СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B33/12 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания, 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 в 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 в известном способе не предусмотрено использование энергии, полученной охлаждающим зарядом в нагреваемой полости, для совершения полезной работы и повышения КПД.

Известен способ работы двухтактного 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 перепуска нагретого охлаждающего заряда из полости в цилиндр для его продувки [2]
Однако в этом известном способе также не используется энергия нагретого охлаждающего заряда для совершения дополнительной механической работы.

Цель изобретения повышение КПД двигателя.

Это достигается тем, что в способе работы двухтактного 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 перепуска нагретого охлаждающего заряда из полости в цилиндр для его продувки, перед перепуском в цилиндр нагретого охлаждающего заряда его расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы.

Положительный эффект повышение КПД двигателя достигается за счет расширения с совершением дополнительной работы нагреваемого охлаждающего заряда перед его перепуском в цилиндр. Таким образом, охлаждающий заряд, сохраняя функции поддержания требуемого температурного режима двигателя и продувки рабочей камеры цилиндра, 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 головку и стенки цилиндра тепла продуктов сгорания топливного заряда, в том числе и отработавших газов.

Работа двигателя по предлагаемому способу поясняется фиг. 1 и 2, на которых изображен продольный разрез цилиндра при положении поршня в верхней и нижней мертвых 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 две ступени первую (меньшего диаметра) 5 и вторую (большего диаметра) 6. Первая ступень поршня 5 образует со стенками внутреннего цилиндра 1 и головкой цилиндров 4 рабочую камеру 7 переменного объема (камеру внутреннего контура двигателя). Вторая ступень поршня 6 образует между внутренними стенками наружного цилиндра 2 и боковыми стенками первой ступени поршня 5 камеру переменного объема 8, постоянно соединенную с кольцевой полостью 3, а также с полостью 9, выполненной в головке цилиндров 4. Полости 3 и 9 вместе с камерой 8 образуют камеру наружного контура двигателя. В головке цилиндров 4 также расположены форсунка 10, выступающая в рабочую камеру 7, выпускной клапан 11 внутреннего контура и впускной клапан 12 наружного контура. Клапан 12 управляет впускным клапаном 13, соединяющим компрессор 14 с камерой наружного контура (3,8,9). В стенке внутреннего цилиндра 1 выполнены продувочные окна 15, управляемые первой ступенью поршня 5 и соединяющие камеры наружного и внутреннего контуров при расположении поршня вблизи НМТ. Внутренний цилиндр 1 имеет оребрение 16, выступающее в полость 3 для интенсификации теплообмена в наружном контуре двигателя.

Способ осуществляется следующим образом.

Оба контура двигателя внутренний 7 и наружный (3,8,9) работают синхронно по двухтактному циклу. В установившемся режиме стенки внутреннего цилиндра 1 и головка цилиндров 4 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива, впрыскиваемого форсункой 10 в рабочую камеру 7. Во время движения поршня к ВМТ происходит раздельное сжатие первой ступенью поршня 5 рабочего заряда во внутреннем цилиндре 1 и второй ступенью поршня 6 охлаждающего заряда в камере наружного контура (3,8,9). Клапаны 11 и 12 закрыты. Сжимаемый между ребер 16 в полости 3 воздушный заряд охлаждает стенки цилиндров 1 и 2, а так же головку цилиндров 4, нагреваясь при этом как от тепла стенок, так и от сжатия. Температура и давление охлаждающего заряда повышается по мере приближения поршня к ВМТ. Одновременно в нагретый от сжатия в камере 7 рабочий заряд впрыскивают топливо форсункой 10, воспламеняют и выжигают его, нагревая стенки головки 4 и цилиндра 1, и расширяют горячие газы с совершением механической работы на первую ступень поршня 5. Начинается рабочий ход поршня. При этом в наружном контуре (3,8,9) так же происходит расширение при продолжающемся нагревании охлаждающего заряда, который воздействует на вторую ступень поршня 6, совершая дополнительную механическую работу. При подходе поршня к НМТ открывают выпускной клапан 11 и осуществляют свободный выпуск отработавших продуктов сгорания из камеры 7 внутреннего контура. Затем первая ступень поршня 5 открывает продувочные окна 15 и отработавший воздушный заряд, имеющий остаточное повышенное давление, поступает через окна 15 в камеру 7, вытесняя продукты сгорания через выпускной клапан 11. В конце продувки открывается впускной клапан 12 наружного контура, воздух от компрессора 14 заполняет камеру наружного контура (3,8,9) свежим охлаждающим зарядом и, вытесняя горячий воздух и остатки продуктов сгорания из камеры внутреннего контура 7, заполняет ее более холодным рабочим зарядом. Клапаны 11 и 12 закрываются, начинается сжатие зарядов в обеих камерах. Цикл повторяется.

Таким образом, воздушный заряд наружного контура охлаждает нагретые поверхности, окружающие рабочую камеру внутреннего контура, является при этом дополнительным рабочим телом, совершающим полезную работу, и используется для продувки рабочей камеры внутреннего контура после совершения работы. За счет такого использования охлаждающего заряда удается повысить эффективный КПД двигателя.

Очевидно, что индикаторный КПД наружного контура, а следовательно, и 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 (ЦПГ). Поэтому предлагаемый способ будет наиболее эффективен в двигателях, работающих без смазки или без компрессионных колец в ЦПГ и использующих новые жаропрочные конструкционные материалы, в частности обладающие низким коэффициентом трения.

Сущность изобретения: в способе работы двухтактного 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 перепуска нагретого охлаждающего заряда из полости в цилиндр для его продувки, с целью повышения КПД дополнительно перед перепуском в цилиндр нагретого охлаждающего заряда его расширяют, продолжая нагревать с совершением дополнительной механической работы. 2 ил.

СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО 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 перепуска нагретого охлаждающего заряда из полости в цилиндр для его продувки, отличающийся тем, что перед перепуском в цилиндр нагретого охлаждающего заряда его расширяют, продолжая нагревать, с совершением дополнительной механической работы.