СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF INCREASING PISTON ICE EFFICIENCY

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, усовершенствует способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, предназначенный для энергетических установок, например, на электростанциях, на кораблях, тепловозах, автомобилях и в авиации.
В двигателестроении известен способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU №2163681 C2, 7 F02B 75/32 за 2001 г.). Сущность способа состоит в том, что кулачковый вал преобразует вращательное движение в неподвижное и возвратно-поступательное движение поршня, в результате этого в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания.
Недостатком способа является то, что при объединении однорежимных одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель одноименные процессы в разных цилиндрах осуществляются только поочередно. Это не позволяет отбирать от двигателя мощность в широких пределах, поэтому для этих целей используют коробки передач или автоматы.
Известен также способ преобразования вращательного движения кривошипа коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня, в результате чего в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляются процессы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания (Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Судпромгиз. - Л.: 1962 - с.81).
Недостатком способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания является то, что кривошип коленчатого вала, являясь движителем поршня, проходит четыре мертвые зоны за цикл. В них поршень стоит на месте или движется крайне медленно. Это не позволяет получить высокую эффективную мощность (Ne) в устройствах для реализации способа.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU 2373410 F02B 75/32; F02D 17/02 за 2008 г.). Сущность изобретения заключается в том, что возвратно-поступательное движение поршень совершает путем качательного движения подпружиненного кривошипно-коромыслового механизма, связанного с валом нагрузки, в результате этого в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. На щеках механизма установлены два зубчатых сектора. Другой конец механизма может фиксироваться зубьями собачки, а пружина позволяет механизму качаться на полуосях, при этом зубчатый сектор передает вращение зубчатому ободу храпового колеса, связанного с валом нагрузки.
При объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель одноименные процессы в разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо группами, либо одновременно с помощью электрической системы управления, включающей управляющий барабан, связанный с валом нагрузки.
Недостатком способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания является то, что скорость движения поршня во время совершения рабочего процесса зависит от скорости вращения вала нагрузки. Это способствует быстрому сгоранию большей части топлива при температуре 1500К с выделением лучистой энергии в диапазоне коротких волн. Это, согласно первому закону термодинамики (1), не позволяет получить высокий КПД в устройстве для реализации способа.
Исходя из вышеизложенного была поставлена задача разработать такой способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, в устройствах для реализации которого можно будет получать хорошие основные технические характеристики параметров.
Поставленная задача решается заявленным способом повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающим преобразование качательного движения подпружиненного кривошипно-коромыслового механизма в неподвижное и возвратно-поступательное движение поршня, в результате чего в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. На щеках механизма установлены два зубчатых сектора, при этом один зубчатый сектор вращает малую шестерню, которая путем храпового колеса связана с валом нагрузки. Второй зубчатый сектор передает вращение зубчатому ободу храпового колеса, связанного с валом нагрузки во время такта сжатия. При объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель одноименные процессы в разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо группами, либо одновременно с помощью электрической системы управления, включающей управляющий барабан, связанный с валом нагрузки.
В заявленном способе признаками изобретения, общими для него и его наиболее близкого аналога, являются:
- возвратно-поступательное движение поршень совершает путем преобразования качательного движения кривошипно-двухкоромыслового механизма, в результате чего в рабочем цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания;
- на щеках механизма установлены два зубчатых сектора, которые связаны с валом нагрузки;
- другой конец механизма может фиксироваться зубьями собачки;
- пружина позволяет механизму качаться на полуосях;
- при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель одноименные процессы в разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо группами, либо одновременно с помощью электрической схемы управления;
- управляющий барабан связан с валом нагрузки.
В заявленном способе признаками изобретения, отличающими его от наиболее близкого аналога, являются:
- один зубчатый сектор вращает малую шестерню, которая путем храпового колеса связана с валом нагрузки во время рабочего такта;
- второй зубчатый сектор передает вращение зубчатому ободу храпового колеса, связанного с валом нагрузки во время такта сжатия.
Даная совокупность отличительных признаков изобретения вместе с общими признаками заявленного способа и наиболее близкого его аналога обеспечивают получение положительного эффекта изобретения во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
На фиг.1 изображена кинематическая схема устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.2 - график перераспределения энергии между молекулами при изменении температуры в замкнутых системах в координатах: по оси абсцисс длины волн (λ); по оси ординат изменение количества молекул с потенциальной и кинетической энергиями при изменении температуры (Т) в градусах.
э
На фиг.3 - график излучательной способности абсолютно черного тела в координатах: по оси абсцисс длины волн (λ); по оси ординат - излучательная способность dR в зависимости от температуры (Т).
2
На фиг.4 - индикаторная диаграмма работы четырехтактного двигателя в координатах: ход поршня (n) в мм; давление (Р) кГс/см и температура (Т).
2
На фиг.5 - график эффективных мощностей (1Ne и 2Ne) на диаграмме в координатах: давление (Р) кГс/см в функции изменения объема (V) в л.
2
0
На фиг.6 - индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС, построенная по способу Гриневецкого-Мазинга в координатах: давление (Р) кГс/см; угол поворота коленчатого вала (α) в градусах.
2
0
На фиг.7 - график эффективной мощности (Ne) на диаграмме в координатах: давление (Р) кГс/см; ход поршня в функции поворота коленчатого вала (α) в градусах.
На фиг.8 изображена однолинейная схема управления устройством для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.9 - кинематическая схема газораспределения первого рабочего цилиндра на управляющем барабане.
Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, шатун 6, кривошип 5, кривошипно-двухкоромысловый механизм 3, зубчатые сектора 7 и 8. Малая шестерня 17 вращает зубчатый обод храпового колеса 18, который вращает вал 16 нагрузки. Зубчатый сектор 8 вращает зубчатый обод храпового колеса 15, который связан с валом 16 нагрузки. Пружина 11 позволяет механизму 3 качаться на полуосях 4. Второй конец механизма 3 в хвостовой части имеет возможность фиксироваться на одном из зубьев зубчатой собачки 9. Пружина 12 позволяет зубчатой собачке 9 качаться относительно оси 10.
С помощью ролика 19 рычаг 20 замыкает контакты сигнальной лампочки 1Л. На верхней крышке цилиндра 1 установлены форсунка 21, клапан 13 наполнения цилиндра воздухом с приводом 1КН. В нижней части цилиндра расположен канал выпуска газов продуктов сгорания 14. Устройство для реализации способа имеет управляющий барабан 22, выполненный из токонепроводящего материала. На барабане закреплены токопроводящие полукольца-датчики 23, 24, 25. Вокруг управляющего барабана рядами с интервалом 90° на отметках 0°, 90°, 180° и 270° установлены электроприемники: Щ, 1C, 2С, 3С, 4С; 1КН, 2КН, 3КН и 4КН.
Водитель с помощью выключателей задает нужный режим, и автоматическая система управления (АСУ) быстро и безошибочно осуществляет нужные процессы во всех рабочих цилиндрах.
Перед запуском устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания водитель проверяет готовность двигателя к пуску. В этом он убеждается по сигнальным лампочкам 1Л, 2Л, 3Л и 4Л. Если лампочки не горят, водитель включает сначала выключатель 1П. Это позволит через выключатель 1П подать напряжение 12V (вольт) на катушку 1КН клапана 13 наполнения цилиндра воздухом с приводом 1КН и тем самым подать сжатый воздух из ресивера (на фиг.1 не показан) в первый рабочий цилиндр (см. фиг.1 и 8). О подаваемом количестве воздуха в цилиндр оператор узнает по сигнальной лампочке 1Л, которая должна загореться по окончании данной операции. Кроме того, конец кривошипно-коромыслового механизма 3 зафиксируется на одном из зубьев зубчатой собачки 9.
Аналогичные операции произойдут с каждым рабочим цилиндром четырехцилиндрового двигателя, если оператор включит поочередно выключатели 2П, 3П и 4П.
Затем водитель включает выключатель режима 1ВР магнитного пускателя 1P. После включения магнитного пускателя 1P напряжение появится в катушках магнитных пускателей 1МП-0, 2МП-90, 3МП-180 и 4МП-270. Это позволит во время запуска двигателя включить в работу цилиндры четырехцилиндрового двигателя таким образом, чтобы одноименные процессы в разных цилиндрах совершались поочередно через интервал в 90°.
Для примера рассмотрим, каким образом начнет работать первый рабочий цилиндр при запуске. Управляющий барабан 22 вращают с помощью стартера (на фиг.1 не показан). Во время вращения барабана полукольцо-датчик 24 приближается, а затем коснется электроприемника 1C. Это позволит подать напряжение 12 V с полукольца-датчика 24, замкнутые контакты 1С1 магнитного пускателя 1МП-0 в катушку привода 1C зубчатой собачки 9 первого рабочего цилиндра.
После этого привод 1C сожмет пружину 12, повернет зубчатую собачку 9 вправо и освободит хвостовик механизма 3. Под действием пружины 11 кривошипно-коромысловый механизм 3 вместе с шатуном 6, поршнем 2 поднимутся вверх, а поршень 2 сожмет при этом воздух в цилиндре 1.
В районе верхней точки хода поршня в полость цилиндра с помощью форсунки 21 поступит топливо, которое воспламенится и сгорит. Под действием высокого давления поршень поменяет свое направление и быстро опустится вниз на небольшое расстояние. Это произойдет потому, что нагрузка на вал 16 будет осуществляться путем малой шестерни 17 через храповое колесо 18, имеющее больший диаметр. Вместе с этим пружина 11 в начале растяжения оказывать нагрузку не будет. По мере опускания поршня нагрузка будет увеличиваться. В нижнем положении поршня хвостовик механизма 3 повернет зубчатую собачку 9 вправо и зафиксируется на одном из зубьев собачки 9.
В это время откроется выпускной канал 14 и отработанные газы продуктов сгорания покинут полость цилиндра 1. В то же время полукольцо-датчик 25 приблизится, а затем коснется электроприемника 1КН на отметке 0°, после чего напряжение 12 V, минуя замкнутые контакты 1КН-1 магнитного пускателя 1МП-0, поступит в катушку 1КН привода клапана 13 наполнения первого рабочего цилиндра. Это позволит сжатому воздуху из ресивера направиться в первый рабочий цилиндр, вытесняя при этом отработанные газы через канал выпуска отработанных газов 14. Вскоре конец полукольца-датчика 25 покинет отметку 0° на барабане. После этого прекратится подача электроэнергии в катушку 1КН привода наполнения клапана 13 первого цилиндра. В это время полукольцо-датчик 24 приблизится, а затем коснется электроприемника 1C. Это позволит подать напряжение 12 V с полукольца-датчика 24, замкнутые контакты 1С1 магнитного пускателя 1МП-0 в катушку привода 1C зубчатой собачки 9 первого рабочего цилиндра. После этого привод 1C сожмет пружину 12, повернет зубчатую собачку 9 вправо и освободит хвостовик механизма 3. Под действием пружины 11 зубчатый сектор 8 будет поворачивать зубчатый обод храпового колеса 15, которое в этот момент связано с валом 16 нагрузки. Одновременно шатун 6 будет в это время поднимать поршень 2 вверх, а поршень сожмет при этом воздух в цилиндре 1. В районе верхней точки хода поршня в полость цилиндра 1 с помощью форсунки 21 поступит топливо, которое воспламенится и сгорит. За один оборот управляющего барабана во всех четырех цилиндрах совершатся аналогичные процессы, причем одноименные процессы с интервалом в 90° будут происходить в разных цилиндрах по мере вращения управляющего барабана.
При таком режиме выходная мощность двигателя будет небольшой, так как рабочие процессы в цилиндрах двигателя будут совершаться поочередно. Поэтому в любой момент времени на выходной вал будет действовать только механическая мощность, идентичная мощности одного цилиндра.
Для того чтобы увеличить выходную мощность двигателя в два раза, водитель должен отключить выключатель режима 1ВР, а затем включить выключатель режима 2ВР.
Это позволит отключить катушку магнитного пускателя 1P и включить под напряжение катушку магнитного пускателя 2Р. После включения магнитного пускателя 2Р напряжение появится в катушках магнитных пускателей 1МП-0, 2МП-0, а также 3МП-180, 4МП-180. Это позволит совершать одноименные процессы сразу в двух цилиндрах, то есть в первом и во втором на отметке 0°, в третьем и четвертом цилиндрах - на отметке 180°.
Для примера рассмотрим, каким образом будут совершать одноименные процессы сразу два цилиндра. Во время вращения управляющего барабана 22 полукольцо-датчик 24 приблизится, а затем прикоснется к электроприемнику 1C. Это позволит подать напряжение 12 V с полукольца-датчика 24, замкнутые контакты 1С1 магнитного пускателя 1МП-0 в катушку привода 1C зубчатой собачки 9 первого рабочего цилиндра. Одновременно напряжение 12 V появится в катушке привода 2С зубчатой собачки 9 второго рабочего цилиндра, с полукольца-датчика 24, замкнутые контакты 2С1 магнитного пускателя 2МП-0. После этого зубчатые собачки 9 синхронно повернутся в первом и втором цилиндрах и освободят хвостовики механизмов 3 в обоих цилиндрах. Под воздействием пружин 11 зубчатые секторы 8 механизмов 3 будут поворачивать зубчатые ободья храповых колес 15 против часовой стрелки, которые в это время связаны с валом 16 нагрузки. Одновременно с этим шатуны 6 поршнями 2 поднимутся вверх, а поршни 2 сожмут при этом воздух в цилиндрах 1. В районе верхних точек хода поршня в полости цилиндров первого и второго с помощью форсунок 21 поступит топливо, которое воспламенится и сгорит. Под воздействием высокого давления поршни первого и второго цилиндров поменяют свое направление и быстро опустятся вниз на небольшое расстояние. Это произойдет потому, что нагрузка на поршень со стороны вала 16 будет небольшая. Поршень будет передавать нагрузку через малую шестерню 17 через храповое колесо 18, имеющее больший диаметр. Вместе с этим пружина 11 в начале движения механизма 3 оказывать большого сопротивления не будет. По мере опускания поршень будет принимать нагрузку. В нижних положениях поршней 2 хвостовики механизмов 3 первого и второго одноцилиндровых двигателей зафиксируются на зубьях собачек 9. Одновременно откроются выпускные каналы 14 в первом и во втором цилиндрах, и отработанные газы покинут полости первого и второго цилиндров 1.
После этого полукольцо-датчик 25 приблизится, а затем коснется электроприемника 1КН на отметке 0°, после чего напряжение 12 V, минуя замкнутые контакты 1КН-1 магнитного пускателя 1МП-0, поступит в катушку 1КН привода клапана 13 наполнения первого цилиндра.
Аналогичная операция совершится с катушкой 2КН привода клапана 13 наполнения второго цилиндра через контакты 2КН1 магнитного пускателя 2МП-0. Это позволит сжатому воздуху из ресивера направиться в первый и второй цилиндры и вытеснить из них отработанные газы через канал 14, расположенный в нижней части. После этого конец полукольца-датчика 25 покинет отметку 0° на барабане 19 и прекратит подачу электроэнергии в катушки 1КН, 2КН приводов наполнения клапанов 13 в первом и втором цилиндрах.
Затем полукольцо-датчик 24 приблизится, а затем коснется элекроприемника 1C. Это позволит подать напряжение 12 V с полукольца-датчика 24, замкнутые контакты 1С1, 2С1 магнитных пускателей 1МП-0, 2МП-0 в катушки приводов 1C и 2С зубчатых собачек 9 первого и второго цилиндров на отметке 0°. После этого зубчатые собачки 9 синхронно повернутся в первом и в втором цилиндрах и освободят хвостовики механизмов 3 в обоих цилиндрах. Под действием пружин 11 зубчатые секторы кривошипно-двухкоромысловых механизмов 3 будут поворачивать зубчатые ободья храповых колес 15 против часовой стрелки, которые в это время связаны с валом 16 нагрузки. Аналогичные операции будут совершаться при данном режиме сразу в двух цилиндрах, то есть в третьем и четвертом на отметке 180° (см. фиг.8).
Если обстановка потребует увеличения мощности двигателя, водитель отключит выключатель режима 2ВР, а затем включит выключатель 3ВР. Это позволит совершать одноименные процессы во всех четырех цилиндрах одновременно на отметке 0°. Таким образом, мощность двигателя возрастет в четыре раза, то есть будет равна сумме механических мощностей пружин 11 и эффективных мощностей (Ne) рабочих тактов четырех цилиндров. Это позволит получить максимальную мощность ДВС.
2
э
Прежде чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкреплю убедительными примерами цель изобретения. Согласно теоретическим основам, разработанным русским ученым В.И.Гриневецким и его последователями, ДВС должен работать по индикаторным диаграммам Гриневецкого-Мазинга (Мазинг Е.К. Тепловой процесс ДВС, ОНТИ, 1937 г.) (см. фиг.6 в координатах: давление (Р) кГс/см в цилиндре в функции от угла поворота коленчатого вала (α°) в градусах. Очевидно, данная диаграмма была получена у работающих двигателей путем специальных приборов. Она идентична графику (см. фиг.3) теплового излучения абсолютно черного тела при изменении температуры в координатах: по оси ординат отложены спектры энергетической светимости (αR) при изменении температуры (Т) в градусах, по оси абсцисс - длины волн (λ) (Страховский Г.М., Успенский А.В. - Основы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1973, стр.6-7). С помощью данных диаграмм нельзя построить действительный цикл (индикаторную диаграмму) эффективной работы ДВС теоретическим научно обоснованным путем (Рожанский Г.С. - Судовые ДВС. Л.: Судостроение, стр.20). Чтобы устранить существенный недостаток, построим график (см. фиг.2) перераспределения энергии между молекулами при изменении температуры в замкнутых системах в координатах: по оси абсцисс - длины волн (λ), по оси ординат - изменение количества молекул с потенциальной и кинетической энергиями при изменении температуры (Т).
Из курса физики известно то, что тела, находящиеся на поверхности Земли, имеют большее количество молекул с потенциальной энергией. Это значит, что количество молекул с кинетической энергией при низких температурах на Земле стремится к 0. Математически это можно выразить так:
Очевидно, в таком соотношении все тела на Земле будут находиться в твердом состоянии, потому что молекулы, имеющие потенциальную энергию, притягиваются друг к другу (см. фиг.2). При нагревании молекул вещества, находящиеся в твердом состоянии, с потенциальной энергией начнут двигаться и отрываться от поверхностного слоя. Математически это явление можно выразить так:
п
W - потенциальная энергия;
Q - тепловая энергия;
к
W - кинетическая энергия.
к
п
При дальнейшем нагревании твердого вещества молекулы в форме кинетической энергии будут продолжать отрываться от общей массы, последняя в конечном итоге уменьшится до минимума. Вылетевшие молекулы будут объединяться в сферы (шарики) по аналогии водяных пузырьков, появляющихся при кипении воды. Очевидно, этот процесс будет сопровождаться изменением агрегатного состояния вещества, т.е. переходом из твердого состояния в жидкое. Очевидно, в жидком состоянии вещество будет находиться в форме шариков (сфер), внутри которых будут находиться молекулы, имеющие кинетическую энергию (W). В поверхностном слое шарика будут притягиваться друг к другу молекулы с потенциальной энергией (W). Таким образом, вещество в жидком состоянии в шариках будет иметь одинаковое количество молекул с потенциальной и кинетической энергиями. Математически это можно выразить так:
При дальнейшем притоке энергии (Q) количество молекул с кинетической энергией в шариках будет увеличиваться, а с потенциальной - уменьшаться. Очевидно, этот процесс вызовет движение шариков, и жидкость закипит. Математически этот процесс можно выразить так:
Очевидно, шарики (сферы) с большим количеством молекул, имеющих кинетическую энергию, будут покидать кипящее вещество (см. фиг.2). Постепенно все вещество перейдет из жидкого состояния в газообразное. Этот процесс произойдет при смене агрегатного состояния вещества. Очевидно, этот процесс будет происходить с поглощением большого количества тепла (Q), т.к. при образовании пузырьков в поверхностном слое будут молекулы с потенциальной энергией удерживать молекулы с кинетической энергией. Последние будут иметь больше энергии, т.к.
п
Это явление впервые подтвердил опытным путем профессор физической химии московского университета (ныне МГУ) Крапивин в 1910 году. Сущность его такова, что 100 градусным паром можно нагревать растворы солей до 110°C, 115°C, 120°C. Эта закономерность помогла ему опровергнуть «запрет» второго начала термодинамики. При дальнейшем нагревании вещества в газообразном состоянии молекулы с кинетической энергией внутри пузырьков будут двигаться все быстрее и быстрее. Соударения пузырьков такого газа будут происходить как соударения упругих шаров (А.С.Шубин. Курс общей физики. М., Высшая школа, 1976 г., с.87). При дальнейшем нагревании газа количество молекул с кинетической энергией будет возрастать с одновременным уменьшением молекул с потенциальной энергией. Это при (W→0) приведет к тому, что все молекулы не будут проявлять сил к взаимному притяжению. В таком состоянии размеры свободных молекул пренебрежимо малы. Таким образом, вещество снова изменило агрегатное состояние и стало подчиняться законам квантово-оптической теории. Математически это явление можно выразить так:
к
W - кинетическая энергия молекул;
Q - тепловая, лучистая энергии;
γ, β, α - лучистая энергия.
Очевидно, если заменить нагрев молекул замкнутой системы извне на охлаждение нагретых молекул. В этом случае описанные выше процессы совершатся в обратном порядке.
Очевидно, предложенная гипотеза, проверенная на практике учеными разных поколений, обрела достоверность. Вот поэтому ее можно сегодня использовать в качестве физической теории. Данная теория позволяет нам по-новому взглянуть на формулировку первого начала термодинамики (см. фиг.2):
Q - тепловая энергия;
U - внутренняя энергия;
А - работа.
Если проанализировать данный график (фиг.2), то станет ясно, что для получения механической работы (А) в двигателях внутреннего сгорания необходимо, чтобы процессы сгорания топлива осуществлялись во время рабочего такта. Это нужно сделать потому, что при сгорании топлива происходит преобразование потенциальной энергии молекул в кинетическую по формуле
z
Это условие можно выполнить при совершении изобарического процесса в цилиндре ДВС, т.е. когда объем газов продуктов сгорания будет возрастать линейно с ростом температуры при постоянном давлении (P) (см. фиг.4, 5). Это значит, что процессы в цилиндре должны протекать параллельно оси координат, где откладывается изменение объема (V) или ход поршня (n). Процесс сгорания топлива должен осуществляться в пределах
z
После полного сгорания топлива продукты сгорания должны быть немедленно удалены из цилиндра. Промедление с удалением понижает КПД двигателя. Это возможно осуществить в однорежимном ДВС при заданной номинальной мощности (N) путем расчетного управляемого процесса сгорания (см. фиг.4, 5).
Предложенная теория позволяет изменить формулировку второго начала термодинамики, предложенную С.Карно в 1824 году, следующим образом:
η - КПД двигателя;
1
T - температура самовоспламенения;
2
T - наивысшая температура, при которой горит топливо;
- средняя температура, при которой совершается рабочий процесс;
- температура выпускных газов.
1
2
Предположим, что T=700°C, T=1300°C, , , получим:
Допустим, что выпуск отработанных газов совершился при , получим:
Это значит, что процесс сгорания протекал эффективнее при совершении рабочего процесса (см. фиг.4, 5).
z
Для сравнения рассмотрим рабочий процесс скоростного ДВС, выпускаемых сегодня. Согласно индикаторной диаграмме Гриневецкого-Мазинга (см. фиг.6) основная доля топлива сгорает в районе верхней мертвой точки при температуре (T), равной 2000К. В это время кривошип коленчатого вала не позволяет поршню двигаться и совершать работу, так как находится в «мертвой» зоне. В это время продукты сгорания топлива согласно графику (фиг.2) излучают лучистую энергию согласно формуле (6)
к
W+Q=γ+β+α…
Эти процессы протекают со скоростью, близкой к скорости света, т.е. 3000000 км/сек. (Страховский Г.М., Успенский А.В. Основы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1973, стр.6-7).
Таким образом, в современных ДВС большая часть энергии при сгорании топлива согласно первому закону термодинамики путем тепловой и лучистой энергий покидают цилиндр, не совершая при этом работы
к
1
2
W+Q=Q+γ+β+α…, где
1
Q - тепловая энергия, полученная при сгорании топлива;
2
Q - тепловая энергия продуктов сгорания.
Для того чтобы сделать устройство для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания, нужно согласовать термодинамические с механическими процессами. Для этого потребовалось раскрепостить детали цилиндропоршневой группы, т.е. освободить их от ненужных «надстроек»: коленчатого вала, механической системы газораспределения с распредвалом, коробки передач или автомата, маховика, глушителя, резонаторов, мощнейшей системы охлаждения. Это позволит повысить мощность малолитражного двигателя до 80% путем эффективного сгорания топлива во время протекания рабочего процесса. В случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечит работу электроприводов системы газораспределения, пружин 11 и механизмов 3 таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществлялись либо поочередно, либо группами, либо одновременно. Это позволит согласовать два взаимоисключающих требования: с одной стороны, обеспечить постоянство нагрузки на цилиндры малолитражного многоцилиндрового двигателя, а с другой - снабжать автомобиль энергией в непрерывно меняющихся условиях движения. Очевидно, это будет простой, небольших размеров двигатель с хорошими основными техническими параметрами, удовлетворяющими всем предъявляемым на сегодня требованиям, и подходить для оснащения любого автотранспорта. Кроме того, у нового двигателя увеличится моторесурс, а также надежность, потому что если во время работы ДВС выйдут из строя несколько цилиндров, оставшиеся смогут продолжить работу без них.
Благодаря вышеизложенным преимуществам устройства для реализации предлагаемого способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания будут иметь большую агрегатную мощность по сравнению с современными ДВС (при меньших размерах), которую при этом можно будет неограниченно увеличивать, удовлетворяя растущие потребности использования двигателей для решения многочисленных научных и технических проблем, а также в обороне страны.