ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02G1/00 F02G5/00 F02C5/06 F02B47/08 F02M31/08 

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известен класс тепловых двигателей внутреннего сгорания бензиновых и дизелей, которые получили подавляющее распространение как в энергетике так и на транспорте. Недостатком такого типа двигателей является несовершенство термодинамического процесса, обусловленное большими потерями тепла с отработавшими газами, повышенные требования к качеству применяемого топлива, обусловленные высоким значением степени сжатия, низкие экологические показатели, в частности, по уровню шума и токсичности отработавших газов.

Применение наддува позволяет значительно улучшить удельные массогабаритные показатели таких двигателей, а также частично утилизировать тепло отработавших газов. Однако возможности наддува традиционных двигателей ограничены возрастанием тепловых и механических нагрузок на цилиндровопоршневую группу. При этом сохраняются высокие требования к качеству топлива и остаются низкими экологические показатели двигателя.

В качестве прототипа рассматривается тепловой двигатель внутреннего сгорания с утилизационной паровой машиной. Двигатель содержит следующие общие с изобретением существенные признаки: цилиндры с размещенными в них поршнями, образующие циклически изменяемые полости для реализации двух- или четырехтактного кругового процесса с циклами сжатия и расширения рабочего тела, и устройство утилизации тепла отработавших газов.

В описанной схеме двигателя практически сохраняется традиционный термодинамический цикл, характерным для которого является высокая степень сжатия, обусловленная стремлением получить достаточно высокую топливную экономичность, но одновременно предъявляющая и достаточно высокие требования к качеству применяемого топлива.

Цель изобретения разработка такой схемы двигателя, при которой достигается снижение требований к качеству применяемого топлива при одновременном повышении топливной экономичности двигателя и снижении токсичности отработавших газов.

Цель достигается тем, что в тепловом двигателе внутреннего сгорания, характеризуемом приведенной выше совокупностью существенных признаков, степень сжатия рабочего тела в цилиндрах не превышает четырех с половиной. При этом в наиболее предпочтительном варианте исполнения двигатель снабжен постоянно действующим или отключаемым устройством с газовыми магистралями и управляемыми клапанами для перепуска рабочего тела из одного цилиндра в другой при положении поршней в них, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно, а степень сжатия рабочего тела в цилиндрах преимущественно составляет величину 2,0-3,5. В качестве устройства утилизации тепла отработавших газов используется газовый или парогазовый турбокомпрессорный агрегат, двигатель Стирлинга или поршневая расширительная машина.

На фиг. 1 представлена схема поршневой части предлагаемого двигателя на примере четырехцилиндрового четырехтактного исполнения (при двухтактном исполнении минимальное число цилиндров составляет два); на фиг. 2 схема перепуска рабочего тела при порядке работы цилиндров I-II-IV-III; на фиг. 3 блок-схема варианта двигателя с использованием турбокомпрессорного агрегата в качестве утилизатора тепла отработавших газов; на фиг. 4 диаграмма Р-V (давление-объем), характеризующая термодинамический цикл двигателя на фиг. 3; на фиг. 5 блок-схема варианта двигателя с использованием в качестве утилизатора тепла отработавших газов двигателя Стирлинга; на фиг. 6 расчетные зависимости η_e ( ε ) эффективного КПД η_e от степени сжатия εV_a/V_cдля различных схем двигателя.

Двигатель (фиг. 1 и 3) содержит две пары цилиндров 1 с противофазно размещенными в них поршнями 2, закон движения которых задается коленчатым валом 3, служащим для привода нагрузки 4. С помощью клапанного механизма газораспределения, на фигуре не показанного, в цилиндрах двигателя реализуются циклы всасывания (Вс), сжатия (Сж), рабочего хода (Рх) или расширения, выхлопа (Вх) или выпуска в последовательности, изображенной на фиг. 2. Каждый цилиндр снабжен магистралью перепуска рабочего тела 5 и управляемым клапаном 6, выполненным в виде окна в стенке цилиндра, перекрываемого поршнем; возможно также применение различных золотниковых устройств или обычных тарельчатых клапанов. Двигатель снабжен турбокомпрессорным агрегатом с компрессором 7, турбиной 8 и эжекторной камерой смешения 9, имеющим механическую связь 10 с коленчатым валом и газовую связь 11, 12 с впускным и выпускным коллекторами (не показаны). Охлаждение наддувочного воздуха осуществляется в теплообменнике 13.

При вращении валов двигателя и турбокомпрессора атмосферный воздух проходит через фильтр 14, сжимается в компрессоре 7 и по магистрали 11 после охлаждения в теплообменнике 13 подается во впускной коллектор двигателя, где посредством клапанного механизма распределяется по цилиндрам; процесс сжатия атмосферного воздуха в компрессоре на фиг. 4 представлен адиабатой е f. В цилиндре двигателя происходит дальнейшее сжатие воздуха или топливовоздушной смеси по адиабате а-с при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней. При положении поршня вблизи верхней мертвой точки в цилиндр из другого цилиндра подается горячий отработавший газ, воспламеняющий с некоторой задержкой топливовоздушную смесь, благодаря чему давление в цилиндре повышается по изохоре с-z. Расширение газа (рабочий ход) при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней осуществляется по линии z-b, которая может быть как адиабатой (если процесс происходит без теплообмена), так и изотермой (если при этом происходит догорание топлива в цилиндре). В конце рабочего хода при положении поршня вблизи нижней мертвой точки открывается клапан 6 перепуска рабочего тела из рассматриваемого цилиндра, например, из цилиндра I в цилиндр II, в котором к этому моменту завершается процесс сжатия (фиг. 2, верхний ряд); в результате давление в цилиндре I снижается по изохоре b-m, а давление в цилиндре II повышается по изохоре с-n. По завершении процесса перепуска горячий газ из цилиндра выпускается в коллектор, откуда по магистрали 12 попадает в эжекторную камеру смешения 9 турбокомпрессорного агрегата; процесс смешения горячего отработавшего газа с избыточным воздухом после компрессора на фиг. 4 представлен изобарой f-g. Расширение газа на лопатках турбины происходит по адиабате g-k, а отвод тепла Q₂ из силовой установки в окружающую среду по изобаре k-e.

На фиг. 4 величиной Q₁ изображено количество теплоты, подводимое к рабочему телу в цилиндрах двигателя с топливом; результатом этого является повышение давления в цилиндре по изохоре n-z. Величиной Q_рег^'обозначено количество теплоты, регенерируемое в термодинамическом цикле вследствие тепло- и массообмена в процессе перепуска высокотемпературного рабочего тела из одного цилиндра в другой. Величина Q_рег^'' представляет количество теплоты, утилизируемое в цикле в процессе смешения горячего отработавшего газа с воздухом в эжекторной камере смешения турбокомпрессорного агрегата. Площадь заштрихованных фигур характеризует полезную работу цикла.

Характерным для описанного цикла является низкая степень сжатия (ε ≅ 4,5) и высокая степень повышения давления ( λ≃6,0-8,0 и более) рабочего тела в цилиндрах двигателя, благодаря чему удается обеспечить перепуск в динамическом режиме значительного количества рабочего тела из одного цилиндра в другой (высокую степень регенерации тепла в двигателе). Это обстоятельство позволяет существенно повысить эффективный КПД двигателя, уменьшить токсичность отработавших газов и снизить требования к качеству применяемого топлива. Этот эффект может быть усилен впрыском воды или водяного пара в цилиндры двигателя.

Аналогичным образом осуществляется работа двигателя согласно фиг. 5, когда в качестве устройства утилизации тепла отработавших газов используется двигатель Стирлинга. В этом случае двигатель внутреннего сгорания и утилизатор тепла имеют единый блок цилиндров (ДВС), а головка цилиндров 15 первого из них сообщена с нагревателем 16 второго при помощи трубопровода 15 для перепуска отработавших газов. Для повышения литровой мощности устанавливается турбонагнетатель воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, компрессор 18 которого приводится турбиной 19 от отработавших газов.

На фиг. 6 представлены расчетные зависимости η_e (ε) эффективного КПД двигателя от степени сжатия. Кривая 1 представляет собой известную характеристику, типичную для традиционного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. Кривая 2 характеризует возможности прелагаемого изобретения, когда в качестве утилизатора тепла используется паровая машина. Кривая 3 рассчитана для двигателя, выполненного по схеме фиг. 3 с турбокомпрессорным утилизатором тепла при отсутствии впрыска воды или водяного пара в цилиндры. Кривая 4 характеризует как эффект от такого впрыска, так и возможности использования в качестве утилизатора тепла двигателя Стирлинга или поршневой расширительной машины. Максимуму эффективного КПД двигателя отвечает величина степени сжатия ε ≃ 2,0-3,5.

Возможна работа двигателя и без устройства перепуска рабочего тела или с отключением его. В последнем случае двигатель способен работать на двух режимах: максимальной мощности и максимальной экономичности.

Использование: энергетика и транспорт. Сущность изобретения: характерным для двигателя является низкая степень сжатия и высокая степень повышения давления в цилиндрах при сгорании топлива. Двигатель снабжен магистралью и управляемым клапаном для горячего газа из одного цилиндра в другой при положении поршней в них, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно. Такая внутренняя регенерация тепла в сочетании с утилизацией энергии газов в дополнительной тепловой машине позволяет реализовать экономичный термодинамический цикл в двигателе. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндры с размещенными в них поршнями, образующие циклически изменяемые полости для реализации двух- или четырехтактного кругового термодинамического процесса с циклами сжатия и расширения рабочего тела, и устройство утилизации тепла отработавших газов, отличающийся тем, что степень сжатия рабочего тела в цилиндрах не превышает четырех с половиной. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен постоянно действующим или отключаемым устройством с газовыми магистралями и управляемыми клапанами для перепуска рабочего тела из одного цилиндра в другой при положении поршней в них, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно, а степень сжатия рабочего тела в цилиндрах преимущественно составляет величину 2,0 3,5. 3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве устройства утилизации тепла отработавших газов используется турбокомпрессорный агрегат, двигатель Стирлинга или поршневая расширительная машина. 4. Двигатель по пп. 1 3, отличающийся тем, что он снабжен устройством для подачи воды или пара в цилиндры.