EA036869B1 - Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, работающих преимущественно в условиях номинальной нагрузки. Задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания с повышенной степенью расширения и снижение токсичности отработавших газов. Указанная техническая задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов содержит по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров с параллельно движущимися поршнями, работающими в противофазе с поршнями расширительных цилиндров, коленчатый вал и головку цилиндров с клапанами, при этом в головке каждого расширительного цилиндра наряду с выпускным клапаном установлен по меньшей мере один продувочный клапан, соединенный трубопроводом с продувочным насосом, а рабочий объем расширительных цилиндров превышает объем рабочих цилиндров. Выпускной и продувочный клапаны расширительного цилиндра разделены лопаткой, диаметрально установленной на головке расширительного цилиндра, а в днище поршня расширительного цилиндра выполнено углубление, повторяющее геометрическую форму лопатки.

Description

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, работающих преимущественно в условиях номинальной нагрузки.

Известен двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов путем всасывания рабочего заряда в один из двух смещенных по фазе на 360° рабочих цилиндров, его сжатия, воспламенения рабочего заряда и сгорания, расширения продуктов сгорания, перепуска их при движении поршня рабочего цилиндра к верхней мертвой точке через перепускной канал в расширительный цилиндр, дополнительного расширения в последнем продуктов сгорания с последующим выпуском отработавших газов в выпускной коллектор[1].

По известному способу работы теплового двигателя дополнительное расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре увеличивает работу от расширения рабочих газов, а, следовательно, повышает экономичность двигателя внутреннего сгорания. Главным недостатком донного двигателя является то, что во время выпуска значительная часть тепловой энергии отработавших газов из-за их высокой температуры (1200-1450°С) теряется во время их перемещения из рабочего цилиндра в расширительный цилиндр и выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами горения топлива. В это время остывают: расширительный цилиндр, его поршень и соединительные патрубки, поэтому при следующем рабочем цикле двигателя большая часть теплоты отработавших газов расходуется на нагрев этих деталей. Вместе с тем отработавшие газы, покидающие расширительный цилиндр содержат не меньшее количество токсичных веществ и сажи, чем традиционный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем поочередного наполнения одного из двух смещенных по фазе на 360° поворота коленчатого вала рабочих цилиндров рабочим зарядом, его сжатия, сгорания, расширения и перепуска продуктов сгорания при движении поршня рабочего цилиндра к верхней мертвой точке через перепускной канал в расширительные цилиндры, работающие в противофазе с рабочими, выполненные с объемом, превышающим объем рабочего цилиндра, дополнительного расширения последних продуктов сгорания с последующим выпуском отработавших газов в выпускной коллектор, при этом в конце выпуска отработавших газов из расширительных цилиндров их продувают свежим воздухом, который при движении поршней расширительных цилиндров к верхней мертвой точке сжимают и вытесняют по перепускному каналу в рабочий цилиндр, где нагревают продуктами сгорания за счет их смешивания, дожигания не успевшего сгореть топлива и охлаждения сильно нагретых деталей камеры сгорания, а при обратном ходе поршней расширительных цилиндров к нижней мертвой точке сжатый и нагретый продувочный воздух расширяют вместе с продуктами сгорания рабочего цилиндра и выпускают при продувке расширительных цилиндров, при этом перепускной канал открывают в момент выравнивания давлений в рабочем и расширительных цилиндрах, а закрывают одновременно с закрытием выпускных органов расширительных цилиндров.

Двигатель внутреннего сгорания с повышенной степенью расширения содержит по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров и двух сообщенных между собой расширительных цилиндров, поршни рабочих цилиндров и поршни расширительных цилиндров, кинематически связанные с одним коленчатым валом и смещенные по фазе вращения на угол 180° поворота кривошипа, и головку цилиндров с впускными, перепускными и выпускными клапанами с каналами. Расширительные цилиндры снабжены продувочными окнами, сообщенными с продувочным насосом, который, в свою очередь, посредством трубопроводов соединен с впускными каналами рабочих цилиндров [2].

Основным недостатком данного двигателя является продувка расширительных цилиндров чистым воздухом через продувочные окна, выполненные в расширительных цилиндрах. Это усложняет конструкцию расширительных цилиндров, увеличивает габарит и вес поршней, а самое главное приводит к повышенному расходу картерного масла и попадание его в продувочный воздух и окружающую среду, что негативно сказывается на токсичности отработавших газов двигателя.

Известен комбинированный поршневой двигатель, содержащий два крайних и два средних одинаковых цилиндра с расположенными в них поршнями, связанными с коленчатым валом, впускные и выпускные клапаны, каналы для прохода воздуха в цилиндры и выпуска из них горячего газа, отличающийся тем, что он содержит золотниковый распределитель потоков воздуха, в первой позиции которого воздух пропускается во все цилиндры при увеличении их объема при открытом впускном клапане, а во второй позиции воздух пропускается в крайние цилиндры, и золотниковый распределитель потоков горячего газа, в первой позиции которого горячий газ выпускается наружу из всех цилиндров, а во второй позиции горячий газ перепускается из крайних цилиндров при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане в средние цилиндры при увеличении в них объема [3].

В этом двигателе дополнительное расширение продуктов сгорания в средних цилиндрах увеличивает работу от расширения рабочих газов, а, следовательно, повышает экономичность двигателя внутреннего сгорания лишь в первом варианте, только при работе на частичных нагрузках. При этом во время их перемещения из рабочего цилиндра в средние цилиндры значительная часть тепловой энергии отработавших газов из-за их высокой температуры (1200-1450°С) теряется и выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами горения топлива. В это время остывают средние цилиндры, поршни и соединительные патрубки, поэтому при следующем рабочем цикле двигателя большая часть теплоты отработавших

- 1 036869 газов расходуется на нагрев этих деталей. Вместе с тем отработавшие газы, покидающие средние цилиндры содержат не меньшее количество токсичных веществ и сажи, чем во время работы двигателя в первом варианте (при работе на номинальной мощности) как традиционный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания с повышенной степенью расширения и снижение токсичности отработавших газов.

Указанная техническая задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов, содержащий по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров с параллельно движущимися поршнями, работающими в противофазе с поршнями расширительных цилиндров, коленчатый вал и головку цилиндров с клапанами, при этом в головке каждого расширительного цилиндра наряду с выпускным клапаном установлен по меньшей мере один продувочный клапан, соединенный трубопроводом с продувочным насосом, а рабочий объем расширительных цилиндров превышает объем рабочих цилиндров. Выпускной и продувочный клапаны расширительного цилиндра разделены лопаткой диаметрально установленной на головке расширительного цилиндра, а в днище поршня расширительного цилиндра выполнено углубление, повторяющее геометрическую форму лопатки.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы двигателя внутреннего сгорания, работающего по предлагаемому способу. На фиг. 1 - схема двигателя с двумя расширительными цилиндрами. На фиг. 2 - схема двигателя с одним расширительным цилиндром (для удобства и наглядности рассмотрения сечение расширительного цилиндра повернуто в вертикальной плоскости вокруг оси цилиндра на 90°). На фиг. 3-10 отображена работа предлагаемого двигателя в очередности рабочих тактов. На фиг. 11 представлены индикаторные диаграммы рабочих циклов известных и предлагаемого двигателей внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов содержит по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров 1 и 2 с поршнями 3 и 4, и двух сообщенных между собой расширительных цилиндров 5 равного диаметра с параллельно движущимися поршнями 6, при этом поршни 3 и 4 и поршни 6 кинематически связаны с одним коленчатым валом 7, причем кривошипы поршней 6 смещены по отношению к двум кривошипам поршней 3 и 4 на угол 180°. Рабочий объем расширительных цилиндров 5 превышает суммарный рабочий объем рабочих цилиндров 1 и 2. Головки рабочих цилиндров 1 и 2 содержат впускные 8 и 9 и перепускные 10 и 11 клапаны, установленные в соответствующих каналах головок цилиндров. В головках расширительных цилиндров установлены выпускные клапаны 12 и продувочные клапаны 13 с каналами, сообщенными с продувочным насосом 14, который, в свою очередь, посредством трубопроводов соединен с впускными каналами рабочих цилиндров 1 и 2. Расширительные цилиндры 5 между собой и с рабочими цилиндрами 1 и 2 соединяются перепускным каналом 15. Выпускные 12 и продувочные 13 клапаны расширительных цилиндров 5 разделены лопаткой 16, диаметрально установленной на головках расширительных цилиндров 5. В днище поршня 6 расширительного цилиндра 5 выполнено углубление 17, повторяющее геометрическую форму лопатки 16. Топливо в рабочие цилиндры подается системой подачи топлива в соответствии с загрузкой двигателя.

Работа двигателя внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов осуществляется следующим образом.

На первом обороте коленчатого вала 7 при движении поршней 3 и 4 рабочих цилиндров 1 и 2 к нижней мертвой точке во время первого такта - в первом рабочем цилиндре 1 выполняют процесс впуска, заключающийся в наполнении рабочего цилиндра 1 свежим рабочим зарядом под некоторым избыточным давлением за счет наддува воздуха во впускной коллектор продувочным насосом 14 (фиг. 3). В то же время во втором рабочем цилиндре 2 выполняют рабочий ход, а в сообщенных между собой расширительных цилиндрах 5 заканчивают продувку и начинают сжатие чистого холодного воздуха. Для лучшей очистки расширительных цилиндров 5 от отработавших газов выпускные 12 и продувочные 13 клапаны расширительных цилиндров 5 разделены лопаткой 16, диаметрально установленной на головках расширительных цилиндров 5. Это позволяет в каждом расширительном цилиндре 5 эффективно осуществлять контурную продувку от отработавших газов с наименьшими расходами продувочного воздуха. Поток продувочного воздуха, поступающего в расширительный цилиндр 5 через продувочный клапан 13, направляется лопаткой 16 вниз цилиндра, обтекает поверхность поршня 6 и далее, двигаясь в верхнюю часть цилиндра 5 и описывая петлю, вытесняет продукты сгорания через выпускной клапан 12. Углубление 17 в поршне б повторяет геометрическую форму лопатки 16 и при движении поршня 6 к верхней мертвой точке лопатка 16 свободно входит в углубление 17 с небольшим зазором, не создавая сопротивления движению поршня. Следует отметить, что счет опережающего закрытия выпускных клапанов 12 продувочный воздух через еще открытые продувочные клапаны 13 наполнит расширительные цилиндры 5 с давлением немного больше атмосферного и обеспечит больший весовой заряд свежего воздуха в расширительных цилиндрах 5. При движении поршней расширительных цилиндров 5 к верхней мертвой точке, а поршней рабочих цилиндров 1 и 2 к нижней мертвой точке давление в цилиндрах 5 и 2 выровняется и откроется перепускной клапан 11. При дальнейшем движении поршней расширительных цилиндров 5 к верхней мертвой точке (фиг. 4) давление сжатого воздуха будет возрастать, и сжатый холодный воздух начнет вытесняться из расширительных цилиндров 5 по перепускному каналу 15 через открытый

- 2 036869 перепускной клапан 11 во второй рабочий цилиндр 2. В процессе прохождения сжатого воздуха в рабочий цилиндр 2 происходит его нагрев за счет охлаждения сильно нагретых деталей камеры сгорания, смешивания с горячими газами, догорания не успевшего сгореть топлива и выделения тепла вследствие окисления молекул СО, НО и т.п. В результате температура отработавших газов во втором рабочем цилиндре 2 резко снизится на 600-800С°, хотя давления газа в цилиндре 2 увеличится, за счет увеличения внутренней энергии и температуры большой массы поступившего сжатого продувочного воздуха, перемещенного из расширительных цилиндров 5. Вследствие этого процесса по завершению рабочего хода (фиг. 5) в рабочем цилиндре 2 вместо высокотоксичных отработавших газов обладающих очень высокой температурой получаем новое рабочее тело - сжатый чистый воздух с низким содержанием вредных веществ и обладающей значительной энергией, которую легко трансформировать в механическую работу с высоким КПД. Температура всей массы сжатого воздуха смешавшегося с горячими газами составит не более 600-700°С вместо имевшей место температуры отработавших газов в конце рабочего хода 13001500°С. Очевидно при такой высокой температуре отработавших газов их невозможно переправить в расширительные цилиндры без весьма существенных потерь энергии, перегрева перепускного клапана, перепускного канала и преждевременной передачи тепловой энергии отработавших газов охлаждающей жидкости. Новое рабочее тело (сжатый и нагретый продувочный воздух) имеет большую массу газа при относительно низкой температуре и позволяет без потери его внутренней энергии совершить при расширении в расширительных цилиндрах 5 еще один полезный рабочий ход. Кроме того, вследствие цикличного охлаждения сильно нагретых деталей сжатым воздухом потребуется самая простая система охлаждения двигателя (преимущественно воздушная), что упростит его конструкцию и уменьшит стоимость изготовления.

При обратном ходе поршней рабочих цилиндров 1 и 2 к верхней мертвой точке (фиг. 6) в течение второго такта в первом рабочем цилиндре 1 закрывают впускной клапан 8 и выполняют процесс сжатия рабочего заряда. В это время, в результате нагрева сжатого воздуха, давления газов в расширительных цилиндрах 5 повысится и начнется процесс расширения сжатого и нагретого продувочного воздуха перемешавшегося с продуктами сгорания второго рабочего цилиндра 2. В расширительных цилиндрах 5 эффективно совершается еще один рабочий ход. Вследствие чего полученная дополнительная полезная работа цикла по расчетам составит 80-110% от работы, полученной в рабочем цилиндре 2 во время такта - рабочий ход при сгорании топлива и расширении нагретых газов. С учетом затрат механической энергии на продувку расширительных цилиндров 5 и дополнительных механических потерь связанных с работой расширительных цилиндров 5 общий КПД двигателя внутреннего сгорания повысится на 25-50%, при работе его на номинальной мощности.

В конце хода расширительных цилиндров 5 к нижней мертвой точке (фиг. 7) первыми откроются выпускные клапаны 12 и холодные отработавшие газы покинут расширительные цилиндры 5. Причем, в связи с увеличенной степенью расширения остаточное давление в расширительных цилиндрах 5 в момент открытия выпускных клапанов 12 не превышает 2 кг/см², и газодинамический шум в первом периоде выпуска существенно снижается или почти отсутствует. Это позволит упростить конструкцию глушителя, снизить его гидравлическое сопротивление, уменьшить уровень шума в процессе выпуска и ускорить продувку расширительных цилиндров 5. При приближении поршней 6 расширительных цилиндров 5 к нижней мертвой точке и снижения давления отработавших газов в расширительных цилиндрах 5 до величины атмосферного открываются продувочные клапаны 13 и холодный продувочный воздух под избыточным давлением, развиваемым продувочным насосом 14, устремится в расширительные цилиндры 5. При этом отработавшие газы через открытые выпускные клапаны 12 вытесняются в выпускной коллектор, а расширительные цилиндры 5 заполняются свежим воздухом. Установленные между выпускными 12 и продувочными 13 клапанами лопатки 16 не позволяют продувочному воздуху смешиваться с отработавшими газами в верхней части расширительных цилиндров 5 и направляют поток свежего воздуха к днищу поршней 6. В то же время продувочный воздух через открывшийся впускной клапан 9 поступит в камеру сгорания второго рабочего цилиндра 2 и вытеснит остатки отработавших газов из камеры сгорания через пока открытый клапан 11 в перепускной канал 15 и далее в выпускной коллектор, обеспечивая, тем самым, полную очистку рабочего цилиндра 2 от продуктов сгорания. Следует отметить, что наличие большого количества свободного кислорода в составе отработавших газов, их невысокая температура повышают эффективность использования каталитических нейтрализаторов, увеличивает срок службы последних и позволяет на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания обеспечить полноту сгорания топлива до конечных безвредных для человека и окружающей среды продуктов сгорания.

На втором обороте вала двигателя и движении поршней 3 и 4 рабочих цилиндров 1 и 2 к нижней мертвой точке (фиг. 8) в первом рабочем цилиндре 1 в течение третьего такта выполняют рабочий ход при закрытых клапанах 8 и 10, во втором рабочем цилиндре 2 - процесс наполнения рабочим зарядом (описан выше). Параллельно с этим в расширительных цилиндрах 5 завершают продувку, при этом первыми закроются выпускные клапаны 12, а продувочные клапаны 13 еще некоторое время остаются открытыми, позволяя продувочному воздуху поступать в расширительные цилиндры 5, что увеличит массу воздуха в расширительных цилиндрах 5, подвергаемого сжатию. Далее продувочные клапаны 13 закры

- 3 036869 ваются и в расширительных цилиндрах 5 вновь производят сжатие продувочного воздуха, необходимого для трансформации энергии отработавших газов от одного рабочего тела ко второму при сохранении второго закона термодинамики. При достижении величины давления сжатия продувочного воздуха в расширительных цилиндрах 5 давлению продуктов сгорания в рабочем цилиндре 1 конструктивно возможную часть сжатого воздуха вытесняют поршнями 6 в рабочий цилиндр 1 для нагрева и дожигания не успевшего сгореть топлива. Остальная часть сжатого продувочного воздуха, зажатая в перепускных каналах 15 в момент прохождения поршнями расширительных цилиндров 5 верхней мертвой точки, будет нагреваться продуктами сгорания при их перепуске из рабочего цилиндра 1 в расширительные цилиндры 5 в процессе расширения. После прохождения поршнями мертвых точек и изменения направления движения в первом рабочем цилиндре 1 (фиг. 10) во время последнего четвертого такта рабочего цикла осуществляют выпуск продуктов сгорания и смешавшегося с ними нагретого продувочного воздуха в расширительные цилиндры 5. При этом вновь, второй раз за один рабочий цикл двигателя, в расширительных цилиндрах 5 выполнится Рабочий ход и трансформируется положительная работа газовой смеси. После открытия выпускных клапанов 12 и продувочных 13 производится выпуск отработавших газов и продувка расширительных цилиндров 5. В это же время в течение четвертого такта во втором рабочем цилиндре 2 закрывают перепускной клапан 11, выполняют процесс сжатия рабочего заряда и завершают полный четырехтактный цикл. Итак, за два оборота коленчатого вала в рабочих цилиндрах 1 и 2 совершается по одному четырехтактному рабочему циклу, а в расширительных цилиндрах 5 - по два двухтактных рабочих цикла. Следовательно, в предлагаемом четырехцилиндровом двигателе число рабочих ходов равно 4, что соответствует их количеству в традиционном четырехцилиндровом четырехтактном двигателе. Необходимо отметить, что топливо при этом подается только в два рабочих цилиндра и обеспечивается 4 рабочих хода.

На фиг. 11 представлены индикаторные диаграммы двигателей, работающих:

а - по циклу бензинового двигателя; b - по циклу компаундного двигателя; с и d - цикл предлагаемого двигателя, при этом d - цикл работы расширительных цилиндров.

В тепловых машинах действительный рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания можно подразделить на следующие пять процессов: 1) всасывание, 2) сжатие, 3) сгорание, 4) расширение, 5) выпуск.

Перечисленные процессы при осуществлении в реальном двигателе по времени соответствуют одному или двум оборотам коленчатого вала. Циклы a, b и с осуществляются в течение двух оборотов коленчатого вала, а рабочий цикл d осуществляется за один оборот коленчатого вала, используя тепловую энергию отработавших газов, которая по второму закону термодинамики неизбежна, должна быть, передана холодному источнику. Из рассмотрения площади, представленных индикаторных диаграмм нетрудно придти к заключению, что используя предлагаемый способ утилизации теплоты отработавших газов, заключающийся в передаче тепла отработавших газов другому рабочему телу теплоиспользование цикла возрастает. Наибольшую убедительность и наглядность дает сравнение циклов и их диаграмм. Работа газов в цилиндре рассматриваемых двигателей эквивалентна площади индикаторных диаграмм и совершенно очевидно, что

S3 + S₄ > S₂ > S_4<

Таким образом, количество тепла уносимого с отработавшими газами в предлагаемом двигателе снижается, а термический коэффициент полезного действия возрастает.

Суммируя изложенное, заключаем, что предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов обеспечивает существенное снижение токсичности и повышение экономичности на 25-50% за счет продувки расширительных цилиндров чистым воздухом, его сжатием, смешиванием с отработавшими газами непосредственно в рабочих цилиндрах двигателя и сжигания, при этом, не успевшего сгореть топлива, окисления токсичных компонентов отработавших газов СО, НО и других, а при обратном ходе, поршней расширительных цилиндров трансформации тепловой энергии полученного рабочего тела в механическую работу и крутящий момент на валу двигателя. Вместе с тем удельные параметры предлагаемого двигателя, такие как литровая мощность, металлоемкость и стоимость изготовления не уступают современному четырехтактному двигателю внутреннего сгорания при его высокой экономичности и экологической безопасности.

Источники информации, принятые во внимание:

1) Заявка ФРГ 3121301 А1, МПК F02B 41/08, 1983

2) Патент Республики Беларусь BY 8639 С1 МПК F02B 41/02, 2006

3) Патент РФ RU 2521704 С1 (10/07/2014)

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Двигатель внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов, содержащий по меньшей мере один модуль из двух рабочих цилиндров с параллельно движущимися поршнями и работающих в противофазе с поршнями рабочих цилиндров, расширительных цилиндров, выполненных с объемом, превышающим объем рабочих цилиндров, коленчатый вал и головку цилиндров с клапанами,

   - 4 036869 отличающийся тем, что рабочие и расширительные цилиндры связаны между собой перепускными каналами с установленными в них перепускными клапанами, а выпускные и продувочные клапаны расширительных цилиндров разделены лопатками, диаметрально установленными в головках расширительных цилиндров, при этом в днищах поршней расширительных цилиндров выполнено углубление, повторяющее геометрическую форму лопатки.