Способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя за счет: снижения работы сжатия воздуха, повышения работы расширения рабочих газов, применения бесшатунного преобразователя возвратно-поступательных движений поршня во вращение выходного вала и регенерации тепла выхлопных газов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют ступенчатое сжатие воздуха с одновременным понижением (отводом) его температуры и ступенчатое расширение рабочих газов за счет дополнительного впрыска топлива. Тепло выхлопных газов используют для нагрева сжатого воздуха. Ступенчатое сжатие воздуха и ступенчатое расширение рабочих газов приближает выполнение тактов работы двигателя к изотермическому процессу и тем самым приводит к повышению КПД и снижению расхода топлива. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано при разработке двигателей для различных транспортных средств и стационарных установок.

Известен способ работы двигателя по патенту RU №2022136, по которому во время расширения в рабочем цилиндре продуктов сгорания в компрессорный цилиндр повторно подается воздух, который во время выпуска отработавших газов направляется в рабочий цилиндр. При этом впрыск топлива осуществляется двумя порциями, причем вторая порция подается после достижения максимальной доли первой порции и до окончания ее впрыска. Дополнительная подача топлива в рабочий цилиндр приводит к повышению температуры газов, что приводит к увеличению работы расширения. Кроме того, очень сложно позиционировать время подачи второй порции топлива, что вместо увеличения времени расширения рабочего тела может вызвать только временной всплеск температуры горения топливной смеси, что не обеспечит повышение работы расширения - механической работы двигателя.

Ввиду отсутствия процесса по охлаждению воздуха при его сжатии ступенчатая (порционная) подача топлива не дает положительного эффекта. А подогрев газов при их расширении за счет смешения с выхлопными, без использования регенераторов, также вызывает большие сомнения.

Поэтому дополнительная подача воздуха в рабочий цилиндр через компрессорный и повторный впрыск топлива для его сжигания кроме увеличения расхода топливной смеси ничего не дает.

Тем не менее, этот способ взят за прототип разработанному способу работы двигателя.

Технический результат разработанного способа заключается в следующем. Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется путем выполнения тактов цикла работы двигателя в компрессорном и рабочем цилиндрах, сжатия воздуха в компрессоре, впрыска топлива в рабочий цилиндр с последующим горением, расширения продуктов сгорания - рабочий ход поршня и выпуска отработавших газов, при этом сжатие воздуха в компрессорном цилиндре производят ступенчато, при двух и более ступенях, с промежуточным охлаждением воздуха и подачей его в ресивер и регенератор через рабочий цилиндр, а процесс расширения газа выполняется ступенчато, при двух и более ступенях, с промежуточным дополнительным впрыском топлива и подводом теплоты, отбираемой у выхлопных газов воздуху, направляемому в рабочий цилиндр, при этом четырехтактной цикл работы двигателя осуществляют раздельно - такты всасывания и сжатия воздуха в отдельном компрессоре, а такты - рабочий ход и выхлоп отработавших газов - непосредственно в рабочем цилиндре, причем рабочий цилиндр может работать в режиме двойного рабочего действия, обеспечивая, тем самым, выполнение двух рабочих тактов за один оборот выходного вала, подготовку топливной смеси осуществляют в предкамере путем подачи из ресивера сжатого и подогретого в регенераторе воздуха и впрыска топлива при достижении поршнем верхней мертвой точки после окончания процесса выхлопа газов. В результате чего, цикл работы четырехтактного двигателя осуществляется в двух цилиндрах: компрессорном - такты всасывания и сжатия воздуха, и рабочем - такты расширения газов и выхлопа отработавших газов.

При этом сжатие воздуха выполняют ступенчато с промежуточным его охлаждением на каждой ступени и с последующей подачей в ресивер. Ступенчатое сжатие воздуха с охлаждением приближает процесс к изотермическому, что снижает до минимума работу сжатия.

А процесс расширения газов - рабочий ход поршня - тоже осуществляют ступенчато, при этом на каждой ступени дополнительно впрыскивают топливо в камеру сгорания, что приближает процесс к изотермическому и приводит к увеличению работы расширения газов и, тем самым, механической работы на выходном валу двигателя.

Кроме того, перед подачей сжатого воздуха в рабочий цилиндр его нагревают теплом выхлопных газов в теплообменнике (регенераторе).

В итоге выполнения предложенного способа работы двигателя реализуются:

- снижение работы на получение сжатого воздуха;

- повышение работы расширения рабочих газов;

- понижение расхода топлива за счет регенерации тепла выхлопных газов.

Описанный способ организации работы двигателя приводит к циклу, состоящему из двух изотерм (сжатие воздуха и расширение газа) и двух изохор (охлаждение газов и нагрев воздуха в регенераторе). Такой цикл, как известно, является обобщенным термодинамическим циклом Карно, КПД которого в заданном интервале температур равен КПД классического цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат.

Двигатель по предложенному способу работает по четырехтактному циклу.

На фиг.1 цикл работы ДВС с изотермическими сжатием и расширением и регенерацией теплоты, схематично показаны все этапы процессов изотермического сжатия и расширения рабочего тела, а также регенерации теплоты выхлопных газов.

Нумерация процессов на фиг.1 обозначает

- Линия 0-1 представляет линию всасывания воздуха из атмосферы в цилиндр первой ступени компрессора.

- Линия 1-2 представляет политропное сжатие воздуха в первой ступени компрессора.

- Линия 2-а представляет процесс нагнетания воздуха в промежуточный охладитель.

- Линия а-3 является линией всасывания воздуха во вторую ступень компрессора.

- Линия 2-3 представляет процесс изобарного охлаждения воздуха в промежуточном охладителе с передачей в окружающую среду теплоты в количестве . Как видно из диаграммы, в процессе охлаждения сжатого воздуха происходит уменьшение его объема на величину ΔV₁=V₂-V₃, причем без изменения его весового количества.

- Линии 3-4, 4-b, b-5 - соответственно представляют политропное сжатие воздуха во второй ступени компрессора, нагнетание воздуха в промежуточный охладитель и всасывание воздуха в третий цилиндр компрессора.

- Линия 4-5 представляет процесс изобарного охлаждения воздуха в промежуточном охладителе с передачей в окружающую среду теплоты в количестве . При этом объем газа уменьшается на величину ΔV₂=V₄-V₅.

- Линия 5-6 является процессом политропного сжатия воздуха в третьей ступени компрессора.

- Линия 6-с представляет нагнетание воздуха в емкость (ресивер).

- Линия с-6 является линией всасывания воздуха в регенеративный подогреватель (теплообменник).

- В процессе 6-7 проходит передача теплоты q_рег от выхлопных газов воздуху в регенеративном подогревателе (теплообменнике).

- С параметрами в точке 7 (Р₇ и T₇) воздух находится в камере сгорания.

- В процессе 7-8 через форсунку впрыскивается топливо в камеру сгорания и происходит его воспламенение, в результате чего к рабочему телу подводится теплота q₁. В точке 8 газ находится при максимальных параметрах (P₈, T₈).

После воспламенения топлива в результате повышения давления газа открывается сопловой клапан и поршень начинает совершать первую часть рабочего хода.

На фиг.1 и 2 этот процесс изображается линией 8-9 и является адиабатным расширением рабочего тела.

В изобарном процессе 9-10 к рабочему телу дополнительно подводится теплота в количестве путем подачи в камеру сгорания дополнительной порции топлива через форсунку. В процессе 10-11 происходит дальнейшее адиабатное расширение газа. В процессе 11-12 к рабочему телу впрыскивается еще одна дополнительная порция топлива. В результате чего при его сгорании к рабочему телу подводится дополнительная теплота в количестве .

Величины подводимых теплот и должны быть такими, чтобы температура в точках 10 и 12 была равна температуре в точке 8. В результате такого ступенчатого (или непрерывного) процесса подачи топлива процесс расширения газа в цилиндре в целом будет приближаться к изотермическому, при котором, как известно, вся теплота, подводимая к рабочему телу, превращается в работу.

В процессе 12-13 происходит адиабатное расширение газа на заключительном этапе движения поршня от верхней мертвой точки к нижней. В изохорном процессе 13-14 в регенераторе (теплообменнике) происходит отвод теплоты q_рег от выхлопных газов к воздуху, поступаемому в камеру сгорания. При этом температура и давление газа понижаются от параметров в точке 13 до параметров в точке 14, а температура и давление воздуха после регенератора (теплообменника) возрастают от параметров в точке 6 до параметров в точке 7. В процессе 14-1 происходит охлаждение выхлопных газов в атмосфере с передачей в окружающую среду теплоты в количестве q_2.

При соответствующем подборе поверхностей теплообменников температура воздуха в точках 3 и 5 будет равна температуре в точке 1, что обеспечивает выполнение процесса сжатия воздуха в целом при температуре, близкой к изотермическому процессу.

Известно, что изотермический процесс сжатия по величине затрачиваемой на это работы является самым выгодным по сравнению с другими процессами сжатия.

В итоге при организации всех мероприятий, связанных с многоступенчатым сжатием и многоступенчатым расширением (сгоранием) при условии передачи теплоты (процесс 13-14) к воздуху (процесс 6-7) в регенеративных подогревателях, рассматриваемый цикл будет максимально приближаться к обобщенному термодинамическому циклу Карно (см. фиг.3). Такой цикл, как известно, состоит из двух изотерм и двух эквидистантных кривых (изохор или изобар, в нашем случае - изохор).

Важнейшим его преимуществом является высокий КПД, который в одном и том же интервале температур (например, T₁ и T₈;) равен КПД обычного цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат.

Обобщенный термодинамический цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух изохор, показан на фиг.3. КПД обобщенного цикла Карно определяется по формуле

.

Если принять температуру в камере сгорания равной 1000°C, а температуру окружающей среды 0°c, то

.

Если учесть, что лучшие современные двигатели имеют КПД не более 35-38%, то можно заключить, что в них используется менее половины работоспособности используемой теплоты, т.е. более половины вырабатываемой в таких двигателях теплоты выбрасывается в окружающую среду. Следовательно, для повышения КПД современных двигателей имеются значительные резервы. Из представленного на фиг.1, 2 и 3 цикла видно, что есть возможность создания более эффективных двигателей внутреннего сгорания. Предложенный способ повышения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания полностью это подтверждает.

1. Способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) путем выполнения тактов цикла работы двигателя в компрессорном и рабочем цилиндрах, сжатия в них воздуха, дополнительного сжатия воздуха в рабочем цилиндре, впрыска топлива в него с последующим горением, расширения продуктов горения - рабочий ход поршня и выпуска отработавших газов, отличающийся тем, что сжатие воздуха в компрессорном цилиндре производят ступенчато, при двух и более ступенях, с промежуточным охлаждением воздуха и подачей его через ресивер в рабочий цилиндр, процесс расширения газа выполняют ступенчато, при двух и более ступенях, с промежуточным дополнительным впрыском топлива и подводом теплоты, отбираемой у выхлопных газов, воздуху, направляемому в рабочий цилиндр.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ступенчатое сжатие воздуха осуществляют в отдельном многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением воздуха.

3. Способ по п.1 отличающийся тем, что сжатый в компрессоре воздух перед подачей в камеру сгорания нагревают в регенераторе теплом выхлопных газов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ступенчатое расширение газа сопровождают дополнительным впрыском топлива с целью приближения процесса к изотермическому.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что четырехтактный цикл работы двигателя выполняют раздельно - такты всасывания и сжатия воздуха в отдельном компрессоре за пределами рабочего цилиндра, и такты - рабочий ход и выхлоп отработавших газов - непосредственно в рабочем цилиндре.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочий цилиндр может работать в режимах двойного рабочего действия, что обеспечивает им выполнение двух рабочих тактов за один оборот выходного вала.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливную смесь подготавливают в предкамере путем подачи из ресивера сжатого и подогретого в регенераторе воздуха и впрыска топлива при достижении поршнем верхней мертвой точки после окончания процесса выхлопа газов.