Способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и поршневой двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к энергопреобразуюЩИМ УСТЗНОВКЕМ, а ИМЕННО К ПОРШНЕЕЫМ ДВИгателям внутреннею сгораъшя (ДВС), в которых энергия отработавших в цилиндрах газов используется для сжатия свежего заряда воздуха.Анаяшз ДВС показывает, что параметры его рабочего ПРОЦЕССЕ НЕДОСТНТОЧНО ВНСЭКН. В ЧЕстности, они в 10-20 раз ниже, чем у паровой машины. Максимальные давления рабочего тела у ДВС и паровой машины сравнимы, тем не менее среднее эффективное давление, отнесенное к рабочему ходу, составляет около 10 кг/см 2, а к сумме изменеъшй объемов при ч ом рабочем процессе всего 2,5 кг/ см 2. У паровой машины эта характеристика достигает 50 кг/см 2 .Вторым крупным недостатком ДВС является несоответствие между начальными н конеч ными параметрами рабочего тела. Если в началеокаптядавлевие равно 1 тсг/сьт 2, а температура равна 300 К, то в конце процесса, т. е. при выпуске отработавших газов в атмосферу, давление достигает 6 кг/см 2, а температура 17 О 0 К. При таких параметрах газа на выходе теряется много энергии, сильно загрязняется окружающая среда и усложняется задача глушения шума от работы двигателя.Третьим существенным недостатком ДВС является несовершенство процесса сжатия рабочего тела. Отметим, что энергия на сжатие берется от рабочих газов, т.е. МЕЖДУ рабочими газами и воздухом, который сжимается перед сжиганием в нем топлива, происходит обмен термодннамической энергии. На пути этого обмена возникают свойственные для механизма ДВС потери, причем эти потери удваиваются,ТЗК Как МЕХЭНИЧЕСКЗЯ ЭНЕРГИЯ, ПОЛУЧЕННЗЯ ОТ рабочих газов, проходит путь от донышка поршня до маховика, затем обратно.Четвертым недостатком большинства ДВС является огклонетше от идеалъною процесса сжатия, который должен типтти сначала с интенсивным охлаждением, а во второй фазе - адиабатно. Частично регулирование теплообмена осуществляется керамическими вставками, изолируюЩими стенки цилиндра и камеру сгорания. Однако это не обеспечивает интенсификации теплообмена в первой фазе сжатия, улучшая лишь условия сжатия во второй фазе.Известны различные технические решения,в которых газы, полученные в результате сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС, после расширения в цилиндрах используют для повышения давления свежею заряда.Например, в изобретении 1 Способ регулнрования дизеля с турбонаддувом и дизель с турбонаддувом, кроме использования отработанных газов в турбокомпрессорном агрегате наддува, на частичных нагрузках отключают группу цилиндров от подачи топлива, с по 10МОЩЬЮ КЛНПЗНОВ МЕНЯЮТ СХЕМУ ГЗЗОВОЗДУШНОто тракта, отделяя при этом ресивер, и используют отключенную группу для сжатия свежею заряда, подаваемого в работающую группу цилштдров.Такое решение повышает эффективность исПОЛЬЗОВВНИЯ ДБИГВТЕЛЯ на ЧВСГИЧНЫХ режимах,однако потерн с выхлопом приводят к существенному снижению термодинамического к.п.д.Известны технические решения, в которых оптимизированы термодинамические процессы, осушествляемьте в ДВС, например, 2 Способ работы четырехтактные двшатеття внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами предложено выполнять сжатие свежего заряда дважды, причем после первого сжатия воздух охлаждают,что приближает процесс к изотермическому, а после второго сжатия перед подачей в работающие цилиндры - нагревают.Однако, усовершенствование процесса сжаТИЯ СВЕЖЕГО заряда В ЭТОМ ТЕХНИЧЕСКОМ РЕШЕнии осуществлено только на частнчньпс режимах,что не позволяет заметно улучшить эффективность использования топлива, получить качественно новый двигатель. Кроме того, сжатие воздуха в цилиндре двигателя ведет к увеличенным механическим потерям.Известны также технические решения по использовавшие термодинамических процессов передагш энергтш отработанных в ДВС газов сжимаемому воздуху. Например, у Обменника давления 3 в каналах барабана установлены подвижные перегородки, с одной стороны которых подключен коллектор выхлопных газов,а с дРУгой стороны организована подача свежего воздуха.Однако, ЭТО ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ НЕ ПОЗВОляет реализовать все процессы подготовки свежето заряда и получить параметры сжатого воздуха, необходимые для начала горения, что снижает эффективность использования энергии топлива.Известен также Способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания 4, заключающийся в сжатии воздуха, приготовлении смеси воздуха с топливом, сжигании смеси внутри цилиндра с подвижным поршнем, расширении горячих газов и передаче работы расширения через поршень и механизма двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии газов используют для сжатия воздуха.Этот способ обеспечивает сравнительно высокую эффективность преобразования энергии за счет предварительного сжатия свежего заряда воздуха и использования полученных горячих газов не только в цилиндре двигателя, но и в двухступенчатой расширительной машине.Однако эффективность цикла в этом способе достигается за счет применения агрегатов с механическими/г преобразователями энергии (компрессор и расширительные машины), что понижает коэффициент полезной работы, кроме того, дополнительное сжатие воздуха в ЦИЛИНдре двигателя также приводит к потерям эффективного к.п.д.Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и поршневой ДВИгатель внутреннего сгорания, приведенные в описании изобретения Устройство для наддува двигателя внутреннею СГОРЩШЯ 5 Ъ КШОРОЕ принято авторами за прототип.Принятый за прототип способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляют путем сжатия воздуха, подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, впрыскивания топлива в упомянутую камеру, воспламенения топшгвовоздушой смеси, распгирения рабочих газов в цилиндре двигателя, перепуска части рабочих газов в газодинамический обменник давления для сжатия воздуха и выпуска отработавших газов, при этом воздух сжимают двухступенчато с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в ресивере для последующего приготовления топливовоздушнои смеси.Принятый за прототип поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит, но меньшеи мере, один цилиндр с поршнем, газодинамицеский обменник давления, сообщенный с цидшщром двшателя н соединенный нагнетательной МВГИСТРЗЛЬЮ С РИЪВРОМ, СВЯЗЗНЕЫЪ ЧЕРЕЗ впускной клапан с ЦШШНДРОМ двигателя, И ВОЗдухоохдшдшеуш, установленный молоту ступенями низкого и высокого давления упомянутого газодинамического обменника давления.Однако, в принятом за прототип объекте,кроме потерь при механических преобразованиях, велики потери энергии в турбокомпрессоре и с выхлопными газами, на дожатие воздуха в цилиндре двигателя. Габариты и сложность конструкции прототипа не позволяют создать конкурентоспособную с известными силовую УСТЗНОВКУ, В ОСООСННОСТИ ДЛЯ ТРЗНСПОПГНЫХ средств.Задачей предлагаемого изобретения является МКСРПЧШПЗНО эффективное использование энерГИИ СЖИГЗВМОГО ТОПЛИВН. ДЛЯ ЭТОГО НЕООХОДИМОЕ- повысить среднее эффективное давление рабочих газов в цилиндре ДВС в несколько раз- П-ТИЗИТЬ ПОТСРИ энергии На БЫХЛОПВ И довести параметры газа до значений нижеКРИТИЧЕСКИХ, ЧТО, ВВрОЯТНО, ПОЗВОЛИТ ОБХОдиться без глушителяприблизить рабочий процесс к циклу Карно,36. СУЩЕСТВЕННО ПОВЫСИТЬ ИНДИКЗТОРНЫЙ КПД- до предела снизить потери при преобразовании энергии расширения рабочих газов в энергию сжатого воздуха.В результате решения этой задачи достшнут новый технический результат, заключающийся в разработке принципиально нового цикла преобразования энергии в двигателе внутренНСГО сгорания, при ОСУЩЕСТВЛЕНИИ КОТОРОГО ДОстигается в десятки раз большая литровая мощность и меньшая удельная масса двигателя, а его эффективный к.п.д. приближается кМНКСИМЗДЕЬНО ВОЗМОЖНОМУ ИЗ ТЕРМОДИНВМИЧЕ ских преобразований - 0,85. Разработанный ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТНКОГО ЦИКЛЗ. ПОРШНЕВОЙ ДВИГЗТЕЛЪ ВНУТРЕННЕГО СГОраНИЯ СТЗНОВИТСЯ конкурентоспособным с лучшими из взвестНЫХ, а ПРИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВЗНИИ на транспортных средствах позволит производителю получить выход на очень емкий рынок автомобилестроения.Данный технический результат достигнут тем,что при осуществлении способа работы поршНВОГО ДВШЗТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРННИЯ ПУТЕМ сжатия воздуха, подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, впрыскивания топлива в упомянутую камеру, воспламенения топливовоздушной смеси, расширегшя рабочих газов в цилиндре двигателя, перепуска части рабочих газов в газодинамический обменник давления для сжатия воздуха и выпуска отработавших газов, при этом воздух сжимают двухступенчато с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в ресивере для последующего приготовления тошшвовоздушной смеси, согласно изобретению, расширение рабочих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя до ведгичины не более 0,4 их объема при атмосферном давлении, а затем - в газоДИННМИЧЕСКОМ ОбМВННИКС ДНВЛЕНИЯ, В КОТОРОМ воздух сжимают до параметров начала горенияизводят при сохранении достигнутых параметров и подают его в щшшгдр по мере надобности.Для осуществления такого способа в поршНСБОМ ДВШЗТСЛВ внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, газодинамнческий обменник давления, сообщенный с цилиндром двигателя и соединенннй нагнетательной магистралью с ресивером, связанным через впускной кггапан С ЦИЛИНДРОМ ДВИГЗТСЛЯ, И БОЗДУХООХЛЗЦЦТСЛЬ,установленный между ступенями низкого и высокого давления упомянутого газодинамического обменника давления, согласно изобрете 7 ВУ 1397 С 1 внию, газодинамический обменник давления работы цикла, а непосредственно в цигшндре выполнен в виде двухступенчатого свободнопор двигателя преобразуется в механическую энершневото компрессора, рабочая полость которою гию только полезная работа, передаваемая чесвязана через выпускной клапан с атмосферой, рез механизм двигателя потребителям. а через впускной - с шшандром двшателя, при- Как показывают расчеты шпата заявляемого спочем ресивер выполнен тетшоизотшроваштьш, кро- 5 осба работы поршневого двигателя ннутрет-птето сгоме того, между ресивером и цидпандром двигателя раг-пш, в широком диапазоне параметров для установлена камера сгорания, а входы и выходы потучеиия пятистишия-тоПОЛЕЗНОЙ работы обеих ступеней снсатия свободнопорпл-тевото ком- в шттшндре двитателя расширении рабочих газов пресоора снабжены обратттьпш клапанами. необходимо осуществлять до величины, составляющей Отличительной особенностью заявляемого способа 10 не более 0,4 их объема при атмосферном давлеъпти. является то, что расширение горячих газов осуще- Ршулыаты расчетов заявляемого шпата в сравнении оголяют сначала в шигиндре лвшателя до величины с шсчетом, вьшолненньш для такою же двигателя не более 0,4 их объема при атмосферном давлении, (при ощшаковом объеме щитлттндров и оттинаковьш а затем - в тазошптанптчесгсом обменнтше давлет-шя, условиях всасывания), работающего по наиболее эковкоторомвозтгудгштсиматотдоттараметровначала 15 ншшгптотчтуттзизвестттъптшлотуготтопритакомаяе горения топлива, а накопление воздуха в ресивере толь-сливе (которое задаст допустимую степень адиабапроизводят при сохранении достигнутых парамеъ тичедтсото отштия) приведены в таблице. величиной,ров и подают ею в шиш/тигр по мере надобности. ограничивающей степень сжатия в Щипшдре двиДвухсгупенчатое сжатие воздуха в газодина- тателя, является октановое число используемого мнческом обменнике давления позволяет достичь 20 топлива. Так как сжатие воздуха по заявляемому параметров сжатого воздуха, необходиьщх для шаклуочгщесгвлшот вне цшшшдра, для сравнения начала горения топлива по давлению и по тем- с циклом Отто приняты параметры, получаемые пературе, сзатратами энергии. пр оштнатсовьш сгшенях аштабатическото сжатия. При этом для сжатия используется самый эко- В таблице приведены Ед - степень Штормященомигштяй процесс - обмен энергш в свободно 25 скоте сжатия Над-степень адиабатическото апатия поршневом компрессоре, который является 1/ - удельный объем в точке К (см. фшъ 2), равный газодинамическим обменником давления, потери Уц/Уз отношению объема цилиндра двигателя к при этом связаны только с потерями на уплот- объему заряда при нормальиьис условиях Рш пении поршня обменника. максимальное давление РШ - давление вьиотопаСоответственно при расширении горячих газзов 30 пат эффективный коэффициент полезного действия. в этом обмеъшшсе тратится часть шпшкаторнойзаявляемый цикл икл ОттоИз приведенных в таблице данных видно,что при степени сжатия менее, чем 224 в заявляемом цикле не реализуется изобарный подвод тепла (точка К уходит выше, чем Рмах- см. фиг. 2), но такая степень сжатия и не ПРЕДСТЗВЛЯСТ ИНТЕРС ДЛЯ ПОрШНСВОГО ДВИГЗ толя. Степень сжатия в цикле Отто свыше 12 не рассматривается. т.к. не известно топливо,которое можно при этом использовать. В заЯБЛЯЕМОМ ЦИКЛВ шткаких ОГРЗНИЧСНПЙ на СТС пень сжатия нет, что особо существенно при работе двшателя с разрежением на всасывании, например для авиационного двигателя.Таким образом, объем собственною цилиндра заявляемого двигателя составляет величину не более 0,4 от объема цилиндра двигателя, в котором осуществляют весь цикл сжатие свежею заряда, сжигание топлива и расширение ГЗЗОВ, ЧТО СООТВВТГВВННО УМВНЬШЗСТ СГО МЕС су и все связанные с ней потери. При этом с помощью поршня и механизма двигателя получают и передают на вал отбора мощности только полезную механическую работу, а все затраты энергии на подготовку свежею заряда топливовоздушной смеси осуществляют без ПРИМЕНЕНИЯ МЕХЗНИЗМОВ, за СЧЕТ ТОЛЬКО термодинамических преобразований энергии. т.е. наиболее эффективными из известных средствами.Ошшътнтельной особенностью заявляемого ДВС является то, что газодинамический обменник давления выполнен в виде двухступенчатого свободнопоршневого компрессора, рабочая полость которого связана через выпускной клапан с атмосферой, а через впускной - с цилиндром двигателя, причем ресивер выполнен теплоизолированньш, кроме того, между ресивером и цилиндром двигателя установлена камера сгорания, а входы и выходы обеих ступеней сжатия свободнопоршневою компрессора снабжены обратными клапанами.Газодинамический обменник давления, которым является свободнопоршневой компрессор,позволяет получить наиболее полное расширение горячих газов (при достаточно протяженном обменнике возможно расширение газов до атмосферных параметров, т.е. получение холодного выхлопа), а установка между его стуПВНЯМИ ОХЛЗДИТСЛЯ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ ресивера ВТОРОЙ СТУПЕНИ ПОЗВОЛЯЕТ ОСУЩЕСТВЛЯТЬ ПРОЦесс сжатия свежею заряда термодинамически оптимальным способом сначала изотермически а затем аднабатно. В результате в ресивере накапливается свежий заряд полностью по своим параметрам подготовленный для сжиГаНИЯ ТОЦПНВЗ И С ПОМОЩЬЮ клапана ЭТОТ заряд может быть использован для сжигания топлива как непосредственно в цилиндре, так и в промежуточной камере сгорания, что представляет очень пгирокие возможности по регулированиюмощности двигателя и исключает непроизводительные потери, понижающие эффективный к.п.д. известных ДВС. Современные ДВС непосредственно для преобразования в полезную мощность используют только 1/3 общего количества топлива, имеющегося в баке автомобиля, а остальное исчезает в виде тепловых потерь.Кроме того, продолженное расширение газов в обменнике позволяет и при ограничении габаритов обменника объемом цилиндров прототипа (см. параметр Рт, приведенный в таблице) получить при оптимальных степенях сжатия (гад 9) величину давления газов на вшслопе меньше критической (Ркр 1,86), что обеспечивает отсутствие шума выхлопа, позволяет отказаться от глушителя.Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом позволяют обеспечить значительно более эффективное использование энергии сжигаемого топлива.На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемого поршневого двигателя внутреннего сгорания, поясняющая способ его работы.На фиг. 2 изображена РХГ диаграмма, на которой представлены термодинамические процессы в цикле при осуществлении заявляемого способа.На фиг. З представлен вариант заявляемого поршневото двигателя с выносной камерой сгорания, при этом приведены элементы схемы фиг. 1, обозначенные вывеской 1.Двигатель содержит корпус с цилиндрами 1,поршни 2, подключенные через кривошипношатунный механизм 3, к валу 4 отбора мошности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха н топлива, при этом в качестве устройства сжатия воздуха использован двухступенчатый свободнопоршневой компрессор 5,между ступенями которою установлен охладитель б.Выход из второй ступени компрессора 5 подключен к теплоизолированному ресиверу 7, соединенному через клапан 8 с цилиндром .1 двигателя. На выноске 1 (см. фиг.3) показан вариант, когда между ресивером 7 и цилиндром двигателя может быть установлена камера сгорания 9 с клапаном 10.Компрессор 5 представляет собой свободный поршень 11, установленшяй в корпусе с образованием следующих полостей горячей 12, соединенной через клапан 13 с цилиндром 1, а через клапан 14 - с выхлопом сжатия воздуха первой ступени 15, соединенной через клапан 16 с забором свежего воздуха, а через клапан 17 - с входом охладителя 6 сжатия воздуха второй ступени 18, соединенной через клапан 19 с выходом из охладителя 6, а через кла