ЦИКЛОВОЙ СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА (ЦИКЛА) В ДВИГАТЕЛЯХ Российский патент 1999 года по МПК F02B23/00 

Изобретение относится к области техники двигателей, к их способам работы - циклам. Способ работы двигателей - это совокупность процессов, совершаемых с рабочим телом - цикл, являющийся средством получения полезной работы и его экономичности. Мощность и экономичность двигателя определяются циклом, по которому он работает.

Известные способы работы двигателей - циклы Отто, Дизеля, Сабатэ - широко представлены в научной, технической и учебной литературе. Вся история развития двигателей связана с повышением в них предварительной степени сжатия. Теоретически и экспериментально установлено, что мощность и экономичность двигателей возрастает с повышением степени сжатия. Поэтому в двигателях, работающих по циклу Отто, она возросла с 4 до 10, а в двигателях, работающих по циклу Дизеля, Сабатэ - с 12 до 20. При этом практика показала, что дальнейшее повышение степени сжатия в двигателях, работающих по этих циклам, ощутимых результатов не дает. Следовательно, повышение экономичности и мощности двигателей за счет повышения степеней сжатия прекратилось. Спрашивается, почему это произошло? Ответ на этот вопрос дает физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты. Согласно этого принципа в циклах должен быть предварительный процесс производства холода - без него теплота бесполезна. А для осуществления этого процесса требуется холодильник, как одна из составных частей двигателя. В циклах Отто, Дизеля, Сабатэ, по которым до настоящего времени работают двигатели, нет процесса производства холода и нет холодильника для его получения. Этим объясняется низкий КПД низкая мощность этих двигателей при достигнутых степенях сжатия с и резкое замедление роста их при дальнейшем повышении степеней сжатия выше небольших достигнутых. Известно, что предварительное сжатия может быть изотермическим или адиабатическим. До настоящего времени в соответствии с существующей термодинамической теорией тепловых машин во всех известных циклах принято адиабатическое, а не изотермическое сжатие, как это диктует физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты. Следовательно, чтобы решить вопрос дальнейшего развития тепловых машин за счет дальнейшего повышения степени сжатия необходимо было решить очень важный для науки и техники вопрос: каким должен быть предварительный процесс сжатия: адиабатическим, как это диктует существующая термодинамическая теория тепловых машин или изотермическим, как это диктует физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты? В настоящее время этот вопрос решен в пользу предварительно изотермического сжатия, как это диктует физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты. Следовательно, встал вопрос: как практически осуществить изотермический процесс сжатия или иначе - процесс предварительного получения холода в двигателях.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретения, состоит в дальнейшем повышении эффективности рабочего цикла двигателей. Для предварительного получения холода вместо принятого в термодинамике изотермического сжатия предложен рациональный изотермический процесс предварительного сжатия с помощью регенеративного холодильника. В этом случае изменяется и рабочий процесс сообщения теплоты. Он тоже получается рациональным. А совокупность рациональных процессов составляет рациональный цикл. В известном способе выполнения рациональных циклов регенеративный холодильник существует заблаговременно, как одна из составных частей теплового двигателя. Поэтому он действует за все время осуществления цикла. Это значит, что рациональный изотермический процесс сжатия совершается за время движения поршня от НМТ до ВМТ. Рациональный рабочий процесс сообщения рабочему телу теплоты совершается за время движения поршня от ВМТ до НМТ. А затем совершаются процессы в зависимости от тактности цикла. Предложен цикловой способ выполнения рационального цикла посредством циклового регионального холодильника, образующегося и действующего в заданный период осуществления цикла. В этом случае рациональный изотермический процесс сжатия длится от заданного положения поршня при сжатии до ВМТ. Рациональный рабочий процесс сообщения рабочему телу теплоты происходит за период от ВМТ до заданного при сжатии положения поршня. Затем от заданного положения поршня до НМТ совершается адиабатический процесс расширения рабочего тела. После этого совершаются процессы в зависимости от тактности цикла.

Если же предложенные способы выполнения рациональных циклов изложить с раскрытием сущности рациональных процессов, составляющих рациональный цикл, то это описание будет следующим: при выполнении рационального цикла по ранее заявленному способу осуществления рационального цикла рациональный изотермический процесс или близкий к нему осуществляется путем выталкивания и одновременно изотермически или близко к нему сжимаемого в присоединенном к цилиндру регенеративном холодильнике почти всего рабочего тела за период движения поршня от НМТ до ВМТ и лишь остающаяся в цилиндре масса рабочего тела, сжимавшаяся без охлаждения, но с замедленным ростом давления и температуры вследствие выталкивания части массы рабочего тела в регенеративный холодильник и одновременно изотермического сжатия в нем, при достижении ВМТ в небольшом количестве при давлении равном давлению в регенеративном холодильнике, будет сгоревшей и при движении поршня от ВМТ к НМТ будет обеспечивать горение холодного рабочего тела, выходящего из регенеративного холодильника по мере опускания поршня при движении от ВМТ до НМТ. А затем будет совершаться процессы в зависимости от тактности цикла. При выполнении рационального цикла по предлагаемому цикловому способу выполнения вначале от НМТ до заданного положения рабочее тело сжимается без охлаждения /адиабатически/, а за период от заданного положения поршня до ВМТ рабочее тело продолжает сжиматься и выталкиваться из цилиндра и одновременно изотермически сжиматься в регенеративном холодильнике, образующимся в этот период сжатия между стенкой цилиндра и цилиндрической частью головки поршня или между цилиндрической частью головки двигателя и цилиндрической частью головки поршня. В нем процессы происходят изотермически или близко к этому, в результате этого в процессе сжатия основная масса сжатого рабочего тела окажется в регенеративном холодильнике холодной, а небольшая часть, находившаяся вне регенеративного холодильника, сжимавшаяся без охлаждения с замедленным ростом давления и температуры, поэтому только при высоких степенях сжатия при достижении поршнем ВМТ будет сгоревшей и при движении поршня к НМТ в рабочем процессе будет обеспечивать горение холодной смеси, поступающей из циклового регенеративного холодильника по мере опускания поршня до момента, когда днище поршня совпадает с началом образования циклового регенеративного холодильника. В этот момент горение холодной смеси закончится. Цикловой регенеративный холодильник окажется превращенным в камеру сгорания с рабочим телом, получившим теплоту. С этого момента и до НМТ происходит адиабатический процесс расширения рабочего тела. А затем будут совершаться процессы в зависимости от тактности цикла.

Фиг. 1. Принципиальная схема двухтактного двигателя, работающего по рациональному рабочему процессу /циклу/: начало сжатия рабочей смеси в цилиндре.

Фиг. 2. Принципиальная схема двухтактного двигателя, работающего по рациональному рабочему процессу /циклу/: образование циклового холодильника, конец сжатия, начало рабочего процесса.

Фиг. 3 и 4. PV - диаграммы рационального цикла при различных способах выполнения его.

Возможность осуществления изотермического процесса сжатия в двигателях путем превращения его в рациональный изотермический процесс сжатия посредством регенеративного холодильника основана на фактах, подтверждающих теорию горения и детонацию газа: "Одна и та же смесь горит в широких трубах, но не поддерживает распространение пламени в узких трубах, диаметр которых меньше определенного критического диаметра" /Я.Б.Зельдович, "Теория горения и детонации газов", стр. 18, изд. АН СССР 1944 г./. Этот факт контактирует, что в регенеративных холодильниках, устроенных на приведенном факте, процессы сжатия и расширения происходят не адиабатически, а изотермически или близко к нему. А это означает, что осуществимость рациональных циклов в двигателях посредством применения региональных холодильников для осуществления рационального изотермического процесса сжатия подтверждена теорией и практикой.

Принципиальная схема двигателя, работающего по заявленному циклу, представлена на фиг. 1 и комментариев не требует; на фиг. 2 показано образование циклового холодильника в головке блока цилиндров. На фиг. 3 представлен один из вариантов реализации цикла, в котором: ac - рациональный процесс сжатия от НМТ до ВМТ; cz - рациональный процесс сообщения теплоты от ВМТ до НМТ; za - изохорический процесс охлаждения; Q₁ - подводимая теплота; Q_b - теплота, отводимая выхлопными газами. На фиг. 4 показан другой вариант реализации цикла, в котором: ac₁ - адиабатическое сжатие; C₁C - рациональный процесс сжатия; CZ - рациональный процесс сообщения теплоты; zb - адиабатическое расширение; ba - изохорическое охлаждение, точка 3 - начало образования циклового холодильника, конец рационального процесса сообщения теплоты, начало адиабатического процесса расширения.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить эффективность рабочего цикла двигателей внутреннего сгорания. Рациональный цикл включает адиабатическое сжатие рабочего тела за период движения поршня от Н.М.Т. до заданного положения; изотермическое сжатие в регенеративном холодильнике при движении поршня от заданного положения до В.М.Т.; горение холодной смеси, поступающей из регенеративного холодильника, по мере движения поршня от В.М.Т. до заданного положения; адиабатический процесс расширения рабочего тела при движении поршня от заданного положения до Н.М.Т 4 ил.

Цикловой способ выполнения рационального цикла в двигателях, включающий в себя осуществление изотермического сжатия или близкого к нему путем выталкивания и одновременно изотермически или близко к этому сжимаемого в присоединенном к цилиндру регенеративном холодильнике почти всего рабочего тела за период движения поршня от Н.М.Т. до В.М.Т. и лишь остающаяся в цилиндре масса рабочего тела, сжимавшаяся без охлаждения, но с замедленным ростом давления и температуры вследствие выталкивания части массы рабочего тела в процессе сжатия в регенеративный холодильник и изотермического сжатия в нем, при достижении В.М.Т. в небольшом количестве при давлении, равном давлению в регенеративном холодильнике, будет сгоревшей и при движении поршня от В.М.Т. к Н. М.Т. будет обеспечивать горение холодного рабочего тела, выходящего из регенеративного холодильника по мере опускания поршня при движении от В.М.Т. до Н. М. Т. , а затем будут совершаться процессы в зависимости от тактности цикла, отличающийся тем, что в начале от Н.М.Т до заданного положения поршня рабочее тело сжимается без охлаждения (адиабатически), а за период от заданного положения поршня до В.М.Т. рабочее тело продолжает сжиматься и выталкиваться из цилиндра и одновременно изотермически сжиматься в регенеративном холодильнике, образующемся в этот период сжатия между стенкой цилиндра и цилиндрической стенкой головки поршня или между цилиндрической частью головки двигателя и цилиндрической частью головки поршня, в нем процессы происходят изотермически или близко к этому, в результате этого в конце сжатия основная масса рабочего тела окажется в регенеративном холодильнике холодной, а небольшая часть, находившаяся вне регенеративного холодильника, сжимается без охлаждения с замедленным ростом давления и температуры, поэтому только при высоких степенях сжатия при достижении поршнем В.М.Т. будет сгоревшей, а при движении поршня к Н.М.Т. в рабочем процессе будет обеспечивать горение холодной смеси, поступающей из регенеративного холодильника по мере опускания поршня до момента, когда днище поршня совпадает с началом образования регенеративного холодильника, в этот момент горение холодной смеси закончится, начнется адиабатический процесс расширения рабочего тела, получившего теплоту, а затем будут совершаться процессы в зависимости от тактности цикла.