"ДВУХТАКТНЫЙ" ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОХЛАЖДАЕМОЙ КОМПРЕССИЕЙ
"TWO-START" INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH PRELIMINARY COOLED COMPRESSION

Ссылка на сопутствующие Заявки
Данная заявка притязает на приоритет даты заполнения обычной заявки на патент США №14/285,169, заполненной 22 мая 2014 г., которая является частично продолжающей заявкой обычной заявки на патент США №14/200,234, заполненной 7 марта 2014 г.
Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а точнее к области «двухтактных» двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием И3-ДВС (англ. Spark Ignition - Internal Combustion Engines (SI-ICE)).
Предпосылки к созданию изобретения
Эффективность четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания с предварительно охлаждаемой компрессией, двигателя «ВССПС» (англ. «CWPSC»), как представлено и детально описано в заявке №14/279,580 (включено в данное описание в качестве ссылки), может быть улучшена и усилена за счет использования и реализации концепции «двухтактного» двигателя «CWPSC». Этот двигатель будет меньше, компактнее и эффективнее, чем его четырехтактный аналог, благодаря меньшему объему, укороченному циклу/вращению коленчатого вала, и, как следствие, меньшей силе трения и потере энергии в стенках цилиндра двигателя. Все преимущества четырехтактного двигателя «CWPSC» применимы к данному устройству.
Краткое описание изобретения
«Двухтактный» бензиновый двигатель внутреннего сгорания «CWPSC» имеет все четыре стандартных такта: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода и такт выхлопа, как и четырехтактный двигатель «CWPSC». Разница заключается в том, что в четырехтактном двигателе «CWPSC» эти такты совершаются за 2 полных оборота коленчатого вала, в то время как в «двухтактном» двигателе все 4 такта совершаются за 1 полный оборот коленчатого вала. Расчетное значение степени сжатия СС для этого примерного «двухтактного» двигателя выбрано равным 24, СС=24. Таким образом, такт рабочего хода осуществляется при вращении коленчатого вала из позиции 0° в 166°, после чего выпускные клапаны откроются и процесс расширения завершится. Такт выхлопа осуществляется при вращении коленчатого вала из позиции 166° в 281° (может незначительно отличаться в этом случае, в зависимости от значения СС, а значит выбранных параметров двигателя). На этом этапе процесс всасывания уже осуществляется благодаря впускным клапанам, которые были открыты ранее (несколькими градусами ранее или в положении на 276°, что может незначительно варьироваться в зависимости от выбранных параметров двигателя), впоследствии выпускные клапаны закроются при повороте коленчатого вала на 281°. Такт впуска осуществляется при вращении коленчатого вала из положения 276° в 294° (может незначительно отличаться в зависимости от значения СС, а значит, и выбранных параметров двигателя), после этого впускные клапаны будут закрыты.
Впуск в этом двигателе - это вариант принудительного процесса всасывания, так как впуск осуществляется не при помощи создания вакуума поршнем двигателя, который движется вниз по направлению к НМТ, как в стандартных двигателях сгорания. Поршень в этом двигателе движется вверх по направлению к ВМТ цилиндра во время процесса всасывания двигателем, в этом положении оставшийся выхлопной газ имеет давление, близкое к атмосферному, что ниже, чем у сжатого всасываемого воздуха, ожидающего попадания в цилиндр двигателя. Сжатый воздух под высоким давлением затем нагнетается в цилиндр двигателя, так как большая часть выхлопных газов уже вырвалась из цилиндра двигателя благодаря предшествующему такту выхлопа, а давление оставшихся выхлопных газов близко к атмосферному, в то время как давление всасываемого воздуха гораздо выше. Из-за частичного наложения открытия впускных клапанов и закрытия выпускных клапанов, что происходит в промежутке между 276° и 281° (может незначительно варьироваться), всасываемый воздух под высоким давлением выпустит также оставшиеся выхлопные газы из цилиндра двигателя, некоторым образом это зависит от степени наложения. Когда впускные клапаны закрываются, что происходит при положении коленчатого вала на примерно 294° или 2/3 пути движения поршня вверх в цилиндре от НМТ до ВМТ, только 1/3 от первоначального объема цилиндра остается пройти поршню. Поршень продолжает движение вверх и сжимает воздушно-топливную смесь до ее давления компрессии предварительного зажигания. Такт сжатия, таким образом, осуществляется при вращении коленчатого вала из позиции 294° в 360° или 0° (может слегка варьироваться в зависимости от значения СС, а значит от выбранных параметров двигателя). Такт сжатия осуществляется, таким образом, в качестве продолжения процесса сжатия, который протекал ранее в блоке компрессора и был прерван блоком теплообменника, где сжатый воздух охлаждается посреди процесса сжатия. Окончание такта сжатия достигает кульминации при искровом зажигании воздушно-топливной смеси, что приводит поршень вниз в такте рабочего хода, описанном выше.
e
a
e
a
e
a
t
e
t
e
с
γ
Объем цилиндра компрессора в этом типе двигателя с предварительно охлаждаемой компрессией равен размеру цилиндра двигателя. В качестве примера объем цилиндра двигателя V выбран в размере  литра для этого примерного двигателя. Размер объема цилиндра компрессора V, таким образом, выбран также  литра, V=V. Для упрощенного сравнения с четырехтактным двигателем «CWPSC» мы рассмотрим работу этого «двухтактного» двигателя за 2 его полных цикла сгорания или за 2 полных оборота коленчатого вала, и, таким образом, будем рассматривать объем цилиндра двигателя V и объем его компрессора V как фактически равные своему двойному размеру, или 1 литру. Как оговорено в объяснении выше, этот «двухтактный» двигатель «CWPSC» в два раза меньше стандартного четырехтактного двигателя «CWPSC», но с той же выходной мощностью работы. Объем впуска V выбран в размере всего 0.3 от объема двигателя V, V=0.3V, что основано на показателях примерного «двухтактного» двигателя, описанного выше. Таким образом, воздух будет сжиматься компрессором, так как меньший объем впуска двигателя доступен. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где P(V) = Константа (с давлением воздуха γ, коэффициент 1.3), компрессор будет сжимать воздух при давлении Р:
e
a
c
c
c
1.3
1.3,
1.3
1.3
P(V)=P(V)(1)(1)=P(0.3)
с
Р=4.78 бара
с
Применяя комбинированный закон газа, температура Т этого сжатого воздуха может быть рассчитана следующим образом:
a
a
a
c
c
c
PV/T=PV/T
с
(1)(1)/300=(4.78)(0.3)/Т
c
T=430°К=157°С
t
Применяя комбинированный закон гГаза и охлаждая сжатый воздух до постоянной 318°К, давление впуска P упадет, и это рассчитывается следующим образом:
c
c
c
t
t
t
PV/T=PV/T
t
(4.78)(0.3)/430=P(0.3)/318°
t
P=3.53 бара.
e
t
t
Этот сжатый воздух, а затем воздушно-топливная смесь попадут в цилиндр во время короткого такта впуска 0.3 от размера объема цилиндра двигателя V, с 276° до 294°, как описано выше, в течение этого времени впускные клапаны держатся открытыми, и смесь попадает в цилиндр двигателя на высокой скорости и выталкивает оставшиеся выхлопные газы, пока выпускные клапаны собираются закрыться при повороте коленчатого вала на 281°. Мы будем рассматривать этот процесс как изобарный, так как объем впуска цилиндра двигателя, равный V=0.3 литра, гораздо меньше, чем объем всех резервуаров и охлаждающего воздух радиатора, а тем временем компрессор продолжает сжимать воздух. Температура всасываемого воздуха T всегда будет 318 К(45°С), вне зависимости от температуры окружающей среды на этот момент. В конце такта впуска, который приходится на положение коленчатого вала в 294°, воздушно-топливная смесь внутри цилиндра двигателя будет иметь давление 3.53 бара при 27°С, в качестве примера для этого выбранного двигателя, и температуру в примерно 318 К (постоянное значение) внутри цилиндра двигателя.
i
i
t
i
По мере того как поршень движется вверх по направлению к верхней мертвой точке (ВМТ), по направлению к 360° или 0°, объем воздушно-топливной смеси будет сжиматься при давлении P в камере сгорания с заданной СС=24 непосредственно перед зажиганием в ВМТ. Для сжатого объема камеры V=1 литр / 24=0.042 литра и объема впуска V=0.3 литра давление сжатой смеси предварительного зажигания P будет рассчитано с применением формулы адиабатического процесса для газа следующим образом:
t
t
i
i
1.3
1.3
P(V)=P(V)
1.3
1.3
i
(3.53)(0.3)=P(0.042)
i
P=45.48 бара
i
Температура T сжатой воздушно-топливной смеси перед сгоранием, применяя комбинированный закон газа, будет рассчитана в ВМТ следующим образом:
t
t
e
i
i
i
PV/T=PV/T
i
(3.53)(0.3)/318=(45.48)(0.042)/T
i
T=574°K=301°C
Этот двигатель тогда будет работать со СС=24 и давлением воздушной смеси предварительного зажигания в примерно 46 баров при температуре окружающей среды 27°С. Температура сжатой воздушной смеси предварительного зажигания, таким образом, постоянна: 301°С, вне зависимости от температуры окружающей среды, что ниже, чем в стандартном двигателе SI (с искровым зажиганием), как показывают вычисления выше (что составляет 314°С, как это описано в детальном сравнении с четырехтактным двигателем «CWPSC» в заявке №14/279,580). Эта концепция может быть применена для любой желаемой температуры предварительного зажигания, позволяя нам, таким образом, сконструировать любой двигатель, который может работать на любом топливе, и конструируя тем самым многотопливный двигатель без каких-либо потерь в эффективности двигателя.
f
i
f
Если предположить, что энергия затрачена на сжигание топливной смеси внутри камеры сгорания в таком количестве, что это увеличит температуру и, тем самым, давление газа P  примерно в 2.5 раза, и предполагая, что объем камеры сгорания V не меняется во время зажигания, тогда температура T высчитывается по формуле комбинированного закона газа следующим образом:
i
i
i
f
f
f
PV/T=PV/T
f
(45.48)(0.042)/574=(113.7)(0.042)/T
f
T=1,435°К
f
i
f
f
f
1
где P - это давление газа после процесса горения, и оно в 2.5 раза больше, чем P, V - это объем двигателя после процесса горения, a T - это температура газа после горения. Если мы считаем, что процесс горения происходит так быстро, что объем сгорания двигателя не меняется во время процесса зажигания, тогда V=V=0.042 литра.
х
Рассмотрим теперь процесс расширения, который, фактически, является основным рабочим процессом в двигателе. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где коэффициент сжатия воздуха составляет 1.3, мы можем вычислить давление выхлопного газа Р:
f
f
x
e
1.3
1.3
P(V)=P(V)
1.3
1.3
х
(113.7)(0.042)=Р(0.985)
х
Р=1.88 бара
e
Поскольку такт рабочего хода завершается при положении коленчатого вала на 166°, V, являющийся объемом цилиндра двигателя в такте рабочего хода, немного меньше 1 литра и равен 0.985 литра.
х
Применяя формулу комбинированного закона газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить температуру выхлопного газа Т:
f
f
f
x
e
x
PV/T=PV/T
х
(113.7)(0.042)/1,435=(1.88)(0.985)/Т
x
T=556 К
х
х
Таким образом, двигатель с «двухтактной» предварительной компрессией будет иметь давление выхлопного газа Р=1.88 бара и температуру выхлопного газа Т=556 К.
Рис. 3А и 3В представляют собой P-V (давление-объем) диаграмму работы для 2 циклов «двухтактного» CWPSC с размером двигателя 0.5 литра (2*1/2=1 литр) со степенью сжатия СС=24, с целью сравнения с четырехтактным двигателем CWPSC, где:
а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 1.96PV/2 такт,
в - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 8.17PV/2 такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 1.06PV/2 такт,
d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2.5 раза,
е - баланс работы, накопленный двигателем = 4.48PV/2 такт,
f - работа, потраченная на компрессор = 1.09PV/2 такт,
g - работа, потерянная на охлаждении предварительно всасываемого воздуха = 0.635PV/2 такт.
Упрощенный КПД этого двигателя: Е=4.48/5.54=81%. КПД этого двигателя выше, чем КПД четырехтактного двигателя CWPSC «Версии I», благодаря тому, что коленчатый вал совершает на одно вращение меньше за полный цикл двигателя, и, следовательно, меньше энергии тратится на трение внутри двигателя. Этот двигатель также будет работать тише и мягче, чем четырехтактный двигатель CWPSC, так как рабочий ход будет осуществляться за каждое вращение коленчатого вала, а не за каждые два вращения. Эта упрощенная формула расчета эффективности не учитывает потери, происходящие при трении, потерю тепла в двигателе и температуру тепла выхлопного газа после того, как он достигает атмосферного давления в 1 бар.
Краткое описание чертежей
Рис. 1 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую «двухтактный» процесс сгорания представленного изобретения с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии.
Рис. 2 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую «двухтактный» процесс сгорания представленного изобретения и детально показывает угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.
Рис. 3А и 3В представляют собой схематические диаграммы, иллюстрирующие «двухтактный» процесс сгорания представленного изобретения с P-V (давление-объем) диаграммами для работы 2 полных оборотов коленчатого вала.
Подробное описание предпочтительных модификаций изобретения
t
Обратимся к Рис. 1, он схематически изображает первую модификацию примерного одноцилиндрового «двухтактного» двигателя внутреннего сгорания с предварительно охлаждаемой компрессией 20. Блок двигателя 1 включает в себя цилиндр предварительного компрессора 2, цилиндр сгорания 8 и охлаждаемый воздухом теплообменник 4. В этой модификации цилиндр сгорания 8 и компрессор 2 подсоединены к одному коленчатому валу 9 и маховику 17. Благодаря четырехтактному процессу сгорания 19 этого «двухтактного» двигателя компрессор 2 совершит один такт сжатия для каждого полного цикла сгорания двигателя. Таким образом, цилиндр двигателя 8 и цилиндр компрессора 2 должны быть одинакового размера. Таким образом, во время каждого цикла сгорания, компрессор 2 будет всасывать и сжимать объем воздуха равный объему цилиндра двигателя. Атмосферный воздух сжимается в объеме цилиндра компрессора 2. Воздух сжимается несмотря на то, что размер цилиндра двигателя и цилиндра компрессора равны, так как только 1/3 объема цилиндра двигателя доступна в процессе такта впуска для принятия воздушно-топливной смеси в данной примерной модификации. После того как воздух сжимается, он выходит из воздушного резервуара 3, который имеет клапан регулирования давления 5, через теплообменное устройство без увеличения в объеме, в этот момент он охлаждается до примерно 318К охлаждающим вентилятором в радиаторе воздушного охлаждения 4. После того как сжатый воздух проходит радиатор воздушного охлаждения 4 (в этот момент сжатый воздух достигает необходимого давления впуска P=3.53 бара и температуры 318К для данной примерной модификации), он попадает в герметичный контейнер резервуара 6 и готов войти в цилиндр двигателя 8 в процессе такта впуска. Дополнительный вытяжной вентилятор 22 поможет очистить систему выхлопа от оставшихся выхлопных газов.
Поскольку впуск в этом двухтактном двигателе - это вариант принудительного процесса всасывания, как описано выше, отдельный небольшой электрический компрессор и быстродействующий резервный воздушный резервуар высокого давления могут потребоваться для предварительной герметизации воздушных резервуаров и ликвидации запаздывания в передаче давления, чтобы запустить этот двигатель (не показаны).
Рис. 2, примерный четырехтактный процесс сгорания 19 «двухтактного» одноцилиндрового двигателя включает в себя короткий процесс всасывания 11, который осуществляется при перемещении коленчатого вала из положения на 276° до 294° (может слегка варьироваться), такт сжатия 14, который совершается с 294° до примерно 360° или 0° (может слегка варьироваться), такт рабочего хода 12, который совершается с 0° до 166° (может слегка варьироваться) и такт выхлопа 15, который совершается с 166° до 281° (может слегка варьироваться), со степенью сжатия СС 10 при 24:1.
а
а
с
с
с
с
Относительные объемы цилиндра компрессора 2 и цилиндра сгорания 8 выбираются для достижения необходимого давления сжатого воздуха. В примерной конфигурации Рис. 1 цилиндр сгорания 8 равен  литра и размер цилиндра 2 тоже равен  литра. Таким образом, для каждого цикла сгорания компрессор 2 будет всасывать и сжимать  литра окружающего воздуха. Если окружающий воздух находится под давлением Р и имеет температуру Т, тогда газовые законы могут быть применены, чтобы рассчитать давление сжатого воздуха Р  примерно  в 4.78 бара и температуру Т  примерно в 157°С. За счет увеличения объема цилиндра компрессора 2 относительно цилиндра сгорания 8 или за счет изменения объема компрессии двигателя 14 значения Р и Т могут быть увеличены для достижения более высоких расчетных значений, как это требуется. В данной конструкции объем сжатия 14 равен 1/3 от размера общего объема цилиндра двигателя 8.
с
с
с
Сжатый воздух при давлении Р и температуре Т сохраняется в предварительном воздушном резервуаре 3, который имеет клапан регулирования давления 5, чтобы поддерживать необходимое давление Р. Сжатый воздух из резервуара 3 затем выпускается, без увеличения объема, в охлаждаемый воздухом теплообменник 4. Скорость теплообмена в теплообменнике 18 контролируется скоростью вращения вентилятора.
t
t
t
Эти средства контроля теплообмена могут регулироваться центральным процессором (ЦП, не показан), на основании показаний датчиков давления 5 или дросселя 21 перед теплообменником, чтобы достичь необходимой впускной температуры в цилиндре сгорания T. Необходимая температура всасываемого воздуха T выбрана таким образом, чтобы избежать стука в двигателе с заданной степенью сжатия двигателя СС 10, которая основана на температуре самовоспламенения топлива. В качестве альтернативы ЦП может быть запрограммирован, чтобы контролировать скорость теплообмена для достижения различных впускных температур цилиндра сгорания T таким образом, чтобы избежать стука при различных регулируемых степенях сжатия и/или температурах самовоспламенения топлива.
e
ех
e
Рис. 3А и Рис. 3В, примерный четырехтактный процесс сгорания 23 «двухтактного» одноцилиндрового двигателя P-V (давление-объем) диаграммы со степенью сжатия СС=24 и объемом цилиндра двигателя V= литра. Объем гипотетического расширения двигателя в 1.60 литра представляет собой несуществующий объем расширения, при котором цилиндр двигателя должен бы был расшириться для давления выхлопного газа равного 1 бару, и больше работы не могло бы быть извлечено несмотря на значение температуры выхлопа Т в этот момент. Эта P-V диаграмма представляет собой работу, полученную благодаря 2 полным циклам двигателя или 2 полным оборотам коленчатого вала, для общего рабочего объема двигателя, равного 1 литру, 2*V=1 литр.
ex
Расчет несуществующего объема двигателя V для того, чтобы выхлопной газ достиг давления 1 бар или атмосферного давления:
f
f
a
ex
1.3
1.3
P(V)=P(V)
1.3
1.3
ex
(113.7)(0.042)=1(V)
ex
V=1.60 литра
ех
Применяя формулу комбинированного закона газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить гипотетическую температуру выхлопного газа Т для несуществующего объема двигателя в 1.60 литра:
f
f
f
a
ex
ex
PV/T=PV/T
ех
(113.7)(0.042)/1,435=(1)(1.60)/Т
ех
Т=481К
ex
а
где V - это гипотетический объем этот цилиндр двигателя должен бы был расширить, чтобы сохранить всю возможную работу, и где Р - это атмосферное давление.
Упрощенный КПД этого двигателя, который представляет собой отношение накопленной работы к сумме общей накопленной работы и работы потерянной в гипотетически увеличенном объеме двигателя в 1.60 литра, в соответствии с этой P-V диаграммой, составляет 81%. Эта упрощенная формула расчета эффективности не учитывает потери, происходящие при трении, потерю тепла в двигателе и температуру тепла выхлопного газа после того, как он достигает атмосферного давления в 1 бар, температура, как доказано выше, из объема гипотетического двигателя находится на отметке 481К или 208°С, так как этот газ больше не может выполнять работу, несмотря на тепло, которым он обладает.
Глоссарий
Следующий глоссарий содержит определения терминов, используемых в данном документе:
Двухтактный: относится к двигателю, который совершает все 4 такта: рабочего хода, выхлопа, впуска и сжатия, но только за один оборот коленчатого вала.
ИЗ (англ. SI: импульсное/искровое зажигание, относится к запуску процесса сгорания электрической искрой.
ДВС (англ. ICE): двигатель внутреннего сгорания.
Верхняя Мертвая Точка (ВМТ): поршень находится в самой близкой к головке цилиндра точке.
Нижняя Мертвая Точка (НМТ): поршень находится в самой дальней от головки цилиндра точке.
Степень Сжатия (СС): отношения объема цилиндра сжатия в НМТ к объему цилиндра в ВМТ.
ВССПС (англ. CWPSC): внутреннее сгорание с предварительным сжатием.
Воздушно-топливная смесь: смесь воздуха и топлива во время впуска двигателя.
Общий объем цилиндра: объем цилиндра от ВМТ до НМТ.