Термодинамический цикл для двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к двигателестроению. Термодинамический цикл включает впуск воздуха в один цилиндр, его сжатие, подачу его в камеры сжатия и сгорания в верхнюю часть второго цилиндра, впрыск топлива в камеру сгорания, воспламенение, сгорание, перетекание продуктов сгорания во второй цилиндр с дожигом топлива за счет поступления дополнительного воздуха, выпуск отработавших газов из второго цилиндра, при этом в одном цилиндре совершается всасывание-сжатие чистого воздуха, а в другом - расширение-выхлоп. Двигатель, осуществляющий этот цикл, содержит два спаренных цилиндра, сгорание топлива осуществляется в отдельной камере сгорания, заполненной сжатым воздухом и охваченной другой камерой с запасом сжатого воздуха с возможностью перетекать в камеру сгорания и второй цилиндр. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя, оптимизацию процессов отдельных тактов. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Известны способы работы двигателя внутреннего сгорания, в которых осуществляется термодинамический процесс по схеме Отто или Дизеля и занимают два оборота коленчатого вала или четыре последовательных хода (такта) поршня в одном цилиндре.

Двигатели, работающие по этим способам, бывают четырехтактные и двухтактные, т.е. весь рабочий процесс у них может происходить в течение четырех или двух ходов каждого поршня-тактов.

Топливо в этих двигателях может смешиваться с воздухом в карбюраторе или же непосредственно в цилиндрах двигателя с впрыском топлива.

При осуществлении рабочего процесса по принципу Отто невозможно применять высокую степень сжатия и качественное регулирование топливного заряда. Пределом повышения степени сжатия в этих двигателях является детонационное сгорание топлива, что уменьшает мощность двигателя, его экономичность и увеличивает нагрузку на шатунно-поршневую группу.

При осуществлении рабочего процесса по принципу Дизеля, работающего на тяжелом топливе с раздельным вводом топлива и воздуха и самовоспламенением топливной смеси, имеем более высокую степень сжатия, чем это необходимо для оптимального значения в ДВС. Одна из основных характеристик двигателя - это эффективный коэффициент полезного действия, т.е. отношение количества тепла, превращенного в полезную механическую работу коленчатого вала двигателя к количеству тепла, содержащегося в топливе, введенном в цилиндр.

У дизельных двигателей - это коэффициент наибольший из ДВС и находится в пределах 35-40 %.

В описываемых круговых термодинамических процессах (циклах) отмечается, что термическим коэффициентом полезного действия называется отношение теплового эквивалента работы, совершенной рабочим телом в рассматриваемом прямом круговом процессе, к сумме всех количеств тепла, сообщенных при этом рабочему телу нагревателями, т.е. для его роста необходимо как можно больше тепла передать рабочему телу.

Известно, что КПД любого двигателя зависит от эффективности использования тепла при сгорании топлива. Тепловой баланс показывает, что в ДВС используется полезно только 35% тепла на полезную работу, остальное тепло расходуется в системе охлаждения 25-35%, а для тепла, унесенного с отработавшими газами, достигает 30-45%. Вот эти потери тепла и являются основными резервами повышения КПД двигателя.

Наиболее близким по технической сущности изобретением к предлагаемому является двигатель М.В.Кушеля (авт.св. СССР N 80445, кл. F 02 В 11/00, 1961 г.), в котором каждый цилиндр как бы сдвоен - состоит из двух цилиндров, сообщающихся между собой вверху каналом, направленным по касательной к окружностям цилиндров. Каждый цилиндр оснащен впускным и выпускным клапанами.

Однако двигатель М. В.Кушеля работает по известному термодинамическому циклу и не решает проблему оптимизации работы тактов, не обеспечивает уменьшение передачи тепла в систему охлаждения и выхлопа, не увеличивает передачу тепла рабочему телу, а также его массу.

Научными исследованиями доказано, что наиболее эффективным приемом совершенствования рабочего процесса двигателя является переход на эксплуатацию двигателя с большим коэффициентом избытка воздуха; работ, направленных на совершенствование продувки - наполнения цилиндра, а также увеличение действительной степени сжатия. При этом на коэффициенте наполнения цилиндра сказывается тепловое состояние двигателя (топливно-воздушного тракта). Чем больше нагревается смесь (воздух) при входе в цилиндр от соприкосновения с горячими деталями двигателя и остатками рабочего тела, тем меньше ее плотность и меньше коэффициент его наполнения.

Задачей изобретения является повышение КПД двигателя внутреннего сгорания, полнота сгорания топлива, уменьшение передачи тепла в систему охлаждения и выхлопа, а также оптимизация процессов отдельных тактов.

Поставленная задача решается за счет того, что способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в один цилиндр чистого воздуха, его сжатия поршнем цилиндра и подачи в камеру сжатого воздуха и камеру сгорания, расположенных в верхней части второго цилиндра, впрыска топлива в камеру сгорания, воспламенения топлива в камере сгорания от контакта со сжатым воздухом или от системы зажигания топлива (искра свечи), сгорания топлива в основной массе и перетекания продуктов сгорания во второй цилиндр с дожигом топлива за счет поступления дополнительного воздуха с камеры сжатого воздуха, проходящего через камеру сгорания, и выпуска отработавших газов из второго цилиндра, при этом термодинамический цикл разделен по двум отдельным цилиндрам, в одном цилиндре совершается всасывание-сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре расширение-выхлоп, в верхней части второго цилиндра расположена камера сжатого воздуха, которая охватывает и сообщается с камерой сгорания, при сгорании топлива нагревается воздух в камере сгорания и в камере сжатого воздуха и общее рабочее тело перетекает во второй цилиндр, где дожигается топливо, продукты сгорания топлива расширяются, выбрасываются в атмосферу и завершается полный рабочий цикл за один оборот коленчатого вала.

При работе двигателя за первый полуоборот коленчатого вала в первом цилиндре происходит процесс всасывания чистого воздуха и во втором цилиндре - рабочий ход (расширение газов), при втором полуобороте коленчатого вала в первом цилиндре совершается такт сжатия и во втором цилиндре - такт выпуска отработанных газов.

Кривошипно-поршневая группа в первом цилиндре не зависима от величины хода заданного кривошипном коленчатого вала второго цилиндра, а из-за отсутствия элементов нагрева (камеры сгорания, клапанов и др.) в первом цилиндре достигается необходимая степень сжатия и высокий коэффициент наполнения цилиндра воздухом.

Основное сгорание топлива, впрыснутого в камеру сгорания, осуществляется в ней и выделившееся тепло нагревает также сжатый воздух, находящийся в камере сжатия, охватывающий камеру сгорания, с последующей продувкой менее нагретым воздухом камеры сгорания (ее охлаждение) и участием избытка воздуха в дожиге топлива во втором цилиндре.

Сгорание топлива происходит только в одном из двух цилиндров (спаренных) и потери тепла уменьшается из-за этого почти в два раза.

Во втором цилиндре подводится тепло к рабочему теплу дважды (регенерация тепла), вначале в камере сгорания, а затем за счет теплопередачи запасу сжатого воздуха, расположенного в камере сжатого воздуха, которая охватывает камеру сгорания и за счет этого первично ее охлаждает, затем нагретый и сжатый воздух продувает камеру сгорания и вторично ее охлаждает, увеличивает массу нагретого рабочего тела и понижает температуру выхлопных газов.

Во втором цилиндре увеличен объем расширяющихся газов за счет собственного хода поршня (его диаметра) независимо от хода поршня в первом цилиндре; возможно применение воспламенения топлива от сжатия с одновременным принудительным воспламенением от системы зажигания; возможна работа двигателя без наличия системы охлаждения, т.к. подача сжатого, но мало нагретого воздуха в камеру сжатия и камеру сгорания будет их охлаждать от нагрева, происходящего только в одном из двух цилиндров, где имеется камера сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере два спаренных цилиндра с размещенными в нем шатунно-поршневыми деталями, в котором осуществляется четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп, отличается тем, что в первом цилиндре происходят такты всасывание-сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре - рабочий ход - выхлоп; последовательность тактов цикла чередуется по обоим цилиндрам, т.е. одновременно совершаются спаренные такты: всасывание-расширение газов (рабочий ход) и сжатие воздуха - выхлоп; при этом сгорание топлива осуществляется в отдельной камере сгорания, заполненной сжатым воздухом и охваченной другой камерой с запасом сжатого воздуха, который имеет возможность перетекать в камеру сгорания, а затем во второй цилиндр; при этом поданное топливо может сгорать в камере сгорания как по циклу Отто, так и по циклу Дизеля, совершая полный рабочий цикл за один оборот коленчатого вала, для оптимизации тактов цикла радиус кривошипа в первом цилиндре не равен радиусу кривошипа второго цилиндра, но имеющих кинематическую связь кривошипов, и при этом поршень второго цилиндра проходит верхнюю мертвую точку в момент, когда поршень в первом цилиндре уже отошел от верхней мертвой точки, что облегчает вывод поршней из мертвых точек.

В первом цилиндре установлен впускной клапан, а во втором цилиндре расположена камера сжатого воздуха, которая охватывает камеру сгорания, при этом камера сжатого воздуха и камера сгорания имеют клапан и между собой камеры сообщаются через отверстия малого диаметра (клапаны), а для выпуска отработанных газов второй цилиндр имеет выпускной клапан; возможно различное расположение спаренных цилиндров в многоцилиндровом двигателе (рядное, V-образное и др.) при условии кинематической связи отдельных коленчатых валов.

На чертеже представлено устройство (двигатель), реализующее предлагаемый способ, содержит один цилиндр 4, в котором поршень 6 всасывает и сжимает чистый воздух, а в другом цилиндре 17 (рабочем) осуществляется процесс расширения газов и его выхлоп.

Цилиндры 4 и 17 в вариантах устройства могут быть распложены в различных положениях один относительно другого (последовательно, параллельно, встречно и т.д.).

В двигателе всасывание воздуха в цилиндр 4 происходит через клапан 5, а выхлоп отработанных газов - через клапан 15.

Объем цилиндра 4 сообщается свободно с камерой сжатого воздуха 7 до клапана 8.

В каждом цилиндре имеется свой поршень 6 и 16, которые связаны с коленчатым валом 1 через шатуны 3 и 18. При этом кривошип коленчатого вала 1, связанный с шатуном 18 в рабочем цилиндре 17, смещен на некоторый угол по отношению к колену другого поршня 6 таким образом, что, когда поршень 6 уже прошел верхнюю мертвую точку, другой поршень 16 еще только подходит к ней. Это смещение кривошипов помогает выводу поршней из мертвых точек.

Над рабочим цилиндром 17 расположены камера сжатого воздуха 7 с клапаном 8, которая охватывает камеру сгорания 12 и сообщается с ней через отверстия малого диаметра (клапана) 9 и 13. В камеру сгорания подается топливо через устройство 10. В камере сгорания 12 может быть применено устройство для искрообразования 11, необходимое для зажигания топлива в случае низкой степени сжатия воздуха.

Камера сгорания 12 сообщается с рабочим цилиндром 17 через клапан 14. При открытии клапана 14 продукты сгорания выходят в цилиндр 17. В верхней части рабочего цилиндра 17 имеется выхлопной клапан 15.

Рабочий цикл двигателя осуществляется следующим образом: Такт впуска. Поршень 6 движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан 5 открыт, в цилиндр 4 поступает воздух.

Такт сжатия. Впускной клапан 5 и клапан камеры сгорания 14 закрыты. Клапан 8 камеры сжатого воздуха открыт. Поршень 6 перемещается от н.м.т. к в.м. т. и сжимает воздух. Вследствие большой степени сжатия давление в цилиндре 4 повышается и сжатый воздух перетекает через открытый клапан 8 в камеру сжатого воздуха 7, затем через отверстия малого диаметра (клапана) 9 и 13 в камеру сгорания. При достижении поршня 6 в.м.т. давление в камере сжатия 7 (продувки) и камере сгорания 12 будет одинаковое, равное степени сжатия. После начала движения поршня 6 от в.м.т. к н.м.т. клапан 8 закрывается и начинается процесс всасывания воздуха при открытом клапане 5. Такт впуска и сжатия в цилиндре 4 происходит за один оборот коленчатого вала 1.

Такт расширения. При положении поршня 16, близком к в.м.т., в камеру сгорания 12 через устройство 10 начинается впрыскивание топлива. Топливо самовоспламеняется в случае высокой степени сжатия (условие дизельного двигателя) или происходит зажигание топлива от устройства 11 по искрообразованию. Начинается процесс сгорания топлива, давление газов повышается и передается во все стороны. Передача тепла происходит также в сторону камеры сжатия через стенку и отверстия (клапана) 13 и 9 и осуществляется нагрев сжатого воздуха. При открытии клапана камеры сгорания 14 расширяющиеся газы перемещают поршень 16 от в.м.т. к н.м.т. и через шатун 18 проворачивают коленчатый вал. После частичного поворота коленчатого вала уменьшается давление в камере сгорания 12, сжатый и нагретый воздух с камеры сжатия 7 перетекает через отверстия (клапаны) 9 и 13 в камеру сгорания 12 и участвуют в продувке камеры сгорания 12 от остатков сгорающего топлива. А при попадании газов в цилиндро-поршневую группу рабочего цилиндра 17 происходит процесс дожига топлива за счет избытка воздуха, не участвующего в основном процессе сгорания топлива в камере сгорания 12. В н.м.т. поршня 16 клапан камеры сгорания закрывается.

Такт выпуска. Вынускной клапан 15 открыт. Поршень 16 движется от н.м.т. к в.м.т. и через открытый клапан 15 вытесняет отработавшие газы из цилиндра 17 в атмосферу. Давление и температура газов в цилиндре 17 падает благодаря оптимальному объему расширяющихся газов в изолированном цилиндре 17, т.к. объем цилиндра 17 не зависит от процессов, происходящих в цилиндре 4. Такт расширения и выпуска в рабочем цилиндре 17 происходит за один оборот коленчатого вала.

В целях оптимизации термодинамических процессов в двух цилиндрах 4 и 17 двигателя используется кривошипно-поршневая группа с различными характеристиками. Так, например, в первом цилиндре 4, где осуществляется всасывание и сжатие воздуха, кривошипно-поршневая группа 2, 3, 6 имеет величину хода и диаметр поршня, которая обеспечивает необходимый объем и давление воздуха для заполнения камеры сжатого воздуха 7 и камеры сгорания 12 для заданной мощности двигателя.

В двигателе создается расчетная степень сжатия, необходимая для обеспечения условий работы как по циклу Отто (принудительное зажигание), так и по циклу Дизеля (самовоспламенение топлива в сжатом воздухе), либо их одновременное использование.

В связи с тем, что в первом цилиндре 4 отсутствуют камера сгорания и выхлопной клапан (клапаны), всасываемый воздух почти не нагревается. Его плотность изменяется незначительно, поэтому цилиндр заполняется воздухом с высоким коэффициентом наполнения.

Кроме того, из-за отсутствия в цилиндре 4 камеры сгорания, здесь нет тепловых потерь в систему охлаждения, что повышает КПД двигателя.

Второй цилиндр двигателя 17, где осуществляется рабочий ход и выхлоп отработавших газов также имеет кривошипно-поршневую группу 19, 18, 16, но по размерам отличную от первого цилиндра 4, т.е. радиус кривошипа 19 или диаметр поршня 16 не совпадают с размерами в цилиндре 4. Это необходимо для того, чтобы иметь оптимальный ход поршня, который обеспечивает максимальную мощность двигателя и расширение газа до минимально низкого давления и температуры.

В случае рядного расположения двух цилиндров 4 и 17 коленчатый вал является общим, но радиус кривошипа в первом цилиндре не равен радиусу кривошипа второго цилиндра. Поршень второго цилиндра приходит в в.м.т. в момент, когда поршень в первом цилиндре уже отошел от в.м.т., что облегчает вывод поршней из мертвых точек.

При размещении цилиндров 4 и 17 двигателя по другим схемам, например, встречное расположение цилиндра 4 и 17 необходима кинематическая связь их коленчатых валов для согласованного рабочего цикла и его завершения за один оборот.

Двигатель может иметь и несколько спаренных цилиндров 4 и 17, расположенных по известным схемам (рядное, V-образное и др.), что увеличивает общую мощность двигателя, так как двигатель будет многоцилиндровым.

В целях повышения КПД в двигателе организован процесс сжигания топлива только в одном цилиндре 17. Отдельная камера сгорания 12 примыкает к цилиндру 17 и сообщается с цилиндром 4 через клапан 8. Сжатый воздух из цилиндра 4 перетекает через клапан 8, заполняет камеру сжатия 7, которая охватывает камеру сгорания 12, затем через отверстия малого диаметра (клапаны) 9 и 13 поступает в камеру сгорания 12 при закрытом клапане 14.

Данное устройство обеспечивает высокие показатели КПД двигателя, его литровую мощность и полноту сгорания топлива. Это достигается за счет высокой степени сжатия воздуха в цилиндре 4, высокого коэффициента избытка воздуха 7, оптимального разделения процессов по двум цилиндрам 4 и 17 двух спаренных тактов (всасывание в цилиндре 4 - рабочий ход в цилиндре 17 и сжатие в цилиндре 4 - выхлоп в цилиндре 17).

Кроме того, важным является то, что при сгорании топлива большая доля тепла передается не в систему охлаждения, а идет на нагрев воздуха (рабочего тела) в камере сгорания 12 и в камере сжатого воздуха 7. Это происходит потому, что менее нагретый воздух, поступивший из цилиндра 4 в камеру сжатия 7, вначале охлаждает камеру сгорания 12, затем нагревается, продувает камеру сгорания через отверстия малого диаметра (клапаны) 9 и 13, поступает в цилиндр 17 и увеличивает массу рабочего тела.

В связи с тем, что избыток воздуха в камере сжатия 7 частично участвовал в сгорании топлива в камере сгорания, его основная часть будет участвовать в дожиге топлива в цилиндре 17. Избыток воздуха способствует полному сгоранию топлива, в т.ч. в режимах малой нагрузки двигателя, т.к. процесс сгорания в основном зависит от избытка воздуха, кроме того, за счет увеличения массы рабочего тела в цилиндре 17 увеличивается воздействие газа на поршень, но одновременно с этим газ быстрее охлаждается (больше масса и объем расширения), что способствует росту КПД двигателя из-за уменьшения теплоты, унесенной с отработавшими газами.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в один цилиндр чистого воздуха, его сжатия поршнем цилиндра и подачи в камеру сжатого воздуха и камеру сгорания, расположенных в верхней части второго цилиндра, впрыска топлива в камеру сгорания, воспламенения топлива в камере сгорания от контакта со сжатым воздухом или от системы зажигания топлива (искра свечи), сгорания топлива в основной массе и перетекания продуктов сгорания во второй цилиндр с дожигом топлива за счет поступления дополнительного воздуха из камеры сжатого воздуха, проходящего через камеру сгорания, и выпуска отработавших газов из второго цилиндра, отличающийся тем, что термодинамический цикл разделен по двум отдельным цилиндрам, в одном цилиндре совершается всасывание-сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре - расширение-выхлоп, в верхней части второго цилиндра расположена камера сжатого воздуха, которая охватывает и сообщается с камерой сгорания, при сгорании топлива нагревается воздух в камере сгорания и в камере сжатого воздуха и общее рабочее тело перетекает во второй цилиндр, где дожигается топливо, продукты сгорания топлива расширяются, выбрасываются в атмосферу и завершается полный рабочий цикл за один оборот коленчатого вала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при работе двигателя за первый полуоборот коленчатого вала в первом цилиндре происходит процесс всасывания чистого воздуха и во втором цилиндре - рабочий ход (расширение газов), при втором полуобороте коленчатого вала в первом цилиндре совершается такт сжатия и во втором цилиндре такт выпуска отработанных газов.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при работе двигателя кривошипно-поршневая группа в первом цилиндре независима от величины хода, заданного кривошипом коленчатого вала второго цилиндра, а из-за отсутствия элементов нагрева (камеры сгорания, клапанов и др.) в первом цилиндре достигается необходимая степень сжатия и высокий коэффициент наполнения цилиндра воздухом.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что основное сгорание топлива, впрыснутого в камеру сгорания, осуществляется в ней и выделившееся тепло нагревает также сжатый воздух, находящийся в камере сжатия, охватывающей камеру сгорания, с последующей продувкой менее нагретым воздухом камеры сгорания (ее охлаждение) и участия избытка воздуха в дожиге топлива во втором цилиндре.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что сгорание топлива происходит только в одном из двух цилиндров (спаренных) и потери тепла уменьшаются из-за этого почти в два раза.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что во втором цилиндре подводится тепло к рабочему телу дважды (регенерация тепла), вначале в камере сгорания, а затем за счет теплопередачи запасу сжатого воздуха, расположенного в камере сжатого воздуха, которая охватывает камеру сгорания и за счет этого первично ее охлаждает, затем нагретый и сжатый воздух продувает камеру сгорания и вторично ее охлаждает, увеличивает массу нагретого рабочего тела и понижает температуру выхлопных газов.

7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что во втором цилиндре увеличен объем расширяющихся газов за счет собственного хода поршня (его диаметра), независимого от хода поршня в первом цилиндре.

8. Способ по пп.1 - 7, отличающийся тем, что возможно применение воспламенения топлива от сжатия с одновременным принудительным воспламенением от системы зажигания.

9. Способ по пп.1 - 8, отличающийся тем, что возможна работа двигателя без наличия системы охлаждения, т.к. подача сжатого, но мало нагретого воздуха в камеру сжатия и камеру сгорания будет охлаждать от нагрева, происходящего только в одном из двух цилиндров, где имеется камера сгорания.

10. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере два спаренных цилиндра с размещенными в них шатунно-поршневыми деталями, в котором осуществляются четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп, отличающийся тем, что в первом цилиндре происходят такты всасывание-сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре - рабочий ход-выхлоп; последовательность тактов цикла чередуется по обоим цилиндрам, т.е. одновременно совершаются спаренные такты: всасывание-расширение газов (рабочий ход) и сжатие воздуха-выхлопа; при этом сгорание топлива осуществляется в отдельной камере сгорания, заполненной сжатым воздухом и охваченной другой камерой с запасом сжатого воздуха, который имеет возможность перетекать в камеру сгорания, а затем во второй цилиндр; при этом поданное топливо может сгорать в камере сгорания как по циклу Отто, так и по циклу Дизеля, совершая полный рабочий цикл за один оборот коленчатого вала, для оптимизации тактов цикла радиус кривошипа в первом цилиндре не равен радиусу кривошипа второго цилиндра, но имеющих кинематическую связь кривошипов и при этом поршень второго цилиндра проходит верхнюю мертвую точку в момент, когда поршень в первом цилиндре уже отошел от верхней мертвой точки, что облегчает вывод поршней из мертвых точек.

11. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что в первом цилиндре установлен впускной клапан, а во втором цилиндре расположена камера сжатого воздуха, которая охватывает камеру сгорания, при этом камера сжатого воздуха и камера сгорания имеют клапан и между собой камеры сообщаются через отверстия малого диаметра (клапаны), а для выпуска отработанных газов второй цилиндр имеет выпускной клапан.

12. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что возможно различное расположение спаренных цилиндров в многоцилиндровом двигателе (рядное, V-образное и др.) при условии кинематической связи отдельных коленчатых валов.

РИСУНКИ

Рисунок 1