СПОСОБ РАБОТЫ БИНАРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И БИНАРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F02B75/02 F02B75/28 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания, у которых рабочий объем цилиндра разделен на две изолированные друг от друга камеры. Поскольку обе среды этих камер самостоятельно участвуют в процессах и в совершении работы, такой двигатель целесообразно называть бинарным.

Известен способ работы бинарного ДВС, включающий процесс раздельного сжатия свежей порции окислителя в камере нагнетания и горячих газов в камере сгорания, процесс досжатия свежей порции окислителя, подачу свежей порции окислителя в камеру сгорания, сгорание и расширение продуктов сгорания с передачей энергии продуктов сгорания на вал двигателя через сжимаемую среду, не участвующую в сгорании, создание разрежения и наполнение цилиндра двигателя свежей порцией окислителя, при котором исключают контакт этой среды с горячими газами камеры сгорания.

Указанный способ работы описан в патенте №2146007 от 27.02.2000 г. МПК F 02 В 3/4, 25/10

Известно также устройство бинарного ДВС, состоящее из цилиндра с окнами впуска свежей порции окислителя, клапанами выпуска отработавших газов и элементами топливоподачи, двух поршней, один из которых, основной, кинематически связан с валом двигателя, а второй, автономный, разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, кинематически не связан с валом двигателя и перемещается вдоль оси цилиндра под действием разности давлений в этих камерах, причем не дальше упора, установленного внутри цилиндра.

Указанное устройство описано в патенте №2146007 от 27.02.2000 г. МПК F 02 В 3/4, 25/10.

За прототип приняты способ работы и устройство по патенту №2146007, как соответствующие наибольшему числу совпадающих признаков.

Недостатком способа работы и устройства прототипа является отсутствие возможности управлять процессом сгорания топлива, что снижает эффективность преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования тепловой энергии в механическую работу за счет управления процессом сгорания топлива.

В способе работы указанная цель достигается тем, что в процессе досжатия свежую порцию окислителя из камеры нагнетания направляют в промежуточную емкость, а из промежуточной емкости производят подачу свежей порции окислителя в камеру сгорания, регулируя начало, скорость и режим подачи.

Кроме того, указанная цель достигается тем, что перед подачей свежей порции окислителя в камеру сгорания ее подвергают тепловому воздействию, а для увеличения длительности теплового воздействия окислитель подают в камеру сгорания другого цилиндра.

В устройстве указанная цель достигается тем, что в конструкцию двигателя внесены следующие изменения: введена промежуточная емкость, расположенная вне рабочего объема цилиндра двигателя, а в корпусе цилиндра предусмотрены дополнительные окна, расположенные в районе упора, которые при помощи своих магистралей с клапанами сообщают цилиндр с этой емкостью, причем на магистрали подачи окислителя в камеру сгорания цилиндра установлен регулирующий клапан, а окна этой камеры профилированы и ориентированы так, что обеспечивают эффективное перемешивание и равномерное выгорание топлива.

Кроме того, промежуточная емкость может быть снабжена встроенным теплообменником, а для увеличения длительности теплового воздействия на окислитель магистраль подачи может быть подключена к камере сгорания другого цилиндра.

На чертеже представлены:

- в верхней части - диаграмма перемещения основного (тонкая кривая) и автономного (толстая кривая) поршней цилиндра;

- в нижней части - диаграмма изменения давлений в камере сгорания и в промежуточной емкости, совмещенная с диаграммой перемещения поршней;

- справа от диаграммы перемещения поршней - схема устройства предлагаемого бинарного ДВС, масштаб которого совмещен с масштабом диаграммы перемещения поршней.

На чертеже приняты следующие обозначения и сокращения:

ОГ - отработавшие газы;

ТО - теплообменник;

СПО - свежая порция окислителя.

По оси абсцисс откладывается угол поворота коленчатого вала двигателя ϕ (°ПКВ), а по оси ординат положения основного (Н) и автономного (h) поршней:

Н_рц - полная высота рабочего объема цилиндра;

0.0 - начальная точка отсчета положения поршней. Для основного поршня эта ордината соответствует НМТ;

h_с - ордината положения автономного поршня на упоре;

Н_с - ордината положения основного поршня в момент посадки автономного поршня на упор;

Н - положение основного поршня в ВМТ;

Н_а, h_a - положения основного и автономного поршней соответственно, после наполнения цилиндра свежей порцией окислителя, т.е. в начале процесса сжатия;

абсциссы 1,2...9 на диаграмме отмечают условные границы отдельных процессов цикла.

На диаграмме давлений сплошная линия представляет характер изменения давления в камере сгорания - р^КС(ϕ), пунктирная и штрихпунктирная линии - давления в промежуточной емкости р^ПрЕ(ϕ), при этом пунктирная (1) относится к подаче окислителя в тот же цилиндр, из которого она наполнялась, а штрихпунктирная (2) - при подаче окислителя в камеру сгорания другого цилиндра. Начальное давление процесса сжатия и максимальное давление в цилиндре обозначены - р_а и p_z соответственно. Δϕ₁, Δϕ₂ представляют диапазоны поворота вала двигателя при подаче окислителя в камеры сгорания того же и другого цилиндров соответственно.

На схеме устройства приняты следующие обозначения:

1 - корпус цилиндра ДВС;

2 - впускные окна в корпусе цилиндра;

3 - основной поршень;

4 - клапан на магистрали подачи окислителя в промежуточную емкость;

5 - регулирующий клапан на магистрали подачи окислителя в камеру сгорания;

6 - промежуточная емкость;

7 - автономный поршень;

8 - клапан выпуска отработавших газов;

9 - упор;

10 - окна подачи окислителя из камеры нагнетания в промежуточную емкость;

11 - окна подачи окислителя в камеру сгорания из промежуточной емкости.

Основное внимание при описании процессов и устройства уделено отличиям заявленного способа и устройства от прототипа. Поэтому процессы и элементы, которые не претерпели изменений, подробно не рассматриваются.

Описание способа работы целесообразно начать с процесса сжатия.

Процесс сжатия. На диаграмме процесс представлен кривыми между абсциссами 1 (начало) и 2 (окончание). При этом процессе основной и автономный поршни перемещаются в сторону ВМТ согласованно, из положений с ординатами Н_а и h_a в положения Н_с и h_с - соответственно. Процесс заканчивается, когда автономный поршень доходит до своего упора - h_с и останавливается. Параметры сред в камерах изменяются идентично по политропе. В частности, давление изменяется от р_а до р_с.

Поскольку промежуточная емкость в этом процессе отключена от цилиндра, изменение давления в ней может происходить только в результате теплообмена. На чертеже представлен случай охлаждения промежуточной емкости, когда давление понижается.

Процесс досжатия. Процесс продолжается до тех пор, пока автономный поршень находится неподвижно на упоре (между абсциссами 2...3). Поскольку объем камеры сгорания в связи с этим не изменяется, давление в ней остается неизменным (сплошная прямая линия р_с ^КС=р_с). В то же время основной поршень продолжает перемещение к ординате Н (ВМТ) и сжимает среду, находящуюся в камере нагнетания, давление в этой камере растет (пунктирная кривая). Когда давление в камере нагнетания превысит давление в промежуточной емкости, камера нагнетания подключается к промежуточной емкости для ее наполнения. На чертеже представлен случай, когда начало наполнения промежуточной емкости совпадает с посадкой автономного поршня на упор (абсцисса 2).

Наполнение промежуточной емкости продолжается до тех пор, пока давление в камере нагнетания превышает давление в промежуточной емкости, после чего промежуточную емкость отключают от камеры сгорания. На диаграмме представлен случай, когда завершение наполнения промежуточной емкости совпадает с приходом основного поршня в ВМТ (абсцисса 3). Сам процесс наполнения промежуточной емкости на диаграмме отмечен прямоугольником между абсциссами 2...3 со стрелкой во внутрь и штриховкой между траекториями положения основного и автономного поршней.

В процессе наполнения промежуточной емкости давление в общей системе "промежуточная емкость - камера нагнетания" повышается до значения р_нап, а в камере сгорания остается на уровне р_с ^КС=р_с<р_нап.

Процесс сгорания. Процесс сгорания начинается с подачи окислителя из промежуточной емкости в камеру сгорания (абсцисса 4). Вначале окислитель перемешивается со средой, находящейся там, давление в объединенной системе "промежуточная емкость - камера сгорания" принимает значение р_см. После завершения перемешивания окислителя с горячими газами и топливом камеры сгорания и с началом горения промежуточную емкость отключают от цилиндра.

На диаграмме процесс подачи окислителя в камеру сгорания представлен прямоугольником со стрелкой наружу, который расположен между абсциссами 4...5 и отмечен штриховкой от прямоугольника до соответствующих точек траектории автономного поршня.

При контакте окислителя с топливом, которое к этому моменту уже находится в газообразном состоянии, происходит реакция горения. Чем больше окислителя подано в камеру сгорания, тем активнее проходит реакция горения и тем больше тепла выделяется при этом. Регулируя количество поступающего в камеру сгорания окислителя, можно изменять закон выделения теплоты, обеспечивая при этом эффективное преобразование тепловой энергии в механическую работу с учетом химико-физических свойств топлива и динамики изменения объема камеры сгорания. При этом регулирование можно осуществлять одним из следующих приемов или их сочетанием:

- моментом начала подачи окислителя;

- скоростью подачи окислителя;

- режимом подачи окислителя, а именно непрерывно или отдельными дозами.

Дальше процесс сгорания проходит при отключенной промежуточной емкости, давление в которой остается на том же уровне. В камере сгорания давление вначале возрастает и достигает значения p_z (максимальное тепловыделение), а затем по мере уменьшения тепловыделения начинает понижаться. Окончание тепловыделения, т.е. завершение процесса сгорания на диаграмме отмечено абсциссой 5.

Процесс расширения продуктов сгорания. Процесс представлен на диаграммах между абсциссами 5...6 и начинается, когда завершается видимое сгорание. Процесс происходит при движении обоих поршней в сторону НМТ.

Выпуск отработавших газов. Процесс начинается с момента открытия клапана выпуска отработавших газов, а завершается в момент его закрытия. На диаграмме весь процесс выпуска отработавших газов отмечен в верхней части стрелками с собирающей скобкой (ОГ) и расположен между абсциссами 6...7. При этом давление в цилиндре понижается до давления в магистрали выпуска ОГ.

Создание разрежения в цилиндре. Процесс начинается при движении основного поршня в сторону НМТ от ординаты 8 до ординаты 9. Завершается процесс, когда основной поршень при своем движении к НМТ подходит к впускным окнам.

Наполнение камеры нагнетания цилиндра. На диаграмме процесс представлен между абсциссами 9...1. Процесс начинается после того, как при движении в сторону НМТ основной поршень открывает впускные окна, т.е. камера нагнетания сообщается с магистралью впуска свежей порции окислителя. Поскольку в камере нагнетания создано разрежение, свежая порция окислителя (например, воздух из атмосферы) будет поступать в камеру нагнетания. Наполнение будет осуществляться до тех пор, пока не выравняются давления камеры нагнетания и магистрали впуска или основной поршень не перекроет впускные окна при своем обратном движении от НМТ.

После наполнения цилиндра двигателя свежей порцией окислителя, когда основной поршень возвращается в положение Н_а, рабочий цикл повторяется.

Устройство БДВС схематично представлено на чертеже справа от диаграммы перемещения поршней и повторяет устройство, описанное в прототипе, при этом добавлены следующие элементы:

- промежуточная емкость 6 со встроенным теплообменником (ТО);

- дополнительные окна 10 и 11 в корпусе цилиндра 1 для подачи окислителя из камеры нагнетания в промежуточную емкость и из промежуточной емкости в камеру сгорания соответственно;

- магистраль подачи окислителя из камеры нагнетания в промежуточную емкость с клапаном 4;

- магистраль подачи окислителя из промежуточной емкости в камеру сгорания с регулирующим клапаном 5.

При любом положении поршней пространство между автономным поршнем и крышкой цилиндра представляет объем камеры сгорания, а между автономным поршнем и основным - объем камеры нагнетания.

Перед началом процесса сжатия в камерах нагнетания и сгорания находится свежая порция окислителя и остаточные продукты сгорания (горячие газы) соответственно. Положения основного 3 и автономного 7 поршней соответствуют ординатам Н_а и h_a, давление в камерах одинаково и равно р_а. Промежуточная емкость 6 заполнена средой с окислителем при давлении, превышающем р_а, и отключена от цилиндра клапанами 4 и 5.

Устройство работает следующим образом.

В процессе сжатия оба поршня перемещаются в одном направлении в сторону ВМТ, давление в камерах увеличивается и достигает значения р_с.

Процесс сжатия заканчивается и начинается процесс досжатия, когда автономный поршень 7 "садится" на упор 9 и останавливается на нем (ордината h_с). Основной поршень при дальнейшем перемещении в сторону ВМТ сжимает только среду, находящуюся в камере нагнетания. В результате давление в камере сгорания остается на прежнем уровне р_с ^КС=р_с, а в камере нагнетания продолжает расти.

В момент, когда давление в камере нагнетания превысит давление в промежуточной емкости на требуемую величину, клапан 4 открывается. Продолжая движение в сторону ВМТ, основной поршень выталкивает окислитель из камеры нагнетания в промежуточную емкость 6 и давление в системе "промежуточная емкость - камера нагнетания" возрастает. В то же время в камере сгорания давление продолжает оставаться неизменным (см. диаграмму давлений на чертеже). Когда основной поршень 3 приходит в ВМТ, повышение давления в системе "промежуточная емкость - камера нагнетания" прекращается, достигая значение Р_нап, процесс досжатия завершается. Этот момент зафиксирован на схеме устройства. Промежуточная емкость 6 отключается клапаном 4 от камеры нагнетания цилиндра.

До тех пор, пока промежуточная емкость 6 отключена от камеры сгорания цилиндра, реакции горения не происходит, хотя горючая смесь может быть полностью подготовлена к горению.

Сгорание топлива начнется только после открытия клапана 5, который обеспечит поступление в камеру сгорания окислителя из промежуточной емкости. При необходимости прекращения подачи окислителя в камеру сгорания клапан 5 закрывается. Т.о. регулируя моменты открытия и закрытия клапана 5, можно управлять продолжительностью и положением относительно ВМТ процесса тепловыделения.

Кроме этого, клапаном 5 можно управлять и скоростью тепловыделения, которая зависит от количества окислителя, поступающего в камеру сгорания в единицу времени. Выбирая момент открытия и закрытия, а так же регулируя клапаном 5 скорость подачи окислителя, можно при заданной динамике изменении объема камеры сгорания подобрать такой процесс тепловыделения, который будет соответствовать максимальной эффективности преобразования теплоты в механическую работу, независимо от режима работы двигателя и сорта топлива.

При необходимости можно расширить возможности регулирования, обеспечив прерывистую подачу дозированных порций окислителя, т.е. путем применения последовательных подключений и отключений промежуточной емкости 6 к камере сгорания цилиндра.

После закрытия клапана 5 промежуточная емкость 6 остается отключенной от цилиндра двигателя 1 во всех последующих процессах цикла вплоть до процесса досжатия, когда происходит очередное наполнение промежуточной емкости.

Окна 11, через которые окислитель поступает непосредственно в камеру сгорания, профилируют и ориентируют таким образом, чтобы в камере сгорания обеспечивалось эффективное перемешивание окислителя с топливом и равномерное выгорание последнего.

Для повышения эффективности внутрицилиндровых процессов можно использовать теплообменник, который может быть встроен в промежуточную емкость. При этом в случае необходимости можно увеличить время контакта окислителя с теплоносителем при нахождении окислителя в промежуточной емкости. Для этого достаточно окислитель направить не в камеру сгорания цилиндра, из которого окислитель был подан в промежуточную емкость (пунктирная линия - 1 на чертеже), а в камеру сгорания другого цилиндра, например во второй, для двухцилиндрового двигателя, как это отображено на чертеже. В этом случае тепловое воздействие увеличивает на время, соответствующее 360°ПКВ. Для трехцилиндровых двигателей этот период можно увеличить еще на 180°ПКВ и т.д..

Пока промежуточная емкость 6 отключена от рабочего объема цилиндр 1 клапанами 4 и 5, она не участвует в работе цикла. Поэтому все остальные процессы, начиная с процесса сгорания и далее до процесса досжатия, происходят идентично описанным в прототипе и не требуют подробных повторных объяснений.

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования тепловой энергии в механическую работу. Сущность изобретения заключается в том, что свежую порцию окислителя из камеры нагнетания направляют в промежуточную емкость, изолированную от рабочего объема цилиндра двигателя, и только потом окислитель подают в камеру сгорания двигателя, регулируя начало, скорость и режим подачи окислителя. Благодаря этому осуществляется управление интенсивностью тепловыделения, при котором обеспечивается эффективное преобразование тепловой энергии в механическую работу. Предусмотрена возможность охлаждения или подогрева окислителя перед подачей его в камеру сгорания. В двигателе используется промежуточная емкость, а в корпусе цилиндра устанавливаются дополнительные окна, которые при помощи магистралей с клапанами соединяют камеры цилиндра с этой емкостью. Причем клапан на магистрали подачи окислителя из промежуточной емкости в камеру сгорания выполнен регулирующим, а сама промежуточная емкость снабжена теплообменником. Для расширения возможностей обеспечения эффективной работы двигателя подключение промежуточной емкости можно производить прерывистыми порциями (дозами), а также в камеру сгорания другого цилиндра. 2 с.и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы бинарного двигателя внутреннего сгорания, включающий процесс раздельного сжатия свежей порции окислителя в камере нагнетания и горячих газов в камере сгорания, процесс досжатия свежей порции окислителя, подачу этой среды в камеру сгорания, сгорание и расширение продуктов сгорания с передачей энергии продуктов сгорания на вал двигателя через сжимаемую среду, не участвующую в сгорании, создание разрежения и наполнение цилиндра двигателя свежей порцией окислителя, при котором исключают контакт этой среды с горячими газами камеры сгорания, отличающийся тем, что в процессе досжатия свежую порцию окислителя из камеры нагнетания направляют в промежуточную емкость, а из промежуточной емкости производят подачу свежей порции окислителя в камеру сгорания, регулируя начало, скорость и режим подачи.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей свежей порции окислителя в камеру сгорания ее подвергают тепловому воздействию, а для увеличения длительности теплового воздействия окислитель подают в камеру сгорания другого цилиндра.3. Устройство бинарного двигателя внутреннего сгорания, состоящее из цилиндра с окнами впуска свежей порции окислителя, клапанами выпуска отработавших газов и элементами топливоподачи, двух поршней, один из которых - основной - кинематически связан с валом двигателя, а второй автономный разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания, кинематически не связан с валом двигателя и перемещается вдоль оси цилиндра под действием разности давлений в этих камерах, причем не дальше упора, установленного внутри цилиндра, отличающееся тем, что в двигателе установлена промежуточная емкость, расположенная вне рабочего объема цилиндра двигателя, а в корпусе цилиндра предусмотрены дополнительные окна, расположенные в районе упора, которые при помощи своих магистралей с клапанами сообщают цилиндр с этой емкостью, причем на магистрали подачи окислителя в камеру сгорания цилиндра установлен регулирующий клапан, а окна этой камеры профилированы и ориентированы так, что обеспечивают эффективное перемешивание и равномерное выгорание топлива.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что промежуточная емкость снабжена встроенным теплообменником.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что магистраль подачи окислителя из промежуточной емкости подключена к камере сгорания другого цилиндра.