ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а точнее к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в энергетике и на транспорте. Известны циклы двигателя внутреннего сгорания (с подводом тепла при постоянном объеме, с подводом тепла при постоянном давлении, со смешанным подводом тепла), которые лежат в основе рабочего процесса любого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, описанные в любом учебнике термодинамики, например А.В.Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К.Щукин; «Термодинамика и теплопередача»; «Высшая школа»; Москва; 1964 г. Газ в конце такта рабочий ход во всех известных циклах двигателя внутреннего сгорания имеет давление выше атмосферного, но выбрасывается в атмосферу, не совершая полезной работы. Известен способ использования этой энергии в двигателе внутреннего сгорания с турбо наддувом, в котором отработанный газ используется для привода турбины, которая в свою очередь приводит в движение компрессор, применяемый для нагнетания воздуха в камеру сгорания в такте впуск. Но эффективность такого решения не велика, так как энергия отработанного газа сначала преобразуется в механическую энергию вращения турбины и затем в энергию сжатого газа с соответствующими потерями при преобразовании одного вида энергии в другой. Еще одним недостатком циклов двигателя внутреннего сгорания является то, что в конце такта выпуск отработанный газ выбрасывается в атмосферу не полностью. Этот горячий газ, смешиваясь со свежей смесью увеличивает ее температуру, не позволяя увеличить степень сжатия из-за возникновения явлений самовозгорания и детонации.
Двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклам двигателей внутреннего сгорания, при практической реализации оснащаются системой охлаждения, которая необходима для обеспечения работоспособности двигателя, в условиях высокой тепловой нагрузки. Эта система отводит часть подведенного тепла в атмосферу без совершения полезной работы, ухудшая экономичность двигателя. Кроме этого часть полезной работы расходуется на привод этой системы, тем самым, уменьшая и без того низкий коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания.
В качестве механизма для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя используется кривошипно-шатунный механизм. Он широко известен, применяется на двигателях отечественных легковых автомобилей, описан в литературе, например К.С.Шестопалов, С.Ф.Демиховский; «Легковые автомобили»; «ДОСААФ СССР»; Москва; 1989 год. Так как этот механизм обеспечивает равные величины тактов (величины хода поршня), применение этого механизма и не позволяет использовать энергию отработанного газа и избавится от вредного объема камеры сгорания в конце такта выпуск.
Известны многочисленные попытки модернизации кривошипно-шатунного механизма, например патент RU 2122662, GB 2241988, US 5060603. Но все эти решения направлены на улучшение, по мнению авторов, преобразования поступательного движения во вращательное, не устраняя вышеуказанных недостатков циклов двигателя внутреннего сгорания.
Широко известны системы охлаждения, они описаны, например К.С.Шестопалов, С.Ф.Демиховский; «Легковые автомобили»; «ДОСААФ СССР»; Москва; 1989 год. Но эта система при снижении тепловой нагрузки на двигатель просто станет не нужной, что позволит упростить конструкцию двигателя и уменьшить тепло потери.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение коэффициента полезного действия за счет изменения цикла двигателей внутреннего сгорания и конструкции двигателей, работающих по измененным циклам.
Данный технический результат достигается за счет того, что в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащим корпус с отверстиями под цилиндры, закрытые крышками, в которой расположены впускные и выпускные клапана, поршни, расположенные в каждом цилиндре, механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, работающего по циклу двигателя внутреннего сгорания, механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала двигателя выполнен в виде подшипникового узла на оси закрепленного к поршню, и через узел которого поршень кинематически связан с профилированным кулачком выходного вала двигателя.
Конструкция двигателя может быть оснащена дополнительным впускным клапаном, соединяющим камеру сгорания с атмосферой.
Дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень повышения давления в степени 1/k при работе по циклу с подводом тепла при постоянном объеме.
При работе по циклу с подводом тепла при постоянном давлении дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход, при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень предварительного расширения.
При работе по циклу со смешанным подводом тепла для производства дополнительного процесса всасывания атмосферного воздуха, предшествующий такту выхлоп, дополнительный впускной клапан, соединяющий камеру сгорания с атмосферой, открывается во время такта рабочий ход, при степени расширения продуктов сгорания больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень увеличения давления в степени 1/k и степени предварительного расширения.
Профиль кулачка выходного вала двигателя выполнен таким образом, что объем камеры сгорания в конце процесса выхлопа продуктов сгорания меньше, чем объем камеры сгорания в конце процесса сжатия смеси.
В конструкцию двигателя дополнительно включен компрессор, который в начале такта рабочий ход через дополнительный впускной клапан впрыскивает сжатый воздух в камеру сгорания.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены циклы двигателя сгорания с подводом тепла при постоянном объеме в координатах P-V, где: Р - давление газа, V - объем газа;
На фиг.2 представлена конструктивная схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания, где
1 - Конец такта впуск и начало такта сжатие, 2 - Такт сжатие, 3 - Конец такта сжатие и начало такта рабочий ход, 4 - Такт рабочий ход, 5 - Конец такта рабочий ход и начало такта выпуск, 6 - Такт выпуск, 7 - Конец такта выпуск и начало такта впуск, 8 - Такт впуск, 9 - корпус с отверстиями под цилиндры, закрытые крышками - 10, в каждом цилиндре расположен поршень - 11.
На фиг.3 представлено сечение цилиндра в конце такта выпуск, 12 - подшипниковый узел, закрепленный на оси поршня и состоящий из подшипника - 13, подшипников - 14, водил - 15 и осей - 16; через подшипниковый узел поршень кинематически связан с кулачком выходного вала - 17 двигателя.
На фиг.4 представлены циклы двигателя сгорания с подводом тепла при постоянном давлении в координатах P-V.
На фиг.5 представлены циклы двигателя сгорания со смешанным подводом тепла в координатах P-V.
На фиг.6 представлены циклы двигателя сгорания подводом тепла при постоянном объеме и подводом сжатого воздуха в начале процесса расширения продуктов сгорания и в координатах Р-V.
Заявленный результат можно подтвердить на конкретном примере цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме.
На фиг.1 изображены несколько циклов.
Линия abcdeba - цикл с обычной для этих двигателей степенью сжатия 8,5 и степенью увеличения давления 1,5.
Линия abcfgba - цикл с обычной для этих двигателей степенью сжатия 8,5 и степенью увеличения давления 2,2.
Линия abchiba - цикл с обычной для этих двигателей степенью сжатия 8,5 и степенью увеличения давления 5.
Это классические циклы двигателя с искровым зажиганием, они описаны в литературе, например А.В.Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К.Щукин; «Термодинамика и теплопередача»; «Высшая школа»; Москва; 1964 г. Их термические коэффициенты полезного действия не зависят от степени повышения давления, в данном случае равны 57,5% и вычисляются по формуле:
t
где: h - термический коэффициент полезного действия, v - степень сжатия, k - показатель адиабаты.
Сущность устройства
В конце такта выпуск, так как поршень 3 вплотную прилегает к крышке 2, объем камеры сгорания практически равен 0, впускной и выпускной клапаны закрыты (на рисунке не показаны). Такт впуск. Впускной клапан открывается. За счет инерции кулачок 9, поворачиваясь вокруг оси, перемещает поршень 3, увеличивая объем камеры сгорания. Смесь через открытый впускной клапан подвергается процессу всасывания. По достижению крайнего положения впускной клапан закрывается. Процесс всасывания смеси и такт впуск заканчивается (линия 1b (фиг.1)). Такт сжатие. За счет инерции кулачок 9, поворачиваясь вокруг оси, перемещает поршень 3 в противоположную сторону, уменьшая объем камеры сгорания в конце такта в 8,5 раза, тем самым смесь подвергают сжатию со степенью сжатия 8,5. Процесс сжатия смеси и такт сжатие заканчивается (линия bc).
Такт рабочий ход. Смесь поджигается искрой. Поршень 3 вновь меняет направление движения и за счет давления газа начинает вращать кулачок вокруг оси. При этом объем камеры сгорания к концу такта увеличивается в 14,9 раза, тем самым рабочее тело последовательно подвергают процессу горения и расширению продуктов сгорания со степенью расширения 14,9 для циклов со степенью увеличения давления 2,2 и 5 (линии fgm или hin соответственно). Для цикла со степенью увеличения давления 1,5 такт рабочий ход изменяют. При уменьшении давления в камере сгорания до величины атмосферного давления открывают клапан (на рисунке не показан), соединяющий камеру сгорания с атмосферой, и дальнейшее движении поршня осуществляют, засасывая атмосферный воздух в камеру сгорания (линии depm). По достижению крайнего положения клапан закрывается. Такт рабочий ход и процесс расширения продуктов сгорания заканчивается.
Такт выпуск. Открывается выпускной клапан. За счет инерции кулачок 3 перемещает поршень 9, уменьшая объем камеры сгорания. Продукты сгорания через открытый выпускной клапан подвергают процессу вытеснения в атмосферу. По достижению крайнего положения, в котором объем камеры сгорания уменьшается до 0 выпускной клапан закрывают. Процесс выхлопа продуктов сгорания и такт выпуск заканчивается (линии m1 или nm1 для цикла со степенью увеличения давления 5).
Таким образом, за 1 оборот кулачка происходит полный цикл двигателя внутреннего сгорания. На фиг.2 изображены цилиндры в разных фазах цикла.
Итак, линия 1bcfm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 2,2 и степенью расширения 14,9. Его полезная работа больше чем у цикла abcfgba на величину равную площади ограниченной линиями gmbg. Описание этого цикла известно в термодинамике под названием «цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном объеме». Мощность двигателя работающего по этому циклу увеличится на 8,7% за один цикл. Коэффициент полезного действия в данном случае равен 62,5% и применительно к двигателям внутреннего сгорания вычисляется по формуле:
где: 1 - степень повышения давления.
Линия 1bchnm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 5 и степенью расширения 14,9. Его полезная работа больше, чем у цикла abchiba на величину равную площади ограниченной линиями inmbi. Описание этого цикла не известно в термодинамике и формула для вычисления коэффициента полезного действия также не известна. Но по графику, построенному в масштабе, не сложно определить значение коэффициента полезного действия. Он в данном случае будет примерно равен 65%. Мощность двигателя работающего по этому циклу увеличится на 13% за один цикл. Если увеличить степень расширения до 26,8 (расширить газ до атмосферного давления), то можно еще увеличить значение коэффициента полезного действия до 67,9%, а мощность увеличится на 18%.
Линия 1bcdpm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 1,5 и степенью расширения 11,3. Его полезная работа больше, чем у цикла abcdeba на величину равную площади ограниченной линиями epbe. Коэффициент полезного действия в данном случае будет примерно равен 60%. Мощность двигателя работающего по этому циклу увеличится на 5% за один цикл.
Линия 1bcdnm1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания со степенью сжатия 8,5; степенью увеличения давления 1,5 и степенью расширения 14,9. Этот цикл получается из цикла 1bcdpm1 при отсутствии клапана, соединяющего камеру сгорания с атмосферой, то есть без процесса всасывания в такте рабочий ход. Так как двигатель изображенный на фиг.2 и 3 обеспечивает степень расширения равную 14,9, давление в камере сгорания на участке рn, упадет ниже атмосферного. Поэтому поршень на этом участке будет тормозиться, то есть будет совершаться вредная работа пропорциональная площади ограниченной линиями pnmp. Это приведет к уменьшению коэффициента полезного действия двигателя до величины 56,6%. Таким образом, без введения процесса всасывания величина коэффициента полезного действия
t
t
становится даже меньше коэффициента полезного действия классического цикла (57,5%), то есть излишнее расширение продуктов сгорание более вредно, чем их недорасширение. Следовательно, для увеличения коэффициента полезного действия степень расширения в цикле двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме должна быть больше либо равна произведению степени сжатия на степень повышения давления в степени 1/k. В диапазоне, где степень расширения больше степени сжатия и меньше произведения степени сжатия на степень повышения давления в степени 1/k нужно ввести дополнительный процесс всасывания в такте рабочий ход. Кроме этого более высокие значения коэффициента полезного действия двигателя при расширении продуктов сгорания получаются при больших значениях степени подвода тепла (при l=1,5 h=60%; при l=7 h=70%), поэтому наиболее оптимальным решением будет двигатель с большой степенью расширения, который позволяет максимально расширить продукты сгорания при больших степенях увеличения давления, а при низких, введением процесса всасывания при такте рабочий ход, не допустить излишнее расширение продуктов сгорания.
Как видно из приведенных выше формул коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания прямо пропорционален степени сжатия. Явления самовоспламенения смеси и детонация возникают из-за высокой температуры в конце процесса сжатия (стр.125 А.В.Болгарский, Г.А.Мухачев, В.К.Щукин; «Термодинамика и теплопередача»; «Высшая школа»; Москва; 1964 г). Тем самым, предотвратив смешивание отработанных газов со свежей смесью, можно понизить температуру в конце такта сжатие. Это позволит уже на этапе проектирования заложить большие значения степени сжатия, тем самым, увеличивая коэффициент полезного действия. Очевидно, что увеличение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания будет получено также и в цикле дизельного двигателя и цикле со смешанным подводом тепла. Классические и измененные циклы двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном давлении в координатах P-V изображен на фиг.4. Линия abcgiba, линия abcdeba и линия abcghba - классические циклы с подводом тепла при постоянном давлении. Линия 1bcgmf1, линия 1bcdf1 и линия 1bcgif1 - измененные циклы с подводом тепла при постоянном давлении. При данном цикле давление в камере сгорания станет равным атмосферному в конце такта рабочий ход при степени расширения равной произведению степени сжатия на степень предварительного расширения.
Классические и измененные циклы двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом тепла в координатах P-V представлен на фиг.5. Линия abcpqrba, линия abcdmeba и линия abcgnhba - классические циклы со смешанным подводом тепла. Линия 1bcpqsf1, линия 1bcdmf1 и линия 1bcgnif1 - измененные циклы со смешанным подводом тепла. При цикле со смешанным подводом тепла давление в камере сгорания станет равным атмосферному в конце такта рабочий ход при степени расширения равной произведению степени сжатия, степени увеличения давления в степени 1/k и степени предварительного расширения.
Заявленный результат по снижению тепловой нагрузки на двигатель можно продемонстрировать на примере цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме и подводом сжатого воздуха в начале процесса расширения продуктов сгорания представленному на фиг.6.
Двигатель работает в этом конкретном примере традиционно, но во время совершения тактов всасывания, сжатия и начале такта рабочий ход в дополнительном компрессоре сжимается объем воздуха равный объему смеси в конце такта впуск (линия 1ab фиг.6). Когда давление продуктов сгорания в процессе расширения станет равным давлению сжатого компрессором воздуха, открывают клапан, воздух вытесняется в камеру сгорания (линии bh и ef), после этого клапан закрывают. Температура сжатого воздуха существенно ниже температуры продуктов сгорания, поэтому температура смеси будет значительно меньше температуры продуктов сгорания. Таким образом, уже в начале процесса расширения удается резко понизить температуру газа, далее при дальнейшем расширении температура газа еще уменьшится (линия fg). Традиционно дальше следует такт выпуск (линия g1).
Итак, 1abcefg1 - измененный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объеме и подводом сжатого воздуха (1abh). Полезная работа цикла увеличилась по сравнению с циклом 1abcd1, описанный выше на величину площади ограниченной линиями efgde, но для привода компрессора нужно израсходовать энергию равную площади ограниченной линиями 1abh1. Площадь, ограниченная линиями efgde не значительно (за счет того, что теплоемкость реального газа зависит от температуры) больше площади ограниченной линиями 1abh1, поэтому коэффициент полезного действия будет практически равным коэффициенту полезного действия цикла 1abcd1, описанного выше. Регулируя количество подводимого сжатого воздуха можно обеспечить приемлемую тепловую нагрузку на двигатель и если не полностью исключить, потери от системы охлаждения, то существенно уменьшить их.
В случае классического цикла двигателя внутреннего сгорания подвод воздуха в такте рабочий ход энергетически не выгоден, так как площадь, ограниченная линиями efine (фиг.6), существенно меньше энергии необходимой на привод компрессора (площадь ограниченная линиями 1abh1).
Очевидно, что подвод сжатого воздуха в камеру сгорания в начале такта рабочий ход для снижения тепловой нагрузки на двигатель, эффективен и для двигателей, работающим по измененным циклам с подводом тепла при постоянном давлении и со смешанным подводом тепла.