СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B33/14 F02B41/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), утилизирующих тепло продуктов сгорания, не используемое в рабочем процессе.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, нагретого от выпускного коллектора теплом отработавших газов, подачи в полость, окружающую цилиндр, охлаждающего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда с одновременным вытеснением нагретого охлаждающего заряда из полости, воспламенения рабочего заряда, его сгорания и расширения продуктов сгорания с цилиндре с совершением механической работы и одновременным впуском свежего охлаждающего заряда в полость, перепуска отработавших газов из цилиндра в выпускной коллектор (теплообменник) для нагрева свежего рабочего заряда и выпуска их в атмосферу [1].

Однако нагрев перед впуском в цилиндр рабочего заряда отрицательно влияет на коэффициент наполнения цилиндра, а следовательно, на мощностные характеристики и КПД ДВС. С другой стороны, известное техническое решение не предусматривает использование энергии, полученной охлаждающим зарядом в нагретой полости, для совершения дополнительной полезной работы и повышения КПД.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости [2].

Однако в известном способе часть энергии сгорания топлива тратится на сжатие охлаждающего заряда в полости, что снижает КПД ДВС. Вместе с тем не используются для повышения КПД и совершения полезной работы энергия нагретого при сжатии охлаждающего заряда и энергия горячих отработавших в цилиндре газов, которые свободно выбрасываются в атмосферу.

Цель изобретения - повышение КПД.

Известно, что через стенки цилиндра и с отходящими газами теряется до 60% тепла, выделяющегося при сгорании топлива в ДВС. Поэтому утилизация этого тепла является одним из путей повышения КПД ДВС.

Для достижения цели по способу работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости, отработавшие газы из цилиндра направляют в теплообменник, при сжатии охлаждающий заряд дополнительно нагревают через теплообменник и тепло заряда частично аккумулируют в полости, а перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют, одновременно дополнительно нагревая через теплообменник и передавая саккумулированное в полости тепло, с совершением дополнительной механической работы.

Таким образом, сущность заявляемого способа заключается в более полном использовании тепловой энергии продуктов сгорания топливного заряда для эффективного нагрева в полости охлаждающего заряда с последующим использованием самого охлаждающего заряда в качестве дополнительного рабочего тела, а также в аккумулировании тепла сжимаемого охлаждающего заряда с последующим возвратом саккумулированного тепла в расширяющий заряд с совершением дополнительной механической работы. Такая временная аккумуляция тепла может быть осуществлена с помощью размещенного в полости наполнителя-регенератора.

В результате аккумулирования регенератором тепла на такте сжатия снижаются потери на сжатие охлаждающего заряда, в полости запасается большая, чем в чисто воздушном заряде тепловая энергия, увеличивается теплообмен (тепловой поток) между горячими стенками цилиндра и охлаждающим зарядом. Возврат саккумулированного регенератором тепла в расширяющийся охлаждающий заряд наряду с продолжающимся подогревом последнего от горячих стенок цилиндра способствует совершению дополнительной полезной механической работы. Таким образом, достигается положительный эффект - повышение КПД ДВС при улучшении охлаждения цилиндра.

Заявляемый способ может быть реализован как в двух-, так и в четырехтактных двигателях с разными типами рабочих процессов и с различными газообразными средами в качестве охлаждающего заряда. Однако в любом случае охлаждающая полость работает по двухтактному циклу. В случае использования отработавшего дополнительного рабочего тела для продувки основного цилиндра должен применяться воздушный охлаждающий заряд и двухтактный цикл работы цилиндра. В случае использования других охлаждающих рабочих тел процессы в полости и цилиндре должны проходить независимо, т.е. без смешивания рабочего и охлаждающего зарядов, и признак тактности становится несущественным.

На фиг. 1 и 2 изображен цилиндр при положении поршня в верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвой точках соответственно, продольный разрез; на фиг.3 - цилиндр с окружающими его теплообменником и регенератором, поперечное сечение.

ДВС содержит двухступенчатый цилиндр, состоящий из цилиндров меньшего 1 и большего 2 диаметров, в которых расположены соответственно первая 3 и вторая 4 ступени двухступенчатого поршня, связанного с преобразовательным механизмом (не показан). Цилиндр 1 имеет оребрение 5 и окружен коллектором-сборником 6 отработавших газов. Внутренняя (ближняя к цилиндру 1) стенка 7 коллектора 6 охватывает оребренный цилиндр с образованием вокруг него полости, в которой расположен концентрический регенератор 8. Наружная стенка 9 коллектора 6 покрыта слоем теплоизоляции 10. Таким образом, конструкция цилиндра 1, окруженного концентрическими регенератором 8 и коллектором 6 отработавших газов, представляет собой теплообменник, в котором охлаждающий заряд в полости регенератора 8 нагревается от горячих полостей с продуктами сгорания через стенки 1 и 7. Цилиндр 1 и коллектор 6 закрыты крышкой 11, содержащей полость 12, сообщенную с полостью регенератора 8, и полость 13, сообщенную с полостью коллектора 6 отработавших газов. В крышке 11 установлены форсунка 14, выпускной клапан 15 и впускной клапан 16. Крышка 11, цилиндр 1 и днище первой 3 ступени поршня образуют камеру 17 сгорания переменного объема (камеру первого контура), а днище второй 4 ступени поршня с боковой стенкой первой ступени 3 и цилиндром 2 образуют камеру 18 второго контура переменного объема, которая постоянно через отверстия 19 соединена с полостью регенератора 8 и полостью 12 крышки, которая, в свою очередь, при открытом впускном клапане 16 соединяется с выходом компрессора 20 (показан условно). Камера 17 сгорания при открытом клапане 15 соединяется с полостью коллектора 6, который снабжен выпускным патрубком 21. Стенки цилиндра 1 имеют пояс впускных окон 22 первого контура, управляемых днищем первой ступени 3 поршня и сообщенных с полостью регенератора 8 второго контура при положении поршня вблизи НМТ. В стенках цилиндра 2 выполнены выпускные окна 23 второго контура, окруженные коллектором 24 с установленными в нем около окон 23 клапанами 25. Регенератор 8 представляет собой набор концентрических "галет" (т.н. набивку), спрессованных из тонкой (диаметр 30-60 мкм) проволочной путанки.

Способ осуществляется следующим образом.

Оба контура ДВС - горячий первый (17, 6, 13) и нагреваемый второй (18, 8, 12) работают синхронно по двухтактному циклу. В установившемся режиме стенки 1,7 полости регенератора 8 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива в камере 17 сгорания и от отработавших газов, собранных в коллекторе 6. Во время движения поршня к ВМТ, когда клапаны 15, 6 и окна 22, 23 закрыты, происходит раздельное сжатие первой ступенью 3 поршня рабочего заряда в камере 17 сгорания и второй ступенью 4 поршня охлаждающего заряда в полостях второго контура (18,8,12). При этом сжимаемый в объеме регенератора 8 воздушный охлаждающий заряд начинает нагреваться как от стенок 1 и 7 теплообменника, так и от сжатия. Одновременно регенератор 8, имеющий первоначальную температуру, близкую к температуре охлаждающего заряда на впуске, частично забирает тепло от нагревающегося воздушного заряда, также нагреваясь при этом. Поскольку толщина проволоки "галет" и полная теплоемкость регенератора определена из условия их минимальной тепловой инерционности, температура набивки отслеживает температуру воздушного заряда, частично аккумулируя тепло в полости регенератора 8. Температура набивки и заряда, а также давление во втором контуре (8,12,18) повышается вплоть до подхода поршня к ВМТ. Одновременно нагревается от сжатия рабочий заряд в камере 17, куда впрыскивается топливо форсункой 14 при подходе поршня к ВМТ. Воспламенившееся топливо выжигают, нагревая стенки цилиндра 1 и крышку 11, и расширяют горячие газы в камере 17 первого контура с совершением механической работы на первую ступень 3 поршня. Во время рабочего хода поршня во втором контуре (8,12,18) также происходит расширение охлаждающего заряда при продолжающемся нагреве от горячих стенок 1,7 теплообменника и начинается передача ранее саккумулированного тепла от более горячей (на этой стадии) набивки регенератора 8 в охлаждающийся при расширении заряд. Таким образом, расширяющийся при продолжающемся подогреве охлаждающий заряд воздействует на вторую ступень 4 поршня, совершая при этом полезную работу, дополнительную к основной работе, совершаемой при расширении продуктов сгорания в рабочей камере 17 первого контура. Использование проволоки малого диаметра для образования развитой поверхности набивки и минимальной тепловой инерционности регенератора делают процесс передачи тепла за время цикла от газа регенератору и наоборот чрезвычайно эффективным. При подходе поршня к НМТ открывают выпускной клапан 15 и отработавшие в цилиндре 1 газы заполняют полость 13 крышки и коллектор 6, передавая часть своего тепла внутренним стенкам 7. Затем первая ступень 3 поршня открывает пояс впускных окон 22 и отработавший во втором контуре воздушный заряд, имеющий остаточное повышенное давление, поступает в камеру 17, вытесняя в коллектор оставшиеся продукты сгорания. В конце продувки открывается впускной клапан 16 и воздух от компрессора 20 заполняет камеру 17 первого и все камеры второго контура (8,12,18). При этом из камеры 17 вытесняются в коллектор 6 остатки горячих газов, клапан 15 закрывается. Через выпускные окна 23, открытые поршнем в НМТ, под давлением воздуха из компрессора 20 выпускают остатки нагретого охлаждающего заряда, продувая второй контур. В начале такта сжатия поршнем перекрываются окна 22 и 23, заканчивается наддув всех камер и клапан 16 закрывается. Выхлопные газы, нагрев внутреннюю стенку 7 теплообменника, уходят из выпускного патрубка 21. Начинается сжатие свежих рабочего и охлаждающего зарядов. Цикл повторяется.

Таким образом, охлаждающий заряд, например воздух, второго контура охлаждает нагретые поверхности, окружающие рабочую камеру первого контура, и является при этом рабочим телом, совершающим дополнительную полезную работу, что повышает эффективный КПД ДВС. Изменяя количество охлаждающего заряда, поступающего от нагнетателя в полости второго контура, можно управлять мощностью и температурным режимом ДВС.

Очевидно, что индикаторный КПД второго контура, а, следовательно, ДВС в целом повышается при увеличении температуры стенок цилиндра. Заметный прирост КПД начинается при разогреве стенок полости выше 400^оС. Однако такие температуры крайне нежелательны в традиционных ДВС, использующих масло для смазки цилиндро-поршневой группы. Поэтому заявляемый способ наиболее эффективен в ДВС, работающих без смазки или без компрессионных колец в ЦНГ и использующих новые конструкционные жаропрочные материалы, в частности, обладающие низким коэффициентом трения.

Сущность изобретения: по способу работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости, для повышения КПД двигателя отработавшие газы из цилиндра направляют в теплообменник, при сжатии охлаждающий заряд дополнительно нагревают через теплообменник и тепло заряда частично аккумулируют в полости, а перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют, одновременно дополнительно нагревая через теплообменник и передавая аккумулированное в полости тепло, с совершением дополнительной механической работы. 3 ил.

СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и нагретого охлаждающего заряда из полости, отличающийся тем, что отработавшие газы из цилиндра направляют в теплообменник, при сжатии охлаждающий заряд дополнительно нагревают через теплообменник и тепло заряда частично аккумулируют в полости, а перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют, одновременно дополнительно нагревая через теплообменник и передавая аккумулированное в полости тепло с совершением дополнительной механической работы.