Двигатель внутреннего сгорания с регенерацией тепла в цикле (варианты) Российский патент 2024 года по МПК F02B33/22 F02G5/02 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания с регенерацией тепла в цикле, содержащий по меньшей мере один компрессорный и один рабочий цилиндр, поршни, коленчатый вал, систему впрыска, впускные и выпускные клапаны, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки, рекуперативный теплообменник с контуром продуктов сгорания и воздушным контуром, причем контур продуктов сгорания теплообменника соединен с выпускным клапаном рабочего цилиндра, вход воздушного контура соединен с выпускным клапаном компрессорного цилиндра, а выход воздушного контура теплообменника соединен с впускным клапаном рабочего цилиндра, при этом цикл работы осуществляется в двух цилиндрах, причем двигатель снабжен подкачивающим компрессором, эпизодически подключающимся к валу двигателя, воздушным ресивером, соединенным трубопроводом с компрессором и воздушным контуром теплообменника через управляемый впускной клапан, а дренажный управляемый клапан, соединенный с воздушным контуром рекуперативного теплообменника, сообщается с атмосферой. (Патент на изобретение RU 2641180 С2, опубл. 16.01.2018).

Данный двигатель внутреннего сгорания принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

В прототипе отмечается, что перемещение воздуха из компрессорного в рабочий цилиндр осуществляется при постоянном давлении за счет движения поршней в обоих цилиндрах, при этом не поясняется как обеспечивается постоянство давления в процессе и самое главное, чем обеспечивается равенство масс воздуха, вытесненного из компрессорного цилиндра и поступившего в рабочий цилиндр.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности КПД цикла, за счет обеспечения материального баланса рабочего тела в цилиндрах, то есть обеспечения равенства массы воздуха, выходящего из компрессорного цилиндра и массы воздуха входящего в рабочий цилиндр. Это возможно осуществить за счет введения определенного соотношения диаметров компрессорного и рабочего цилиндров при равенстве ходов поршней, либо введения определенного соотношения радиусов кривошипов (ходов поршней) при равенстве диаметров цилиндров.

Поставленная задача достигается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный и один рабочий цилиндр одинаковых диаметров, поршни, коленчатый вал, систему впрыска, впускные и выпускные клапаны, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки, рекуперативный теплообменник с контуром продуктов сгорания и воздушным контуром, причем контур продуктов сгорания теплообменника соединен с выпускным клапаном рабочего цилиндра, вход воздушного контура соединен с выпускным клапаном компрессорного цилиндра, а выход воздушного контура теплообменника соединен с впускным клапаном рабочего цилиндра, при этом цикл работы осуществляется в двух цилиндрах, согласно изобретению, равенстве диаметров рабочего и компрессорного цилиндров радиус кривошипа кривошипно-шатунного механизма рабочего цилиндра, находящегося на одном коленчатом валу с механизмом компрессорного цилиндра, больше радиуса кривошипа механизма компрессорного цилиндра в число раз, равное к отношению температуры воздуха, вошедшего из теплообменника в рабочий цилиндр к температуре воздуха в конце процесса сжатия в компрессорном цилиндре.

Кроме того, поставленная задача достигается также за счет того, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный и один рабочий цилиндр, поршни, общий коленчатый вал с кривошипно-шатунными механизмами компрессорного и рабочего цилиндров, имеющими одинаковые радиусы кривошипов, систему впрыска, впускные и выпускные клапаны, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки, рекуперативный теплообменник с контуром продуктов сгорания и воздушным контуром, причем контур продуктов сгорания теплообменника соединен с выпускным клапаном рабочего цилиндра, вход воздушного контура соединен с выпускным клапаном компрессорного цилиндра, а выход воздушного контура теплообменника соединен с впускным клапаном рабочего цилиндра, при этом цикл работы осуществляется в двух цилиндрах, отличающийся тем, что при равенстве радиусов кривошипов механизмов рабочего и компрессорного цилиндров диаметр рабочего цилиндра больше диаметра компрессорного в число раз, равное к значению корня квадратного из отношения температуры воздуха, вошедшего из теплообменника в рабочий цилиндр к температуре воздуха в конце процесса сжатия в компрессорном цилиндре.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1. изображена конструктивная схема двигателя при равенстве диаметров цилиндров и различных ходах поршней (радиусах кривошипов). На Фиг. 2 изображена конструктивная схема двигателя при равенстве ходов поршней (радиусах кривошипов) и различных диаметрах цилиндров.

На Фиг. 3 изображены P-V и T-S-диаграммы базового цикла Отто (1-2-3-4-1) и цикла двигателя (1-2*-2**-3*-4*-1).

Двигатель внутреннего сгорания с регенерацией тепла в цикле содержит: 1 - компрессионный цилиндр, 2 - поршень, 3 - рабочий цилиндр, 4 - поршень рабочего цилиндра, 5 - впускной клапан компрессионного цилиндра, 6 - выпускной клапан компрессионного цилиндра, 7 - впускной клапан рабочего цилиндра, 8 - выпускной клапан рабочего цилиндра, 9 - рекуперативный теплообменник.

Работа двигателя внутреннего сгорания с регенерацией тепла в цикле осуществляется следующим образом. Впуск чистого воздуха в компрессорный цилиндр 1 на протяжении всего хода поршня 2 от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки при открытом впускном клапане 5 и сжатие воздуха в компрессорном цилиндре 1 (процесс 1-2*, Фиг. 3) со степенью сжатия до ε_с (в диапазоне ε_с=6…8) с перемещением поршня 2 от нижней мертвой точки при закрытых впускном 5 и выпускном 6 клапанах. Открытие выпускного клапана 6 компрессорного цилиндра и впускного клапана 7 рабочего цилиндра и перемещение воздуха из компрессорного цилиндра 1 через воздушный контур рекуперативного теплообменника 9 в рабочий цилиндр 3 при постоянном давлении (процесс 2*-2**, Фиг. 3) за счет движения поршней в обоих цилиндрах (компрессорный поршень 2 работает на вытеснение до верхней мертвой точки, а поршень 4 рабочего цилиндра работает на расширение до некоторого промежуточного положения от верхней мертвой точки). Закрытие впускного клапана 7 рабочего цилиндра, впрыск топлива, его искровой поджиг и сгорание при практически неизменном объеме в рабочем цилиндре 3 (изохорный процесс 2**-3*, Фиг. 3), расширение продуктов сгорания в рабочем цилиндре 3 при движении поршня 4 от промежуточного положения до нижней мертвой точки (адиабатный процесс 3*-4*, Фиг. 3), открытие выпускного клапана 8 рабочего цилиндра и вытеснение продуктов сгорания за счет движения рабочего поршня 4 от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки через контур продуктов сгорания теплообменника.

Так как при нагреве перемещаемого из компрессорного цилиндра в рабочий цилиндр воздуха через теплообменник он, нагреваясь, требует для своего размещения большего объема, то для обеспечения постоянства давления в этом процессе привнесенные в настоящем изобретении отличительные конструктивные признаки позволяют выполнить условия Р=Const и равенства масс вытесняемого их компрессорного цилиндра и входящего в рабочий цилиндр воздуха.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение коэффициента полезного действия двигателя и, как следствие, снижение расхода топлива, возможность использования унифицированных конструктивных схем двигателей внутреннего сгорания и возможность использования разных сортов топлив.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один компрессорный цилиндр (1) и один рабочий цилиндр (3) одинаковых диаметров. Двигатель имеет поршни (2) и (4), коленчатый вал, систему впрыска, впускные и выпускные клапаны, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки и рекуперативный теплообменник (9) с контуром продуктов сгорания и воздушным контуром. Контур продуктов сгорания теплообменника (9) соединен с выпускным клапаном (8) рабочего цилиндра (3). Вход воздушного контура соединен с выпускным клапаном (6) компрессорного цилиндра (1). Выход воздушного контура теплообменника соединен с впускным клапаном (7) рабочего цилиндра (3). Цикл работы осуществляется в двух цилиндрах (1) и (3). Двигатель снабжен подкачивающим компрессором, эпизодически подключающимся к валу двигателя. Воздушный ресивер соединен трубопроводом с компрессором и воздушным контуром теплообменника через управляемый впускной клапан. Дренажный управляемый клапан соединен с воздушным контуром рекуперативного теплообменника (9) и сообщается с атмосферой. Диаметры рабочего и компрессорного цилиндров (3) и (1) равны между собой. Кривошип кривошипно-шатунного механизма рабочего цилиндра (3) находится на одном коленчатом валу с кривошипом механизма компрессорного цилиндра (1). Радиус кривошипа кривошипно-шатунного механизма рабочего цилиндра (3) больше радиуса кривошипа механизма компрессорного цилиндра (1) в число раз, равное или близкое к отношению температуры воздуха, вошедшего из теплообменника в рабочий цилиндр, к температуре воздуха в конце процесса сжатия в компрессорном цилиндре. Раскрыт вариант выполнения двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в обеспечении равенства массы воздуха, выходящего из компрессорного цилиндра, и массы воздуха, входящего в рабочий цилиндр. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный и один рабочий цилиндры одинаковых диаметров, поршни, коленчатый вал, систему впрыска, впускные и выпускные клапаны, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки, рекуперативный теплообменник с контуром продуктов сгорания и воздушным контуром, причем контур продуктов сгорания теплообменника соединен с выпускным клапаном рабочего цилиндра, вход воздушного контура соединен с выпускным клапаном компрессорного цилиндра, а выход воздушного контура теплообменника соединен с впускным клапаном рабочего цилиндра, при этом цикл работы осуществляется в двух цилиндрах, отличающийся тем, что при равенстве диаметров рабочего и компрессорного цилиндров радиус кривошипа кривошипно-шатунного механизма рабочего цилиндра, находящегося на одном коленчатом валу с механизмом компрессорного цилиндра, больше радиуса кривошипа механизма компрессорного цилиндра в число раз, равное отношению температуры воздуха, вошедшего из теплообменника в рабочий цилиндр, к температуре воздуха в конце процесса сжатия в компрессорном цилиндре.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный и один рабочий цилиндры, поршни, общий коленчатый вал с кривошипно-шатунными механизмами компрессорного и рабочего цилиндров, имеющими одинаковые радиусы кривошипов, систему впрыска, впускные и выпускные клапаны, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки, рекуперативный теплообменник с контуром продуктов сгорания и воздушным контуром, причем контур продуктов сгорания теплообменника соединен с выпускным клапаном рабочего цилиндра, вход воздушного контура соединен с выпускным клапаном компрессорного цилиндра, а выход воздушного контура теплообменника соединен с впускным клапаном рабочего цилиндра, при этом цикл работы осуществляется в двух цилиндрах, отличающийся тем, что при равенстве радиусов кривошипов механизмов рабочего и компрессорного цилиндров диаметр рабочего цилиндра больше диаметра компрессорного в число раз, равное значению корня квадратного из отношения температуры воздуха, вошедшего из теплообменника в рабочий цилиндр, к температуре воздуха в конце процесса сжатия в компрессорном цилиндре.