СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ДВС Российский патент 2003 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к области поршневых ДВС, предназначенных для привода электрических генераторов.

Общеизвестны способы работы двухтактного и четырехтактного ДВС [1, см. с. 13] с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) с последовательным чередованием тактов сжатия, расширения и газообмена. КПД таких современных судовых дизелей достиг 50% [2, см. с. 74]. Тепловая напряженность этих ДВС достигла предела возможности смазывающих свойств лучших смазочных масел.

Высокий уровень тепловой напряженности обусловлен особенностями работы КШМ, который не допускает какой-либо временной задержки перемещения поршня между отдельными рабочими циклами, чтобы именно в этот интервал времени отводить тепло. В известных ДВС, не имеющих КШМ (двигатель Ванкеля, с косой шайбой, орбитальные и свободнопоршневые), отдельные рабочие циклы также следуют друг за другом непрерывно.

Известен импульсный дизель-генератор [3, см. патент РФ 2141570], содержащий два свободных поршня в расширительном цилиндре с продувочными окнами и якорь-поршень, помещенный в ускорительном цилиндре, имеющем обмотку статора линейного генератора. Оба цилиндра с двух сторон соединены каналами с электромагнитными клапанами. Взаимодействие якорь-поршня с рабочими поршнями обеспечивает их поочередную работу по циклу дизеля в левой и правой половине расширительного цилиндра, энергия которых воспринимается через якорь-поршень линейным генератором.

Недостатком этого, довольно сложного по газовым коммуникациям двигателя с многочисленными системами окон и клапанов, является сложное взаимодействие рабочих поршней с якорь-поршнем. Сомнительно, что такое асимметричное взаимодействие поршней можно осуществить без синхронизирующих механизмов, обычных даже для симметричных свободнопоршневых двигателей.

Известен свободнопоршневой ДВС без КШМ [4, см. авт. св. СССР 985365], в котором возвратно-поступательное движение поршня двойного действия преобразуется непосредственно в электрическую энергию при помощи линейного электрогенератора.

Основным недостатком этого двигателя остается высокая тепловая напряженность, несмотря на отсутствие КШМ, так как принцип двойного действия требует чередования рабочих ходов без каких-либо временных пауз, поэтому и здесь не удастся достичь высоких параметров сгорания.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является возможность управления временем задержки поршня в крайней точке расширения (КТР), между циклами.

Техническим результатом изобретения является снижение тепловой напряженности двигателя и повышение параметров рабочего цикла до 25 МПа и более по максимальному давлению сгорания и соответственному повышению максимальной температуры цикла и, следовательно, его КПД.

Упомянутая задача достигается тем, что в способе работы поршневого ДВС путем непосредственного преобразования поступательного движения поршня на такте расширения в электрическую энергию в линейном электрогенераторе происходит последовательное чередование тактов расширения, газообмена и сжатия. При этом, возвратно-поступательное движение поршня на такте сжатия осуществляется путем преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршня в линейном электродвигателе, обращенном из электрогенератора, а между отдельными циклами осуществляется временная задержка перемещения поршня в момент остановки его в КТР, при этом максимальное давление сгорания доводится до 25 МПа и выше, а температура сгорания - до 3000 К и выше.

Сущность изобретения показана на схемах, где:
- на фиг.1 показано возможное устройство для реализации способа;
- на фиг.2 показан рабочий цикл ДВС, реализуемый данным способом.

Устройство представляет собой двухтактный ДВС, содержащий цилиндр 1 с выпускными окнами 2 и впускным клапаном 3 с приводом 4. Внутри цилиндра 1 помещен поршень 5, который штоком 6 связан с якорем 7 линейного электрогенератора-двигателя 8. Цилиндр 1 имеет со стороны крайней точки расширения (КТР) дополнительную крышку 9 для создания воздушной подушки. Электрогенератор 8 связан посредством блока управляемых вентилей 10 с аккумулятором электрической энергии 11. Кроме того, электрогенератор 8 связан с микропроцессором 12, который дополнительно соединен с приводом 4 клапана 3, а также с датчиками положения поршня 13, которые выдают импульсы при прохождении мимо них стальной гребенки 14. Таким образом, микропроцессор 12 "знает" в каком положении находится вся система подвижных деталей двигателя. Якорь 7 генератора 8 имеет обмотку возбуждения 15, управляемую микропроцессором 12 через скользящие контакты. На фиг.1 эта электрическая цепь не показана. Статор генератора 8 имеет силовую обмотку 16, откуда и поступает ток в аккумулятор 12.

Двигатель работает следующим образом. На такте расширения поршень 5 движется к КТР и перемещает якорь 7 линейного электрогенератора 8, энергия которого запасается в аккумуляторе 12. Таким образом, энергия движения поршня 5, поглощается электрогенератором 8. При открытии окон 2 начинается выпуск газов. Через некоторое время после открытия этих окон, открывается впускной клапан 3, и осуществляется продувка цилиндра свежим зарядом воздуха. Поршень 5 останавливается в КТР (правая кромка окон). В случае сбоя в микропроцессоре или аварийного обрыва электрической цепи статора, поршень 5 будет остановлен воздушной подушкой на крышке 9, так как, пройдя продувочные окна, он начинает сжимать воздух в этой подушке. При нормальной работе поршень доходит только до правой (см. фиг.1) кромки окон. Поршень 5 остается в КТР некоторое время в соответствии с программой микропроцессора, который затем переключает электрогенератор 8 в режим двигателя, изменяя режим работы блока вентилей 10. При этом поршень 5 начинает свободно разгоняться при открытом клапане 3 и после его закрытия, момент которого также устанавливается микропроцессором, начинается такт сжатия. В заданный программой момент перед крайней точкой сжатия (КТС) микропроцессор подает команду на впрыск топлива. Расчеты показывают, что для достижения необходимых температур сгорание должно начаться в конце такта сжатия, т.е. сжатие продолжается и во время сгорания, что и обеспечит высокую температуру сгорания. Это, конечно, несколько уменьшит индикаторную (полезную работу цикла), но, как показывают расчеты, это снижение невелико и вполне оправдано, так как способствует значительному повышению КПД.

Способ работы двигателя иллюстрируется теоретическим циклом (см. фиг.2).

Дизельный цикл. Разгон поршня 5 осуществляется линейным двигателем, в который обращается генератор 8 путем переключения электрических цепей, и начинается в точке a. В точке b закрывается впускной клапан, и начинается процесс сжатия. В точке с начинается сгорание топлива и продолжается по линиям C-d и d-e. В присутствии КШМ поршень не мог бы двигаться дальше, в сторону уменьшения объема, и процесс сгорания пошел бы по линиям c-d' и d'-e'. Можно было бы начать процесс сгорания и в точке c', и тогда была бы достигнута необходимо высокая температура сгорания. Но в точке c процесса сжатия температура свежего заряда уже достаточна для самовоспламенения топливовоздушной смеси. И, если начать процесс сгорания именно здесь, при сравнительно низком давлении, то условия работы топливной аппаратуры оказываются такими же, как у обычного дизеля, и для процесса сгорания добавляется некоторое время, пока поршень идет от точки c до КТС (точка d). Последнее, как известно, очень важно для дизельного цикла. Недостаток этого раннего начала процесса сгорания очевиден. Теряется некоторая часть полезной работы цикла (L_п на фиг.2). Как показывает расчет, эта потеря составляет несколько процентов от полезной работы цикла (L_i на фиг.2). Такая малая величина этой работы объясняется тем, что процесс сгорания продолжается при значительном увеличении степени сжатия, когда политропа c-c' круто идет вверх, что резко отличает этот процесс от процесса сгорания в дизеле с КШМ при чрезмерно большом угле опережения подачи топлива. Там потери этой энергии, как известно, значительно больше.

Далее, от точки e до точки f идет процесс расширения продуктов сгорания. При применении КШМ этот процесс неизбежно заканчивается в точке f', где давление в цилиндре еще велико. Следовательно, потенциальная энергия этого давления теряется. В предлагаемом цикле расширение может продолжаться и далее (продолженное расширение), до достижения очень небольшого давления (точка f), достаточного только для того, чтобы преодолеть гидравлические сопротивления при выпуске продуктов сгорания. Таким образом, полезная работа цикла увеличивается на величину, эквивалентную площади криволинейной трапеции b-f'-f-а-b (см. фиг.2). Следовательно, процесс продолженного расширения увеличивает КПД цикла. Затем цикл повторяется.

Таким образом, при значительном повышении параметров цикла: по степени сжатия (до 20-40), по максимальному давлению сжатия (до 8-12 МПа), по максимальному давлению сгорания (до 25-40 МПа) и по максимальной температуре сгорания (до 2500-3500 К), тепловая напряженность двигателя остается в допустимых пределах благодаря искусственной остановке поршня в КТР между тактами расширения и сжатия. Кроме того, в предложенном способе естественным образом осуществлено продолженное расширение, такт сжатия короче такта расширения. Все это способствует повышению средней интегральной температуры подвода теплоты и снижения средней интегральной температуры отвода теплоты в цикле, что, как известно, и требуется для повышения его КПД. Предварительные расчеты позволяют надеяться на достижение термического КПД цикла до 70%.

Источники информации
1. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: "Машиностроение", 1990.

2. Самсонов В.И., Худов Н.И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов. - М.: "Транспорт", 1990.

3. Патент РФ 2141570, МКИ F 02 В 71/04, 1993 г.

4. Авт. св. СССР 985365, МКИ F 02 В 71/04, 1982 г. (прототип).

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет снизить тепловую напряженность и повысить параметры рабочего цикла двигателя. Способ работы поршневого ДВС состоит в непосредственном преобразовании поступательного движения поршня на такте расширения в электрическую энергию в линейном электрогенераторе и последовательного чередования тактов расширения, газообмена и сжатия. При этом возвратно-поступательное движение поршня на такте сжатия осуществляется путем преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршня в линейном электродвигателе, обращенном из электрогенератора, между отдельными циклами осуществляется временная задержка перемещения поршня в момент остановки его в конечной точке расширения, максимальное давление сгорания доводится до 25 МПа и выше, а температура сгорания - до 3000 К и выше. 2 ил.

Способ работы поршневого ДВС путем непосредственного преобразования поступательного движения поршня на такте расширения в электрическую энергию в линейном электрогенераторе и последовательного чередования тактов расширения, газообмена и сжатия, отличающийся тем, что возвратно-поступательное движение поршня на такте сжатия осуществляется путем преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршня в линейном электродвигателе, обращенном из электрогенератора, а между отдельными циклами осуществляется временная задержка перемещения поршня в момент остановки его в конечной точке расширения, при этом максимальное давление сгорания доводится до 25 МПа и выше, а температура сгорания до 3000 К и выше.