СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR GENERATION OF MECHANICAL ENERGY IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к процессам преобразования тепловой энергии в механическую энергию, и может быть использовано в поршневых двигателях, в частности в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Широко известен способ производства механической энергии в двигателях внутреннего сгорания Отто, Дизеля и Трннклера [1], в котором процессы передачи и преобразования энергии происходят с использованием цилиндрических аппаратов (рабочих цилиндров) и поршней, установленных в цилиндрах с возможностью выполнения возвратно-поступательных движений. В этом способе свежая порция рабочего тела (заряд), поступающая в рабочий цилиндр двигателя, первоначально сжимается при перемещении поршня цилиндра из одного крайнего положения (нижней мертвой точки или НМТ) в другое крайнее положение (верхнюю мертвую точку или ВМТ).
Затем в рабочем цилиндре сжигается топливо, вводимое в цилиндр в составе заряда и/или вводимое в цилиндр дополнительно. При этом температура и/или давление сжатого рабочего тела повышаются, образовавшиеся при этом продукты сгорания повышенного давления (или иначе, рабочее тело) расширяются (расширяется) с перемещением поршня (поршней) рабочего цилиндра (рабочих цилиндров) в НМТ (рабочая стадия). Температура и давление рабочего тела при таком расширении понижаются, а после достижения поршнем НМТ рабочее тело пониженного давления удаляется (выпускается) из рабочего цилиндра (рабочих цилиндров) при возврате поршня (поршней) в ВМТ.
В этом случае выпуск (удаление) отработанных газов из рабочих цилиндров производится в атмосферу при давлениях, значительно превышающих давление окружающей среды. Поэтому потенциальная энергия этих газов используется недостаточно полно.
Для частичного устранения этого недостатка обычно используется другой способ преобразования тепловой энергии в механическую энергию [2], который реализуется в комбинированных двигателях внутреннего сгорания (КДВС) и выбран здесь в качестве аналога, наиболее близкого к предлагаемому изобретению по совокупности признаков (прототип).
В этом способе, также включающем сжатие свежей порции рабочего тела (заряда) в рабочем цилиндре двигателя, повышение его температуры и/или давления за счет сжигания топлива, расширение рабочего тела в рабочем цилиндре с совершением работы путем перемещения поршня, последующее удаление рабочего тела пониженного давления из рабочего цилиндра с возвратом поршня в исходное положение, рабочее тело после его удаления из рабочего цилиндра первоначально используется для производства дополнительной работы и лишь затем выпускается в атмосферу. В этом случае для производства дополнительной работы ДВС оборудуется дополнительными механизмами, например газовой турбиной, служащей в качестве привода компрессора для подачи (наддува) воздуха в цилиндры двигателя.
Известно устройство для производства механической энергии (поршневой двигатель с продолженным расширением рабочего тела), включающее корпус с расположенными в нем рабочими цилиндрами, торцевые крышки (головки) цилиндров с клапанами для впуска свежего заряда (порции) рабочего тела и выпуска рабочего тела пониженного давления, поршни, установленные в рабочих цилиндрах с возможностью их перемещения, установленный в корпусе коленчатый вал, соединенный с поршнями с помощью шатунов, а также узлы управления, подачи топлива, смазки и/или газораспределения. Кроме того, это устройство снабжено компрессором и турбиной, которая является приводом компрессора, причем турбина связана коммуникациями (трубопроводами) с выпускными клапанами головок цилиндров и атмосферой, а компрессор связан коммуникациями (трубопроводами) с впускными клапанами головок цилиндров и атмосферой.
Целью предлагаемого изобретения является дальнейшее повышение эффективности теплового двигателя за счет снижения удельного потребления топлива (повышения его коэффициента полезного действия).
Указанная цель достигается тем, что в способе производства механической энергии в двигателях внутреннего сгорания, включающем сжатие свежей порции рабочего тела (заряда) в рабочем цилиндре двигателя путем перемещения поршня в ВМТ, повышение его температуры и/или давления за счет сжигания топлива, расширение рабочего тела в рабочем цилиндре с совершением работы путем перемещения поршня в НМТ, удаление (вывод) рабочего тела из рабочего цилиндра с возвратом поршня в исходное положение и последующее дополнительное расширение рабочего тела с производством работы перед его выпуском в окружающую среду, дальнейшее расширение рабочего тела с совершением дополнительной работы проводят в дополнительных цилиндрах (дополнительном цилиндре), имеющих поршни, установленные с возможностью выполнения возвратно-поступательных движений, причем площадь поперечного сечения рабочего тела, расширяемого в дополнительных цилиндрах (дополнительном цилиндре) больше по сравнению с аналогичной площадью рабочего тела в рабочем цилиндре.
Кроме того, особенностями предлагаемого способа, приводящими к получению технического результата, являются:
- поддержание одинаковой частоты возвратно-поступательных движений поршней в рабочих и дополнительных цилиндрах;
- проведение стадий расширения газа (рабочих стадий) в дополнительных цилиндрах с большей частотой по сравнению с частотой рабочих стадий в рабочих цилиндрах;
- подача в дополнительный цилиндр (цилиндры) рабочего тела пониженного давления из нескольких рабочих цилиндров;
- совмещение (одновременное проведение) в дополнительном цилиндре стадий расширения и выпуска, относящихся к различным порциям (частям) рабочего тела;
- дополнительное повышение давления и/или температуры рабочего тела после его удаления из рабочих цилиндров за счет сжигания дополнительного топлива.
В устройстве для производства механической энергии в двигателях внутреннего сгорания, включающем корпус с расположенными в нем рабочими цилиндрами, торцевые крышки (головки) цилиндров с клапанами для впуска (подачи) в цилиндр свежего заряда (порции) рабочего тела и выпуска из цилиндра рабочего тела пониженного давления, поршни, установленные в рабочих цилиндрах с возможностью их перемещения, установленный в корпусе коленчатый вал, соединенный с поршнями с помощью шатунов, а также узлы управления, подачи топлива, смазки и/или газораспределения, в корпусе установлены дополнительные цилиндры с торцевыми крышками (головками), имеющими впускные и выпускные клапаны, и с поршнями, также соединенными с коленчатым валом, причем впускные клапаны головок дополнительных цилиндров подключены к выпускным клапанам головок (головки) рабочих цилиндров (рабочего цилиндра), а суммарная площадь поршней дополнительных цилиндров, соединенных (сообщающихся) с рабочим цилиндром, больше площади поршня рабочего цилиндра.
Отличительными особенностями предлагаемого устройства также являются:
- установка в корпусе дополнительных узлов для подачи топлива в дополнительные цилиндры;
- установка механизма, регулирующего частоту и последовательность открытия и закрытия клапанов головок (головки) рабочих цилиндров (рабочего цилиндра) и дополнительных цилиндров;
- подключение дополнительных и рабочих цилиндров к общему (одному и тому же) коленчатому валу;
- использование дополнительных цилиндров двойного действия, оснащенных клапанами для впуска и выпуска рабочего тела со стороны обоих торцов цилиндра;
- подключение к коленчатому валу компрессора для подачи в рабочие цилиндры сжатого воздуха.
Сущность предлагаемого способа поясняется принципиальной схемой одного из возможных вариантов двигателя для его осуществления, представленной на Фиг.1, и изображением характерных процессов этого способа на диаграмме с координатами Р - v (Р - давление, v - удельный объем рабочего тела), представленной на Фиг.2.
Устройство на Фиг.1 включает корпус 1, рабочие цилиндры 2, торцевые крышки (головки) 3 цилиндров с клапанами 4 для впуска свежего заряда (порции) рабочего тела и выпуска 5 рабочего тела пониженного давления, узлы подачи топлива 6, поршни 7, установленные с возможностью их перемещения в рабочих цилиндрах 2, установленный в корпусе 1 коленчатый вал 8, соединенный с поршнями 7 с помощью шатунов (кривошипно-шатунного механизма) 9, дополнительный цилиндр 10 с торцевой крышкой (головкой) 11, имеющей впускные 12 и выпускные 13 клапаны, поршень дополнительного цилиндра 14, соединенный с коленчатым валом 8 с помощью шатуна (кривошипно-шатунного механизма) 15, коммуникации (трубопроводы) 16, связывающие выпускные клапаны 5 головок рабочих цилиндров с впускными клапанами 12 дополнительного цилиндра 10, а также коммуникации (трубопроводы) 17 для подачи свежего заряда в рабочие цилиндры и коммуникации 18 для удаления отработанного газа в атмосферу. Кроме того, устройство (двигатель) снабжается системой охлаждения 19 и может иметь узел 20 для ввода дополнительного топлива и/или нагрева газа перед дополнительным цилиндром за счет использования внешнего теплового источника.
На Фиг.2 представлены характерные диаграммы двух возможных циклов (цикл А и цикл В) работы предлагаемого теплового двигателя, в первом из которых (цикл 1-2-3-4-5-6-7-1) дополнительный подогрев рабочего тела перед его расширением в дополнительном цилиндре отсутствует, а во втором цикле (цикл 3-2-3-4-5-5'-6'-6-7-1) такой нагрев имеет место. Эти циклы включают следующие процессы изменения состояния рабочего тела:
1-2 - сжатие свежей порции рабочего тела (заряда) в рабочем цилиндре;
1
2-3 - изохорное сжигание топлива в рабочем цилиндре с выделением теплоты q;
1
'
3-4 - изобарное сжигание топлива в рабочем цилиндре с выделением теплоты q ,
4-5 - расширение рабочего тела (продуктов сгорания топлива) в рабочем цилиндре с производством работы;
5-6 - расширение рабочего тела (продуктов сгорания топлива) с производством работы в дополнительном цилиндре;
6-7 - удаление отработанного газа в атмосферу в цикле А;
7-1 - сжатие свежей порции заряда (воздуха) в компрессоре;
1
''
5-5' изохорное сжигание топлива в дополнительном цилиндре с выделением теплоты q ;
5'-6'- расширение рабочего тела (продуктов сгорания топлива) в дополнительном цилиндре с производством работы;
2
5
2
6'-7 - удаление отработанного газа в атмосферу цикле В. Дополнительные обозначения на диаграмме (Фиг.2): v и v - значения удельных объемов рабочего тела в ВМТ и НМТ (соответственно), q - количество теплоты, выводимое из двигателя с отработанными газами. Предлагаемая комбинация основных (рабочих) и дополнительных цилиндров позволяет повысить степень расширения рабочего тела, синхронизировать периодические процессы его основного и дополнительного расширения и, как следствие этого, снизить удельное потребление топлива. Кроме того, частота рабочих тактов (стадий расширения рабочего тела) в дополнительных цилиндрах в два или четыре раза больше, чем в рабочих цилиндрах, что способствует снижению металлоемкости двигателя.
Источники информации
1. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / В.А.Кириллин, В.В.Сычев, А.Е.Шейндлин. - М.: Энергоагомиздат, 1983, - 416 c.
2. Теплотехника: Учебник для втузов / А.М.Архаров, А.И.Архаров, В.Н.Афанасьев и др. - 2-е изд. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004, - 712 с.