Способ работы двигателя внутреннего сгорания с регенерацией тепла в цикле и двигатель для его осуществления
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH HEAT REGENERATION IN CYCLE  AND MOTOR USED FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Из существующего уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания (авт. св. СССР N 1420218, МПК F02G 5/02, 1988 г.), содержащий по меньшей мере один компрессорный и один расширительный цилиндры, выносную камеру сгорания, связанную посредством газораспределительного устройства с компрессорным и расширительным цилиндрами, и рекуперативный теплообменник с теплопередающим и тепловоспринимающим контурами. При этом вход рекуперативного теплообменника по теплопередающему газовому тракту соединен с выпускным каналом отработавших газов расширительного цилиндра, а тепловоспринимающий контур служит для подогрева воздуха, поступающего из атмосферы в компрессорный цилиндр, что обеспечивает регенерацию тепла отработавших выхлопных газов.
В данном аналоге конструктивная сложность системы переключения режимов работы рекуперативного теплообменника, выносная камера сгорания и наличие регенератора, установленного в камере сгорания, снижают надежность и усложняют организацию рабочего процесса двигателя, а реализация его рабочего процесса остается не ясной вследствие неопределенности в распределении рабочего тела между цилиндром сжатия, воздушным контуром теплообменника и объемом выносной камеры сгорания.
Наиболее близким аналогом является поршневой двигатель (патент США N 4.133.172, МПК F02B 41/02, опубл. 1979), выбранный в качестве прототипа, который содержит компрессорные и расширительные цилиндры, рекуперативный теплообменник и внешнюю камеру сгорания, где поршни цилиндров связаны с коленчатым валом при помощи шатунов, а вход компрессорных цилиндров соединен через рекуперативный теплообменник, установленный на выходе расширительных цилиндров, с внешней камерой сгорания непрерывного действия, подключенной к входу расширительных цилиндров.
Недостатком прототипа является так же, как и в аналоге, наличие внешней камеры сгорания, сложность организации рабочего процесса и существенные конструктивные отличия от классических схем ДВС.
Технической задачей является повышение эффективности КПД цикла, как следствие, снижение расхода топлива, возможность использования унифицированных конструктивных схем и возможность использования разных сортов топлив.
Одновременно с решением задачи повышения эффективности решается и задача адаптации способа под конструкции серийных образцов, так как реализация предлагаемого способа может быть осуществлена на базах любых бензиновых либо газовых двигателей с небольшими изменениями в конструкции.
Данные задачи решаются за счет нового способа реализации термодинамического цикла и обеспечивающей его конструкции двигателя, суть которых заключается в следующем.
с
с
Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск чистого воздуха в компрессорный цилиндр на протяжении всего хода поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) при открытом впускном клапане, сжатие воздуха в компрессорном цилиндре со степенью сжатия до ε (в диапазоне ε=6-8) с перемещением поршня на высоту до 0,6-0,8 от НМТ при закрытых впускном и выпускном клапанах, открытие выпускного клапана компрессорного цилиндра и впускного клапана рабочего цилиндра и перемещение воздуха из компрессорного цилиндра через воздушный контур рекуперативного теплообменника в рабочий цилиндр, отличается тем, что перемещение воздуха из компрессорного в рабочий цилиндр осуществляется при постоянном давлении за счет движения поршней в обоих цилиндрах (компрессорный поршень работает на вытеснение до ВМТ, а поршень рабочего цилиндра работает на расширение до некоторого промежуточного положения от ВМТ), закрытие впускного клапана рабочего цилиндра, впрыск топлива, его искровой поджиг и сгорание при практически неизменном объеме в рабочем цилиндре (изохорный процесс), расширение продуктов сгорания в рабочем цилиндре при движении поршня от промежуточного положения до НМТ (адиабатный процесс), открытие выпускного клапана рабочего цилиндра и вытеснение продуктов сгорания за счет движения рабочего поршня от НМТ до ВМТ через контур продуктов сгорания теплообменника, причем для осуществления рабочего процесса специальной системой контроля и поддержания давления в воздушном контуре теплообменника поддерживается давление, соответствующее давлению конца процесса сжатия воздуха в компрессорном цилиндре.
Кроме того, способ работы двигателя внутреннего сгорания отличается тем, что давление в контуре теплообменника поддерживается автоматически путем перепуска части сжатого воздуха из ресивера через управляющий клапан, а необходимое давление в ресивере поддерживается эпизодическим подключением компрессора к валу двигателя. При этом давление в воздушном контуре должно соответствовать давлению в конце процесса сжатия в компрессорном цилиндре.
Конструктивно двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один компрессорный и один рабочий цилиндр, поршни, коленчатый вал, систему впрыска, впускные и выпускные клапаны, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки, рекуперативный теплообменник с контуром продуктов сгорания и воздушным контуром, причем контур продуктов сгорания теплообменника соединен с выпускным клапаном рабочего цилиндра, вход воздушного контура соединен с выпускным клапаном компрессорного цилиндра, а выход воздушного контура соединен с впускным клапаном рабочего цилиндра, при этом цикл работы осуществляется в двух цилиндрах, и отличается тем, что двигатель снабжен подкачивающим компрессором, периодически подключающимся к валу двигателя, воздушным ресивером, соединенным трубопроводом с компрессором и воздушным контуром теплообменника через управляемый впускной клапан, а дренажный управляемый клапан, соединенный с воздушным контуром рекуперативного теплообменника, сообщается с атмосферой.
Предлагаемый двигатель отличается также тем, что он имеет систему контроля и поддержания давления в воздушном контуре теплообменника, что обеспечивает реализацию способа работы.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение коэффициента полезного действия двигателя и, как следствие, снижение расхода топлива, возможность использования унифицированных конструктивных схем ДВС и возможность использования разных сортов топлив.
Сущность изобретения поясняется чертежами, но которых изображено:
на фиг. 1 - устройство двигателя (продольный разрез);
1
2
2
3
4
*
*
**
*
*
на фиг. 2 (а, б, в, г,) - схема работы поршневой группы, обеспечивающей рабочий процесс, с обозначением температур рабочего тела (Т, Т, Т, T, T) в полостях цилиндров, соответствующих температурам в цикле;
*
**
*
*
на фиг. 3 - Т-S-диаграммы базового цикла Отто (1-2-3-4-1) и цикла двигателя, работающего по предлагаемому способу (1-2-2-3-4-1).
Суть способа работы двигателя, обеспечивающего повышение КПД, характеризуется тем, что воздух сжимается в компрессорном цилиндре, перепускается через теплообменник, где осуществляется регенерация тепла от продуктов сгорания, в рабочий цилиндр, в котором осуществляется впрыск топлива, его сгорание с совершением работы расширения.
Для реализации предлагаемого способа работы двигателя он содержит как минимум два цилиндра - компрессорный 1 и рабочий 3 с поршнями 2 и 4, кинематически связанными с коленчатым валом, систему впрыска топлива, впускные 5 и 11 и выпускные 6 и 15 клапаны (как минимум по два на каждом цилиндре), систему зажигания, систему запуска двигателя, систему охлаждения и смазки, теплообменник 9 рекуперативного типа с теплопередающим (контур продуктов сгорания) и тепловоспринимающим (воздушный контур) контурами, которые осуществляют регенерацию тепла в цикле, передавая тепло от продуктов сгорания к воздуху, входящему в рабочий цилиндр.
Новым для осуществления термодинамического цикла и обеспечения работоспособности двигателя является наличие системы контроля и поддержания давления в воздушном контуре теплообменника. Система поддержания давления в воздушном контуре теплообменника включает подкачивающий компрессор 16 периодического действия, ресивер 23 сжатого воздуха и аппаратуру контроля и управления системой.
*
*
**
**
*
*
*
с
с
Способ работы двигателя внутреннего сгорания включает: впуск чистого воздуха в компрессорный цилиндр 1 на протяжении всего хода поршня 2 от ВМТ до НМТ при открытом впускном клапане 5 (процесс в-г, фиг. 2в и 2г), сжатие воздуха в компрессорном цилиндре 1 (процесс 1-2 фиг. 3 и фиг. 2а и 2б) со степенью сжатия до ε (в диапазоне ε=6-8) с перемещением поршня 2 на высоту до 0,6-0,8 от НМТ при закрытых впускном 5 и выпускном 6 клапанах, открытие выпускного клапана 6 компрессорного цилиндра и впускного клапана 11 рабочего цилиндра и перемещение воздуха из компрессорного цилиндра 1 через воздушный контур рекуперативного теплообменника 9 в рабочий цилиндр 3 при постоянном давлении (процесс 2-2, фиг. 3) за счет движения поршней в обоих цилиндрах (компрессорный поршень 2 работает на вытеснение до ВМТ, а поршень 4 рабочего цилиндра работает на расширение до некоторого промежуточного положения от ВМТ), закрытие впускного клапана 11 рабочего цилиндра, впрыск топлива, его искровой поджиг и сгорание при практически неизменном объеме в рабочем цилиндре 3 (изохорный процесс 2-3, фиг. 3), расширение продуктов сгорания в рабочем цилиндре 3 при движении поршня 4 от промежуточного положения до НМТ (адиабатный процесс 3-4, фиг. 3), открытие выпускного клапана 12 рабочего цилиндра и вытеснение продуктов сгорания за счет движения рабочего поршня 4 от НМТ до ВМТ через контур продуктов сгорания теплообменника.
Фаза движения поршня 2 компрессорного цилиндра отстает по углу поворота от фазы движения поршня 4 рабочего цилиндра на угол, соответствующий перемещению компрессорного поршня 2 от промежуточного положения конца процесса сжатия до ВМТ.
Таким образом, в каждом из цилиндров (компрессорном и рабочем) впуск воздуха и его сжатие в компрессорном цилиндре 1 с последующим вытеснением через воздушный контур теплообменника 9 и сгорание топлива, расширение продуктов сгорания в рабочем цилиндре 3 и их выпуск через контур продуктов сгорания теплообменника 9 - указанные процессы осуществляются раздельно в разных цилиндрах за один оборот коленчатого вала.
Решение указанных технических задач позволяет значительно повысить экономичность двигателя (КПД цикла), увеличить его ресурс и за счет пониженной степени сжатия, непосредственного впрыска и возможности применения различных топлив значительно улучшить его экологические показатели.
Для реализации предлагаемого способа поставленная задача в части устройства предлагаемого двигателя и его конструктивных особенностей заключаются в том, что, кроме указанных общих конструктивных элементов, он для реализации рабочего процесса содержит систему контроля и поддержания давления в воздушном контуре теплообменника, обеспечивает перемещение всей порции сжатого воздуха из компрессорного в рабочий цилиндр, предварительное расширение нагретого в теплообменнике воздуха в рабочем цилиндре, непосредственный впрыск, а также возможность исполнения двигателя с различной степенью сжатия в компрессорном цилиндре и степенью расширения в рабочем цилиндре.
с
*
*
**
*
**
Реализация предлагаемого способа рабочего процесса иллюстрируется на фиг. 1, 2, 3. Процесс впуска воздуха в компрессорный цилиндр изображен на фиг. 2г. Он осуществляется при ходе поршня 2 компрессорного цилиндра 1 от ВМТ до НМТ. Процесс сжатия осуществляется в компрессорном цилиндре 1 при движении поршня от НМТ до некоторого промежуточного положения, соответствующего заданному значению степени сжатия ε, фиг. 2а и 2б и фиг. 3 (процесс 1-2), при закрытых впускном 5 и выпускном 6 клапанах, после чего при открытии выпускного клапана 6 компрессорного цилиндра и открытии впускного клапана 11 рабочего цилиндра 3 осуществляется перепуск воздуха через воздушный контур теплообменника 9 в рабочий цилиндр 3 с его подогревом в теплообменнике при постоянном давлении - изобарный процесс с регенерацией 2-2, фиг. 2б и 2в и фиг. 3. Процесс 2-2 как термодинамический процесс может быть другим, отличным от изобарного, но также с регенерацией тепла.
В объеме воздушного контура теплообменника 9 находится порция воздуха под давлением, соответствующим давлению воздуха в конце процесса его сжатия в компрессорном цилиндре. Эта порция воздуха для установившегося режима работы и температурных условий в теплообменнике должна быть неизменной, что обеспечивается герметичностью рабочих объемов цилиндров и теплообменника.
Однако при запуске двигателя и на переходных режимах возможен дисбаланс между массой воздуха, выходящего из компрессорного цилиндра, и массой воздуха, поступающего в рабочий цилиндр.
*
**
**
*
*
*
Устранение этого дисбаланса осуществляется системой контроля и поддержания давления путем перепуска сжатого воздуха из ресивера 23 через управляемый клапан 21 или выпуска части воздуха из теплообменника через управляемый дренажный клапан 22. При движении поршня 2 компрессорного цилиндра 1 к ВМТ и перемещении нагретого воздуха из теплообменника в рабочий цилиндр 3 осуществляется изобарный (либо другой) процесс 2-2 с подводом тепла и совершением работы при ходе поршня 4 рабочего цилиндра от положения ВМТ до некоторого промежуточного положения (фиг. 2в), а также с затратой работы вытеснения в компрессорном цилиндре 1, после чего выпускной клапан 6 компрессорного цилиндра и впускной клапан 11 рабочего цилиндра закрываются, происходит впрыск топлива в рабочий цилиндр, его искровой поджиг и сгорание при практически изохорном процессе (примерно 6° по углу поворота коленчатого вала) - процесс 2-3 (фиг. 2г и рис. 3). За это время компрессорный поршень 2 начинает движение к НМТ с впуском воздуха при открытом клапане 5, а поршень 4 рабочего цилиндра, также двигаясь к НМТ при закрытых клапанах 11 и 12, совершает процесс расширения 3-4 (фиг. 2г и рис. 3) с получением полезной работы. При достижении рабочим поршнем 4 НМТ происходит открытие выпускного клапана 11 и далее при движении рабочего поршня до ВМТ происходит вытеснение продуктов сгорания (фиг. 2г и 2а) через выпускной клапан 12 в теплообменник 9 через его контур продуктов сгорания в выхлопную систему.
**
**
**
2
2
Кроме аналитического сравнения рабочих процессов, следует отметить, что условия смесеобразования в рабочем цилиндре в положении поршня точки 2 (фиг. 2в) при повышенных, чем у обычных ДВС, значениях температуры Т и большей величине объема V, а также условия сгорания более благоприятные для полного сгорания и недопущения образования вредных веществ бензопиренового ряда.
Осуществление указанных процессов и постоянство массы перемещаемого воздуха при его вытеснении из компрессорного цилиндра 1 через теплообменник 9 в рабочий цилиндр 3, при заданном термодинамическом процессе подвода тепла и регенерации, обеспечивается либо различием в диаметре рабочего и компрессорного цилиндров, либо величиной хода поршней в указанных цилиндрах. В рабочем цилиндре 3 воздух, поступивший из регенератора 9, размещается в объеме, организованном движением поршня рабочего цилиндра от ВМТ до некоторого промежуточного положения, соответствующего размещению необходимого количества воздуха в промежуточном объеме рабочего цилиндра.
Таким образом, в предложенных способе и устройстве в комплексе решаются задачи для ДВС, а именно повышение экономичности и улучшение экологичности.