способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий внешнее сжатие воздуха, наполнение рабочего объема цилиндра, сжатие до рабочего давления, обеспечивающего температуру воспламенения топлива в камере сгорания, впрыск диспергированного топлива, сгорание и расширение воздушно-топливной смеси, выхлоп отработавших газов с организацией передачи тепловой энергии для сжатия подаваемого в цилиндр воздуха, отличающийся тем, что внешнее сжатие воздуха проводят многоступенчато с промежуточным охлаждением до давления, равного рабочему давлению конца сжатия в камере сгорания, а нагрев сжатого воздуха до температуры воспламенения топлива осуществляют за счет тепловой энергии отработавших газов и на первом такте работы этим воздухом заполняют часть рабочего объема цилиндра, производят впрыск подогретого диспергированного топлива, сгорание и расширение воздушно-топливной смеси, а на втором - также производят выхлоп отработавших газов с организацией подогрева сжатого воздуха и топлива.

2. Устройство для осуществления способа, содержащее кривошипно-шатунный механизм, цилиндр, камеру сгорания, клапаны впуска воздуха и выпуска отработавших газов, механизм привода клапанов, коллекторы впуска воздуха и выпуска отработавших газов, компрессор для сжатия воздуха до давления наддува, отличающееся тем, что оно снабжено многоступенчатым компрессором с межступенчатым охлаждением для сжатия воздуха до давления, равного рабочему в камере сгорания, регенеративными теплообменниками для подогрева сжатого воздуха и топлива, а также пневмоприводными клапанами и пневмомеханизмом управления работой клапанов, который гидравлически присоединен к компрессору и клапанам, а механически - к кривошипно-шатунному механизму, кроме того, устройство дополнительно оснащено электронагревателем воздуха, установленным между коллектором впуска и регенеративным теплообменником воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известны способ и устройство двигателя, работающего по циклу Отто [1].

Недостаток данного способа заключается в том, что степень сжатия двигателей, работающих по циклу Отто, в 3-4 раза меньше, чем у дизельных, а следовательно, этот способ термодинамически менее эффективен и не экономичен.

Известен способ работы и устройство классического четырехтактного двигателя, работающего по циклу Дизеля [2].

Основной недостаток известного способа и устройства заключен в том, что двигатель только половину времени, затраченного на весь рабочий цикл, работает как тепловой двигатель, а другую половину - как воздушный насос, что приводит при равенстве объемов цилиндров и числа оборотов почти к двойной потери мощности по сравнению с двухтактным дизельным двигателем.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ работы двигателя внутреннего сгорания, работающего по двухтактному циклу, включающий внешнее сжатие воздуха в виде наддува, наполнение рабочего объема цилиндра, сжатие воздуха до рабочего давления, обеспечивающего температуру воспламенения топлива в камере сгорания, впрыск диспергированного топлива, сгорание и расширение воздушно-топливной смеси, выхлоп отработавших газов с организацией передачи части тепловой энергии для сжатия наддувочного воздуха [3].

Устройство для осуществления указанного способа содержит кривошипно-шатунный механизм, рабочий цилиндр, клапаны впуска и выпуска, механизм привода клапанов, коллектор впуска воздуха и выпуска отработавших газов, систему подачи топлива, компрессор для сжатия и подачи воздуха в рабочий цилиндр под давлением наддува [3].

Хотя в этом способе и устройстве время, отводимое на рабочий цикл, используется уже более полно и заполнение цилиндра воздухом под давлением наддува до 0,3 МПа позволяет поднять среднее индикаторное давление, а следовательно, и мощность двигателя, однако этот способ и устройство имеют ряд недостатков, главным из которых является потеря мощности двигателя из-за неэффективности процесса сжатия воздуха в рабочем цилиндре, особенно при высоких степенях сжатия, выполняемого в одной ступени двигателя, а также из-за потери части рабочего хода, необходимого для осуществления процессов очистки и наполнения цилиндра.

Решаемая задача - повышение эффективной мощности рабочего цикла двигателя.

Решение поставленной задачи заключается в том, что способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий внешнее сжатие воздуха, наполнение им рабочего объема цилиндра, сжатие до рабочего давления, обеспечивающего температуру воспламенения топлива в камере сгорания, впрыск диспергированного топлива, сгорание и расширение воздушно-топливной смеси, выхлоп отработавших газов с организацией передачи части тепловой энергии для сжатия подаваемого в цилиндр воздуха, внешнее сжатие воздуха проводят многоступенчато с промежуточным охлаждением до давления, равного рабочему давлению сжатия в камере сгорания, а нагрев воздуха до температуры воспламенения топлива осуществляют за счет тепловой энергии отработавших газов и на первом такте работы этим воздухом заполняют часть рабочего объема цилиндра, производят впрыск диспергированного топлива, сгорание и расширение воздушно-топливной смеси, а на втором такте осуществляют выхлоп отработавших газов с организацией подогрева сжатого воздуха и топлива.

Для решения этой же задачи устройство по предлагаемому способу, содержащее кривошипно-шатунный механизм, цилиндр, камеру сгорания, клапаны впуска воздуха и выпуска отработавших газов, механизм привода клапанов, коллекторы впуска воздуха и выпуска отработавших газов, форсунку для впрыска топлива, компрессор для сжатия воздуха до давления "наддува", снабжено многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением для сжатия воздуха до давления, равного рабочему в камере сгорания, регенеративными теплообменниками для подогрева сжатого воздуха и топлива, а также пневмоприводными клапанами и пневмомеханизмом управления работой клапанов, который гидравлически подключен к компрессору и клапанам, а механически - к кривошипно-шатунному механизму, кроме того, устройство дополнительно оснащено электронагревателем воздуха, установленным между коллектором впуска и регенеративным теплообменником.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа работы двигателя внутреннего сгорания.

Устройство содержит коленчатый вал 1, соединенный шатуном 2 с поршнем 3, цилиндр 4, пневмоклапан впуска, выполненного в виде клапана 5 с упором, штока 6, пружины 7 и полости сервопривода 8, пневмоклапан выпуска, состоящего из клапана 9, пружины 10, поршня 11 и полости сервопривода 12, коллектор впуска 13 и коллектор выпуска 14, пневмомеханизм управления клапанами 15, многоступенчатый воздушный компрессор 16 с промежуточным охлаждением, соединенного с коленчатым валом 1, регенеративный воздушный теплообменник 17, подключенный к коллектору впуска 13, коллектору выпуска 14 и компрессору 16, форсунку 18 для впрыска топлива.

Пневмомеханизм управления клапанами 15 механически связан с кривошипно-шатунным механизмом любым известным способом и гидравлически с помощью трубопроводов 19, 20 с полостями 8 и 12 сервоприводов клапанов, а трубопроводом 21 подключен к линии нагнетания компрессора 16.

Устройство пневмомеханизма управления клапанами 15 на чертеже не раскрыто, так как не меняя сути предлагаемого способа могут быть использованы различные конструктивные схемы пневмомеханизма.

Между коллектором впуска 13 и регеративным воздушным теплообменником 17 установлен электронагреватель 22 для нагрева сжатого воздуха в период пуска двигателя.

Диспергированное топливо, подаваемое в камеру сгорания 23 с помощью насоса 24, предварительно нагревается в теплообменнике 25 за счет тепла отходящих газов.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания осуществляют следующим способом.

В многоступенчатом компрессоре 16 с промежуточным охлаждением производят сжатие воздуха до давления, равного рабочему давлению сжатия в камере сгорания 23, при этом нагрев воздуха до температуры воспламенения топлива осуществляют в теплообменнике 17 за счет тепла отработавших газов, после чего на первом такте работы этим воздухом заполняют камеру сгорания 23, производят впрыск подогретого диспергированного топлива через форсунку 18, сгорание и расширение продуктов сгорания воздушно-топливной смеси, а на втором такте выполняют выхлоп отработавших газов с организацией подогрева сжатого в компрессоре воздуха и топлива.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Атмосферный воздух засасывают компрессором 16 и сжимают последовательно в ступенях с промежуточным охлаждением до рабочего давления сжатия в камере сгорания 23. Сжатый воздух с температурой нагнетания после последней ступени компрессора 16 подают в регенеративный теплообменник 17, где нагревают выхлопными газами до температуры воспламенения топлива.

При подходе к ВМТ поршнем 3, воздействуя на упор клапана 5, открывают клапан впуска. Давление над и под клапаном 5 выравнивают. При движении поршня 3 от ВМТ к НМТ происходит наполнение части рабочего объема цилиндра сжатым горячим воздухом, при этом клапан 5 остается открытым, так как давление воздуха в полости 8 сервопривода в этот момент равно атмосферному, а давление воздуха, действующее на шток 6 клапана 5 со стороны цилиндра 4, создает усилие большее, чем усилие пружины 7. В момент, соответствующий окончанию наполнения, клапан 5 впуска закрывают по команде пневмомеханизма 15.

Закрытие клапана 5 происходит под действием пружины 7 сразу же после того, как полость сервопривода 8 наполнит воздух от пневмомеханизма 15 управления клапанами того же давления, что и воздух, поступающий в цилиндр 4.

Усилия, действующие на шток 6 клапана со стороны полости 8 сервопривода и со стороны цилиндра 4, уравновешиваются и клапан 5 впуска под действием пружины 7 закрывается.

После закрытия клапана впуска 5 через форсунку 18 производят впрыск диспергированного топлива, которое воспламеняется, так как воздух в процессе наполнения поступает в цилиндр с температурой равной или выше температуры воспламенения топлива.

Происходит сгорание топлива и расширение газовой смеси, в ходе которого поршень 3 перемещается к НМТ, то есть имеет место "рабочих ход". В конце первого такта при подходе поршня 3 к НМТ открывают клапан 9 выпуска. Его открытие осуществляют за счет подачи от пневмомеханизма 15 управления клапанами воздуха высокого давления, отбираемого после компрессора 16, в полость сервопривода 12. В результате возникает усилие, действующее на поршень 11, под действием которого и происходит открытие клапана 9 выпуска.

На втором такте при движении поршня 3 от НМТ к ВМТ осуществляют процесс выхлопа отработавших газов, которые, как правило, имеют температуру порядка 600-700°С. Отработавшие газы поступают в коллектор выпуска 14 и далее в регенеративные теплообменники 17 и 25, где происходит передача тепла сжатому в компрессоре 16 воздуху и топливу.

Процесс выхлопа заканчивают при подходе поршня 3 к ВМТ, когда закрывают клапан 9 выпуска. Его закрытие происходит под действием усилия пружины 11, так как пневмомеханизм 15 управления клапанами в этот момент прекращает подачу сжатого воздуха в полость сервопривода 12 и обеспечивает сброс воздуха из нее в атмосферу.

После закрытия клапана выпуска 9 под действием поршня 3 вновь открывают клапан впуска 5, полость сервопривода 8 которого к этому моменту благодаря работе пневмомеханизма 15 сообщена с атмосферой и отсечена от управляющего воздуха высокого давления.

После открытия клапана впуска 5 процесс повторяют.

Таким образом, полный рабочий цикл совершают за два такта или один оборот коленчатого вала, при этом время, отводимое на полный рабочий цикл, предлагаемое устройство работает как тепловой двигатель.

Вполне понятно, что часть мощности, полученной за полный рабочий цикл, затрачивают на сжатие воздуха в компрессоре, но так как в предложенном способе процесс сжатия осуществляется независимо от рабочего цикла двигателя, то это позволяет осуществить многоступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением, которое, как известно, при равной степени сжатия термодинамически эффективнее, чем одноступенчатое адиабатическое сжатие воздуха с подводом тепла, выполняемое в цилиндре Дизеля, работающего по классическому циклу.

Пример выполнения способа работы двигателя внутреннего сгорания.

Атмосферный воздух всасывается трехступенчатым компрессором 16 и сжимается до давления 25,0 бар с промежуточным охлаждением сжатого воздуха между 1 и 2 ступенью и 2 и 3 ступенью. При этом затраченная мощность двигателя на сжатие одного м³ воздуха в трехступенчатом компрессоре будет на 20-25% меньше, чем при сжатии этого же количества воздуха до давления 25 бар в рабочем цилиндре двигателя. Сжатый воздух после третьей ступени компрессора с давлением 25,0 бар и температурой 200°С поступает в рекуперативный теплообменник 17, где нагревается до температуры 550-600°С, что позволяет утилизировать часть тепла, уносимого с отработавшими газами, то есть более полно использовать теплотворную способность топлива и одновременно охладить отработавшие газы, уменьшив их объем и скорость выхлопа, а также сконденсировать высокотемпературные токсичные компоненты и уловить твердые частицы. Горячий воздух высокого давления через впускной коллектор 13 и впускной клапан 5 подают в камеру сгорания 23 цилиндра 4.

После закрытия впускного клапана 5 на угле поворота коленчатого 10-15 градусов в ту же камеру с помощью форсунки 18 подают диспергированное подогретое топливо, что позволяет ускорить процесс воспламенения и сгорания топлива. При приближении поршня 3 к НМТ под действием команды от пневмомеханизма 15 повышают давление в цилиндре сервопривода 12 и открывают выпускной клапан 9. Отработавшие газы с давлением 3-5 бар и температурой 650-700°С направляют через выпускной коллектор 14 в рекуперативные теплообменники 17 и 25 для утилизации тепловой энергии и нагрева сжатого воздуха и топлива.

В период пуска двигателя, когда мотор еще не прогрелся и температура отработавших газов еще не достигла максимальной величины, подогрев сжатого воздуха осуществляют с помощью электронагревателя 22.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Таким образом, предлагаемый способ работы двигателя внутреннего сгорания позволяет увеличить КПД двигателя на 10-15% за счет утилизации тепла отработавших газов и полного использования химического потенциала топлива, уменьшения затрачиваемой работы на сжатие воздуха и организации рациональной системы подачи воздушно-топливной смеси в камеру сгорания цилиндров двигателя и, как следствие, увеличить мощность двигателя, отнесенную на единицу объема цилиндров, а также уменьшить удельный расход топлива на единицу мощности.

При этом, значительно снижаются выбросы токсичных веществ в атмосферу как за счет увеличения полноты сгорания топлива, так и в результате охлаждения и сепарации отработавших газов.

Литература

1. И.А.Понамарев, Судовые двигатели внутреннего сгорания, М., ОГИЗ, Гостранстехиздат, 1937 г.

2. В.Е.Кржимовский и др. Двигатели внутреннего сгорания рефрижераторного подвижного состава, М., Транспорт, 1980 г.

3. А.С.Орлин, Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей, М., Машиностроение, 1970 г.