СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B33/10 F02B41/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) путем подачи свежего заряда топливовоздушной смеси (ТВС) в подпоршневую компрессорную полость, сжатия его в этой полости, перепуска свежего заряда в цилиндр, воспламенения заряда от сжатия, сгорания, расширения и выпуска продуктов сгорания из цилиндра [1].

Однако в известном способе сжимают ТВС в компрессорной полости без отвода тепла, что приводит к разогреву сжимаемого заряда, повышению потерь на сжатие, возникает опасность детонации ТВС.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи свежего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости свежего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания, выпуска отработавших газов из цилиндра и продувки цилиндра свежим зарядом из полости [2].

Однако в известном способе свежий заряд нагревается в полости и от сжатия, и от горячих стенок цилиндра, что приводит к дополнительному росту давления в полости, повышению потерь на сжатие и уменьшает КПД ДВС.

Цель изобретения - повышение КПД ДВС.

Цель достигается тем, что по способу работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи в компрессорную камеру свежего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, воспламенения его, сгорания и расширения продуктов сгорания, сжатия и нагрева в компрессоpной камере свежего заряда, выпуска отработавших газов из цилиндра и перепуска сжатого свежего заряда из компрессорной камеры в цилиндр при сжатии свежего заряда его тепло частично аккумулируют в компрессорной камере, а во время перепуска из компрессорной камеры в цилиндр свежий заряд расширяют, передавая ему аккумулированное в компрессорной камере тепло.

Сущность заявляемого способа заключается в аккумулировании возникающего при сжатии в компрессорной полости тепла с целью снижения температуры заряда и давления в полости. В результате снижаются потери энергии на сжатие свежего заряда и повышается КПД ДВС. Саккумулированное в компрессорной полости тепло возвращается затем в заряд на стадии его расширения при перепуске в цилиндр. Таким образом достигается положительный эффект. Предложенная циклическая аккумуляция тепла при сжатии с отдачей тепла при расширении заряда может быть осуществлена с помощью размещенного в компрессорной полости регенеративного теплообменника.

На фиг. 1 и 2 изображен цилиндр ДВС с расположением кольцевой компрессорной камеры вокруг цилиндра с двухступенчатым поршнем, расположенным в нижней (НМТ) и верхней (ВМТ) мертвых точках соответственно; на фиг.3 - ДВС с подпоршневой компрессорной камерой.

П р и м е р 1 (фиг.1 и 2).

Двигатель содержит два коаксиальных цилиндра: внутренний 1 и наружный 2, между которыми расположена кольцевая компрессорная камера 3, заполненная набивкой регенеративного теплообменника, головку 4 цилиндров, поршень, связанный с преобразовательным механизмом (не показан) и имеющий две ступени - первую 5 меньшего диаметра и вторую 6 большего диаметра. Первая ступень 5 поршня образует со стенками внутреннего цилиндра 1 и головкой 4 цилиндров рабочую камеру 7 переменного объема. Вторая ступень 6 поршня образует между внутренними стенками наружного цилиндра 2 и боковыми стенками первой ступени 5 поршня перепускную камеру 8, которая отделена от компрессорной камеры 3 перепускными каналами 9 автоматическими клапанами 10. В головке цилиндров расположены форсунка 11, выступающая в рабочую камеру 7, и выпускной клапан 12. В стенке внутреннего цилиндра 1 выполнены продувочные окна 13, управляемые первой ступенью 5 поршня и соединяющие компрессорную 3 и рабочую 7 камеры при расположении поршня вблизи НМТ (фиг.1). В стенке наружного цилиндра 2 ниже перепускных каналов 9 выполнены впускные окна 14 с клапанами 15, через которые в двигатель подается свежий заряд. Регенератор, размещенный в компрессорной камере 3, представляет собой набор концентрических "галет" (набивка), спрессованных из тонкой проволочной путанки диаметром 30-60 мкм. Кроме этого, может использоваться фольга.

Способ по примеру 1 осуществляется следующим образом.

При движении поршня от НМТ к ВМТ первая ступень 5 поршня перекрывает продувочные окна 13, автоматические клапаны 15 впускных окон 14 закрываются под действием перепада давления, а перепускные клапаны 10 открываются. Начинается раздельное сжатие рабочего заряда в рабочей камере 7 и свежего заряда в компрессорной 3 и перепускной 8 камерах. При этом свежий заряд через перепускные каналы 9 поступает в компрессорную камеру 3 и сжимается в объеме, заполненном набивкой регенератора, нагреваясь при этом как от стенок внутреннего цилиндра 1, так и от сжатия. Одновременно регенератор частично забирает тепло от воздушного заряда, также нагреваясь при этом. Поскольку толщина проволоки "галет" и полная теплоемкость регенератора определены из условия их минимальной тепловой инерционности, температура набивки отслеживает температуру воздушного заряда путем частичного аккумулирования тепла в материале набивки. Температура набивки и заряда, а также давление в компрессорной камере повышаются вплоть до подхода поршня к ВМТ. Однако температура максимального сжатия свежего заряда не должна превышать температуры стенок внутреннего цилиндра 1 во избежание перегрева двигателя. Увеличение полной теплоемкости компрессорной камеры 3 благодаря размещенной в ней набивке позволяет выполнять это условие при степени сжатия до 5-7, что невозможно при отсутствии регенератора, когда степень сжатия в камере 3 не должна превышать 2-3. Вблизи ВМТ в нагретый от сжатия в камере 7 рабочий заряд впрыскивают топливо форсункой 11, воспламеняют и выжигают его. Начинается рабочий ход поршня, расширение продуктов сгорания с совершением механической работы. Сжатый в компрессорной камере 3 свежий заряд остается в ней почти до конца рабочего хода поршня, поскольку в конце такта сжатия перепускной клапан 10 закрывается, отсекая камеру 3 от перепускной камеры 8. В самой перепускной камере начинается накопление новой порции свежего заряда, поступающего через впускные окна 14, клапаны 15 на которых открываются под действием перепада давления. При подходе поршня к НМТ открывают выпускной клапан 12 и осуществляют свободный выпуск отработавших газов из рабочей камеры 7. Затем первая ступень поршня открывает продувочные окна 13 и свежий заряд из компрессорной камеры 3 начинает под давлением поступать в рабочую камеру 7, вытесняя продукты сгорания через открытый выпускной тракт. При этом происходит расширение сжатого заряда в объеме регенератора, температура заряда уменьшается, и начинается передача ранее саккумулированного тепла от более горячей (на этой стадии) набивки в охлаждающийся при расширении газ. Использование проволоки малого диаметра для образования развитой поверхности набивки и минимальной тепловой инерционности ее делает процесс передачи тепла за время цикла от газа регенератору и наоборот чрезвычайно эффективным. Таким образом, в конце продувки и наполнения рабочей камеры 7 регенератор отдает в свежий заряд саккумулированное ранее тепло и возвращается в начальное состояние. Поршень находится в НМТ. Выпускной клапан 12 закрыт. В перепускной камере 8 накоплен свежий заряд для следующего цикла, и автоматический клапан 15 закрывается. С началом нового такта сжатия открываются перепускные клапаны 10 и закрываются первой ступенью 5 поршня продувочные окна 13. Цикл повторяется.

П р и м е р 2 (фиг.3).

Двигатель содержит цилиндр 16, поршень 17 с перепускным клапаном 18, разделяющий внутрицилиндровый объем на надпоршневую рабочую камеру 19 и подпоршневую компрессорную камеру 20. Последняя имеет впускные отверстия 21 с клапанами 22 и содержит регенеративный теплообменник 23, форма которого соответствует внутренней поверхности юбки поршня 17. В полость рабочей камеры 19 выступает форсунка 24. В стенке цилиндра 16 выполнены выпускные окна 25. Регенератор 23 аналогичен описанному в примере 1.

Способ по примеру 2 осуществляют следующим образом.

При движении поршня 17 от НМТ к ВМТ перепускной клапан 18 закрыт и в замкнутой компрессорной камере 20 создается начальное разряжение, в результате чего открываются клапаны 22 впускных отверстий 21 и начинает поступать свежий заряд. Одновременно в рабочей камере 19 происходит сжатие рабочего заряда и впрыск топлива в разогретый от сжатия заряд. При прохождении поршнем ВМТ клапаны 22 закрываются - заканчивается накопление свежего заряда в компрессорной камере 20 и начинается его сжатие в объеме регенератора 23 при рабочем ходе поршня 17 под действием расширяющихся продуктов сгорания. Аналогично примеру 1 набивка регенератора аккумулирует часть возникающего при сжатии тепла, "отслеживая" температуру свежего заряда. В результате процесс сжатия проходит при более низких температуре и давлении свежего заряда, и потери на сжатие уменьшаются. При подходе к НМТ поршень 17 открывает выпускные окна 25. Затем открывается поршневой перепускной клапан 18, и свежий заряд, сжатый в объеме регенератора 23 (занимающего весь подпоршневой объем при положении поршня в НМТ), начинает поступать в рабочую камеру, вытесняя остатки продуктов сгорания. На этой стадии, когда температура расширяющегося свежего заряда уменьшается, более нагретая проволочная набивка начинает отдавать газу ранее саккумулированное тепло, стремясь приблизить процесс расширения к изотермическому. Поршень 17 проходит НМТ, продувка и наполнение рабочей камеры 19 заканчиваются. Перепускной клапан 18 и выпускные окна 25 закрываются. Цикл повторяется.

Описанный процесс осуществим в ДВС с различными видами смесеобразования, разными типами компрессорных камер и способами использования сжатого свежего заряда (продувка, наддув, охлаждение цилиндра или последующее расширение сжатого в объеме регенератора заряда с совершением полезной механической работы). Во всех случаях достигается повышение КПД ДВС за счет уменьшения механических потерь на сжатие свежего заряда, поскольку "отслеживание" набивкой температуры газа делает процесс расширения и сжатия более близким к изотермическому, т.е. более энергетически выгодным по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения: по способу работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи в компрессорную камеру свежего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, воспламенения его, сгорания и расширения продуктов сгорания, сжатия и нагрева в компрессорной камере свежего заряда, выпуска отработавших газов из цилиндра и перепуска сжатого свежего заряда из компрессорной камеры в цилиндр предлагается для повышения КПД двигателя путем уменьшения потерь на сжатие частично аккумулировать в компрессорной камере тепло, возникающее при сжатии свежего заряда во время перепуска из компрессорной камеры в цилиндр, свежий заряд расширяют, передавая ему аккумулированное тепло. 3 ил.

СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи в компрессорную камеру свежего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, воспламенения его, сгорания и расширения продуктов сгорания, сжатия и нагрева в компрессорной камере свежего заряда, выпуска отработавших газов из цилиндра и перепуска сжатого свежего заряда из компрессорной камеры в цилиндр, отличающийся тем, что при сжатии свежего заряда его тепло частично аккумулирует в компрессорной камере, а во время перепуска из компрессорной камеры в цилиндр свежий заряд расширяют, передавая ему аккумулированное в компрессорной камере тепло.