способ работы двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и нагретого охлаждающего заряда из полости, отличающийся тем, что отработавшие газы из цилиндра направляют в теплообменник, охлаждающий заряд дополнительно нагревают через теплообменник, а перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют при одновременном подогреве с совершением дополнительной механической работы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), утилизирующих тепло продуктов сгорания, не используемое в рабочем процессе.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, нагретого от выпускного коллектора теплом отработавших газов, подачи в полость, окружающую цилиндр, охлаждающего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда с одновременным вытеснением нагретого охлаждающего заряда из полости, воспламенения рабочего заряда, его сгорания и расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы и одновременным впуском свежего охлаждающего заряда в полость, перепуска отработавших газов из цилиндра в выпускной коллектор (теплообменник) для нагрева свежего рабочего заряда и выпуска их в атмосферу [1].

Однако нагрев перед впуском в цилиндр рабочего заряда отрицательно влияет на коэффициент наполнения цилиндра, а следовательно, на мощностные характеристики и КПД ДВС. С другой стороны, известное техническое решение не предусматривает использование энергии, полученной охлаждающим зарядом в нагретой полости, для совершения дополнительной полезной работы и повышения КПД.

Известен способ работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости [2].

Однако в этом способе также не используется энергия нагретого в полости охлаждающего заряда для совершения дополнительной механической работы. Кроме того, величина нагрева охлаждающего заряда, т.е. повышение внутренней энергии этого заряда, не велико, поскольку для его нагрева используется преимущественно ушедшее в стенки цилиндра тепло продуктов сгорания, в то время как имеющие высокую температуру отработавшие газы из цилиндра свободно выбрасываются в окружающую среду без использования их тепловой энергии для повышения КПД.

Цель изобретения - повышение КПД ДВС.

Цель достигается тем, что по способу работы ДВС путем впуска в цилиндр рабочего заряда, подачи охлаждающего заряда в полость, нагреваемую теплом продуктов сгорания рабочего заряда, сжатия в цилиндре рабочего заряда, сжатия и нагрева в полости охлаждающего заряда, воспламенения рабочего заряда, его сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре с совершением механической работы, выпуска отработавших газов из цилиндра и выпуска нагретого охлаждающего заряда из полости, отработавшие газы из цилиндра направляют в теплообменник, охлаждающий заряд дополнительно нагревают через теплообменник, а перед выпуском из полости нагретый охлаждающий заряд расширяют при одновременном подогреве с совершением дополнительной механической работы.

Таким образом, сущность заявляемого способа заключается в более полном использовании тепловой энергии продуктов сгорания основного рабочего заряда, преимущественно тепла отработавших газов, для эффективного нагрева в изолированной от цилиндра полости газообразного вещества с одновременным его расширением для совершения дополнительной механической работы.

Именно заявляемая совокупность признаков позволяет получить положительный эффект - повышение КПД ДВС при сохранении основных преимуществ прототипа, в частности поддержания требуемого теплового режима ДВС путем использования охлаждающего (воздушного) заряда. Однако в предлагаемом способе охлаждающий заряд имеет еще одну функцию - дополнительного рабочего тела, внутренняя энергия которого повышается не за счет собственного горения, а за счет нагрева в теплообменнике теплом продуктов сгорания другого (топливного) заряда. Кроме того, так же, как и в прототипе, нагретый охлаждающий заряд может быть использован для продувки цилиндра, но только после того, как он (заряд) совершит работу при расширении.

Заявляемый способ может быть реализован как в двух-, так и в четырехтактных двигателях с разными типами рабочих процессов и с различными газообразными средами в качестве охлаждающего заряда. Однако в любом случае охлаждающая полость работает по двухтактному циклу. В случае использования отработавшего дополнительного рабочего тела для продувки основного цилиндра должны применяться воздушный охлаждающий заряд и двухтактный цикл работы цилиндра. В случае использования других охлаждающих рабочих тел процессы в полости и цилиндре должны проходить независимо, т.е. без смешивания рабочего и охлаждающего зарядов, и признак тактности становится несущественным. Теплообменник располагается вблизи (вокруг) цилиндра, при этом охлаждающая полость обогревается дополнительно ушедшим в стенки цилиндра теплом продуктов сгорания, а также принудительно охлаждаются стенки цилиндра.

На фиг. 1 и 2 изображен ДВС при положении поршня в верхней (ВМТ) (фиг. 1) и нижней (НМТ) (фиг. 2) мертвых точках, продольный разрез; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.

ДВС содержит двухступенчатый цилиндр, состоящий из цилиндров меньшего 1 и большего 2 диаметров, в которых расположены соответственно первая 3 и вторая 4 ступени двухступенчатого поршня, связанного с преобразовательным механизмом (не показан). Цилиндр 1 имеет оребрение 5 и окружен теплообменником, который образован коллектором - сборником 6 отработавших газов, внутренняя (ближняя к цилиндру) стенка 7 которого имеет гофры и охватывает цилиндр 1 с образованием вокруг него охлаждающей полости 8, а наружная стенка 9 покрыта слоем теплоизоляции 10. Цилиндр 1 и коллектор 6 закрыты крышкой 11, содержащей полость 12, сообщенную с охлаждающей полостью 8, и полость 13, сообщенную с полостью коллектора 6 отработавших газов. В крышке 11 установлены форсунка 14, выпускной клапан 15 и впускной клапан 16. Крышка 11, цилиндр 1 и днище первой ступени 3 поршня образуют камеру 17 сгорания переменного объема (камеру первого контура), а днище второй ступени 4 поршня с боковой стенкой первой ступени 3 и цилиндром 2 образуют камеру 18 второго контура переменного объема, которая постоянно через отверстия 19 соединена с охлаждающей полостью 8 и полостью 12 крышки, которая, в свою очередь, при открытом впускном клапане 16 соединяется с выходом компрессора 20. Камера 17 сгорания при открытом клапане 15 соединяется с полостью коллектора 6, который снабжен выпускным патрубком 21. Стенки цилиндра 1 имеют пояс впускных окон 22 первого контура, управляемых днищем первой ступени 3 поршня и сообщенных с охлаждающей полостью 8 второго контура при положении поршня вблизи НМТ. В стенках цилиндра 2 выполнены выпускные окна 23 второго контура, окруженные коллектором 24 с установленными в нем около окон 23 клапанами 25.

Способ осуществляется следующим образом.

Оба контура ДВС - горячий первый (17, 6, 13) и нагреваемый второй (18, 8, 12) работают синхронно по двухтактному циклу. В установившемся режиме стенки 1, 7 охлаждающей полости 8 нагреты от тепла продуктов сгорания топлива в камере 17 сгорания и от отработавших газов, собранных в коллекторе-теплообменнике 6. Во время движения поршня к ВМТ, когда клапаны 15, 16 и окна 22, 23 закрыты, происходит раздельное сжатие первой ступенью 3 поршня рабочего заряда в камере 17 сгорания и второй ступенью 4 поршня охлаждающего заряда в полостях второго контура (18, 8, 12). При этом сжимаемый между ребрами 5 в полости 8 воздушный заряд охлаждает стенки цилиндра 1, коллектора 7 и крышку 11, нагреваясь при этом как от горячих поверхностей, так и от сжатия. Температура и давление охлаждающего заряда быстро повышаются по мере приближения поршня к ВМТ. Одновременно нагревается от сжатия рабочий заряд в камере 17, куда впрыскивается топливо форсункой 14 при подходе поршня к ВМТ. Воспламенившееся топливо выжигают, нагревая стенки цилиндра 1 и крышку 11, и расширяют горячие газы в камере 17 первого контура с совершением механической работы на первую ступень 3 поршня. Во время рабочего хода поршня во втором контуре (8, 12, 18) также происходит расширение при продолжающемся нагреве охлаждающего заряда, который, воздействуя на вторую ступень 4 поршня, совершает дополнительную механическую работу. При подходе поршня к НМТ открывают выпускной клапан 15 и отработавшие в цилиндре 1 газы заполняют полость 13 крышки и коллектор 6, передавая часть своего тепла внутренним стенкам 7. Затем первая ступень 3 поршня открывает пояс впускных окон 22 и отработавший во втором контуре воздушный заряд, имеющий остаточное повышенное давление, поступает в камеру 17, вытесняя в коллектор оставшиеся продукты сгорания. В конце продувки открывается впускной клапан 16 и воздух от компрессора 20 заполняет камеру 17 первого и все камеры второго контура (8, 12, 18). При этом из камеры 17 вытесняются в коллектор 6 остатки горячих газов, клапан 15 закрывается. Через выпускные окна 23, открытые поршнем в НМТ, под давлением воздуха из компрессора 20 выпускают остатки нагретого охлаждающего заряда, продувая второй контур. В начале такта сжатия поршнем перекрываются окна 22 и 23, заканчивается наддув всех камер и клапан 16 закрывается. Выхлопные газы, нагрев внутреннюю стенку 7 теплообменника, уходят из выпускного патрубка 21. Начинается сжатие свежих рабочего и охлаждающего зарядов. Цикл повторяется.

Технико-экономические преимущества заявляемого способа по сравнению с прототипом заключаются в более полном использовании тепла, теряемого в прототипе с выхлопными газами и в нагреваемых элементах конструкции, для совершения дополнительной механической работы и повышения КПД. Основное достоинство предложенного способа в том, что использование горячих выхлопных газов для нагрева дополнительного рабочего тела в теплообменнике позволяет во избежание перегрева цилиндра транспортировать и использовать тепло отработавших газов в специально предусмотренных полостях и теплообменниках. Это способствует снижению тепловой напряженности в цилиндро-поршневой группе, повышению ресурса ДВС.