RU2125655C1

RU2125655C1 - Cyclic method of execution of rational working process cycle in engines

Info

Publication number: RU2125655C1
Application number: RU95104996A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Демин
Original assignee: Демин Николай Григорьевич
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1995-03-21
Publication date: 1999-01-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: rational cycle includes adiabatic compression of working medium when piston moves from BDC to preset position; isothermal compression in regenerative cooler when piston moves from preset position to TDC; burning of cold mixture delivered from regenerative cooler when piston moves from TDC to preset position; adiabatic expansion of working medium when piston moves from preset position to BDC. EFFECT: enhanced efficiency of working cycle of internal combustion engine. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области техники двигателей, к их способам работы - циклам. Способ работы двигателей - это совокупность процессов, совершаемых с рабочим телом - цикл, являющийся средством получения полезной работы и его экономичности. Мощность и экономичность двигателя определяются циклом, по которому он работает. The invention relates to the field of engine technology, to their methods of operation - cycles. The way the engines work is a set of processes performed with the working fluid — a cycle that is a means of obtaining useful work and its economy. Power and efficiency of the engine are determined by the cycle by which it operates.

Известные способы работы двигателей - циклы Отто, Дизеля, Сабатэ - широко представлены в научной, технической и учебной литературе. Вся история развития двигателей связана с повышением в них предварительной степени сжатия. Теоретически и экспериментально установлено, что мощность и экономичность двигателей возрастает с повышением степени сжатия. Поэтому в двигателях, работающих по циклу Отто, она возросла с 4 до 10, а в двигателях, работающих по циклу Дизеля, Сабатэ - с 12 до 20. При этом практика показала, что дальнейшее повышение степени сжатия в двигателях, работающих по этих циклам, ощутимых результатов не дает. Следовательно, повышение экономичности и мощности двигателей за счет повышения степеней сжатия прекратилось. Спрашивается, почему это произошло? Ответ на этот вопрос дает физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты. Согласно этого принципа в циклах должен быть предварительный процесс производства холода - без него теплота бесполезна. А для осуществления этого процесса требуется холодильник, как одна из составных частей двигателя. В циклах Отто, Дизеля, Сабатэ, по которым до настоящего времени работают двигатели, нет процесса производства холода и нет холодильника для его получения. Этим объясняется низкий КПД низкая мощность этих двигателей при достигнутых степенях сжатия с и резкое замедление роста их при дальнейшем повышении степеней сжатия выше небольших достигнутых. Известно, что предварительное сжатия может быть изотермическим или адиабатическим. До настоящего времени в соответствии с существующей термодинамической теорией тепловых машин во всех известных циклах принято адиабатическое, а не изотермическое сжатие, как это диктует физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты. Следовательно, чтобы решить вопрос дальнейшего развития тепловых машин за счет дальнейшего повышения степени сжатия необходимо было решить очень важный для науки и техники вопрос: каким должен быть предварительный процесс сжатия: адиабатическим, как это диктует существующая термодинамическая теория тепловых машин или изотермическим, как это диктует физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты? В настоящее время этот вопрос решен в пользу предварительно изотермического сжатия, как это диктует физическая сущность принципа получения движущей силы теплоты. Следовательно, встал вопрос: как практически осуществить изотермический процесс сжатия или иначе - процесс предварительного получения холода в двигателях. Known methods of engine operation - Otto, Diesel, Sabate cycles - are widely represented in scientific, technical and educational literature. The entire history of the development of engines is associated with an increase in their preliminary degree of compression. It has been theoretically and experimentally established that the power and efficiency of engines increases with increasing compression ratio. Therefore, in engines operating in the Otto cycle, it increased from 4 to 10, and in engines operating in the Diesel, Sabate cycle - from 12 to 20. Moreover, practice has shown that a further increase in the degree of compression in engines operating in these cycles does not give tangible results. Consequently, the increase in the efficiency and power of engines due to the increase in the degree of compression has stopped. The question is, why did this happen? The answer to this question is given by the physical essence of the principle of obtaining the driving force of heat. According to this principle, the cycles should have a preliminary process of producing cold - without it, heat is useless. And for the implementation of this process requires a refrigerator, as one of the components of the engine. In the cycles of Otto, Diesel, Sabate, according to which the engines are still operating, there is no process for producing cold and there is no refrigerator for its production. This explains the low efficiency and low power of these engines at achieved compression ratios c and a sharp slowdown in their growth with a further increase in compression ratios above the small ones achieved. It is known that pre-compression can be isothermal or adiabatic. To date, in accordance with the existing thermodynamic theory of heat engines, adiabatic rather than isothermal compression is accepted in all known cycles, as the physical essence of the principle of obtaining the driving force of heat dictates. Therefore, in order to solve the problem of further development of thermal machines by further increasing the degree of compression, it was necessary to solve a very important question for science and technology: what should be the preliminary compression process: adiabatic, as the current thermodynamic theory of thermal machines dictates, or isothermal, as physical the essence of the principle of obtaining the driving force of heat? Currently, this issue has been resolved in favor of pre-isothermal compression, as dictated by the physical nature of the principle of obtaining the driving force of heat. Consequently, the question arose: how to practically carry out the isothermal compression process, or otherwise, the process of preliminary obtaining cold in engines.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретения, состоит в дальнейшем повышении эффективности рабочего цикла двигателей. Для предварительного получения холода вместо принятого в термодинамике изотермического сжатия предложен рациональный изотермический процесс предварительного сжатия с помощью регенеративного холодильника. В этом случае изменяется и рабочий процесс сообщения теплоты. Он тоже получается рациональным. А совокупность рациональных процессов составляет рациональный цикл. В известном способе выполнения рациональных циклов регенеративный холодильник существует заблаговременно, как одна из составных частей теплового двигателя. Поэтому он действует за все время осуществления цикла. Это значит, что рациональный изотермический процесс сжатия совершается за время движения поршня от НМТ до ВМТ. Рациональный рабочий процесс сообщения рабочему телу теплоты совершается за время движения поршня от ВМТ до НМТ. А затем совершаются процессы в зависимости от тактности цикла. Предложен цикловой способ выполнения рационального цикла посредством циклового регионального холодильника, образующегося и действующего в заданный период осуществления цикла. В этом случае рациональный изотермический процесс сжатия длится от заданного положения поршня при сжатии до ВМТ. Рациональный рабочий процесс сообщения рабочему телу теплоты происходит за период от ВМТ до заданного при сжатии положения поршня. Затем от заданного положения поршня до НМТ совершается адиабатический процесс расширения рабочего тела. После этого совершаются процессы в зависимости от тактности цикла. The problem to which the present invention is directed is to further increase the efficiency of the duty cycle of engines. To obtain preliminary cold, instead of the isothermal compression adopted in the thermodynamics, a rational isothermal pre-compression process using a regenerative refrigerator is proposed. In this case, the heat transfer workflow also changes. It also turns out rational. And the totality of rational processes makes up a rational cycle. In the known method of performing rational cycles, a regenerative refrigerator exists in advance, as one of the components of a heat engine. Therefore, it is valid for the entire duration of the cycle. This means that a rational isothermal compression process occurs during the movement of the piston from BDC to TDC. A rational working process of communicating heat to the working fluid takes place during the movement of the piston from TDC to BDC. And then processes are performed depending on the cycle cycle. A cyclic method of performing a rational cycle by means of a cyclic regional refrigerator formed and operating in a given period of the cycle is proposed. In this case, a rational isothermal compression process lasts from a given piston position during compression to TDC. A rational working process of communicating heat to the working fluid occurs over the period from TDC to the piston position set during compression. Then, from the predetermined position of the piston to the BDC, the adiabatic process of expansion of the working fluid is performed. After this, processes are performed depending on the cycle cycle.

Если же предложенные способы выполнения рациональных циклов изложить с раскрытием сущности рациональных процессов, составляющих рациональный цикл, то это описание будет следующим: при выполнении рационального цикла по ранее заявленному способу осуществления рационального цикла рациональный изотермический процесс или близкий к нему осуществляется путем выталкивания и одновременно изотермически или близко к нему сжимаемого в присоединенном к цилиндру регенеративном холодильнике почти всего рабочего тела за период движения поршня от НМТ до ВМТ и лишь остающаяся в цилиндре масса рабочего тела, сжимавшаяся без охлаждения, но с замедленным ростом давления и температуры вследствие выталкивания части массы рабочего тела в регенеративный холодильник и одновременно изотермического сжатия в нем, при достижении ВМТ в небольшом количестве при давлении равном давлению в регенеративном холодильнике, будет сгоревшей и при движении поршня от ВМТ к НМТ будет обеспечивать горение холодного рабочего тела, выходящего из регенеративного холодильника по мере опускания поршня при движении от ВМТ до НМТ. А затем будет совершаться процессы в зависимости от тактности цикла. При выполнении рационального цикла по предлагаемому цикловому способу выполнения вначале от НМТ до заданного положения рабочее тело сжимается без охлаждения /адиабатически/, а за период от заданного положения поршня до ВМТ рабочее тело продолжает сжиматься и выталкиваться из цилиндра и одновременно изотермически сжиматься в регенеративном холодильнике, образующимся в этот период сжатия между стенкой цилиндра и цилиндрической частью головки поршня или между цилиндрической частью головки двигателя и цилиндрической частью головки поршня. В нем процессы происходят изотермически или близко к этому, в результате этого в процессе сжатия основная масса сжатого рабочего тела окажется в регенеративном холодильнике холодной, а небольшая часть, находившаяся вне регенеративного холодильника, сжимавшаяся без охлаждения с замедленным ростом давления и температуры, поэтому только при высоких степенях сжатия при достижении поршнем ВМТ будет сгоревшей и при движении поршня к НМТ в рабочем процессе будет обеспечивать горение холодной смеси, поступающей из циклового регенеративного холодильника по мере опускания поршня до момента, когда днище поршня совпадает с началом образования циклового регенеративного холодильника. В этот момент горение холодной смеси закончится. Цикловой регенеративный холодильник окажется превращенным в камеру сгорания с рабочим телом, получившим теплоту. С этого момента и до НМТ происходит адиабатический процесс расширения рабочего тела. А затем будут совершаться процессы в зависимости от тактности цикла. If the proposed methods for performing rational cycles are expounded with the disclosure of the essence of rational processes that make up the rational cycle, then this description will be as follows: when performing a rational cycle according to the previously declared method of implementing a rational cycle, a rational isothermal process or a process close to it is carried out by pushing out and at the same time isothermally or close it compresses almost the entire working fluid in the regenerative refrigerator attached to the cylinder during the period of movement of the piston t BDC to TDC and only the mass of the working fluid remaining in the cylinder, compressed without cooling, but with a slower increase in pressure and temperature due to the expulsion of part of the mass of the working fluid into the regenerative cooler and at the same time isothermal compression in it, when TDC is achieved in a small amount at a pressure equal to pressure in a regenerative refrigerator, it will be burned out and when the piston moves from TDC to BDC, it will provide combustion of a cold working fluid coming out of the regenerative refrigerator as the piston lowers when Movement, from the TDC to the BDC. And then the processes will be performed depending on the cycle cycle. When performing a rational cycle according to the proposed cyclic method of execution, initially, from the BDC to the specified position, the working fluid is compressed without cooling / adiabatically /, and during the period from the set position of the piston to the TDC, the working fluid continues to be compressed and pushed out of the cylinder and simultaneously isothermally compressed in the regenerative refrigerator formed during this compression period between the cylinder wall and the cylindrical part of the piston head or between the cylindrical part of the engine head and the cylindrical part of the pore head shnya. The processes in it occur isothermally or close to it, as a result of this, during the compression process, the bulk of the compressed working fluid will be cold in the regenerative refrigerator, and a small part located outside the regenerative refrigerator, compressed without cooling with a slow rise in pressure and temperature, therefore, only at high the compression ratio when the piston reaches the TDC will be burned out and when the piston moves to the BDC in the working process it will provide combustion of the cold mixture coming from the cyclic regenerative olodilnika as lowering the piston until the piston head coincides with the beginning of the formation of cyclic regenerative refrigerator. At this point, the combustion of the cold mixture will end. A cycle regenerative refrigerator will turn into a combustion chamber with a working fluid that has received heat. From this moment to the BDC, the adiabatic process of expansion of the working fluid occurs. And then the processes will be performed depending on the cycle cycle.

Фиг. 1. Принципиальная схема двухтактного двигателя, работающего по рациональному рабочему процессу /циклу/: начало сжатия рабочей смеси в цилиндре. FIG. 1. Schematic diagram of a two-stroke engine operating according to a rational working process / cycle /: the beginning of compression of the working mixture in the cylinder.

Фиг. 2. Принципиальная схема двухтактного двигателя, работающего по рациональному рабочему процессу /циклу/: образование циклового холодильника, конец сжатия, начало рабочего процесса. FIG. 2. Schematic diagram of a two-stroke engine operating according to a rational working process / cycle /: the formation of a cycle refrigerator, the end of compression, the beginning of the working process.

Фиг. 3 и 4. PV - диаграммы рационального цикла при различных способах выполнения его. FIG. 3 and 4. PV - diagrams of the rational cycle in various ways of performing it.

Возможность осуществления изотермического процесса сжатия в двигателях путем превращения его в рациональный изотермический процесс сжатия посредством регенеративного холодильника основана на фактах, подтверждающих теорию горения и детонацию газа: "Одна и та же смесь горит в широких трубах, но не поддерживает распространение пламени в узких трубах, диаметр которых меньше определенного критического диаметра" /Я.Б.Зельдович, "Теория горения и детонации газов", стр. 18, изд. АН СССР 1944 г./. Этот факт контактирует, что в регенеративных холодильниках, устроенных на приведенном факте, процессы сжатия и расширения происходят не адиабатически, а изотермически или близко к нему. А это означает, что осуществимость рациональных циклов в двигателях посредством применения региональных холодильников для осуществления рационального изотермического процесса сжатия подтверждена теорией и практикой. The possibility of carrying out an isothermal compression process in engines by turning it into a rational isothermal compression process by means of a regenerative cooler is based on facts confirming the theory of combustion and gas detonation: “The same mixture burns in wide pipes, but does not support flame propagation in narrow pipes, diameter which are less than a certain critical diameter "/ Ya. B. Zeldovich," Theory of Combustion and Detonation of Gases ", p. 18, ed. USSR Academy of Sciences 1944 /. This fact contacts that in regenerative refrigerators arranged on the above fact, the processes of compression and expansion do not occur adiabatically, but isothermally or close to it. This means that the feasibility of rational cycles in engines through the use of regional refrigerators for the implementation of a rational isothermal compression process is confirmed by theory and practice.

Принципиальная схема двигателя, работающего по заявленному циклу, представлена на фиг. 1 и комментариев не требует; на фиг. 2 показано образование циклового холодильника в головке блока цилиндров. На фиг. 3 представлен один из вариантов реализации цикла, в котором: ac - рациональный процесс сжатия от НМТ до ВМТ; cz - рациональный процесс сообщения теплоты от ВМТ до НМТ; za - изохорический процесс охлаждения; Q₁ - подводимая теплота; Q_b - теплота, отводимая выхлопными газами. На фиг. 4 показан другой вариант реализации цикла, в котором: ac₁ - адиабатическое сжатие; C₁C - рациональный процесс сжатия; CZ - рациональный процесс сообщения теплоты; zb - адиабатическое расширение; ba - изохорическое охлаждение, точка 3 - начало образования циклового холодильника, конец рационального процесса сообщения теплоты, начало адиабатического процесса расширения.A schematic diagram of an engine operating according to the claimed cycle is shown in FIG. 1 and does not require comments; in FIG. 2 shows the formation of a cyclic cooler in the cylinder head. In FIG. Figure 3 presents one of the options for implementing the cycle, in which: ac is a rational compression process from BDC to TDC; cz is the rational process of communicating heat from TDC to BDC; za is the isochoric cooling process; Q ₁ - input heat; Q _b - heat removed by exhaust gases. In FIG. 4 shows another embodiment of a cycle in which: ac ₁ is adiabatic compression; C ₁ C - rational compression process; CZ is the rational process of communicating heat; zb — adiabatic expansion; ba - isochoric cooling, point 3 - the beginning of the formation of a cyclic refrigerator, the end of the rational process of communicating heat, the beginning of the adiabatic expansion process.

Claims

A cyclic method of performing a rational cycle in engines, which involves performing isothermal compression or close to it by pushing out and at the same time isothermally or close to compressing almost the entire working fluid in the regenerative cooler attached to the cylinder during the period the piston moves away from N.M.T. to V.M.T. and only the mass of the working fluid remaining in the cylinder, compressed without cooling, but with a slower increase in pressure and temperature due to the expulsion of part of the mass of the working fluid during compression into the regenerative refrigerator and isothermal compression in it, when V.M.T. in a small amount at a pressure equal to the pressure in the regenerative refrigerator, it will be burned out when the piston moves away from V.M.T. to N. M.T. will provide combustion of a cold working fluid coming out of a regenerative refrigerator as the piston lowers when moving away from V.M.T. to N.M.T., and then processes will be performed depending on the cycle cycle, characterized in that at the beginning from N.M.T to a given piston position, the working fluid is compressed without cooling (adiabatically), and over a period from a given position piston to V.M.T. the working fluid continues to be compressed and pushed out of the cylinder and simultaneously isothermally compressed in a regenerative refrigerator formed during this compression period between the cylinder wall and the cylindrical wall of the piston head or between the cylindrical part of the engine head and the cylindrical part of the piston head; processes occur in it isothermally or close to it , as a result of this, at the end of compression, the bulk of the working fluid will be in the cold regenerative refrigerator, and a small part outside the regenerate vnogo refrigerator compressed without cooling the sustained increase in pressure and temperature, so only at high compression ratios when the piston TDC will be burned, and when the piston moves to N.M.T. in the working process, it will provide combustion of the cold mixture coming from the regenerative cooler as the piston is lowered to the moment when the piston bottom coincides with the beginning of the formation of the regenerative cooler, at that moment the combustion of the cold mixture will end, the adiabatic process of expansion of the working fluid that has received heat will begin, and then processes will take place depending on the cycle cycle.