PL215577B1

PL215577B1 - Combustion-steam two-four-stroke engine

Info

Publication number: PL215577B1
Application number: PL383513A
Authority: PL
Inventors: Czeslaw Koziarski
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2013-12-31
Also published as: PL383513A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowo-parowy dwu-czterosuwowy, który może być stosowany w wszelkiego rodzaju napędów.The subject of the invention is a two-four-stroke combustion-steam engine that can be used in all kinds of drives.

Znane są ze stosowania silniki spalinowe dwusuwowe różnego typu. Najbardziej zbliżoną konstrukcją jest przedstawiony w opisie patentowym PL183981 pt. „Silnik spalinowy dwusuwowy” z dnia 18.02.1997 r. Jest to dwusuwowy silnik spalinowy zasilany w paliwo wtryskowo, który posiada cylindry współpracujące z dwoma tłokami związanymi z wałem korbowym za pomocą korbowodów. Wał korbowy o dwóch przeciwstawnych wykorbieniach łożyskowany jest, tak jak i korbowody łożyskami ślizgowymi, w komorze korbowodowej zamkniętej miską olejową. W korpusie silnika mieszczą się też dwuprzekrojowe cylindry i tłoki, których części o większych przekrojach stanowią sprężarki. Cylindry te połączone są kanałami dolotowymi, których wyloty znajdują się w sąsiednich cylindrach silnika tuż nad denkami tłoków w ich dolnym martwym położeniu. Naprzeciw nich znajdują się kanały wylotowe spalin. Kanały dolotowe do sprężarek zaopatrzone są w płytkowe zawory ssące.Various types of two-stroke internal combustion engines are known to be used. The most similar design is presented in the patent description PL183981 pt. 'Two-stroke internal combustion engine' of 18/02/1997. It is a fuel injection two-stroke internal combustion engine which has cylinders which cooperate with two pistons connected to the crankshaft by connecting rods. The crankshaft with two opposing crankshaft is mounted, just like the connecting rods, with slide bearings, in a conrod chamber closed with an oil pan. The engine housing also houses double-section cylinders and pistons, the larger sections of which are compressors. These cylinders are connected by inlet channels, the outlets of which are located in the adjacent engine cylinders just above the piston crowns in their lower dead center. Opposite them are the exhaust ducts. The inlet channels to the compressors are equipped with plate suction valves.

Silnik tłokowy znany jest z europejskiego opisu patentowego nr EPl640628, który na wale korbowym ma z jednej strony osadzoną przeciwwagę, a z drugiej strony koło zamachowe, przy czym silnik ten napędza silnik elektryczny. Silnik ma co najmniej jeden cylinder z tłokiem, a na cylindrze zamontowana jest głowica. W skrzyni korbowej, za pomocą łożysk, ułożyskowany jest mechanizm korbowy składający się z dwóch kół zamachowych z przeciwwagami. Pomiędzy przeciwwagami jest zamontowany czop korbowy, który współdziała z tłokiem. Wirnik silnika elektrycznego jest zamontowany w łożyskach rotora, a jego wał jest połączony napędowo z mechanizmem korbowym za pomocą sprzęgła, które jest skrętnie sztywne.A reciprocating engine is known from European patent specification No. EPl640628, which has a counterweight on the crankshaft on one side and a flywheel on the other side, the engine driving the electric motor. The engine has at least one cylinder with a piston, and a cylinder head is mounted on the cylinder. The crank mechanism, consisting of two flywheels with counterweights, is mounted in the crankcase by means of bearings. A crank pin is installed between the counterweights and interacts with the piston. The rotor of the electric motor is mounted in the rotor bearings and its shaft is drive connected to the crankset by a coupling which is torsionally rigid.

Istota silnika według wynalazku polega na tym, że nad korpusem umieszczony jest przegrzewacz pary połączony poprzez zawór trójdrożny z przewodem spalin. W przegrzewaczu pary osadzone są przewody doprowadzania mieszaniny pary poprzez zawory parowe korzystnie stożkowe, zasilające mieszaniną spalin i pary części cylindrów o większym przekroju.The essence of the engine according to the invention consists in the fact that above the body there is a steam superheater connected via a three-way valve with the exhaust gas conduit. Installed in the steam superheater are conduits for supplying the steam mixture through steam valves, preferably conical, which supply a mixture of exhaust gases and steam to cylinder parts with a larger cross section.

Korzystnie, w korpusie są osadzone zawory ssące zasysające powietrze do części cylindrów o większym przekroju i zawory wydechowe usuwające mieszaniny spalin i pary z części cylindrów o większym przekroju.Preferably, the body is provided with intake valves for sucking air to the larger section of the cylinders and exhaust valves for removing exhaust gas and vapor mixtures from the larger section of the cylinders.

Korzystnym jest również to, że cylindry są wyposażone w kanał odprowadzający spaliny.It is also advantageous that the cylinders are provided with an exhaust gas discharge channel.

Zasadniczą zaletą silnika, gdy pracuje on jako silnik czterosuwowy jest uzyskiwanie przez niego bardzo dużego momentu obrotowego przy małych obrotach oraz prawie całkowitym wykorzystaniu energii paliwa. Cylindry nowego silnika są chłodzone dwojako, wodą, gdy silnik pracuje jako dwusuwowy a przez jej odparowywanie w czasie pracy czterosuwowej. Wtedy para przegrzewana spalinami wykorzystywana jest wraz z nimi do napędu za pomocą części cylindrów i tłoków o większych przekrojach. Sterowanie elektronicznie zaworów za pomocą siłowników elektromagnetycznych umożliwia uzyskiwanie dowolnych kątów ich faz ich otwarcia. Ponadto zawory sterujące dopływem mieszaniny spalin i pary są zworami stożkowymi, co ułatwia ich instalację na kanałach dolotowych.The main advantage of the engine, when it works as a four-stroke engine, is that it achieves a very high torque at low revolutions and almost the full use of fuel energy. The cylinders of the new engine are cooled in two ways, with water when the engine is running as a two-stroke and by water evaporation during the four-stroke operation. Then, the steam overheated by exhaust gases is used together with them for propulsion by means of cylinder parts and pistons with larger cross-sections. Electronic control of the valves by means of electromagnetic actuators enables to obtain any angles of their opening phases. In addition, the valves that control the supply of the mixture of exhaust gases and steam are conical valves, which facilitates their installation in the intake channels.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny silnika spalinowo-parowego dwu-czterosuwowego widziany z boku, fig. 2 - przekrój podłużny silnika spalinowo-parowego dwu-czterosuwowego z góry a fig. 3 - przekrój poprzeczny przekrój podłużny silnika spalinowo-parowego dwu-czterosuwowego.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which fig. 1 shows a longitudinal section of a two-four-stroke diesel-steam engine seen from the side, fig. 2 - a longitudinal section of a two-four-stroke diesel-steam engine from above, and fig. 3 - a sectional view. longitudinal cross-section of a two-four-stroke diesel-steam engine.

Silnik spalinowo-parowy dwu-czterosuwowy stanowi silnik spalinowy dwusuwowy, wyposażony w korpus 1 z dwuprzekrojowymi cylindrami 2 i łączącymi je kanałami doprowadzającymi 3. W cylindrach tych są umieszczone dwuprzekrojowe tłoki 4 wyposażone w pierścienie uszczelniające 5 oraz pierścienie uszczelniająco-zgarniające 6. W tłokach 4 są sworznie tłokowe 7 ułożyskowane na łożyskach 8 znajdujących w głowach korbowodów 9. Z drugiej strony korbowody 9 ułożyskowane są na wale korbowym 10 za pomocą łożysk ślizgowych 11. Z lewej strony silnika wał korbowy 10 ułożyskowany jest w korpusie 1 za pomocą łożyska ślizgowego wału 12 i z prawej za pomocą łożyska ślizgowego wału 13. Zawory ssące 14 oraz zawory wydechowe 15 o zmiennym kącie otwarcia, są sterowane elektronicznie za pomocą siłowników elektromagnetycznych lub wykorzystujących zjawisko zmiany kształtu przewodu elektrycznego pod wpływem zmiany natężenia prądu.The two-stroke internal combustion engine is a two-stroke internal combustion engine, equipped with a body 1 with double-sectioned cylinders 2 and supply channels 3 connecting them. In these cylinders there are double-sectioned pistons 4 equipped with sealing rings 5 and sealing-scraper rings 6. In the pistons 4 there are piston pins 7 mounted on bearings 8 located in the connecting rod heads 9. On the other hand, connecting rods 9 are mounted on the crankshaft 10 by means of slide bearings 11. On the left side of the engine, the crankshaft 10 is mounted in the body 1 by means of a slide bearing of the shaft 12 and right by means of a shaft slide bearing 13. Intake valves 14 and exhaust valves 15 with variable opening angle are electronically controlled by means of electromagnetic actuators or using the phenomenon of changing the shape of the electric conductor under the influence of the change of the current intensity.

Od dołu korpus silnika 1 zamknięty jest miską olejową 16. Kanał 17 służy do odprowadzania spalin, gdy silnik pracuje jako dwusuwowy. Z lewej strony na wale korbowym 10 znajduje się przeciwwaga 18, wyważająca moment przewracania silnika, a z prawej kończy się on kołem zamachowym z przesuniętym środkiem ciężkości 19. Nad korpusem 1 znajduje się przegrzewacz pary, 20 do którePL 215 577 B1 go doprowadzane są spaliny z cylindrów 2 poprzez zawór trójdrożny 21 przewodem spalin 22. Przewody 23 służą do doprowadzania mieszaniny pary do kanałów doprowadzających 3 poprzez zawory parowe 24, służące do zasilania mieszaniną spalin i pary części cylindrów 2 o większym przekroju. Zawory ssące 25 służą do zasysania powietrza do, a wydechowe 26 służą do usuwania mieszaniny spalin i pary z części cylindrów 2 o większym przekroju. Silnik według wynalazku wyposażony jest też w zbiornik i chłodnicę wody wykorzystujący ją, gdy silnik działa jako dwusuwowy. Ma z tego powodu dwa biegi wody. Obieg zamknięty z chłodnicą wyposażony jest też w termostat, a obieg otwarty w hydrostat i ciśnieniową pompę wody. Silnik wyposażony jest też w wymiennik ciepła gdzie podgrzewana jest woda chłodząca, mieszaniną spalin i pary odlotowej, gdy silnik pracuje jako czterosuwowy.At the bottom, the engine body 1 is closed by an oil sump 16. The duct 17 serves to discharge exhaust gases when the engine is operated as a two-stroke engine. On the left side of the crankshaft 10 there is a counterweight 18 balancing the moment of overturning the engine, and on the right it ends with a flywheel with an offset center of gravity 19. Above the body 1 there is a steam superheater 20 to which exhaust gases from the cylinders are fed. 2 through the three-way valve 21 through the exhaust pipe 22. The pipes 23 serve to supply the steam mixture to the supply channels 3 through the steam valves 24, serving to supply the exhaust gas mixture and the steam mixture to the cylinder parts 2 with a larger cross-section. Inlet valves 25 serve to suck air into, and exhaust valves 26 are used to remove the mixture of exhaust gas and steam from the larger cross section portions of the cylinders 2. The engine according to the invention also has a tank and a water cooler for use when the engine is operating as a two-stroke. For this reason, it has two water runs. The closed circuit with a cooler is also equipped with a thermostat, and the open circuit with a hydrostatic and a pressure water pump. The engine is also equipped with a heat exchanger where the cooling water is heated with a mixture of exhaust gases and exhaust steam when the engine is operating as a four-stroke engine.

Po starcie, gdy silnik jest jeszcze zimny lub, gdy poziom wody w zbiorniku jest zbyt niski działa on jako dwusuwowy. Wtedy w czasie ruchu jednego z tłoków 4 z ich górnego martwego punktu do dolnego ich części o mniejszym przekroju wykonują suw pracy, a o większym przekroju zasysają poprzez zawór ssący 25 powietrze do współdziałających z nimi części cylindrów. Po zmianie kierunku ruchu tłoków zawór 25 przymyka wlot powietrza, dzięki czemu zostaje ono częściowo sprężane aż do chwili otwarcia przez tłok 4 w sąsiednim cylindrze wylotu kanału doprowadzającego 3, przez który zostaje ono do niego wtłoczone jednocześnie wypychając z niego spaliny. Przed otwarciem jego otwierany jest zawór, 15 przez który to oraz zawór trójdrożny 21, początkowo usuwane są spaliny do kanału wylotowego 17, a następnie w zależności od stopnia napełnienia cylindrów roboczych usuwane jest też powietrze. Wielkość kąta otwarcia zaworów 15 ustalana jest za pomocą pedału przyspieszacza pompą wtryskową paliwa. Przy czym im mniejsze napełnienie tym większy kąt otwarcia zaworów 15 aż do pełnego jego otwarcia. Po czym następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem tłoka 4. Zawory 14 są stale zamknięte.After takeoff, with the engine still cold or when the water level in the tank is too low, it operates as a two-stroke. Then, during the movement of one of the pistons 4 from their upper dead point to their lower part with a smaller cross-section, they make a power stroke, and with a larger cross-section they suck air through the suction valve 25 to the parts of the cylinders interacting with them. After changing the direction of movement of the pistons, the valve 25 closes the air inlet, thanks to which it is partially compressed until the piston 4 in the adjacent cylinder opens the outlet of the supply channel 3, through which it is forced into it, simultaneously pushing out the exhaust gases. Before opening it, the valve 15 is opened, through which, together with the three-way valve 21, the fumes are initially removed to the exhaust duct 17, and then, depending on the degree of filling of the working cylinders, the air is also removed. The size of the opening angle of the valves 15 is set by the accelerator pedal by the fuel injection pump. The smaller the filling, the greater the opening angle of the valves 15 up to its full opening. This is followed by air compression and fuel injection, and ignition of the mixture before the top dead center of piston 4. Valves 14 are permanently closed.

Po nagrzaniu się silnik według wynalazku może działać jako czterosuwowy. Wtedy w czasie ruchu jednego z tłoków 4 z jego górnego martwego punktu do dolnego zasysają one powietrze zaworami ssącym 14, przy czym kąt otwarcia tych zaworów jest tym większy im większy jest stopień napełniania cylindrów powietrzem. Ich części o większym przekroju zasilane są, w tym czasie, poprzez zawór parowy 24 mieszaniną spalin i pary, przy czym kąt otwarcia tych zaworów jest tym większy im większy jest stopień napełniania tą mieszaniną cylindrów. Po zmianie kierunku ruchu tłoków następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem. Następnie tłok 4 wykonuje suw pracy. Przed otwarciem wylotów kanałów doprowadzających 3 otwierane są zawory, 15 przez które usuwane są spaliny do przegrzewacza pary, a następnie też chwilowo i przez kanały 3 do części sąsiednich cylindrów o większych przekrojach. Otwierając ciągle zawory ssące 14 a zamykając wydechowe 15, można, po wyłączeniu zasilania paliwem, wykorzystywać ciepło wody i silnika, który pracuje wtedy jako silnik parowy, do napędu pod koniec jego pracy. Na postoju natomiast, do doładowywania akumulatorów.After warming up, the engine according to the invention can operate as a four-stroke cycle. Then during the movement of one of the pistons 4 from its upper dead center to the lower one, they suck air through the suction valves 14, the opening angle of these valves being the greater the greater the degree of filling the cylinders with air. Their larger cross-section parts are fed, at that time, through the steam valve 24 with a mixture of exhaust gases and steam, the opening angle of these valves being the greater the greater the degree of filling with this mixture of cylinders. After changing the direction of the pistons, the air is compressed and the fuel is injected and the mixture ignites before the top dead center. The piston 4 then performs the power stroke. Before opening the outlets of the supply channels 3, the valves are opened through which the exhaust gases are discharged to the steam superheater and then also temporarily and through the channels 3 to the parts of the adjacent cylinders with larger cross sections. By continuously opening the intake valves 14 and closing the exhaust valves 15, the heat of the water and the engine, which then operates as a steam engine, can be used for propulsion at the end of its operation after the fuel supply is turned off. At a standstill, however, to recharge the batteries.

Przekroje poprzeczne górnych części cylindrów i tłoków są kołowe a dolne owalne. Zastosowanie owalnych przekrojów poprzecznych w zespole cylinder 2 i tłok 4, pozwala uzyskać przy tej samej długości silnika, znacznie większą wydajność sprężarki. Umożliwia to dowolne doładowywanie silnika, gdy pracuje on jako silnik dwusuwowy oraz rozprężanie pary i spalin w czasie jego pracy jako silnika czterosuwowego, co znacznie zwiększa jego moc i sprawność.The cross-sections of the upper cylinders and pistons are circular and the lower oval. The use of oval cross-sections in the cylinder 2 and piston 4 assembly allows to obtain, for the same engine length, a much higher compressor efficiency. This allows for any supercharging of the engine when it works as a two-stroke engine and the expansion of steam and exhaust gases during its operation as a four-stroke engine, which significantly increases its power and efficiency.

Stosując doładowanie silnika według wynalazku, gdy pracuje on jako silnik dwusuwowy, turbosprężarką można wykorzystać do napędu ciepło jego chłodzenia dwojako. Stosując jak to opisano wyżej sprężarki o dużej wydajności wykorzystać energię spalin w turbinie związanej z wałem silnika lub z inną osią pojazdu. W drugim przypadku stosując turbosprężarkę można tę energię wykorzystać do napędu wału silnika przy napełnianiu sprężonym w niej powietrzem sprężarki, która pracuje wtedy jako silnik powietrzny. Opisany silnik jest w zasadzie silnikiem niskoprężnym, ale może być on też silnikiem wysokoprężnym. Dodatkowo większa objętość sprężarki od cylindra roboczego zapewnia dobre usuwanie spalin przy pełnym jego napełnieniu. Jeszcze lepsze ich usuwanie uzyskuje się, gdy ze względu na potrzebę częściowego wykorzystania mocy silnika przedłużane jest otwarcie zaworu wylotowego celem zmniejszania jego napełnienia. Niewykorzystane powietrze, dostarczone ze sprężarki, przetłaczane jest do układu wydechowego i zwiększa tym samym skuteczność działania katalizatora. Jest to szczególnie ważne ze względów ekologicznych, ponieważ im mniejsze jest napełnienie cylindra tym gorszy jest skład wydalanych z niego spalin. W silniku według wynalazku napełnienie to można zwiększyć a przez to poprawić nie tylko skład spalin, ale i sprawność silnika w ten sposób, że przy mniejszym od połowy maksymalnego obciążeniu można wyłączyć z pracy jeden jego układ napędowy. Otwierając przy tym na stałe zawór wydechowy, wyłączonego cylindra roboczego, zmienianyBy using the supercharging of an engine according to the invention when it is operating as a two-stroke engine, the turbocharger can use the heat of its cooling to drive it in two ways. Using high-efficiency compressors as described above, use the exhaust gas energy in a turbine associated with the engine shaft or other axle of the vehicle. In the second case, by using a turbocharger, this energy can be used to drive the motor shaft while filling the compressor with compressed air, which then works as an air motor. The engine described is essentially a low pressure engine, but may also be a diesel engine. In addition, the larger volume of the compressor than the working cylinder ensures good exhaust gas removal when fully filled. Their removal is even better when, due to the need to partially use the engine power, the opening of the exhaust valve is prolonged in order to reduce its filling. Unused air, supplied from the compressor, is forced into the exhaust system and thus increases the effectiveness of the catalyst. It is especially important for ecological reasons, because the smaller the cylinder filling, the worse the composition of exhaust gases discharged from it. In the engine according to the invention, this filling can be increased and thus improve not only the exhaust gas composition, but also the efficiency of the engine in such a way that at less than half of the maximum load, one of its drive systems can be shut down. At the same time permanently opening the exhaust valve of the switched off working cylinder, it was changed

PL 215 577 B1 jest ten układ w pompę tłoczącą powietrze do układu wydechowego silnika zwiększając skuteczność działania jego katalizatora spalin. Zmniejsza to opory ruchu niepracującego układu a wlatujące częściowo do niepracującego cylindra roboczego spaliny ogrzewają go i przez to jest utrzymywany w ciągłej gotowości do pracy. Drugi układ musi w takim przypadku rozwijać większą moc a przez to mieć większe napełnienie, co zapewnia większą jego sprawność.This arrangement provides a pump for forcing air into the exhaust system of the engine, increasing the efficiency of its exhaust catalyst. This reduces the resistance to movement of the non-working system, and the exhaust gases, partially entering the non-working working cylinder, heat it up and thus it is kept ready for operation. In such a case, the second circuit must develop more power and thus have a greater filling, which ensures its greater efficiency.

Claims

1. A two-four-stroke internal combustion engine has a body equipped with cylinders cooperating with pistons connected to the crankshaft by connecting rods, at the same time the crankshaft in two opposing cranks, moreover, a flywheel with a counterweight is mounted on the crankshaft, characterized by the fact that above the body ( 1) there is a steam superheater (20) connected through a three-way valve (21) with a flue gas pipe (22), and in the steam superheater (20) there are lines (23) for supplying the steam mixture through steam valves (24) supplying the mixture of exhaust gases and steam parts cylinders (2) with a larger cross-section.

2. The engine according to claim A method according to claim 1, characterized in that in the body (1) there are suction valves (25) which suck air into the part of the cylinders (2) with a larger cross-section.

3. The engine according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that exhaust valves (26) are mounted in the body (1) to remove exhaust gas and vapor mixtures from the larger section of the cylinders (2).

4. The engine according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the cylinders (2) are provided with an exhaust gas channel (17).

5. The engine according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the steam valves (24) are conical valves.