СПОСОБ РАБОТЫ БИНАРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И БИНАРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF OPERATING BINARY ICE AND BINARY ICE

Изобретение относится к области бинарных двигателей внутреннего сгорания, у которых рабочий объем цилиндра разделен автономным поршнем, не связанным с валом двигателя, на две изолированные друг от друга камеры - камеру нагнетания и камеру сгорания.
Известен способ работы бинарного ДВС, включающий процессы раздельного сжатия свежей порции окислителя в камере нагнетания и горячих газов в камере сгорания, досжатия свежей порции окислителя с подачей окислителя в камеру сгорания, сгорание и расширение, при котором полезную работу совершают продукты сгорания камеры сгорания и газы камеры нагнетания, создание разрежения и наполнение цилиндра двигателя свежей порцией окислителя, при котором исключают контакт окислителя с горячими газами камеры сгорания. Известно также устройство, реализующее этот способ. Указанные способ работы и устройство описаны в патенте №2146007 от 27.02.00, МПК F02В 3/4, 25/10.
Известны также способ работы и устройство бинарного ДВС, обеспечивающие аккумулирование энергии путем подачи газа из камеры нагнетания в специальную (аккумулирующую) емкость в завершающей стадии процесса расширения и обратной подачи газа из этой емкости в камеру нагнетания перед или в начальный период процесса сжатия. В устройстве бинарного ДВС для этих целей установлена аккумулирующая емкость, которая при помощи магистрали с клапаном соединена со сквозными окнами в корпусе цилиндра, причем клапан работает, а окна размещены вдоль оси цилиндра так, чтобы обеспечивать в соответствующие периоды подачу газов из камеры нагнетания в аккумулирующую емкость и из аккумулирующей емкости в камеру нагнетания. Указанные способ и устройство описаны в патенте №2203429 от 16.08.2000 г., МПК F02В 3/08.
Недостатками известных способа работы и устройства являются ограничение количества аккумулированной в цикле энергии и, как следствие, пониженная эффективность преобразования тепловой энергии в механическую работу.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования тепловой энергии в механическую работу за счет повышения количества аккумулируемой в цикле энергии.
Поставленная задача в части способа работы бинарного ДВС достигается тем, что объем цилиндра двигателя разделен автономным поршнем, не связанным с валом, на изолированные друг от друга камеру нагнетания и камеру сгорания, при этом способ включает аккумулирование энергии в цикле путем подачи газа из камеры нагнетания в аккумулирующую емкость в завершающей стадии процесса расширения и обратной подачи газа из этой емкости в камеру нагнетания перед или в начальный период процесса сжатия, при этом согласно изобретению в аккумулирующую емкость подают отработавшие газы из камеры сгорания, и обратную подачу газа из аккумулирующей емкости производят в камеру сгорания или совмещают подачу отработавших газов из камеры сгорания в аккумулирующую емкость камеры сгорания с подачей газа из камеры нагнетания в аккумулирующую емкость камеры нагнетания, а обратную подачу из аккумулирующих емкостей в камеры производят, исключая перемешивание этих газов, при этом подачу отработавших газов в аккумулирующую емкость камеры сгорания осуществляют с опережением или одновременно с подачей газа из камеры нагнетания в аккумулирующую емкость камеры нагнетания, а обратную подачу газов из аккумулирующей емкости камеры сгорания в камеру сгорания осуществляют одновременно или после подачи газа из аккумулирующей емкости камеры нагнетания в камеру нагнетания.
Поставленная задача в части способа достигается также тем, что в процессе холостого хода могут осуществлять дозарядку аккумулирующей емкости камеры нагнетания.
Поставленная задача в части способа достигается также тем, что газы, находящиеся в аккумулирующих емкостях, могут охлаждать постоянно или в период между окончанием подачи газов в камеры до окончания подачи газов в аккумулирующие емкости, осуществляя их нагрев в остальное время.
Поставленная задача в части способа достигается также тем, что газы из аккумулирующих емкостей одного цилиндра могут направлять в соответствующие камеры другого цилиндра.
Поставленная задача в части устройства достигается тем, что в двигателе, содержащем цилиндр, разделенный автономным поршнем, не связанным с валом, на изолированные друг от друга камеру нагнетания и камеру сгорания, аккумулирующую емкость, которая при помощи магистрали с клапаном соединена со сквозными окнами в корпусе цилиндра, причем клапан работает, окна размещены вдоль оси цилиндра так, чтобы в соответствующие периоды обеспечивалась подача газа из камеры нагнетания в аккумулирующую емкость и обратно из аккумулирующей емкости в камеру нагнетания, согласно изобретению аккумулирующая емкость соединена со сквозными окнами в корпусе цилиндра, размещенными вдоль оси цилиндра так, чтобы обеспечить подачу отработавших газов в аккумулирующую емкость и обратно из аккумулирующей емкости в камеру сгорания, или аккумулирующая емкость камеры сгорания со своей магистралью, клапаном и окнами устанавливается дополнительно к аккумулирующей емкости камеры нагнетания с ее магистралью, клапаном и окнами, причем магистрали и окна обеспечивают сообщение аккумулирующих емкостей только со своими камерами.
Поставленная задача в части устройства достигается также тем, что в корпусе цилиндра могут быть установлены дополнительные сквозные окна, соединенные с аккумулирующей емкостью камеры нагнетания при помощи магистрали с клапаном и размещенные по длине цилиндра так, чтобы обеспечить сообщение камеры нагнетания с аккумулирующей емкостью в период холостого хода.
Поставленная задача в части устройства достигается также тем, что аккумулирующие емкости могут иметь вытянутую вдоль оси цилиндра двигателя кольцеобразную форму, наружная поверхность которых используется для теплоотвода, а внутренняя поверхность экранирует рабочий объем цилиндра двигателя.
Поставленная задача в части устройства достигается также тем, что аккумулирующие емкости могут быть снабжены теплообменниками, которые нагревают и (или) охлаждают находящиеся в них газы.
Поставленная задача в части устройства достигается также тем, что аккумулирующие емкости одного цилиндра могут быть связаны магистралями с клапанами с соответствующими камерами другого цилиндра.
Изобретение поясняется при помощи чертежа, на котором, по аналогии с прототипом, представлены диаграмма перемещения основного и автономного поршней и совмещенная с ней конструктивная схема двигателя, который, для большей контрастности, представляет объединенный вариант, т.е. с двумя аккумулирующими емкостями и дозарядкой камеры нагнетания.
На конструктивной схеме: 1 - корпус двигателя; 2 - ряд сквозных окон в корпусе цилиндра, связанных с магистралью подачи свежей порции окислителя (Спо); 3 - ряд сквозных окон, связанных с аккумулирующей емкостью камеры нагнетания; 4 - клапан подключения камеры нагнетания к своей аккумулирующей емкости; 5 - аккумулирующая емкость камеры нагнетания; 6 - основной поршень; 7 - автономный поршень; 8 - клапан выпуска отработанных газов; 9 - клапан дозарядки аккумулирующей емкости камеры нагнетания; 10 - клапан подключения камеры сгорания к своей аккумулирующей емкости; 11 - аккумулирующая емкость камеры сгорания; 12 - ряд сквозных окон в корпусе цилиндра, связанных с аккумулирующей емкостью камеры сгорания; 13 - ряд сквозных окон в корпусе цилиндра для дозарядки аккумулирующей емкости камеры нагнетания.
ПО
ДЗ
ХЛ
На диаграмме: ОГ - отработавшие газы, определяет период выпуска отработавших газов; С - свежая порция окислителя, определяет момент и место подачи окислителя в камеру нагнетания цилиндра; АЕ КС и АЕ КН - аккумулирующие емкости камер сгорания и нагнетания соответственно; латинские Н и h относятся к положениям основного и автономною поршней соответственно; Н - координата положения основного поршня в процессе дозарядки; О - охлаждение аккумулирующих емкостей.
Поскольку в описании предлагаемый способ работы незначительно отличается от прототипа, достаточно указать на основные различия.
Так, в предлагаемом способе в завершающей стадии процесса расширения (на диаграмме кривые между ординатами 3…4) вместо подачи газов в аккумулирующую емкость из камеры нагнетания, как у прототипа, вначале осуществляют подачу отработавших газов (продуктов сгорания) из камеры сгорания в аккумулирующую емкость камеры сгорания, а затем осуществляют подачу газа (воздуха) из камеры нагнетания в аккумулирующую емкость камеры нагнетания.
КС
b
b
На диаграмме процесс поступления газа из камеры сгорания в ее аккумулирующую емкость начинается с момента, когда основной поршень 6 приходит в положение Н и отмечен первой линией со стрелками от диаграммы к прямоугольнику «АЕ КС». При этом автономный поршень перемещается из положения h' в положение h".
КН
b
b
Процесс поступления газа из камеры нагнетания в ее аккумулирующую емкость начинается с момента, когда основной поршень 6 приходит в положение Н (открывается уровень сквозных окон, сообщаемых с аккумулирующей емкостью камеры нагнетания) и отмечен второй линией со стрелками от диаграммы к прямоугольнику «АЕ КН». При этом автономный поршень перемещается из положения h" в положение h'''.
КС
b
b
КН
b
b
Обеспечение подачи газов в аккумулирующие емкости можно проиллюстрировать на представленной конструктивной схеме двигателя. Так, при подходе основного поршня к Н открывается клапан 10 и через окна 12 недорасширившийся газ камеры сгорания цилиндра 1 начинает поступать в аккумулирующую емкость камеры сгорания 11, в которой к этому моменту давление меньше. Давление в аккумулирующей емкости камеры сгорания возрастает, а в камере сгорания цилиндра понижается. При этом автономный поршень 7, сохраняя равенство давлений в камерах, перемещается из положения h' в положение h". Когда давления в аккумулирующей емкости камеры сгорания и в цилиндре выровняются или когда основной поршень 6 подойдет к сквозным окнам, связывающим камеру нагнетания с ее аккумулирующей емкостью (положение Н), аккумулирующая емкость камеры сгорания 11 отключается от цилиндра клапаном 10. К этому моменту давление в цилиндре еще достаточно большое и поэтому можно газ из камеры нагнетания цилиндра 1 через окна 3 и клапан 4 подавать в аккумулирующую емкость камеры нагнетания 5, повышая давление в этой емкости. При этом давление в самой камере нагнетания уменьшается и автономный поршень 7 перемещается из положения h" в положение h'''.
Таким образом, в рабочем объеме цилиндра давление дважды ступенчато понижается еще до травления газа из цилиндра в магистраль выпуска, сохраняя соответствующею часть энергии газов в аккумулирующих емкостях.
Для циклов или режимов работы, у которых между процессами выпуска отработавших газов и создания разряжения имеет место холостой ход (ординаты 6…7 на чертеже), можно осуществить дополнительное аккумулирование энергии путем подачи газа из камер цилиндра в аккумулирующие емкости, т.е. произвести дозарадку аккумулирующих емкостей. Дозарядку можно проводить только в тех случаях, когда давление в аккумулирующей емкости камеры будет меньше, чем давление, создаваемое в этой же камере в процессе холостого хода.
ДЗ
ДЗ
С
На чертеже представлен случай дозарядки только аккумулирующей емкости камеры нагнетания, когда при перемещении основного поршня 6 в районе ВМТ, т.е. между ординатами Н…Н…Н, при положении автономного поршня на упоре(ординате h) давление в камере нагнетания возрастает. При этом положение поршней таково, что сквозные окна 13 располагаются в районе камеры нагнетания и поэтому, при открытии клапана 9, можно производить дозарядку аккумулирующей емкости камеры нагнетания 5. После завершения дозарядки аккумулирующей емкости камеры нагнетания клапан 9 закрывается.
Что касается камеры сгорания, то поскольку сквозные окна 12 всегда находятся в районе камеры сгорания, дозарядку аккумулирующей емкости камеры можно осуществлять в любой момент холостого хода при давлении в аккумулирующей емкости камеры сгорания ниже, чем в самой камере сгорания цилиндра. Начало и окончание дозарядки аккумулирующей емкости камеры сгорания регулируется открытием-закрытием клапана 10.
КН
a
a
a
а
После наполнения камеры нагнетания цилиндра свежей порцией окислителя (ординаты 8…9), с момента перекрытия сквозных окон 2, открывается клапан 4 и, поскольку давление в магистрали подачи свежей порции окислителя меньше, газ из аккумулирующей емкости камеры нагнетания будет поступать в камеру нагнетания цилиндра 1, давление в цилиндре увеличивается. Такой процесс будет осуществляться до тех пор, пока основной поршень 6 не перекроет сквозные окна, связанные с аккумулирующей емкостью камеры нагнетания (ордината Н). При этом автономный поршень перемещается из положения h' в положение h". После завершения подачи газа из аккумулирующей емкости камеры нагнетания клапан 4 закрывается и открывается клапан 10. Газ из аккумулирующей емкости камеры сгорания через окна 12 поступает в камеру сгорания, повышая давление в цилиндре до максимально возможной величины, после чего клапан 10 закрывается. За это время автономный поршень перемещается из положения h" в положение h.
Таким образом, в рабочем объеме цилиндра давление дважды ступенчато возрастает еще до основного сжатия газа в цилиндре, т.е. происходит возвращение соответствующей части энергии цикла саккумулированной в аккумулирующих емкостях.
Представленная схема наполнения аккумулирующих емкостей камер сгорания и нагнетания исключает перемешивание газов различных камер цилиндра.
Следует отметить, что моменты сообщения камер со своими аккумулирующими емкостями не обязательно должны сохранять последовательность, представленную на чертеже, а могут перекрываться или происходить одновременно. В этом случае соответственно изменяются положения сквозных окон и перемещения автономного поршня.
Поскольку остальные предлагаемые варианты гораздо проще, то их подробное описание не требуется. Достаточно, например, из рассмотрения исключить сквозные окна 13 и магистраль с клапаном 9, получается вариант без дозарядки, а исключив дополнительно сквозные окна 3, аккумулирующую емкость 5 с магистралью и клапаном 4, получается вариант аккумулирования энергии только за счет газов камеры сгорания.
Дальнейшее повышение эффективности цикла можно обеспечить, если подвергать газы, находящиеся в аккумулирующих емкостях, тепловому воздействию, например охлаждению от внешнего источника (на схеме диаграммы представлен фрагмент магистрали охлаждения аккумулирующих емкостей «Охл») или наоборот нагреву. При этом длительность, а значит и эффективность такого воздействия можно повышать за счет увеличения времени воздействия. Так, если для двухцилиндрового четырехтактного двигателя газы из аккумулирующих емкостей первого цилиндра направить в свои камеры второго цилиндра, то период теплового воздействия увеличивается на время, соответствующее полному обороту вала двигателя. При подключении к каждому последующему дополнительному цилиндру такой период увеличится еще на пол-оборота коленчатого вала.
Следует отметить, что охлаждение газов аккумулирующих емкостей способствует понижению рабочей температуры цикла, а подогрев - повышению давления. И первое, и второе, и их сочетание в бинарном ДВС вполне реализуемо. Оптимальное сочетание таких противоположных воздействий на рабочие тела в цикле бинарного ДВС с целью дальнейшего повышения экономической и экологической эффективности, а также маневренности двигателя зависит от особенностей термического цикла конкретного двигателя и режима его работы.
Если обеим аккумулирующим емкостям придать форму, которая позволяет экранировать рабочую часть цилиндра двигателя, обеспечивая его тепловую изоляцию (адиабатная камера сгорания), то можно ожидать дальнейшее повышение термического КПД цикла. При этом для теплоотвода можно использовать внешние поверхности аккумулирующих емкостей.