способ осуществления рабочего цикла и устройство пульсирующего двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ осуществления рабочего цикла в двигателе внутреннего сгорания, включающий последовательно процесс генерации рабочего тела посредством компрессора, устройства подачи топлива и камеры сгорания, процесс аккумуляции и предварительного расширения рабочего тела в цилиндре предварительного расширения, процесс последующего термодинамического расширения рабочего тела из цилиндра предварительного расширения в цилиндр последующего расширения, процесс выпуска отработанного рабочего тела из цилиндра последующего расширения во внешнюю среду, отличающийся тем, что процесс генерации рабочего тела осуществляют дискретно, последовательно аккумулируя, на протяжении полного хода поршня, в цилиндре предварительного расширения квантованные порции рабочего тела, генерируемые посредством пульсирующей камеры сгорания серией микропроцессов генерации, включающих последовательно формирование рабочей смеси, сгорание рабочей смеси при постоянном объеме и термодинамическое расширение рабочего тела.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление серией микропроцессов генерации рабочего тела осуществляют автоматически при помощи заслонки, с определенной частотой перекрывающей или открывающей канал компрессор - камера сгорания на протяжении полного хода поршня, и устройства-синхронизатора, синхронизирующего опции заслонки с изменением давления рабочего тела в пространстве между заслонкой и поршнем в цилиндре предварительного расширения; заслонку открывают в момент, когда давление рабочего тела в пространстве между закрытой заслонкой и поршнем становится равным заданному значению, меньшему или равному давлению на впуске от компрессора сжатого воздуха или рабочей смеси; в промежутке времени между открытием и последующим закрытием заслонки в камере сгорания с помощью компрессора осуществляют формирование заряда сжатой рабочей горючей смеси, после чего инициализируют процесс сгорания; заслонку закрывают в момент, когда давление рабочего тела в результате инициализации процесса сгорания превысит заданное значение; в промежутке времени между закрытием и последующим открытием заслонки осуществляют предварительное расширение рабочего тела; в момент завершения прямого хода поршня камеру сгорания переключают на другой цилиндр предварительного расширения, а в процессе обратного хода поршня осуществляют последующее расширение рабочего тела в цилиндр последующего расширения большего объема; в процессе обратного хода поршня в цилиндре последующего расширения осуществляют выпуск отработанного рабочего тела.

3. Двигатель внутреннего сгорания, включающий последовательно компрессор, камеру сгорания, цилиндры предварительного расширения, цилиндры последующего расширения, систему автоматического управления газообменом между камерой сгорания и цилиндрами предварительного расширения, между цилиндрами предварительного и последующего расширения и между цилиндрами последующего расширения и внешней средой, механизм отбора мощности, отличающийся тем, что используется пульсирующая камера сгорания, которая генерирует дискретный рабочий газовый поток, аккумулирующий на протяжении полного хода поршня в цилиндре предварительного расширения рабочее тело с давлением не ниже давления сжатия и с плотностью, меньшей плотности сжатия в компрессоре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению и преимущественно для автомобилей, тракторов и т.п.

Далее ДВС - двигатель внутреннего сгорания. Известны (далее - аналоги) способ осуществления рабочего цикла и устройство ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме, используемые в современных поршневых бензиновых и газовых ДВС [1, 2].

Практический интерес к этим ДВС обусловлен тем, что рабочий цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) является хорошим приближением к теоретическому циклу Карно, обеспечивающему наибольший коэффициент полезного действия (далее - КПД) по сравнению с другими возможными рабочими циклами тепловых машин, работающих с фиксированной массой рабочего тела в односвязном рабочем пространстве с ограниченно-переменным объемом (в данном случае - в рабочих цилиндрах с подвижным поршнем).

Недостаток вышеуказанных аналогов - существенные и принципиально невосполнимые при таком способе осуществления рабочего цикла ДВС энергетические потери в процессах сжатия и расширения, определяющих энергетический баланс двигателя. Кроме того, цикл Отто накладывает существенные ограничения на свойства топлива, способ смесеобразования и термодинамические параметры генерируемого рабочего тела и в конечном итоге на результирующие индикаторные и эффективные показатели традиционного поршневого двигателя.

Наиболее близко к предлагаемым способу осуществления рабочего цикла и устройству пульсирующего ДВС стоят известные (далее - прототипы) способ осуществления рабочего цикла и устройство пятитактного ДВС (патент RU 2326250 C1: А.Ф.Равич, В.Н.Опрышко, А.С.Кутин. Способ осуществления и устройство пятитактного двигателя внутреннего сгорания). В этом ДВС рабочим телом является стационарный газовый поток, генерируемый последовательностью (компрессор камера сгорания постоянного давления), а в качестве преобразователей энергии рабочего газового потока в полезную работу используются цилиндры предварительного расширения и цилиндры последующего расширения. В процессе предварительного расширения освобождаемое движущимся поршнем пространство цилиндра синхронно замещается соответствующей новой массой рабочего тела из камеры сгорания, т.е. работает переменная аккумулирующаяся масса рабочего тела. При определенном соотношении расхода рабочего тела за полный ход поршня и объема цилиндра давление и плотность рабочего тела в течение этого процесса будут постоянными (такими же, как в камере сгорания) и осуществляется рекуперация части энергии, потраченной на сжатие воздуха в компрессоре. В цилиндре последующего расширения большего объема осуществляется процесс политропного расширения рабочего тела, отработанного в цилиндре предварительного расширения. При одинаковом расходе рабочего тела и при прочих равных исходных условиях данный двигатель теоретически существенно (на 15-30%) превосходит традиционный поршневой ДВС по основным индикаторным показателям - КПД, мощности и удельному расходу топлива. Недостаток прототипов - энергетические потери в процессе расширения. Кроме того, при реализации пятитактного ДВС с центробежным или осевым компрессором должна быть предусмотрена противопомпажная автоматика, обеспечивающая предотвращение в «нерасчетном» режиме возможного реверса из камеры сгорания в компрессор (помпаж).

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение удельной (на единицу массы рабочего тела) полезной энергоотдачи рабочего цикла ДВС за счет частичной рекуперации энергетических потерь в процессах сжатия и расширения.

Это означает превосходство по КПД, мощности и удельному расходу топлива по сравнению с аналогами и прототипами при одинаковом расходе рабочего тела и при прочих равных исходных условиях.

Обозначенный выше технический результат обеспечивает предлагаемый способ осуществления рабочего цикла в двигателе внутреннего сгорания, включающий последовательно:

процесс генерации рабочего тела

посредством компрессора, устройства подачи топлива и камеры сгорания,

процесс аккумуляции и предварительного расширения рабочего тела в цилиндре предварительного расширения,

процесс термодинамического последующего расширения рабочего тела из цилиндра предварительного расширения

в цилиндр последующего расширения,

процесс выпуска отработанного рабочего тела

из цилиндра последующего расширения,

и отличающийся от прототипа тем, что

процесс генерации рабочего тела осуществляют дискретно, последовательно аккумулируя, на протяжении полного хода поршня, в цилиндре предварительного расширения квантованные порции рабочего тела, генерируемые посредством пульсирующей камеры сгорания серией микропроцессов генерации, включающих последовательно формирование рабочей смеси, сгорание рабочей смеси при постоянном объеме и термодинамическое расширение рабочего тела.

Обозначенный выше технический результат обеспечивает предлагаемый двигатель внутреннего сгорания,

включающий последовательно:

компрессор,

камеру сгорания,

цилиндры предварительного расширения,

цилиндры последующего расширения,

систему автоматического управления газообменом между камерой сгорания и цилиндрами предварительного расширения, между цилиндрами предварительного и последующего расширения и между цилиндрами последующего расширения и внешней средой,

механизм отбора мощности,

и отличающийся от прототипа тем, что

вместо камеры сгорания постоянного давления используется пульсирующая камера сгорания, которая генерирует дискретный рабочий газовый поток, аккумулирующий на протяжении полного хода поршня в цилиндре предварительного расширения рабочее тело с давлением не ниже давления сжатия и с плотностью, меньшей плотности сжатия в компрессоре.

Пульсирующая камера сгорания включает заслонку на впуске, с определенной частотой перекрывающей или открывающей канал (компрессор камера сгорания) на протяжении полного хода поршня, и автоматическое устройство-синхронизатор, управляющее опциями заслонки, реагируя на изменение давления рабочего тела в пространстве между заслонкой и поршнем в цилиндре предварительного расширения;

заслонку открывают в момент, когда давление рабочего тела в пространстве между закрытой заслонкой и поршнем становится равным заданному значению, меньшему или равному давлению на впуске от компрессора сжатого воздуха или рабочей смеси;

в промежутке времени между открытием и последующим закрытием заслонки в камере сгорания с помощью компрессора осуществляют формирование заряда сжатой рабочей горючей смеси, после чего инициализируют процесс сгорания;

заслонку закрывают в момент, когда давление рабочего тела в результате инициализации процесса сгорания превысит заданное значение;

в промежутке времени между закрытием и последующим открытием заслонки осуществляют предварительное расширение рабочего тела;

в момент завершения прямого хода поршня камеру сгорания переключают на другой цилиндр предварительного расширения, а в процессе обратного хода поршня осуществляют последующее расширение рабочего тела в цилиндр последующего расширения большего объема;

в процессе обратного хода поршня в цилиндре последующего расширения осуществляют выпуск отработанного рабочего тела.

Далее излагается теоретическое обоснование изобретения, включая термодинамический анализ и оценку конкурентноспособности предлагаемого двигателя.

Рассматривается минимальная конфигурация предлагаемого двигателя, состоящая из двух тандем-блоков, включающих последовательно два цилиндра предварительного и последующего расширения.

Принципиальная схема такой конфигурации двигателя отображена на фиг.1. Таблица на фиг.2 показывает динамику состояний элементов силового агрегата в период двух последующих фаз рабочего цикла, в процессе которых рабочие объемы цилиндров монотонно изменяются от нуля до максимума (прямой ход поршня) и обратно (обратный ход поршня) или наоборот.

Из данной таблицы видно, что за один синхронный ход поршней в цилиндрах предлагаемого двигателя минимальной конфигурации осуществляется два рабочих хода.

Термодинамический анализ пульсирующего ДВС

Далее приняты следующие сокращения и обозначения:

КС - пульсирующая камера сгорания,

Ц1 - первый рабочий цилиндр предварительного расширения;

Ц2 - второй рабочий цилиндр последующего расширения;

PC - рабочая смесь (воздух + топливо в начале процесса сгорания),

РТ - рабочее тело (продукты сгорания в процессе расширения);

p - давление (МПа), r - плотность (кг/м³ ), Т - температура (К),

t - время (с), v - скорость (м /с),

V - объем (м³),

G - расход топлива, воздуха, РТ (за ход поршня кг, секундный кг/с),

q - удельное количество теплоты (МДж/кг рабочего тела);

индексы _{а, с, b, z, d, e} обозначают соответственно:

_а - параметры воздуха на входе в компрессор,

_с - процесс сжатия воздуха в компрессоре,

_b - процесс впуска сжатого воздуха от компрессора,

_z - процесс подвода теплоты в КС,

_k - процесс аккумуляции продуктов сгорания,

_d - процесс предварительного расширения РТ в Ц1,

_e - процесс последующего расширения РТ в (Ц1 Ц2).

Исходные данные:

a) параметры воздуха на впуске r_a, p_a, T _a, степень сжатия воздуха ,

b) min (воздух/топливо) полного сгорания m_af (кг/кг), коэффициент избытка воздуха ,

c) секундный расход топлива G_f =const, расход топлива за ход поршня G_fS,

d) ход поршня S (м),

e) удельное количество подведенной теплоты q (МДж/кг РТ),

f) частота пульсации КС (Гц).

Скорость поршня v_p. С целью упрощения анализа далее принято условие v_p=const.

Способ формирования заряда рабочей горючей смеси

Далее принята схема распределенного впрыска жидкого топлива в процессе впуска сжатого воздуха от компрессора, обеспечивающая формирование заряда рабочей горючей смеси непосредственно в КС.

Расход воздуха и рабочего тела

Расход воздуха секундный G_a (кг/с), за ход поршня G_aS (кг):

G_a=G_f·m _а=const, G_aS=G_fS·m_a , где

m_a= ·m_af.

Расход РТ секундный G_z (кг/с), за ход поршня G_zS (кг):

G_z=G_f+G_a=G_f·m _z=const, G_zS=G_fS+G_aS=G _fS·m_z (кг), где

m_z =1+m_a.

Рабочие процессы

Процесс сжатия воздуха в компрессоре

Начальное состояние процесса: p_а, r_а, Т_а ; конечное состояние:

, , , где n_c - показатель политропы сжатия.

Процесс впуска сжатого воздуха от компрессора

В процессе впуска сжатый воздух от компрессора вытесняет из КС отработанные ранее продукты сгорания в освобождаемое поршнем пространство Ц1. Синхронизация опций заслонки с движением поршня (детали ниже) обеспечивает осуществление процесса при постоянных давлении и плотности: p_b=const=p_c, r _b=const=r_с.

Процесс предварительного расширения.

Начальное состояние процесса определяется конечным состоянием процесса подвода теплоты в КС:

r_z=r_c·(m_z/m_a ), p_z=p_c·µ·(T_z /T_c), где m_a, m_z определено выше, µ=R_z/R_c, R_c, R _z - удельная газовая постоянная, соответственно РС, РТ (МДж/(кг·К)); температура T_z находится из известного уравнения сгорания для случая подвода теплоты при постоянном объеме

_z· q=u_z-u_c, где

_z<1 - коэффициент использования теплоты,

q - удельное количество подведенной теплоты (МДж/кг рабочего тела),

u_z=(R_z/R)·mcV[T ₀,T_z]·(T_z-T₀), u _c=(R_c/R)·mcV[T₀,T_c ]·(T_c-T₀) - количество внутренней энергии в соответственно конце, начале процесса, mcV[T₀ ,T]=mcV₀(T-T₀, ) - табличная теплоемкость РТ (МДж/(кмоль·К)) в интервале температур [Т₀, Т],

Т₀=273.15 K,

R=10^-3·8.3144(3) МДж/кмоль·К - универсальная газовая постоянная.

Конечное состояние процесса предварительного расширения:

, , где

=p_z/p_c, n_d - показатель политропы предварительного расширения.

Процесс аккумуляции отработанного рабочего тела в цилиндре предварительного расширения

В момент завершения процесса предварительного расширения соответствующая очередная порция рабочего тела присоединяется к массе отработанного ранее рабочего тела в Ц1. Синхронизация опций заслонки с движением поршня (детали ниже) обеспечивает осуществление этого процесса при постоянных давлении и плотности:

p_k=const=p_c, r_k=const=r _d.

Процесс последующего расширения

Начальное состояние процесса: p_d=p_c, r _d, Т_d; конечное состояние:

, , где

V₂>V₁ - заданный объем Ц2, V₁ - объем Ц1,

=r_d/r_е,

n_е - показатель политропы последующего расширения.

Синхронизация рабочих процессов

Синхронизация рабочих процессов в предлагаемом двигателе обеспечивает нижний уровень давления в Ц1, превышающий давление сжатия p_с , на протяжении полного хода поршня.

Интервал времени полного хода поршня:

t_S=S/v _p=G_fS/G_f=G_aS/G_a =G_zS/G_z (c).

Период и число пульсаций

Период пульсации:

t =1/ (с).

Число пульсаций КС за полный ход поршня:

c =t_S/t =t_S· .

Далее, с целью упрощения анализа принято, что период пульсации t согласуется с периодом рабочего цикла, т.е. в интервал времени полного хода поршня «укладывается» целое число пульсаций:

c =integer.

Параметры заряда воздуха

Масса, объем (= объем КС) соответственно:

G_b=G_aS/c , V_c= G_b/r_c.

Синхронизация объемов освобождаемого поршнем пространства

В предлагаемом двигателе процессы впуска и предварительного расширения синхронизированы с ходом поршня так, что давление р_c и плотность r_d перемещаемого (отработанного в процессах предыдущих пульсаций) РТ не изменяются. Такая синхронизация обеспечивается при следующих значениях соответствующих объемов V_b, V_d освобождаемого поршнем пространства Ц1:

(впуск)

V_b=V_c,

(предварительное расширение)

.

С каждой последующей пульсацией масса отработанного рабочего тела (продуктов сгорания) в Ц1 возрастает на величину:

G_k=G_zS/c

Синхронно, на величину

V_k=V₁/c ,

увеличивается объем освобождаемого поршнем пространства в Ц1.

С учетом данных выше условий синхронизации:

.

При этом:

r_k = G_k/ V_k=r_d,

p_k =p_c.

Объем цилиндра предварительного расширения

Из предыдущего следует:

.

Интервалы времени процессов впуска и предварительного расширения

Из предыдущего для соответствующих интервалов времени t_b и t_d следует (s_b и s_d - соответствующие интервалы хода поршня):

. C другой стороны:

t_b+t _d=t .

Искомые интервалы времени:

, .

Данные формулы обеспечивают полный расчет предлагаемого двигателя исходя из данных пульсирующей камеры сгорания, или, наоборот, полный расчет пульсирующей камеры сгорания исходя из данных рабочих цилиндров.

Удельная работа цикла

Далее определяется (теоретическая индикаторная) удельная (на 1 кг РТ) работа I_i предлагаемого цикла:

I_i=I₁+I_e , где

I₁ - результирующая удельная работа процессов

в компрессоре и в рабочем пространстве (КС Ц1),

I_e - удельная работа процесса последующего расширения в (Ц1 Ц2).

Удельная работа процесса сжатия воздуха в компрессоре:

I_c=-(p_c/r _c-p_а/r_а)/(n_с-1)·(m _а/m_z)<0.

Удельная работа процессов в рабочем пространстве

(камера сгорания первый цилиндр)

В рабочем пространстве (КС Ц1) действуют три процесса:

_b - процесс впуска сжатого воздуха от компрессора,

_d - процесс предварительного расширения РТ в результате сгорания в КС заряда рабочей горючей смеси,

_k - процесс аккумуляции отработанного РТ.

Из данного выше термодинамического анализа следует:

I_b=(p_c/r_c)·(m_a /m_z),

I_d=(p_z /r_z-р_c/r_d)/(n-1),

I_k=p_c/r_d.

Перечисленные процессы осуществляются при возрастающем изменении рабочего объема в Ц1 и поэтому дают положительный вклад в результирующую удельную работу I₁.

Результирующая удельная работа процессов в компрессоре и в рабочем пространстве (камера сгорания первый цилиндр)

Из предыдущего следует:

I₁=I_b+I_d+I _k+I_c, I_b, I_d, I_k >0, I_c<0.

Удельная работа процесса последующего расширения в (Ц1 Ц2):

с учетом отрицательной работы расширения в Ц1 (против движения поршня) I_e=(p_c/r _d-р_e/r_е)/(n_е-1), где р _c, r_d, р_е, r_е, n_е определено выше.

Искомая удельная работа цикла:

I_i=I_b+I_k+I _d+I_e+I_с, где все слагаемые определены выше,

I_b, I_k, I_d , I_e>0, I_с<0.

Оценка конкурентноспособности

Постановка задачи

Объекты сравнительного анализа

Прототип ₍₁₎ - обычный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий по термодинамическому циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const).

Проект ₍₂₎ - предлагаемый пульсирующий ДВС.

Способ сравнения

Сравнение значений теоретической (индикаторной) удельной (на 1 кг РТ) работы цикла прототипа I_i(1) и проекта I_i(2) при исходных условиях, уравнивающих «стартовые» параметры рабочего тела.

Исходные условия

Для прототипа и проекта должны быть одинаковы:

параметры воздуха на впуске р _a, r_а, Т_а, степень сжатия воздуха , топливо, коэффициент избытка воздуха ,

удельное количество подводимой теплоты q (МДж/кг РТ),

параметры РТ на выпуске р_е, r_е, Т_е (определяются заданием объема Ц2).

Сравнительный анализ

Далее «удельная работа» = «теоретическая удельная работа».

Удельная работа цикла прототипа

I_i(1)=I_w(1)+I_c(1) , где

I_w(1), I_с(1) - удельная работа, соответственно расширения РТ, сжатия воздуха.

I_c(1)=-(p_с(1)/r_с(1)-p_а(1) /r_а(1))/(n_с(1)-1)·(m_а(1) /m_z(1))<0.

Для последующего сравнения с проектом процесс (z₍₁₎ е₍₁₎) расширения РТ в прототипе далее рассматривается как последовательность двух составляющих подпроцессов (z ₍₁₎ d₍₁₎) и (d₍₁₎ e₍₁₎), где

z₍₁₎ - начальное состояние процесса с параметрами р_z, r _z(1), T_z(1),

e₍₁₎ - конечное состояние процесса с параметрами p_e(1) , r_e(1), T_e(1),

d₍₁₎ - промежуточное состояние процесса с параметрами p_d(1) =p_c(1), r_d(1), T_d(1).

Из предыдущего следует:

I_w(1)=I _d(1)+I_e(1), где

I_d(1) =(p_z(1)/r_z(1)-p_c(1)/r_d(1) )/(n_d(1)-1),

I_e(1)=(p _c(1)/r_d(1)-p_e(1)/r_e(1) )/(n_e(1)-1),

n_d(1), n _e(1) - показатели политропы в соответствующих подпроцессах.

Таким образом:

I_i(1)=I _d(1)+I_e(1)+I_c(1), где все слагаемые определены выше, I_d(1), I_e(1)>0, I _c(1)<0.

Удельная работа цикла проекта

Из данного выше термодинамического анализа следует:

I_i(2)=I_b+I_k+I _d(2)+I_e(2)+I_c(2), где

I_b=(p_с(2)/r_с(2))·(m _а(2)/m_z(2)), I_k=p_с(2)/r _d(2),

I_d(2)=(p_z(2) /r_z(2)-p_c(2)/r_d(2))/(n_d(2) -1),

I_e(2)=(p_c(2)/r _d(2)-p_e(2)/r_e(2))/(n_e(2) -1),

I_c(2)=-(p_c(2)/r _c(2)-p_a(2)/r_a(2))/(n_c(2) -1)·(m_a(2)/m_z(2)),

Абсолютная сравнительная оценка

Абсолютная сравнительная оценка

I_i=I_i(2)-I_i(1)

находится на основании данного выше термодинамического анализа предлагаемого ДВС и принятых исходных условий сравнения, из которых следует

₍₁₎= ₍₂₎= для

=p_а, r_а, m_а, m_z , p_с, r_с, n_с, p_z, r_z, р_d, r_d, n_d, р _е, r_е, n_е, I_d, I_e , I_c.

Искомая оценка:

.

Относительная сравнительная оценка

Относительная сравнительная оценка:

I_i=I_i(2)/I_i(1)

находится исходя из принятых исходных условий сравнения, данной выше абсолютной сравнительной оценки I_i и термодинамического анализа прототипа, из которого следует:

n_z - показатель политропы расширения РТ в прототипе.

Искомая оценка:

.

На фиг.3 представлены результаты компьютерного расчета I_i; в виде индексированного семейства графиков I_i( )_{[ ]} для 4-тактного прототипа, определенного данными, указанными ниже в описании иллюстраций.

Оценки КПД, мощности, удельного расхода топлива.

Индикаторные параметры КПД _i, мощность N_i, удельный расход топлива g_i являются функциями удельной индикаторной работы I_i:

_i=I_i/ q=(I_i/H_u)·m_z,

N_i=I_i·G_z=I _i·G_f·m_z (МВт),

g_i=G_f/N_i=1/(I_i·m _z) (кг/(МВт·с)), где

Н_u - низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг топлива),

m_z, G_f, G_z, q определено выше.

Отсюда следуют относительные сравнительные оценки:

Иллюстрирующий пример

На фиг.4.-7 представлены результаты компьютерного расчета теоретических индикаторных параметров проекта в виде индексированных

семейств графиков функций f( )_{[ ]}, где f= _i, N_i, g_i для 4-тактного прототипа, определенного данными, указанными ниже в описании иллюстраций.

Эффекты рекуперации

Рабочий баланс традиционного ДВС включает энергетические потери в процессах сжатия и расширения, обусловленные известным способом преобразования подведенной теплоты в полезную механическую работу. Этот способ базируется на термодинамике фиксированной массы рабочего тела и принципиально исключает возможность восполнить указанные потери.

В предлагаемом ДВС процессы впуска сжатого воздуха от компрессора и аккумуляции отработанных продуктов сгорания обеспечивают рекуперацию части обозначенных выше энергетических потерь.

Оценки эффекта рекуперации энергетических потерь в процессе сжатия

Абсолютная оценка энергетических потерь в процессе сжатия:

_c=-I_c=(р_c/r_с -p_а/r_а)/(n_с-1)·(m_а /m_z).

Абсолютная оценка рекуперируемой энергии в процессе впуска воздуха от компрессора:

_с=р_c/r_c.

Из предыдущего следует относительная оценка эффекта рекуперации для процесса сжатия:

.

Реально n_c>1.33, откуда

_c>30%.

Оценки эффекта рекуперации энергетических потерь в процессе расширения

Абсолютная оценка энергетических потерь в процессе расширения:

_е=(p_е/r_e)/(n_z -1).

Абсолютная оценка рекуперируемой энергии в процессе аккумуляции отработанных продуктов сгорания:

p_e=p_c/r_d.

Из предыдущего следует относительная оценка эффекта рекуперации для процесса расширения:

.

Реально и n_z>1.25, откуда

_е>25%.

Описание иллюстраций

Фиг.1 - принципиальная схема предлагаемой конструкции.

Показаны две последовательные фазы рабочего цикла двигателя; цифры в круглых рамках:

- компрессор,

- пульсирующая камера сгорания,

- цилиндры предварительного расширения,

- цилиндры последующего расширения,

- заслонка на впуске пульсирующей камеры сгорания,

- воздух окружающей среды,

- топливо,

- рабочее тело;

цифры в квадратных рамках:

1	- впуск,
2	- сжатие,
3	- предварительное расширение,
4	- последующее расширение,
5	- выпуск.

Фиг.2 - таблица динамики состояний элементов силового агрегата:

1 - расширение - процесс впуск - предварительное расширение,

2 - расширение - процесс последующего расширения.

Значения состояний показаны в виде «двухэтажной» дроби: соответственно числитель - первая фаза, знаменатель - вторая фаза рабочего цикла. Стрелки показывают направление изменения рабочего объема цилиндра: - возрастание, - убывание, большая стрелка - рабочий ход поршня.

Фиг.3 - относительная сравнительная оценка I_i.

Данные прототипа:

i (число цилиндров) = 4, распределенный впрыск топлива, топливо-бензин, S=0.77 м, D (диаметр поршня) = 0.8 м, T_a=299 K, p _a=0.0866, _z=0.85.

Фиг. 4-6 - результаты расчета теоретических индикаторных параметров:

Фиг. 4 - индикаторный КПД _i

Фиг. 5 - индикаторная мощность N_i.

Фиг. 6 - индикаторный удельный расход топлива g_i.

Исходные данные прототипа - те же, что и к фиг.3, ₍₁₎=11, ₍₁₎=1.

Данные ₍₁₎, _i(1), N_i(1), g_i(1) отмечены подчеркнутыми значениями на координатных шкалах и соответствующими координатными линиями.

Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. В.Н.Луканина и М.Г.Шатрова. М.: Высшая школа, 2010. Кн.1: Теория рабочих процессов.

2. А.И.Колчин, В.П.Демидов. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 2008.