Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты
FOUR-STROKE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH MIXED SUPPLY AND ISOBARIC HEAT REMOVAL

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано при создании двигателя внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения транспортного и стационарного назначения.
Известен четырехтактный двигатель для преобразования теплоты в работу по циклу со смешанным изохорно-изобарным подводом теплоты, являющимся прототипом действительного цикла дизеля, который состоит из четырех и более цилиндров, связанных между собой в целях последовательного функционирования коленчатым валом, каждый из которых содержит газовые впускной и выпускной клапаны, форсунку, камеру сгорания, поршень, совершающий впуск чистого воздуха, адиабатное сжатие его, впрыскивание топлива через форсунку до окончания процесса сжатия с целью механического распыления, изохорно - изобарное горение, адиабатное расширение продуктов сгорания при одинаковом ходе поршня в процессах сжатия и расширения и изохорный выпуск продуктов сгорания [Двигатели внутреннего сгорания: учеб. для вузов / Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.: под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 311 с.].
Двигатели внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения работают с изохорным отводом теплоты и, следовательно, неполным расширением продуктов сгорания. По результатам исследования [Двигатели внутреннего сгорания: учеб. для вузов / Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.: под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 311 с. С. 83; Боровских Ю.И., Буралев Ю.В., Морозов К.А. Устройство автомобилей: практическое пособие - М.: Высш. шк., 1988. - 288 с. С. 14] параметры состояния рабочего тела в конце расширения для дизельных двигателей составляют  и  К, а для карбюраторных  и  Недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания с изохорным отводом теплоты являются высокий уровень шума; токсичность выхлопных газов; потери по термическому коэффициенту полезного действия; а также низкий эффективный КПД силовой установки с поршневым двигателем, значение которого не превышают 10%.
Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения с изобарным отводом теплоты и, следовательно, полным расширением продуктов сгорания, и изобарным подводом теплоты [Демидченко В.В., Демидченок В.И., Масляева Г.Н., Закарян P.M. Патент на изобретение № 2735973 «Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с изобарным подводом и отводом теплоты». Федеральная служба по интеллектуальной собственности, 2020. - 13 с.], который содержит два, четыре и более цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом, и системы пуска, зажигания и газораспределения с блоком форсунок, впускных и выпускных клапанов, воздухоочистителя, топливного насоса высокого давления с автоматическим регулятором и характеризуется изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику, для чего снабжен коллектором, сообщенным через впускные клапаны с цилиндрами через запорный орган с топливным насосом; при этом последовательность функционирования впускных клапанов и запорного органа осуществляется газораспределительным валом при соответствующем положении поршня в одной из трех характерных точек цилиндра с учетом разности длин хода поршня в процессах сжатия и расширения.
Недостатком такого двигателя является то, что впрыск механически распыленного тяжелого жидкого топлива не может быть начат до окончания процесса адиабатного сжатия воздуха, а это не позволяет получать процессы последовательного изохорного, а затем изобарного горения топлива, а следовательно, и «добавочную» работу в цикле.
Задачей изобретения является новая организация работы четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, которая допускает в поршневом двигателе смешанный изохорно-изобарный подвод теплоты к рабочему телу и изобарный отвод теплоты низкотемпературному источнику, и тем самым увеличит термический коэффициент полезного действия двигателя, а следовательно, и эффективный КПД силовой установки, а также уменьшит уровень шума, исходящий от силовой установки, и выброс вредных веществ с продуктами сгорания в атмосферу.
Технический результат - улучшение организации рабочего цикла двигателя, повышение термического и эффективного коэффициентов полезного действия соответственно двигателя и силовой установки, уменьшение уровня шума от работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и сокращение выброса в окружающую среду вредных веществ с отработавшими газами.
Технический результат достигается тем, что четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания со смешанным изохорно-изобарным подводом теплоты и изобарным отводом теплоты содержит: от четырех до двенадцати цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом; систему питания чистым воздухом и механизм газораспределения с распределенным валом и с впускными и выпускными клапанами для впуска в цилиндры чистого воздуха и выпуска из них отработавших газов; топливную систему высокого давления, обеспечивающую дозирование топлива при подаче его до окончания процесса адиабатного сжатия через форсунки в камеры сгорания вначале для изохорного частичного сжатия топлива от самовозгорания, а затем в остаточном расчетном количестве топливо дожигается в процессе при Р=const; системы охлаждения, смазки и пуска, при этом изохорно-изобарный подвод и изобарный отвод теплоты низкотемпературному источнику осуществляется за счет разных длин хода поршня в процессах сжатия воздуха и расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, при этом положению поршня в цилиндре соответствует три характерных уровня: верхний, нижний и промежуточный, для чего двигатель снабжен коллектором, объединяющим через впускные клапаны цилиндры, и топливным насосом высокого давления с автоматическим электронным регулятором, управляющим последовательностью непосредственного преждевременного впрыскивания топлива через форсунки до окончания процесса адиабатного сжатия в камеру сгорания нужного цилиндра точно согласованную с фазами рабочего цикла и с приводом от распределительного вала механизма газораспределения двигателя, которым и обеспечивается дозирование и синхронность подачи топлива в камеру сгорания каждого из цилиндров согласно порядку их работы и этим функционирование топливного насоса и впускных и выпускных клапанов строго связанно кинематически с коленчатым валом.
Улучшение организации работы поршневого двигателя достигается тем, что отвод теплоты в цикле осуществляется изобарно, как и при отводе теплоты в газотурбинной конструкции двигателя, а следовательно, полного расширения продуктов сгорания до давления окружающей среды и увеличения работы цикла, которое имеет место также в виде, так называемой добавочной работы, получаемой за счет изохорно-изобарного процессов подвода теплоты, а повышение эффективности двигателя и силовой установки происходит за счет высокой степени сжатия, как и в двигателях Дизеля. Эти двигатели являются самыми экономичными. Обоснованность данного утверждения подтверждают расчеты, которые представлены в таблице, и цикл, представленный на фиг. 1.
4
о.с
Уровень шума снизится за счет устранения перепада давлений P-Р=0 и за счет этого, а также увеличения КПД двигателя, уменьшится выброс вредных веществ.
На фиг. 1 изображен действительный цикл преобразования энергии со смешанным изохорно-изобарным подводом теплоты от горячего источника и изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику при атмосферном давлении; на фиг. 2 представлены основные фазы газообмена и схема работы четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику.
Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты состоит из цилиндров 1, 2, 3 и 4 с камерами сгорания 5, 6, 7 и 8, поршнями 9, 10, 11 и 12, впускными клапанами 13, 14, 15 и 16 для впуска в камеры сгорания цилиндров чистого воздуха из воздухоочистителя 17 через запорный орган 18 одностороннего действия и коллектора 19, а так же используемых для частичного перепуска воздуха из одного цилиндра в другой через этот же коллектор, и выпускными газовыми клапанами 20, 21, 22 и 23 приводимыми в действие от распределительного вала 24; топливного насоса 25 высокого давления с автоматическим электронным регулятором 26, управляющим последовательностью непосредственной подачи топлива, расчетное количество которого сбалансировано во времени прохождения камеры сгорания вначале для изохорного сжатия, а затем в момент начала расширения продуктов сгорания для изобарного процесса подвода теплоты, через форсунки 27 или 28, 29 и 30 в камеру сгорания нужного цилиндра в соответствии с порядком работы цилиндров по команде распределительного вала 24 двигателя, строго связанного кинематически с коленчатым валом 31.
Система пуска двигателя должна обеспечить частоту вращения коленчатого вала, необходимую для начала работы двигателя, и выполнена из источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи 32 и электродвигателя 33 с шестерней 34 на общем валу, соединенных друг с другом стартером 35 и управляемого элемента 36, расположенного в кабине транспортного средства, коленчатого вала 31 с венцом 37.
Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты и изобарным отводом теплоты работает следующим образом. Пуск двигателя осуществляется по стандартной схеме. По сигналу управления транспортным средством через управляемый элемент 36 от аккумуляторной батареи 32 включением замыкающего контакта электростартера 35 подается электрический ток на электрический двигатель 33 постоянного тока, шестерня 34 которого входит в зацепление с венцом 37 коленчатого вала 31. Уместно отметить, что пуск двигателя следует обеспечить при минимальной частоте вращения коленчатого вала, так как мощность источника энергии, а следовательно, масса пусковой системы и ее габариты прямопропорциональны частоте вращения.
5
x
б
а
Момент времени, соответствующий началу вращения, коленчатого вала, можно принять за исходное состояние. Начало же работы двигателя связано с наполнением воздухом одного из четырех цилиндров. Пусть таким цилиндром будет цилиндр 1. Его наполнение чистым воздухом происходит от воздухоочистителя 17 через запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 13 при опускании поршня 9 из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ): процесс a-b-4 (фиг. 1 и 2). Выпускной газовый клапан 20 и впускные клапаны 14, 15 и 16 при этом закрыты, а выпускные газовые клапаны 21, 22 и 23 открыты. С достижением поршня 9 НМТ распределительный вал 24 принудительно закроет запорный орган 18 выпуска воздуха из воздухоочистителя 17 и одновременно принудительно откроет впускной клапан 14 впуска чистого воздуха в цилиндр 2 двигателя, а выпускной газовый клапан 21 закроет. При подъеме поршня 9 в цилиндре 1 из нижней мертвой точки 5 (фиг. 1) на высоту h (фиг. 2), равную длине хода поршня в процессе 5-1 (фиг. 1), впускные клапаны 13 и 14 остаются открытыми, а выпускные газовые клапаны 20 и 21 закрытыми. Однако при подъеме поршня 9 из НМТ процесс сжатия воздуха в цилиндре 1 в течение фиксированного промежутка времени не происходит, так как впускной клапан 13 открыт, запорный орган 18 закрыт и с подъемом поршня 9 имеет место выпуск воздуха из цилиндра 1 через клапан 13 в коллектор 19, а из коллектора чистый воздух поступает в цилиндр 2. В цилиндре 2 при этом, синхронно с поднимающимся поршнем 9, опускается поршень 10 из ВМТ до точки «b» (фиг. 1) в процессе а-b (фиг. 1 и 2) с последующим в этом ходе поршня в данном цилиндре впуском воздуха в процессе b-А (фиг. 1 и 2) из воздухоочистителя 17 и коллектора 19 через запорный орган 18. Соответствующий выпуск воздуха из цилиндра 1 в процессе подъема поршня происходит до уровня, определяемого положением поршня 9 в состоянии (точке) 1 (фиг. 1), при котором распределительный вал 24 принудительно закроет впускной клапан 13. По прежнему выпускной газовый клапан 20 закрыт. Положению поршня 9 в цилиндре 1 в состоянии (точке) 1 (фиг. 1) соответствует положение поршня 10 в цилиндре 2 в состоянии (точке) «b» (фиг. 1), при котором имеет место равенство разностей объемов V - V=V - V. Процесс 5-1, равный по протяженности хода поршня процессу а-b, частичной перегонки воздуха из цилиндра 1 в цилиндр 2, следует назвать процессом перепуска воздуха из одного цилиндра (в данном случае и на рассматриваемом этапе работы двигателя это цилиндр 1), в котором перепуск предшествует процессу сжатия, в другой цилиндр (в данном случае и на рассматриваемом этапе работы двигателя это цилиндр 2), в котором перепуск воздуха предшествует процессу впуска чистого воздуха, обусловлен условием изобарного отвода теплоты в поршневой конструкции, то есть тем, что объемы сжатия и расширения связаны с разной длиной хода поршня, в данном случае на рассматриваемом этапе работы двигателя, в цилиндре 1. По замыслу авторов имеет место незначительная тавтология для лучшего восприятия понятия процесса перепуска воздуха. Следует обратить внимание на то, что в рабочем режиме двигателя перепускается из цилиндра 1 в цилиндр 2 предварительно подогретый воздух за счет теплообмена его с горячим цилиндром 1.
Дальнейший подъем поршня 9 в цилиндре 1 при закрытых клапанах 13 и 20 приводит к адиабатному сжатию воздуха, а синхронное опускание поршня 10 в цилиндре 2 при закрытом выпускном клапане 21 от точки «b» (фиг. 1) создает разрежение в цилиндре, под действием которого откроется запорный орган 18 и впуск чистого воздуха через открытый впускной клапан 14 будет продолжаться уже из воздухоочистителя 17 через коллектор 19. Запорный орган 18 может быть открыт и принудительно с помощью последовательного срабатывания распределительного вала 24, как это показано на фиг. 2, по окончанию процесса а-b (фиг. 2) перепуска воздуха в цилиндр 2. Переход поршня 9 в цилиндре 1 из состояния 1 в направлении состояния 2 (фиг. 1) сопровождается сжатием воздуха. До окончания процесса адиабатного сжатия в состоянии 2 с помощью распределительного вала 24 подается сигнал автоматическому электронному регулятору 26 на включение в работу топливного насоса высокого давления 25 для подачи топлива в расчетном количестве через форсунку 27 в камеру сгорания 5, в которой происходит его самовоспламенение (состояние 2, фиг. 1) и изохорное горение с подводом теплоты к рабочему телу. Длительность процесса изохорного подвода теплоты в процессе 2-3 установлена распределительным валом, который соответствующей расстановкой кулачков на нем, включает переход продолжающегося горения топлива с изохорного на изобарный в процессе 3-4. Происходит смешанный, то есть изохорно-изобарный подвод теплоты в цикле Тринклера. Время прохождения топлива через камеру сгорания и его изохорное и последующее изобарное горение сбалансировано и поддерживается распределительным валом 24 и автоматическим электронным регулятором 26. При достижении состояния 4 начинается адиабатное расширение продуктов сгорания в процессе 4-5 - рабочий ход поршня. Одновременно поршень 10 в цилиндре 2 опустится до НМТ, то есть до точки 5 (фиг. 1), что означает окончание процесса впуска чистого воздуха в цилиндр 2. По достижению поршнем 10 НМТ сработает распределительный вал 24 и это приведет к принудительному открытию впускного клапана 16 и принудительному закрытию запорного органа 18 и выпускного клапана 23. Впускной клапан 14 при этом остается открытым.
Вслед за цилиндрами 1 и 2 в рабочий процесс включается цилиндр 4. С подъемом поршня 10 в цилиндре 2 (фиг. 2) происходит перепуск воздуха через впускной клапан 14 в коллектор 19, а затем через впускной клапан 16 в цилиндр 4. Поршень 12 в цилиндре 4 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 10. Перепуск воздуха из цилиндра 2 в цилиндр 4 происходит с подъемом поршня 10 в процессе 5-1 до уровня, определяемого положением поршня 10 в точке 1 на фиг. 1 и 2, при котором сработает распределительный вал 24, что приведет к принудительному закрытию впускного клапана 14 и принудительному открытию запорного органа 18. Далее в цилиндре 2 происходит сжатие воздуха; в цилиндре 4 - впуск воздуха из воздухоочистителя 17 через открытый запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 16, а в цилиндре 1 - адиабатное расширение продуктов сгорания в процессе 4-5 до давления окружающей среды (фиг. 1 и 2) с производством работы - рабочий ход поршня 9. При достижении поршнем 9 НМТ сработает распределительный вал 24, что приведет к принудительному открытию выпускного клапана 20 (фиг. 2). Одновременно в цилиндре 2 закончится сжатие воздуха. Поршень 10 достигает ВМТ и при этом с помощью распределительного вала 24 подается сигнал автоматическому электронному регулятору 26 на включение в работу топливного насоса 25 для подачи топлива через форсунку 28 в камеру сгорания 6, в которой происходит его самовоспламенение и изохорно-изобарное горение в процессе 2-3-4. В этот же момент времени в цилиндре 4 поршень 12 опустится до НМТ и тем самым завершится процесс впуска чистого воздуха (фиг. 2). По достижению поршнем 12 НМТ сработает распределительный вал 24 и это приведет к принудительному открытию впускного клапана 15 и выпускного клапана 21 и принудительному закрытию запорного органа 18 и выпускного клапана 22. Впускной клапан 16 при этом остается открытым.
И, наконец, вслед за цилиндрами 1, 2 и 4 в работу включается цилиндр 3. С подъемом поршня 12 в цилиндре 4 (фиг. 2) происходит перепуск воздуха через клапан 16 в коллектор 19, а из коллектора через впускной клапан 15 в цилиндр 3. Поршень 11 в цилиндре 3 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 12. Перепуск воздуха из цилиндра 4 в цилиндр 3 происходит с подъемом поршня 12 в процессе 5-1 до уровня, определяемого положением поршня 12 в точке 1 на фиг. 1 и 2, при котором срабатывает распределительный вал 24, что приведет к принудительному закрытию впускного клапана 16 и принудительному открытию запорного органа 18. Далее в цилиндре 4 происходит сжатие воздуха, в цилиндре 3 - впуск воздуха из воздухоочистителя 17 через открытый запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 15 (фиг. 2), а в цилиндре 1 - выпуск продуктов сгорания через выпускной газовый клапан 20 в процессе 5-а; в цилиндре 2 - рабочий ход. За рабочим ходом в цилиндре 2 следует выпуск отработавших газов из цилиндра (фиг. 2) через выпускной газовый клапан 21; в цилиндре 3 в описанной выше последовательности происходит перепуск воздуха через впускной клапан 15 и затем коллектор 19 в цилиндр 1. Поршень 9 в цилиндре 1 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 11. Перепуск воздуха из цилиндра 3 в цилиндр 1 происходит с подъемом поршня 11 в процессе 5-1 до уровня, определяемого положением поршня 11 в точке 1 на фиг. 1 и 2, при котором сработает распределительный вал 24, что приводит к принудительному закрытию впускного клапана 15 и принудительному открытию запорного органа 18. Далее в цилиндре 3 происходит сжатие воздуха, а в цилиндре 1 - впуск воздуха из воздухоочистителя 17 через открытый запорный орган 18, коллектор 19 и впускной клапан 13 (фиг. 2). Одновременно с началом процесса перепуска воздуха из цилиндра 3 в цилиндр 1 начинается рабочий ход в цилиндре 4 - процесс 3-4-5, с производством положительной работы, вследствие изобарного горения топлива в процессе 3-4.
Затем система из четырех цилиндров работает до возврата в исходное состояние (фиг. 2) следующим образом. За рабочим ходом в цилиндре 3, который также происходит после подачи топлива в камеру сгорания 7 и его горения, следует выпуск продуктов сгорания из цилиндра 4, а в цилиндре 1 начинается перепуск воздуха в цилиндр 2 с последующим сжатием воздуха в цилиндре 1 и впуском воздуха в цилиндр 2. Система и последовательность привода клапанов описана выше.
Тр
D
Тр
Тр
Улучшение технико-экономических и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты в сравнении с отечественными и зарубежными двигателями со смешанным подводом и изохорным отводом теплоты обусловлено изобарным отводом теплоты в стандартной конструкции двигателя внутреннего сгорания. Это подтверждается расчетами цикла Тринклера и цикла со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты (цикла СПиИОТ), результаты которых представлены в таблице и на фиг. 1. Определенный интерес представляет термодинамическая эффективность цикла Дизеля относительно цикла Тринклера и цикла со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты. Очевидно, что максимальный термический КПД имеет цикл со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты. Объясняется это дополнительной работой получаемой при изохорно-изобарном сжигании топлива в процессах 2-3 и 3-4 и при полном расширении продуктов сгорания в процессе 5-5, определяемой соответственно на диаграмме с координатами P-V (фиг. 1) площадями 23432 и 5515. Итак, двигатели со смешанным подводом и изобарным отводом теплоты будут самыми экономичными и могут широко применяться в качестве судовых и тракторных двигателей и двигателей ограниченных по мощности энергетических установок.