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 ДВС 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 способе также не используется энергия нагретого охлаждающего заряда для совершения дополнительной механической работы.

Цель изобретения - повышение КПД.

Цель достигается тем, что 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, при сжатии охлаждающего заряда его тепло частично аккумулируют в полости, а перед выпуском из последней нагретый охлаждающий заряд расширяют, продолжая нагревать теплом продуктов сгорания и передавая ему саккумулированное в полости тепло, с совершением дополнительной механической работы. В частном случае расширение нагреваемого охлаждающего заряда осуществляют одновременно с расширением продуктов сгорания в цилиндре.

Таким образом, сущность заявляемого способа заключается в использовании охлаждающего заряда в качестве дополнительного рабочего тела, а также в аккумулировании тепла сжимаемого охлаждающего заряда с последующим возвратом саккумулированного тепла в расширяющийся 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.

Предлагаемый способ может быть реализован как в двух-, так и четырехтактных двигателях, однако в нагреваемой полости процесс в любом случае идет по двухтактному циклу. Если в работающем по заявляемому способу двигателе процессы газообмена в цилиндре и в нагреваемой полости идут независимо, т.е. без смешения и непосредственного контакта рабочего и охлаждающего зарядов, то в качестве охлаждающего заряда могут использоваться различные газообразные вещества. Если после расширения в полости с совершением работы нагретый охлаждающий заряд используется для продувки цилиндра, то этот заряд должен быть воздушным.

На фиг. 1 и 2 изображен цилиндр при положении поршня в верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвых точках соответственно продольный разрез; на фиг. 3 дано сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 и 5 приведены расчетные зависимости, иллюстрирующие увеличение эффективного КПД ДВС Δη за счет использования в полости (втором контуре) регенератора с полной теплоемкостью C_н при разных значениях температуры стенки цилиндра Т_ц, степени сжатия в полости ε и числа оборотов вала n.

На фиг. 4 ( ε=5) кривые
I-Т_ц=780 К, n=60 с^-1;
II-Т_ц=700 К, n=50 с^-1;
III-Т_ц=620 К, n=40 с^-1.

На фиг. 5 ( ε=7) кривые
I-Т_ц=1000 К, n=60 с^-1;
II-Т_ц=900 К, n=50 с^-1;
III-Т_ц=800 К, n=40 с^-1.

ДВС содержит два коаксиальных цилиндра: внутренний 1 и наружный 2, между которыми в кольцевой полости расположен концентрический регенератор 3, головку 4 цилиндров, поршень, связанный с преобразовательным механизмом (не показан) и имеющий две ступени - меньшего диаметра 5 и большего диаметра 6. Первая ступень 5 поршня образует со стенками внутреннего цилиндра 1 и головкой 4 цилиндров 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 8 переменного объема, постоянно соединенную с кольцевой полостью регенератора 3 (камера второго контура двигателя). В головке 4 цилиндров расположены форсунка 9, впускной 10 и выпускной 11 клапаны, с помощью которых осуществляется газообмен в камере 7 первого контура ДВС. 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). 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 регенератора 3 для интенсификации теплообмена во втором контуре ДВС. Регенератор 3 представляет собой набор концентрических "галет" (набивка), спрессованных из тонкой проволочной путанки диаметром 30-60 мкм.

Способ осуществляется следующим образом.

Газообмен в рабочей камере 7 первого контура происходит по обычному четырехтактному дизельному циклу. В установившемся режиме стенки внутреннего цилиндра 1 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива, впрыскиваемого форсункой 9 в рабочую камеру 7. Второй контур двигателя, включающий полости 8 и 3 (регенератор), 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 в объеме регенератора 3 воздушный охлаждающий заряд начинает нагреваться 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, частично аккумулируя тепло в полости регенератора 3. Температура набивки и заряда, а также давление в полости регенератора 3 повышаются вплоть до подхода поршня к ВМТ. Однако температура максимального сжатия заряда не должна превышать температуру горячих стенок внутреннего цилиндра 1. Повышение полной теплоемкости полости 3 благодаря набивке позволяет выполнить это условие при степени сжатия до 5-7, что невозможно при отсутствии регенератора 3 в полости, когда степень сжатия не должна превышать 2-3. Вблизи ВМТ форсунка 9 впрыскивает топливо в рабочую камеру 7. Начинается сгорание и расширение продуктов сгорания в первом контуре ДВС. Одновременно при обратном движении поршня к НМТ во втором контуре начинается расширение сжатого и нагретого охлаждающего заряда и при этом продолжается передача тепла от стенок цилиндра 1 и ранее саккумулированного тепла от более горячей (на этой стадии) набивки регенератора 3 в охлаждающийся при расширении газ. Расширяющийся при продолжающемся подогреве охлаждающий заряд 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. 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. 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 камеры 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 4, 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, 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 ЦПГ 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 при сжатии охлаждающего заряда его тепло частично аккумулируют в полости, а перед выпуском из последней нагретый охлаждающий заряд расширяют, продолжая нагревать теплом продуктов сгорания и передавая ему аккумулированное в полости тепло, с совершением дополнительной механической работы. 1 з.п. ф-лы, 5 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 нагретого охлаждающего заряда из полости, отличающийся тем, что при сжатии охлаждающего заряда его тепло частично аккумулируют в полости, а перед выпуском из последней нагретый охлаждающий заряд расширяют, продолжая нагревать теплом продуктов сгорания и передавая ему аккумулированное в полости тепло, 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.