Способ осуществления рабочего цикла и устройство пятитактного двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области двигателестроения. Технический результат заключается в повышении мощности и КПД двигателя внутреннего сгорания при меньших степенях сжатия или меньшем расходе топлива, в снижении максимальных рабочих давлений и в исключении из рабочего процесса ударных изменений давлений и температур. Согласно изобретению рабочее тело генерируется в виде стационарного газового потока высокого давления путем сжигания в камере сгорания топлива в непрерывном потоке сжатого воздуха от компрессора. Далее энергия рабочего тела преобразуется в полезную механическую работу сначала в цилиндрах постоянного давления, а затем в цилиндрах-расширителях. В цилиндрах постоянного давления работает аэродинамическое давление рабочего газового потока, который затем подается в цилиндры-расширители, где производит работу в результате термодинамического расширения. 2 н.п. ф-лы, 16 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, и преимущественно к автомобилям, тракторам и т.п.

Известен способ осуществления рабочего цикла в газотурбинных двигателях (В.А.Кудинов, Э.М.Карташов. Техническая термодинамика. М. Высшая школа. 2005. Стр.168-171; В.А.Тютюнов, С.И.Ловинский. М. Машиностроение. 1964. Стр.72, 93-140, 180-225), состоящий в том, что: генерируют (с помощью компрессора для создания непрерывного потока сжатого воздуха, камеры сгорания для сжигания топлива в потоке сжатого воздуха от компрессора и сопловых аппаратов для ускорения газового потока продуктов сгорания от камеры сгорания) рабочее тело в виде высокоскоростного стационарного (непрерывного, с постоянными скоростью, давлением, плотностью и температурой) газового потока и преобразуют (в результате динамического взаимодействия рабочего газового потока с лопатками ротора газовой турбины) кинетическую энергию рабочего тела в полезную работу.

Недостаток данного способа - высокие скорость и температура рабочего газового потока (чем больше скорость и температура рабочего газового потока, тем больше мощность газотурбинного двигателя), что предопределяет необходимость применения особо жаро-, ударопрочных и износостойких материалов для деталей устройства отбора мощности (в частности, для рабочих лопаток газовой турбины), непосредственно взаимодействующих с рабочим телом.

Наиболее близко к предлагаемому способу осуществления пятитактного рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания стоит известный способ осуществления четырехтактного рабочего цикла в поршневых двигателях внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием (прототип) (А.И.Колчин, В.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М. Высшая школа. 2003. Стр.13, 129-142). Данный способ реализуют в односвязном рабочем пространстве (в рабочем цилиндре с подвижным поршнем) с ограниченным рабочим объемом, непрерывно изменяемым от минимума до максимума (прямой ход поршня) или от максимума до минимума (обратный ход поршня). Рабочий цикл по прототипу производят за четыре такта (хода поршня):

первый (прямой ход поршня) и второй (обратный ход поршня) такты - впуск из окружающей среды и сжатие воздуха в рабочем пространстве;

третий такт (прямой ход поршня) - генерация рабочего тела в результате ввода и сгорания самовоспламеняющегося в сжатом воздухе топлива и преобразование потенциальной энергии рабочего тела в процессе последующего термодинамического расширения в замкнутом рабочем пространстве в полезную механическую работу (посредством кинематически связанного с поршнем механизма отбора мощности);

четвертый такт (обратный ход поршня) - выпуск в окружающую среду отработанного в рабочем пространстве рабочего тела.

Недостаток прототипа - ударный характер динамики давления и температуры в процессе быстрого сгорания топливовоздушной смеси и последующего термодинамического расширения рабочего тела в замкнутом рабочем пространстве, что предопределяет необходимость усиления жесткости и применения специальных материалов для деталей двигателя, непосредственно взаимодействующих с рабочим телом (детали рабочих цилиндров и поршней), и механизма отбора мощности.

Известен газотурбинный двигатель (Ю.Мацкерле. Современный экономичный автомобиль. М. Машиностроение. 1987. Стр.225), включающий устройство, генерирующее рабочее тело в виде высокоскоростного стационарного газового потока, и газовую турбину, преобразующую кинетическую энергию рабочего газового потока в полезную механическую работу. Генератор рабочего тела включает камеру сгорания, в которой в потоке сжатого воздуха (от компрессора) сжигают жидкое или газообразное топливо, и сопловые аппараты, которые ускоряют газовый поток продуктов сгорания от камеры сгорания.

Газовая турбина включает ротор, несущий рабочие лопатки и соосно жестко соединенный с валом отбора мощности. Отбор мощности осуществляется путем создания крутящего момента на валу отбора мощности в результате динамического взаимодействия рабочего газового потока с лопатками ротора турбины.

Газотурбинные двигатели применяют там, где требуется большая мощность силовой установки (например, в авиации). Газотурбинный двигатель малой мощности (например, для автомобилей) экономически не выгоден из-за низкого коэффициента полезного действия (КПД) и большого расхода топлива. Здесь проявляется недостаток конструкции этого двигателя - утечка части рабочего газового потока через технологический радиальный зазор между рабочими лопатками и кожухом турбины, и, как следствие, потеря энергии этой части рабочего тела.

При этом, чем меньше номинальная мощность двигателя, тем больше относительная (по сравнению с величиной располагаемой энергии рабочего тела) величина энергетических «утечек», и, следовательно, тем меньше КПД и больше расход топлива.

Наиболее близко к предлагаемому пятитактному двигателю внутреннего сгорания стоит известный четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием - дизель (прототип) (А.И.Колчин, В.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М. Высшая школа. 2003. Стр.13, 129-142). Такой двигатель обычно включает несколько конструктивно одинаковых рабочих цилиндров, в которых, с определенной синхронизацией, осуществляют параметрически одинаковые рабочие процессы-циклы (по описанному выше способу-прототипу осуществления четырехтактного рабочего цикла в поршневых двигателях внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием) преобразования энергии в форме теплоты, получаемой в результате быстрого сжигания жидкого или газообразного топлива в замкнутом объеме с предварительно сжатым воздухом, в полезную механическую работу посредством механизма отбора мощности.

Недостаток прототипа - малые значения мощности и крутящего момента на малых числах оборота вала отбора мощности двигателя, что невыгодно в условиях эксплуатации (например, на автомобиле).

Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение энергоотдачи рабочего тела в двигателе внутреннего сгорания и, как следствие, - повышение эффективной мощности и эффективного КПД двигателя при меньших степенях сжатия или меньшем расходе топлива, а также снижение максимальных рабочих давлений и исключение из рабочего процесса резких и быстрых изменений рабочих давлений и температур, а также увеличение мощности и крутящего момента на малых числах оборотов вала отбора мощности.

Обозначенный выше технический результат применения предлагаемого способа, включающего генерацию рабочего тела путем сжигания топлива в предварительно сжатом воздухе и преобразование энергии рабочего тела в полезную механическую работу, достигается тем, что рабочее тело генерируют в виде стационарного, то есть непрерывного, с постоянными давлением, плотностью и температурой, газового потока высокого давления. Затем энергию рабочего тела преобразуют в полезную механическую работу, используя сначала давление рабочего газового потока в процессе аэродинамического прессинга, а затем - давление отработанного рабочего тела в процессе последующего термодинамического политропного расширения. При этом аэродинамический прессинг осуществляют в результате воздействия полного аэродинамического давления стационарного газового потока - рабочего тела на поршень, плотно движущийся в рабочем пространстве, имеющем форму аэродинамического канала с постоянным поперечным сечением. Последующее термодинамическое политропное расширение отработанного рабочего тела осуществляют, перемещая рабочее тело в другое замкнутое рабочее пространство большего максимального объема. При этом в процессе расширения рабочего тела объем первого рабочего пространства изменяют от максимума до нулевого минимума и, синхронно, объем второго рабочего пространства - от нулевого минимума до максимума, обеспечивая тем самым рабочий ход второго поршня. При этом рабочий цикл в общем случае включает следующие пять тактов.

1.-2. Впуск-сжатие воздуха, подача-сгорание топлива.

С помощью компрессора создают непрерывный поток сжатого воздуха, который направляют в камеру сгорания. В камере сгорания, в потоке сжатого воздуха от компрессора, сжигают топливо, в результате чего получают рабочее тело - стационарный газовый поток высокого давления, состоящий из продуктов сгорания. Посредством газораспределительного устройства рабочее тело от камеры сгорания направляют в активные, т.е. с изменением рабочего объема от нулевого минимума до максимума, рабочие цилиндры постоянного давления.

3. Аэродинамический прессинг, рабочий ход поршня.

В активных рабочих цилиндрах постоянного давления осуществляют аэродинамический прессинг - вытеснение поршня рабочим газовым потоком.

Синхронно отработанное рабочее тело из пассивных, т.е. с изменением рабочего объема от максимума до нулевого минимума, рабочих цилиндров постоянного давления перемещают в активные, т.е. с изменением рабочего объема от нулевого минимума до максимума, рабочие цилиндры-расширители.

4.-5. Расширение - выпуск, рабочий ход поршня.

В активных рабочих цилиндрах-расширителях осуществляют обычное политропное расширение рабочего тела.

Синхронно отработанное рабочее тело из пассивных, т.е. с изменением рабочего объема от максимума до нулевого минимума, рабочих цилиндров-расширителей перемещают на выхлоп.

Процесс, названный выше аэродинамическим прессингом, существенно отличается от процесса расширения рабочего тела в цилиндре прототипа - в данном случае рабочее тело воздействует на поршень в цилиндре постоянного давления посредством полного давления, равного сумме статического давления и аэродинамического напора стационарного газового потока, каким является рабочее тело; при этом расширения рабочего тела не происходит, потому что освобождаемое поршнем пространство активного рабочего цилиндра синхронно замещается соответствующей массой газа, так что плотность, давление и температура рабочего тела в этом процессе остаются постоянными; описанный процесс аэродинамического прессинга аналогичен процессу вытеснения поршня в гидравлическом прессе.

Обозначенный выше технический результат применения предлагаемого пятитактного двигателя внутреннего сгорания, включающего устройства генерации рабочего тела и преобразования энергии рабочего тела в полезную механическую работу, достигается тем, что в качестве устройства генерации рабочего тела используется камера сгорания высокого давления, в которой в результате сжигания топлива в потоке сжатого воздуха (от компрессора) создают рабочее тело в виде стационарного газового потока продуктов сгорания (непрерывного, с постоянными давлением, плотностью и температурой). При этом в качестве устройства преобразования потенциальной энергии рабочего тела в полезную механическую работу используют синхронизированные рабочие цилиндры постоянного давления и цилиндры-расширители с поршнями. В активных рабочих цилиндрах-расширителях осуществляется рабочий ход поршня в результате термодинамического политропного расширения рабочего тела. Синхронно отработанное рабочее тело из пассивных, то есть с изменением рабочего объема от максимума до нулевого минимума, рабочих цилиндров-расширителей перемещается на выхлоп. Рабочие цилиндры синхронизированы таким образом, что расход рабочего тела в активных рабочих цилиндрах и расход рабочего тела в пассивных рабочих цилиндрах равны. При этом принципиальная схема конструктивной реализации предлагаемого двигателя минимально включает следующие основные устройства:

1) компрессор,

2) камеру сгорания постоянного высокого давления,

3) рабочие цилиндры постоянного давления,

4) рабочие цилиндры-расширители,

5) систему газообмена и газораспределительное устройство,

6) систему синхронизации и механизм отбора мощности.

Система газообмена включает каналы, обеспечивающие транспорт воздуха от впуска до компрессора и от компрессора до камеры сгорания и транспорт рабочего тела от камеры сгорания до активных рабочих цилиндров постоянного давления, от пассивных рабочих цилиндров постоянного давления до активных рабочих цилиндров-расширителей и от пассивных рабочих цилиндров-расширителей на выпуск.

Газораспределительное устройство обеспечивает переключение каналов от камеры сгорания на активные в текущий момент цилиндры постоянного давления.

Система синхронизации обеспечивает управление синхронизацией системы газообмена газораспределительного устройства и кинематики рабочих цилиндров механизма отбора мощности в соответствии с вышеописанным способом осуществления пятитактного рабочего цикла. При этом все возможные варианты синхронизации должны удовлетворять необходимому условию - в любой момент рабочего цикла расход рабочего тела в активных рабочих цилиндрах и расход рабочего тела в пассивных рабочих цилиндрах должны быть равны.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для осуществления пятитактного рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания принципиально отличаются от прототипов, а именно:

1. составляющие рабочий цикл процессы -

(c) впуск-сжатие воздуха,

(z) смесеобразование и сгорание топливно-воздушной смеси,

(d) расширение-выпуск отработанного рабочего тела,

в предлагаемом двигателе пространственно разделены;

в прототипе эти процессы пространственно совмещены в рабочем цилиндре;

2. в рабочий цикл «вставлен» дополнительный процесс

(f) - аэродинамический прессинг, который осуществляют в отдельном рабочем цилиндре;

3. рабочее тело в предлагаемом двигателе генерируется непрерывно в виде стационарного газового потока высокого давления;

в прототипе рабочее тело генерируется в пульсирующем режиме, в процессе рабочего хода поршня (такт расширения рабочего тела), и сопровождается резким скачком давления и температуры быстро сгорающей топливовоздушной рабочей смеси;

4. отбор мощности в предлагаемом двигателе осуществляется непрерывно - каждый ход поршня в рабочих цилиндрах является рабочим (аэродинамический прессинг рабочего тела в активных цилиндрах постоянного давления и, одновременно, термодинамическое расширение рабочего тела в активных цилиндрах-расширителях);

в прототипе отбор мощности осуществляется периодически, в процессе термодинамического расширения рабочего тела в цилиндре.

Применительно к способу отбора мощности посредством кривошипно-шатунного механизма (как в прототипе) в предлагаемом двигателе минимальной конфигурации за полный оборот вала отбора мощности происходит «прокрутка» двух циклов, одинаковых по действию и по результату, и отличающихся только взаимной «перестановкой» активных и пассивных рабочих цилиндров, и, следовательно, такой двигатель по числу рабочих циклов за полный оборот вала отбора мощности аналогичен обычному четырехцилиндровому четырехтактному двигателю внутреннего сгорания, притом, что отношение чисел тактов равно 2 (из 5) к 1 (из 4).

Вышеизложенная принципиальная схема конструктивной реализации и функционирования предлагаемого двигателя отображена на фиг.1 и 2.

Предлагаемое изобретение иллюстрируют фиг. 1-16.

Фиг.1 и 2: принципиальная схема конструктивной реализации и функционирования предлагаемого двигателя. Показаны два последовательных рабочих цикла, отличающиеся только направлением движения поршней (большие стрелки) и рабочего тела (маленькие стрелки). Для большей компактности схемы рабочие цилиндры постоянного давления и рабочие цилиндры-расширители (минимальная конфигурация) представлены в виде цилиндров двойного действия:

1 - компрессор,

2 - камера сгорания постоянного давления,

3 - газораспределительное устройство,

4 - активные, 5 - пассивные рабочие цилиндры постоянного давления,

6 - активные, 7 - пассивные рабочие цилиндры-расширители.

Фиг.3-16: графики характеристик предлагаемого двигателя, отображающие функциональные связи между расчетными параметрами и параметрами управления и функционирования двигателя-проекта. На графиках даны индексированные (параметрические) серии кривых. Индекс, например α, означает, что кривая с индексом α составлена из расчетных точек, полученных для данного значения α. Стрелки показывают направление изменения индекса в сторону возрастания. Горизонтальные линии двойной толщины показывают расчетную «контрольную» отметку («планку») данных двигателя-прототипа. Точки, составляющие представленные графики, отфильтрованы по условию: эффективная мощность N_e≥N_e ^*, эффективный КПД η_е≥η_е ^*, эффективный удельный расход топлива g_e≤g_e ^*, где N_e ^*(=233 кВт), η_e ^* (=0.385), g_e ^*(=220 г/кВт·ч) - исходные данные двигателя-прототипа. При этом для двигателя-проекта принято значение степени расширения δ=16.

Фиг.3-8: графики эффективных параметров N_e, g_e, η_е, p_е, M_e и параметра n как функций параметров управления ε, G_в и G_т.

Фиг.9: графики параметров M_e и n как функций параметра N_e.

Фиг.10-13: графики скоростных характеристик двигателя-проекта.

Фиг.14 и 15: графики изменения давлений в рабочих цилиндрах двигателя-проекта при изменении степени сжатия ε и при номинальном для прототипа значении расхода топлива G_т; p_f, р_d - давление, соответственно, в цилиндрах постоянного давления и в цилиндрах-расширителях на выпуске.

Фиг.16: графики изменения температур в рабочих цилиндрах двигателя-проекта при изменении расхода топлива G_т и при номинальном для прототипа, значении степени сжатия ε; T_f - температура в цилиндрах постоянного давления, Т_d - температура в цилиндрах-расширителях на выпуске.

Расчет двигателя

Здесь приведено полное описание методики расчета предлагаемого двигателя. Данная методика, за некоторыми исключениями, относящимися к расчету камеры сгорания и цилиндров постоянного давления, взята из книги А.И.Колчин, В.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М. Высшая школа. 2003. Стр.13, 104-142, и обеспечена компьютерной программой, разработанной автором. Расчет сделан для двигателя минимальной конфигурации «2+2», включающей по два рабочих цилиндров постоянного давления и цилиндров-расширителей. Однако данный расчет легко можно распространить на общий случай с большим числом рабочих цилиндров.

Принятые в тексте изложения обозначения близки к используемым в литературных источниках по аналогичной тематике.

Буквы p и r обозначают, соответственно, давление и плотность воздуха или рабочего тела, Т - температуру по Кельвину, t - температуру по Цельсию, V - объем, w - скорость, G - расход воздуха или рабочего тела. Индекс _а относится к параметрам воздуха на впуске, _с - к параметрам сжатого в компрессоре воздуха, _z - к параметрам рабочего тела на выходе из камеры сгорания, _f - к параметрам рабочего тела в цилиндре постоянного давления, _d - к параметрам рабочего тела в цилиндре-расширителе.

Константные данные прототипа в тексте ниже выделены префиксом //.

Параметры управления

Управление предлагаемым двигателем осуществляют, изменяя три входных параметра:

1) G_в - производительность компрессора (г/с),

2) ε - степень сжатия воздуха на выходе из компрессора,

3) G_т - (секундный) расход топлива (г/с).

Далее вместо параметра G_в используется эквивалентный ему параметр

α=G_в/(G_т·l₀) - известный коэффициент избытка воздуха,

l₀ - теоретически необходимое количество-масса воздуха для полного сгорания единицы массы топлива (г воздуха/г топлива) // l₀=14.452.

Данная тройка (α, ε, G_т) параметров управления полностью определяет параметры рабочего тела на выходе из камеры сгорания: давление p_z, плотность r_z и температуру Т_z газового потока.

Функционирование

Компрессор. В компрессоре осуществляют обычное политропное сжатие воздуха с начальными и конечными параметрами, соответственно

p_a(МПа), r_a(кг/м³), T_a(K)

, r_с=r_a·ε, ,

где

n_с - показатель политропы сжатия, из уравнения

mc_Va, mc_Vc - теплоемкости воздуха (кДж/кмоль·град) для температур, соответственно, t_a, t_c, находят интерполяцией справочных табличных данных [1];

R=8.315 (кДж/кмоль·град) - универсальная газовая постоянная.

Камера сгорания

Камера сгорания создает на входе в рабочие цилиндры стационарный газовый поток продуктов сгорания (рабочее тело).

Параметры этого рабочего газового потока

p_z, r_z, T_z

находят исходя из модели изобарного подвода тепла с начальными параметрами

p_c (МПА), r_c(кг/м³), Т_с(К):

температуру T_z определяют из системы уравнений:

(1) сгорания для случая постоянного давления:

(2) теплоемкости

где

ξ_z - коэффициент использования теплоты // ξ_z=0.86,

μ=М₂/M₁ - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси,

М₁=α·L₀ - количество горючей смеси (кмоль/кг топлива) // L₀=0.5,

L₀=l₀/μ_в (кмоль воздуха/кг топлива), μ_в=26.96 - масса 1 кмоль воздуха,

- необходимое количество воздуха для полного сгорания кг топлива,

l₀=(С·8/3+Н·8-O)/0.23 (кг воздуха/кг топлива),

М₂=С/12+Н/2+(α-0.208)·L₀ (кмоль/кг топлива),

- количество продуктов полного сгорания топлива,

С	Н	O		массовые доли (кг/кг топлива) составляющих элементов топлива
0.855	0.145	0	бензин
0.87	0.126	0.004	дизельное

H_z=Н_u·10³/M₁ (кДж/кмоль) - теплота сгорания рабочей смеси,

Н_u(МДж/кг) - низшая теплота сгорания топлива // Н_u=42.44,

mc_рс=mc_Vc+R (кДж/кмоль·град) - теплоемкость сжатого воздуха при температуре t_c (на входе в камеру сгорания);

mc_pz=mc_Vz(t_z, α)+R (кДж/кмоль·град) - теплоемкость продуктов сгорания для данного α при температуре t_z=T_z-273(°C),

mc_Vz(t_z, α) находят интерполяцией справочных табличных данных [1].

Рабочий цилиндр постоянного давления. Параметры

p_f, r_f, w_f и T_f рабочего тела в рабочем цилиндре постоянного давления здесь находят исходя из модели стационарного газового потока с источником (котлом) в камере сгорания.

Параметры этого котла

p_z(МПа), r_z(кг/м³), T_z(K)

определены выше.

Плотность r_f (кг/м³) и скорость w_f (м/с) находят из системы уравнений для стационарного газового потока:

(1) энергии (Бернулли)

(2) постоянства расхода газа

(3) политропы процесса

,

где

- (секундный) расход рабочего тела (г/с);

- показатель политропы процесса;

- площадь прямого сечения,

D_f (м) - диаметр цилиндра постоянного давления.

Решение:

Полное давление аэродинамического прессинга

Рабочий цилиндр-расширитель. В рабочем цилиндре-расширителе осуществляют обычное политропное расширение (как в прототипе) рабочего тела с начальными и конечными параметрами, соответственно

p_d, r_d, Т_d.

,

где

- степень расширения,

объем V_d рабочего цилиндра-расширителя должен быть больше объема V_f рабочего цилиндра постоянного давления, следовательно, δ>1,

n_d - показатель политропы расширения, из уравнения

mc_Vf, mc_Vd - теплоемкости рабочего тела (кДж/кмоль·град) для температур, соответственно, t_f, t_d находят интерполяцией справочных табличных данных [1].

Температура рабочего тела на выпуске

Индикаторные и эффективные параметры

Приведенный ниже расчет индикаторных и эффективных параметров исходит из положения:

скорость w_п поршня в рабочих цилиндрах равна скорости w_f рабочего газового потока в цилиндре постоянного давления: w_п=w_f.

Индикаторные параметры

Индикаторная работа цикла:

,

где

ϕ - коэффициент полноты диаграммы // ϕ=0.95,

L_if, L_id, L_ic (МДж) - индикаторная работа цикла, соответственно:

в рабочем цилиндре постоянного давления,

в рабочем цилиндре-расширителе,

в компрессоре.

Индикаторная работа цикла в компрессоре:

,

где

р_а (МПа), r_а (кг/м³) - давление, плотность воздуха на входе в компрессор,

ε - заданная степень сжатия воздуха в компрессоре,

n_с - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре,

G_вц=G_в·θ/10³ (кг) - расход за цикл воздуха,

θ=S/w_f (с) - продолжительность цикла,

S (м) - полный ход поршня,

w_f (м/с) - скорость поршня,

G_в=G_т·α·l₀ (г/с) - секундный расход воздуха, // l₀=14.452

α - заданный коэффициент избытка воздуха,

G_т (г/с) - заданный секундный расход топлива.

Индикаторная работа цикла в рабочем цилиндре постоянного давления:

L_if=p_f·V_f,

где

p_f - полное давление аэродинамического прессинга (МПа),

V_f - объем рабочего цилиндра постоянного давления (м³).

Индикаторная работа цикла в рабочем цилиндре-расширителе (с учетом минусовой работы преодоления противодавления, воздействующего на поршень в цилиндре постоянного давления со стороны цилиндра-расширителя, в процессе расширения рабочего тела):

где

V_d - объем рабочего цилиндра-расширителя (м³),

р, V - давление (МПа), объем (м³) рабочего тела в процессе политропного расширения,

n_d - показатель политропы расширения,

δ=V_d/V_f - заданная степень расширения.

Из предыдущего следует

Среднее индикаторное давление:

Индикаторная мощность:

,

где

n=30·w_f/S - число оборотов двигателя (мин^-1).

Индикаторный КПД:

,

где

Н_u (МДж/кг) - низшая теплота сгорания топлива // Н_u=42.44,

- расход топлива за цикл, θ=S/w_f (с).

Индикаторный удельный расход топлива:

g_i=3600/(η_i·Н_u) (г/кВт·ч).

Эффективные параметры

Среднее эффективное давление:

р_e=p_i-p_м (МПа),

где

р_м - среднее давление механических потерь (МПа) // р_м=0.212.

Эффективный КПД:

,

где

- механический КПД.

Эффективная мощность:

,

где

n=30·w_f/S - число оборотов двигателя (мин^-1),

w_f - скорость (м/с), S - ход (м) поршня.

Эффективный удельный расход топлива:

Эффективный крутящий момент:

Сравнительный анализ предлагаемого двигателя

Сравнительный анализ расчетных параметров

Анализ расчетных параметров предлагаемого двигателя, в сравнении с прототипом, здесь сводится к следующему. Для данного двигателя-прототипа с известными расчетными параметрами определяют конфигурацию подлежащего сравнительному анализу предлагаемого двигателя, называемого далее двигателем-проектом, и производят расчет параметров двигателя-проекта для всех возможных значений параметров управления (степень сжатия ε, производительность компрессора G_в, расход топлива С_т). Это дает возможность оценить разницу между сравниваемыми двигателями по всей совокупности расчетных параметров.

Отношение прототип - проект здесь определено следующим образом:

1) минимальная конфигурация «2+2» проекта - два рабочих блока, включающих цилиндр постоянного давления и цилиндр-расширитель, число рабочих цилиндров прототипа не ограничено;

2) одинаковая геометрия (диаметр цилиндра D и ход поршня S) рабочих цилиндров прототипа и цилиндров постоянного давления проекта.

Данное определение минимизирует совокупность исходных данных и, тем самым, упрощает расчет параметров проекта.

Вышеописанный метод сравнительного анализа обеспечивает вышеупомянутая (расчет двигателя) компьютерная программа. Пользуясь этой программой, можно задать параметры любого двигателя-прототипа и получить полный расчет соответствующего двигателя-проекта в табличном или графическом представлении.

Прототип, выбранный для иллюстрации результатов анализа, определен данными (А.И.Колчин, В.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М. Высшая школа. 2003, с.129-138): дизель с турбонаддувом, дизельное топливо, тактность τ=4, цилиндров i=8, диаметр цилиндра и ход поршня D=S=0.12 м, оборотность n=2600 мин^-1, степень сжатия ε=17, эффективные мощность N_e=233 кВт, удельный расход топлива g_e=220 г/кВт·ч, КПД η_е=0.385, секундный расход топлива G_т=14 г/с.

На основании полученных результатов обработки можно сделать следующие выводы:

1. Основные эффективные параметры прототипа, а именно мощность N_e, удельный расход топлива g_e, КПД η_е, могут быть существенно перекрыты соответствующими параметрами предлагаемого двигателя при меньших значениях расхода топлива G_т или степени сжатия ε. Это хорошо видно на графиках (фиг.3-6), отображающих характер изменения параметров проекта N_e, g_e, η_е и среднего эффективного давления р_е при изменении параметров управления (ε, G_в, G_т).

2. По сравнению с прототипом, для предлагаемого двигателя характерны значительно меньшие значения частоты вращения вала отбора мощности n и большие значения эффективного крутящего момента M_e (фиг.7 и 8). При этом, чем больше мощность предлагаемого двигателя, тем меньше n и больше M_e (фиг.9) - аналогично газотурбинному двигателю.

Сравнительный анализ динамики двигателя

1. Скоростные характеристики

На графиках, представленных на фиг.10-13, даны скоростные характеристики предлагаемого двигателя-проекта, отображающие функциональную связь между эффективными параметрами и частотой вращения вала отбора мощности (параметр n). Сопоставление скоростных характеристик предлагаемого двигателя-проекта и прототипа (А.И.Колчин, В.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М. Высшая школа. 2003. Стр.149-151) показывает существенные различия в поведении эффективных параметров при изменении параметра n.

Самое кардинальное различие проявляется в поведении параметра N_e. В противоположность прототипу, для предлагаемого двигателя увеличение эффективной мощности N_e приводит к уменьшению частоты вращения вала отбора мощности n. Это легко объяснить, если принять во внимание аэродинамику рабочего тела в рабочем цилиндре постоянного давления: увеличивая мощность, увеличивают давление в цилиндре, и, следовательно, уменьшают скорость газового потока в цилиндрическом канале, каким является рабочий цилиндр.

2. Динамика давлений в рабочем цикле

Динамика давлений в рабочем цикле прототипа характеризуется:

степенью сжатия ,

степенью повышения давления ,

степенью нарастания давления ,

степенью предварительного расширения ,

степенью последующего расширения ;

V - объем рабочего цилиндра (включая камеру сгорания),

V_c - объем камеры сгорания,

r_a, r_с - плотность, соответственно, «забортного» и сжатого воздуха,

p_с, p_z - соответственно, начальное и конечное давления фазы сгорания при постоянном объеме;

Δp/Δω - относительное изменение давления в рабочем цилиндре при изменении угла поворота вала отбора мощности (фаза сгорания при постоянном объеме),

r_z - плотность рабочего тела в конце фазы сгорания при постоянном давлении.

Для предлагаемого двигателя:

λ=1 (p_z=p_c),

γ=0

(нет нарастания давления),

ρ=r_с/r_z - степень изобарного расширения рабочего тела в камере сгорания,

δ=V_d/V_f>1;

r_с, r_z - плотности рабочего тела в камере сгорания, соответственно, на входе (сжатый воздух от компрессора плюс топливо), на выходе (продукты сгорания);

V_f, V_d - объемы рабочих цилиндров,

Таким образом:

1) максимальное давление в процессе рабочего цикла предлагаемого двигателя не выше давления сжатия воздуха в компрессоре и, при прочих равных условиях, существенно меньше (в λ «раз») максимального давления рабочего цикла прототипа;

2) в динамике рабочего цикла предлагаемого двигателя нет ударных повышений давления, присущих прототипу.

Характер изменения давлений в рабочих цилиндрах предлагаемого двигателя при изменении степени сжатия ε и при номинальном для прототипа значении расхода топлива G_т показан на графиках (фиг.14-15).

3. Динамика температур в рабочем цикле

Характер изменения температур в рабочих цилиндрах предлагаемого двигателя при изменении степени сжатия ε и при номинальном для прототипа значении расхода топлива G_т показан на графиках, представленных на фиг.16.

1. Способ осуществления рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания, включающий генерацию рабочего тела путем сжигания топлива в предварительно сжатом воздухе и преобразование энергии рабочего тела в полезную механическую работу, отличающийся тем, что рабочее тело генерируют в виде стационарного, т.е.непрерывного, с постоянными давлением, плотностью и температурой, газового потока высокого давления, после чего энергию рабочего тела преобразуют в полезную механическую работу, используя сначала давление рабочего газового потока в процессе аэродинамического прессинга, а затем - давление отработанного рабочего тела в процессе последующего термодинамического политропного расширения; при этом аэродинамический прессинг осуществляют в результате воздействия полного аэродинамического давления стационарного газового потока - рабочего тела на поршень, плотно движущийся в рабочем пространстве, имеющем форму аэродинамического канала с постоянным поперечным сечением, а последующее термодинамическое политропное расширение отработанного рабочего тела осуществляют, перемещая рабочее тело в другое замкнутое рабочее пространство большего максимального объема; при этом в процессе расширения рабочего тела, объем первого рабочего пространства изменяют от максимума до нулевого минимума и, синхронно, объем второго рабочего пространства - от нулевого минимума до максимума, обеспечивая тем самым рабочий ход второго поршня.

2. Двигатель внутреннего сгорания, включающий устройства генерации рабочего тела и преобразования энергии рабочего тела в полезную механическую работу, отличающийся тем, что в качестве устройства генерации рабочего тела используется камера сгорания высокого давления, создающая рабочее тело в виде непрерывного, с постоянными давлением, плотностью и температурой, газового потока продуктов сгорания топлива в потоке сжатого воздуха от компрессора, а в качестве устройства преобразования энергии рабочего тела в полезную механическую работу используются рабочие цилиндры постоянного давления и цилиндры-расширители с поршнями; в активных, т.е. с изменением рабочего объема от нулевого минимума до максимума, рабочих цилиндрах постоянного давления осуществляется рабочий ход поршня в результате силового воздействия полного аэродинамического давления рабочего газового потока от камеры сгорания; синхронно, отработанное рабочее тело из пассивных, т.е. с изменением рабочего объема от максимума до нулевого минимума, рабочих цилиндров постоянного давления перемещается в активные, т.е. с изменением рабочего объема от нулевого минимума до максимума, рабочие цилиндры-расширители; в активных рабочих цилиндрах-расширителях осуществляется рабочий ход поршня в результате термодинамического политропного расширения рабочего тела; синхронно, отработанное рабочее тело из пассивных, т.е. с изменением рабочего объема от максимума до нулевого минимума, рабочих цилиндров-расширителей перемещается на выхлоп; рабочие цилиндры синхронизированы таким образом, что расход рабочего тела в активных рабочих цилиндрах и расход рабочего тела в пассивных рабочих цилиндрах равны.