Способ осуществления цикла поршневого двигателя и поршневой двигатель

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании поршневых двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение КПД двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что рабочее тело сжимают в многоступенчатом компрессоре, одновременно охлаждая до температуры начала сжатия. Затем рабочее тело перемещают в камеру сгорания, где при сохранении объема подводят к нему тепло, после чего рабочее тело перемещают в рабочий цилиндр, где его расширяют с предотвращением потерь тепла, передавая энергию расширения на рабочий вал двигателя и на привод многоступенчатого компрессора. При этом количество подводимого в камере сгорания тепла регулируют, уравнивая степень повышения давления рабочего тела в камере сгорания и величину ε^k-1, где ε - степень расширения рабочего тела в рабочем цилиндре, a k - показатель адиабаты расширения. Поршневой двигатель для реализации данного цикла содержит многоступенчатый компрессор с системой охлаждения, теплоизолированную камеру сгорания, отделенную от рабочего цилиндра, и частично теплоизолированный рабочий цилиндр с установленным в нем рабочим поршнем. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Эффективность теплового (в том числе и поршневого) двигателя определяется двумя факторами: эффективностью разработанного теоретического цикла, заложенного в способ преобразования тепловой энергии в механическую, и технической возможностью создания конструкции двигателя, реальный цикл которого максимально приближен к теоретическому циклу.

Известен теоретический цикл Вишарта [РЖ «Двигатели внутреннего сгорания», 1982, 4.39.10, с.31-37], который представляет собой последовательность шести термодинамических процессов: изотермического сжатия рабочего тела, изобарного подвода к рабочему телу рекуперированной части тепла, изобарного подвода основной части тепла, адиабатного расширения рабочего тела до первоначального объема или больше, изохорного отвода от рабочего тела рекуперируемой части тепла и изобарного отвода тепла.

Недостатками данного теоретического цикла являются: во-первых, большие потери высокопотенциального тепла при изобарном подводе основной части тепла (в реальном двигателе в охлаждаемом рабочем цилиндре), и во-вторых, необходимость рекуперации и отвода неиспользованного в цикле тепла (в реальном двигателе это приводит к усложнению конструкции и тепловым потерям).

Целью предлагаемого изобретения является осуществление способа работы поршневого двигателя по такому циклу, в котором достигается равенство термодинамических параметров (температуры и давления) рабочего тела в начале и в конце цикла, что исключает необходимость рекуперации избыточного тепла и отвод тепла в конце цикла.

Для достижения поставленной цели, а также для устранения указанных недостатков цикла Вишарта в предлагаемом способе реализуется цикл Сладкевича, содержащий три термодинамических процесса (далее цикл С-3тп): изотермического сжатия, изохорного подвода тепла и адиабатного расширения рабочего тела. А также осуществляется подвод оптимального количества тепла, удовлетворяющего соотношению λ≤ε^k-1, где λ - степень повышения давления рабочего тела при подводе тепла, ε - степень расширения рабочего тела, k - показатель адиабаты расширения.

Из уровня техники известен термодинамический цикл для двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2167315 от 29.04.1999), в котором чистый воздух сжимают в первом цилиндре, затем перемещают в камеру сжатого воздуха и в камеру сгорания, расположенные в верхней части второго цилиндра, подводят к сжатому воздуху в камере сгорания тепло, затем перемещают во второй цилиндр, в котором его расширяют. Недостатком данного цикла является осуществление одноступенчатого сжатия без возможности охлаждения рабочего тела, которое требует больших затрат энергии на сжатие, что в свою очередь снижает КПД двигателя.

Известен также способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2075613 С1 от 28.03.1994), в котором рабочее тело двухступенчато сжимают сначала с охлаждением, а затем с предотвращением потерь тепла, и далее внутри рабочего цилиндра двигателя подводят к рабочему телу тепло и расширяют с частичной рекуперацией тепла. Недостатком данного способа является необходимость рекуперации тепла, что приводит к неизбежным тепловым потерям и снижению КПД двигателя, а также к усложнению конструкции двигателя, работающего по данному способу.

Известен двигатель внутреннего сгорания с разделенным циклом (патент WO 82/01741 от 04.05.1981), содержащий многоступенчатый цилиндр сжатия и рабочий цилиндр. В данном двигателе сжатие рабочего тела осуществляется одновременно во всех ступенях цилиндра сжатия, а подвод тепла и расширение рабочего тела - в рабочем цилиндре. Недостатком такого двигателя является снижение КПД за счет отсутствия возможности эффективного охлаждения рабочего тела при его сжатии и потери при подводе тепла в охлаждаемый цилиндр.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение КПД поршневого двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в цикле С-3тп поршневого двигателя рабочее тело сначала сжимают в многоступенчатом компрессоре, одновременно охлаждая до температуры начала сжатия. Затем рабочее тело перемещают в камеру сгорания, где при сохранении объема подводят к нему тепло. И далее рабочее тело перемещают в рабочий цилиндр, где его расширяют с предотвращением потерь тепла, передавая энергию расширения на рабочий вал двигателя и на привод многоступенчатого компрессора. При этом количество подводимого в камере сгорания тепла регулируют, уравнивая степень повышения давления рабочего тела в камере сгорания и величину ε^k-1, где ε - степень расширения рабочего тела в рабочем цилиндре, а k - показатель адиабаты расширения.

Предлагаемый способ работы поршневого двигателя позволяет создать необходимые условия для осуществления цикла, близкого к циклу С-3тп. Сжатие рабочего тела в многоступенчатом компрессоре с одновременным интенсивным охлаждением позволяет осуществить процесс сжатия, близкий к изотермическому, и за счет этого снизить затраты на работу сжатия. Подвод тепла в теплоизолированной камере постоянного объема позволяет значительно снизить потери высокопотенциального тепла при его подводе. Ограничение количества подведенного в камере сгорания топлива в соответствии с величиной ε^k-1 позволяет не отводить тепло по завершении цикла и не производить его рекуперацию. Теплоизоляция рабочего цилиндра и головки поршня рабочего цилиндра позволяет осуществить процесс расширения, близкий к адиабатному, и снизить потери тепла при расширении рабочего тела.

Указанный технический результат достигается тем, что поршневой двигатель содержит многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, рабочий цилиндр и резервный баллон, разделенные управляемыми клапанами. В многоступенчатом компрессоре установлены по меньшей мере два охлаждаемых цилиндра с размещенными в них спаренными охлаждаемыми поршнями двухстороннего действия. Охлаждаемые цилиндры закрыты крышками с возможностью перемещения рабочего тела из надпоршневого пространства цилиндров в подпоршневое пространство и перемещения рабочего тела между цилиндрами. Камера сгорания содержит теплоизолированный керамическим слоем корпус, форсунку для подачи топлива, запальную свечу. В рабочем цилиндре установлен поршень, объединенный коленчатым валом со спаренными поршнями компрессора. Внутренняя поверхность рабочего цилиндра до 1/2 рабочего хода поршня от верхней мертвой точки, а также внутренняя поверхность крышки рабочего цилиндра и головка поршня рабочего цилиндра теплоизолированы керамическим слоем. Выход компрессора соединен с входом камеры сгорания и резервным баллоном, а выход камеры сгорания соединен теплоизолированным патрубком с входом рабочего цилиндра.

На Фиг.1 представлена диаграмма в координатах (P, V) теоретически рассчитанного цикла С-3тп поршневого двигателя при следующих значениях параметров: степень повышения давления λ=2.107, степень расширения ε=12; коэффициент политропы сжатия n=1.1 (близкий к изотерме); коэффициент адиабаты расширения k=1.4. На диаграмме кривая 1-2 представляет процесс сжатия, отрезок 2-3 - процесс подвода тепла, кривая 3-4 - процесс расширения. При этом термический КПД цикла составляет 0.932, что с учетом тепловых и механических потерь в реальном двигателе позволяет получить эффективный КПД порядка 0.6.

На Фиг.2 представлена возможная реализация конструкции поршневого двигателя, работающего по предложенному способу.

Двигатель содержит многоступенчатый компрессор А, камеру сгорания В и рабочий цилиндр С. Компрессор А состоит из двух цилиндров 2, 3, причем диаметр цилиндра 3 меньше диаметра цилиндра 2. Цилиндры 2, 3 установлены в охлаждаемом корпусе 4 и закрыты крышками 5, 6 сверху и крышками 7, 8 снизу. Крышки 5, 6, 7, 8 снабжены автоматическими клапанами 9, причем крышка 5 соединена с крышкой 7, крышка 6 соединена с крышкой 8, а крышка 7 соединена с крышкой 6 перепускными трубками 10. В цилиндрах 2, 3 установлены спаренные общим шатунным пальцем поршни 11, 12 двухстороннего действия с трубчатыми штоками разного диаметра. На крышке 5 цилиндра 2 установлен впускной патрубок 13 с автоматическим клапаном 14. К крышке 8 через автоматический клапан 9 подключена трубка 15, отводящая сжатый воздух из компрессора А и подводящая его к резервному баллону 16 через управляемый клапан 17 и к камере сгорания В через управляемый клапан 18. Камера сгорания В установлена над рабочим цилиндром С, соединена с ним через управляемый клапан 19 теплоизолированным патрубком 20 и состоит из корпуса 21, теплоизолированного с внутренней стороны керамическим слоем 22, впускного управляемого клапана 18, форсунки 23 для подачи топлива и запальной свечи 24. Рабочий цилиндр С, в котором установлен поршень 26 с теплоизолированной керамическим слоем головкой 32, теплоизолирован изнутри в верхней своей части до 1/2 рабочего хода поршня керамическим слоем 25. На цилиндр С установлена теплоизолированная керамическим слоем 28 крышка 27 с управляемыми впускным клапаном 19, выпускным клапаном 30 и с выпускным патрубком 31. Рабочий поршень 26 и спаренные поршни 11,12 компрессора А соединены с общим коленчатым валом 34 через шатуны 32 и 33.

Работа поршневого двигателя по предлагаемому в изобретении способу осуществляется следующим образом. При вращении коленчатого вала 34 рабочий поршень 26 и спаренные поршни 11, 12 компрессора А движутся в противоположных направлениях (на Фиг.2 поршень 26 перемещается вверх, а поршни 11, 12 вниз). При этом в объеме цилиндра 2 над поршнем 11 происходит забор воздуха через патрубок 13 и автоматический клапан 14, а в подпоршневом объеме цилиндра 2 осуществляется вторая ступень сжатия воздуха с одновременным его перемещением через перепускную охлаждаемую трубку 10 с автоматическими клапанами 9 в надпоршневое пространство цилиндра 3, где осуществляется третья ступень сжатия. В подпоршневом объеме цилиндра 12 в это время осуществляется четвертая ступень сжатия воздуха и вытеснение его в камеру сгорания В или в резервный баллон 16 через трубку 15 с автоматическим клапаном 9 в зависимости от положения управляемых клапанов 17 и 18. Рабочий поршень 26 в это время заканчивает вытеснение отработавших газов из цилиндра С через управляемый клапан 30 и выпускной патрубок 31. В это же время в камеру сгорания подается сжатый воздух через управляемый клапан 18 и при подходе поршня 26 к верхней мертвой точке осуществляется впрыск топлива через форсунку 23, которое перемешивается с воздухом и воспламеняется от запальной свечи 24 при пуске двигателя и от горячих стенок камеры сгорания при работе двигателя. Процесс сгорания топлива происходит при закрытых клапанах 18 и 19. Когда поршень 26 подходит к верхней мертвой точке, клапан 31 закрывается, а клапан 19 открывается и рабочее тело из камеры сгорания В начинает поступать в рабочий цилиндр С и начинает осуществляться рабочий ход поршня 26. В компрессоре А в этот момент в надпоршневом пространстве цилиндров 2, 3 начинается процесс сжатия первой и третьей ступеней с одновременным перемещением воздуха через перепускные охлаждаемые трубки 10 с автоматическими клапанами 9 в подпоршневое пространство цилиндров 2 и 3 соответственно. Далее, при каждом обороте коленчатого вала цикл повторяется.

Анализ известных технических решений в данной области не выявил способов осуществления цикла поршневых двигателей и самих поршневых двигателей с перечисленной совокупностью отличительных признаков.

1. Способ осуществления цикла поршневого двигателя, характеризующийся тем, что рабочее тело сжимают в многоступенчатом компрессоре, одновременно охлаждая до температуры начала сжатия, затем перемещают в камеру сгорания, где при сохранении объема подводят к рабочему телу тепло, и затем перемещают в рабочий цилиндр, где рабочее тело расширяют с предотвращением потерь тепла, передавая энергию расширения на рабочий вал двигателя и на привод многоступенчатого компрессора, при этом количество подводимого в камере сгорания тепла регулируют, уравнивая степень повышения давления рабочего тела в камере сгорания и величину ε^k-1, где ε - степень расширения рабочего тела в рабочем цилиндре, a k - показатель адиабаты расширения.

2. Поршневой двигатель, включающий многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, рабочий цилиндр, коленчатый вал и резервный баллон, характеризующийся тем, что в многоступенчатом компрессоре установлены, по меньшей мере, два охлаждаемых цилиндра с размещенными в них спаренными охлаждаемыми поршнями двухстороннего действия, охлаждаемые цилиндры закрыты крышками с возможностью перемещения рабочего тела из надпоршневого пространства цилиндров в подпоршневое пространство и перемещения рабочего тела между цилиндрами, резервный баллон снабжен управляемым клапаном, камера сгорания, содержащая теплоизолированный корпус, снабжена форсункой для подачи топлива, запальной свечей и управляемыми клапанами для подвода и отвода рабочего тела, в рабочем цилиндре установлен поршень, объединенный коленчатым валом со спаренными поршнями компрессора, внутренняя поверхность рабочего цилиндра, внутренняя поверхность крышки рабочего цилиндра и головка поршня рабочего цилиндра выполнены теплоизолированными, при этом выход компрессора соединен с входом камеры сгорания и резервным баллоном, а выход камеры сгорания соединен теплоизолированным патрубком с входом рабочего цилиндра.

3. Поршневой двигатель по п.2, характеризующийся тем, что в крышках цилиндров многоступенчатого компрессора установлены автоматические клапаны с присоединенными к ним перепускными трубками для перемещения рабочего тела.

4. Поршневой двигатель по п.2, характеризующийся тем, что спаренные поршни многоступенчатого компрессора снабжены трубчатыми охлаждаемыми штоками.

5. Поршневой двигатель по п.2, характеризующийся тем, что внутренняя поверхность рабочего цилиндра до 1/2 рабочего хода поршня от верхней мертвой точки, головка поршня рабочего цилиндра и внутренняя поверхность камеры сгорания покрыты теплоизолирующим керамическим слоем.