Способ работы двигателя внутреннего сгорания с охлаждением сжиженным газом

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям, охлаждаемым сжиженным газом. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя и улучшить его экологические показатели. В способе работы двигателя внутреннего сгорания с преобразованием в полезную работу тепла, образуемого во время горения в цилиндре, рабочие такты, основанные на расширении газообразных продуктов сгорания, чередуются с рабочими тактами, основанными на расширении паров сжиженного газа-охладителя. В качестве газа-охладителя используется газ из сжиженных углеводородов, который в свою очередь используется одновременно и в качестве топлива. При этом после такта охлаждения нагретый газ подается в цилиндры уже в качестве топлива. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в качестве двигателя автомобиля, трактора и других машин.

В современных двигателях внутреннего сгорания только часть энергии, получаемой при сжигании топлива, используется на полезную работу, а более половины всего тепла теряется на нагрев деталей двигателя и уносится продуктами сгорания. При этом температура воспламененной рабочей смеси достигает 2200-2500°С, а средняя температура рабочего цикла составляет 800-900°С (Калисский B.C. и др. Автомобиль. Учебник водителя 3-го класса. М.: Транспорт, 1976 г.). При такой высокой температуре необходимо искусственное охлаждение двигателя, для чего обычно применяют систему жидкостного охлаждения с принудительной циркуляцией. Такая система, состоящая из рубашки охлаждения, радиатора, водяного насоса и других элементов, является достаточно сложной и громоздкой, требует для своего размещения довольно много места под капотом автомобиля, увеличивая его массогабаритные характеристики и снижая аэродинамические качества.

Техническая задача заключается в том, чтобы повысить коэффициент полезного действия двигателя, его экологическую безопасность и отказаться от применения системы жидкостного охлаждения в двигателе внутреннего сгорания, обеспечив эквивалентный отвод тепла альтернативным способом.

Технический результат достигается в способе работы двигателя внутреннего сгорания с преобразованием в полезную работу тепла, образуемого во время горения в цилиндрах, в котором рабочие такты, основанные на расширении газообразных продуктов сгорания, чередуются с рабочими тактами, основанными на расширении паров сжиженного газа-охладителя. В качестве газа-охладителя может использоваться газ из сжиженных углеводородов, который в свою очередь может использоваться одновременно и в качестве топлива, при этом после такта охлаждения нагретый газ подается в цилиндры уже в качестве топлива.

Для этого предлагается оснастить традиционный четырехтактный двигатель (типа Отто, Дизеля, Ванкеля) системой впрыска сжиженного газа-охладителя (например, жидкого азота), который может быть использован одновременно и в качестве хладагента, и в качестве рабочего тела, совершающего полезную работу.

Как известно, переход вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное сопровождается поглощением тепла, пропорциональным массе вещества и его удельной теплоте парообразования. Также поглощение тепла происходит при последующем нагревании паров холодного газа (для азота начальная температура -196°С) до температуры продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре (средняя температура последних около 800°С). Учитывая, что плотность газа во много раз меньше плотности жидкости (например, плотность жидкого азота 808 кг/м³, а плотность газообразного 1,25 кг/м³ при нормальных условиях), то при испарении сжиженного газа в малом замкнутом объеме камеры сгорания возникает избыточное давление, которое действует на поршень, совершая полезную работу.

Схема работы двигателя, построенного по такой схеме и оснащенного системой впрыска сжиженного газа-охладителя, может быть следующей:

1-й такт - впуск горючей смеси;

2-ой такт - сжатие горючей смеси;

3-й такт - воспламенение горючей смеси и рабочий ход (происходит нагрев камеры сгорания);

4-й такт - выпуск газообразных продуктов сгорания;

5-й такт - впрыск газа-охладителя в горячую камеру сгорания, его испарение и рабочий ход (происходит охлаждение камеры сгорания);

6-й такт - выпуск газа-охладителя.

В дальнейшем процесс работы двигателя беспрерывно повторяется в указанном порядке. Таким образом, происходит чередование рабочих тактов, основанных главным образом на расширении газообразных продуктов сгорания (3-й такт, когда горючая смесь сгорает с выделением тепла), с рабочими тактами, основанными главным образом на расширении паров сжиженного газа-охладителя (5-й такт, когда сжиженный газ-хладагент нагревается за счет ранее выделившегося тепла, испаряется и расширяется, понижая температуру в камере сгорания).

Условно такой принцип работы можно назвать чередованием "горячих" (с 1-го по 4-ый) и "холодных" (с 5-го по 6-ой) тактов. Регулируя (возможно, с помощью электронной системы управления) соотношение расхода топлива и хладагента можно будет добиться оптимального теплового баланса работы двигателя внутреннего сгорания в широком диапазоне нагрузок и внешних температур без использования традиционной системы жидкостного охлаждения.

Помимо этого, предлагаемый вариант двигателя имеет два рабочих хода поршня на каждые три оборота коленчатого вала (2 такта из 6) против одного рабочего хода на два оборота коленчатого вала (1 такт из 4) как и обычном двигателе внутреннего сгорания, что дает возможность получить уменьшение веса двигателя на единицу мощности, а также экономию углеводородного топлива, поскольку сгорание происходит только в одном такте из шести.

Так как при данном способе происходит более полное преобразование тепла в полезную работу, то повышается КПД двигателя и происходит уменьшение вредных выбросов в атмосферу в случае использования для охлаждения безвредных сжиженных газов (например, воздуха или азота).

Если в качестве газа-охладителя используется само топливо (например, сжиженный метан), то в этом случае во время "холодного" такта выпуск паров газа-охладителя необходимо осуществлять через отдельный клапан не в атмосферу, а в смесительную камеру, откуда в смеси с воздухом подавать его снова в цилиндры уже в качестве топлива.

В зависимости от конкретных видов топлива и хладагента, температуры окружающей среды и других факторов возможны варианты построения двигателя, когда на один "горячий" такт будет приходиться два или более "холодных" тактов или, наоборот, на один "холодный" - несколько "горячих".

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания с преобразованием в полезную работу тепла, образуемого во время горения в цилиндре, в котором рабочие такты, основанные на расширении газообразных продуктов сгорания, чередуются с рабочими тактами, основанными на расширении паров сжиженного газа-охладителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-охладителя используется газ из сжиженных углеводородов, который, в свою очередь, используется одновременно и в качестве топлива, при этом после такта охлаждения нагретый газ подается в цилиндры уже в качестве топлива.