ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДВУСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ
DOUBLE ACTING INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH REGENERATION OF HEAT

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Изобретение может быть использовано на транспортных средствах: мотоциклах, автомобилях, самолетах, а также в качестве привода стационарных установок.
Аналогом предлагаемому двигателю является двигатель по патенту RU 2449138. Этот двигатель состоит из компрессорного блока и блока рабочих цилиндров, содержит камеры сгорания, картер с бесшатунным силовым преобразователем движения поршней, цилиндропоршневую группу, систему подготовки и подачи топливной смеси, всасывающие и выхлопные клапаны, систему запуска двигателя, системы охлаждения и смазки. При этом компрессорный блок и рабочие блоки соединены между собой воздуховодом через ресивер, регенератор и клапан впуска и имеют жесткую кинематическую связь через силовой бесшатунный механизм преобразования движений поршней.
Двигатель по патенту RU 2449138 имеет ряд недостатков ввиду сложности применения в нем функциональной схемы: сложность конструкции, связанная с необходимостью иметь многоступенчатый компрессор и два цилиндра, лишь один из которых рабочий; следствием сложной конструкции двигателя является увеличение массы и габаритов.
Наиболее близким по конструкции является двигатель по патенту RU 2286470, содержащий размещенные в блоке два цилиндра: один цилиндр компрессорный, а второй - рабочий. Установленные в цилиндрах поршни кинематически связаны с кривошипно-шатунным механизмом. Причем, кривошип, связанный с поршнем рабочего цилиндра, смещен относительно кривошипа, связанного с поршнем нагнетательного цилиндра (компрессора), в сторону опережения по углу вращения коленчатого вала. В компрессорном цилиндре происходят такты всасывания и сжатия, а в рабочем цилиндре - расширения (рабочего хода) и выхлопа. Для обеспечения перетока воздуха из компрессорного цилиндра в рабочий, в головке цилиндра предусмотрен перепускной канал.
Недостатками такого типа двигателя являются низкий КПД, ввиду существенного отличия цикла его работы от обобщенного термодинамического (регенеративного) цикла Карно, а также значительные температурные градиенты в корпусе рабочего цилиндра.
Техническим результатом предлагаемого двигателя является: значительное повышение его КПД за счет применения регенерации теплоты и реверса газов, позволяющих существенно снизить температуру выхлопных газов и таким путем приблизить цикл его работы к обобщенному термодинамическому (регенеративному) циклу Карно; значительное снижение массы и габаритов двигателя за счет выполнения рабочего хода в каждом цилиндре за один поворот коленчатого вала, что достигается за счет использования надпоршневого и подпоршневого объемов цилиндра.
Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, состоящем из блока цилиндров, поршней, штока, шатуна, коленчатого вала картера, системы подготовки и подачи топливной смеси, всасывающих и выхлопных клапанов, системы запуска, системы охлаждения и системы смазки, поршни выполнены двустороннего действия: в верхней части совершаются процессы рабочего хода и выхлопа отработавших газов, а нижней - всасывания и сжатия воздуха, а воздух перед подачей в цилиндры двигателя предварительно прогревают в регенераторе от теплоты выхлопных газов, причем воздух, сжатый в нижней части одного из цилиндров, через регенератор передают в верхнюю часть другого цилиндра, выхлопные газы из каждого цилиндра подают в регенератор с целью подогрева сжатого воздуха, поступающего в цилиндры, причем с целью повышения эффекта регенерации теплоты и улучшения процесса сгорания топлива выполняют реверс газов.
Устройство двигателя показано на рис. 1.
Двигатель включает: 1 - цилиндры; 2 - поршни; 3 - штоки; 4 - кривошип; 5 - коленчатый вал; 6 - всасывающий клапан для воздуха; 7 - нагнетательный клапан воздуха в регенератор; 8 - клапан нагнетения воздуха в цилиндр; 9 - клапан нагнетания газа в регенератор; 10 - клапан реверса газов; 11 - свеча зажигания; 12 - регенератор; 13 - выхлопная труба; 14 - форсунка для подачи топлива в цилиндр.
Устройство работает следующим образом. В процессе всасывания воздуха в подпоршневую область цилиндра (через всасывающий клапан для воздуха 6) в его надпоршневой области происходит удаление отработавших газов из цилиндра в регенератор 12 через клапан нагнетения газов в регенератор 9 (поршень движется из нижней мертвой точки - крайнее нижнее положение поршня в верхнюю мертвую точку - крайнее верхнее положение поршня). После того как поршень достигает верхней мертвой точки, открывается клапан нагнетения воздуха в цилиндр 8 и горячий воздух из регенератора 12 в процессе движения поршня вниз нагнетается в данный цилиндр путем перетока его из нижней полости, соседнего цилиндра, из которого воздух проходит через регенератор. Процесс перетока воздуха происходит лишь на некоторой части длины цилиндра. После прекращения перетока воздуха клапан реверса газов 10 открывается, и происходит подача топлива (через форсунку) в цилиндр. После подачи топлива происходит его воспламенение от искры свечи зажигания 11, а поршень, двигаясь вниз, на оставшейся длине цилиндра под давлением воспламенившихся газов совершает рабочий ход. В это же время в подпоршневой зоне цилиндра происходит сжатие воздуха. Пока поршень не достиг нижней мертвой точки, открывается всасывающий клапан для воздуха 6 соседнего цилиндра, в котором поршень также движется вниз, и воздух через регенератор 12 поступает в надпоршневую область этого цилиндра. После впуска топлива через форсунку для подачи топлива в цилиндр 14 в этом цилиндре также происходит рабочий ход, в процессе которого в подпоршневой области цилиндра происходит сжатие воздуха. Сжатый в этом цилиндре воздух через регенератор поступает в другой соседний цилиндр, в котором происходят аналогичные процессы. При подаче горячего воздуха в цилиндры, для как можно большего повышения его температуры, в регенератор 12 через клапан реверса газов 10 выполняется реверс выхлопных газов, то есть часть газов в процессе его расширения отбирается из цилиндра и после его перемешивания с воздухом, выполняемым в регенераторе 12, поступает в надпоршневую область соседнего цилиндра. Удаление газов из регенератора выполняется через выхлопную трубу 13.
Таким образом, за один оборот коленчатого вала в каждом цилиндре выполняется 4 такта: всасывание воздуха и его сжатие (в подпоршневых объемах цилиндров); рабочие ход и выхлоп (в надпоршневых объемах цилиндров). Следовательно, по сравнению с существующими двигателями вес и габариты предлагаемого двигателя могут быть снижены в 2 раза.
Число цилиндров в двигателе должно быть не менее трех. С увеличением числа цилиндров будет возрастать степень сжатия в каждом из них. Для получения конкретных значений степени сжатия необходимо выполнять расчет параметров во всех точках цикла, что возможно лишь при задании конкретных геометрических размеров двигателя.
Коэффициент полезного действия (КПД) цикла с регенерацией теплоты определяется по формуле [1]
1
2
3
5
7
где Т, Т, Т, Т, Т - температуры в соответствующих точках цикла (см. рис. 2); σ - степень регенерации - отношение фактически регенерированной теплоты к предельно возможной (полной).
1
2
3
5
Если положить T=273 K; Т=473 K; Т=873 K; Т=1273 K; σ=0,5, то .
t
Учитывая, что современные ДВС имеют КПД, не более η=0,4, то даже при степени регенерации, равной половине от предельно возможной, прибавка к КПД оказывается весьма существенной.
р.г.
рег
1
рег
р.г.
2
На рис. 2 приведен термодинамический цикл предлагаемого двигателя в pυ - координатах. Рассмотрим процессы цикла: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в подпоршневой области цилиндра; 2-3 - изохорный подвод теплоты в количестве q к воздуху в регенераторе 12 через реверс выхлопных газов; 3-4 - изохорный подвод теплоты в количестве q от газов к воздуху, выполняемому в регенераторе 12; 4-5 - изохорный подвод теплоты в количестве q в результате горения топлива; 5-6 - изобарный подвод теплоты в количестве  в результате немгновенной (замедленной) подачи топлива через форсунку 14; 6-7 - адиабатное расширение газов; 7-8 - охлаждение газов в регенераторе 12 с передачей теплоты q к воздуху, поступающему в цилиндр; 8-9 - охлаждение реверсируемого газа в регенераторе 12 с передачей теплоты q к воздуху, поступающему в цилиндр; 9-10 - охлаждение газов в атмосфере с передачей теплоты q в окружающую среду.
Литература
Кудинов В.А., Карташов Э.М., Стефанюк Е.В. Техническая термодинамика и теплопередача. 4-е издание. М.: Юрайт, 2016. 567 с. Формула изобретения.