СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02G3/02 F02B33/22 F02B47/02 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и, в частности, к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Аналогом является поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением поршней. Такой двигатель работает по двухтактному либо четырехтактному циклам и реализует термодинамические циклы Отто и Дизеля [1].

Недостатком такого двигателя является большая относительная величина работы в тактах сжатия и недостаточная степень расширения газов в рабочих тактах, что в конечном итоге является причиной низкого кпд двигателя.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания [2].

В прототипе воздух, поступающий из окружающей среды, сжимается в компрессорном цилиндре и поступает в выносную камеру сгорания через рекуперативный теплообменник, в котором отдают тепло выхлопные газы, поступившие из выносной камеры сгорания в расширительный цилиндр и после расширения выбрасываемые через теплоотдающий газовый тракт рекуперативного теплообменника.

Кроме того, имеется циркуляция воды и пара по контуру: конденсатосборник рекуперативного теплообменника - выносная камера сгорания - расширительный цилиндр - теплоотдающий газовый тракт рекуперативного теплообменника - конденсатосборник рекуперативного теплообменника.

Недостатками прототипа являются большие затраты энергии на сжатие воздуха и низкий кпд при неравномерной нагрузке двигателя.

Изобретение позволяет устранить эти недостатки.

Сущность изобретения заключается том, что способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, перепуск его через теплопринимающий газовый тракт рекуперативного теплообменника в камеру сгорания, сжигание топлива в камере сгорания, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре и выпуск отработавших газов с охлаждением в рекуперативном теплообменнике и регенерацией тепла с использованием воды и водяного пара, циркулирующих в камере сгорания, расширительном цилиндре и тепловоспринимающем трактах рекуперативного теплообменника, причем новым является то, что перепускаемый сжатый воздух охлаждают в первом ресивере-накопителе, затем возвращают в компрессорный цилиндр, перепускают во второй ресивер-накопитель, а затем подают на вход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника, например сжатый охлажденный воздух из охлаждаемого накопителя перед возвратом в компрессорный цилиндр перепускают во второй ресивер-накопитель, где нагревают теплом окружающей среды; при этом возможно, что сжатый и подогретый во втором ресивере-накопителе воздух перепускают в третий ресивер-накопитель, подогревают теплом, отобранным от сжатого воздуха в первом ресивере-накопителе, затем подают его на вход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника и в камеру сгорания, далее возможно, что подогретый воздух из третьего ресивера-накопителя подают в расширительный цилиндр в момент окончания такта выброса продуктов сгорания предыдущего цикла при положении поршня в верхней мертвой точке, подают и сжигают топливо, осуществляют рабочий такт и такт выброса продуктов сгорания или, например, охлажденный сжатый воздух из первого ресивера-накопителя подают в расширительный цилиндр в такте всасывания, дополнительно сжимают в такте сжатия, подают и сжигают топливо, осуществляют рабочий такт и такт выброса продуктов сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа содержит по меньшей мере один компрессорный цилиндр, камеру сгорания, расширительные цилиндры, которые сообщены между собой посредством газораспределительного устройства, включающего управляемые клапанные устройства и устройство управления, входы которого связаны с датчиками положения коленчатого вала, педали газа и педали тормоза, систему топливо-подачи, систему зажигания и рекуперативный теплообменник с теплопередающим и тепловоспринимавщим контурами, причем вход рекуперативного теплообменника по теплопередающему газовому тракту соединен с выпускным каналом отработавших газов расширительных цилиндров, выход теплопередающего газового тракта подключен к водяному тепловоспринимающему контуру, содержащему последовательно включенные устройства сбора водяного конденсата, выход которого соединен водопроводной трубкой с входом завихрительного испарительного устройства камеры сгорания.

Новизна заявляемого двигателя заключается в том, что в систему отбора сжатого воздуха от выхода компрессорного цилиндра до входа тепловоспринимающего тракта рекуперативного теплообменника соединены дополнительно через накопительную и распределительную систему сжатого воздуха, включающую ресиверы-накопители, трубопроводы и управляемые клапанные устройства, причем два ресивера-накопителя теплоизолированы, содержат тепловые накопители и связаны замкнутой системой охлаждения, включающей последовательно соединенные испаритель, компрессор и конденсатор.

Предлагаемый двигатель содержит компрессорные цилиндры 1, расширительные цилиндры 2, размещенные в полостях цилиндра поршни 3 и 4 и соединенные с коленчатым валом 5 через шатуны 6 и 7, всасывающую систему 8, соединенную с полостями компрессорных цилиндров 1 через клапанные управляемые устройства (УКУ) 9, выхлопную систему 10, соединенную с полостями расширительных цилиндров 2 через клапанные управляемые устройства 11, рекуперативный теплообменник 12, теплопередающий газовый тракт которого соединен с выхлопной системой 10, вход тепловоспринимающего газового тракта соединен через УКУ 13 с системой отбора сжатого воздуха 14, к которой подключены также ресиверы-накопители 15, 16, 17 через УКУ 18, 19, 20, выход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника соединен с выносной камерой сгорания 21 через УКУ 22.

Система отбора сжатого воздуха 14 соединена с полостями цилиндров 1 и 2 через управляемые клапанные устройства 23. Выход выносной камеры сгорания соединен с полостями цилиндров 1 и 2 через УКУ 24.

Управляющие выходы УКУ 9, 11, 13, 18, 19, 20, 22, 23, 24 соединены с соответствующими выходами управляющего устройства 25, входы которого соединены с информационными выходами датчиков 26 положения коленчатого вала, 27 положения педали газа, 28 положения педали тормоза.

Ресиверы 15 и 17 теплоизолированы от окружающей среды и объединены холодильной системой, включающей последовательно соединенные компрессор 29, испаритель 30, смонтированный в полости ресивера 15 и конденсатор 31, смонтированный в полости ресивера 17.

Выносная камера сгорания 21 снабжена топливоподающим устройством 32 и тангенциальным завихрительным испарительным устройством 33. Рекуператор 12 снабжен смонтированным на теплоотводящем тракте устройством сбора водяного конденсата 34, соединенным водопроводной трубкой 35 с завихрительным испарительным устройством 33.

Цилиндры 1 и 2 снабжены топливными форсунками 36 и системами зажигания (не показаны).

Ресивер-накопитель 15 снабжен низкотемпературным тепловым накопителем 37, а ресивер-накопителъ 17 снабжен высокотемпературным тепловым накопителем 38.

Выход ресивера-накопителя 17 соединен с входом тепловоспринимающего газового тракта рекуператора 12 через дополнительное УКУ 39. Выходы ресиверов-накопителей 15 и 16 соединены через дополнительное УКУ 40, выходы ресиверов 16 и 17 соединены через дополнительное УКУ 41.

Работает двигатель следующим образом.

Воздух через всасывающую систему 8 и управляемое клапанное устройство (УКУ) 9 подается в компрессорный цилиндр в такте всасывания, где сжимается в такте сжатия и перепускается в систему отбора сжатого воздуха 14 через УКУ 23.

Из системы отбора сжатый воздух через УКУ 13, тепловоспринимающий тракт рекуперативного теплообменника 12 и УКУ 22 поступает в выносную камеру сгорания 21, где осуществляется горение топлива, подаваемого через топливоподающее устройство 32. Продукты сгорания подаются через УКУ 24 в расширительные цилиндры 2, где происходит их расширение.

Часть сжатого воздуха поступает через УКУ 18 в ресивер-накопитель 15, теплоизолированный от окружающей среды.

В ресивере 15 сжатый воздух охлаждается с помощью вмонтированного в него испарителя 30 холодильной системы. Охлаждение проводится непрерывно, в том числе при неработающем двигателе, для чего ресивер 15 снабжен также тепловым накопителем 37. Накопленный в ресивере сжатый воздух перепускается через УКУ 40 в ресивер 16, где он подогревается теплом окружающей среды, а затем перепускается через УКУ 41 в ресивер-накопитель 17, где осуществляется подогрев теплом, отобранным от сжатого воздуха в ресивере-накопителе 15. Для этого ресивер 17 снабжен конденсатором 31 холодильной системы и тепловым накопителем 38.

При необходимости в процессах перепуска сжатого воздуха из ресивера 15 в ресивер 16 и из ресивера 16 в ресивер 17 используются цилиндры 1 и УКУ 18, 19, 20.

Подогретый сжатый воздух из ресивера 17 через УКУ 39 подается в тепловоспринимающий тракт рекуператора 12, где подогревается теплом выхлопных газов и поступает в выносную камеру сгорания 21. Рекуперативный теплообменник снабжен устройством сбора водяного конденсата, откуда вода по трубопроводу 35 подается в завихрительное испарительное устройство, смонтированное в выносной камере сгорания 21, где испаряется и с продуктами сгорания поступает через УКУ 24 в цилиндры 2.

Топливо может подаваться также в цилиндры 2 через топливные форсунки 36.

Таким образом, в предлагаемом устройстве двигателя возможно осуществление нескольких способов работы. Ниже описаны семь способов работы двигателя и в зависимости от способа работы двигателя и применяемого вида топлива оно может самовоспламеняться или воспламеняться с помощью системы зажигания.

Продукты сгорания в рабочем такте расширительного цилиндра 2 отдают свою энергию через поршень 4 и шатун 7 коленчатому валу 5, информация о положении которого в процессе вращения через датчик 26 подается на один из входов устройства управления 25. По двум другим входам в устройство управления 25 поступает информация от датчика положения педали газа и датчика 28 положения педали тормоза. В зависимости от конкретной комбинации входных сигналов с датчиков 26, 27, 28 устройство управления 25 вырабатывает сигналы управления клапанами 9, 11, 13, 18, 19, 20, 22, 23, 24, 39, 40, 41 и тем самым осуществляет один из возможных способов работы двигателя.

Предложенный двигатель наряду с осуществлением известных способов работы по циклам Отто, Дизеля и двигателя-прототипа может осуществлять ряд дополнительных способов работы, из которых ниже описаны пять способов.

Примеры выполнения заявленных способов
Способ 1. Воздух по всасывающей системе 8 подается в полости компрессорных цилиндров 1 через УКУ 9 и в тактах сжатия сжимается, после чего через УКУ 23, систему отбора сжатого воздуха 14 и УКУ 18 подается в ресивер-накопителъ 15, где охлаждается, а затем вновь подается в компрессорный цилиндр через УКУ 18 и 23 в такте всасывания, дополнительно сжимается в такте сжатия и подается через УКУ 23 и 13, рекуперативный теплообменник 12 УКУ 22 в выносную камеру сгорания 21, где происходит подача и сгорание топлива и продукты сгорания подаются в расширительные цилиндры 2 через УКУ 24, откуда в такте выброса удаляются через выхлопную систему 10.

Способ 2. Воздух по всасывающей системе 8 через УКУ 9 подается в компрессорные цилиндры 1 и в тактах сжатия сжимается, после чего через УКУ 23, систему отбора сжатого воздуха 14 и УКУ 18 подается в теплоизолированный ресивер-накопитель 15, где охлаждается, а затем перемещается через УКУ 40 в ресивер-накопителъ 16, где нагревается теплом окружающей среды. Нагретый сжатый воздух из ресивера-накопителя 16 через УКУ 199 и 23 вновь подается в компрессорный цилиндр в такте всасывания, дополнительно сжимается в такте сжатия и подается через УКУ 23, систему отбора сжатого воздуха 14, УКУ 13, рекуперативный теплообменник 12, УКУ 22 в выносную камеру сгорания 21, где происходит подача и сгорание топлива и продукты сгорания подаются в расширительные цилиндры 2 через УКУ 24, откуда в такте выброса удаляются через выхлопную систему 10.

Способ 3. Воздух по всасывающей системе 8 через УКУ 9 подается в компрессорные цилиндры 1 и в тактах сжатия сжимается, после чего через УКУ 23, 18 подается в теплоизолированный ресивер-накопителъ 15, где охлаждается, а затем перепускается через УКУ 40 в ресивер-накопитель 16, где нагревается теплом окружающей среды. Нагретый сжатый воздух из ресивера-накопителя 16 через УКУ 41 перепускается в теплоизолированный ресивер-накопитель 17, где продолжает нагреваться теплом, отобранным в ресивере-накопителе 15 и выделяемым конденсатором 31 холодильной системы.

Нагретый сжатый воздух из ресивера 17 через УКУ 39, рекуперативный теплообменник 12, УКУ 22 подается в выносную камеру сгорания 21, где происходит подача и сгорание топлива и продукты сгорания подаются в расширительные цилиндры 2 через УКУ 24, откуда в такте выброса удаляются через выхлопную систему 10.

Способ 4. Воздух по всасывающей системе 8 через УКУ 9 подается в компрессорные цилиндры 1 и в тактах сжатия сжимается, после чего через УКУ 23, 18 подается в теплоизолированный ресивер-накопитель 15, где охлаждается, а затем перепускается через УКУ 40 в ресивер-накопитель 16, где нагревается теплом окружающей среды. Нагретый сжатый воздух из ресивера-накопителя 16 через УКУ 41 перемещается в теплоизолированный ресивер-накопитель 17, где продолжает нагреваться теплом, отобранным в ресивере-накопителе 15 и выделенным конденсатором 31 холодильной системы.

Нагретый сжатый воздух из ресивера 17 через УКУ 20, 23 подается в расширительные цилиндры 2 по окончании такта выхлопа предыдущего цикла, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке, после чего в цилиндре происходит подача и сгорание топлива, осуществляется рабочий такт, а затем такт выброса продуктов сгорания в выхлопную систему 10.

Таким образом, при этом способе осуществляется двухтактный цикл работы двигателя, где первый такт является рабочим, а второй такт - тактом выброса продуктов сгорания.

Способ 5. Воздух по всасывающей системе 8 подается в полости компрессорных цилиндров 1 через УКУ 9 в тактах сжатия сжимается, после чего через УКУ 23, систему отбора сжатого воздуха 14 и УКУ 18 подается в ресивер-накопитель 15, где охлаждается, а затем через УКУ 18 и 23 подается в расширительный цилиндр 2 в такте всасывания при закрытых УКУ 9, после чего происходит сжатие, подача и сгорание топлива, продукты сгорания осуществляют рабочий такт, а затем удаляются в такте выброса через выхлопную систему 10.

Источники информации:
1. Богданов С.Н. и др. Автомобильные двигатели: Учебник для автотранспортных техникумов/ С. Н.Богданов, М.М.Буренков, И.Е.Иванов. - М.: Машиностроение, 1987. - 368 с.

2. Патент РФ N 2126895, М.Кл. F 02 G 3/02, F 02 B 33/22, 47/02.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет снизить затраты энергии и повысить кпд двигателя. Способ работы двигателя внутреннего горения включает сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, перепуск его через тепловоспринимающий газовый тракт рекуперативного теплообменника в камеру сгорания, сжигание в камере сгорания топлива, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре и выпуск отработавших газов с охлаждением в рекуперативном теплообменнике и регенерацией тепла с использованием воды и водяного пара в теплопередающем и тепловоспринимающем трактах регенеративного теплообменника, отличающееся тем, что перепускаемый сжатый воздух накапливают в охлаждаемом ресивере-накопителе, охлаждают, а затем возвращают в компрессорный цилиндр, дополнительно сжимают и подают на вход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника. Новизна двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что в системе отбора сжатого воздуха выход компрессорного цилиндра и вход тепловоспринимающего тракта рекуперативного теплообменника соединены через накопительную и распределительную систему сжатого воздуха, два ресивера-накопителя которой теплоизолированы, снабжены тепловыми накопителями и связаны замкнутой системой охлаждения. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ роботы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, перепуск его через тепловоспринимающий газовый тракт рекуперативного теплообменника в камеру сгорания, сжигание в камере сгорания топлива, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре и выпуск отработавших газов с охлаждением в рекуперативном теплообменнике и регенерацией тепла с использованием воды и водяного пара в теплопередающем и тепловоспринимающем трактах регенеративного теплообменника, отличающийся тем, что перепускаемый сжатый воздух накапливают в охлаждаемом ресивере-накопителе, охлаждают, а затем возвращают в компрессорный цилиндр, дополнительно сжимают и подают на вход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника. 2. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что сжатый охлажденный воздух из охлаждаемого ресивера-накопителя перед возвратом в компрессорный цилиндр перепускают во второй ресивер-накопитель, где нагревают теплом окружающей среды. 3. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сжатый, подогретый во втором ресивере-накопителе воздух перемещают в третий ресивер-накопитель, подогревают теплом, отобранным от сжатого воздуха в первом ресивере-накопителе, а затем подают на вход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника и в камеру сгорания. 4. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по пп.1 и 3, отличающийся тем, что сжатый подогретый воздух из третьего ресивера-накопителя подают в расширительный цилиндр в момент окончания такта выброса продуктов сгорания предыдущего цикла при положении поршня в верхней мертвой точке, подают и сжигают топливо, осуществляют рабочий такт и такт выброса продуктов сгорания. 5. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что охлажденный сжатый воздух из первого ресивера-накопителя подают в расширительный цилиндр в такте всасывания, дополнительно сжимают в такте сжатия, подают и сжигают топливо, осуществляют рабочий такт и такт выброса продуктов сгорания. 6. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный цилиндр, камеру сгорания, расширительные цилиндры, которые сообщены между собой посредством газораспределительного устройства, включающего управляемые клапанные устройства и устройство управления, входы которого связаны с датчиками положения коленчатого вала, педали газа и педали тормоза, систему топливоподачи, систему зажигания и рекуперативный теплообменник с теплопередающим и тепловоспринимающим контурами, причем вход рекуперативного теплообменника по теплопередающему газовому тракту соединен с выпускным каналом отработавших газов расширительных цилиндров, выход теплопередающего газового тракта подключен к водяному тепловоспринимающему контуру, содержащему последовательно включенные устройства сбора водяного конденсата, выход которого соединен водопроводной трубкой с входом завихрительного испарительного устройства камеры сгорания, отличающийся тем, что выход компрессорного цилиндра и вход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника соединены дополнительно через накопительную и распределительную систему сжатого воздуха, содержащую первый, второй и третий управляющие клапанные устройства, входы которых подсоединены к системе отбора сжатого воздуха из компрессорных цилиндров, а к выходам подсоединены соответственно выходы первого, второго и третьего ресиверов-накопителей, трубопровод - с четвертым управляемым клапанным устройством, соединяющий выходы первого и второго ресиверов-накопителей, трубопровод с пятым управляемым клапанным устройством, соединяющий выходы второго и третьего ресиверов-накопителей, трубопровод с шестым управляемым клапанным устройством, соединяющий выход третьего ресивера-накопителя с входом тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника, причем первый и третий ресиверы-накопители теплоизолированы от окружающей среды, снабжены тепловыми накопителями и связаны системой теплообмена, включающей последовательно соединенные трубопроводами и арматурой в замкнутую холодильную цепь испаритель, установленный в первом ресивере-накопителе, компрессор и конденсатор, установленный в третьем ресивере-накопителе.