СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО КПД ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B41/04 

Изобретение относится к области двигателестроения.

В настоящее время повышение термического КПД двигателя осуществляется понижением температуры отработавших газов, в результате чего уменьшается отвод теплоты в окружающую среду.

Применяются в основном три способа. Один из них основан на использовании теплоты отработавших газов для осуществления цикла Ренкина. Отработавшие газы нагревают жидкость /фреон, воду/, пары которой приводят в действие паровую турбину установки. Она приводит в действие компрессор, осуществляющий наддув двигателя.

Другой способ заключается в использовании энергии отработавших газов, не совершивших полного адиабатического расширения в двигателе, за счет их повторного расширения в газовой турбине, приводящей центробежный компрессор для подачи воздуха в двигатель /наддув/.

Третий способ - использование отработавших газов для подогрева воздуха перед его входом в камеру сгорания газотурбинного двигателя.

Прежде чем критиковать эти способы, необходимо указать причину, которая не позволяет получить в реальном двигателе то количество работы, которое должно быть получено в теоретическом цикле.

Рассмотрим цикл 1234 на фиг. 1. образованный адиабатами 1-2 и 3-4, изобарой 2-3 и процессом 4-1 /либо изохорой, либо изобарой, что не имеет значения для дальнейших рассуждений/.

В состоянии 4 отработавшие газы отводятся в окружающую среду, т.е. теплота, эквивалентная площади 42'1, не используется для получения работы и фактическая работа цикла соответствует площади 322'2.

Использование теплоты отработавших газов /площадь 142'/ в цикле Ренкина для привода или для подогрева воздуха сопряжено с низким КПД самого цикла.

Кроме этой потери энергии в реальных двигателях существуют и другие потери, в частности, связанные с неполным адиабатическим расширением. Объясняется это тем, что необходимая степень полного адиабатического расширения в реальных двигателях не может быть обеспечена по техническим причинам и в действительности оказывается меньше требуемой.

Для устранения этого недостатка используется дополнительный двигатель, в котором осуществляется повторное адиабатическое расширение, для получения мощности, частично передаваемой на вал двигателя и для осуществления наддува.

Целью изобретения является нахождение способа, позволяющего повысить КПД использования теплоты отработавших газов и за счет этого повысить термический КПД двигателя.

Сущность изобретения поясняется с помощью фиг. 1 Предлагается, после подвода тепла к газу в процессе 2-3, начать совершать работу не в процессе адиабатического расширения 3-4, а в изобарном процессе 3-5, в результате его при последующем адиабатическом расширении 5-6 температура отработавших газов уменьшается с T₄ до T₆, что говорит о том, что используемая часть того тепла, которое не реализовывается в работу в циклах только с адиабатическим расширением, и повышается термический КПД реального цикла. Далее теплота отработавших газов с T₆ может использоваться с помощью других способов, в том числе способами-аналогами. Состояние 5 находится из условия прихода газа в состояние 6, т.е. из условия полного адиабатического расширения.

Указанные процессы 3-5 и 5-6 осуществляются без дополнительного двигателя в одном и том же цилиндре при перемещении поршня, во время которого состояние газа изменяется соответственно от состояния 3 до состояний 5 и 6. Состояние газа 5 достигается подачей газа через впускное устройство, например, впускной клапан.

Способ реализуется, например, в двигателе поршневого типа с выносной камерой сгорания. Условием осуществления двигателя с выносной камерой сгорания является требование обеспечения режима спокойного горения в камере сгорания. Такое горение обеспечивается равномерной подачей сжатого воздуха и топлива в камеру сгорания и таким же отбором газа из нее. В случае нарушения этого условия, например, из-за порядка работы цилиндров двигателя в течение цикла и перерывов в подаче газа из камеры сгорания в схеме двигателя применяется дополнительно ресивер, которого с учетом объема камеры сгорания позволяет сглаживать указанные перебои и не допускать возникновения амплитуд изменения давления, характерных для жесткого или пульсационного горения.

Отсюда следует, что способ лучше всего реализовать в многопоршневом двигателе, в котором обеспечивается непрерывная подача сжатого воздуха и топлива в камеру сгорания и непрерывный отбор из нее газа при последовательной порционной подаче рабочего газа в цилиндры двигателя. Схема такого двигателя приведена на фиг. 2.

Двигатель состоит из компрессора объемного действия 1, ресивера 2, многоцилиндрового источника механической энергии 3 и выносной камеры сгорания 4. Ресивер 2 соединяет компрессор 1 и камеру сгорания 4 через клапаны 5 и 6. Каждый цилиндр имеет впускной клапан 7 и выпускной клапан 8, управляемые принудительно с помощью механизма газораспределения /не показан/. Каналы впуска и выпуска газа в головке цилиндра, где расположены клапаны, объединены соответственно коллектором 9 подвода рабочего газа и коллектором 10 отвода отработавших газов.

Выносная камера сгорания 4 состоит из корпуса 11, внутреннего цилиндра 12, имеющего отверстия 13 для поступления воздуха в зоне смесеобразования и в зону горения и смешивания. Камера сгорания имеет форсунку 14 для подачи и распыла топлива, зажигающее устройство, турбулизатор и стабилизатор /не показан/.

Компрессор 1 по принципу действия объемный, т.е. степень сжатия воздуха в нем не зависит от числа оборотов. Подача сжатого воздуха из компрессора близка к непрерывной. Таким компрессором является, например, роторный компрессор, к которым относятся винтовые, ротационно-пластинчатые и др. Привод компрессора осуществляется от вала источника механической энергии 3.

Многоцилиндровый источник механической энергии 3 в целях уравновешивания имеет оппозитную схему. Необходимое число цилиндров образуется последовательным или параллельным соединением, например, 4- или 8-цилиндровых источников механической энергии, образующих в целом источник механической энергии, обладающий требуемым смещением колен коленчатого вала относительно друг друга в зависимости от общего числа цилиндров. Так как при оппозитной схеме цилиндры работают попарно, то при общем числе цилиндров М смещение колен равно 360 : М/2, т.е. при, например, 16-цилинлровом двигателе смещение парных колен равно 45 градусов. В этом случае подача газа при постоянном давлении из камеры сгорания в каждую пару цилиндров происходит во время поворота коленчатого вала на 45 градусов, после чего такая же подача газа осуществляется в следующую пару цилиндров и так далее на протяжении всего оборота коленчатого вала.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Воздух из атмосферы через всасывающий патрубок 15 поступает в компрессор 1, сжимается в нем и при открытых клапанах 5 и 6 поступает в ресивер 2. В ресивере 2 сглаживаются возможные колебания давления, связанные с работой самого компрессора и поступлением воздуха в камеру сгорания. Сжатый воздух поступает в пространство между цилиндром корпуса 11 и цилиндром 12 камеры сгорания и через отверстия 13 при горении топлива поступает в зону смесеобразования, переходящую в зону горения и смешения газа с воздухом до образования газов требуемой температуры. Из камеры сгорания 4 газ после подведения к нему теплоты поступает в коллектор 9 подвода нагретого газа к впускным каналам головки цилиндров. Газораспределительный механизм открывает впускной клапан 7 при нахождении поршня в ВМТ, и полость цилиндра оказывается сообщенной с камерой сгорания через коллектор 9. Под действием перепада давлений со стороны газа в камере сгорания с одной стороны поршня и атмосферного давления с другой стороны поршня поршень перемещается в сторону НМТ, совершая работу против внешних сил в изобарном процессе. Подача газа из камеры сгорания в цилиндр осуществляется в течение времени поворота коленчатого вала на 45 градусов, после чего впускной клапан этого цилиндра закрывается и одновременно открывается впускной клапан для следующего цилиндра, что приводит к непрерывной подаче газа в цилиндры из камеры сгорания. Поступивший в цилиндр из камеры сгорания нагретый газ после закрытия впускного клапана 7 адиабатически расширяется в цилиндре до достижения поршнем НМТ. В момент достижения НМТ выпускной клапан 8 цилиндра принудительно открывается, и полость цилиндра оказывается сообщенной с атмосферой через коллектор 10 отвода отработавших газов. При обратном ходе поршня газ из цилиндра выталкивается в атмосферу. Таким образом, поршневой источник механической энергии работает в двухтактном режиме.

При остановке двигателя клапаны ресивера 5 и 6 с прекращением подачи топлива закрывается, что позволяет сохранить в нем сжатый воздух. При пуске двигателя наличие сжатого воздуха в ресивере позволяет в этом случае осуществить пуск двигателя без помощи стартера.

Изобретение относится к энергомашиностроению и позволяет повысить термический КПД теплового двигателя. В предлагаемом способе термический КПД двигателя повышается за счет уменьшения потерь тепла с отработавшими газами. Для этого сжатый газ после подвода к нему теплоты подают в цилиндр двигателя через впускное устройство, где он совершает работу сначала по изобаре, а затем по адиабате. 2 ил.

Способ повышения термического КПД двигателя за счет уменьшения отвода тепла с отработавшими газами, отличающийся тем, что сжатый газ после подвода к нему теплоты сначала совершает работу по изобаре, например, при подаче его в цилиндр двигателя, через впускное устройство, после чего совершает работу по адиабате.