatures compression in a 4- and 6-stroke internal combustion engine (700-2300K) with two-stage compression of a fuel assembly, which is carried out in non-isentropic mode - with an increase in entropy, for which a cylinder with a piston is used, divided into a main and additional chamber by a transverse partition made with the possibility of transferring fuel assemblies , and in the first stage of compression when moving n the piston to the baffle is heated by compression of the fuel assembly to a temperature T 1 = (1.5-2) T 0 , where T 0 is the initial temperature of the fuel assembly, then the heated fuel assembly is transferred to the cylinder space behind the baffle and the second stage of fuel assembly compression is performed when the piston moves to the TDC reaching a temperature T c = (4.2-7.8) T 0 followed by ignition and combustion of the fuel assembly. When using a 6-stroke engine with two compression cycles separated by idle, the successive stages of the two-stage non-isentropic compression are either combined with the compression stages of the engine or carried out at each compression cycle.
Известный способ - прототип позволяет обеспечить достаточное повышение температуры бедной ТВС для ее надежного воспламенения без увеличения степени сжатия и, следовательно, не приводит к увеличению механической нагрузки на двигатель. Данный способ обеспечивает устойчивое турбулентное горение ТВС, что уменьшает содержание вредных компонентов в выхлопе и снижает возможность возникновения детонации, но при использовании бедных смесей (с коэффициентам избытка воздуха α > 3) из-за избытка кислорода, низкой скорости сгорания и высоких температур образуются окислы азота. Кроме того, при использовании в способе-прототипе бедных ТВС скорость сгорания которых существенно ниже, чем стехиометрических смесей, при работе ДВС происходит затягивание процесса горения, и, следовательно, падает КПД двигателя. The known method - the prototype allows to provide a sufficient increase in the temperature of the poor fuel assembly for its reliable ignition without increasing the compression ratio and, therefore, does not increase the mechanical load on the engine. This method provides stable turbulent combustion of fuel assemblies, which reduces the content of harmful components in the exhaust and reduces the possibility of detonation, but when using lean mixtures (with excess air coefficients α> 3), nitrogen oxides are formed due to excess oxygen, low combustion rate and high temperatures . In addition, when using poor fuel assemblies in the prototype method, the combustion rate of which is significantly lower than stoichiometric mixtures, when the internal combustion engine operates, the combustion process is delayed, and, therefore, the engine efficiency decreases.
Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа работы ДВС, который наряду с надежным воспламенением бедных и очень бедных ТВС ( α > 3) обеспечивал бы их быстрое и полное сгорание, что позволит решить проблему экологически чистого старта и выхлопа ДВС. Кроме того, задачей изобретения является повышение КПД двигателя за счет увеличения скорости горения ТВС и снижения рабочей температуры ДВС, и повышение эффективности его работы. The objective of the invention is the creation of such a method of ICE operation, which along with reliable ignition of poor and very poor FAs (α> 3) would ensure their quick and complete combustion, which will solve the problem of environmentally friendly start and exhaust of ICE. In addition, the objective of the invention is to increase engine efficiency by increasing the burning speed of fuel assemblies and lowering the operating temperature of internal combustion engines, and increasing its efficiency.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом работы ДВС, включающим заполнение ТВС цилиндра с поршнем, разделенного на основную и дополнительную камеры поперечной подвижной или неподвижной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска ТВС и нагревания ТВС до температуры Т≥800К путем ее сжатия в последовательных стадиях в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, осуществляемого движением поршня к перегородке, перепуском нагретой ТВС в дополнительную камеру и движением поршня к ВМТ, с последующим воспламенением и сгоранием ТВС, в котором при 4-тактном режиме работы двигателя заполнение основной камеры цилиндра производят бедной ТВС с α > 4 или воздухом, а заполнение дополнительной камеры производят богатой ТВС с α < 0,2, в конце первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке осуществляют перепуск части нагретой бедной ТВС или воздуха в дополнительную камеру до α = 0.2-0.6 и проводят вторую стадию сжатия движением поршня к ВМТ с одновременным перемешиванием ТВС, воспламенением и парциальным окислением, затем продукты парциального окисления ТВС перепускают в основную камеру для смешивания с исходной бедной ТВС или воздухом до α =1-4 и дожигают при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ), а при 6-тактном режиме работы двигателя с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, производят заполнение всего цилиндра (и основной и дополнительной камеры) богатой ТВС с α < 0.6, проводят первое двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и парциальным окислением ТВС в дополнительной камере цилиндра, затем при движении поршня к НМТ производят заполнение обеих камер цилиндра воздухом с разбавлением продуктов парциального окисления ТВС до α = 1-4 и проводят второе двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и сгоранием ТВС. The solution to this problem is achieved by the proposed method of ICE operation, including filling the fuel assembly of a cylinder with a piston, divided into the main and additional chambers by a transverse movable or fixed partition made with the possibility of transferring the fuel assemblies and heating the fuel assemblies to a temperature T≥800K by compressing it in successive stages in an isentropic mode - with an increase in entropy, carried out by the movement of the piston to the baffle, bypassing the heated fuel assembly into the additional chamber and the movement of the piston to the TDC, with subsequent ignition amenia and combustion of fuel assemblies, in which at a 4-stroke engine operation mode, the main cylinder chamber is filled with a poor fuel assembly with α> 4 or air, and the additional chamber is filled with rich fuel assemblies with α <0.2, at the end of the first compression stage when the piston moves part of the heated lean fuel assembly or air is transferred to the septum to an additional chamber to α = 0.2-0.6 and the second stage of compression is performed by moving the piston to the TDC with simultaneous mixing of the fuel assembly, ignition and partial oxidation, then the products of partial oxide The fuel assemblies are transferred to the main chamber for mixing with the initial lean fuel assemblies or air to α = 1-4 and burned out when the piston moves to the bottom dead center (BDC), and in a 6-stroke engine operation mode with two compression strokes separated by idle speed, fill the entire cylinder (and the main and secondary chambers) with a rich fuel assembly with α <0.6, perform the first two-stage non-isentropic compression with ignition and partial oxidation of the fuel assemblies in the additional cylinder chamber, then, when the piston moves to the BDC, both ep air cylinder diluting the partial oxidation products to the fuel assembly α = 1-4 and the second two-stage carried nonisentropic compression ignition and combustion of the fuel assembly.
Для повышения эффективности работы ДВС в дополнительной камере цилиндра двигателя внутреннего сгорания можно устанавливать теплоаккумулирующий элемент с развитой поверхностью. To increase the efficiency of the internal combustion engine, a heat storage element with a developed surface can be installed in the additional cylinder chamber of the internal combustion engine.
Главными отличиями предлагаемого способа от известного - прототипа являются: 1) разделение ТВС на бедную и богатую (по пространству цилиндра в 4-тактном ДВС или по времени заполнения в 6-тактном ДВС и 2) создание условий для протекания парциального окисления богатой смеси. The main differences of the proposed method from the known prototype are: 1) the separation of fuel assemblies into poor and rich (by cylinder space in a 4-stroke internal combustion engine or by filling time in a 6-stroke internal combustion engine and 2) creating the conditions for the partial oxidation of a rich mixture.
Известно, что при нагреве богатых ТВС (α =0.2-0.6) до температуры Т≥800К происходит их воспламенение и парциальное (неполное, частичное) окисление с образованием синтез-газа (смеси водорода и окиси углерода) (Арутюнов B.C., Веденеев В.И. Окислительное превращение метана. М.: Наука, 1998, RU 2096313, кл. C 01 B 3/36, 1996 г.). Например, для метана и изооктана имеем:
CH44+0.5O2 ---> CO+2H2
C8H18+4O2 ---> 8CO+9H2
Известно также, что водород и окись углерода обладает повышенной реакционной способностью по отношению к кислороду по сравнению с исходным углеводородным топливом, поэтому добавление их (продуктов парциального окисления) к бедной смеси или воздуху должно приводить к значительному повышению скорости горения ТВС и, следовательно, к более полному ее сгоранию. При этом процесс горения протекает при более низких температурах, в результате резко снижается концентрация окислов азота в выхлопных газах. Кроме того, водород оказывает ингибирующее воздействие на процессы образования канцерогенных веществ.It is known that when rich fuel assemblies are heated (α = 0.2-0.6) to a temperature of T≥800K, they ignite and partial (incomplete, partial) oxidation with the formation of synthesis gas (a mixture of hydrogen and carbon monoxide) (Arutyunov BC, Vedeneev V.I. Oxidative conversion of methane (Moscow: Nauka, 1998, RU 2096313, class C 01 B 3/36, 1996). For example, for methane and isooctane we have:
CH 4 4 + 0.5O 2 ---> CO + 2H 2
C 8 H 18 + 4O 2 ---> 8CO + 9H 2
It is also known that hydrogen and carbon monoxide have a higher reactivity with respect to oxygen compared to the original hydrocarbon fuel, therefore, the addition of them (partial oxidation products) to lean mixture or air should lead to a significant increase in the combustion rate of fuel assemblies and, therefore, to more its complete combustion. In this case, the combustion process proceeds at lower temperatures, as a result, the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases sharply decreases. In addition, hydrogen has an inhibitory effect on the formation of carcinogens.
Предлагаемый способ был разработан на основе детальных теоретических и экспериментальных исследований (на модельной установке) взаимосвязи таких параметров процесса, как состав ТВС, степень ее сжатия, давление и температура, что позволило создать условия как для протекания парциального окисления богатой смеси, так и для полного и быстрого сгорания бедной смеси. The proposed method was developed on the basis of detailed theoretical and experimental studies (on a model installation) of the relationship of process parameters such as fuel composition, compression ratio, pressure and temperature, which made it possible to create conditions for the partial oxidation of a rich mixture, as well as for complete and rapid combustion of a poor mixture.
В таблице приведены результаты, полученные методом компьютерного моделирования, для температуры, достигаемой в конце второй стадии неизоэнтропического сжатия (Тc для 4-тактного двигателя и Тm для 6-тактного), необходимой для протекания парциального окисления богатой изооктановой смеси α = 0.2-0.6 при фиксированных значениях размера отверстия в перегородке, степени сжатия, равной 9.8, и скорости вращения коленчатого вала 1000 об/мин, в зависимости от относительного объема дополнительной камеры цилиндра β и давления сжатия Pk, при котором открывается давление в перегородке, одинаковое в первой и второй стадии процесса. Максимальное значение давления сжатия Pk (60 атм), не превышает допустимых пределов, обусловленных механической прочностью конструкции ДВС.The table shows the results obtained by computer simulation for the temperature reached at the end of the second stage of nonisoentropic compression (T c for a 4-stroke engine and T m for 6-stroke), necessary for the partial oxidation of a rich isooctane mixture α = 0.2-0.6 at fixed values of the hole size in the partition, the compression ratio equal to 9.8, and the crankshaft rotation speed of 1000 rpm, depending on the relative volume of the additional chamber of the cylinder β and the compression pressure P k , at which The pressure in the septum is the same in the first and second stages of the process. The maximum value of the compression pressure P k (60 atm) does not exceed the permissible limits due to the mechanical strength of the ICE design.
Диаметр отверстия в перегородке 10-20 мм обеспечивает перетекание в дополнительную камеру 4-тактного двигателя 20-60% бедной смеси или воздуха, что приводит к образованию в дополнительной камере ТВС с α =0.2-0.6 к моменту достижения поршнем ВМТ и повышению температуры ТВС в дополнительной камере до Тс (обеспечивающей протекание в ней парциального окисления). В 6-тактном двигателе в конце первой стадии неизоэнтропического сжатия вся смесь с α < 0.6 из основной камеры цилиндра перетекает в дополнительную, где после второй стадии неизоэнтропического сжатия ее температура повышается до Тm (обеспечивающей протекание парциального окисления).The diameter of the hole in the 10-20 mm baffle allows 20-60% lean mixture or air to flow into the additional chamber of the 4-stroke engine, which leads to the formation of fuel assemblies with α = 0.2-0.6 in the additional chamber by the time the piston reaches TDC and the temperature of the fuel assembly increases an additional chamber up to T s (providing partial oxidation in it). In a 6-stroke engine, at the end of the first stage of non-isentropic compression, the whole mixture with α <0.6 from the main chamber of the cylinder flows into an additional one, where after the second stage of non-isentropic compression its temperature rises to T m (providing partial oxidation).
Как видно из таблицы, предлагаемый способ обеспечивает повышение температуры до 800-1000К, необходимой для воспламенения и парциального окисления богатой ТВС. В последнем столбце таблицы приведены для сравнения соответствующие данные для максимальной температуры, достигаемой в обычном двигателе с одностадийным сжатием при давлении 30 атм. As can be seen from the table, the proposed method provides an increase in temperature to 800-1000K, necessary for ignition and partial oxidation of rich fuel assemblies. The last column of the table shows for comparison the corresponding data for the maximum temperature achieved in a conventional engine with one-stage compression at a pressure of 30 atm.
При экспериментальной проверке было установлено, что благодаря осуществлению парциального окисления ТВС при работе двигателя в неизоэнторпическом режиме сжатия удается сжигать ТВС очень бедного состава (α > 3). На модельной установке с раздельной подачей богатой ТВС в дополнительную камеру цилиндра и воздуха в основную наблюдалось устойчивое горение ТВС c α =3-4, что обусловлено, во-первых, добавлением продуктов парциального окисления ТВС (H2 и CO) и, во-вторых, тем, что добавление осуществляют перепуском, что приводит к эффективной турбулизации потока и надежному гомогенному перемешиванию продуктов парциального окисления с воздухом. Так как горение бедных и очень бедных ТВС (α > 3) протекает при более низких температурах, и, следовательно, уменьшаются тепловые потери, в результате увеличивается термодинамический КПД двигателя.During experimental verification, it was found that due to the partial oxidation of fuel assemblies during engine operation in the non-isoenthoric compression mode, it is possible to burn fuel assemblies of very poor composition (α> 3). On a model installation with separate supply of rich fuel assemblies into the additional chamber of the cylinder and air into the main chamber, stable combustion of fuel assemblies with α = 3-4 was observed, which is due, firstly, to the addition of the products of partial oxidation of fuel assemblies (H 2 and CO) and, secondly , the fact that the addition is carried out bypass, which leads to efficient turbulization of the flow and reliable homogeneous mixing of the products of partial oxidation with air. Since the combustion of poor and very poor fuel assemblies (α> 3) occurs at lower temperatures, and, therefore, heat losses are reduced, the thermodynamic efficiency of the engine increases as a result.
Выполнены расчеты для ДВС с теплоаккумулирующим элементом с развитой поверхностью - тепловым активатором, установленным в дополнительной камере цилиндра. Тепловой активатор представляет собой набор металлических пластин с поверхностью теплообмена, в 5-10 раз превышающей площадь боковой поверхности цилиндра. Анализ показывает, что для ТВС с α = 2-4 и температуре активатора порядка 1000К нагрев смеси в дополнительной камере в конце стадии сжатия достигает величины 1400-900К. При такой высокой температуре создаются благоприятные условия для предварительного парциального окисления ТВС. Calculations are performed for ICE with a heat storage element with a developed surface - a thermal activator installed in an additional cylinder chamber. A thermal activator is a set of metal plates with a heat exchange surface 5-10 times larger than the area of the side surface of the cylinder. The analysis shows that for fuel assemblies with α = 2-4 and an activator temperature of the order of 1000K, heating the mixture in an additional chamber at the end of the compression stage reaches a value of 1400-900K. At such a high temperature, favorable conditions are created for the preliminary partial oxidation of the fuel assemblies.
Выход активатора на тепловой режим, т.е. его нагрев до квазистационарной температуры, одинаковой в начале и конце замкнутого термодинамического цикла, осуществляется в течение 10-20 циклов сжатия. Activator output to thermal mode, i.e. its heating to a quasi-stationary temperature, the same at the beginning and end of a closed thermodynamic cycle, is carried out for 10-20 compression cycles.
На чертеже представлена схема ДВС для реализации предлагаемого способа. ДВС включает поршень 1, движущийся в цилиндре 2, разделенном на основную 3 и дополнительную 4 камеры перегородкой 5 с отверстием 6 с клапаном 7. В дополнительной камере 4 может размещаться тепловой активатор (не показан). The drawing shows a diagram of the internal combustion engine for the implementation of the proposed method. ICE includes a piston 1 moving in a cylinder 2, divided into a main 3 and an additional 4 chambers by a partition 5 with an opening 6 with a valve 7. A thermal activator (not shown) can be placed in the additional chamber 4.
Парциальное окисление ТВС при неизоэнтропическом режиме сжатия с увеличением энтропии и сгорание бедной ТВС при работе 4-тактного ДВС осуществляется следующим образом. Partial oxidation of fuel assemblies under nonisoentropic compression regimes with an increase in entropy and the combustion of poor fuel assemblies during operation of a 4-stroke internal combustion engine is carried out as follows.
Богатая ТВС (α < 0.2) подается в дополнительную камеру 4, а бедная ТВС (α > 4) или воздух - в основную камеру 3. Поршень 1 при своем поступательном движении к ВМТ сжимает бедную ТВС или воздух в основной камере цилиндра 2 до перегородки 5 при закрытом отверстии 6, предварительно нагревая ее сжатием до температуры, в 2-2.5 раза превышающую начальную. В конце первой стадии сжатия с помощью клапана 7 открывается отверстие 6 и часть предварительно нагретой ТВС или воздуха перетекает в дополнительную камеру цилиндра за перегородкой. При этом смесь тормозится, восстанавливая свою температуру в дополнительной камере цилиндра при меньшем давлении, смешивается с богатой ТВС, нагревая ее. Во второй стадии сжатия при дальнейшем движении поршня к ВМТ смесь досжимается до температуры Tc≥ 8000K, при этом коэффициент избытка воздуха достигает α = 0.2-0.6. Происходит воспламенение ТВС от искры или сжатия и эффективная реакция парциального окисления данной смеси. Затем при движении поршня к НМТ горячие продукты парциального окисления перепускаются из дополнительной камеры в основную, перемешиваются с бедной ТВС или воздухом, и происходит полное сгорание всей смеси в цилиндре двигателя.Rich fuel assemblies (α <0.2) are supplied to secondary chamber 4, and poor fuel assemblies (α> 4) or air to main chamber 3. Piston 1 compresses poor fuel assemblies or air in the main chamber of cylinder 2 to partition 5 when they move toward TDC. with the hole 6 closed, pre-heating it by compression to a temperature 2-2.5 times higher than the initial one. At the end of the first compression stage, a hole 6 opens with valve 7 and part of the preheated fuel assembly or air flows into the additional cylinder chamber behind the partition. In this case, the mixture is inhibited, restoring its temperature in the additional chamber of the cylinder at a lower pressure, mixes with rich fuel assemblies, heating it. In the second stage of compression, with further movement of the piston to TDC, the mixture is compressed to a temperature T c ≥ 8000 K, while the coefficient of excess air reaches α = 0.2-0.6. The fuel assembly ignites from a spark or compression and the partial oxidation of this mixture is effective. Then, when the piston moves to the BDC, the hot products of partial oxidation are transferred from the additional chamber to the main one, mixed with poor fuel assemblies or air, and the entire mixture is completely burned in the engine cylinder.
Парциальное окисление и сгорание углеводородного топлива при работе 6-тактного ДВС осуществляется следующим образом. Partial oxidation and combustion of hydrocarbon fuel during operation of a 6-cycle internal combustion engine is as follows.
Богатая ТВС (α < 0.6) подается в основную 3 и дополнительную камеру 4. Поршень 1 при своем поступательном движении к ВМТ в две стадии сжимает ТВС в неизоэнтропическом режиме сжатия с увеличением энтропии до температуры Тm≥800К, при этом практически вся смесь перетекает в дополнительную камеру 4. Происходит воспламенение ТВС от искры или сжатия и эффективная реакция парциального окисления данной смеси. Затем при движении поршня к НМТ осуществляют дополнительное заполнение цилиндра воздухом и разбавление смеси до α = 1-4, затем проводят второе двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и сгоранием ТВС.Rich fuel assemblies (α <0.6) are fed into the main 3 and additional chamber 4. Piston 1 compresses the fuel assemblies in two stages with their translational motion to TDC in the non-isentropic compression mode with an increase in entropy to a temperature T m ≥800K, while almost the entire mixture flows into additional chamber 4. The fuel assembly ignites from a spark or compression and an effective reaction of partial oxidation of this mixture occurs. Then, when the piston moves to the BDC, the cylinder is additionally filled with air and the mixture is diluted to α = 1-4, then the second two-stage non-isentropic compression is carried out with ignition and combustion of the fuel assembly.
Дополнительный нагрев ТВС при наличии теплового активатора происходит следующим образом. В стадии рабочего хода активатор поглощает часть тепла от продуктов сгорания ТВС. В стадии впуска и, главным образом, сжатия это тепло передается исходной ТВС, увеличивая ее температуру и при этом температура активатора понижается. После воспламенения и горения ТВС происходит обратный процесс передачи тепла от продуктов сгорания к тепловому активатору, и его температура увеличивается. В термодинамическом цикле конечная температура активатора равна начальной температуре. В данном процессе не расходуется энергия на нагрев активатора за цикл. Additional heating of fuel assemblies in the presence of a thermal activator occurs as follows. At the stage of the working stroke, the activator absorbs some of the heat from the combustion products of the fuel assemblies. At the inlet stage and, mainly, compression, this heat is transferred to the initial fuel assembly, increasing its temperature and at the same time the temperature of the activator decreases. After ignition and combustion of the fuel assembly, the reverse process of heat transfer from the combustion products to the thermal activator takes place, and its temperature increases. In a thermodynamic cycle, the final temperature of the activator is equal to the initial temperature. This process does not consume energy to heat the activator per cycle.
Использование заявляемого изобретения обеспечит помимо надежного воспламенения бедных и очень бедных смесей (α > 3) их быстрое и полное сгорание, что позволит решить проблему экологически чистого старта и выхлопа. Предлагаемый способ позволит расширить класс используемых топлив, увеличить термодинамический КПД двигателя и повысить эффективность его работы. The use of the claimed invention will provide, in addition to reliable ignition of the poor and very poor mixtures (α> 3), their rapid and complete combustion, which will solve the problem of environmentally friendly start and exhaust. The proposed method will expand the class of fuels used, increase the thermodynamic efficiency of the engine and increase its efficiency.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001107942A RU2176739C1 (en) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | Method of operation of internal combustion engine (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001107942A RU2176739C1 (en) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | Method of operation of internal combustion engine (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2176739C1 true RU2176739C1 (en) | 2001-12-10 |
Family
ID=20247581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001107942A RU2176739C1 (en) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | Method of operation of internal combustion engine (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2176739C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2280502C1 (en) * | 2005-02-24 | 2006-07-27 | Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) | Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures |
| RU2317250C1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-02-20 | Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) | Synthesis gas generation process |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2375453A1 (en) * | 1976-12-21 | 1978-07-21 | Aspera Spa | INTERNAL COMBUSTION AND TWO STROKE ENGINE, SUPPLY OF THE KIND BY STRATIFIED CHARGE |
| US4140090A (en) * | 1975-10-17 | 1979-02-20 | Owen, Wickersham & Erickson | Precombustion chamber, stratified charge internal combustion engine system using a highly combustible gas in the precombustion chamber |
| US4503815A (en) * | 1981-06-02 | 1985-03-12 | Amm Ronald M | Stratified charge variable compression ratio engine |
| US4630591A (en) * | 1982-02-17 | 1986-12-23 | National Research Development Corporation | Stratified charge internal combustion engines |
| RU2155876C1 (en) * | 1999-06-21 | 2000-09-10 | Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова | Method of operation of internal combustion engine |
-
2001
- 2001-03-27 RU RU2001107942A patent/RU2176739C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4140090A (en) * | 1975-10-17 | 1979-02-20 | Owen, Wickersham & Erickson | Precombustion chamber, stratified charge internal combustion engine system using a highly combustible gas in the precombustion chamber |
| FR2375453A1 (en) * | 1976-12-21 | 1978-07-21 | Aspera Spa | INTERNAL COMBUSTION AND TWO STROKE ENGINE, SUPPLY OF THE KIND BY STRATIFIED CHARGE |
| US4503815A (en) * | 1981-06-02 | 1985-03-12 | Amm Ronald M | Stratified charge variable compression ratio engine |
| US4630591A (en) * | 1982-02-17 | 1986-12-23 | National Research Development Corporation | Stratified charge internal combustion engines |
| RU2155876C1 (en) * | 1999-06-21 | 2000-09-10 | Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова | Method of operation of internal combustion engine |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2280502C1 (en) * | 2005-02-24 | 2006-07-27 | Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) | Method of realization of the chemical transformations by compression of the gas-containing mixtures |
| RU2317250C1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-02-20 | Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) | Synthesis gas generation process |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3805752A (en) | Quenched combustion separated charge internal combustion engine | |
| Christensen et al. | Supercharged homogeneous charge compression ignition | |
| CA2433433C (en) | Eight-stroke internal combustion engine utilizing a slave cylinder | |
| US3880126A (en) | Split cylinder engine and method of operation | |
| CN100347422C (en) | Continuous combustion constant power engine | |
| US3924576A (en) | Staged combustion engines and methods of operation | |
| US7905221B2 (en) | Internal combustion engine | |
| US4715326A (en) | Multicylinder catalytic engine | |
| EP0159834A1 (en) | An internal combustion engine and a method of operating the engine | |
| US3789807A (en) | Dual combustion process for an internal combustion engine | |
| US6340013B1 (en) | Four-stroke internal combustion engine with recuperator in cylinder head | |
| CN102312719B (en) | Compression ignition type low-octane-value gasoline engine | |
| EP1866530A2 (en) | Double piston cycle engine | |
| US8205593B2 (en) | DEV cycle engine | |
| US4011839A (en) | Method and apparatus for promoting combustion in an internal combustion engine using a catalyst | |
| EP0126812A1 (en) | Improvements in internal combustion engines | |
| RU2176739C1 (en) | Method of operation of internal combustion engine (versions) | |
| Clerk | Cylinder actions in gas and gasoline engines | |
| US4106445A (en) | Reciprocating piston machine with complete combustion system | |
| US1794799A (en) | Art of internal-combustion engines | |
| GB2136049A (en) | A Dual Combustion Compound Gas and Thermal Engine | |
| RU2665766C2 (en) | One-stroke internal combustion engine | |
| Zhang et al. | 2-stroke CAI operation on a poppet valve DI engine fuelled with gasoline and its blends with ethanol | |
| RU2162530C1 (en) | Internal combustion engine operation method | |
| RU2220301C2 (en) | Design of universal ecologically clean internal combustion piston engine |