Способ получения механической энергии из тепловой

Изобретение относится к области двигателестроения. Предложен способ получения механической энергии из тепловой в двигателях внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается в сжатом воздухе, а продукты сгорания, расширяясь, совершают механическую работу, при этом соотношение между степенью сжатия воздуха и степенью расширения рабочих газов рассчитывается по формуле:

где ε_p - степень расширения рабочих газов; ε_сж - степень сжатия воздуха; Т_гор - температура горения топлива; γ=C_p/C_v; С_р - изобарическая теплоемкость газов; С_v - изохорическая теплоемкость газов, а после полного воспламенения в пламя впрыснуть порцию воды. Изобретение обеспечивает повышение КПД в двигателях внутреннего сгорания для данной температуры горения. 2 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения.

Известен способ получения механической энергии из тепловой в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), заключающийся в том, что топливо сжигают в сжатом воздухе, а полученные в результате горения газы, расширяясь, совершают механическую работу /«Курс физики», Москва, 1966. Часть вторая, стр.206-212/. При этом только 20...40% тепловой энергии превращается в полезную и примерно столько же теряется с выхлопными газами. Происходит это потому, что в обычном ДВС степень расширения равна или меньше степени сжатия и не хватает объема, чтобы произошло максимально возможное превращение тепловой энергии в механическую.

Частичное снижение потерь происходит в цикле Аткинсона за счет превышения степени расширения над степенью сжатия. Это достигается более поздним закрытием впускного клапана /«Automotive Engineering», 1998, Nol, p.39-32/. Однако и в этом случае цикл заканчивается, когда давление рабочих газов еще выше «единицы».

Технической задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия путем завершения цикла равенством давлений по обе стороны поршня равным 1 атм.

Поставленная задача решается за счет того, что способ получения механической энергии из тепловой в двигателях внутреннего сгорания заключается в том, что топливо сжигают в сжатом воздухе, а полученные в результате горения газы, расширяясь, совершают механическую работу, при этом соотношение степеней сжатия и расширения рассчитывается по формуле:

где ε_p - степень расширения рабочих газов;

ε_сж - степень сжатия воздуха;

Т_гор - температура горения топлива;

С_р - изобарическая теплоемкость газов;

С_v - изохорическая теплоемкость газов;

298 - нормальная температура по шкале Кельвина.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показан двигатель; на фиг.2 - диаграмма работы двигателя.

Двигатель состоит из компрессора 1, рабочей машины 2, соединяющей их камеры сжатия 3, свечи накаливания 4. Объем компрессора (фиг.1) равен V_к, камеры сжатия V_сж и рабочей машины V_р.м.

Получение механической энергии происходит следующим образом. Воздух из атмосферы засасывается в компрессор 1, там сжимается и передается в камеру сжатия 3. Величина давления при этом зависит от степени сжатия, которая вычисляется по формуле: .

Из камеры 3 сжатый воздух поступает в рабочую машину 2. При этом возможно смешение топлива с воздухом как в компрессоре 1, как в камере 3, так и в рабочей машине 2. Смесь вступает в соприкосновение с раскаленной нитью свечи 4, воспламеняется, и давление многократно возрастает. Это давление с помощью специальных механизмов превращается во вращательное движение маховика. При этом полнота использования полученного давления зависит от соотношения объема, в котором происходит расширение продуктов горения, и объема, в котором сжимался воздух, а именно отношение объема V_р.м+V_сж к объему V_к+V_сж. По аналогии со степенью сжатия можно сделать определение степени расширения .

Известны соотношения параметров термодинамического цикла (1)

(Геворкян Р.Г. и др. «Курс общей физики» Москва, Высшая школа, 1972 с.163-167).

Исходное состояние термодинамической системы (ТДС):

Р₀=1 атм ε_с=10.

V₀=10 V_сж

Т₀=298К

γ=1,4

1-й такт - сжатие (адиабатическое):

в конце такта ТДС будет иметь следующие параметры:

P₀=P₀·ε^γ _c,

согласно (3) т.е.

тогда P₀=P₀·ε^γ _с.

T₀=T₀·ε^γ-1 _с (получено из (2))

T₀=298·ε^γ-1

2-й такт - горение (изохорическое)

V₂=V_сж - остается прежним.

Согласно (1)

Считаем, что P₂=P_max, тогда

Подставив вместо «Р» и «Т» их значения после сжатия, получим

3-й такт - расширение (адиабатическое):

В конце такта давление станет равным 1 атм, т.е. P₃=P₀=1 атм.

Объем станет равным V₃.

По аналогии со степенью сжатия назовем - степенью расширения.

Температура

Чтобы узнать температуру в конце адиабатического расширения, необходимо найти значение «ε_р»:

P_max=P₀·ε^γ _p,

тогда

Нижеследующий расчет подтверждает, что предложенное соотношение позволяет получить в конце цикла давление, равное 1. Возьмем степени сжатия, известные из практики, 8,5 и 17, тогда соответствовать им будут степени расширения:

для ε_сж=8.5 и

для ε_сж=17

Максимально возможные значения давлений перед началом расширения будут соответственно равны:

для ε_сж=8,5 и для ε_сж=17

Находим давление в конце расширения по формуле:

для ε_сж=8,5 и для ε_сж=17

Любое другое соотношение приведет к результату, отличному от 1, при этом газы исчерпывают пневматический ресурс. Однако тепловой ресурс еще сохраняется. Например, для ε=8,5, температура газов равна 802 К.

Таким образом, применение предложенного соотношения позволяет получить максимально возможный коэффициент полезного действия.

Способ получения механической энергии из тепловой в двигателях внутреннего сгорания, заключающийся в том, что топливо сжигают в сжатом воздухе, а полученные в результате горения газы, расширяясь, совершают механическую работу, отличающийся тем, что соотношение степеней сжатия и расширения рассчитывается по формуле

где ε_p - степень расширения рабочих газов;

ε_сж - степень сжатия воздуха;

Т_гор - температура горения топлива;

Y=C_p/C_v;

С_р - изобарическая теплоемкость газов;

C_v - изохорическая теплоемкость газов;

298 - нормальная температура воздуха по шкале Кельвина.