Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с изобарным подводом и отводом теплоты Российский патент 2020 года по МПК F02B41/04 F02B29/06 

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано при создании двигателя внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения транспортного и стационарного назначения.

Известен четырехтактный дизельный двигатель, который включает от четырех до двенадцати и более цилиндров, связанных между собой, в целях последовательного функционирования, коленчатым валом, каждый из которых содержит газовые впускные и выпускные клапаны, форсунку, камеру сгорания, поршень, совершающий выпуск продуктов сгорания и впуск воздуха, адиабатное сжатие его, впрыскивание топлива через отверстия форсунки, изобарное горение, адиабатное расширение продуктов сгорания при одинаковом ходе поршня в процессах сжатия и расширения [Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. Для вузов / Хачиян А.С, Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.: Под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 311 с., с. 7-18].

Двигатели внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения работают с изохорным отводом теплоты и, следовательно, неполным расширением продуктов сгорания. По результатам исследования [Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. Для вузов/ Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.: Под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1985. - 311 с, с. 81] параметры состояния рабочего тела в конце расширения для карбюраторных двигателей составляют: и а для дизельных [Боровских Ю.И., Буралев Ю.В., Морозов К.А. Устройство автомобилей: практическое пособие - М.: Высш. шк., 1988. - 288 с, с. 14] и Потери по термическому коэффициенту полезного действия достигают 20%. Недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания является высокий уровень шума и токсичность выхлопных газов, а также низкий эффективный КПД силовой установки с поршневым двигателем.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения с изобарным отводом теплоты и, следовательно, полным расширением продуктов сгорания, и изохорным подводом теплоты [Демидченко В.И., Демидченко В.В., Попов П.Г. Патент на изобретение №2246626 «Поршневой двигатель внутреннего сгорания Демидченко-Попова с изобарным отводом теплоты». Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2005. - 10 с.], который содержит два, четыре и более цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом, и системы пуска, зажигания и газораспределения с блоком свечей зажигания или форсунок, впускных и выпускных клапанов и карбюратор и характеризуется изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику, для чего снабжен коллектором, сообщенным через впускные клапаны с цилиндрами и через запорный орган с карбюратором, при этом последовательность функционирования впускных клапанов и запорного органа осуществляется газораспределительным валом при соответствующем положении поршня в одной из трех характерных точек с учетом разности длин хода поршня в процессах сжатия и расширения.

Недостатком такого двигателя является карбюраторный вариант подготовки и изохорный процесс сжигания топлива в двигателе, так как степень сжатия у карбюраторных двигателей меньше, чем у дизельных, а потому температура и давление рабочей смеси в конце такта сжатия имеют более низкие значения в сравнении с дизельными двигателями, а следовательно, дизели по расходу топлива более экономичны и при этом они потребляют дешевые сорта нефтяных топлив, а также двигатели менее опасны в пожарном отношении. Дизельный двигатели, однако, имеют изохорный отвод теплоты, который «приводит» к остаточному давлению продуктов сгорания, равному 0,4-0,6 МПа, перед выбросом их в атмосферу.

Задачей изобретения является новая организация работы четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания по циклу газотурбинного двигателя - цикла Брайтона, которая допускает в поршневом двигателе изобарный подвод теплоты к рабочему телу и изобарный отвод теплоты низкотемпературному источнику и тем самым увеличит термический коэффициент полезного действия двигателя, а следовательно, и эффективный КПД силовой установки, а также уменьшит уровень шума, исходящий от силовой установки, и выброс вредных веществ с продуктами сгорания.

Технический результат - улучшение организации рабочего цикла двигателя, повышение термического и эффективного коэффициентов полезного действия соответственно двигателя и силовой установки, уменьшение уровня шума от работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и сокращение выброса вредных веществ с отработавшими газами.

Технический результат достигается тем, что четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с изобарным подводом и отводом теплоты содержит от четырех до двенадцати цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом, систему питания воздухом и механизм газораспределения с распределительным валом и с впускными и выпускными клапанами для впуска в цилиндры воздуха и выпуска из них отработавших газов, топливную систему высокого давления, обеспечивающую дозирование топлива при подаче его через форсунки в камеры сгорания для изобарного сжигания, системы охлаждения, смазки и пуска при этом изобарный подвод и изобарный отвод теплоты низкотемпературному источнику осуществляют за счет разных длин хода поршня в процессах сжатия воздуха и расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, при этом положению поршня в цилиндре соответствует три характерных уровня: верхний, нижний и промежуточный, для чего двигатель снабжен коллектором, объединяющим через впускные клапаны цилиндры, и топливным насосом высокого давления с автоматическим регулятором, управляющим последовательностью непосредственного впрыскивания топлива через форсунки в камеру сгорания нужного цилиндра точно согласованную с фазами рабочего цикла и с приводом от распределительного вала механизма газораспределения двигателя, которым и обеспечивается дозирование и синхронность подачи топлива в камеру сгорания каждого из цилиндров согласно порядку их работы и этим функционирование топливного насоса и впускных и выпускных клапанов строго связанно кинематически с коленчатым валом.

Улучшение организации работы поршневого двигателя достигается тем, что подвод и отвод теплоты в цикле осуществляют изобарно, как и в случае газотурбинной конструкции двигателя, а повышение эффективности двигателя и силовой установки происходит за счет возрастания степени сжатия при изобарном подводе теплоты до значений превышающих степень сжатия при изохорном подводе теплоты; полного расширения продуктов сгорания до давления окружающей среды, а следовательно, увеличения работы цикла. Обоснованность данного утверждения подтверждают расчеты, результаты которых представлены в таблице 1 и цикл, представленный на фиг. 1.

Уровень шума снизится за счет исчезновения перепада давлений Р₄-Р_О.С. и за счет этого, а также увеличения КПД двигателя, уменьшится выброс вредных веществ.

На фиг. 1 изображен действительный цикл преобразования энергии с изобарным подводом теплоты от горячего источника и изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику при атмосферном давлении; на фиг. 2…6 представлены основные фазы газообмена и схема работы четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с изобарным подводом и изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику.

Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с изобарным подводом и отводом теплоты состоит из цилиндров 1, 2, 3 и 4 с камерами сгорания 5, 6, 7 и 8, поршнями 9, 10, 11 и 12, впускными клапанами 13, 14, 15 и 16 для впуска в камеры сгорания цилиндров воздуха из воздухоочистителя 17 через запорный орган 18 одностороннего действия и коллектор 19, а также используемых для частичного перепуска воздуха из одного цилиндра в другой через этот же коллектор, и выпускными газовыми клапанами 20, 21, 22 и 23 приводимыми в действие от распределительного вала 24; топливного насоса 25 высокого давления с автоматическим регулятором 26, управляющим последовательностью непосредственного впрыскивания топлива через форсунки 27 или 28, 29 и 30 в камеру сгорания нужного цилиндра в соответствии с порядком работы цилиндров по команде распределительного вала 24 двигателя строго связанного кинематически с коленчатым валом 31.

Система пуска двигателя должна обеспечить частоту вращения коленчатого вала, необходимую для начала работы двигателя, и выполнена из источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи 32 и электродвигателя 33 с шестерней 34 на общем валу, соединенных друг с другом стартером 35 и управляемого элемента 36, расположенного в кабине транспортного средства, и коленчатого вала 31 с венцом 37.

Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с изобарным подводом и отводом теплоты работает следующим образом. Пуск двигателя осуществляется по стандартной схеме. По сигналу управления транспортным средством через управляемый элемент 36 от аккумуляторной батареи 32 включением замыкающего контакта электростартера 35 подается электрический ток на электрический двигатель 33 постоянного тока, шестерня 34 которого входит в зацепление с венцом 37 коленчатого вала 31. Уместно вспомнить, что пуск двигателя следует обеспечить при минимальной частоте вращения коленчатого вала (для двигателей данного типа на автомобилях и тракторах она составляет 120-240 об/мин), так как мощность источника энергии, а, следовательно, масса пусковой системы и ее габариты прямопропорциональны частоте вращения.

Момент времени, соответствующий началу вращения коленчатого вала, можно принять за исходное состояние. Начало же работы двигателя связано с наполнением воздухом одного из четырех цилиндров. Пусть таким цилиндром будет цилиндр 1. Его наполнение воздухом происходит от воздухоочистителя 17 через запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 13 при опускании поршня 9 из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ): процесс а-b-4 (фиг. 1 и 2). Выпускной газовый клапан 20 и впускные клапаны 14, 15 и 16 при этом закрыты, а выпускные газовые клапаны 21, 22 и 23 открыты. С достижением поршнем 9 НМТ распределительный вал 24 принудительно закроет запорный орган 18 выпуска воздуха из воздухоочистителя 17 и одновременно принудительно откроет впускной клапан 14 впуска воздуха в цилиндр 2 двигателя, а выпускной газовый клапан 21 закроет. При подъеме поршня 9 в цилиндре 1 из нижней мертвой точки 4 (фиг. 1) на высоту h (фиг. 2), равную длине хода поршня в процессе 4-1 (фиг. 1), впускные клапаны 13 и 14 остаются открытыми, а выпускные газовые клапаны 20 и 21 закрытыми. Однако при подъеме поршня 9 из НМТ процесс сжатия воздуха в цилиндре 1 в течение фиксированного промежутка времени не происходит, так как впускной клапан 13 открыт, запорный орган 18 закрыт и с подъемом поршня 9 имеет место выпуск воздуха из цилиндра 1 через клапан 13 в коллектор 19, а из коллектора воздух поступает в цилиндр 2. В цилиндре 2 при этом, синхронно с поднимающимся поршнем 9, опускается поршень 10 из ВМТ до точки «b» (фиг. 1) в процессе а-b (фиг. 1 и 2) с последующим в этом ходе поршня в данном цилиндре впуском воздуха в процессе b-4 (фиг. 1 и 2) из воздухоочистителя 17 и коллектора 19 через запорный орган 18. Соответствующий выпуск воздуха из цилиндра 1 в процессе подъема поршня происходит до уровня, определяемого положением поршня 9 в состоянии (точке) 1 (фиг. 1), при котором распределительный вал 24 принудительно закроет впускной клапан 13. По-прежнему выпускной газовый клапан 20 закрыт.Положению поршня 9 в цилиндре 1 в состоянии (точке) 1 (фиг. 1) соответствует положение поршня 10 в цилиндре 2 в состоянии (точке) «b» (фиг. 1), при котором имеет место равенство разностей объемов v₄-v_x=v_b-v_a. Процесс 4-1, равный по протяженности хода поршня процессу а-b, частичной перегонки воздуха из цилиндра 1 в цилиндр 2, следует назвать процессом перепуска воздуха из одного цилиндра (в данном случае и на рассматриваемом этапе работы двигателя это цилиндр 1), в котором перепуск предшествует процессу сжатия, в другой цилиндр (в данном случае и на рассматриваемом этапе работы двигателя это цилиндр 2), в котором перепуск воздуха предшествует процессу впуска воздуха, обусловлен условием изобарного отвода теплоты в поршневой конструкции, то есть тем, что объемы сжатия и расширения связаны с разной длиной хода поршня, в данном случае на рассматриваемом этапе работы двигателя, в цилиндре 1. По замыслу авторов имеет место незначительная тавтология для лучшего восприятия понятия процесса перепуска воздуха. Следует обратить внимание на то, что в рабочем режиме двигателя перепускается из цилиндра 1 в цилиндр 2 предварительно подогретый воздух за счет теплообмена его с горячим цилиндром 1.

Дальнейший подъем поршня 9 в цилиндре 1 при закрытых клапанах 13 и 20 приводит к сжатию воздуха, а синхронное опускание поршня 10 в цилиндре 2 при закрытом выпускном клапане 21 от точки «b» (фиг. 1) создает разрежение в цилиндре, под действием которого откроется запорный орган 18 и впуск воздуха через открытый впускной клапан 14 будет продолжаться уже из воздухоочистителя 17 через коллектор 19. Запорный орган 18 может быть открыт и принудительно с помощью последовательного срабатывания распределительного вала 24, как это показано на фиг. 2, по окончанию процесса а-b (фиг. 1) перепуска воздуха в цилиндр 2. Переход поршня 9 в цилиндре 1 из состояния 1 в состояние 2 означает окончание процесса сжатия 1-2 (фиг. 1 и 2), когда с помощью распределительного вала 24 подается сигнал автоматическому регулятору 26 на включение в работу топливного насоса высокого давления 25 для подачи топлива через форсунку 27 в камеру сгорания 5, в которой происходит его самовоспламенение. Горение топлива есть не что иное, как изобарный подвод теплоты в процессе 2-3. Одновременно поршень 10 в цилиндре 2 опустится до НМТ, то есть до точки 4 (фиг. 1.), что означает окончание процесса впуска воздуха в цилиндр 2. По достижению поршнем 10 НМТ сработает распределительный вал 24 и это приведет к принудительному открытию впускного клапана 16 и принудительному закрытию запорного органа 18 и выпускного клапана 23. Впускной клапан 14 при этом остается открытым.

Вслед за цилиндрами 1 и 2 в рабочий процесс включается цилиндр 4. С подъемом поршня 10 в цилиндре 2 (фиг. 3) происходит перепуск воздуха через впускной клапан 14 в коллектор 19, а затем через впускной клапан 16 в цилиндр 4. Поршень 12 в цилиндре 4 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 10. Перепуск воздуха из цилиндра 2 в цилиндр 4 происходит с подъемом поршня 10 в процессе 4-1 до уровня, определяемого положением поршня 10 в точке 1 на фиг. 1 и 3, при котором сработает распределительный вал 24, что приведет к принудительному закрытию впускного клапана 14 и принудительному открытию запорного органа 18. Далее в цилиндре 2 происходит сжатие воздуха; в цилиндре 4 - впуск воздуха из воздухоочистителя 17 через открытый запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 16, а в цилиндре 1 - адиабатное расширение продуктов сгорания в процессе 3-4 до давления окружающей среды (фиг. 1 и 3) с производством работы - рабочий ход поршня 9. При достижении поршнем 9 НМТ сработает распределительный вал 24, что приведет к принудительному открытию выпускного клапана 20 (фиг. 2 и 4). Одновременно в цилиндре 2 закончится сжатие воздуха. Поршень 10 достигает ВМТ и при этом с помощью распределительного вала 24 подается сигнал автоматическому регулятору 26 на включение в работу топливного насоса 25 для подачи топлива через форсунку 28 в камеру сгорания 6, в которой происходит его самовоспламенение и изобарное горение в процессе 2-3. В этот же момент времени в цилиндре 4 поршень 12 опустится до НМТ и тем самым завершится процесс впуска воздуха (фиг. 2 и 4). По достижению поршнем 12 НМТ сработает распределительный вал 24 и это приведет к принудительному открытию впускного клапана 15 и выпускного клапана 21 и принудительному закрытию запорного органа 18 и выпускного клапана 22. Впускной клапан 16 при этом остается открытым.

И, наконец, вслед за цилиндрами 1, 2 и 4 в работу включается цилиндр 3. С подъемом поршня 12 в цилиндре 4 (фиг. 2 и 4) происходит перепуск воздуха через впускной клапан 16 в коллектор 19, а из коллектора через впускной клапан 15 в цилиндр 3. Поршень 11 в цилиндре 3 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 12. Перепуск воздуха из цилиндра 4 в цилиндр 3 происходит с подъемом поршня 12 в процессе 4-1 до уровня, определяемого положением поршня 12 в точке 1 на фиг. 1 и 4, при котором срабатывает распределительный вал 24, что приведет к принудительному закрытию впускного клапана 16 и принудительному открытию запорного органа 18. Далее в цилиндре 4 происходит сжатие воздуха, в цилиндре 3 - впуск воздуха из воздухоочистителя 17 через открытый запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 15 (фиг. 2 и 4), а в цилиндре 1 - выпуск продуктов сгорания через выпускной газовый клапан 20 в процессе 4-а; в цилиндре 2 - рабочий ход. За рабочим ходом в цилиндре 2 следует выпуск отработавших газов из цилиндра (фиг. 2 и 5) через выпускной газовый клапан 21; в цилиндре 3 в описанной выше последовательности происходит перепуск воздуха через впускной клапан 15 и затем коллектор 19 в цилиндр 1. Поршень 9 в цилиндре 1 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 11. Перепуск воздуха из цилиндра 3 в цилиндр 1 происходит с подъемом поршня 11 в процессе 4-1 до уровня, определяемого положением поршня 11 в точке 1 на фиг. 1 и 5, при котором сработает распределительный вал 24, что приводит к принудительно закрытию впускного клапана 15 и принудительному открытию запорного органа 18. Далее в цилиндре 3 происходит сжатие воздуха, а в цилиндре 1 -впуск воздуха из воздухоочистителя 17 через открытый запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 13 (фиг. 5). Одновременно, с началом процесса перепуска воздуха из цилиндра 3 в цилиндр 1, начинается рабочий ход - процесс 3-4, в цилиндре 4 с производством положительной работы, вследствие горения топлива, которое было подано через форсунку 30 в камеру сгорания 8.

Затем система из четырех цилиндров работает до возврата в исходное состояние (фиг. 6) следующим образом. За рабочим ходом в цилиндре 3, который также происходит после подачи топлива через форсунку 29 в камеру сгорания 7 и его горения, следует выпуск продуктов сгорания из цилиндра 4, а в цилиндре 1 начинается перепуск воздуха в цилиндр 2 с последующим сжатием воздуха в цилиндре 1 и впуском воздуха в цилиндр 2 из воздухоочистителя 17. Система и последовательность привода клапанов описана ранее.

Улучшение технико-экономических и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания с изобарным подводом теплоты в сравнении с отечественными и зарубежными обусловлено изобарным подводом и изобарным отводом теплоты в стандартной конструкции двигателя внутреннего сгорания. Это подтверждается расчетами цикла с изобарным подводом и изохорным отводом теплоты (цикл Дизеля) и цикла с изобарным подводом и изобарным отводом теплоты (цикл Брайтона), результаты, которых представлены в таблице и на фиг. 1.

Следует обратить внимание, что в расчете цикла Дизеля давление начала выпуска отработавших газов оказалось равным а согласно литературным данным [Боровских Ю.И., Буралев Ю.В., Морозов К.А. Устройство автомобилей: практическое пособие - М.: Высш. шк., 1988. - 288 с, с. 14]:

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано при создании двигателя внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения транспортного и стационарного назначения. Технический результат - улучшение организации рабочего цикла двигателя, повышение термического и эффективного коэффициентов полезного действия соответственно двигателя и силовой установки, уменьшение уровня шума от работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и сокращение выброса вредных веществ с отработавшими газами. Сущность изобретения заключается в том, что четырехтактный поршневой дизельный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры с поршнями, связанные с коленчатым валом, систему питания воздухом и механизм газораспределения с распределительным валом и с впускными и выпускными клапанами для впуска в цилиндры воздуха и выпуска из них отработавших газов, а также топливный насос высокого давления. Осуществляют изобарный подвод и изобарный отвод теплоты низкотемпературному источнику за счет разных длин хода поршня в процессах сжатия воздуха, а также расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды. Двигатель снабжен коллектором, объединяющим цилиндры через впускные клапаны, при этом коллектор снабжен запорным органом одностороннего действия, а механизм газораспределения выполнен с возможностью открытия впускных клапанов при подъеме поршня из нижней мертвой точки после наполнения цилиндра воздухом и перепуска воздуха через объединяющий коллектор из одного цилиндра в другой. 6 ил.

Четырехтактный поршневой дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с поршнями, связанные с коленчатым валом, систему питания воздухом и механизм газораспределения с распределительным валом и с впускными и выпускными клапанами для впуска в цилиндры воздуха и выпуска из них отработавших газов, топливный насос высокого давления, при этом изобарный подвод и изобарный отвод теплоты низкотемпературному источнику осуществляют за счет разных длин хода поршня в процессах сжатия воздуха, а также расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, а двигатель снабжен коллектором, объединяющим цилиндры через впускные клапаны, отличающийся тем, что коллектор снабжен запорным органом одностороннего действия, а механизм газораспределения выполнен с возможностью открытия впускных клапанов при подъеме поршня из нижней мертвой точки после наполнения цилиндра воздухом и перепуска воздуха через объединяющий коллектор из одного цилиндра в другой.