Поршневой двигатель двухцилиндровой конструкции Российский патент 2023 года по МПК F02B41/04 F02B75/02 

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 и более цилиндров, связанных между собой в целях последовательного функционирования, коленчатым валом и распределительным 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 форсунку, 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. 83; Боровских Ю.И., Буралев Ю.В., Морозов К.А. Устройство автомобилей: практическое пособие - М.: Высш. шк., 1988-288 с., с. 14] параметры состояния рабочего тела в конце расширения для дизельных двигателей составляют: и .

Недостатком поршневых двигатели внутреннего сгорания с изохорным отводом теплоты являются высокий уровень шума; токсичность выхлопных газов; низкий; термический коэффициент полезного действия двигателя и эффективный КПД силовой установки, значение которого не превышает 10%.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения с изобарным отводом теплоты и, следовательно, полным расширением продуктов сгорания, и изобарным подводом теплоты [Демидченко В.В., Демидченко В.И., Масляева Г.Н., Закарян P.M. Патент на изобретение RU 2735973 С1 «Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с изобарным подводом и отводом теплоты» Федеральная служба по интеллектуальной собственности, 2020. - 13 с], который содержит два и более цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом, систему пуска, зажигания и газораспределения с блоком форсунок, впускных и выпускных клапанов, воздухоочиститель, топливный насос высокого давления с автоматическим регулятором и характеризуется изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику, для чего снабжен коллектором, сообщенным через впускные клапаны с цилиндрами через запорный орган с топливным насосом; при этом последовательность функционирования выпускных клапанов и запорного органа осуществляется газораспределительным валом при соответствующем положении поршня в одной из трех характерных точек цилиндра с учетом разности длин хода поршня в процессах сжатия и расширения.

Недостатком такого двигателя является то, что получение нужного значения температуры рабочего тела в конце такта сжатия сопровождается чрезмерным ростом степени повышения давления, что неизбежно ведет к увеличению нагрузок на элементы двигателя, механических и тепловых потерь и, следовательно, к уменьшению эффективного КПД силовой установки.

Термодинамическое совершенство теплового двигателя оценивается термическим коэффициентом полезного действия который зависит от величины теплоты q₂, отдаваемой низкотемпературному источнику. В поршневых двигателях внутреннего сгорания есть только два пути уменьшения теплоты регенерация теплоты отработавших газов и замена изохорного процесса отвода теплоты на изобарный. Последний считается практически неосуществимым в двигателе цилиндро-поршневой конструкции из-за одинаковой длины хода поршня при сжатии и расширении. Поэтому для изобарного отвода теплоты в поршневом двигателе требуется принципиально новая конструкция.

Задачей изобретения является новая организация работы поршневого двигателя по циклу Демидченко [Демидченко В.И. Схема двигателя объемного сжатия и расширения и анализ его эффективности. Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения: Материалы Международной научно-практической конференции. Т.1. Казань, 12-13 августа 2008 года. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ин-та, 2008, 436 с, с. 372-379], которая допускает в поршневом двигателе внутреннего сгорания двухступенчатое сжатие воздуха: предварительное в первом цилиндре - компрессоре двигателя с последующим регенеративным подогревом воздуха, затем адиабатное сжатие и изобарный подвод теплоты во втором основном цилиндре и изобарный отвод теплоты, при полном расширении продуктов сгорания во втором цилиндре двигателя, низкотемпературному источнику, и тем самым увеличивает термический коэффициент полезного действия двигателя, а следовательно, и эффективный коэффициент полезного действия силовой установки, и уменьшает выброс вредных веществ с продуктами сгорания, а также уровня шума, исходящий от силовой установки.

Технический результат: улучшение организации рабочего цикла двигателя, которая проявляется в достижении температуры самовоспламенения топлива при меньшем значении давления воздуха в адиабатном двухступенчатом процессе сжатия и последующем двухступенчатом изобарном подводе теплоты и уменьшении теплоты q2, отдаваемой в окружающую среду, за счет изобарного отвода теплоты; 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 в четырехтактном двухцилиндровом двигателе с одинаковой длиной и разным объемом (разным диаметром) цилиндров, первый из которых является поршневым компрессором, второй - рабочим цилиндром, осуществляется двухступенчатое адиабатное сжатие воздуха в первом и втором цилиндрах с промежуточной между цилиндрами утилизацией теплоты отработавших газов для нагрева в регенераторе воздуха; изобарным подводом и изобарным отводом теплоты при полном расширении продуктов сгорания до давления окружающей среды во втором цилиндре.

Согласно изобретению предложен четырехтактный поршневой дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с поршнями, связанными с коленчатым валом, систему питания воздухом и механизм газораспределения с распределительным валом и с впускными и выпускными клапанами, топливную систему с насосом высокого давления, при этом двигатель содержит цилиндр предварительного сжатия, основной цилиндр и регенератор для утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания, при этом цилиндр предварительного сжатия содержит впускной клапан для наполнения цилиндра предварительного сжатия воздухом и выпускной клапан для выпуска сжатого воздуха из цилиндра предварительного сжатия в основной цилиндр, основной цилиндр содержит впускной клапан для приема сжатого в цилиндре предварительного сжатия воздуха, выпускной клапан для выпуска продуктов сгорания из основного цилиндра, а также форсунку для впрыска топлива, при этом два цилиндра двигателя выполнены с одинаковой длиной хода поршней и разным объемом, регенератор расположен между цилиндрами и подогревает воздух, переходящий из цилиндра предварительного сжатия в основной цилиндр, при этом в рабочей камере основного цилиндра осуществляется сжатие воздуха, поступившего из цилиндра предварительного сжатия, впрыск топлива через форсунку, сжигание топлива и последующее расширение продуктов сгорания до атмосферного давления.

На фиг.1 представлена технологическая схема четырехтактного поршневого двигателя для одного из блоков двух цилиндров; на фиг.2…7 - основные фазы газообмена в работе блока двух цилиндрового четырехтактного поршневого двигателя; на фиг.8 изображен действительный цикл Демидченко преобразования энергии со ступенчатым сжатием и регенеративным подогревом и изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику при атмосферном давлении согласно результатам расчетов, представленных в табл.1; на фиг 9 представлена Pv диаграмма сравнения циклов в целях анализа их термодинамической эффективности: цикл Демидченко 123456781, цикл Дизеля 1-9-5-10-1, цикл Брайтона 19571; на фиг.10 - Ts диаграмма сравнения циклов с целью анализа их термодинамической эффективности: цикл Демидченко 123456781, цикл Дизеля 1-9-5-10-1, цикл Брайтона 19571; на фиг.11 представлены расчетные значения термических КПД циклов преобразования энергии.

Четырехтактный двухцилиндровый поршневой двигатель состоит из двух цилиндров 1 и 2 одинаковой длины и разного диаметра (объема) соответственно с воздушной камерой 3, камерой сгорания 4, поршнями 5 и 6, впускными клапанами 7, 8 для впуска воздуха, воздухоочистителя 9, воздушного запорного органа 10 одностороннего действия, выпускных клапанов: воздушного 11 в атмосферу или на регенератор и газового 12, приводимых в действие от распределительного вала 13; регенератора 14 для утилизации теплоты, топливного насоса 15 высокого давления для впрыскивания топлива, при открытом топливном запорном органе 16, через форсунку 17 в камеру сгорания 4 цилиндра 2 по команде распределительного вала 13 двигателя, строго связанного кинематически с коленчатым валом 18.

Система пуска двигателя должна обеспечить частоту вращения коленчатого вала, необходимую для начала работы двигателя, и выполнена из источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи 19 и электродвигателя 20 с шестерней 21 на общем валу, соединенных друг с другом стартером 22, и управляемого элементом 23. Контакт системы пуска с двигателем обеспечивается венцом 24, расположенным на коленчатом валу.

Четырехтактный поршневой двигатель двухцилиндровой конструкции функционирует следующим образом. Пуск двигателя осуществляется по стандартной схеме. По сигналу управления транспортным средством через управляемый элемент 23 от аккумуляторной батареи 19 включением замыкающего контакта электростартера 22 подается электрический ток на электрический двигатель 20 постоянного тока, шестерня 21 которого входит в зацепление с венцом 24 коленчатого вала 18. Пуск двигателя необходимо обеспечить при минимальной частоте вращения коленчатого вала, так как мощность источника энергии, а следовательно масса пусковой системы и ее габариты прямо пропорциональны частоте вращения.

Момент времени соответствующий началу вращения коленчатого вала можно принять за исходное состояние двигателя. Начало же работы двигателя связано с наполнением воздухом цилиндра 1 двигателя от воздухоочистителя 9 через воздушный запорный орган 10 одностороннего действия и впускной воздушный клапан 7 при опускании поршня 5 из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ) - фиг.1 и 2. Выпускной клапан 11 и впускной 8 закрыты, а выпускной клапан 12 цилиндра 2 открыт. Поршень 6 цилиндра 2 находится в начальном состоянии в нижней мертвой точке, а затем, при движении вниз поршня 5, совершает выпуск продуктов сгорания от предыдущего процесса цикла двигателя и поднимается в верхнюю мертвую точку (фиг.1, 2 и 7).

Поршень 5 в цилиндре 1 предварительного сжатия, поднимаясь из нижней мертвой точки при закрытых клапанах 7, 11 и открытом клапане 12, сжимает воздух в процессе 1-2 (фиг.1, 3, 8, 9 и 10) до давления Р₂, при котором принудительно с помощью распределительного вала 13 открываются клапаны 11 на регенератор 14, расположенный между цилиндрами, и клапан 8 в цилиндре 2, а клапан 12 закрывается. Сжатый воздух переходит из цилиндра 1 в цилиндр 2 (фиг.1, 4, 9 и 10), поршень в котором опускается, но перед поступлением в основной цилиндр 2 двигателя сжатый воздух проходит регенератор 14 утилизации теплоты в процессе 2-3 (фиг.8, 9 и 10) отработавших продуктов сгорания в процессе 7-8 в целях подогрева рабочего тела - воздуха после ступени 1 предварительного сжатия, что дает возможность после поступления воздуха в цилиндр 2 избежать высокого конечного давления в последующем адиабатном процессе 3-4 сжатия (фиг.8, 9 и 10) в цилиндре 2 двигателя до расчетной температуры самовоспламенения топлива Т4, что уменьшает необратимые механические и тепловые потери и металлоемкость двигателя. Адиабатное сжатие 3-4 воздуха в рабочей камере 4 цилиндра 2 начинается при подъеме поршня 6 из НМТ (фиг.1, 5, 8, 9 и 10). Клапаны 8 и 12 цилиндра 2 закрыты. При достижении поршнем 6 ВМТ в рабочей камере 4 цилиндра 2 по команде распределительного вала 13 осуществляется изобарный подвод теплоты q₁ в процессе 4-5 за счет сжигания топлива, поступающего из топливного бака 15, при открытом распределительным валом 13 топливном запорном органе 16, через форсунку 17 в основной цилиндр 2 двигателя, за которым продолжается рабочий ход с производством работы при адиабатном неполном расширении продуктов сгорания в основном цилиндре двигателя до удельного объема v₆ = v₃ в процессе 5-6. Но так как диаметр, а следовательно, и объем цилиндра 2 больше диаметра цилиндра 1 при одинаковой длине хода поршней в них, то окончательное и полное расширение продуктов сгорания с дальнейшим производством работы завершается в том же цилиндре 2 в процессе 6-7 при достижении атмосферного давления Р₇ = Р₁. Процесс 4-5-6-7 (фиг.1, 6, 8, 9 и 10) является рабочим ходом в цикле двигателя. Далее следует выпуск продуктов сгорания из цилиндра 2 в атмосферу (фиг.1, 2, 8, 9 и 10) через выпускной газовый клапан 12 при закрытом клапане 8. Цикл замкнулся. В цилиндре 1 при этом (фиг.7) клапан 7 открыт, клапан 11 закрыт. Рабочему ходу в цилиндре 2 (фиг.6) и предшествующему ему процессу сжатия воздуха в этом цилиндре (фиг.5) в цилиндре 1 проходил холостой ход поршня 5 (фиг.5 и 6) при открытом клапане 11 для сообщения полости цилиндра 1 с атмосферой. Холостой ход в цилиндре 2 имеет место (фиг.3) при предварительном сжатии воздуха в цилиндре 1.

В целях обоснования положительного эффекта цикла Демидченко 123456781 выполнены сравнительные расчеты циклов Брайтона 19571, Дизеля 1-9-5-10-1 и Карно в одном и том же интервале предельных температур: T₁ = 300 К и Т₅ = 2000 К и при следующих дополнительных исходных данных: P₁ = 0,1 МПа, Р₂ = 0,4 МПа, Р₅ = P_max = 4 МПа, степень повышения давления в основной ступени двигателя Р4/Р3=10, рабочее тело - воздух. Результаты расчетов термодинамической эффективности двух цилиндровой конструкции поршневого двигателя внутреннего сгорания с организацией работы по циклу Демиденко и циклов Дизеля, Брайтона и Карно представлены в табл.1 и 2 и для наглядности на фиг.8, а диаграмма графического сравнения циклов в координатах Pv и Ts - на фиг.9 и 10.

Выводы по анализу термодинамической эффективности циклов. Работа сжатия в предлагаемом способе преобразования энергии по значению (911 кДж/кг) больше, чем в цикле Брайтона 19571 (588 кДж/кг) согласно табл.2, реализуемом в том же интервале температур T_{1 …} Т₅ = 300…2000 К. Цикл Брайтона является самым эффективным из циклов двигателей внутреннего сгорания по причине изобарного отвода теплоты в нем. Указанное соотношение работ сжатия в циклах обусловлено тем, что в основной ступени двигателя, в которой осуществляется преобразование энергии по циклу Демидченко, в процессе 3-4 сжимается предварительно подогретый в регенераторе (процесс 2-3) воздух до Т₃ = 695 К. А располагаемая работа цикла по той же причине снизилась до значения 674 кДж/кг против 977 кДж/кг в цикле Брайтона. Но зато в цикле Брайтона увеличилось количество подводимой теплоты qi до значения 1410 кДж/кг против 830 кДж/кг в цикле Демидченко. И в итоге эффективность предложенного способа преобразования энергии составляет по КПД 81,2% против 70,7% в способе преобразования энергии по циклу Брайтона. Конечно, термический КПД отражает способность двигателя к преобразованию, получаемой от горячего источника, теплоты в работу и не учитывает механических потерь на сжатие воздуха в компрессоре.

Из сравнения термических КПД традиционного обратимого цикла Дизеля и эталонного цикла Карно очевидна недостаточная термодинамическая эффективность двигателя, работающего по циклу Дизеля, так как на 36,6%. Это обусловлено, прежде всего, изохорным отводом теплоты низкотемпературному источнику и значительным количеством теплоты q₂ = 51,6%, неиспользованной в идеальном двигателе. Из изложенного следует, что мощный, выносливый и экономичный дизель в транспортной действительности далеко не экономичный. А вот замена изохорного процесса 10-1 отвода теплоты в цикле дизеля на изобарный 7-1 (фиг.9 и 10) приводит, прежде всего, к снижению давления с 4 до 0,1 МПа и, следовательно, температуры выхлопных газов на (978 - 695) = 283 К относительно Т₁₀.

Из всех рассмотренных циклов в интервале предельных температур Т₁…Т₅ наиболее эффективным по термическому КПД и, следовательно, высокоэкономичным является цикл Демидченко со ступенчатым сжатием и регенеративным подогревом рабочего тела и изобарным отводом теплоты, реализующим предложенный способ преобразования энергии. Это обусловлено полным расширением рабочего тела до атмосферного давления в цилиндре 2 и наличием в двигателе регенератора.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Предложен четырехтактный поршневой дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры 1, 2 с поршнями 5, 6, связанными с коленчатым валом 18, систему питания воздухом и механизм газораспределения с распределительным валом 13 и с впускными 7, 8 и выпускными 11, 12 клапанами, топливную систему с насосом высокого давления 15. Двигатель содержит цилиндр 1 предварительного сжатия, основной цилиндр 2 и регенератор 14 для подогрева воздуха, переходящего из цилиндра 1 предварительного сжатия в основной цилиндр 2 за счет теплоты уходящих продуктов сгорания. Цилиндры 1 и 2 двигателя выполнены с одинаковой длиной хода поршней и разным объемом. В рабочей камере основного цилиндра 1 осуществляется сжатие воздуха, поступившего из цилиндра 1 предварительного сжатия, впрыск топлива через форсунку 17, сжигание топлива и последующее расширение продуктов сгорания до атмосферного давления. Технический результат: улучшение организации рабочего цикла двигателя с достижением температуры самовоспламенения топлива при меньшем значении давления воздуха; повышение термического и эффективного коэффициентов полезного действия двигателя; уменьшение уровня шума от работы двигателя и сокращение выброса вредных веществ с отработавшими газами. 11 ил., 2 табл.

Четырехтактный поршневой дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с поршнями, связанными с коленчатым валом, систему питания воздухом и механизм газораспределения с распределительным валом и с впускными и выпускными клапанами, топливную систему с насосом высокого давления, отличающийся тем, что двигатель содержит цилиндр предварительного сжатия, основной цилиндр и регенератор для утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания, при этом цилиндр предварительного сжатия содержит впускной клапан для наполнения цилиндра предварительного сжатия воздухом и выпускной клапан для выпуска сжатого воздуха из цилиндра предварительного сжатия в основной цилиндр, основной цилиндр содержит впускной клапан для приема сжатого в цилиндре предварительного сжатия воздуха, выпускной клапан для выпуска продуктов сгорания из основного цилиндра, а также форсунку для впрыска топлива, при этом два цилиндра двигателя выполнены с одинаковой длиной хода поршней и разным объемом, регенератор расположен между цилиндрами и подогревает воздух, переходящий из цилиндра предварительного сжатия в основной цилиндр, при этом в рабочей камере основного цилиндра осуществляется сжатие воздуха, поступившего из цилиндра предварительного сжатия, впрыск топлива через форсунку, сжигание топлива и последующее расширение продуктов сгорания до атмосферного давления.