СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЦИКЛА ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
METHOD OF PISTON ENGINE CYCLING AND PISTON ENGINE

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Эффективность теплового (в том числе и поршневого) двигателя определяется двумя факторами: эффективностью разработанного теоретического цикла, заложенного в способ преобразования тепловой энергии в механическую, и технической возможностью создания конструкции двигателя, реальный цикл которого максимально приближен к теоретическому циклу.
Известен теоретический цикл Вишарта [РЖ «Двигатели внутреннего сгорания», 1982, 4.39.10, с.31-37], который представляет собой последовательность шести термодинамических процессов: изотермического сжатия рабочего тела, изобарного подвода к рабочему телу рекуперированной части тепла, изобарного подвода основной части тепла, адиабатного расширения рабочего тела до первоначального объема или больше, изохорного отвода от рабочего тела рекуперируемой части тепла и изобарного отвода тепла.
Недостатками данного теоретического цикла являются: во-первых, большие потери высокопотенциального тепла при изобарном подводе основной части тепла (в реальном двигателе в охлаждаемом рабочем цилиндре), и во-вторых, необходимость рекуперации и отвода неиспользованного в цикле тепла (в реальном двигателе это приводит к усложнению конструкции и тепловым потерям).
Целью предлагаемого изобретения является осуществление способа работы поршневого двигателя по такому циклу, в котором достигается равенство термодинамических параметров (температуры и давления) рабочего тела в начале и в конце цикла, что исключает необходимость рекуперации избыточного тепла и отвод тепла в конце цикла.
k-1
Для достижения поставленной цели, а также для устранения указанных недостатков цикла Вишарта в предлагаемом способе реализуется цикл Сладкевича, содержащий три термодинамических процесса (далее цикл С-3тп): изотермического сжатия, изохорного подвода тепла и адиабатного расширения рабочего тела. А также осуществляется подвод оптимального количества тепла, удовлетворяющего соотношению λ≤ε, где λ - степень повышения давления рабочего тела при подводе тепла, ε - степень расширения рабочего тела, k - показатель адиабаты расширения.
Из уровня техники известен термодинамический цикл для двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2167315 от 29.04.1999), в котором чистый воздух сжимают в первом цилиндре, затем перемещают в камеру сжатого воздуха и в камеру сгорания, расположенные в верхней части второго цилиндра, подводят к сжатому воздуху в камере сгорания тепло, затем перемещают во второй цилиндр, в котором его расширяют. Недостатком данного цикла является осуществление одноступенчатого сжатия без возможности охлаждения рабочего тела, которое требует больших затрат энергии на сжатие, что в свою очередь снижает КПД двигателя.
Известен также способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2075613 С1 от 28.03.1994), в котором рабочее тело двухступенчато сжимают сначала с охлаждением, а затем с предотвращением потерь тепла, и далее внутри рабочего цилиндра двигателя подводят к рабочему телу тепло и расширяют с частичной рекуперацией тепла. Недостатком данного способа является необходимость рекуперации тепла, что приводит к неизбежным тепловым потерям и снижению КПД двигателя, а также к усложнению конструкции двигателя, работающего по данному способу.
Известен двигатель внутреннего сгорания с разделенным циклом (патент WO 82/01741 от 04.05.1981), содержащий многоступенчатый цилиндр сжатия и рабочий цилиндр. В данном двигателе сжатие рабочего тела осуществляется одновременно во всех ступенях цилиндра сжатия, а подвод тепла и расширение рабочего тела - в рабочем цилиндре. Недостатком такого двигателя является снижение КПД за счет отсутствия возможности эффективного охлаждения рабочего тела при его сжатии и потери при подводе тепла в охлаждаемый цилиндр.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение КПД поршневого двигателя.
k-1
Указанный технический результат достигается тем, что в цикле С-3тп поршневого двигателя рабочее тело сначала сжимают в многоступенчатом компрессоре, одновременно охлаждая до температуры начала сжатия. Затем рабочее тело перемещают в камеру сгорания, где при сохранении объема подводят к нему тепло. И далее рабочее тело перемещают в рабочий цилиндр, где его расширяют с предотвращением потерь тепла, передавая энергию расширения на рабочий вал двигателя и на привод многоступенчатого компрессора. При этом количество подводимого в камере сгорания тепла регулируют, уравнивая степень повышения давления рабочего тела в камере сгорания и величину ε, где ε - степень расширения рабочего тела в рабочем цилиндре, а k - показатель адиабаты расширения.
k-1
Предлагаемый способ работы поршневого двигателя позволяет создать необходимые условия для осуществления цикла, близкого к циклу С-3тп. Сжатие рабочего тела в многоступенчатом компрессоре с одновременным интенсивным охлаждением позволяет осуществить процесс сжатия, близкий к изотермическому, и за счет этого снизить затраты на работу сжатия. Подвод тепла в теплоизолированной камере постоянного объема позволяет значительно снизить потери высокопотенциального тепла при его подводе. Ограничение количества подведенного в камере сгорания топлива в соответствии с величиной ε позволяет не отводить тепло по завершении цикла и не производить его рекуперацию. Теплоизоляция рабочего цилиндра и головки поршня рабочего цилиндра позволяет осуществить процесс расширения, близкий к адиабатному, и снизить потери тепла при расширении рабочего тела.
Указанный технический результат достигается тем, что поршневой двигатель содержит многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, рабочий цилиндр и резервный баллон, разделенные управляемыми клапанами. В многоступенчатом компрессоре установлены по меньшей мере два охлаждаемых цилиндра с размещенными в них спаренными охлаждаемыми поршнями двухстороннего действия. Охлаждаемые цилиндры закрыты крышками с возможностью перемещения рабочего тела из надпоршневого пространства цилиндров в подпоршневое пространство и перемещения рабочего тела между цилиндрами. Камера сгорания содержит теплоизолированный керамическим слоем корпус, форсунку для подачи топлива, запальную свечу. В рабочем цилиндре установлен поршень, объединенный коленчатым валом со спаренными поршнями компрессора. Внутренняя поверхность рабочего цилиндра до 1/2 рабочего хода поршня от верхней мертвой точки, а также внутренняя поверхность крышки рабочего цилиндра и головка поршня рабочего цилиндра теплоизолированы керамическим слоем. Выход компрессора соединен с входом камеры сгорания и резервным баллоном, а выход камеры сгорания соединен теплоизолированным патрубком с входом рабочего цилиндра.
На Фиг.1 представлена диаграмма в координатах (P, V) теоретически рассчитанного цикла С-3тп поршневого двигателя при следующих значениях параметров: степень повышения давления λ=2.107, степень расширения ε=12; коэффициент политропы сжатия n=1.1 (близкий к изотерме); коэффициент адиабаты расширения k=1.4. На диаграмме кривая 1-2 представляет процесс сжатия, отрезок 2-3 - процесс подвода тепла, кривая 3-4 - процесс расширения. При этом термический КПД цикла составляет 0.932, что с учетом тепловых и механических потерь в реальном двигателе позволяет получить эффективный КПД порядка 0.6.
На Фиг.2 представлена возможная реализация конструкции поршневого двигателя, работающего по предложенному способу.
Двигатель содержит многоступенчатый компрессор А, камеру сгорания В и рабочий цилиндр С. Компрессор А состоит из двух цилиндров 2, 3, причем диаметр цилиндра 3 меньше диаметра цилиндра 2. Цилиндры 2, 3 установлены в охлаждаемом корпусе 4 и закрыты крышками 5, 6 сверху и крышками 7, 8 снизу. Крышки 5, 6, 7, 8 снабжены автоматическими клапанами 9, причем крышка 5 соединена с крышкой 7, крышка 6 соединена с крышкой 8, а крышка 7 соединена с крышкой 6 перепускными трубками 10. В цилиндрах 2, 3 установлены спаренные общим шатунным пальцем поршни 11, 12 двухстороннего действия с трубчатыми штоками разного диаметра. На крышке 5 цилиндра 2 установлен впускной патрубок 13 с автоматическим клапаном 14. К крышке 8 через автоматический клапан 9 подключена трубка 15, отводящая сжатый воздух из компрессора А и подводящая его к резервному баллону 16 через управляемый клапан 17 и к камере сгорания В через управляемый клапан 18. Камера сгорания В установлена над рабочим цилиндром С, соединена с ним через управляемый клапан 19 теплоизолированным патрубком 20 и состоит из корпуса 21, теплоизолированного с внутренней стороны керамическим слоем 22, впускного управляемого клапана 18, форсунки 23 для подачи топлива и запальной свечи 24. Рабочий цилиндр С, в котором установлен поршень 26 с теплоизолированной керамическим слоем головкой 32, теплоизолирован изнутри в верхней своей части до 1/2 рабочего хода поршня керамическим слоем 25. На цилиндр С установлена теплоизолированная керамическим слоем 28 крышка 27 с управляемыми впускным клапаном 19, выпускным клапаном 30 и с выпускным патрубком 31. Рабочий поршень 26 и спаренные поршни 11,12 компрессора А соединены с общим коленчатым валом 34 через шатуны 32 и 33.
Работа поршневого двигателя по предлагаемому в изобретении способу осуществляется следующим образом. При вращении коленчатого вала 34 рабочий поршень 26 и спаренные поршни 11, 12 компрессора А движутся в противоположных направлениях (на Фиг.2 поршень 26 перемещается вверх, а поршни 11, 12 вниз). При этом в объеме цилиндра 2 над поршнем 11 происходит забор воздуха через патрубок 13 и автоматический клапан 14, а в подпоршневом объеме цилиндра 2 осуществляется вторая ступень сжатия воздуха с одновременным его перемещением через перепускную охлаждаемую трубку 10 с автоматическими клапанами 9 в надпоршневое пространство цилиндра 3, где осуществляется третья ступень сжатия. В подпоршневом объеме цилиндра 12 в это время осуществляется четвертая ступень сжатия воздуха и вытеснение его в камеру сгорания В или в резервный баллон 16 через трубку 15 с автоматическим клапаном 9 в зависимости от положения управляемых клапанов 17 и 18. Рабочий поршень 26 в это время заканчивает вытеснение отработавших газов из цилиндра С через управляемый клапан 30 и выпускной патрубок 31. В это же время в камеру сгорания подается сжатый воздух через управляемый клапан 18 и при подходе поршня 26 к верхней мертвой точке осуществляется впрыск топлива через форсунку 23, которое перемешивается с воздухом и воспламеняется от запальной свечи 24 при пуске двигателя и от горячих стенок камеры сгорания при работе двигателя. Процесс сгорания топлива происходит при закрытых клапанах 18 и 19. Когда поршень 26 подходит к верхней мертвой точке, клапан 31 закрывается, а клапан 19 открывается и рабочее тело из камеры сгорания В начинает поступать в рабочий цилиндр С и начинает осуществляться рабочий ход поршня 26. В компрессоре А в этот момент в надпоршневом пространстве цилиндров 2, 3 начинается процесс сжатия первой и третьей ступеней с одновременным перемещением воздуха через перепускные охлаждаемые трубки 10 с автоматическими клапанами 9 в подпоршневое пространство цилиндров 2 и 3 соответственно. Далее, при каждом обороте коленчатого вала цикл повторяется.
Анализ известных технических решений в данной области не выявил способов осуществления цикла поршневых двигателей и самих поршневых двигателей с перечисленной совокупностью отличительных признаков.