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

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

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, окружающую цилиндр, сжатия в цилиндре рабочего заряда с одновременным вытеснением нагретого охлаждающего заряда из полости, воспламенения рабочего заряда, его сгорания и расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы и одновременным впуском свежего охлаждающего заряда в полость, выпуска отработавших газов из цилиндра [1].

Однако в известном способе не предусмотрено использование энергии, полученной охлаждающим зарядом в нагретой полости, для совершения полезной работы и повышения КПД.

Известен 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, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и продувки цилиндра нагретым охлаждающим зарядом [2].

Однако в этом известном способе также не используется энергия нагретого охлаждающего заряда для совершения дополнительной механической работы.

Цель изобретения - повышение КПД.

Указанная цель достигается тем, что в способе 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, перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряда расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы. В частном случае расширение нагретого охлаждающего заряда осуществляют одновременно с расширением продуктов сгорания в цилиндре.

Положительный эффект - повышение КПД двигателя - достигается именно за счет расширения с совершением дополнительной работы нагреваемого охлаждающего заряда. Таким образом, охлаждающий заряд, сохраняя функцию поддержания требуемого температурного режима двигателя, играет роль дополнительного рабочего тела, внутренняя энергия которого повышается не за счет собственного горения, а путем нагрева от ушедшего в элементы конструкции, в частности в стенки цилиндра, тепла продуктов сгорания топливного заряда, в том числе и отработавших газов.

Предлагаемый способ может быть реализован как в двух-, так и четырехтактных двигателях, однако в нагреваемой полости процесс в любом случае идет по двухтактному циклу. В качестве охлаждающего заряда могут использоваться различные газообразные вещества, поскольку процессы газообмена в цилиндре и в нагреваемой полости идут независимо, т.е. без смешения и непосредственного контакта рабочего и охлаждающего зарядов.

Работа двигателя по заявляемому способу поясняется фиг. 1 и 2, на которых изображен продольный разрез цилиндра при расположении поршня в верхней и нижней мертвой точках соответственно.

Двигатель содержит два коаксиальных цилиндра: внутренний 1 и наружный 2, между которыми расположена кольцевая полость 3, головку цилиндров 4, поршень, связанный с преобразовательным механизмом (не показан) и имеющий два ступени - меньшего диаметра 5 и большего диаметра 6. Первая ступень 5 поршня образует со стенками внутреннего цилиндра 1 и головкой цилиндров 4 рабочую камеру 7 переменного объема (камеру первого контура двигателя). Вторая ступень 6 поршня образует между внутренними стенками наружного цилиндра 2 и боковыми стенками первой ступени 5 поршня камеру переменного объема 8, постоянно соединенную с кольцевой полостью 3 (камера второго контура двигателя). В головке цилиндров 4 расположены форсунка 9, впускной 10 и выпускной 11 клапаны, с помощью которых осуществляется газообмен в камере 7 первого контура двигателя. В стенках наружного цилиндра 2 выполнены впускные 12 и выпускные 13 окна. Впускные окна 12 окружены впускным коллектором 14 с автоматическим клапаном 15, сообщающим кольцевую полость 3 второго контура с нагнетателем (не показан). Соответственно выпускные окна 13 окружены выпускным коллектором 16, снабженным автоматическим клапаном 17 для изоляции масляного картера (подпоршневого пространства) от внешней среды. Внутренний цилиндр 1 может иметь оребрение 18 в полости 3 для интенсификации теплообмена во втором контуре двигателя.

Способ осуществляется следующим образом.

Газообмен в рабочей камере 7 первого контура происходит по обычному четырехтактному дизельному циклу. В установившемся режиме стенки внутреннего цилиндра 1 и головка цилиндров 4 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива, впрыскиваемого форсункой 9 в рабочую камеру 7. Второй контур двигателя, включающий полости 3 и 8, работает по двухтактному циклу. При этом во время движения поршня к ВМТ происходит сжатие воздушного заряда второй ступенью 6 поршня за счет уменьшения объема камеры 8. При повышении давления во втором контуре клапаны 15 закрываются. Сжимаемый между ребрами 18 в полости 3 воздушный заряд охлаждает стенки внутреннего цилиндра 1 и частично головку цилиндров 4, нагреваясь при этом как от тепла стенок, так и от сжатия. Температура и давление охлаждающего заряда повышаются вплоть до подхода поршня к ВМТ. При обратном движении поршня к НМТ во втором контуре продолжается нагрев и происходит расширение нагреваемого охлаждающего заряда, который воздействует на вторую ступень 6 поршня, совершая при этом полезную работу, дополнительную к основной работе, совершаемой при расширении продуктов сгорания в рабочей камере 7 первого контура. При подходе поршня к НМТ вторая ступень его открывает выпускные окна 13. Под действием повышенного давления газов второго контура открываются клапаны 17 выпускного коллектора 16 - происходит выпуск нагретого отработавшего охлаждающего заряда из полости 8. Затем из-за перепада давлений на выходе нагнетателя и в полости 3 открываются клапаны 15 впускного коллектора 14 и второй контур наполняется свежим воздушным охлаждающим зарядом. Омывая внутренние поверхности полостей 3 и 8, свежий заряд начинает нагреваться. При прохождении поршнем НМТ выпускные окна 13 закрываются. Начинается сжатие свежего заряда в полостях 3 и 8. Цикл повторяется.

Таким образом, 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 двигателя. Изменяя количество воздуха, поступающего от нагнетателя в полости второго контура, можно управлять мощностью и температурным режимом двигателя.

Очевидно, что индикаторный КПД второго контура, а следовательно, двигателя в целом, будет повышаться 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 будет наиболее эффективен в двигателях, работающих без смазки или без компрессионных колец в ЦПГ и использующих новые конструкционные жаропрочные материалы, в частности, обладающие низким коэффициентом трения.

Сущность изобретения: в способе 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, с целью повышения КПД, перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. 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 выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости, отличающийся тем, что перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширение нагретого охлаждающего заряда осуществляют одновременно с расширением продуктов сгорания в цилиндре.