RU2075613C1 - Способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания и поршневой двигатель внутреннего сгорания - Google Patents

Abstract

Использование: в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: для снижения потерь расширение горючих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя 1 до получения максимально возможной полезной работы, а затем - в термодинамическом обменнике энергией 5, в котором воздух сжимают до параметров начала горения топлива, после чего сжатый воздух накапливают в ресивере 7 при сохранении достигнутых параметров и используют для приготовления смеси по мере надобности. При этом воздух сжимают двухступенчато: сначала с охлаждением в охладителе 6, а затем с предотвращением потерь тепла за счет теплоизоляции ресивера 7. Поршневой ДВС содержит корпус с цилиндрами 1, поршни 2, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, включающую двухступенчатый термодинамический обменник энергий 5, между ступенями которого установлен охладитель 6, а выход из второй ступени которого подключен к теплоизолированному ресиверу 7, соединенному через клапаны 8 с цилиндрами двигателя. Между ресивером 7 и цилиндром 1 может быть установлена камера сгорания 9. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Description

Изобретение относится к энергопреобразующим установкам, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в которых энергия отработавших в цилиндрах газов используется для сжатия свежего заряда воздуха.

Анализ ДВС показывает, что параметры его рабочего процесса недостаточно высоки. В частности, они в 10-20 раз ниже, чем у паровой машины. Максимальные давления рабочего тела у ДВС и паровой машины сравнимы, тем не менее среднее эффективное давление, отнесенное к рабочему ходу, составляет около 10 кг/см², а к сумме изменений объемов при четырехтактном рабочем процессе всего 2,5 кг/см². У паровой машины эта характеристика достигает 50 кг/см².

Вторым крупным недостатком ДВС является несоответствие между начальными и конечными параметрами рабочего тела. Если в начале сжатия давление равно 1 кг/см², а температура равна 300 К, то в конце процесса, т.е. при выпуске отработавших газов в атмосферу, давление достигает 6 кг/см², температура 1700 К. При таких параметрах газа на выходе теряется много энергии, сильно загрязняется окружающая среда и усложняется задача глушения шума от работы двигателя.

Третьим существенным недостатком ДВС является несовершенство процесса сжатия рабочего тела. Отмети, что энергия на сжатие берется от рабочих газов, т. е. между рабочими газами и воздухом, который сжимается перед сжиганием в нем топлива, происходит обмен термодинамической энергии. На пути этого обмена возникают свойственные для механизмы ДВС потери, причем эти потери удваиваются, так как механическая энергия, полученная от рабочих газов, проходит путь до донышка поршня до маховика, затем обратном.

Четвертым недостатком большинства ДВС является отклонение от идеального процесса сжатия, который должен идти сначала с интенсивным охлаждением, а во второй фазе адиабатно. Частичное регулирование осуществляется керамическими вставками, изолирующими стенки цилиндра и камеру сгорания. Однако это не обеспечивает интенсификации теплообмена в первой фазе сжатия, улучшая лишь условия сжатия во второй фазе.

Известны различные технические решения, в которых газы, полученные в результате сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС, после расширения в цилиндрах используют для повышения давления свежего заряда.

Например, в изобретении по авт. св. СССР N 1677358, F 02 D 17/02, 1989 "Способ регулирования дизеля с турбонаддувом и дизель с турбонаддувом", кроме использования отработанных газов в турбокомпрессорном агрегате наддува, на частичных нагрузках отключают группу цилиндров от подачи топлива, с помощью клапанов меняют схему газовоздушного тракта, отделяя при этом ресивер, и используют отключенную группу для сжатия свежего заряда, подаваемого в работающую группу цилиндров.

Такое решение повышает эффективность использования двигателя на частичных режимах, однако потери с выхлопом приводят к существенному снижению термодинамического КПД.

Известны технические решения, в которых оптимизированы термодинамические процессы, осуществляемые в ДВС, например по авт. св. N 1806282, F 02 D 17/02, 1989. "Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами", предложено выполнять сжатие свежего заряда дважды, причем после первого сжатия воздух охлаждают, что приближает процесс к изотермическому, а после второго сжатия перед подачей в работающие цилиндры нагревают.

Однако усовершенствование процесса сжатия свежего заряда в этом техническом решении осуществлено только на частичных режимах, что не позволяет заметно улучшить эффективность использования топлива, получить качественно новый двигатель. Кроме того, сжатие воздуха в цилиндре двигателя ведет к увеличенным механическим потерям.

Известны также технические решения по использованию термодинамических процессов передачи энергии отработанных в ДВС газов сжимаемому воздуху. Например, в "Обменнике давления" по авт. св. СССР N 1134748, F 02 D 33/42, 1983 в каналах барабана установлены подвижные перегородки, с одной стороны которых подключен коллектор выхлопных газов, а с другой стороны организована подача свежего воздуха. Однако это техническое решение не позволяет реализовать все процессы подготовки свежего заряда и получить параметры сжатого воздуха, необходимые для начала горения, что снижает эффективность использования энергии топлива.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является "Способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания" по авт. св. СССР N 1760140, F 02 D 37/00, 1990, принятый авторами за прототип способа.

Принятый за прототип способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в сжатии воздуха, приготовление смеси воздуха с топливом, сжигания смеси внутри цилиндра с подвижным поршнем, расширении горячих газов и передаче работы расширения через поршень и механизма двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии газов используют для сжатия воздуха.

Этот способ обеспечивает сравнительно высокую эффективность преобразования энергии за счет предварительного сжатия свежего заряда воздуха и использования полученных горячих газов не только в цилиндре двигателя, но и в двухступенчатой расширительной машине.

Однако эффективность цикла в способе, принятом за прототип, достигается за счет применения агрегатов с механическими преобразователями энергии (компрессор и расширительные машины), что понижает коэффициент полезной работы, кроме того, дополнительное сжатие воздуха в цилиндре двигателя также приводит к потерям эффективного КПД.

Из известных поршневых двигателей внутреннего сгорания наиболее близким объектом к заявляемому двигателю по совокупности существенных признаков является "Силовая установка" по авт. св. СССР N 1835460, F 02 D 37/00, 1990, принятый авторами за прототип устройства.

Принятый за прототип поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с цилиндрами поршни, подключенные через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, включающую устройство сжатия воздуха за счет энергии отработавших в цилиндрах газов, двигатель содержит также клапаны и охладитель сжатого воздуха.

В этом устройстве также содержатся средства, повышающие эффективность использования энергии отработавших в цилиндрах двигателя газов: газы направляют в турбину, приводящую компрессор наддува, а затем в парогенератор, пар из которого используют для дополнительного повышения давления свежего заряда. В принятом за прототип устройстве, кроме выше упомянутых потерь при механических преобразованиях, велики потери в дополнительном контуре рабочего тела свободнопоршневого компрессора, а также при теплообмене в парогенераторе. Габариты и сложность конструкции прототипа не позволяют создать конкурентоспособную с известными силовую установку, в особенности для транспортных средств.

Задачей предлагаемого изобретения является максимально эффективное использование энергии сжигаемого топлива. Для этого необходимо:
повысить среднее эффективное давление рабочих газов в цилиндре ДВС в несколько раз;
снизить потери энергии на выхлопе и довести параметры газа до значений ниже критических, что, вероятно, позволит отходиться без глушителя;
приблизить рабочий процесс к циклу Карно, т.е. существенно повысить индикаторный КПД;
до предела снизить потери при преобразовании энергии расширения рабочих газов в энергию сжатого воздуха.

В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в разработке принципиально нового цикла преобразования энергии в двигателе внутреннего сгорания, при осуществлении которого достигается в десяти раз большая литровая мощность и меньшая удельная масса двигателя, а его эффективный КПД приближается к максимально возможному из термодинамических преобразований 0,85. Разработанный для осуществления такого цикла поршневой двигатель внутреннего сгорания становится конкурентно-способным с лучшими из известных, а при его использовании на транспортных средствах позволит производителю получить выход на очень емкий рынок автомобилестроения.

Данный технический результат достигнут тем, что при осуществлении цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, заключающегося в сжатии воздуха, приготовления смеси воздуха с топливом, сжигания смеси внутри цилиндра с подвижным поршнем, расширении горячих газов и передаче работы расширения через поршень и механизма двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии газов используют для сжатия воздуха, согласно изобретению, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя до получения максимально возможной полезной работы, причем в цилиндре двигателя расширение осуществляют до величины составляющей не более 0,4 объема газов при атмосферном давлении, а затем расширение горячих газов осуществляют в термодинамическом обменнике энергий между газами и свежим воздухом, в котором воздух сжимают до параметров начала горения топлива, при этом воздух сжимают двухступенчато: сначала с охлаждением, а затем с предотвращением потерь тепла, после чего сжатый воздух накапливают при сохранении достигнутых параметров и используют для приготовления смеси по мере надобности.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания для осуществления такого способа содержит корпус с цилиндрами, поршни, подключенные через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, включающую устройство сжатия воздуха за счет энергии отработавших в цилиндрах газов, содержащий также клапаны и охладитель сжатого воздуха, при этом в качестве устройства сжатия воздуха использован двухступенчатый термодинамический обменник энергий, между ступенями которого установлен охладитель, а выход из второй ступени которого подключен к теплоизолированному ресиверу, соединенному через клапаны с цилиндрами двигателя, кроме того, между ресивером и цилиндром двигателя может быть установлена камера сгорания, а клапаны входа и выхода воздуха обеих ступеней сжатия термодинамического обменника энергией выполнены прямого действия, и остальные клапаны двигателя подключены к системе управления.

Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя до получения максимально возможной полезной работы, а затем в термодинамическом обменнике энергией между газами и свежим воздухом, в котором воздух сжимают до параметров начала горения топлива, при этом воздух сжимают двухступенчато: сначала с охлаждением, а затем с предотвращением потерь тепла, после чего сжатый воздух накапливают при сохранении достигнутых параметров и используют для приготовления смеси по мере надобности.

Двухступенчатое сжатие воздуха позволяет оптимизировать этот процесс, выполнить его сначала близким к изотермическому, а затем к адиабатному, и тем самым достичь параметров сжатого воздуха, необходимых для начала горения топлива по давлению и по температуре, с минимальными затратами энергии.

При этом для сжатия используется самый экономичный процесс обмен энергией в термодинамическом обменнике, потери при котором связаны только с потерями на уплотнении поршня обменника.

Соответственно при расширении горячих газов в этом обменнике энергией тратится часть индикаторной работы цикла, а непосредственно в цилиндре двигателя преобразуется в механическую энергию только полезная работа, передаваемая через механизм двигателя потребителям.

Как показывают расчеты заявляемого цикла, в широком диапазоне параметров для получения максимально возможной полезной работы в цилиндре двигателя расширение горячих газов необходимо осуществлять до величины, составляющей не более 0,4 их объема при атмосферном давлении. Результата расчетов заявляемого цикла в сравнении с расчетом, выполненным для такого же двигателя (при одинаковом объеме цилиндров и одинаковых условиях всасывания), работающего по наиболее экономичному из известных циклу Отто при таком же топливе (которое задает допустимую степень адиабатического сжатия), приведены в таблице. Величиной, ограничивающей степень сжатия в цилиндре двигателя, является октановое число используемого топлива. Так как сжатие воздуха по заявляемому циклу осуществляют вне цилиндра, для сравнения с циклом Отто приняты параметры, получаемые при одинаковых степенях адиабатического сжатия.

В таблице приведены: ε_ит степень изотермического сжатия; ε_ад степень адиабатического сжатия; V_R удельный объем в точке R (см. фиг. 2), равный V_Ц/V_З отношение объема цилиндра двигателя к объему заряда при нормальных условиях; P_max максимальное давление; P_вхл давление выхлопа; η_э эффективный коэффициент полезного действия.

Из приведенных в таблице данных видно, что при степени сжатия менее чем 2•2= 4 в заявляемом цикле не реализуется изобарный подвод тепла (точка R уходит выше чем P_max см. фиг. 2), но такая степень сжатия и не представляет интереса для поршневого двигателя. Степень сжатия в цикле Отто свыше 12 рассматривается, т.к. не известно топлива, которое можно при этом использовать. В заявляемом цикле никаких ограничений на степень сжатия нет, что особо существенно при работе двигателя с разрежением на всасывание, например для авиационного двигателя.

Таким образом объем собственного цилиндра заявляемого двигателя составляет величину не более 0,4 от объема цилиндра двигателя, в котором осуществляют весь цикл: сжатие свежего заряда, сжигание топлива и расширение газов, что соответственно уменьшает его массу и все связанные с ней потери. При этом с помощью поршня и механизма двигателя получают и передают на вал отбора мощности только полезную механическую работу, а все затраты энергии на подготовку свежего заряда топливовоздушной смеси осуществляют без применения механизмов, за счет только термодинамических преобразователей энергии, т.е. наиболее эффективными из известных средствами.

Отличительной особенностью заявляемого ДВС является то, что в качестве устройства сжатия воздуха использован двухступенчатый термодинамический обменник энергий, между степенями которого установлен охладитель, а выход из второй ступени которого подключен к теплоизолированному ресиверу, соединенному через клапаны с цилиндрами двигателя.

Термодинамический обменник энергий позволяет получить наиболее полное расширение горячих газов (при достаточно протяженном обменнике возможно расширение газов до атмосферных параметров, т.е. получение "холодного" выхлопа), а установка между его степенями охладителя и теплоизоляция ресивера второй ступени позволяет осуществлять процесс сжатия свежего заряда термодинамически оптимальным способам: сначала изотермически, а затем адиабатно. В результате в ресивере накапливается свежий заряд полностью по своим параметрам подготовленный для сжигания топлива и с помощью клапана этот заряд может быть использован для сжигания топлива как непосредственно в цилиндре, так и в промежуточной камере сгорания, что представляет очень широкие возможности по регулированию мощности двигателя и исключает непроизводительные потери, понижающие эффективный КПД известных ДВС. Современные ДВС непосредственно для преобразования в полезную мощность используют только 1/3 общего количества топлива, имеющегося в баке автомобиля, а остальное исчезает в виде тепловых потерь (см. Мацкерле Ю. "Современный экономичный автомобиль", М. Машиностроение, 1987, стр. 13).

Кроме того, продолженное расширение газов в обменнике энергий позволяет и при ограничении габаритов обменника объемом цилиндров прототипа (см, параметр P_вхд, приведенный в таблице) получить при оптимальных степенях сжатия (ε_ад = 9) величину давления газов на выхлопе меньше критической (P_кр 1,86), что обеспечивает отсутствие шума выхлопа, позволяет отказаться от глушителя.

Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом позволяют обеспечить значительно более эффективное использование энергии сжигаемого топлива.

Приведенные выше отличительные особенности изобретения позволяют устранить или значительно уменьшить упомянутые в начале недостатки известных ДВС.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемого поршневого двигателя внутреннего сгорания, поясняющая способ осуществления цикла.

На фиг. 2 изображена PV диаграмма, на которой представлены термодинамические процессы, осуществляемые в цикле.

Двигатель содержит корпус с цилиндрами 1, поршни 2, подключенные через кривошипно-шатунный механизм 3, к валу 4 отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, при этом в качестве устройства сжатия воздуха использован двухступенчатый термодинамический обменник энергией 5, между ступенями которого установлен охладитель 6. Выход из второй ступени обменника энергией 5 подключен к теплоизолированному ресиверу 7, соединенному через клапан 8 с цилиндром 1 двигателя. На выноске 1 показан вариант, когда между ресивером 7 и цилиндром двигателя может быть установлена камера сгорания 9 с клапаном 10.

Термодинамический обменник энергий 5 представляет собой свободный поршень 11, установленный в корпусе с образованием следующих полостей: горячей 12, соединенной через клапан 13 с цилиндром 1, а через клапан 14 с выхлопом; сжатия воздуха первой ступени 15, соединенной через клапан 16 с забором свежего воздуха, а через клапан 17 с входом охладителя 6; сжатия воздуха второй ступени 18, соединенной через клапан 19 с выходом из охладителя 6, а через клапан 20 с ресивером 7; полости демпфирования 21.

Клапаны двигателя: 16, 17, 19, 20, выполнены прямого действия, например обратные клапаны лепесткового типа, а клапаны 8, 10, 13, 14 выполнены управляемыми от системы 22.

Заявляемый цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляют следующим образом.

Ключом к решению поставленных задач является вынесение процесса сжатия из рабочей камеры ДВС и его полная реализация с помощью термодинамического обменника энергий 5. При этом обменник работает в динамическом режиме, при котором поршень 11 под действием давления горячих газов в полости 12 разгоняется, затем, двигаясь по инерции, позволяет горячим газам отдавать свою энергию на сжатие воздуха в полостях 15 и 18 даже в условиях, когда сопротивление сжатию превосходит давление горячих газов.

Работа термодинамического обменника энергий, схематически показанного на фиг. 1, делится на две фазы. В первой из них сила давления горячих рабочих газов в полости 12 превосходит силу давления воздуха, сжимаемого в полостях 15 и 18. Избыточная сила вызывает ускоренное движение поршня 11 и возрастание его кинетической энергии. После выравнивания сил наступает вторая фаза, в течении которой накопленная поршнем кинетическая энергия преобразуется в энергию сжатого воздуха. При этом внутренняя энергия горячих газов продолжает превращаться в энергию сжатого воздуха. Обмен энергией завершается в момент остановки поршня 11. Обратному обмену препятствуют клапаны 17 и 20, замыкающие полости ресивера 7 и холодильника 6.

Кинетическая энергия поршня 11 позволяет осуществить достаточно полное расширение газов в полости 12, вплоть до атмосферного давления, даже в условиях, когда в конце сжатия давление в камере сгорания намного превосходит давление рабочих газов. Однако конечное давление сжатого воздуха в камере 15 не превосходит начального давления рабочих газов. Для дальнейшего повышения давления сжатого воздуха можно применить двухступенчатое сжатие, как это показано на фиг. 1. С помощью данной схемы и двух ресиверов (промежуточным ресивером служит объем охладителя 6) можно осуществить подготовку воздуха для ДВС, работающего по рабочему процессу с индикаторной диаграммой, показанной на фиг. 2. На диаграмме отражены термодинамические процессы, происходящие в ДВС, термодинамическом обменнике энергий и ресиверах.

Линия AF₁ изображает процесс изотермического сжатия в полости 15. После достижения давления P_G воздух поступает в охладитель 6. Перетекание всего сжатого воздуха в объем охладителя изображает линия F₁G. При заполнении полости 18 повторного (адиабатного) сжатия воздух вытекает из холодного ресивера (охладителя 6) и возвращает обменнику 5 работу, затраченную на перекачку воздуха из камеры низкого давления 15 в охладитель 6. Этот процесс изображается ориентированным отрезком GF₂. После заполнения компрессорной полости 18 второй ступени сжатия происходит адиабатное сжатие воздуха и его перетекание в теплоизолированный ресивер 7 (линия C₁H).

Если мертвое пространство в расширительной камере ДВС незначительное, то точку H можно считать началом работы ДВС. При изменении объема камеры от O до V_C2 происходит перетекание воздуха из ресивера 7 в ДВС. В это время ДВС работает как пневмодвигатель. В точке C₂ начинается изобарный подвод теплоты, который протекает на отрезке C₂Z. В точке Z начинается адиабатное расширение, которое в идеальном случае заканчивается в начальной точке А.

Отличительной особенностью предлагаемой индикаторной диаграммы является введение точки R, делящей процесс адиабатного расширения на две части: ZR и RB. Процесс RB менее интенсивный и протекает в термодинамическом обменнике энергией 5.

Таким образом, описанный процесс характеризуется высокими параметрами рабочего тела и ограниченным объемом цилиндра ДВС, что и приближает данный процесс к рабочему процессу паровой машины. В принципе диаграмма на фиг. 2 может построена с соблюдением важнейших требований к циклу Карно. Первым из них является необходимость совпадения начальной и конечной точек процесса. Чтобы выполнить это условие, подберем надлежащим образом точку Z, положение которой определяется количеством подведенной теплоты. Для определения величины V_Z следует построить адиабату, проходящую через точку А, и найти ее пересечение с прямой HC₂. Следует отметить, что для идеального совпадения начальной и конечной точек необходимо обеспечить надлежащий угол между линиями AF₁ и AR. Для этого должны быть созданы условия для хорошего охлаждения воздуха на первой стадии сжатия и принятые все меры к тому, чтобы при расширении рабочего тела цилиндры ДВС и обменника 5 не отдавали теплоты стенкам расширительных камер.

Предлагаемый двигатель работает в двухтактном режиме. В начальный момент времени все клапаны закрыты, поршень ДВС находится в положении ВМТ, поршень обменника 5 находится в НМТ, т.е. в таком положении, где объем горячей камеры 12 минимален, а камер первой ступени воздушного компрессора 15 и второй ступени воздушного компрессора 18 максимален. При движении поршня ДВС от ВМТ открывается впускной клапан 8 (рассмотрим случай отсутствия камеры сгорания 9 и клапана 10, при непосредственной подаче топлива в головку цилиндра, как это выполнено в известных двухтактных ДВС), и накопленный ранее сжатый воздух из ресивера 7 поступает в цилиндр 1. При определенном отклонении поршня 2 от положения ВМТ, определяемого объемом камеры сгорания, клапан 8 закрывается и одновременно производится впуск топлива, его сжигание и образованием рабочего тела и рабочий ход. При положении поршня в НМТ открывается выпускной клапан 13, рабочее тело, частично отдавшее свою энергию ДВС, поступает в камеру 12 термодинамического обменника энергий, где отдает свою оставшуюся энергию поршню 11 и заставляет его двигаться к положению ВМТ. При этом одновременно сжимается воздух в первой ступени 15 и во второй ступени 18 термодинамического обменника энергией. При подходе поршня 11 к положению ВМТ через клапан 17 перепускают сжатый воздух из первой ступени компрессора 15 в охладитель 6, а через клапан 20 перепускают сжатый воздух из второй ступени компрессора 18 и ресивер 7. При положении поршня 11 в ВМТ закрываются клапаны 17 и 20 и затем открываются клапаны 14, 19, 16. При открытии клапана 19 воздух из охладителя 6 под давлением поступает в полость 18 второй ступени, воздействует на поршень 11 и двигает его от положения ВМТ к положению НМТ. При этом отработавшие газы из горячей камеры 12 выводятся через клапан 14 в атмосферу, а атмосферный воздух через клапан 16 всасывается в камеру первой ступени 15. При подходе поршня 11 с положению НМТ клапаны 14 и 16 закрываются. Таким образом, в полости 15 запасается воздух при атмосферном давлении, а в полости 18 запасается воздух при давлении, равном давлению в охладителе 6. При ходе поршня 11 от положения ВМТ к положению НМТ из-за давления в камере 18 поршень разгоняется, и для его торможения в положении НМТ предназначен амортизатор, который конструктивно может быть выполнен как полость демпфирования 21 или дополнительный обменник энергий, сжимающий воздух и перегоняющий его в ресивер. Тем временем поршень 2 ДВС, двигаясь от НМТ к ВМТ, выталкивает остатки рабочего тела, которые через открытый клапан 13 и открытый клапан 14 выбрасываются в атмосферу. При подходе поршня 2 к положению ВМТ закрываются клапаны 13 и 14. Цикл повторяется.

Работоспособность конструктивной схемы фиг. 1 зависит от отношения скорости образования рабочего тела к скорости движения поршня 2. Если скорость движения поршня выше скорости сгорания, то схема не будет работать при больших оборотах ДВС. Для устранения этого несоответствия введены дополнительно камера сгорания 9 и клапан 10, которые позволяют без ущерба для процесса в целом удлинить время подготовки рабочего тела для расширения.

Таким образом заявляемая установка открывает новые возможности как повышения КПД, так и удельной мощности ДВС. В сущности, предложен новый прием организации цикла работы ДВС. Этот прием основан на двойном расширении рабочих газов в двух поршневых машинах в ДВС и термодинамическом обменнике энергией. Расширение газов в ДВС обеспечивает получение полезной механической работы, а в термодинамическом обменнике энергий утилизацию остаточной энергии в энергию сжатого воздуха. Этот прием не только обеспечивает утилизацию энергии и снижение материалоемкости ДВС за счет повышения среднего индикаторного давления в рабочем цилиндре, но и упрощает организацию двухтактного режима работы. Новый способ существенно отличается от продолженного расширения прежде всего тем, что дополнительное расширение рабочих газов начинается не в точке, где объем рабочих газов выравнивается с начальным объемом свежего воздуха, а значительно раньше. Если продолженное расширение осуществляется в газовой турбине, то работа этой турбины используется для предварительного сжатия воздуха, которое называется наддувом. Давление наддува значительно меньше того, что требуется в начале процесса горения топлива. Поэтому наддув требует дополнительного сжатия воздуха в рабочем цилиндре.

В предлагаемой схеме на термодинамический обменник энергий возлагается функция сжатия газа до давления, достаточного для начала горения топлива. Как показывают расчеты, остаточной энергии, содержащейся в выхлопных газах двигателя, работающего по базовому циклу Отто или Дизеля, недостаточно. Термодинамический обменник энергий должен начинать свою работу в точке R (см. фиг. 2), расположенной между точками начала расширения и начала выхлопа в базовом цикле. В точке R к объему ДВС добавляется объем рабочей полости термодинамического обменника энергией и расширение продолжается уже в двух объемах. В конце совместного расширения оба объема сообщаются с атмосферой и начинается вентилирование цилиндров. Такое расширение рабочих газов называется разделенным. Точка R разделяет кривую расширения на две части. В первой части производится механическая работа, во второй энергия выхлопных газов передается свежему заряду. Термодинамический обменник энергий является термодинамическим преобразователем с минимальными механическими потерями. Современная техника позволяет использовать известные поршни с газовым уплотнителем. При этом механический КПД должен быть не менее 99% Основные механические потери заявляемой системы сосредоточены, в основном, при рабочем ходе поршня.

Заявляемый двигатель имеет большие преимущества перед известными по энергетическим и массогабаритным характеристикам. Так при общей степени сжатия в обменнике энергий ε = 100 (степень сжатия первой ступени ε_ит = 10, и второй ε_ад = 10) температура газов на выхлопе не превосходит 200^oC (473 К), а объем собственно двигателя (соответственно и его масса) в 15 раз меньше объема обменника энергией. Т.к. механические потери двигателя определяются массой его деталей, во столько же раз эти потери снижаются в сравнении с известными ДВС.

Необходимо отметить также, что в заявленном двигателе наличие промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха позволяет уменьшить требования к октановому числу сжигаемого топлива.

Как видно из схемы фиг. 1, работа системы с двухступенчатым сжатием воздуха имеет 7 (или 8 с дополнительной камерой сгорания) клапанов. Четыре клапана обслуживают компрессорную часть системы и могут выполняться как свободно управляемые, например лепестковые, клапаны. Остальные клапаны должны быть управляемыми. Основной задачей системы управления клапанами должна быть синхронизация ДВС с термодинамическим обменником энергией. Эта задача усложняется тем, что поршни ДВС и термодинамического обменника энергий не имеют механической связи и могут двигаться с разными скоростями. В связи с этим управление частью клапанов должно обеспечивать как управление работой ДВС, так и согласование ДВС с термодинамическим обменником энергией.

Развитие электронной техники позволяет уже известными средствами решить задачу создания упомянутой выше системы управления и получить оборудование конкурентоспособное с самыми современными специализированными установками, в том числе и с установкой, принятой за прототип.

Claims (6)

1. Способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в сжатии воздуха, приготовлении смеси воздуха с топливом, сжигании смеси внутри цилиндра с подвижным поршнем, расширении горячих газов и передаче работы расширения через поршень и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии газов используют для сжатия воздуха, отличающийся тем, что расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя до получения максимально возможной полезной работы, а затем в термодинамическом обменнике энергий между газами и свежим воздухом, в котором воздух сжимают до параметров начала горения топлива, после чего сжатый воздух накапливают при сохранении достигнутых параметров и используют для приготовления смеси по мере надобности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух сжимают двухступенчато: сначала с охлаждением, а затем с предотвращением потерь тепла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в цилиндре двигателя расширение горячих газов осуществляют до величины, составляющей не более 0,4 их объема при атмосферном давлении.

4. Поршневой двигатель внутреннего сгорания для осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрами, поршни, подключенные через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, включающую устройство сжатия воздуха за счет энергии отработавших в цилиндрах газов, содержащий также клапаны и охладитель сжатого воздуха, отличающийся тем, что в качестве устройства сжатия воздуха использован двухступенчатый термодинамический обменник энергий, между ступенями которого установлен охладитель, выход из второй ступени которого подключен к теплоизолированному ресиверу, соединенному через клапаны с цилиндрами двигателя.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что между ресивером и цилиндром двигателя установлена камера сгорания.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что клапаны входа и выхода воздуха обеих ступеней сжатия термодинамического обменника энергий выполнены прямого действия, а остальные клапаны двигателя подключены к системе управления.

Images