Ссылка на Сопутствующие Заявки
Данная заявка притязает на приоритет даты заполнения обычной заявки на патент США №14/279,580, заполненной 16 мая 2014 г., которая является частично продолжающей заявкой обычной заявки на патент США №14/200,202, заполненной 7 марта 2014 г.
Область Техники Изобретения
Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а точнее к области четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием ИЗ-ДВС (англ. Spark Ignition - Internal Combustion Engines (SI-ICE)).
Предпосылки к Созданию Изобретения
Эффективность стандартного четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания ограничивается взаимоотношением степени сжатия и температур высокого давления компрессии при предварительном зажигании. Это связано с необходимостью избегать температур предварительного зажигания, близких к порогу температуры самовоспламенения топлива, при превышении этих температур эффект стука будет ухудшать эффективность и сократит срок службы двигателя. Поскольку температура всасываемого воздуха в стандартном четырехтактном двигателе зависит от температуры окружающей среды, которая может обычно варьироваться от -20°С до +42°С, при максимальной компрессии внутри цилиндра двигателя этот диапазон температур окружающей среды приводит к дисперсии температуры в 120°С при предварительном зажигании. Вследствие этой разницы температур при предварительном зажигании стандартные четырехтактные двигатели, как правило, ограничиваются низкой степенью сжатия (СС) - это параметр, который представляет собой отношение общего объема цилиндра двигателя к объему камеры сгорания. Для двигателей, использующих стандартное бензиновое топливо, СС обычно не превышает 8, что ограничивает компрессию двигателей с предварительным зажиганием до 15 бар максимум.
Такие температура и давление ограничивают возможности конструкции стандартного четырехтактного двигателя и не только снижают эффективность его работы, но также приводят к необходимости использовать более крупные и тяжелые двигатели и сужают выбор типов топлива до тех, что позволяют двигателям работать без стука.
Настоящее изобретение предлагает конструкцию четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с одно- или многоступенчатым предварительным охлаждением компрессии, для обозначения которого мы будем использовать аббревиатуру «ВССПС» - внутреннее сгорание с предварительным сжатием (или англ. «CWPSC» - Combustion With Pre-Stage Compression). Как будет описано в дальнейшем, такая конструкция позволяет температуре и давлению всасываемого в цилиндры сгорания воздуха находится под жестким контролем таким образом, что гораздо более высокая степень сжатия и давление при предварительном зажигании могут быть обеспечены без приближения к порогу самовоспламенения. Более того, так как новая конструкция может эффективно регулировать и устанавливать максимальную температуру предварительного зажигания воздушно-топливной смеси, такой двигатель может работать практически на любом типе жидкого углеводородного топлива без опасности стука.
Четырехтактный двигатель настоящего изобретения, благодаря его гораздо более высокой степени сжатия, генерирует энергию эквивалентную или больше, чем стандартный четырехтактный двигатель, в более легком и маленьком корпусе и в среде, где все основные параметры двигателя находятся под контролем для достижения его максимальной мощности и эффективности.
Краткое Описание Изобретения
Рабочий цикл стандартного бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выхлопа. Во время такта впуска, поршень перемещается вниз и воздушно-топливная смесь всасывается в цилиндр. За этим следует такт сжатия, при котором поршень движется вверх и сжимает воздушно-топливную смесь до нужного давления для предварительного зажигания. Такт сжатия достигает кульминации при импульсном зажигании воздушно-топливной смеси, которая двигает поршень вниз в такте рабочего хода. В такте выхлопа поршень снова перемещается вверх для отвода выхлопного газа из цилиндра в процессе подготовки к следующему такту впуска.
Мощность генерируется в четырехтактном процессе сгорания во время такта рабочего хода, когда зажженная воздушно-топливная смесь расширяется в цилиндре, в результате чего давление внутри падает. В соответствии с Комбинированным Законом Газа, величина PV/T остается постоянной во время этого расширения (где Р представляет собой давление газа в бар, V является объемом газа в литрах, а Т - температурой газа в Кельвинах). Следовательно, при заданной степени сжатия падение давления должно сопровождаться непропорциональным уменьшением абсолютной температуры. Так как уменьшение абсолютной температуры определяет механическую энергию, доступную для передачи коленчатому валу через поршень во время такта рабочего хода, коэффициент полезного действия двигателя оптимизируется за счет максимального перепада давления в ходе такта рабочего хода. Это, в свою очередь, требует, чтобы давление при предварительном зажигании максимизировалось за счет устранения негативного воздействия высоких температур.
В стандартном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания всасываемый воздух поступает в цилиндр сгорания при окружающей температуре и атмосферном давлении (примерно в 1 бар). Производители таких двигателей обычно делают их со степенью сжатия (СС) примерно равной 8 для использования с обычным топливом. Мы рассмотрим эту СС как среднее значение и будем основывать наши примерные вычисления на ней. Применяя формулу адиабатического процесса для газа: P(V)γ = Константа (с давлением воздуха γ, коэффициент 1,3), где атмосферное давление Ра=1 бар, мы рассмотрим в качестве примера цилиндр двигателя с объемом Ve=1 литр. Так как СС=8, объем зажигания равен 1/8 от Ve, то этот объем зажигания Vi=0,125. Таким образом:
Pa(Ve)γ=Pi(Vi)γ
Pa(Ve)1,3=Pi(Vi)1,3
(1)(1)1,3=Pi(0,125)1,3
Pi=14,92 бар
Следовательно, в стандартном двигателе максимально допустимое давление предварительного зажигания Pi=14,92 бар. Максимальная температура газа при предварительном зажигании, таким образом, зависит от температуры окружающей среды. Если в качестве примера рассматривать температуру окружающей среды в 27°С (300 К) и применить Комбинированный Закон Газа, температуру Ti сжатого воздуха в цилиндре в верхней мертвой точке (ВМТ) можно рассчитать следующим образом:
PaVe/Te=PiVi/Ti
(1)(1)/300=(14,92)(0,125)/Ti
Ti=560 K или 287°C
Таким образом, температура предварительного зажигания сжатой воздушно-топливной смеси должна быть ниже температуры самовоспламенения (287°С в данном случае). Однако по современным стандартам бензиновых ИЗ-ДВС (или SI-ICE) двигателей, производители должны учитывать максимально высокую потенциальную температуру окружающего воздуха, что составляет приблизительно 42°С (315 К). В таком случае максимальная температура предварительного зажигания:
Pa(Ve)Ta=Pi(Vi)Ti
(1)(1)315=(14,92)(0,125)/Ti
Ti=587 K или 314°С
Следовательно, все бензиновое топливо, которое используются сегодня, обладает температурой самовоспламенения не менее чем 314°С. Это значение будет рассматриваться как верхний предел температуры в наших расчетах с целью сравнения конструкций двигателей.
В данном изобретении на предварительном этапе используется компрессор, который сжимает всасываемый воздух, а теплообменник охлаждает сжатый воздух до того, как он попадает в цилиндр сгорания. Это делается с целью значительного увеличения КПД двигателя за счет увеличения степени сжатия воздушно-топливной смеси в двигателе перед зажиганием. Для достижения такого повышения КПД двигателя необходимо осуществить важный процесс теплообмена с окружающей средой. Данное изобретение уменьшает температуру всасываемого воздуха, чтобы понизить температуру предварительного зажигания воздушно-топливной смеси в бензиновых двигателях и сохранять ее постоянной вне зависимости от изменения температуры окружающей среды. Благодаря этому достигается гораздо большее сжатие воздушно-топливной смеси перед искровым зажиганием - по сравнению со степенью только воздушного сжатия в дизельных двигателях. Уменьшая температуру всасываемого воздуха на, например, 100°С, температура предварительного зажигания воздушно-топливной смеси понизится на 200°С.
Как покажут расчеты ниже, для процесса, описанного выше, чтобы он функционировал должным образом, компрессор должен сжимать всасываемый воздух выше минимального порогового значения давления в приблизительно 1,8 бар, а минимальный спад температуры сжатого воздуха, охлаждаемого в теплообменнике, должен быть более чем на 50°С. В то время как результаты будут наблюдаться при давлениях выше 2,1 бар, наилучшие результаты будут достигнуты при давлениях сжатия впускаемого воздуха в 3 бар или выше. Если, к примеру, компрессор сжимает воздух при значении в, или выше 1,8 бар (как это происходит в турбонагнетателях), необходимый эффект теплообмена не будет материализоваться, чтобы достичь существенного увеличения степени сжатия двигателя, так как дисперсия температуры окружающей среды будет больше, чем спад температуры в теплообменнике, и, следовательно, требуемое увеличение степени сжатия не будет материализовано. Именно поэтому турбонагнетатели не способствуют значительному увеличению степени сжатия, а лишь увеличивают мощность двигателя за счет большей всасываемости воздуха, не усиливая эффективность работы двигателя.
С другой стороны, одна из целей настоящего изобретения - это регулирование температуры предварительного зажигания воздушно-топливной смеси таким образом, чтобы увеличить степень сжатия (СС) и конечное давление предварительного зажигания, обеспечивая тем самым более высокую эффективность работы двигателя. Если, например, двигатель имеет объем цилиндра Ve и компрессор с объемом Va, объем сжатого воздуха Vc равен объему поступающего в цилиндр двигателя воздуха Vt, который меньше, чем Ve, и компрессор сжимает поступающий воздух при температуре Та=27°С до менее чем одной трети его общего объема Va, который для объема Vc=Vt=0,3Va, то давление воздуха перед всасыванием Рс можно рассчитать следующим образом (применяя формулу адиабатического процесса для газа с коэффициентом 1,3 для сжатия воздуха):
Pa(Va)1,3=Pc(Vc)1,3
(1)(1)1,3=Рс(0,3)1,3
Рс=4,78 бар
Применяя Комбинированный Закон Газа, температура перед всасыванием Тс этого сжатого воздуха может быть рассчитана следующим образом:
Pa(Va)Ta=PcVc/Tc
(1)(1)/300=(4,78)(0,3)/Tc
Tc=430 K=157°С
Теплообменник настоящего изобретения затем охладит сжатый заранее забранный воздух при постоянном объеме впуска Vt=Vc=0,3 Va до необходимой в цилиндре температуры Tt, которая определяется максимальной температурой окружающего воздуха, степенью сжатия двигателя СС и температурой самовоспламенения топлива. Температура горячего сжатого воздуха должна быть, поэтому, снижена до необходимой постоянной величины Tt=318 K или 45°С, как пример к данному изобретению, или быть на 3°С теплее, чем 42°С, что предположительно является максимальной температурой окружающего воздуха. Тогда давление Pt охлажденного забранного воздуха:
PcVt/Tc=PtVc/Tt
(4,78)(0,3)/430=Pt(0,3)/318
Pt=3,53 бар
Таким образом, наш двигатель будет работать при постоянной температуре сжатого забранного воздуха в 45°С, вне зависимости от колебаний температуры окружающего воздуха, и при давлении забранного воздуха в 3,53 бар, в данном случае, но давление забранного воздуха будет варьироваться в соответствии с изменением температуры окружающей среды. Как покажут вычисления ниже, уменьшая температуру всасываемого воздуха на примерно 100°С, сжатый воздух в камере сгорания (ВМТ) будет иметь температуру примерно на 200°С ниже, чем она была бы в противном случае, обеспечивая, таким образом, гораздо более высокую степень сжатия в подобных двигателях. Этот процесс эквивалентен разделению такта сжатия двигателя на две фазы с фазой охлаждения между ними: то есть сжатие-охлаждение-сжатие снова, чтобы достичь более высокой компрессии предварительного зажигания.
Давление всасывания этих примерных двигателей будет варьироваться в пределах от 3,36 бар в самую жаркую погоду (42°С) до примерно 4,18 бар в самую холодную (-20°С), в результате чего они будут производить больше энергии или работать эффективнее, если отдаваемая мощность будет поддерживаться на постоянном уровне, с немного большей эффективностью в прохладную погоду, нежели жаркую. Температура этой воздушно-топливной смеси в камере сгорания непосредственно перед зажиганием не изменится, и это будет постоянная величина вне зависимости от изменения температуры окружающей среды, так как это функциональный показатель температуры всасываемого воздуха, который все время поддерживается на постоянном уровне.
Вышеизложенное суммирует общие конструктивные особенности настоящего изобретения. В следующих разделах конкретные модификации настоящего изобретения будут описаны более подробно. Эти специфические модификации предназначены для демонстрации возможности реализации настоящего изобретения в соответствии с общими конструктивными особенностями оговоренными выше. Таким образом, подробные описания этих модификаций предлагаются в качестве иллюстрации, и только в целях показания примера. Они не предназначены для ограничения возможностей вышеизложенных сведений либо последующих утверждений.
Краткое Описание Чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии 1» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии.
Фиг. 2 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии 1» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.
Фиг. 2А представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии 1А» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.
Фиг. 3 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии и процессом захвата энергии в том же компрессоре/блоке расширения.
Фиг. 4 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.
Фиг. 5 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую такты впуска/сжатия/рабочего хода/выхлопа в двигателе представленного изобретения в «Версии II» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого из перечисленных тактов в компрессоре.
Фиг. 6 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II(A)» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии и процессом захвата энергии в мощной высокоскоростной турбине, которая может быть использована для приведения в действие предварительного осевого компрессора и/или заряда батарей с помощью генератора в транспортных средствах, которые могут иметь двойной привод питания, обладая небольшими размерами и мощным двигателем внутреннего сгорания, а также привод электродвигателя, где система может переключаться между этими двумя приводами.
Фиг. 7 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II(А)» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии и процессом захвата энергии в мощной высокоскоростной турбине, принимая во внимание угловое вращения коленчатого вала.
Фиг. 8 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую удлиненный процесс расширения в представленном изобретении в «Версии II» четырехтактных двигателей и канал, который соединяет блок цилиндра двигателя с компрессором/блоком цилиндра расширения.
Фиг. 9 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую в представленном изобретении в «Версии II» четырехтактного двигателя конструкцию компрессора/блока расширения, который служит двойной цели.
Фиг. 10 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии III» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии.
Фиг. 11 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии III» четырехтактных двигателей и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.
Фиг. 12 и 12А являются примерами P-V (давление-объем) диаграмм стандартного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре со степенью сжатия СС=8 и объемом цилиндра двигателя размером Ve=1 литр.
Фиг. 13 и 13А являются примерами P-V диаграмм гипотетического стандартного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре со степенью сжатия СС=24.
Фиг. 14, 14А, 15, 15А, 16 и 16А являются примерами P-V диаграмм процесса сгорания в одном цилиндре четырехтактного двигателя «CWPSC» для Версий: «Версия I», «Версия II», «Версия II(А)» и «Версия III» со степенями сжатия СС=24, 25,2, 25,2 и 24 соответственно.
Подробные Описания Предпочтительных Модификаций Изобретения
Ссылаясь на приведенные выше описания двигателя с предварительной компрессией, эти двигатели могут быть разработаны в четырех демонстрационных модификациях «Версия I», «Версия II», «Версия II(A)» и «Версия III».
Следует понимать, что конструкция одного цилиндра сгорания следующих демонстрационных модификаций может быть расширена до нескольких цилиндров сгорания, каждый из которых будет иметь несколько предварительных компрессоров и несколько теплообменников.
«Версия I» Конструкции Двигателя с Предварительной Компрессией
В данной версии, показанной на Фиг. 1 и 2, общий рабочий объем компрессора двигателя будет равен объему цилиндра двигателя. В качестве примера объем цилиндра компрессора Va выбран в размере 1/2 литра. Так как компрессор выполняет 2 полных цикла за 1 такт двигателя в этой версии, Va*2=1 литр, таким образом, объем цилиндра двигателя Ve тоже будет равен 1 литру. Будем считать, что бензиновый двигатель объемом 1 литр должен быть сконструирован со степенью сжатия СС=24 и максимальной температурой сжатия перед зажиганием 310°С. Как покажут дальнейшие расчеты, для этих необходимых предельных параметров объем потребления этого двигателя должен быть примерно Vt=0,3 литра. Тогда компрессор будет сжимать воздух в объем Vt, что меньше, чем объем Va*2, так как цилиндр двигателя Ve сможет обеспечить забор на короткий период во время цикла, который только лишь Vt=Vc=0,3 (постоянная) от объема цилиндра двигателя в этом примере, когда протекает процесс. Процесс впуска начнется с приблизительного положения коленчатого вала в 0° и закончится в положении примерно 71° в такте, в этой точке впускные клапаны будут закрыты и больше воздушно-топливной смеси не сможет попасть в цилиндр двигателя. Так как в данной точке объем впуска Vt примерно 0,3 от размера объема цилиндра двигателя Ve, воздух будет сжиматься компрессором, так как гораздо меньшая, чем 1 литр, емкость потребления двигателя доступна. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где коэффициент сжатия воздуха составляет 1,3, компрессор будет сжимать воздух при давлении Рс:
Pa(Va*2)1,3=Pc(Vc)1,3
(1)(1)1,3=Рс(0,3)1,3
Рс=4,78 бар
Применяя Комбинированный Закон Газа, температура Тс этого сжатого воздуха может быть рассчитана следующим образом:
PaVa2/Ta=PcVc/Tc
(1)(1)/300=(4,78)(0,3)/Тс
Тс=430 K=157°С
Применяя Комбинированный Закон Газа, и охлаждая сжатый воздух до 318 K, давление впуска Pt рассчитывается следующим образом:
PcVc/Tc=PtVt/Tt
(4,78)(0,3)/430=Pt(0,3)/318°
Pt=3,53 бар
Этот сжатый воздух будет попадать в двигатель в течение короткого такта впуска 0,3 от размера объема цилиндра двигателя Ve на более высокой скорости, чем воздух при стандартном атмосферном давлении, и топливо при впуске будет распыляться лучше, чем в стандартных двигателях. Мы будем рассматривать этот процесс как изобарный, так как впускной объем цилиндра двигателя равный 0,3 литра гораздо меньше, чем у всех резервуаров, плюс объемы охлаждающих воздух радиаторов, и так как компрессор продолжает сжимать воздух. Температура всасываемого воздуха Tt будет постоянной 318 K (45°С) вне зависимости от температуры окружающего воздуха в это время. К концу такта впуска, при котором коленчатый вал находится в позиции примерно 71°, воздушно-топливная смесь внутри цилиндра двигателя будет находиться под давлением 3,53 бар, в данном примере, и иметь температуру приблизительно 318 K - всегда постоянное значение.
По мере того как цилиндр движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ), в направлении позиции коленчатого вала на 180°, объем воздушно-топливной смеси расширяется, тем самым помогая поршню двигаться вниз, но также понижая температуру самой воздушно-топливной смеси - адиабатический процесс. Применяя формулу адиабатического процесса для газа с коэффициентом 1,3 для сжатия воздуха:
Pt(Vt)1,3=Pe(Ve)1,3
(3,53)(0,3)1,3=Ре(1)1,3
Ре=0,738 бар
где Ре=0,738 бар - это давление воздушно-топливной смеси в НМТ цилиндра двигателя. Температура Те воздушно-топливной смеси тогда, применяя Комбинированный Закон Газа, в НМТ считается следующим образом:
PtVt/Tt=PeVe/Te
(3.,53)(0,3)/318=(0,738)(1)/Те
Те=222 K=-51°С
Эта очень низкая температура Те=222°K для воздушно-топливной смеси в НМТ позволяет нам иметь гораздо более высокую степень сжатия в камере сгорания без превышения температур самовоспламенения воздушно-топливной смеси. Так как мы выбрали двигатель, который имеет СС=24 (значительно более высокое значение, чем 8), давление Pi в камере сгорания непосредственно перед зажиганием в ВМТ для сжатого объема камеры Vi=1 литр / 24 СС=0,042 литра считается по формуле адиабатического процесса для газа следующим образом:
Pe(Ve)1,3=Pi(Vi)1,3
(0,738)(1)1,3=Pi(0,042)1,3
Pi=45,48 бар
Температура Ti сжатой воздушно-топливной смеси перед сгоранием, применяя Комбинированный Закон Газа, вычисляется в ВМТ следующим образом:
PeVe/Te=PiVi/Ti
(0,738)(1)/222=(45,48)(0,042)/Ti
Ti=575 K=302°С
Такой двигатель будет работать со СС=24 и давлением предварительного зажигания воздушно-топливной смеси в приблизительно 46 бар при температуре окружающей среды в 27°С. Температура предварительного зажигания сжатой воздушной смеси, таким образом, 302°С - всегда постоянная величина, которая ниже, чем в стандартном двигателе, как показывают вычисления выше. Эта концепция может быть применена для любой требуемой температуры предварительного зажигания, позволяя нам сконструировать двигатель, который может работать на любом топливе без каких-либо потерь в эффективности двигателя.
Процесс впуска в двигателях «Версии I» также может заканчиваться не на 71°, когда поршень движется вниз во время своего такта впуска, а когда поршень движется вверх, во время такта сжатия, или на 289° угловой позиции вращения коленчатого вала, с тем же самым результатом, так как в этот момент объем впуска Vt остается примерно 0,3 от объема цилиндра двигателя Ve, когда впускные клапаны закрыты, а воздух будет также сжиматься компрессором.
Сравним теперь эффективность стандартного двигателя и двигателя «Версии I» с предварительной компрессией. Если предположить, что энергия, выделяемая при сжигании топливной смеси внутри камеры сгорания будет в таком количестве, что это приведет к увеличению температуры и, следовательно, давлению газа в примерно 2,5 раза, и предполагая, что сжатый объем не меняется во время зажигания, можно провести некоторые сравнения, чтобы оценить каждый из этих двигателей в отношении друг к другу.
1 - Характеристика стандартного двигателя, СС=8:
Применяя формулу Комбинированного Закона Газа после процесса горения:
PiVi/Ti=PfVf/Tf
(14,92)(0,125)/560=(37,3)(0,125)/Tf
Tf=1400 K
где Pf - давление газа после процесса горения, Vf - объем двигателя после процесса горения и Tf - температура газа после горения. Поскольку мы считаем, что процесс горения происходит так быстро, что объем двигателя не меняется во время этого процесса, тогда Vf=Vi=0,125 литра.
Рассмотрим теперь процесс расширения, который, фактически, является основным рабочим процессом в двигателе. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где коэффициент сжатия воздуха составляет 1,3, мы можем вычислить давление выхлопного газа Рх:
Pf(Vf)1,3=Px(Ve)1,3
(37,3)(0,125)1,3=Рх(1)1,3
Рх=2,5 бар
Применяя формулу Комбинированного Закона Газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить температуру выхлопного газа Тх:
PfVf/Tf=PxVe/Tx
(37,3)(0,125)/1,400=(2,5)(1)/Тх
Тх=751 K
Таким образом, стандартный двигатель будет иметь давление выхлопного газа Рх=2,5 бар и температуру выхлопного газа Тх=751 K.
2- Характеристика двигателя с предварительной компрессией «Версии I», СС=24:
Применяя формулу Комбинированного Закона Газа к процессу после горения:
PiVi/Ti=PfVf/Tf
(45,48)(0,042)/575=(113,7)(0,042)/Tf
Tf=1437 K
где Pf - давление газа после процесса горения, Vf - объем двигателя после процесса горения и Tf - температура газа после горения. Поскольку мы считаем, что процесс горения происходит так быстро, что объем двигателя не меняется во время этого процесса, тогда Vf=Vi=0,042 литра.
Рассмотрим теперь процесс расширения, который, фактически, является основным рабочим процессом в двигателе. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где коэффициент сжатия воздуха составляет 1,3, мы можем вычислить давление выхлопного газа Рх:
Pf(Vf)1,3=Px(Ve)1,3
(113,7)(0,042)1,3=Рх(1)1,3
Рх=1,84 бар
Применяя формулу Комбинированного Закона Газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить температуру выхлопного газа Тх:
PfVf/Tf=PxVe/Tx
(113,7)(0,042)/1437=(1,84)(1)/Тх
Тх=554 K
Таким образом, двигатель с предварительной компрессией CWPSC «Версии I» будет иметь давление выхлопного газа Рх=1,84 бар, что ниже, чем у стандартного двигателя (2,5 бар), и температуру выхлопного газа Тх=554 K, что примерно на 200° ниже, чем у стандартного двигателя. Из этого следует, что двигатель с предварительной компрессией обладает большей энергией, преобразуемой в работу, чем его стандартный аналог, и, следовательно, более эффективен с точки зрения превращения теплоты сгорания в механическую энергию.
Обратимся к Фиг. 1, который схематически показывает первую модификацию примерного четырехтактного одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с предварительно охлаждаемой компрессией 20, и назван «Версия I». Блок двигателя 1 включает в себя предварительный компрессор 2, цилиндр сгорания 8 и теплообменник с воздушным охлаждением 4. В этой модификации цилиндр сгорания 8 и компрессор 2 подсоединены к одному коленчатому валу 9 и маховику 17. В результате четырехтактного процесса сгорания 19, компрессор 2 завершит два такта сжатия для каждого полного цикла сгорания. Таким образом, во время каждого цикла сгорания компрессор 2 будет всасывать и сжимать объем воздуха равный двойному объему его цилиндра.
Фиг. 2 - это схема примерного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре 19, включающая короткий процесс впуска 11 (0°-71°), такты расширения холодного воздуха 13 (71°-180°), сжатия 14 (180°-360°), расширения горячего газа 12 (360°-540°) и выхлопа 15 (540°-0°), со степенью сжатия СС 10 при 24:1.
Относительные объемы цилиндра компрессора 2 и цилиндра сгорания 8 выбраны так, чтобы достичь спроектированного давления сжатого воздуха Рс. В примерной конфигурации Фиг. 1 цилиндр сгорания 8=1 литру, а цилиндр компрессора 2=0,5 литра. Таким образом, для каждого цикла сгорания двигателя компрессор 2 будет всасывать и сжимать 1 литр окружающего воздуха. Если окружающий воздух находится под давлением Ра и имеет температуру Та, тогда газовые законы могут быть применены, чтобы рассчитать давление сжатого воздуха Рс в примерно 4,78 бар и температуру Тс в примерно 157°С. За счет увеличения объема цилиндра компрессора 2 относительно цилиндра сгорания 8 значения Рс и Тс могут быть увеличены для достижения более высоких расчетных значений, как это требуется.
Сжатый воздух при давлении Рс и температуре Тс хранится в предварительном воздушном резервуаре 3, который имеет клапан регулирования давления 5 для поддержания заданного давления Рс. Сжатый воздух из резервуара 3 затем выпускается, без увеличения давления, в теплообменник с воздушным охлаждением 4, Скорость теплообмена в теплообменнике 18 контролируется скоростью вращения вентилятора.
Эти средства контроля теплообмена могут регулироваться с помощью центрального процессора (ЦП не показан), основываясь на показаниях датчиков давления 5 или дросселя 21 перед теплообменником, чтобы достичь необходимой впускной температуры в цилиндре сгорания Tt. Необходимая температура всасываемого воздуха Tt выбрана таким образом, чтобы избежать стука в двигателе с заданной степенью сжатия СС, которая основана на температуре самовозгорания топлива. В качестве альтернативы ЦП может быть запрограммирован, чтобы контролировать скорость теплообмена для достижения различных впускных температур цилиндра сгорания Tt таким образом, чтобы избежать стука при различных регулируемых степенях сжатия и/или температурах самовоспламенения топлива.
Фиг. 12 и 12А представляют собой P-V (давление-объем) диаграммы 42 стандартного двигателя в 1 литр со СС=8, где
а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 2,010PV/такт,
b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 5,035PV/такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 1,880PV/такт,
d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,
е - баланс работы, накопленный двигателем = 3,025PV/такт.
Упрощенный КПД этого двигателя: Е=3,025/4,905=61%.
В то же время Фиг. 13 и 13А представляют собой P-V диаграммы 43 стандартного «Гипотетического» двигателя в 1 литр, в котором предположительно очень высокая степень сжатия СС=24, без учета температуры предварительного зажигания с целью сравнения с двигателем «CWPSC», где
а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 4,33PV/такт,
b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 10,72PV/такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 2,15PV/такт,
d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,
е - баланс работы, накопленный двигателем = 6,39PV/такт,
Упрощенный КПД этого двигателя: Е=6,39/8,54=75%.
Фиг. 14 и 14А представляют собой P-V диаграмму 44 двигателя CWPSC «Версии I» в 1 литр со степенью сжатия СС=24, с целью сравнения со стандартным двигателем или
стандартным «Гипотетическим» двигателем, где
а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 1,99PV/такт,
b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 8,18PV/такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 1,075PV/такт,
d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,
е - баланс работы, накопленный двигателем = 4,465PV/такт,
f - работа, потраченная на компрессор = 1,09PV/такт,
g - работа, потерянная на охлаждении предварительно всасываемого воздуха = 0,635PV/такт.
Упрощенный КПД этого двигателя: Е=4,465/5,54=81%.
«Версия II» и «Версия II(A)» Конструкции Двигателя с Предварительной Компрессией
В Версии II, показанной на Фиг. 3-5, объем компрессора двигателя будет больше, чем объем цилиндра двигателя: Ve<Va. Объем двигателя будет небольшим по размеру в сравнении с выходной мощностью двигателя. Рассмотрим, к примеру, что объем цилиндра этого двигателя Ve=0,3 лира, а объем цилиндра компрессора Va=1,2 литра. Цилиндр компрессора будет служить двух целям в двигателе. Он будет осуществлять всасывание/сжатие воздуха в одной половине цикла двигателя (коленчатый вал в положении 180°-540°) и служить в качестве увеличенного цилиндра расширения/выхлопа в другой половине цикла двигателя (коленчатый вал в положении 540°-720° или 0° для удлиненного процесса расширения, и в положении 720° или 0°-180° для процесса выхлопа). Чем больше размер этого цилиндра компрессора (если конструкция это позволяет), тем больше эффективность двигателя. Тогда давление сжатого воздуха Рс будет регулироваться путем использования дроссельной заслонки или клапана нагнетания давления. Фактическая степень сжатия СС этих двигателей не является отношением размера цилиндра двигателя к размеру его камеры сгорания, а, скорее, рассчитывается по формуле:
СС=Pt⋅cc,
где Pt - давление всасываемого воздуха в цилиндре двигателя, а сс - номинальная степень сжатия двигателя, которая равна 7,14 (сс=0,3/0,042=7,14) в данном примере. Тогда степень сжатия:
СС=3,53⋅7,14=25,20
Эти двигатели не имеют укороченный процесс всасывания как в «Версии I». Процесс всасывания этих двигателей протекает нормально, как это происходило бы в стандартном двигателе, при переходе коленчатого вала из позиции 0° в 180°, а давление впуска воздушно-топливной смеси так же высоко и равняется Pt. Цикл сжатия протекает в обычном режиме при положении коленчатого вала на 180°-360°, а расширение протекает в обычном режиме при положении коленчатого вала на 360°-540°. Единственная разница заключается в том, что процесс выхода горячего газа из двигателя (процесс выхлопа) должен произойти при положении коленчатого вала на 540°-720° или 0°, в то же самое время цилиндр компрессора будет доступен при открытии запорных клапанов для горячего газа, для того чтобы принять в цилиндр компрессора удлиненный цикл рабочего хода, удлиненное расширение горячих газов двигателя, которые все еще обладают значительной энергией в размере около половины общей мощности двигателя. Часть цилиндра двигателя для выхлопных газов соединена с компрессором/цилиндром расширения коротким теплоизолированным каналом, как представлено на Фиг. 8, что является удлинением процесса расширения в двигателе. Такая компоновка сохранит значительную часть энергии, а размер этого запаса будет зависеть от объема компрессора Va.
Мы будем называть это «двигатель с захватом», так как он запасает неиспользованную энергию в цилиндре компрессора или в мощной турбине. (Во избежание путаницы: это не просто турбо-устройство, которое заталкивает больше воздуха в современные турбодвигатели, а совершенно другое устройство с совершенно другими возможностями. Это гораздо более мощное устройство, так как почти половина мощности двигателя будет проходить через него.) Расчеты параметров двигателя этой версии происходят так же, как и для первой версии, «Версии I».
Используя известные формулы, и так как Pt=Ре=3,53 бар в этом случае (изобарный процесс):
Pe(Ve)1,3=Pi(Vi)1,3
(3,53)(0,3)l,3=Pi(0,042)1,3
Pi=45,48 бар
Температура Ti сжатой воздушно-топливной смеси перед сгоранием, применяя Комбинированный Закон Газа, высчитывается в ВМТ следующим образом:
PeVe/Te=PiVi/Ti
(3,53)(0,3)/318=(45,48)(0,042)/Ti
Ti=574 K=301°C
Применяя те же принципы, что мы применяем для энергии тепла сгорания топлива в таком количестве, что давление к окончанию сгорания Pf возрастает в 2,5 раза, а объем сгорания остается постоянным, то:
PiVi/Ti=PfVf/Tf
(45,48)(0,042)/574=(113,7)(0,042)/Tf
Tf=1435 K
Применяя формулу адиабатического процесса для газа с коэффициентом 1,3 для сжатия воздуха, мы можем вычислить давление выходящего из двигателя газа Pu (горячий газ еще не превращается в выхлоп):
Pf(Vf)1,3=Pu(Ve)1,3
(113,7)(0,042)1,3=Pu(0,3)1,3
Pu=8,83 бар
Применяя формулу Комбинированного Закона Газа непосредственно перед процессом выхода газа из двигателя, мы можем вычислить температуру выходящего из двигателя газа Tu:
PfVf/Tf=PuVe/Tu
(113,7)(0,042)/1435=(8,83)(0,3)/Tu
Tu=796 K
Таким образом, Pu=8,83 бар, а Tu=796 K представляют собой значительное количество энергии, которая должна быть сохранена. Мы сохраним ее в компрессоре/цилиндре расширения с объемом Va:
Pu(Vf)1,3=Px(Va)1,3
(8,83)(0,3)1,3=Рх(1,2)1,3
Рх=1,46 бар
Применяя формулу Комбинированного Закона Газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить температуру выхлопного газа Тх:
PuVe/Tu=PxVe/Tx
(8,83)(0,3)/796=(1,46)(1,2)/Тх
Тх=526 K
Фиг. 3 иллюстрирует второй пример модификации 22 «Версии II» четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, имеющего один цилиндр сгорания, с одноступенчатой предварительно охлаждаемой компрессией. Этот двигатель работает так же, как и первая модификация 20, за исключением того, что цилиндр компрессора 2 используется для сохранения оставшейся энергии из цилиндра двигателя 8. Цилиндр компрессора 2 служит двум целям: одна - сжатие воздуха, и другая - сохранение оставшейся энергии двигателя. Размер цилиндра компрессора 2 больше, чем цилиндр двигателя 8. СС 10=25,2.
Фиг. 4 иллюстрирует второй пример модификации 22 четырехтактного внутреннего сгорания «Версии II» со схемой тактов 23, показывая степень сжатия 10, впуск 11, сжатие 14, рабочий ход 12 и процесс выхода горячего газа из цилиндра двигателя 15.
Фиг. 5 иллюстрирует удлиненное расширение, захваченное цилиндром компрессора 2, включающее всасывание воздуха 25, сжатие воздуха компрессором 27, удлиненное расширение горячего газа 26 и выхлоп газа в окружающую среду 28.
Фиг. 6 иллюстрирует третий пример модификации 32 «Версии IIA» четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с одним цилиндром сгорания и одноступенчатой предварительно охлаждаемой компрессией. Этот двигатель работает так же, как и предыдущая модификация 22, за исключением того, что цилиндр компрессора 2 может быть заменен мощным осевым компрессором 29 или сочетанием цилиндра компрессора и осевого компрессора, а удлиненное расширение захватывается мощной турбиной 30, которая может использовать сохраненную энергию полностью на движение транспортного средства или сохранять ее в батарее 31 для последующего потребления. Турбина 30 приводится в движение энергией горячих газов, оставшихся в цилиндре двигателя 8, и она может быть соединена (или не соединена) с коленчатым валом двигателя 9 через коробку передач.
Турбина может быть использована для приведения в действие предварительного осевого компрессора и/или заряда батарей с помощью генератора 47 в транспортных средствах, которые могут иметь двойной привод питания, обладая небольшими размерами и мощным двигателем внутреннего сгорания, а также привод электродвигателя 48, причем система может переключаться между этими двумя приводами.
Фиг. 7 иллюстрирует схему удлиненного расширения для цилиндра двигателя 8. Избыточная энергия сохраняется в турбине 30. Впуск воздуха двигателем 11 сжатого воздуха после осевого компрессора 29, воздушно-топливная компрессия цилиндра двигателя 14, расширение в цилиндре двигателя 12, и выход горячего газа цилиндра двигателя в турбину 15.
Фиг. 8 иллюстрирует комбинации цилиндра двигателя двигателей 8 и компрессора/блока удлиненного расширения 34. Избыточная энергия сохраняется в цилиндре компрессора 2. Впускной воздушный клапан цилиндра двигателя 38, выпускной клапан для горячего газа цилиндра двигателя 35, компрессор/цилиндр расширения с двойным назначением 2, впускной клапан компрессора/цилиндра расширения для расширенного горячего газа 36, термоизолированный канал для горячего газа 39 из цилиндра двигателя 8 в компрессор/цилиндр расширения 2 и клапан выхлопа компрессора/цилиндра расширения 37.
Фиг. 9 иллюстрирует компрессор двигателя/блок удлиненного расширения 33. Избыточная энергия сохраняется в цилиндре компрессора 2. Чертеж показывает внутреннюю работу компрессора/блока расширения 2, который включает впускной клапан для горячего газа 36, клапан для выхлопного газа 37, клапан всасывания компрессора для воздуха из внешней среды 40 и выпускной клапан компрессора для сжатого воздуха 41.
Фиг. 15 и 15А представляют собой P-V (давление-объем) диаграммы двигателя CWPSC «Версии II» на 0,3 литра с фактической степенью сжатия СС=25,2, с целью сравнения со стандартным двигателем или стандартным «Гипотетическим» двигателем, где
а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 1,99PV/такт,
b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 4,925PV/такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 0,655PV/такт,
d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,
е - работа, сохраненная двигателем при удлиненном расширении = 3,67PV/такт,
f - баланс работы, накопленный двигателем = 4,88PV/такт,
g - общая работа, потраченная на компрессор = 1,725PV/такт.
Упрощенный КПД этого двигателя: Е=4,88/5,535=88%.
«Версия III» Конструкции Двигателя с Предварительной Компрессией
В этой версии общий объем компрессора двигателя будет равен объему цилиндра двигателя, так же как и в первой версии. Разница между «Версией III» и «Версией I» заключается в том, что объем впуска двигателя отрегулирован так, чтобы быть меньше, чем объем цилиндра двигателя, Vt=0,3Ve, в то время как в «Версии III» объем впуска равен объему цилиндра двигателя, Vt=Ve, но сжатый воздух расширяется в объеме в резервуаре непосредственно перед процессом всасывания посредством перепада давления, который может быть достигнут за счет сужения канала или выпускным клапаном давления в вакууме, пока процесс всасывания продолжается. Это приведет к тому, что давление воздуха на впуске снизится примерно до 0,7-0,89 бар, в зависимости от температуры окружающее среды, а температура всасываемого воздуха понизится до Те=222 K или -51°С (всегда постоянная), если предположить, что сжатый воздух под давлением был охлажден до 318 K после теплообменника. В данном примере давление воздуха упадет до Ре=0,74 бар в сопле и, следовательно, его температура упадет до Те=222 K при всасывании. Мы назовем это «Двигатель CWPSC на Холодном Воздухе». Такая низкая температура способствует высокой СС=24, как пример для данного двигателя. Затем процесс всасывания будет протекать обычно, как и в стандартном двигателе: из положения коленчатого вала на 0° в 180°. Этот двигатель обладает чуть более низкой эффективностью по сравнению с 2 другими предыдущими версиями, описанными здесь, из-за чуть больших потерь на охлаждение воздуха, тем не менее, этот двигатель все еще более эффективен, чем стандартный двигатель. Расчеты параметров двигателя этой версии такие же, как и в первом варианте. Используя формулы, идентичные для двигателя «Версии I», давление выхлопа Рх=1,84 бар, а температура выхлопа Тх=554 K.
Выгодная альтернативная конструкция должна иметь впуск для двигателей «Версии III» преобразованный таким образом, чтобы он происходил не при изменении положения коленчатого вала с 0° до 180°, как описано выше, а чтобы он начинался ближе к концу такта впуска, что ближе к позиции коленчатого вала на 180° для этого примерного двигателя, чтобы позволить только 1/3 сжатого воздуха от объема цилиндра двигателя попасть в цилиндр двигателя. Таким образом, сам цилиндр двигателя служит увеличению объема бака, а не расширительный бак 6, изображенный на Фиг. 10, так что расширительный бак 6 может быть убран.
Фиг. 10 схематически изображает четвертую модификацию 20 «Версии III» примерного четырехтактного одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с предварительно охлаждаемой воздухом компрессией 20. Эта версия похожа на модификацию «Версии I» 20. Двигатель 1 включает в себя предварительный компрессор 2, цилиндр сгорания 8 и теплообменник с воздушным охлаждением 4. В этой модификации цилиндр сгорания 8 и компрессор 2 подсоединены к одному коленчатому валу 9 и маховику 17. Благодаря четырехтактному процессу сгорания 19, компрессор 2 завершит два такта сжатия для каждого полного цикла сгорания. Таким образом, во время каждого цикла сгорания компрессор 2 будет всасывать и сжимать объем воздуха равный удвоенному объему его цилиндра. Затем воздух охлаждается радиатором теплообменника 4, после чего он может увеличиться до объема расширения резервуара 6, в этом месте температура сжатого воздуха и давление могут резко упасть при проходе через полый расширительный канал (не показан) перед впуском двигателя.
Фиг. 11 является схемой примерного четырехтактного одноцилиндрового процесса сгорания 19 для четвертой конфигурации «Версии III». Он включает в себя обычный процесс впуска 11 (180°), такты сжатия 14, рабочего хода 12 и выхлопа 15, со степенью сжатия СС 10 при 24:1.
Фиг. 16 и 16А представляют собой P-V (давление-объем) диаграмму двигателя CWPSC «Версии III» в 1 литр со степенью сжатия СС=24, с целью сравнения со стандартным двигателем или стандартным «Гипотетическим» двигателем, где
а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 3,275PV/такт,
b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 8,81PV/такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 1,245PV/такт,
d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,
е - баланс работы, накопленный двигателем = 3,81PV/такт,
f - работа, потерянная на сжатии предварительно всасываемого воздуха = 1,730PV/такт.
Упрощенный КПД этого двигателя: Е=3,81/5,055=75%.
Сравнения Эффективности «Стандартных» и «CWPSC» двигателей
Фиг. 12 и 12А - примерная P-V диаграмма для стандартного четырехтактного одноцилиндрового процесса сгорания 42 со степенью сжатия СС=8 и объемом цилиндра двигателя Ve=1 литр. На этих и следующих чертежах масштаб оси давления: 0,02 блока = 1 бар (1:50), а масштаб оси объема: 1 блок = 1 литр (1:1). Гипотетическое увеличение объема двигателя до 2,02 литра представляет собой несуществующий объем расширения, при котором цилиндр двигателя должен бы был расшириться для давления выхлопного газа в 1 бар, при этом больше работы не могло бы быть извлечено, несмотря на то, каково значение температуры выхлопа Тех на данный момент. Эта P-V диаграмма представляет собой работу, полученную при одном полном цикле двигателя или двух полных оборотах коленчатого вала для общего объема двигателя, равного 1 литру. Расчет объема несуществующего двигателя Vex для того, чтобы давление выхлопного газа достигло значения 1 бар, или атмосферного давления:
Pf(Vf)1,3=Pa(Vex)1,3
(37,3)(0,125)1,3=1(Vex)1,3
Vex=2,02 литра
И, применяя формулу Комбинированного Закона Газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить гипотетическую температуру выхлопного газа Тех для несуществующего объема двигателя в 2,02 литра:
PfVf/Tf=PaVex/Tex
(37,3)(0,125)/1400=(1)(2,02)/Тех
Тех=607 K
где Vex - гипотетический объем этот цилиндр двигателя должен увеличить, чтобы сохранить всю возможную работу, и где Ра - это атмосферное давление.
Упрощенный КПД этого двигателя, который представляет собой отношение накопленной работы к сумме общей накопленной работы и работы потерянной на гипотетическом увеличении объема двигателя в 2,02 литра, в соответствии с этой P-V диаграммой, составляет только 61%. Эта упрощенная формула расчета эффективности не учитывает потери, происходящие при трении, потерю тепла в двигателе и температуру тепла выхлопного газа после того, как он достигает атмосферного давления в 1 бар, температура, как доказано выше, из объема гипотетического двигателя находится на отметке 607 K или 334°С, так как этот газ больше не может выполнять работу, несмотря на тепло, которым он обладает.
Фиг. 13 и 13А являются примерными P-V диаграммами стандартного четырехтактного гипотетического одноцилиндрового процесса сгорания 43 со степенью сжатия СС=24, где не принимается во внимание температура самовоспламенения топлива, при условии, что такой двигатель может существовать, с объемом цилиндра двигателя Ve=1 литр. Причина проведения анализа этого двигателя заключается в сравнении производительности этого предположительного двигателя с производительностью стандартного четырехтактного двигателя и производительностью четырехтактного двигателя «CWPSC». Этот двигатель, в действительности, должен иметь все характеристики Дизельного двигателя, который сжимает только воздух, и где температура самовоспламенения топлива не является проблемой. Упрощенный КПД этого двигателя равен примерно 75%.
Фиг. 14, 14А, 15, 15А, 16 и 16А являются примерными P-V диаграммами процесса сгорания 43 в четырехтактном одноцилиндровом двигателе «CWPSC» через 46, для Версий: «Версия I», «Версия II», «Версия II(A)» и «Версия III», со степенями сжатия СС=24, 25,2, 25,2 и 24 соответственно. Как можно видеть на P-V диаграммах, все упрощенные КПД этих двигателей намного выше, чем КПД стандартного четырехтактного двигателя с КПД=61%, и равны (только «Версия III») или выше, чем у гипотетического четырехтактного двигателя (который, в действительности, представляет диаграмму сжатия воздуха в Дизельном двигателе), и который имеет упрощенный КПД около 75%.
Как проиллюстрировано на вышеперечисленных P-V диаграммах, эффективность четырехтактного двигателя «CWPSC» превосходит не только показатели стандартных четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием (ИЗ-ДВС или SI-ICE), но и равна или превосходит эффективность и Дизельных двигателей. Это выдающееся достижение, которое выгодно отличает двигатели «CWPSC» ото всех SI-ICE двигателей, которые, на самом деле, гораздо менее эффективны, чем Дизельные двигатели.
Ключевой особенностью данного изобретения является охлаждение сжатого воздуха до его попадания в цилиндр(ы) сгорания. Это позволяет двигателю быть точно настроенным с точки зрения температуры сжатия предварительного зажигания Ti и давления Pi с тем, чтобы приспособить его к различным степеням сжатия и видам топлива. Со скоростью охлаждения, регулируемой ЦП, двигатель может подстраиваться к различным степеням сжатия и может работать на различных видах топлива. Эта установка может быть использована со всеми другими типами двигателей, включая Дизельные, благодаря более высокой эффективности двигателя «CWPSC».
Хотя предпочтительные модификации данного изобретения были показаны для иллюстративных целей, специалисты в данной области техники оценят, что многие добавления, модификации и замены возможны без отклонения от сферы действия и сущности данного изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.
Используемый выше и в последующей формуле изобретения термин Высшая Мертвая Точка (ВМТ) означает, что поршень находится в точке, самой близкой к головке цилиндра, а термин Нижняя Мертвая Точка (НМТ) означает, что поршень находится в самой дальней от головки цилиндра точке. Общий объем цилиндра обозначает объем цилиндра от ВМТ до НМТ.
Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а точнее к области четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания имеет одно- или многоступенчатое предварительное охлаждение, что позволяет контролировать температуру и давление всасываемого воздуха в цилиндры сгорания, таким образом, гораздо более высокая степень сжатия и давление предварительного зажигания могут быть достигнуты без приближения к порогу самовоспламенения воздушно-топливной смеси. Минимальное пороговое давление сжатого компрессором воздуха составляет 1,8 бар на уровне моря и минимальное падение температуры не менее 50°С в радиаторе охлаждения воздуха теплообменника. Поскольку эта конструкция может эффективно регулировать и устанавливать максимальную температуру предварительного зажигания топливно-воздушной смеси, она может сжигать практически любой тип жидкого углеводородного топлива без детонации. Этот четырехтактный двигатель, благодаря своей более высокой степени сжатия, генерирует энергию, равную или больше, чем стандартный четырехтактный двигатель, в более легком и маленьком корпусе и с более высокой эффективностью. 9 з.п. ф-лы, 22 ил.
1. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, включающий в себя:
один или несколько цилиндров сгорания, каждый цилиндр имеет общий объем цилиндра, объем камеры сгорания, объем впуска, верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю мертвую точку (НМТ), и каждый цилиндр содержит поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения по оси, который механически соединен с коленчатым валом и маховиком, где каждый цилиндр выполняет четырехтактный процесс сгорания, состоящий из такта впуска, во время которого поршень движется по оси по направлению к НМТ цилиндра и всасывает объем впуска воздушно-топливной смеси в цилиндр, затем следует такт сжатия, во время которого поршень движется по оси по направлению к ВМТ цилиндра и сжимает воздушно-топливную смесь до необходимого объема предварительного зажигания, необходимого давления компрессии предварительного зажигания, необходимой температуры компрессии предварительного зажигания, затем следует искровое зажигание воздушно-топливной смеси, что приводит поршень к НМТ цилиндра в такте расширения, затем следует такт выхлопа, во время которого поршень движется к ВМТ цилиндра и выводит выхлопной газ из цилиндра до начала следующего такта впуска, и где объем цилиндра - это объем внутри цилиндра, когда поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка), а объем камеры сгорания - это объем внутри цилиндра, когда поршень находится в ВМТ (верхняя мертвая точка), и где отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания определяет степень сжатия и где степень сжатия больше 18;
один или несколько предварительных воздушных компрессоров, каждый компрессор имеет объем воздуха компрессора, где каждый компрессор сжимает объем воздуха компрессора из окружающей среды при атмосферном давлении и при температуре окружающей среды, чтобы сгенерировать объем сжатого предварительно всасываемого воздуха, имеющего температуру предварительно всасываемого воздуха и давление предварительно всасываемого воздуха в значении более чем 2,1 бар;
один или несколько теплообменников, в которых объем сжатого предварительно всасываемого воздуха охлаждается, без расширения объема, до давления всасываемого воздуха в более чем 1,8 бар и до впуска воздуха, где теплообменники регулируются таким образом, что температура всасываемого воздуха остается постоянной, вне зависимости от температуры окружающей среды, и таким образом температура всасываемого воздуха остается достаточно низкой, так что температура сжатия предварительного зажигания при заданной степени сжатия остается постоянной - на уровне ниже температуры самовоспламенения топлива; и
где объем всасываемого воздуха расширяется в цилиндр сгорания во время интервала в такте впуска, в котором поршень приближается к НМТ цилиндра, таким образом, что объем впуска каждого цилиндра сгорания охлаждается до температуры холодного впуска, которая как минимум на 50°С ниже, чем температура всасываемого воздуха, и где расширение объема всасываемого воздуха в цилиндре сгорания регулируется таким образом, что температура холодного впуска достаточно низка, чтобы температура сжатия предварительного зажигания при установленной степени сжатия была ниже температуры самовоспламенения топлива.
2. Двигатель по п. 1, где теплообменники отрегулированы таким образом, что температура всасываемого воздуха может быть скорректирована с целью достижения любой из нескольких возможных температур сжатия предварительного зажигания, и где каждая из возможных температур сжатия предварительного зажигания соответствует одной из нескольких возможных установленных степеней сжатия, или одной из нескольких возможных температурам самовоспламенения топлива, или комбинации одной из нескольких возможных установленных степеней сжатия и одной из нескольких возможных температур самовоспламенения топлива.
3. Двигатель по п. 1 или 2, где каждый из предварительных воздушных компрессоров включает в себя цилиндр компрессора и поршень компрессора, и где цилиндр компрессора имеет общий объем цилиндра, ВМТ и НМТ, и поршень компрессора механически соединен с коленчатым валом и маховиком, и где каждый из цилиндров компрессора осуществляет одновременно с четырехтактным процессом сгорания процесс сжатия из четырех стадий, включающий в себя стадию впуска первым компрессором, во время которой поршень компрессора движется по оси по направлению к НМТ цилиндра компрессора и относит первый частичный объем воздуха из окружающей среды, равный объему воздуха в компрессоре и равный общему объему цилиндра компрессора, в цилиндр компрессора, затем следует первая стадия сжатия компрессором, во время которой поршень компрессора движется по оси по направлению к ВМТ цилиндра компрессора и сжимает первый частичный объем воздуха из окружающей среды в воздушном резервуаре предварительного впуска, затем следует вторая стадия впуска в компрессор, во время которой поршень движется по оси по направлению к НМТ цилиндра компрессора и относит второй частичный объем воздуха из окружающей среды, равный объему воздуха в компрессоре и равный общему объему цилиндра компрессора, в цилиндр компрессора, затем следует вторая стадия сжатия компрессором, во время которой поршень компрессора движется по оси по направлению к ВМТ цилиндра компрессора и сжимает второй частичный объем воздуха из окружающей среды в воздушном резервуаре предварительного впуска, и где сжатая первая часть объема и сжатая вторая часть объема воздуха из окружающей среды смешиваются в воздушном резервуаре предварительного впуска, чтобы образовать сжатый объем воздуха предварительного впуска.
4. Двигатель по п. 3, где общий объем цилиндра каждого из цилиндров компрессора равен половине общего объема цилиндра каждого из цилиндров сгорания.
5. Двигатель по п. 4, где объем впуска каждого цилиндра сгорания меньше, чем половина общего объема цилиндра каждого из цилиндров сгорания, и где такт впуска каждого цилиндра сгорания заканчивается до того, как поршень цилиндра сгорания достигает НМТ цилиндра сгорания.
6. Двигатель по п. 3, где объем впуска каждого цилиндра сгорания равен общему объему цилиндра каждого из цилиндров сгорания, и где такт впуска каждого цилиндра сгорания заканчивается, когда поршень цилиндра сгорания достигает НМТ цилиндра сгорания.
7. Двигатель по п. 6, где объем всасываемого воздуха расширяется в воздушном резервуаре для впуска таким образом, что впускной объем каждого цилиндра сгорания охлаждается до температуры холодного впуска, которая, как минимум, на 50°С ниже, чем температура всасываемого воздуха, и где увеличение объема всасываемого воздуха в воздушном резервуаре для впуска регулируется таким образом, что температура холодного впуска достаточно низка, чтобы температура сжатия предварительного зажигания при установленной степени сжатия была ниже температуры самовоспламенения топлива.
8. Двигатель по п. 1 или 2, где каждый из предварительных воздушных компрессоров включает в себя цилиндр компрессора и поршень компрессора, и где цилиндр компрессора имеет общий объем цилиндра, ВМТ и НМТ, и поршень компрессора механически соединен с коленчатым валом и маховиком, и где каждый из цилиндров компрессора осуществляет одновременно с процессом сгорания в четырехтактном двигателе процесс сжатия-выхлопа из четырех стадий, включающий в себя стадию впуска воздуха компрессором, во время которой поршень компрессора движется по оси по направлению к НМТ цилиндра компрессора и относит объем воздуха компрессора из окружающей среды, равный общему объему цилиндра компрессора, в цилиндр компрессора, затем следует стадия сжатия воздуха компрессором, во время которой поршень компрессора движется по оси по направлению к ВМТ цилиндра компрессора и сжимает объем воздуха компрессора из окружающей среды в воздушном резервуаре предварительного впуска, затем следует стадия выхлопа и расширения в компрессоре, во время которой поршень компрессора движется по оси по направлению к НМТ цилиндра компрессора под воздействием расширения выхлопного газа из цилиндра сгорания в цилиндр компрессора, затем следует стадия выхлопа компрессора, во время которой поршень компрессора движется по оси по направлению к ВМТ цилиндра компрессора и выводит выхлопной газ из цилиндра компрессора.
9. Двигатель по п. 8, где общий объем цилиндра каждого из цилиндров компрессора больше или равен общему объему цилиндра каждого из цилиндров сгорания.
10. Двигатель по п. 9, где некоторые или все предварительные воздушные компрессоры являются осевыми воздушными компрессорами и где выхлопной газ из каждого цилиндра сгорания отводится, во время такта выхлопа цилиндра сгорания, в вытяжную турбину, таким образом расширение выхлопных газов приводит в движение вытяжную турбину и таким образом вытяжные турбины регенерируют энергию из выхлопного газа.
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ РАБОЧЕГО ОБЪЕМА ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2001 |
|
RU2206767C1 |
| Устройство для сравнивания двух двоичных чисел | 1959 |
|
SU136095A1 |
| US 7007639 B1, 07.03.2006 | |||
| US 5072589 A1, 17.12.1991 | |||
| US 5103645 A1, 14.04.1992. | |||
