Способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания (его варианты) и силовая установка для осуществления способов

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к силовым установкам с поршневым двигателем внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение КПД силовой установки при упрощении ее конструкции. Сущность изобретения заключается в том, что при работе силовой установки сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя воздух, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в первом ресивере для последующей подачи в рабочий цилиндр. Подают в рабочий цилиндр сжатый воздух из первого ресивера и топливо, сжигают смесь внутри цилиндра с поршнем и передают работу расширения газов на вал отбора мощности, используя часть энергии газов для сжатия воздуха. Затем в обменнике энергии между газами и свежим воздухом газы расширяют, причем воздух в обменнике энергии сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление в первом ресивере сжатого воздуха производят при сохранении достигнутых параметров. Согласно изобретению расширение горячих газов в цилиндре двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины в пределах 0,09 - 0,6 исходного объема воздуха, расширение газов в обменнике энергии используют как для сжатия свежего воздуха, так и для получения дополнительной полезной работы, для чего поршни двигателя и обменника энергии соединяют с помощью механической или гидравлической связи, а полезную работу силовой установки получают как при движении поршня двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе, причем на частичных режимах подачу топлива в цилиндр двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты в первом или во втором и более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру двигателя. 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к энергопреобразующим установкам, а именно к силовым установкам с поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС), в которых энергия отработавших в цилиндрах газов используется для преобразования ее в механическую энергию и передачи последней потребителю.

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

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

Недостатком большинства ДВС является также отклонение от идеального процесса сжатия, который должен идти сначала с интенсивным охлаждением, а во второй фазе - адиабатно. Частично регулирование теплообмена можно выполнить 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.

ДВС усиленно совершенствуют. Известен, например, двигатель внутреннего сгорания, способ работы которого позволяет получить термическую эффективность цикла больше, чем в цикле Отто или Дизеля, уменьшить содержание вредных веществ в выхлопных газах [1]. Этот способ заключается в том, что расширение газов, получаемых при сжигании топлива в цилиндре, производят практически до атмосферного давления, за счет того что в цилиндр подают предварительно сжатый воздух и степень сжатия в цилиндре меньше степени расширения, которая достигает 28. Таким образом реализуется цикл с продолженным расширением, а, как известно, наибольший термический КПД обеспечивается при цикле Аткинсона-Миллера - цикле с продолженным расширением, когда рабочий ход больше хода сжатия. В конструкции этого двигателя использованы различные усовершенствования: впускные и выпускные клапаны установлены в головке цилиндра, для привода клапанов использованы электромагниты, компрессор для сжатия свежего заряда выполнен с приводом от вала двигателя, а также другие новшества.

Известный двигатель обеспечивает экономию топлива, улучшенные экологические характеристики. Однако известный способ приводит к дополнительным потерям при продувке цилиндра от отработавших газов, что снижает его эффективность, цилиндр имеет кольцевую полость, что делает камеру сгорания нерациональной. Известный двигатель теоретически не может обеспечить достаточную экономию топлива и существенное улучшение экологических характеристик, так как используемый способ приводит к неэффективному сгоранию, дополнительным потерям при продувке цилиндра от отработавших газов, а конструкция двигателя сложна и вызывает сомнения в работоспособности, чем объясняется отсутствие его освоения в промышленности двигателестроения.

Известны технические решения, в которых оптимизированы термодинамические процессы, осуществляемые в ДВС, например способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами, в котором 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 [2].

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 [3] 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.

Известен также 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 [4].

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 этом способе 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 технических решений наиболее близким объектом к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии с охлаждением после сжатия на первой ступени, и накапливают в ресивере для последующей подачи в рабочий цилиндр сжатый воздух из ресивера и топливо, сжигают смесь внутри цилиндра с подвижным поршнем и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршень и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя, а затем в цилиндре обменника энергии между газом и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в первом ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, при этом расширение горячих газов в цилиндре двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины 0,4 исходного объема воздуха, а расширение газов в обменнике энергии используют для сжатия свежего воздуха [5], принятый авторами за прототип.

Принятая за прототип для устройства силовая установка с поршневым двигателем внутреннего сгорания содержащая, по крайней мере, один рабочий цилиндр и поршень, подключенный через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, снабженную ресивером сжатого воздуха, включающую также цилиндр обменника энергии для расширения рабочих газов, причем в последнем установлен дифференциальный поршень для двухступенчатого сжатия воздуха [5].

Принятый за прототип объект обеспечивает экономию расхода топлива при работе поршневого ДВС и улучшает экологические показатели двигателя.

Однако в принятом за прототип объекте не полностью использованы возможности экономии топлива при работе силовой установки в различных эксплуатационных режимах и не все возможности полезного использования вырабатываемой при работе двигателя энергии.

Задачей предлагаемого изобретения является максимально эффективное использование энергии сжигаемого топлива, а также полезное использование избыточной энергии, возникающей при эксплуатации силовой установки, при упрощении конструкции силовой установки за счет использования освоенных в промышленности элементов.

Технический результат достигнут тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в первом ресивере для последующей подачи в рабочий цилиндр, подают в рабочий цилиндр сжатый воздух из первого ресивера и топливо, сжигают смесь внутри цилиндра с подвижным поршнем и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршень и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя, а затем в цилиндре обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в первом ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, согласно изобретению расширение горячих газов в цилиндре двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины в пределах от 0,09 до 0,6 исходного объема воздуха, расширение газов в обменнике энергии используют как для сжатия свежего воздуха, так и для получения дополнительной полезной работы, для чего поршни двигателя и обменника энергии соединяют с помощью механической или гидравлической связи, а полезную работу силовой установки получают как при движении поршня двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе, причем на частичных по мощности режимах работы силовой установки подачу топлива в цилиндр двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты в первом или во втором и более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру двигателя.

Технический результат в другом варианте способа достигается тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, причем воздух сжимают двухступенчато вне цилиндров двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в ресивере для последующей подачи в рабочие цилиндры, подают в рабочие цилиндры сжатый воздух и топливо, сжигают смесь внутри цилиндров с подвижными поршнями и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршни и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндрах двигателя, а затем в подключенных к этим цилиндрам цилиндрах обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, при этом на частичных по мощности режимах работы силовой установки прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя, согласно изобретению энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения теплообменника, внутренний объем которого выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии.

Технический результат достигается также и тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания согласно изобретению сжатый и охлажденный в теплообменнике после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя, в который не подают топливо, и в соединенном с ним цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения.

Технический результат в третьем способе достигается тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в первом или втором ресиверах для последующей подачи в рабочий цилиндр, а на режиме торможения или других режимах, при которых в силовой установке существует избыток накопленной энергии, прекращают подачу топлива в цилиндр двигателя и полезно используют энергию торможения, согласно изобретению используют обменник энергии для сжатия воздуха и накопления его в третьем ресивере, а энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения третьего ресивера, тепло от которого отводят в систему отопления.

Технический результат достигается также и тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, согласно изобретению, сжатый и охлажденный в третьем ресивере после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя и в соединенном с этим цилиндром цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения.

Поставленная задача для осуществления таких способов в известной силовой установке с поршневым двигателем внутреннего сгорания, содержащей, по крайней мере, один рабочий цилиндр и поршень, подключенный через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, снабженную первым ресивером сжатого воздуха, включающую также цилиндр обменника энергии для расширения рабочих газов, причем в последнем установлен дифференциальный поршень для двухступенчатого сжатия воздуха, согласно изобретению поршни двигателя и обменника энергии расположены соосно и соединены штоком, а полость расширения газов в обменнике энергии соединена через управляемый клапан с теплообменником для охлаждения.

Кроме того, решаемая задача решается также и тем, что, выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к теплообменнику для обогрева.

Кроме того, решаемая задача решается также и тем, что, на выходе из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии установлено, по крайней мере, три ресивера, причем первый и второй подключены к системе нагрева от внешнего источника тепла, которая содержит нагревательные устройства и контур циркуляции греющего воздуха, снабженный вентилятором, а третий ресивер подключен в систему отопления, например, установлен в кондиционере автомобиля.

Кроме того, решаемая задача решается также и тем, что, выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к ресиверам через переключатели потока воздуха.

Такое техническое решение позволяет более рационально, чем в прототипе, распределить преобразование энергии, полученной при сжигании топлива, в полезную работу и энергию сжатого воздуха между двигателем и обменником энергии.

Соединение с помощью механической или гидравлической связи поршней двигателя и обменника энергии, которым является свободнопоршневой компрессор, позволяет не только решить задачу синхронизации движения поршней двигателя и свободнопоршневого компрессора, но и получить дополнительные возможности преобразования энергии в свободнопоршневом компрессоре, отсутствующие в известных технических решениях. А именно, как показали выполненные авторами расчеты, появляется возможность использовать расширение горячих газов в цилиндре обменника энергии для получения и передачи на вал отбора мощности полезной работы, что превращает свободнопоршневой компрессор в комбинированную машину, названную авторами обменник энергии, в котором сжимают свежий воздух и производят полезную работу одновременно.

При этом, как показали расчеты, в цилиндре двигателя достаточно расширять горячие газы до величины с нижним пределом, равным 0,09 исходного объема V_a (объема свежего заряда воздуха, поступающего в первую ступень сжатия обменника энергии), а остальную часть полезной работы при необходимости получить при расширении газов в цилиндре обменника энергии. Это приводит к тому, что полезную работу силовой установки получают как при движении поршня двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе. Таким образом, в отличие от известных технических решений, крутящий момент на вал отбора мощности передается более равномерно (см. кривые М_cт и М_дин на фиг. 5).

Уменьшение величины расширения горячих газов в цилиндре двигателя до величины с нижним пределом менее 0,09 исходного объема приводит к нерациональному увеличению максимального давления рабочих газов и увеличению механических потерь при передаче энергии через механизм двигателя.

Оценим значения величины расширения горячих газов в цилиндре двигателя. В заявляемом двигателе происходит двойное расширение рабочих газов. Первое расширение происходит в рабочем цилиндре двигателя, второе - в расширительной полости обменника энергии. Рабочий объем двигателя V_s должен быть достаточным для обеспечения полного сгорания топлива и первичного расширения рабочих газов с понижением температуры и давления до уровня, при котором надежно работают перепускной клапан между двигателем и обменником энергии. Минимальный объем рабочего цилиндра двигателя получается при максимально допустимой температуре Т^max. Последнюю можно принять такой, какой она бывает при выпуске отработавших газов бензинового двигателя. Положив Т^max = 1700К, получим минимально допустимый объем рабочего цилиндра двигателя. Если в цикле Отто максимальная температура изохорного подвода теплоты достигает 3000К, то для ее понижения нужно обеспечить степень расширения β, которая определяется уравнением 3000•β^-0,4 = 1700, откуда β = 4,14. Отсюда рабочий объем двигателя V_s = V_c• β. При степени сжатия в обменнике энергии ε = 50 объем сжатого воздуха после второй ступени сжатия обменника энергии V_c = 0,02•V_a, a V_s = 0,0828•V_a. При V_s = 0,1•V_a максимальная температура перепуска газов T^max= 3000•5^-04 = 1576К. При более высоких температурах происходит пригорание клапанов, что недопустимо снижает надежность работы При V_s=0,5•V_a T^max =3000•25^-04=828К. Таким образом по температурным условиям Vs может изменяться в пределах (0,1-0,5)V_a.

В таблице 1 приведены результаты расчетов заявляемого способа работы силовой установки для различных пределов расширения горячих газов в рабочем цилиндре двигателя.

Из приведенных в таблице 1 данных видно, что заявленные предельные отношения V_s/V_a несколько шире, чем определенные из температурных условий, а именно при V_s/V_a ≤ 0,09 максимальное давление рабочих газов достигает величины свыше 100 МПа, усилия, передаваемые на механизм двигателя, недопустимо возрастают. А при Vs/Vg ≥ 0,6 термический КПД становится меньше, чем 0,7, что уже не представляет интереса для поршневого двигателя.

Термический КПД двигателя с двойным расширением рабочих газов зависит от степени расширения и не зависит от положения точки R на индикаторной диаграмме (точки перепуска рабочих газов из цилиндра двигателя в цилиндр обменника энергии, см. PV диаграмму цикла, приведенную на фиг. 3). Механический КПД, напротив, зависит от точки R. Идеальным будет такое положение, когда работа расширения газов в обменнике энергии достаточна для полного сжатия воздуха. Если это условие не соблюдается, то механический КПД должен снижаться за счет двойной перекачки энергии между двигателем и обменником энергии. Если, например, работа расширения газов недостаточна для полного сжатия воздуха, то дополнительная энергия должна быть подведена к поршню обменника энергии от маховика двигателя. При этом подвод энергии связан с удвоением механических потерь. Первый раз потери образуются на пути между поршнем ДВС и маховиком, второй раз на том же пути в обратном направлении плюс потери между поршнем двигателя и поршнем обменника энергии.

Механические потери в двигателе генерируются, в основном, силами инерции. Поэтому при уменьшении рабочего объема двигателя механический КПД возрастает. Зависимость между механическим КПД и рабочим объемом прослеживается по формуле где P_Σ - постоянные потери на поддержание рабочего процесса, Р_i - среднее индикаторное давление.

Из формулы следует, что при возрастании Р_i убывают относительные потери В предлагаемом двигателе Р_i может превосходить давление в обычных двигателях в несколько раз, так как рабочий объем двигателя составляет лишь часть от объема газообмена V_a. Отношение β_R рабочего объема двигателя к V_a может изменяться в достаточно широких пределах, которые можно установить путем анализа зависимости важнейших параметров двигателя от величины Такая зависимость представлена в таблице 1. В этой таблице приведены данные, рассчитанные из условия, что работа расширения газов в обменнике энергии достаточна для полного сжатия воздуха. В реальном двигателе точка R-перепуска газов из цилиндра двигателя в цилиндр обменника энергии может отклониться от проектной, при этом недостающая энергия для получения полезной работы будет получена от поршня обменника энергии, а в случае недостатка энергии для сжатия свежего заряда воздуха этот недостаток будет восполнен за счет энергии, передаваемой от вала двигателя. Однако в обоих случаях, как уже упоминалось, снижается механический КПД силовой установки.

Кроме того, отличительной особенностью изобретения является то, что на частичных по мощности режимах работы силовой установки подачу топлива в цилиндр двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты в первом или во втором и более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру двигателя.

Такое техническое решение позволяет увеличить возможности получения мощности силовой установки в строгом соответствии с необходимой для потребителя, например, автомобиля, что позволяет обеспечить эксплуатацию последнего без излишнего сжигания топлива. Появляется возможность использования других, кроме жидкого топлива, источников энергии, имеющихся у потребителя, например электрической энергии или теплоты горячих газов, полученных при реакции окисления другого топлива, например беззольного угля.

При осуществлении варианта способа работы заявляемой силовой установки, в котором используют многоцилиндровый двигатель и на частичных по мощности режимах работы силовой установки прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя, отличительной особенностью является то, что энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения теплообменника, внутренний объем которого выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии, и (или) сжатый и охлажденный в теплообменнике после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя, в который не подают топливо, и в соединенном с ним цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет одновременно с получением необходимой для потребителя частичной мощности осуществить при неизменной конструкции силовой установки холодильный цикл, получить тепло для обогрева, например, помещения или салона автомобиля и получить холод для охлаждения, например для охлаждения продуктов в холодильнике, воздуха в кондиционере или для охлаждения свежего воздуха с целью повышения КПД цикла двигателя и увеличения массы свежего заряда.

При этом за счет того, что внутренний объем теплообменника выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии, который в каждом цикле работы силовой установки заполняют сжатым адиабатно во второй ступени сжатия воздуха обменника энергии, а затем опорожняют в объем рабочего цилиндра двигателя, наиболее оптимально осуществляют цикл теплового насоса в заявляемой силовой установке. Адиабатное сжатие и изохорное охлаждение сжатого воздуха приближает этот цикл к обращенному циклу Карно.

Заявляемое техническое решение содержит два важнейших для холодильной техники устройства: компрессор (две ступени сжатия воздуха в обменнике энергии) и детандер (расширение в рабочем цилиндре двигателя и в подключаемом к нему соответствующем цилиндре обменника энергии). Поэтому заявляемая силовая установка может быть успешно использована для организации отопительного и холодильного циклов. Заявляемая силовая установка способна выполнять кроме основной полезной работы ряд дополнительных функций: осуществлять рекуперацию энергии торможения автомобиля, обеспечивать теплом помещение или салон автомобиля, снабжать холодом кондиционер или рефрижератор, работать в режиме теплового насоса. Кроме того, легко организовать режим работы двигателя с внешним подводом теплоты, например, от твердого топлива, что позволяет обеспечивать облегченный запуск двигателя и более эффективная работа при частичных нагрузках.

Заявляемая установка позволяет обеспечивать осуществление отопительного режима по обращенному циклу Карно при использовании в качестве теплоносителя воздуха, TS диаграмма которого приведена на фиг. 4. В таблице 2 приведены результаты расчета отопительного цикла и приняты следующие обозначения: ε_ab - степень адиабатного сжатия теплоносителя; ε_bc - степень изотермического сжатия теплоносителя; Q_da - теплота (работа), подведенная к теплоносителю; Q_bc - теплота, отведенная в помещение;
L_c - работа цикла;
М_u - отопительный коэффициент.

Как видно из таблицы 2, отопительный коэффициент легко достигает значений 8. ..10. При этом температура в помещении легко поддерживается на уровне 30^oС при начальной температуре используемого в цикле воздуха не менее 5^oС (278К).

Оценим температуру воздуха в теплообменнике для охлаждения при расширении воздуха из охлаждаемого третьего ресивера через двигатель и обменник энергии; работающие в режиме детандера.

Положим P^max=10 МПа, P^min=0,2 МПа.

P^max/P^min = β^1,4, откуда β=16,35.

β^0,4 = 3,0578, T^min = T_a/β^0,4 = 98 K.
Получаемая температура воздуха 98К =-175^oС легко может быть использована для любых целей охлаждения.

Еще в одном варианте осуществления способа, который может быть осуществлен как в одноцилиндровом, так и в многоцилиндровом двигателе, отличительной особенностью является то, что используют обменник энергии для сжатия воздуха и накопления его в третьем ресивере, а энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения третьего ресивера, тепло от которого отводят в систему отопления и (или) сжатый и охлажденный в третьем ресивере после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя и в соединенном с этим цилиндром цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения. При этом в третьем ресивере накапливают адиабатно сжатый и горячий воздух, получаемый за несколько циклов работы силовой установки, что увеличивает возможное количество избыточной энергии потребителя, появляющейся, например при торможении автомобиля.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет рекуперировать энергию торможения или любую другую избыточную у потребителя энергию и полезно эту энергию использовать при неизменном составе и конструкции силовой установки.

Отличительной особенностью заявляемой силовой установки с поршневым ДВС является то, что поршни двигателя и обменника энергии расположены соосно и соединены штоком.

Такое техническое решение позволяет синхронизировать движение поршней двигателя и обменника энергии (свободнопоршневого компрессора), а также использовать обменник энергии для получения полезной работы и передачи ее потребителю. При этом при осуществлении заявляемых способов и получении в рабочем цилиндре двигателя только части необходимой полезной работы полость рабочего цилиндра обменника энергии является по существу включенным последовательно вторым рабочим цилиндром двигателя и одновременно рабочим цилиндром привода компрессора.

Кроме того, полость расширения газов в обменнике энергии может быть соединена через управляемый клапан с теплообменником для охлаждения, а выход из
второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к теплообменнику для обогрева. При этом осуществляют обращение цикла силовой установки, осуществляя в ее элементах холодильный воздушный цикл.

Кроме того, на выходе из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии может быть установлено по крайней мере три ресивера, причем первый и второй подключены к системе нагрева от внешнего источника тепла, которая содержит нагревательные устройства и контур циркуляции греющего воздуха, снабженный вентилятором, а третий ресивер подключен в систему отопления, например установлен в кондиционере автомобиля.

При этом выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к ресиверам через переключатели потока воздуха.

Такое техническое решение позволяет получить универсальную силовую установку с широким диапазоном регулирования мощности передаваемой потребителю полезной работы, вырабатывающую одновременно тепло для отопления и холод для охлаждения, которые полезно используют для других, отличных от основной полезной работы, нужд потребителя. Появляется возможность полезно использовать практически любые, имеющиеся у потребителя источники энергии, в том числе, например, энергию торможения автомобиля. При этом двигатель способен работать в режиме компрессора, а полезная работа может частично или на 100% получаться в виде энергии сжатого воздуха.

Обменник энергии, которым является свободнопоршневой компрессор, 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 ступенями сжатия воздуха охладителя и теплоизоляция ресивера, установленного после второй ступени, позволяет осуществлять процесс сжатия свежего заряда термодинамически оптимальным способом: сначала изотермически, а затем адиабатно. В результате в ресивере накапливается свежий заряд, полностью по своим параметрам подготовленный для сжигания топлива, и с помощью управляемого 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 топливо исчезает в виде тепловых потерь (см. [7], стр.13). Кроме того, продолженное расширение газов в обменнике энергии 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, расширяет технологические возможности использования силовой установки, при ее конструкции, большинство элементов которой освоены в промышленности.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, поясняющая осуществление заявляемых способов.

На фиг. 2 приведена схема с элементами силовой установки, которые используются в базовом цикле работы двигателя. При этом остальные элементы силовой установки, используемые для расширения ее технологических возможностей, не показаны. Позиционные обозначения элементов приведены такими же, как и на фиг. 1.

На фиг. 3 изображена PV диаграмма, на которой представлены термодинамические процессы, осуществляемые в цикле ДВС заявляемой силовой установки.

На фиг. 4 изображена TS диаграмма отопительного цикла, который используется для обогрева помещения.

На фиг. 5 представлены кривые изменения крутящего момента на вале силовой установки по его углу поворота, полученные расчетным путем для трехцилиндрового двигателя при расположении цилиндров под углом 120^o друг к другу. При этом М_cт - момент без учета инерционных сил от движущихся масс, М_дин - момент с учетом сил, возникающих от движения поршней двигателя и обменника энергии, жестко соединенных штоком.

Силовая установка содержит двигатель по крайней мере с одним рабочим цилиндром 1 и поршнем 2, который подключен через механизм 3 к валу 4 отбора мощности. Система подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, снабжена ресивером 5 сжатого воздуха, а также включает цилиндр 6 обменника энергии для расширения рабочих газов, причем в последнем установлен дифференциальный поршень 7 для двухступенчатого сжатия воздуха. Поршни 2 и 7 двигателя и обменника энергии расположены соосно и соединены штоком 8.

Полость расширения газов 9 в обменнике энергии соединена через управляемый клапан 10 с теплообменником для охлаждения 11. Через управляемый клапан 12 эта полость соединена с выхлопом в атмосферу, а через управляемый клапан 13 - с полостью рабочего цилиндра 1.

Ресивер 5 сжатого воздуха подключен к теплообменнику 14 для обогрева, для отключения которого установлен клапан 15. Клапан 16 установлен на линии, соединяющей ресивер 5 и полость рабочего цилиндра 1.

На выходе из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии установлено по крайней мере три ресивера, причем первый 5, второй 17 и возможные последующие (на фиг. 1 они не показаны, а под позицией 18 приведен третий ресивер, охлаждаемый) подключены к системе 19 нагрева от внешнего источника тепла, которая содержит нагревательные устройства 20 (на фиг. 1 этот нагреватель приведен электрическим), 21 (на фиг. 1 этот нагреватель приведен как использующий дополнительный вид топлива, например беззольный уголь) и контур циркуляции греющего воздуха, снабженный вентилятором 22 и рекуперативным теплообменником 23. Для передачи тепла от внешнего источника воздуху в ресиверах 17 и 5 могут быть использованы теплообменники 24 и 25, выполненные, например, из тонкостенных капиллярных трубок. Для поочередного подключения теплообменников 24 и 25 к системе 19 установлен переключатель 26.

Выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии через обратный клапан 27 подключен к ресиверам 5, 17 и 18 с помощью переключателей потока воздуха 28 и 29. Ресиверы 17 и 18 подключены к полости рабочего цилиндра 1 через клапаны 30 и 31. Так же, как и в прототипе, между ступенями сжатия свежего воздуха обменника энергии установлен охладитель 32, внутренний объем которого служит одновременно промежуточным ресивером сжатого воздуха, а ступени сжатия соединены через обратные клапаны 33 и 34. Вход свежего воздуха в первую ступень сжатия обменника энергии выполнен через обратный клапан 35. На схеме показана также форсунка 36 для подачи в рабочий цилиндр 1 двигателя жидкого топлива.

На фиг. 2 приведены элементы силовой установки, которые используются, когда осуществляется базовый цикл работы двигателя. При этом поршень 2 ДВС находится в верхней мертвой точке, в цилиндр 1 двигателя осуществляется впрыск жидкого топлива (показано стрелкой) и подача сжатого до параметров сжигания топлива воздуха из ресивера 5 через клапан 16. Полость 9 обменника энергии соединена при этом с выхлопом в атмосферу через клапан 12.

Заявляемый способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания осуществляют следующим образом.

При работе силовой установки сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра 1 двигателя, используя обменник энергии 6, с охлаждением в охладителе 32 после сжатия на первой ступени, и накапливают в первом ресивере 5 для последующей подачи в рабочий цилиндр 1. Подают в рабочий цилиндр 1 сжатый воздух из первого ресивера 5 и топливо через форсунку 36, сжигают смесь внутри цилиндра 1 с подвижным поршнем 2 и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршень 2 и механизм 3 двигателя на его вал 4 отбора мощности. При этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха в обменнике энергии 6, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре 1 двигателя, а затем в полости 9 цилиндра 6 обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в первом ресивере 5 производят при сохранении достигнутых параметров.

При этом расширение горячих газов в цилиндре 1 двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины в пределах от 0,09 до 0,6 исходного объема воздуха, а расширение газов в полости 9 обменника энергии 6 используют как для сжатия свежего воздуха, так и для получения дополнительной полезной работы, для чего поршни двигателя 2 и обменника 7 энергии соединяют с помощью механической (штоком 8) или гидравлической связи. При этом полезную работу силовой установки получают как при движении поршня 2 двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе.

На частичных по мощности режимах работы силовой установки подачу топлива через форсунку 36 в цилиндр 1 двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты с помощью нагревателей 20 и (или) 21 и накапливают по крайней мере в первом 5 или во втором 17 или более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру 1 двигателя.

В случае использования в силовой установке многоцилиндрового ДВС на частичных по мощности режимах работы силовой установки прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя и энергию, подведенную к воздуху, сжатому и накопленному в ресивере 5, используют для отопления, например, салона автомобиля, путем периодического заполнения и опорожнения подключенного к ресиверу теплообменника 14. Так как внутренний объем теплообменника 14 выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии, заполнение и опорожнение этого теплообменника происходит при каждом ходе поршня 2 и воздух при этом охлаждают изотермически, что термодинамически наиболее выгодно. Кроме того, возможно сжатый и охлажденный после сжатия воздух расширять в цилиндре 1 двигателя, в который не подают топливо, и в соединенной с ним полости 9 цилиндра 6 обменника энергии, а полученный при этом холод использовать для охлаждения с помощью теплообменника 11.

При любом количестве цилиндров ДВС силовой установки на режиме торможения или других режимах, при которых в силовой установке существует избыток накопленной энергии, возможен вариант, при котором прекращают подачу топлива в цилиндр 1 двигателя и полезно используют энергию торможения, при этом используют обменник энергии 6 для сжатия воздуха и накопления его в ресивере 18, а энергию, подведенную к воздуху, сжатому и накопленному в ресивере 18, используют для отопления путем размещения его, например, в кондиционере автомобиля. В этом случае сжатый воздух подают в ресивер 18 через распределители 28 и 29 за несколько циклов срабатывания силовой установки, то есть до тех пор, пока весь избыток энергии не будет превращен в энергию сжатого воздуха, накапливаемого в ресивере 18.

Так же, как и в предыдущем случае, сжатый и охлажденный в ресивере 18 после сжатия воздух возможно расширять в цилиндре 1 двигателя и в соединенном с этим цилиндром цилиндре 6 обменника энергии, а полученный при этом холод использовать для охлаждения с помощью теплообменника 11.

С помощью данной схемы можно осуществить подготовку воздуха для ДВС, работающего по рабочему процессу с индикаторной диаграммой, показанной на фиг. 3. На диаграмме отражены термодинамические процессы, происходящие в ДВС 1, обменнике энергии 6 и ресивере 5.

Линия AF₁ изображает процесс изотермического сжатия в полости первой ступени сжатия обменника энергии. После достижения давления _G воздух поступает в охладитель 32. Перетекание всего сжатого воздуха в объем охладителя изображает линия F₁G. При заполнении полости второй ступени сжатия (адиабатного) обменника энергии воздух вытекает из холодного объема охладителя 32 и возвращает обменнику 6 работу, затраченную на перекачку воздуха из полости низкого давления обменника в охладитель 32. Этот процесс изображается ориентированным отрезком GF₂. После заполнения полости второй ступени сжатия происходит адиабатное сжатие воздуха и его перетекание в теплоизолированный ресивер 5 (линия C₁H).

Если мертвое пространство в цилиндре 1 ДВС незначительное, то точку Н можно считать началом работы ДВС. При изменении объема камеры от 0 до V_C2 происходит перетекание воздуха из ресивера 5 в ДВС. В это время ДВС работает как пневмодвигатель. В точке С₂ подают топливо через форсунку 36, оно воспламеняется, и начинается изохорный подвод теплоты, который протекает на отрезке C₂W. В точке W начинается изобарный подвод теплоты, который заканчивается в точке Z. От точки 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. В этой точке поршень ДВС достигает НМТ и открывается клапан 13. Рабочие газы перетекают в полость 9 обменника энергии, в которой продолжается расширение газов при движении поршней 2 и 7 от НМТ к ВМТ. Процесс RB менее интенсивный и протекает в обменнике энергии 6.

Предлагаемый двигатель работает в двухтактном режиме, который удобнее рассмотреть по схеме, приведенной на фиг. 2. В начальный момент времени все клапаны закрыты, поршень 2 ДВС находится в положении ВМТ, поршень 7 обменника энергии находится тоже в крайнем верхнем положении, т.е. в таком положении, где объем горячей полости 9 обменника энергии максимален, а его камер первой и второй ступеней сжатия - минимален. При движении поршня 2 ДВС от ВМТ открывается впускной клапан 16 (рассмотрим случай при непосредственной подаче топлива в головку цилиндра 1 через форсунку 36, как это выполнено в известных двухтактных ДВС), и накопленный ранее сжатый воздух из ресивера 5 поступает в цилиндр 1. При определенном отклонении поршня 2 от положения ВМТ, определяемого объемом камеры сгорания, клапан 16 закрывают и одновременно производят через форсунку 36 впрыск топлива, его сжигание с образованием рабочего тела и рабочий ход ДВС. При положении поршня 2 в НМТ (т. R на фиг. 3) открывается выпускной клапан 13, рабочее тело, частично отдавшее свою энергию ДВС, поступает в камеру цилиндра 9 обменника энергии, где отдает свою оставшуюся энергию поршню 7 и заставляет его двигаться к положению ВМТ. При этом одновременно передают усилие на механизм 3 и сжимается воздух в первой ступени и во второй ступени обменника энергии 6. При подходе поршня 7 к положению ВМТ через обратный клапан 33 перепускают сжатый воздух из первой ступени сжатия в охладитель 32, а через обратный клапан 27 перепускают сжатый воздух из второй ступени сжатия в ресивер 5. При положении поршня 7 в ВМТ закрываются клапаны 27 и 33, а затем открываются клапаны 12 (или 10 при работе по схеме на фиг. 1). При движении поршня 7 от ВМТ к НМТ открываются клапаны 35 и 34. При открытии клапана 34 воздух из охладителя 32 под давлением поступает в полость второй ступени сжатия воздуха обменника энергии, воздействует на поршень 7 и двигает его от положения ВМТ к положению НМТ. При этом отработавшие газы из горячей камеры 9 выводятся через клапан 12 в атмосферу, а атмосферный воздух через клапан 35 всасывается в камеру первой ступени сжатия обменника энергии. При подходе поршня 7 к положению НМТ клапаны 12 и 35 закрываются. Таким образом, в полости первой ступени сжатия обменника энергии запасается воздух при атмосферном давлении, а в полости второй ступени сжатия запасается воздух при давлении, равном давлению в охладителе 32. При движении поршня 2 ДВС от НМТ к ВМТ выталкиваются остатки рабочего тела из цилиндра 1, которые через открытый клапан 13 и открытый клапан 12 выбрасываются в атмосферу. При подходе поршня 2 к положению ВМТ закрываются клапаны 13 и 12. Цикл повторяется.

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 обменнике энергии. Расширение газов в ДВС обеспечивает получение полезной механической работы, а в обменнике энергий - утилизацию остаточной энергии в энергию сжатого воздуха и получение дополнительной полезной работы. 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 силовой установке на обменник энергии возлагается функция сжатия воздуха 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. Обменник энергии должен начинать свою работу в точке R (см. фиг. 3), расположенной между точками начала расширения и начала выхлопа в базовом цикле. В точке R к объему ДВС добавляется объем рабочей полости обменника энергии, 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 только механическая работа, во второй продолжается получение механической работы и энергия выхлопных газов передается свежему заряду. Обменник энергии является термодинамическим преобразователем с минимальными механическими потерями, которые возникают только в уплотнениях. При этом механический КПД должен быть не менее 97-99%. Основные механические потери заявляемой системы возникают, в основном, при рабочем ходе поршня ДВС.

Заявляемый двигатель имеет большие преимущества перед известными по энергетическим и массогабаритным характеристикам. Так, при общей степени сжатия в обменнике энергии, равной 60 (степень сжатия первой ступени - 5, и второй - 12) температура газов на выхлопе не превосходит 150^oС (расчетом получено 431К), а объем собственно двигателя (соответственно и его масса) в 11 раз меньше объема обменника энергии. Так как механические потери двигателя определяются массой его деталей, во столько же раз эти потери снижаются в сравнении с известными ДВС. Необходимо отметить также, что в заявляемой силовой установке наличие промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха позволяет уменьшить требования к октановому числу сжигаемого топлива.

Как видно из схемы фиг. 1, работа силовой установки с двухступенчатым сжатием воздуха имеет различные типы клапанов. Четыре клапана обслуживают компрессорную часть обменника энергии и могут выполняться как свободно управляемые обратные, например лепестковые, клапаны. Остальные клапаны и распределители потоков воздуха должны быть управляемыми от автоматической системы управления (на фиг. 1 не показана). Развитие электронной техники позволяет уже известными средствами решить задачу создания упомянутой системы управления и получить оборудование, конкурентоспособное с самыми современными специализированными установками.

В варианте осуществления заявляемого способа, когда прекращают подачу жидкого топлива через форсунку 36 в рабочий цилиндр 1 ДВС, силовую установку переводят в другие режимы работы, одним из этих режимов является режим частичной мощности установки, в котором необходимую для работы потребителя мощность получают от внешнего источника тепла. Для этого используют систему нагрева 19, нагревая циркулирующий в ней под воздействием вентилятора 22 воздух от внешнего источника энергии: электронагревателя 20 или сжиганием дополнительного топлива в нагревательном устройстве 21. Циркулирующий в системе 19 нагретый воздух передает свою теплоту сжатому воздуху в одном из ресиверов 5 или 17, которые в этом случае подключают к полости рабочего цилиндра 1 ДВС по очереди с помощью клапанов 16 и 30. Соответственно, и подачу от системы 19 греющего воздуха осуществляют в теплообменники 25 и 24 по очереди с помощью распределителя 26. Для уменьшения потерь энергии циркулирующий в системе 19 греющий воздух подогревают в рекуперативном теплообменнике 23 за счет остаточного тепла, отводимого в атмосферу греющего воздуха.

Сжатый и нагретый воздух из ресивера 5 или 17 подают затем в рабочий цилиндр 1 ДВС, который в этом случае работает как пневмодвигатель.

Другим режимом работы силовой установки после прекращения подачи жидкого топлива через форсунку 36 является режим "теплового насоса", при котором установку используют для получения тепла и (или) холода для других, кроме основной работы, нужд потребителя. При этом клапан 12 закрывают. При движении поршней 2 и 7 от ВМТ к НМТ (см. фиг. 1) открывают клапан 10, в полость первой ступени сжатия воздуха обменника энергии через обратный клапан 35 всасывается свежий заряд воздуха, в полость второй ступени сжатия через обратный клапан 34 поступает воздух из объема охладителя 32, а в полость рабочего цилиндра 1 поступает воздух из объема теплообменника 14 через открытый клапан 15. При движении поршней 2 и 7 от НМТ к ВМТ открывают клапан 13 и закрывают клапаны 10 и 15.

Еще одним режимом работы силовой установки после прекращения подачи жидкого топлива через форсунку 36 является режим рекуперации избыточной энергии, например энергии торможения автомобиля. При этом энергия торможения через вал 4 и механизм 3 передается на привод поршня 2 и через шток 8 - на привод дифференциального поршня 7. Распределители 28 и 29 устанавливают в положение, в котором ресивер 18 соединен с выходом из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии. Энергия торможения преобразуется в энергию сжатого воздуха, накапливаемую в охлаждаемом ресивере 18 при закрытом клапане 31. При необходимости получать холод клапан 31 открывают и накопленный и охлажденный в ресивере 18 сжатый воздух последовательно расширяют в полостях рабочего цилиндра 1 двигателя и в полости 9 обменника энергии, а затем направляют в теплообменник 11 для охлаждения по алгоритму, описанному выше.

Двигатель заявляемой силовой установки может работать в режиме компрессора. При этом энергия отбирается от вала 4, а полезная работа может частично или на 100% получаться в виде энергии сжатого воздуха. Энергия на вал 4 может поступать от любого источника, например от торможения автомобиля, запасенная в маховике при рабочих ходах двигателя, или от других рабочих цилиндров при многоцилиндровом двигателе.

Например, при ходе поршня 2 от ВМТ к НМТ открывают клапан 13 и в рабочий цилиндр 1 поступает воздух из полости 9 обменника энергии. Ступени сжатия воздуха при этом работают так же, как это описано выше.

При последующем ходе поршня 2 от НМТ к ВМТ клапан 13 закрывают, открывают клапан 16 или 30 и, сжимая воздух в полости рабочего цилиндра 1, направляют его в ресивер 5 или 17. В это же время открывают клапан 12, и в полость 9 обменника энергии засасывается воздух из атмосферы. При этом воздух, сжатый в двух ступенях сжатия обменника энергии, направляют в охлаждаемый ресивер 18, для чего закрывают клапан 15 и переводят переключатель 29 на подачу сжатого воздуха в ресивер 18 при закрытом клапане 31.

Схема заявляемой силовой установки работает при этом как типичный компрессор с двумя параллельно работающими двухступенчатыми секциями, одна из которых накачивает воздух в ресивер 18 (две ступени сжатия воздуха обменника энергии), а другая накачивает воздух в ресивер 5 или 17 (полость 9 обменника энергии в качестве первой ступени сжатия и рабочая полость цилиндра 1 двигателя в качестве второй ступени сжатия).

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет получить универсальную силовую установку, обладающую наиболее широкими технологическими возможностями из всех известных силовых установок с двигателями внутреннего сгорания. При этом обеспечивается наиболее экономное расходование жидкого топлива, появляется возможность использовать другие источники энергии, получать не только основную полезную работу (например, для движения автомобиля), но одновременно вырабатывать, при необходимости, тепло и холод. Все перечисленные дополнительные возможности силовой установки реализуются при простой ее конструкции, причем все основные элементы конструкции освоены в двигателестроении и, как показали выполненные авторами расчеты, и двигатель с обменником энергии, и дополнительные ресиверы и теплообменники достаточно просто размещаются, например, на автомобиле, не ухудшая его весогабаритных характеристик.

В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в разработке новых способов работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания и разработке силовой установки для осуществления способов, которая устраняют указанные выше недостатки прототипов. Разработанный для осуществления заявляемых способов поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет простую, легко осваиваемую на существующих двигателестроительных производствах конструкцию, и при его использовании на транспортных средствах позволит производителю получить выход на очень емкий рынок автомобилестроения.

Источники информации
1. Европейская патентная заявка 493135, F 02 B 75/02, 1992.

2. Авт. свид. СССР 1806282, F 02 D 17/02, 1989.

3. Авт. свид. СССР 1134748, F 02 B 33/42, 1983.

4. Авт. свид. СССР 1760140, F 02 B 37/00, 1990.

5. Патент РФ 2075613, МПК F 02 B 37/00, опубл. 20.03.1997 г. - прототип.

6. Мацкерле Ю. "Современный экономичный автомобиль", М.: Машиностроение, 1987.

Формула изобретения

1. Способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени, и накапливают в первом ресивере для последующей подачи в рабочий цилиндр, подают в рабочий цилиндр сжатый воздух из первого ресивера и топливо, сжигают смесь внутри цилиндра с подвижным поршнем и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршень и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя, а затем в цилиндре обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в первом ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, отличающийся тем, что расширение горячих газов в цилиндре двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины в пределах 0,09-0,6 исходного объема воздуха, расширение газов в обменнике энергии используют как для сжатия свежего воздуха, так и для получения дополнительной полезной работы, для чего поршни двигателя и обменника энергии соединяют с помощью механической или гидравлической связи, а полезную работу силовой установки получают как при движении поршня двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе, причем на частичных по мощности режимах работы силовой установки подачу топлива в цилиндр двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты в первом или во втором и более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру двигателя.

2. Способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, причем воздух сжимают двухступенчато вне цилиндров двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в ресивере для последующей подачи в рабочие цилиндры, подают в рабочие цилиндры сжатый воздух и топливо, сжигают смесь внутри цилиндров с подвижными поршнями и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршни и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндрах двигателя, а затем в подключенных к этим цилиндрам цилиндрах обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, при этом на частичных по мощности режимах работы силовой установки прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя, отличающийся тем, что энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения теплообменника, внутренний объем которого выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии.

3. Способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания по п. 2, отличающийся тем, что сжатый и охлажденный в теплообменнике после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя, в который не подают топливо, и в соединенном с ним цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения.

4. Способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в первом или втором ресиверах для последующей подачи в рабочий цилиндр, а на режиме торможения или других режимах, при которых в силовой установке существует избыток накопленной энергии, прекращают подачу топлива в цилиндр двигателя и полезно используют энергию торможения, отличающийся тем, что используют обменник энергии для сжатия воздуха и накопления его в третьем ресивере, а энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения третьего ресивера, тепло от которого отводят в систему отопления.

5. Способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания по п. 4, отличающийся тем, что сжатый и охлажденный в третьем ресивере после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя и в соединенном с этим цилиндром цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения.

6. Силовая установка с поршневым двигателем внутреннего сгорания, содержащая, по крайней мере, один рабочий цилиндр и поршень, подключенный через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, снабженную первым ресивером сжатого воздуха, включающую также цилиндр обменника энергии для расширения рабочих газов, причем в последнем установлен дифференциальный поршень для двухступенчатого сжатия воздуха, отличающаяся тем, что поршни двигателя и обменника энергии расположены соосно и соединены штоком, а полость расширения газов в обменнике энергии соединена через управляемый клапан с теплообменником для охлаждения.

7. Силовая установка по п.6, отличающаяся тем, что выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к теплообменнику для обогрева.

8. Силовая установка по любому из п.6 или 7, отличающаяся тем, что на выходе из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии установлено, по крайней мере, три ресивера, причем первый и второй подключены к системе нагрева от внешнего источника тепла, которая содержит нагревательные устройства и контур циркуляции греющего воздуха, снабженный вентилятором, а третий ресивер подключен в систему отопления, например установлен в кондиционере автомобиля.

9. Силовая установка по п.8, отличающаяся тем, что выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к ресиверам через переключатели потока воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7