RU2214525C2 - Method of operation of power plant with piston internal combustion engine (versions) and power plant for implementing the method - Google Patents
Method of operation of power plant with piston internal combustion engine (versions) and power plant for implementing the method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2214525C2 RU2214525C2 RU2001109457A RU2001109457A RU2214525C2 RU 2214525 C2 RU2214525 C2 RU 2214525C2 RU 2001109457 A RU2001109457 A RU 2001109457A RU 2001109457 A RU2001109457 A RU 2001109457A RU 2214525 C2 RU2214525 C2 RU 2214525C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- air
- engine
- cylinder
- energy
- energy exchanger
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к энергопреобразующим установкам, а именно к силовым установкам с поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС), в которых энергия отработавших в цилиндрах газов используется для преобразования ее в механическую энергию и передачи последней потребителю. The invention relates to energy-converting installations, namely, power plants with a reciprocating internal combustion engine (ICE), in which the energy of exhaust gases in the cylinders is used to convert it into mechanical energy and transfer it to the consumer.
Крупным недостатком ДВС является несоответствие между начальными и конечными параметрами рабочего тела. Если в начале сжатия давление равно 1 кг/см2, а температура равна 300К, то в конце процесса, т.е. при выпуске отработавших газов в атмосферу, давление достигает 6 кг/см2, а температура 1700К. При таких параметрах газа на выходе теряется много энергии, сильно загрязняется окружающая среда и усложняется задача глушения шума от работы двигателя.A major drawback of ICE is the mismatch between the initial and final parameters of the working fluid. If at the beginning of compression the pressure is 1 kg / cm 2 and the temperature is 300K, then at the end of the process, i.e. when exhaust gas is released into the atmosphere, the pressure reaches 6 kg / cm 2 and the temperature is 1700K. With such parameters of the gas, a lot of energy is lost at the outlet, the environment is heavily polluted, and the task of damping noise from engine operation is complicated.
Еще одним недостатком ДВС является несовершенство процесса сжатия рабочего тела. Отметим, что энергия на сжатие берется от рабочих газов, т.е. между рабочими газами и воздухом, который сжимается перед сжиганием в нем топлива, происходит обмен энергией. На пути этого обмена возникают свойственные для механизма ДВС потери, причем эти потери удваиваются, так как механическая энергия, полученная от рабочих газов, проходит путь от донышка поршня до маховика, затем обратно. Another disadvantage of ICE is the imperfection of the compression process of the working fluid. Note that the compression energy is taken from the working gases, i.e. between working gases and air, which is compressed before burning fuel in it, an exchange of energy occurs. On the way of this exchange, losses characteristic of the ICE mechanism arise, and these losses are doubled, since the mechanical energy received from the working gases passes from the bottom of the piston to the flywheel, then back.
Недостатком большинства ДВС является также отклонение от идеального процесса сжатия, который должен идти сначала с интенсивным охлаждением, а во второй фазе - адиабатно. Частично регулирование теплообмена можно выполнить керамическими вставками, изолирующими стенки цилиндра и камеру сгорания. Однако это не обеспечивает интенсификации теплообмена в первой фазе сжатия, улучшая лишь условия сжатия во второй фазе. The disadvantage of most internal combustion engines is also a deviation from the ideal compression process, which must go first with intensive cooling, and in the second phase adiabatically. Partially, heat transfer control can be performed with ceramic inserts that insulate the walls of the cylinder and the combustion chamber. However, this does not provide the intensification of heat transfer in the first compression phase, improving only the compression conditions in the second phase.
ДВС усиленно совершенствуют. Известен, например, двигатель внутреннего сгорания, способ работы которого позволяет получить термическую эффективность цикла больше, чем в цикле Отто или Дизеля, уменьшить содержание вредных веществ в выхлопных газах [1]. Этот способ заключается в том, что расширение газов, получаемых при сжигании топлива в цилиндре, производят практически до атмосферного давления, за счет того что в цилиндр подают предварительно сжатый воздух и степень сжатия в цилиндре меньше степени расширения, которая достигает 28. Таким образом реализуется цикл с продолженным расширением, а, как известно, наибольший термический КПД обеспечивается при цикле Аткинсона-Миллера - цикле с продолженным расширением, когда рабочий ход больше хода сжатия. В конструкции этого двигателя использованы различные усовершенствования: впускные и выпускные клапаны установлены в головке цилиндра, для привода клапанов использованы электромагниты, компрессор для сжатия свежего заряда выполнен с приводом от вала двигателя, а также другие новшества. ICE is steadily improving. Known, for example, an internal combustion engine, the method of operation of which allows to obtain the thermal efficiency of the cycle more than in the Otto or Diesel cycle, to reduce the content of harmful substances in the exhaust gases [1]. This method consists in the fact that the expansion of gases produced by burning fuel in the cylinder is carried out almost to atmospheric pressure, due to the fact that pre-compressed air is supplied to the cylinder and the compression ratio in the cylinder is less than the expansion ratio, which reaches 28. Thus, the cycle is realized with continued expansion, and, as you know, the highest thermal efficiency is ensured during the Atkinson-Miller cycle — a cycle with continued expansion when the stroke is greater than the compression stroke. Various improvements have been used in the design of this engine: intake and exhaust valves are installed in the cylinder head, solenoids are used to drive the valves, a compressor for compressing the fresh charge is driven by the engine shaft, as well as other innovations.
Известный двигатель обеспечивает экономию топлива, улучшенные экологические характеристики. Однако известный способ приводит к дополнительным потерям при продувке цилиндра от отработавших газов, что снижает его эффективность, цилиндр имеет кольцевую полость, что делает камеру сгорания нерациональной. Известный двигатель теоретически не может обеспечить достаточную экономию топлива и существенное улучшение экологических характеристик, так как используемый способ приводит к неэффективному сгоранию, дополнительным потерям при продувке цилиндра от отработавших газов, а конструкция двигателя сложна и вызывает сомнения в работоспособности, чем объясняется отсутствие его освоения в промышленности двигателестроения. The well-known engine provides fuel economy, improved environmental performance. However, the known method leads to additional losses when purging the cylinder from exhaust gases, which reduces its efficiency, the cylinder has an annular cavity, which makes the combustion chamber irrational. The known engine theoretically cannot provide sufficient fuel economy and a significant improvement in environmental performance, since the method used leads to inefficient combustion, additional losses when the cylinder is purged from exhaust gases, and the engine design is complicated and causes doubts about its operability, which explains the lack of its development in industry engine building.
Известны технические решения, в которых оптимизированы термодинамические процессы, осуществляемые в ДВС, например способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами, в котором предложено выполнять сжатие свежего заряда дважды, причем после первого сжатия воздух охлаждают, что приближает процесс к изотермическому, а после второго сжатия перед подачей в работающие цилиндры нагревают [2]. Known technical solutions in which the thermodynamic processes carried out in the internal combustion engine are optimized, for example, a method of operating a four-stroke internal combustion engine with switchable cylinders, in which it is proposed to compress the fresh charge twice, and after the first compression, the air is cooled, which brings the process closer to isothermal, and after the second compression before feeding into the working cylinders are heated [2].
Однако усовершенствование процесса сжатия свежего заряда в этом техническом решении осуществлено только на частичных режимах, что не позволяет заметно улучшить эффективность использования топлива, получить качественно новый двигатель. Кроме того, сжатие воздуха в цилиндре двигателя ведет к увеличенным механическим потерям. However, the improvement of the fresh charge compression process in this technical solution was carried out only in partial modes, which does not allow to significantly improve fuel efficiency, to obtain a brand new engine. In addition, air compression in the engine cylinder leads to increased mechanical losses.
Известны также технические решения по использованию термодинамических процессов передачи энергии отработанных в ДВС газов сжимаемому воздуху. Например, в обменнике давления [3] в каналах барабана установлены подвижные перегородки, с одной стороны которых подключен коллектор выхлопных газов, а с другой стороны организована подача свежего воздуха. Technical solutions are also known for the use of thermodynamic processes of energy transfer of exhaust gases exhausted into internal combustion engines to compressed air. For example, in the pressure exchanger [3], movable partitions are installed in the drum channels, on one side of which an exhaust manifold is connected, and on the other hand, fresh air is arranged.
Однако это техническое решение не позволяет реализовать все процессы подготовки свежего заряда и получить параметры сжатого воздуха, необходимые для начала горения, что снижает эффективность использования энергии топлива. However, this technical solution does not allow to realize all the processes of preparing a fresh charge and to obtain the parameters of compressed air necessary for starting combustion, which reduces the efficiency of fuel energy use.
Известен также способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в сжатии воздуха, приготовлении смеси воздуха с топливом, сжигании смеси внутри цилиндра с подвижным поршнем, расширении горячих газов и передаче работы расширения через поршень и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии газов используют для сжатия воздуха [4]. There is also known a method of implementing a piston cycle of an internal combustion engine, which consists in compressing air, preparing a mixture of air with fuel, burning the mixture inside a cylinder with a movable piston, expanding hot gases and transferring the expansion work through the piston and engine mechanism to its power take-off shaft, the energy of gases is used to compress air [4].
Этот способ обеспечивает сравнительно высокую эффективность преобразования энергии за счет предварительного сжатия свежего заряда воздуха и использования полученных горячих газов не только в цилиндре двигателя, но и в двухступенчатой расширительной машине. This method provides a relatively high efficiency of energy conversion due to preliminary compression of a fresh charge of air and the use of hot gases obtained not only in the engine cylinder, but also in a two-stage expansion machine.
Однако эффективность цикла в этом способе достигается за счет применения агрегатов с механическими преобразователями энергии (компрессор и расширительные машины), что понижает коэффициент полезной работы, кроме того, дополнительное сжатие воздуха в цилиндре двигателя также приводит к потерям эффективного КПД. However, the cycle efficiency in this method is achieved through the use of units with mechanical energy converters (compressor and expansion machines), which reduces the efficiency, in addition, additional air compression in the engine cylinder also leads to loss of effective efficiency.
Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии с охлаждением после сжатия на первой ступени, и накапливают в ресивере для последующей подачи в рабочий цилиндр сжатый воздух из ресивера и топливо, сжигают смесь внутри цилиндра с подвижным поршнем и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршень и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя, а затем в цилиндре обменника энергии между газом и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в первом ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, при этом расширение горячих газов в цилиндре двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины 0,4 исходного объема воздуха, а расширение газов в обменнике энергии используют для сжатия свежего воздуха [5], принятый авторами за прототип. Of the known technical solutions, the closest object to the claimed invention in terms of essential features is a method of operating a power plant with a reciprocating internal combustion engine, in which air is compressed two-stage outside the engine cylinder using an energy exchanger with cooling after compression in the first stage, and accumulated in the receiver for subsequent supply to the working cylinder of compressed air from the receiver and fuel, burn the mixture inside the cylinder with a movable piston and transfer the work obtained when p the expansion of hot gases through the piston and the engine mechanism to its power take-off shaft, while part of the energy of the gases obtained during fuel combustion is used to compress air, the expansion of hot gases is carried out first in the engine cylinder, and then in the cylinder of the energy exchanger between the gas and fresh air, moreover, in the energy exchanger the air is compressed to the parameters of the onset of fuel combustion, and the accumulation of compressed air in the first receiver is carried out while maintaining the achieved parameters, while the expansion of hot gases in the cylinder STUDIO used only to obtain useful work during their expansion to a value of 0.4 volume of feed air, and expanding energy exchanger gas is used for compressing fresh air [5], the authors adopted as a prototype.
Принятая за прототип для устройства силовая установка с поршневым двигателем внутреннего сгорания содержащая, по крайней мере, один рабочий цилиндр и поршень, подключенный через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, снабженную ресивером сжатого воздуха, включающую также цилиндр обменника энергии для расширения рабочих газов, причем в последнем установлен дифференциальный поршень для двухступенчатого сжатия воздуха [5]. A propulsion system with a reciprocating internal combustion engine adopted as a prototype for the device, comprising at least one working cylinder and a piston connected via a mechanism to a power take-off shaft, as well as a system for preparing a working mixture of air and fuel, equipped with a compressed air receiver, also including a cylinder an energy exchanger for expanding the working gases, the latter having a differential piston for two-stage air compression [5].
Принятый за прототип объект обеспечивает экономию расхода топлива при работе поршневого ДВС и улучшает экологические показатели двигателя. Accepted as a prototype object provides fuel economy during the operation of the piston engine and improves the environmental performance of the engine.
Однако в принятом за прототип объекте не полностью использованы возможности экономии топлива при работе силовой установки в различных эксплуатационных режимах и не все возможности полезного использования вырабатываемой при работе двигателя энергии. However, in the facility adopted as a prototype, the possibilities of fuel economy during the operation of the power plant in various operating conditions and not all the possibilities of the useful use of the energy generated during operation of the engine were not fully used.
Задачей предлагаемого изобретения является максимально эффективное использование энергии сжигаемого топлива, а также полезное использование избыточной энергии, возникающей при эксплуатации силовой установки, при упрощении конструкции силовой установки за счет использования освоенных в промышленности элементов. The objective of the invention is the most efficient use of energy of combusted fuel, as well as the beneficial use of excess energy arising from the operation of the power plant, while simplifying the design of the power plant through the use of elements mastered in the industry.
Технический результат достигнут тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в первом ресивере для последующей подачи в рабочий цилиндр, подают в рабочий цилиндр сжатый воздух из первого ресивера и топливо, сжигают смесь внутри цилиндра с подвижным поршнем и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршень и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре двигателя, а затем в цилиндре обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в первом ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, согласно изобретению расширение горячих газов в цилиндре двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины в пределах от 0,09 до 0,6 исходного объема воздуха, расширение газов в обменнике энергии используют как для сжатия свежего воздуха, так и для получения дополнительной полезной работы, для чего поршни двигателя и обменника энергии соединяют с помощью механической или гидравлической связи, а полезную работу силовой установки получают как при движении поршня двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе, причем на частичных по мощности режимах работы силовой установки подачу топлива в цилиндр двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты в первом или во втором и более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру двигателя. The technical result is achieved by the fact that in the known method of operating a power plant with a reciprocating internal combustion engine, in which air is compressed, the air is compressed in two stages outside the engine cylinder using an energy exchanger, cooled after compression in the first stage and stored in the first receiver for subsequent feed into the working cylinder, compressed air from the first receiver and fuel are fed into the working cylinder, the mixture is burned inside the cylinder with a movable piston and the work received during expansion is transferred gases, through the piston and the engine mechanism to its power take-off shaft, while part of the energy of the gases obtained during fuel combustion is used to compress air, hot gases are expanded first in the engine cylinder and then in the cylinder of the energy exchanger between the gases and fresh air, and the energy exchanger compresses the air to the parameters of the beginning of fuel combustion, and the accumulation of compressed air in the first receiver is carried out while maintaining the achieved parameters, according to the invention, the expansion of hot gases in the cylinder Spruce is used only to obtain useful work when they expand to values ranging from 0.09 to 0.6 of the original air volume, gas expansion in the energy exchanger is used both to compress fresh air and to obtain additional useful work, for which the engine pistons and the energy exchanger are connected by mechanical or hydraulic communication, and the useful work of the power plant is obtained both when the engine piston moves from the top to the bottom dead center, and during the reverse stroke, and at partial power modes ah operation powerplant fuel supply into the engine cylinder is stopped, and the useful work obtained by expansion of compressed air, the compressed air is further heated by an external heat source to the first or second or more receivers, which in turn is connected to the engine cylinder.
Технический результат в другом варианте способа достигается тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, причем воздух сжимают двухступенчато вне цилиндров двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в ресивере для последующей подачи в рабочие цилиндры, подают в рабочие цилиндры сжатый воздух и топливо, сжигают смесь внутри цилиндров с подвижными поршнями и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршни и механизм двигателя на его вал отбора мощности, при этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндрах двигателя, а затем в подключенных к этим цилиндрам цилиндрах обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в ресивере производят при сохранении достигнутых параметров, при этом на частичных по мощности режимах работы силовой установки прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя, согласно изобретению энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения теплообменника, внутренний объем которого выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии. The technical result in another embodiment of the method is achieved by the fact that in the known method of operating a power plant with a reciprocating internal combustion engine, in which air is compressed, the air is compressed two-stage outside the engine cylinders using an energy exchanger, cooled after compression in the first stage and stored in the receiver for subsequent supply to the working cylinders, compressed air and fuel are fed into the working cylinders, the mixture is burned inside the cylinders with movable pistons, and the work obtained by expanding hot gases, through the pistons and the engine mechanism to its power take-off shaft, while part of the energy of the gases obtained during fuel combustion is used to compress air, hot gases are expanded first in the engine cylinders, and then in the cylinders of the energy exchanger between the gases connected to these cylinders fresh air, and in the energy exchanger, the air is compressed to the parameters of the onset of fuel combustion, and the accumulation of compressed air in the receiver is carried out while maintaining the achieved parameters, while at the partial power during the operation of the power plant, the fuel supply to the part of the engine cylinders is stopped, according to the invention, the energy supplied to the air is used for heating by periodically filling and emptying the heat exchanger, the internal volume of which is close to the volume of the first stage of air compression of the energy exchanger, divided by the total compression ratio air in the energy exchanger.
Технический результат достигается также и тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания согласно изобретению сжатый и охлажденный в теплообменнике после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя, в который не подают топливо, и в соединенном с ним цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения. The technical result is also achieved by the fact that in the known method of operating a power plant with a reciprocating internal combustion engine according to the invention, the compressed and cooled air in the heat exchanger after compression is expanded in the cylinder of the engine, which does not supply fuel, and in the cylinder of the energy exchanger connected to it, and the resulting cold is used for cooling.
Технический результат в третьем способе достигается тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, при котором сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра двигателя, используя обменник энергии, с охлаждением после сжатия на первой ступени и накапливают в первом или втором ресиверах для последующей подачи в рабочий цилиндр, а на режиме торможения или других режимах, при которых в силовой установке существует избыток накопленной энергии, прекращают подачу топлива в цилиндр двигателя и полезно используют энергию торможения, согласно изобретению используют обменник энергии для сжатия воздуха и накопления его в третьем ресивере, а энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения третьего ресивера, тепло от которого отводят в систему отопления. The technical result in the third method is achieved by the fact that in the known method of operating a power plant with a reciprocating internal combustion engine, in which air is compressed, the air is compressed two-stage outside the engine cylinder using an energy exchanger, cooled after compression in the first stage and accumulated in the first or second receivers for subsequent supply to the working cylinder, and in the braking mode or other modes in which there is an excess of stored energy in the power plant, the fuel supply is stopped and braking energy is useful in the engine cylinder, according to the invention, an energy exchanger is used to compress the air and store it in the third receiver, and the energy supplied to the air is used for heating by periodically filling and emptying the third receiver, the heat from which is removed to the heating system .
Технический результат достигается также и тем, что в известном способе работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, согласно изобретению, сжатый и охлажденный в третьем ресивере после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя и в соединенном с этим цилиндром цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения. The technical result is also achieved by the fact that in the known method of operating a power plant with a reciprocating internal combustion engine, according to the invention, the compressed and cooled air in the third receiver after compression is expanded in the engine cylinder and in the cylinder of the energy exchanger connected to this cylinder, and the resulting cold is used for cooling.
Поставленная задача для осуществления таких способов в известной силовой установке с поршневым двигателем внутреннего сгорания, содержащей, по крайней мере, один рабочий цилиндр и поршень, подключенный через механизм к валу отбора мощности, а также систему подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, снабженную первым ресивером сжатого воздуха, включающую также цилиндр обменника энергии для расширения рабочих газов, причем в последнем установлен дифференциальный поршень для двухступенчатого сжатия воздуха, согласно изобретению поршни двигателя и обменника энергии расположены соосно и соединены штоком, а полость расширения газов в обменнике энергии соединена через управляемый клапан с теплообменником для охлаждения. The task for implementing such methods in a known power plant with a reciprocating internal combustion engine containing at least one working cylinder and a piston connected via a mechanism to the power take-off shaft, as well as a system for preparing a working mixture of air and fuel, equipped with a first compressed air receiver air, which also includes an energy exchanger cylinder for expanding the working gases, the latter having a differential piston for two-stage air compression, according to the invention, a piston motor energy exchanger and disposed coaxially and connected to the rod, and the cavity in the gas expansion energy exchanger is connected via a controllable valve to a heat exchanger for cooling.
Кроме того, решаемая задача решается также и тем, что, выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к теплообменнику для обогрева. In addition, the problem to be solved is also solved by the fact that, the output from the second stage of air compression of the energy exchanger is connected to a heat exchanger for heating.
Кроме того, решаемая задача решается также и тем, что, на выходе из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии установлено, по крайней мере, три ресивера, причем первый и второй подключены к системе нагрева от внешнего источника тепла, которая содержит нагревательные устройства и контур циркуляции греющего воздуха, снабженный вентилятором, а третий ресивер подключен в систему отопления, например, установлен в кондиционере автомобиля. In addition, the problem to be solved is also solved by the fact that, at the exit from the second stage of air compression of the energy exchanger, at least three receivers are installed, the first and second connected to a heating system from an external heat source, which contains heating devices and a circulation circuit heating air, equipped with a fan, and the third receiver is connected to the heating system, for example, is installed in the car’s air conditioner.
Кроме того, решаемая задача решается также и тем, что, выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к ресиверам через переключатели потока воздуха. In addition, the problem to be solved is also solved by the fact that, the output from the second stage of air compression of the energy exchanger is connected to the receivers through the air flow switches.
Такое техническое решение позволяет более рационально, чем в прототипе, распределить преобразование энергии, полученной при сжигании топлива, в полезную работу и энергию сжатого воздуха между двигателем и обменником энергии. This technical solution allows more rational than in the prototype to distribute the conversion of energy obtained by burning fuel into useful work and energy of compressed air between the engine and the energy exchanger.
Соединение с помощью механической или гидравлической связи поршней двигателя и обменника энергии, которым является свободнопоршневой компрессор, позволяет не только решить задачу синхронизации движения поршней двигателя и свободнопоршневого компрессора, но и получить дополнительные возможности преобразования энергии в свободнопоршневом компрессоре, отсутствующие в известных технических решениях. А именно, как показали выполненные авторами расчеты, появляется возможность использовать расширение горячих газов в цилиндре обменника энергии для получения и передачи на вал отбора мощности полезной работы, что превращает свободнопоршневой компрессор в комбинированную машину, названную авторами обменник энергии, в котором сжимают свежий воздух и производят полезную работу одновременно. The connection using the mechanical or hydraulic connection of the engine pistons and the energy exchanger, which is a free piston compressor, allows not only to solve the problem of synchronizing the movement of the engine pistons and the free piston compressor, but also to obtain additional energy conversion options in the free piston compressor that are not available in the known technical solutions. Namely, as the calculations performed by the authors showed, it becomes possible to use the expansion of hot gases in the cylinder of the energy exchanger to receive and transfer useful work to the power take-off shaft, which turns the free-piston compressor into a combined machine called the energy exchanger in which they compress fresh air and produce useful work at the same time.
При этом, как показали расчеты, в цилиндре двигателя достаточно расширять горячие газы до величины с нижним пределом, равным 0,09 исходного объема Va (объема свежего заряда воздуха, поступающего в первую ступень сжатия обменника энергии), а остальную часть полезной работы при необходимости получить при расширении газов в цилиндре обменника энергии. Это приводит к тому, что полезную работу силовой установки получают как при движении поршня двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе. Таким образом, в отличие от известных технических решений, крутящий момент на вал отбора мощности передается более равномерно (см. кривые Мcт и Мдин на фиг. 5).Moreover, as shown by the calculations, it is sufficient to expand the hot gases in the engine cylinder to a value with a lower limit equal to 0.09 of the initial volume V a (the volume of the fresh air charge entering the first stage of compression of the energy exchanger), and the rest of the useful work, if necessary get when expanding the gases in the cylinder of the energy exchanger. This leads to the fact that the useful work of the power plant is obtained both when the engine piston moves from top to bottom dead center, and during the reverse stroke. Thus, unlike the known technical solutions, the torque is transmitted to the power take-off shaft more evenly (see the curves M ct and M din in Fig. 5).
Уменьшение величины расширения горячих газов в цилиндре двигателя до величины с нижним пределом менее 0,09 исходного объема приводит к нерациональному увеличению максимального давления рабочих газов и увеличению механических потерь при передаче энергии через механизм двигателя. Reducing the magnitude of the expansion of hot gases in the engine cylinder to a value with a lower limit of less than 0.09 of the original volume leads to an irrational increase in the maximum pressure of the working gases and an increase in mechanical losses during energy transfer through the engine mechanism.
Оценим значения величины расширения горячих газов в цилиндре двигателя. В заявляемом двигателе происходит двойное расширение рабочих газов. Первое расширение происходит в рабочем цилиндре двигателя, второе - в расширительной полости обменника энергии. Рабочий объем двигателя Vs должен быть достаточным для обеспечения полного сгорания топлива и первичного расширения рабочих газов с понижением температуры и давления до уровня, при котором надежно работают перепускной клапан между двигателем и обменником энергии. Минимальный объем рабочего цилиндра двигателя получается при максимально допустимой температуре Тmax. Последнюю можно принять такой, какой она бывает при выпуске отработавших газов бензинового двигателя. Положив Тmax = 1700К, получим минимально допустимый объем рабочего цилиндра двигателя. Если в цикле Отто максимальная температура изохорного подвода теплоты достигает 3000К, то для ее понижения нужно обеспечить степень расширения β, которая определяется уравнением 3000•β-0,4 = 1700, откуда β = 4,14. Отсюда рабочий объем двигателя Vs = Vc• β. При степени сжатия в обменнике энергии ε = 50 объем сжатого воздуха после второй ступени сжатия обменника энергии Vc = 0,02•Va, a Vs = 0,0828•Va. При Vs = 0,1•Va максимальная температура перепуска газов Tmax= 3000•5-04 = 1576К. При более высоких температурах происходит пригорание клапанов, что недопустимо снижает надежность работы
При Vs=0,5•Va Tmax =3000•25-04=828К. Таким образом по температурным условиям Vs может изменяться в пределах (0,1-0,5)Va.Let us evaluate the values of the expansion of hot gases in the engine cylinder. In the inventive engine there is a double expansion of the working gases. The first expansion occurs in the working cylinder of the engine, the second - in the expansion cavity of the energy exchanger. The engine displacement V s must be sufficient to ensure complete combustion of the fuel and the primary expansion of the working gases with a decrease in temperature and pressure to a level at which the bypass valve between the engine and the energy exchanger reliably works. The minimum volume of the working cylinder of the engine is obtained at the maximum allowable temperature T max . The latter can be taken as it is when the exhaust gas of a gasoline engine is exhausted. Putting T max = 1700K, we get the minimum allowable volume of the working cylinder of the engine. If in the Otto cycle the maximum temperature of the isochoric heat supply reaches 3000K, then to reduce it, it is necessary to ensure the degree of expansion β, which is determined by the equation 3000 • β -0.4 = 1700, whence β = 4.14. Hence the engine displacement V s = V c • β. When the compression ratio in the energy exchanger is ε = 50, the volume of compressed air after the second stage of compression of the energy exchanger is V c = 0.02 • V a , a V s = 0.0828 • V a . At V s = 0.1 • V a the maximum temperature of the gas bypass is T max = 3000 • 5 -04 = 1576K. At higher temperatures, the valve burns, which unacceptably reduces the reliability
At V s = 0.5 • V a T max = 3000 • 25 -04 = 828K. Thus, according to temperature conditions, Vs can vary in the range of (0.1-0.5) V a .
В таблице 1 приведены результаты расчетов заявляемого способа работы силовой установки для различных пределов расширения горячих газов в рабочем цилиндре двигателя. Table 1 shows the calculation results of the proposed method of operation of the power plant for various limits of expansion of hot gases in the working cylinder of the engine.
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что заявленные предельные отношения Vs/Va несколько шире, чем определенные из температурных условий, а именно при Vs/Va ≤ 0,09 максимальное давление рабочих газов достигает величины свыше 100 МПа, усилия, передаваемые на механизм двигателя, недопустимо возрастают. А при Vs/Vg ≥ 0,6 термический КПД становится меньше, чем 0,7, что уже не представляет интереса для поршневого двигателя.From the data given in table 1 it is seen that the declared limit ratios V s / V a are somewhat wider than those determined from the temperature conditions, namely, at V s / V a ≤ 0.09, the maximum pressure of the working gases reaches a value of more than 100 MPa, transmitted to the engine mechanism, unacceptably increase. And at Vs / Vg ≥ 0.6, the thermal efficiency becomes less than 0.7, which is no longer of interest to the piston engine.
Термический КПД двигателя с двойным расширением рабочих газов зависит от степени расширения и не зависит от положения точки R на индикаторной диаграмме (точки перепуска рабочих газов из цилиндра двигателя в цилиндр обменника энергии, см. PV диаграмму цикла, приведенную на фиг. 3). Механический КПД, напротив, зависит от точки R. Идеальным будет такое положение, когда работа расширения газов в обменнике энергии достаточна для полного сжатия воздуха. Если это условие не соблюдается, то механический КПД должен снижаться за счет двойной перекачки энергии между двигателем и обменником энергии. Если, например, работа расширения газов недостаточна для полного сжатия воздуха, то дополнительная энергия должна быть подведена к поршню обменника энергии от маховика двигателя. При этом подвод энергии связан с удвоением механических потерь. Первый раз потери образуются на пути между поршнем ДВС и маховиком, второй раз на том же пути в обратном направлении плюс потери между поршнем двигателя и поршнем обменника энергии. The thermal efficiency of the engine with double expansion of the working gases depends on the degree of expansion and does not depend on the position of the point R in the indicator diagram (the bypass point of the working gases from the engine cylinder to the cylinder of the energy exchanger, see PV cycle diagram shown in Fig. 3). The mechanical efficiency, on the contrary, depends on the point R. The ideal situation is when the work of gas expansion in the energy exchanger is sufficient to completely compress the air. If this condition is not met, then the mechanical efficiency should be reduced due to the double transfer of energy between the engine and the energy exchanger. If, for example, the work of gas expansion is insufficient to completely compress the air, then additional energy must be supplied to the piston of the energy exchanger from the engine flywheel. In this case, the energy supply is associated with a doubling of mechanical losses. The first time losses are formed on the path between the internal combustion engine piston and the flywheel, the second time on the same path in the opposite direction plus losses between the engine piston and the energy exchanger piston.
Механические потери в двигателе генерируются, в основном, силами инерции. Поэтому при уменьшении рабочего объема двигателя механический КПД возрастает. Зависимость между механическим КПД и рабочим объемом прослеживается по формуле
где PΣ - постоянные потери на поддержание рабочего процесса,
Рi - среднее индикаторное давление.Mechanical losses in the engine are generated mainly by inertia. Therefore, with a decrease in engine displacement, mechanical efficiency increases. The relationship between mechanical efficiency and displacement can be traced by the formula
where P Σ - constant losses to maintain the workflow,
P i - average indicator pressure.
Из формулы следует, что при возрастании Рi убывают относительные потери 
В предлагаемом двигателе Рi может превосходить давление в обычных двигателях в несколько раз, так как рабочий объем двигателя составляет лишь часть от объема газообмена Va. Отношение βR рабочего объема двигателя к Va может изменяться в достаточно широких пределах, которые можно установить путем анализа зависимости важнейших параметров двигателя от величины 
In the proposed engine P i can exceed the pressure in conventional engines by several times, since the working volume of the engine is only part of the gas exchange volume V a . The ratio β R of the engine displacement to V a can vary over a sufficiently wide range, which can be established by analyzing the dependence of the most important engine parameters on the value
Кроме того, отличительной особенностью изобретения является то, что на частичных по мощности режимах работы силовой установки подачу топлива в цилиндр двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты в первом или во втором и более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру двигателя. In addition, a distinctive feature of the invention is that at partial power modes of operation of the power plant, the fuel supply to the engine cylinder is stopped, and useful work is obtained by expanding the compressed air, while the compressed air is additionally heated from an external heat source in the first or second and more receivers, which in turn connect to the engine cylinder.
Такое техническое решение позволяет увеличить возможности получения мощности силовой установки в строгом соответствии с необходимой для потребителя, например, автомобиля, что позволяет обеспечить эксплуатацию последнего без излишнего сжигания топлива. Появляется возможность использования других, кроме жидкого топлива, источников энергии, имеющихся у потребителя, например электрической энергии или теплоты горячих газов, полученных при реакции окисления другого топлива, например беззольного угля. This technical solution allows you to increase the chances of obtaining the power of the power plant in strict accordance with what is necessary for the consumer, for example, a car, which allows the latter to be operated without unnecessarily burning fuel. There is the possibility of using other than liquid fuel sources of energy available to the consumer, for example, electric energy or the heat of hot gases obtained during the oxidation of another fuel, for example ashless coal.
При осуществлении варианта способа работы заявляемой силовой установки, в котором используют многоцилиндровый двигатель и на частичных по мощности режимах работы силовой установки прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя, отличительной особенностью является то, что энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения теплообменника, внутренний объем которого выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии, и (или) сжатый и охлажденный в теплообменнике после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя, в который не подают топливо, и в соединенном с ним цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения. When implementing a variant of the method of operation of the inventive power plant, in which a multi-cylinder engine is used and at partial power modes of operation of the power plant, the fuel supply to part of the engine cylinders is stopped, a distinctive feature is that the energy supplied to the air is used for heating by periodically filling and emptying the heat exchanger, the internal volume of which is close to the volume of the first stage of compression of the air of the energy exchanger, divided by the total Degree of air compression energy exchanger, and (or) the compressed and cooled in a heat exchanger air after expanding the compression in the engine cylinder in which no fuel is supplied, and connected to the associated cylinder energy exchanger, and the thus obtained cold is used for cooling.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет одновременно с получением необходимой для потребителя частичной мощности осуществить при неизменной конструкции силовой установки холодильный цикл, получить тепло для обогрева, например, помещения или салона автомобиля и получить холод для охлаждения, например для охлаждения продуктов в холодильнике, воздуха в кондиционере или для охлаждения свежего воздуха с целью повышения КПД цикла двигателя и увеличения массы свежего заряда. Thus, the claimed technical solution allows, at the same time as obtaining the partial power necessary for the consumer, to carry out a refrigeration cycle with an unchanged design of the power plant, to obtain heat for heating, for example, a room or car interior, and to obtain cold for cooling, for example, for cooling products in a refrigerator, air in air conditioning or for cooling fresh air in order to increase the efficiency of the engine cycle and increase the mass of fresh charge.
При этом за счет того, что внутренний объем теплообменника выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии, который в каждом цикле работы силовой установки заполняют сжатым адиабатно во второй ступени сжатия воздуха обменника энергии, а затем опорожняют в объем рабочего цилиндра двигателя, наиболее оптимально осуществляют цикл теплового насоса в заявляемой силовой установке. Адиабатное сжатие и изохорное охлаждение сжатого воздуха приближает этот цикл к обращенному циклу Карно. Moreover, due to the fact that the internal volume of the heat exchanger is close to the volume of the first stage of air compression of the energy exchanger, divided by the total degree of air compression in the energy exchanger, which in each cycle of the power plant is filled adiabatically compressed in the second stage of air compression of the energy exchanger, and then emptied into the volume of the working cylinder of the engine, the heat pump cycle is most optimally carried out in the inventive power plant. Adiabatic compression and isochoric cooling of compressed air brings this cycle closer to the reversed Carnot cycle.
Заявляемое техническое решение содержит два важнейших для холодильной техники устройства: компрессор (две ступени сжатия воздуха в обменнике энергии) и детандер (расширение в рабочем цилиндре двигателя и в подключаемом к нему соответствующем цилиндре обменника энергии). Поэтому заявляемая силовая установка может быть успешно использована для организации отопительного и холодильного циклов. Заявляемая силовая установка способна выполнять кроме основной полезной работы ряд дополнительных функций: осуществлять рекуперацию энергии торможения автомобиля, обеспечивать теплом помещение или салон автомобиля, снабжать холодом кондиционер или рефрижератор, работать в режиме теплового насоса. Кроме того, легко организовать режим работы двигателя с внешним подводом теплоты, например, от твердого топлива, что позволяет обеспечивать облегченный запуск двигателя и более эффективная работа при частичных нагрузках. The claimed technical solution contains two critical devices for refrigeration technology: a compressor (two stages of air compression in the energy exchanger) and an expander (expansion in the working cylinder of the engine and in the corresponding cylinder of the energy exchanger connected to it). Therefore, the inventive power plant can be successfully used to organize heating and refrigeration cycles. The inventive power plant is capable of performing, in addition to the main useful work, a number of additional functions: to recover the braking energy of the car, provide heat to the room or the interior of the car, supply cold air conditioning or a refrigerator, operate in the heat pump mode. In addition, it is easy to organize the operation of the engine with an external supply of heat, for example, from solid fuel, which allows for easier engine starting and more efficient operation at partial loads.
Заявляемая установка позволяет обеспечивать осуществление отопительного режима по обращенному циклу Карно при использовании в качестве теплоносителя воздуха, TS диаграмма которого приведена на фиг. 4. В таблице 2 приведены результаты расчета отопительного цикла и приняты следующие обозначения:
εab - степень адиабатного сжатия теплоносителя;
εbc - степень изотермического сжатия теплоносителя;
Qda - теплота (работа), подведенная к теплоносителю;
Qbc - теплота, отведенная в помещение;
Lc - работа цикла;
Мu - отопительный коэффициент.The inventive installation allows for the implementation of the heating mode according to the reversed Carnot cycle when using air as a heat carrier, the TS diagram of which is shown in FIG. 4. Table 2 shows the results of the calculation of the heating cycle and the following notation:
ε ab is the degree of adiabatic compression of the coolant;
ε bc is the degree of isothermal compression of the coolant;
Q da - heat (work), supplied to the coolant;
Q bc - the heat allocated to the room;
L c - work cycle;
M u - heating coefficient.
Как видно из таблицы 2, отопительный коэффициент легко достигает значений 8. ..10. При этом температура в помещении легко поддерживается на уровне 30oС при начальной температуре используемого в цикле воздуха не менее 5oС (278К).As can be seen from table 2, the heating coefficient easily reaches the values of 8. ..10. The temperature in the room is easily maintained at a level of 30 o With the initial temperature used in the cycle of air at least 5 o C (278K).
Оценим температуру воздуха в теплообменнике для охлаждения при расширении воздуха из охлаждаемого третьего ресивера через двигатель и обменник энергии; работающие в режиме детандера. Let us estimate the air temperature in the heat exchanger for cooling during expansion of air from the cooled third receiver through the engine and the energy exchanger; working in expander mode.
Положим Pmax=10 МПа, Pmin=0,2 МПа.Put P max = 10 MPa, P min = 0.2 MPa.
Pmax/Pmin = β1,4, откуда β=16,35.P max / P min = β 1.4 , whence β = 16.35.
β0,4 = 3,0578, Tmin = Ta/β0,4 = 98 K.
Получаемая температура воздуха 98К =-175oС легко может быть использована для любых целей охлаждения.β 0.4 = 3.0578, T min = Ta a / β 0.4 = 98 K.
The resulting air temperature of 98K = -175 o C can easily be used for any cooling purpose.
Еще в одном варианте осуществления способа, который может быть осуществлен как в одноцилиндровом, так и в многоцилиндровом двигателе, отличительной особенностью является то, что используют обменник энергии для сжатия воздуха и накопления его в третьем ресивере, а энергию, подведенную к воздуху, используют для отопления путем периодического заполнения и опорожнения третьего ресивера, тепло от которого отводят в систему отопления и (или) сжатый и охлажденный в третьем ресивере после сжатия воздух расширяют в цилиндре двигателя и в соединенном с этим цилиндром цилиндре обменника энергии, а полученный при этом холод используют для охлаждения. При этом в третьем ресивере накапливают адиабатно сжатый и горячий воздух, получаемый за несколько циклов работы силовой установки, что увеличивает возможное количество избыточной энергии потребителя, появляющейся, например при торможении автомобиля. In another embodiment of the method, which can be carried out both in a single-cylinder and in a multi-cylinder engine, a distinctive feature is that they use an energy exchanger to compress air and accumulate it in the third receiver, and the energy supplied to the air is used for heating by periodically filling and emptying the third receiver, the heat from which is transferred to the heating system and (or) compressed and cooled in the third receiver after compression, the air is expanded in the engine cylinder and in the connection The cylinder of the energy exchanger connected with this cylinder, and the resulting cold is used for cooling. At the same time, adiabatically compressed and hot air is accumulated in the third receiver, obtained during several cycles of the power plant operation, which increases the possible amount of consumer excess energy that appears, for example, when a car is braking.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет рекуперировать энергию торможения или любую другую избыточную у потребителя энергию и полезно эту энергию использовать при неизменном составе и конструкции силовой установки. Thus, the claimed technical solution allows you to recover braking energy or any other excess energy from the consumer and it is useful to use this energy with an unchanged composition and design of the power plant.
Отличительной особенностью заявляемой силовой установки с поршневым ДВС является то, что поршни двигателя и обменника энергии расположены соосно и соединены штоком. A distinctive feature of the inventive power plant with a piston internal combustion engine is that the pistons of the engine and the energy exchanger are aligned and connected by a rod.
Такое техническое решение позволяет синхронизировать движение поршней двигателя и обменника энергии (свободнопоршневого компрессора), а также использовать обменник энергии для получения полезной работы и передачи ее потребителю. При этом при осуществлении заявляемых способов и получении в рабочем цилиндре двигателя только части необходимой полезной работы полость рабочего цилиндра обменника энергии является по существу включенным последовательно вторым рабочим цилиндром двигателя и одновременно рабочим цилиндром привода компрессора. This technical solution allows you to synchronize the movement of the pistons of the engine and the energy exchanger (free piston compressor), as well as use the energy exchanger to obtain useful work and transfer it to the consumer. Moreover, when implementing the inventive methods and obtaining in the engine working cylinder only a part of the necessary useful work, the cavity of the working cylinder of the energy exchanger is essentially a second working cylinder of the engine and simultaneously a working cylinder of the compressor drive.
Кроме того, полость расширения газов в обменнике энергии может быть соединена через управляемый клапан с теплообменником для охлаждения, а выход из
второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к теплообменнику для обогрева. При этом осуществляют обращение цикла силовой установки, осуществляя в ее элементах холодильный воздушный цикл.In addition, the gas expansion cavity in the energy exchanger can be connected through a controlled valve to a heat exchanger for cooling, and the output from
The second stage of air compression of the energy exchanger is connected to a heat exchanger for heating. At the same time, the power plant cycle is circulated, carrying out a refrigerating air cycle in its elements.
Кроме того, на выходе из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии может быть установлено по крайней мере три ресивера, причем первый и второй подключены к системе нагрева от внешнего источника тепла, которая содержит нагревательные устройства и контур циркуляции греющего воздуха, снабженный вентилятором, а третий ресивер подключен в систему отопления, например установлен в кондиционере автомобиля. In addition, at least three receivers can be installed at the exit from the second stage of air compression of the energy exchanger, the first and second connected to a heating system from an external heat source, which contains heating devices and a heating air circulation circuit equipped with a fan, and a third receiver connected to a heating system, for example installed in a car air conditioner.
При этом выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии подключен к ресиверам через переключатели потока воздуха. In this case, the output from the second stage of air compression of the energy exchanger is connected to the receivers through the air flow switches.
Такое техническое решение позволяет получить универсальную силовую установку с широким диапазоном регулирования мощности передаваемой потребителю полезной работы, вырабатывающую одновременно тепло для отопления и холод для охлаждения, которые полезно используют для других, отличных от основной полезной работы, нужд потребителя. Появляется возможность полезно использовать практически любые, имеющиеся у потребителя источники энергии, в том числе, например, энергию торможения автомобиля. При этом двигатель способен работать в режиме компрессора, а полезная работа может частично или на 100% получаться в виде энергии сжатого воздуха. Such a technical solution makes it possible to obtain a universal power plant with a wide range of power control for useful work transferred to the consumer, generating both heat for heating and cold for cooling, which are useful for other consumer needs other than the main useful work. It becomes possible to use practically any energy source available to the consumer, including, for example, the braking energy of a car. In this case, the engine is able to operate in compressor mode, and useful work can be partially or 100% obtained in the form of compressed air energy.
Обменник энергии, которым является свободнопоршневой компрессор, позволяет получить наиболее полное расширение горячих газов (при достаточно протяженном обменнике возможно расширение газов до атмосферных параметров, т. е. получение "холодного" выхлопа), а установка между его ступенями сжатия воздуха охладителя и теплоизоляция ресивера, установленного после второй ступени, позволяет осуществлять процесс сжатия свежего заряда термодинамически оптимальным способом: сначала изотермически, а затем адиабатно. В результате в ресивере накапливается свежий заряд, полностью по своим параметрам подготовленный для сжигания топлива, и с помощью управляемого клапана этот заряд может быть использован для сжигания топлива как непосредственно в цилиндре, так и в промежуточной камере сгорания, что представляет очень широкие возможности по регулированию мощности двигателя и исключает непроизводительные потери, понижающие эффективный КПД известных ДВС. Современные ДВС непосредственно для преобразования в полезную мощность используют только 1/3 общего количества топлива, имеющегося в баке автомобиля, а остальное топливо исчезает в виде тепловых потерь (см. [7], стр.13). Кроме того, продолженное расширение газов в обменнике энергии обеспечивает отсутствие шума выхлопа, позволяет отказаться от глушителя. The energy exchanger, which is a free piston compressor, allows you to get the most complete expansion of hot gases (with a sufficiently long exchanger, it is possible to expand the gases to atmospheric parameters, that is, receive a "cold" exhaust), and the installation between its stages of air compression of the cooler and thermal insulation of the receiver, installed after the second stage, allows the process of compressing a fresh charge in a thermodynamically optimal way: first isothermally and then adiabatically. As a result, a fresh charge is accumulated in the receiver, fully prepared for fuel combustion in its parameters, and with the help of a controlled valve this charge can be used to burn fuel directly in the cylinder and in the intermediate combustion chamber, which presents very wide possibilities for power control engine and eliminates unproductive losses that reduce the effective efficiency of known internal combustion engines. Modern ICEs directly for conversion to useful power use only 1/3 of the total amount of fuel available in the vehicle’s tank, and the rest of the fuel disappears in the form of heat loss (see [7], p. 13). In addition, the continued expansion of gases in the energy exchanger ensures the absence of exhaust noise, eliminates the muffler.
Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения, в сравнении с прототипом, позволяют обеспечить значительно более эффективное использование энергии сжигаемого топлива, расширяет технологические возможности использования силовой установки, при ее конструкции, большинство элементов которой освоены в промышленности. Thus, the above distinctive features of the claimed invention, in comparison with the prototype, can provide a significantly more efficient use of energy of combusted fuel, expands the technological capabilities of using a power plant, with its design, most of the elements of which are mastered in industry.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания, поясняющая осуществление заявляемых способов. In FIG. 1 presents a schematic diagram of the inventive power plant with a piston internal combustion engine, explaining the implementation of the proposed methods.
На фиг. 2 приведена схема с элементами силовой установки, которые используются в базовом цикле работы двигателя. При этом остальные элементы силовой установки, используемые для расширения ее технологических возможностей, не показаны. Позиционные обозначения элементов приведены такими же, как и на фиг. 1. In FIG. 2 shows a diagram with the elements of the power plant, which are used in the basic cycle of the engine. Moreover, the remaining elements of the power plant used to expand its technological capabilities are not shown. The item numbers are shown as in FIG. 1.
На фиг. 3 изображена PV диаграмма, на которой представлены термодинамические процессы, осуществляемые в цикле ДВС заявляемой силовой установки. In FIG. 3 shows a PV diagram, which shows the thermodynamic processes carried out in the ICE cycle of the inventive power plant.
На фиг. 4 изображена TS диаграмма отопительного цикла, который используется для обогрева помещения. In FIG. Figure 4 shows the TS diagram of the heating cycle that is used to heat the room.
На фиг. 5 представлены кривые изменения крутящего момента на вале силовой установки по его углу поворота, полученные расчетным путем для трехцилиндрового двигателя при расположении цилиндров под углом 120o друг к другу. При этом Мcт - момент без учета инерционных сил от движущихся масс, Мдин - момент с учетом сил, возникающих от движения поршней двигателя и обменника энергии, жестко соединенных штоком.In FIG. 5 shows the curves of changes in torque on the shaft of the power plant by its angle of rotation, obtained by calculation for a three-cylinder engine with the cylinders at an angle of 120 o to each other. In this case, M ct is the moment without taking into account the inertial forces from the moving masses, M dyne is the moment taking into account the forces arising from the movement of the engine pistons and the energy exchanger, rigidly connected by a rod.
Силовая установка содержит двигатель по крайней мере с одним рабочим цилиндром 1 и поршнем 2, который подключен через механизм 3 к валу 4 отбора мощности. Система подготовки рабочей смеси воздуха и топлива, снабжена ресивером 5 сжатого воздуха, а также включает цилиндр 6 обменника энергии для расширения рабочих газов, причем в последнем установлен дифференциальный поршень 7 для двухступенчатого сжатия воздуха. Поршни 2 и 7 двигателя и обменника энергии расположены соосно и соединены штоком 8. The power plant includes an engine with at least one working
Полость расширения газов 9 в обменнике энергии соединена через управляемый клапан 10 с теплообменником для охлаждения 11. Через управляемый клапан 12 эта полость соединена с выхлопом в атмосферу, а через управляемый клапан 13 - с полостью рабочего цилиндра 1. The gas expansion cavity 9 in the energy exchanger is connected through a
Ресивер 5 сжатого воздуха подключен к теплообменнику 14 для обогрева, для отключения которого установлен клапан 15. Клапан 16 установлен на линии, соединяющей ресивер 5 и полость рабочего цилиндра 1. The
На выходе из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии установлено по крайней мере три ресивера, причем первый 5, второй 17 и возможные последующие (на фиг. 1 они не показаны, а под позицией 18 приведен третий ресивер, охлаждаемый) подключены к системе 19 нагрева от внешнего источника тепла, которая содержит нагревательные устройства 20 (на фиг. 1 этот нагреватель приведен электрическим), 21 (на фиг. 1 этот нагреватель приведен как использующий дополнительный вид топлива, например беззольный уголь) и контур циркуляции греющего воздуха, снабженный вентилятором 22 и рекуперативным теплообменником 23. Для передачи тепла от внешнего источника воздуху в ресиверах 17 и 5 могут быть использованы теплообменники 24 и 25, выполненные, например, из тонкостенных капиллярных трубок. Для поочередного подключения теплообменников 24 и 25 к системе 19 установлен переключатель 26. At the outlet of the second stage of air compression of the energy exchanger, at least three receivers are installed, the first 5, second 17 and possible subsequent ones (not shown in Fig. 1, and the third receiver being cooled under position 18) is connected to the heating system 19 from external heat source, which contains heating devices 20 (in Fig. 1 this heater is electric), 21 (in Fig. 1 this heater is shown as using an additional type of fuel, for example ashless coal) and a heating air circulation circuit, ny blower 22 and the regenerative heat exchanger 23 for transferring heat from an external source to the
Выход из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии через обратный клапан 27 подключен к ресиверам 5, 17 и 18 с помощью переключателей потока воздуха 28 и 29. Ресиверы 17 и 18 подключены к полости рабочего цилиндра 1 через клапаны 30 и 31. Так же, как и в прототипе, между ступенями сжатия свежего воздуха обменника энергии установлен охладитель 32, внутренний объем которого служит одновременно промежуточным ресивером сжатого воздуха, а ступени сжатия соединены через обратные клапаны 33 и 34. Вход свежего воздуха в первую ступень сжатия обменника энергии выполнен через обратный клапан 35. На схеме показана также форсунка 36 для подачи в рабочий цилиндр 1 двигателя жидкого топлива. The output from the second stage of compression of the energy of the energy exchanger through the
На фиг. 2 приведены элементы силовой установки, которые используются, когда осуществляется базовый цикл работы двигателя. При этом поршень 2 ДВС находится в верхней мертвой точке, в цилиндр 1 двигателя осуществляется впрыск жидкого топлива (показано стрелкой) и подача сжатого до параметров сжигания топлива воздуха из ресивера 5 через клапан 16. Полость 9 обменника энергии соединена при этом с выхлопом в атмосферу через клапан 12. In FIG. 2 shows the elements of the power plant, which are used when the basic cycle of the engine. In this case, the internal
Заявляемый способ работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания осуществляют следующим образом. The inventive method of operation of a power plant with a piston internal combustion engine is as follows.
При работе силовой установки сжимают воздух, при этом воздух сжимают двухступенчато вне цилиндра 1 двигателя, используя обменник энергии 6, с охлаждением в охладителе 32 после сжатия на первой ступени, и накапливают в первом ресивере 5 для последующей подачи в рабочий цилиндр 1. Подают в рабочий цилиндр 1 сжатый воздух из первого ресивера 5 и топливо через форсунку 36, сжигают смесь внутри цилиндра 1 с подвижным поршнем 2 и передают работу, получаемую при расширении горячих газов, через поршень 2 и механизм 3 двигателя на его вал 4 отбора мощности. При этом часть энергии полученных при сжигании топлива газов используют для сжатия воздуха в обменнике энергии 6, расширение горячих газов осуществляют сначала в цилиндре 1 двигателя, а затем в полости 9 цилиндра 6 обменника энергии между газами и свежим воздухом, причем в обменнике энергии воздух сжимают до параметров начала горения топлива, а накопление сжатого воздуха в первом ресивере 5 производят при сохранении достигнутых параметров. When the power plant is operating, air is compressed, while air is compressed two stages outside the
При этом расширение горячих газов в цилиндре 1 двигателя используют только для получения полезной работы при их расширении до величины в пределах от 0,09 до 0,6 исходного объема воздуха, а расширение газов в полости 9 обменника энергии 6 используют как для сжатия свежего воздуха, так и для получения дополнительной полезной работы, для чего поршни двигателя 2 и обменника 7 энергии соединяют с помощью механической (штоком 8) или гидравлической связи. При этом полезную работу силовой установки получают как при движении поршня 2 двигателя из верхней в нижнюю мертвую точку, так и при обратном ходе. Moreover, the expansion of hot gases in the
На частичных по мощности режимах работы силовой установки подачу топлива через форсунку 36 в цилиндр 1 двигателя прекращают, а полезную работу получают путем расширения сжатого воздуха, при этом сжатый воздух дополнительно нагревают от внешнего источника теплоты с помощью нагревателей 20 и (или) 21 и накапливают по крайней мере в первом 5 или во втором 17 или более ресиверах, которые по очереди подключают к цилиндру 1 двигателя. At partial power modes of operation of the power plant, the fuel supply through the
В случае использования в силовой установке многоцилиндрового ДВС на частичных по мощности режимах работы силовой установки прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя и энергию, подведенную к воздуху, сжатому и накопленному в ресивере 5, используют для отопления, например, салона автомобиля, путем периодического заполнения и опорожнения подключенного к ресиверу теплообменника 14. Так как внутренний объем теплообменника 14 выполняют близким к объему первой ступени сжатия воздуха обменника энергии, разделенному на величину суммарной степени сжатия воздуха в обменнике энергии, заполнение и опорожнение этого теплообменника происходит при каждом ходе поршня 2 и воздух при этом охлаждают изотермически, что термодинамически наиболее выгодно. Кроме того, возможно сжатый и охлажденный после сжатия воздух расширять в цилиндре 1 двигателя, в который не подают топливо, и в соединенной с ним полости 9 цилиндра 6 обменника энергии, а полученный при этом холод использовать для охлаждения с помощью теплообменника 11. In the case of using a multi-cylinder internal combustion engine in a power plant at partial power operation modes of the power plant, the fuel supply to part of the engine cylinders is cut off and the energy supplied to the air compressed and accumulated in the
При любом количестве цилиндров ДВС силовой установки на режиме торможения или других режимах, при которых в силовой установке существует избыток накопленной энергии, возможен вариант, при котором прекращают подачу топлива в цилиндр 1 двигателя и полезно используют энергию торможения, при этом используют обменник энергии 6 для сжатия воздуха и накопления его в ресивере 18, а энергию, подведенную к воздуху, сжатому и накопленному в ресивере 18, используют для отопления путем размещения его, например, в кондиционере автомобиля. В этом случае сжатый воздух подают в ресивер 18 через распределители 28 и 29 за несколько циклов срабатывания силовой установки, то есть до тех пор, пока весь избыток энергии не будет превращен в энергию сжатого воздуха, накапливаемого в ресивере 18. For any number of internal combustion engine cylinders in the braking mode or in other modes in which there is an excess of accumulated energy in the power plant, a variant is possible in which the fuel supply to the
Так же, как и в предыдущем случае, сжатый и охлажденный в ресивере 18 после сжатия воздух возможно расширять в цилиндре 1 двигателя и в соединенном с этим цилиндром цилиндре 6 обменника энергии, а полученный при этом холод использовать для охлаждения с помощью теплообменника 11. As in the previous case, the compressed and cooled air in the receiver 18 after compression can be expanded in the
С помощью данной схемы можно осуществить подготовку воздуха для ДВС, работающего по рабочему процессу с индикаторной диаграммой, показанной на фиг. 3. На диаграмме отражены термодинамические процессы, происходящие в ДВС 1, обменнике энергии 6 и ресивере 5. Using this scheme, it is possible to carry out air preparation for an internal combustion engine operating according to the working process with the indicator diagram shown in FIG. 3. The diagram shows the thermodynamic processes occurring in
Линия AF1 изображает процесс изотермического сжатия в полости первой ступени сжатия обменника энергии. После достижения давления РG воздух поступает в охладитель 32. Перетекание всего сжатого воздуха в объем охладителя изображает линия F1G. При заполнении полости второй ступени сжатия (адиабатного) обменника энергии воздух вытекает из холодного объема охладителя 32 и возвращает обменнику 6 работу, затраченную на перекачку воздуха из полости низкого давления обменника в охладитель 32. Этот процесс изображается ориентированным отрезком GF2. После заполнения полости второй ступени сжатия происходит адиабатное сжатие воздуха и его перетекание в теплоизолированный ресивер 5 (линия C1H).Line AF 1 depicts the process of isothermal compression in the cavity of the first stage of compression of the energy exchanger. After reaching pressure P G, air enters the cooler 32. The flow of all compressed air into the cooler volume is depicted by the line F 1 G. When filling the cavity of the second compression stage (adiabatic) of the energy exchanger, the air flows out from the cold volume of the cooler 32 and returns to the
Если мертвое пространство в цилиндре 1 ДВС незначительное, то точку Н можно считать началом работы ДВС. При изменении объема камеры от 0 до VC2 происходит перетекание воздуха из ресивера 5 в ДВС. В это время ДВС работает как пневмодвигатель. В точке С2 подают топливо через форсунку 36, оно воспламеняется, и начинается изохорный подвод теплоты, который протекает на отрезке C2W. В точке W начинается изобарный подвод теплоты, который заканчивается в точке Z. От точки Z начинается адиабатное расширение, которое в идеальном случае заканчивается в начальной точке А.If the dead space in the
Отличительной особенностью предлагаемой индикаторной диаграммы является введение точки R, делящей процесс адиабатного расширения на две части: ZR и RB. В этой точке поршень ДВС достигает НМТ и открывается клапан 13. Рабочие газы перетекают в полость 9 обменника энергии, в которой продолжается расширение газов при движении поршней 2 и 7 от НМТ к ВМТ. Процесс RB менее интенсивный и протекает в обменнике энергии 6. A distinctive feature of the proposed indicator diagram is the introduction of the point R, dividing the adiabatic expansion process into two parts: ZR and RB. At this point, the internal combustion engine piston reaches the BDC and
Предлагаемый двигатель работает в двухтактном режиме, который удобнее рассмотреть по схеме, приведенной на фиг. 2. В начальный момент времени все клапаны закрыты, поршень 2 ДВС находится в положении ВМТ, поршень 7 обменника энергии находится тоже в крайнем верхнем положении, т.е. в таком положении, где объем горячей полости 9 обменника энергии максимален, а его камер первой и второй ступеней сжатия - минимален. При движении поршня 2 ДВС от ВМТ открывается впускной клапан 16 (рассмотрим случай при непосредственной подаче топлива в головку цилиндра 1 через форсунку 36, как это выполнено в известных двухтактных ДВС), и накопленный ранее сжатый воздух из ресивера 5 поступает в цилиндр 1. При определенном отклонении поршня 2 от положения ВМТ, определяемого объемом камеры сгорания, клапан 16 закрывают и одновременно производят через форсунку 36 впрыск топлива, его сжигание с образованием рабочего тела и рабочий ход ДВС. При положении поршня 2 в НМТ (т. R на фиг. 3) открывается выпускной клапан 13, рабочее тело, частично отдавшее свою энергию ДВС, поступает в камеру цилиндра 9 обменника энергии, где отдает свою оставшуюся энергию поршню 7 и заставляет его двигаться к положению ВМТ. При этом одновременно передают усилие на механизм 3 и сжимается воздух в первой ступени и во второй ступени обменника энергии 6. При подходе поршня 7 к положению ВМТ через обратный клапан 33 перепускают сжатый воздух из первой ступени сжатия в охладитель 32, а через обратный клапан 27 перепускают сжатый воздух из второй ступени сжатия в ресивер 5. При положении поршня 7 в ВМТ закрываются клапаны 27 и 33, а затем открываются клапаны 12 (или 10 при работе по схеме на фиг. 1). При движении поршня 7 от ВМТ к НМТ открываются клапаны 35 и 34. При открытии клапана 34 воздух из охладителя 32 под давлением поступает в полость второй ступени сжатия воздуха обменника энергии, воздействует на поршень 7 и двигает его от положения ВМТ к положению НМТ. При этом отработавшие газы из горячей камеры 9 выводятся через клапан 12 в атмосферу, а атмосферный воздух через клапан 35 всасывается в камеру первой ступени сжатия обменника энергии. При подходе поршня 7 к положению НМТ клапаны 12 и 35 закрываются. Таким образом, в полости первой ступени сжатия обменника энергии запасается воздух при атмосферном давлении, а в полости второй ступени сжатия запасается воздух при давлении, равном давлению в охладителе 32. При движении поршня 2 ДВС от НМТ к ВМТ выталкиваются остатки рабочего тела из цилиндра 1, которые через открытый клапан 13 и открытый клапан 12 выбрасываются в атмосферу. При подходе поршня 2 к положению ВМТ закрываются клапаны 13 и 12. Цикл повторяется. The proposed engine operates in a two-stroke mode, which is more convenient to consider according to the circuit shown in FIG. 2. At the initial time, all the valves are closed, the
Таким образом заявляемая установка открывает новые возможности как повышения КПД, так и удельной мощности ДВС. В сущности, предложен новый прием организации цикла работы ДВС. Этот прием основан на двойном расширении рабочих газов в двух поршневых машинах - в ДВС и обменнике энергии. Расширение газов в ДВС обеспечивает получение полезной механической работы, а в обменнике энергий - утилизацию остаточной энергии в энергию сжатого воздуха и получение дополнительной полезной работы. Этот прием не только обеспечивает утилизацию энергии и снижение материалоемкости ДВС за счет повышения среднего индикаторного давления в рабочем цилиндре, но и упрощает организацию двухтактного режима работы. Новый способ существенно отличается от продолженного расширения прежде всего тем, что дополнительное расширение рабочих газов начинается не в точке, где объем рабочих газов выравнивается с начальным объемом свежего воздуха, а значительно раньше. Если продолженное расширение осуществляется в газовой турбине, то работа этой турбины используется для предварительного сжатия воздуха, которое называется наддувом. Давление наддува значительно меньше того, что требуется в начале процесса горения топлива. Поэтому наддув требует дополнительного сжатия воздуха в рабочем цилиндре. Thus, the inventive installation opens up new possibilities for increasing efficiency and specific power of internal combustion engines. In essence, a new technique is proposed for organizing the ICE work cycle. This technique is based on the double expansion of the working gases in two piston machines - in the internal combustion engine and energy exchanger. The expansion of gases in the internal combustion engine provides useful mechanical work, and in the energy exchanger - utilization of residual energy into compressed air energy and additional useful work. This technique not only ensures the utilization of energy and reduces the consumption of ICE due to the increase in the average indicator pressure in the working cylinder, but also simplifies the organization of a push-pull operation mode. The new method differs significantly from continued expansion primarily in that the additional expansion of the working gases does not begin at the point where the volume of the working gases is aligned with the initial volume of fresh air, but much earlier. If continued expansion is carried out in a gas turbine, then the operation of this turbine is used to pre-compress the air, which is called boost. The boost pressure is much less than what is required at the beginning of the combustion process. Therefore, supercharging requires additional air compression in the working cylinder.
В предлагаемой силовой установке на обменник энергии возлагается функция сжатия воздуха до давления, достаточного для начала горения топлива. Как показывают расчеты, остаточной энергии, содержащейся в выхлопных газах двигателя, работающего по базовому циклу Отто или Дизеля, недостаточно. Обменник энергии должен начинать свою работу в точке R (см. фиг. 3), расположенной между точками начала расширения и начала выхлопа в базовом цикле. В точке R к объему ДВС добавляется объем рабочей полости обменника энергии, и расширение продолжается уже в двух объемах. В конце совместного расширения оба объема сообщаются с атмосферой, и начинается вентилирование цилиндров. Такое расширение рабочих газов называется разделенным. Точка R разделяет кривую расширения на две части. В первой части производится только механическая работа, во второй продолжается получение механической работы и энергия выхлопных газов передается свежему заряду. Обменник энергии является термодинамическим преобразователем с минимальными механическими потерями, которые возникают только в уплотнениях. При этом механический КПД должен быть не менее 97-99%. Основные механические потери заявляемой системы возникают, в основном, при рабочем ходе поршня ДВС. In the proposed power plant, the energy exchanger has the function of compressing air to a pressure sufficient to start the combustion of fuel. As calculations show, the residual energy contained in the exhaust gases of an engine operating in the Otto or Diesel base cycle is not enough. The energy exchanger should begin its work at point R (see Fig. 3), located between the points of the beginning of expansion and the beginning of exhaust in the base cycle. At point R, the volume of the working cavity of the energy exchanger is added to the volume of the ICE, and expansion continues already in two volumes. At the end of the joint expansion, both volumes communicate with the atmosphere, and the ventilation of the cylinders begins. This expansion of the working gases is called split. Point R divides the expansion curve into two parts. In the first part, only mechanical work is performed, in the second, mechanical work is continued and the energy of the exhaust gases is transferred to the fresh charge. The energy exchanger is a thermodynamic converter with minimal mechanical losses that occur only in seals. In this case, the mechanical efficiency should be at least 97-99%. The main mechanical losses of the inventive system occur mainly during the stroke of the internal combustion engine piston.
Заявляемый двигатель имеет большие преимущества перед известными по энергетическим и массогабаритным характеристикам. Так, при общей степени сжатия в обменнике энергии, равной 60 (степень сжатия первой ступени - 5, и второй - 12) температура газов на выхлопе не превосходит 150oС (расчетом получено 431К), а объем собственно двигателя (соответственно и его масса) в 11 раз меньше объема обменника энергии. Так как механические потери двигателя определяются массой его деталей, во столько же раз эти потери снижаются в сравнении с известными ДВС. Необходимо отметить также, что в заявляемой силовой установке наличие промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха позволяет уменьшить требования к октановому числу сжигаемого топлива.The inventive engine has great advantages over the well-known energy and weight characteristics. So, with a total degree of compression in the energy exchanger equal to 60 (the compression ratio of the first stage is 5 and the second is 12), the temperature of the gases at the exhaust does not exceed 150 o C (calculated by 431K), and the volume of the engine itself (respectively, its mass) 11 times less than the volume of the energy exchanger. Since the mechanical losses of the engine are determined by the mass of its parts, these losses are reduced by the same amount in comparison with the known ICEs. It should also be noted that in the inventive power plant, the presence of intermediate cooling of compressible air can reduce the requirements for the octane number of fuel burned.
Как видно из схемы фиг. 1, работа силовой установки с двухступенчатым сжатием воздуха имеет различные типы клапанов. Четыре клапана обслуживают компрессорную часть обменника энергии и могут выполняться как свободно управляемые обратные, например лепестковые, клапаны. Остальные клапаны и распределители потоков воздуха должны быть управляемыми от автоматической системы управления (на фиг. 1 не показана). Развитие электронной техники позволяет уже известными средствами решить задачу создания упомянутой системы управления и получить оборудование, конкурентоспособное с самыми современными специализированными установками. As can be seen from the diagram of FIG. 1, the operation of the power plant with two-stage air compression has various types of valves. Four valves serve the compressor part of the energy exchanger and can be performed as freely controlled check valves, for example, flap valves. The remaining valves and air flow distributors must be controlled from an automatic control system (not shown in Fig. 1). The development of electronic technology allows already known means to solve the problem of creating the aforementioned control system and to obtain equipment that is competitive with the most modern specialized installations.
В варианте осуществления заявляемого способа, когда прекращают подачу жидкого топлива через форсунку 36 в рабочий цилиндр 1 ДВС, силовую установку переводят в другие режимы работы, одним из этих режимов является режим частичной мощности установки, в котором необходимую для работы потребителя мощность получают от внешнего источника тепла. Для этого используют систему нагрева 19, нагревая циркулирующий в ней под воздействием вентилятора 22 воздух от внешнего источника энергии: электронагревателя 20 или сжиганием дополнительного топлива в нагревательном устройстве 21. Циркулирующий в системе 19 нагретый воздух передает свою теплоту сжатому воздуху в одном из ресиверов 5 или 17, которые в этом случае подключают к полости рабочего цилиндра 1 ДВС по очереди с помощью клапанов 16 и 30. Соответственно, и подачу от системы 19 греющего воздуха осуществляют в теплообменники 25 и 24 по очереди с помощью распределителя 26. Для уменьшения потерь энергии циркулирующий в системе 19 греющий воздух подогревают в рекуперативном теплообменнике 23 за счет остаточного тепла, отводимого в атмосферу греющего воздуха. In an embodiment of the proposed method, when the supply of liquid fuel through the
Сжатый и нагретый воздух из ресивера 5 или 17 подают затем в рабочий цилиндр 1 ДВС, который в этом случае работает как пневмодвигатель. The compressed and heated air from the
Другим режимом работы силовой установки после прекращения подачи жидкого топлива через форсунку 36 является режим "теплового насоса", при котором установку используют для получения тепла и (или) холода для других, кроме основной работы, нужд потребителя. При этом клапан 12 закрывают. При движении поршней 2 и 7 от ВМТ к НМТ (см. фиг. 1) открывают клапан 10, в полость первой ступени сжатия воздуха обменника энергии через обратный клапан 35 всасывается свежий заряд воздуха, в полость второй ступени сжатия через обратный клапан 34 поступает воздух из объема охладителя 32, а в полость рабочего цилиндра 1 поступает воздух из объема теплообменника 14 через открытый клапан 15. При движении поршней 2 и 7 от НМТ к ВМТ открывают клапан 13 и закрывают клапаны 10 и 15. Another mode of operation of the power plant after the supply of liquid fuel through the
Еще одним режимом работы силовой установки после прекращения подачи жидкого топлива через форсунку 36 является режим рекуперации избыточной энергии, например энергии торможения автомобиля. При этом энергия торможения через вал 4 и механизм 3 передается на привод поршня 2 и через шток 8 - на привод дифференциального поршня 7. Распределители 28 и 29 устанавливают в положение, в котором ресивер 18 соединен с выходом из второй ступени сжатия воздуха обменника энергии. Энергия торможения преобразуется в энергию сжатого воздуха, накапливаемую в охлаждаемом ресивере 18 при закрытом клапане 31. При необходимости получать холод клапан 31 открывают и накопленный и охлажденный в ресивере 18 сжатый воздух последовательно расширяют в полостях рабочего цилиндра 1 двигателя и в полости 9 обменника энергии, а затем направляют в теплообменник 11 для охлаждения по алгоритму, описанному выше. Another mode of operation of the power plant after the cessation of the supply of liquid fuel through the
Двигатель заявляемой силовой установки может работать в режиме компрессора. При этом энергия отбирается от вала 4, а полезная работа может частично или на 100% получаться в виде энергии сжатого воздуха. Энергия на вал 4 может поступать от любого источника, например от торможения автомобиля, запасенная в маховике при рабочих ходах двигателя, или от других рабочих цилиндров при многоцилиндровом двигателе. The engine of the claimed power plant can operate in compressor mode. In this case, energy is taken from the
Например, при ходе поршня 2 от ВМТ к НМТ открывают клапан 13 и в рабочий цилиндр 1 поступает воздух из полости 9 обменника энергии. Ступени сжатия воздуха при этом работают так же, как это описано выше. For example, when the
При последующем ходе поршня 2 от НМТ к ВМТ клапан 13 закрывают, открывают клапан 16 или 30 и, сжимая воздух в полости рабочего цилиндра 1, направляют его в ресивер 5 или 17. В это же время открывают клапан 12, и в полость 9 обменника энергии засасывается воздух из атмосферы. При этом воздух, сжатый в двух ступенях сжатия обменника энергии, направляют в охлаждаемый ресивер 18, для чего закрывают клапан 15 и переводят переключатель 29 на подачу сжатого воздуха в ресивер 18 при закрытом клапане 31. In the
Схема заявляемой силовой установки работает при этом как типичный компрессор с двумя параллельно работающими двухступенчатыми секциями, одна из которых накачивает воздух в ресивер 18 (две ступени сжатия воздуха обменника энергии), а другая накачивает воздух в ресивер 5 или 17 (полость 9 обменника энергии в качестве первой ступени сжатия и рабочая полость цилиндра 1 двигателя в качестве второй ступени сжатия). The scheme of the claimed power plant works in this case as a typical compressor with two parallel two-stage sections, one of which pumps air into the receiver 18 (two stages of air compression of the energy exchanger), and the other pumps air into the
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет получить универсальную силовую установку, обладающую наиболее широкими технологическими возможностями из всех известных силовых установок с двигателями внутреннего сгорания. При этом обеспечивается наиболее экономное расходование жидкого топлива, появляется возможность использовать другие источники энергии, получать не только основную полезную работу (например, для движения автомобиля), но одновременно вырабатывать, при необходимости, тепло и холод. Все перечисленные дополнительные возможности силовой установки реализуются при простой ее конструкции, причем все основные элементы конструкции освоены в двигателестроении и, как показали выполненные авторами расчеты, и двигатель с обменником энергии, и дополнительные ресиверы и теплообменники достаточно просто размещаются, например, на автомобиле, не ухудшая его весогабаритных характеристик. Thus, the claimed invention allows to obtain a universal power plant with the widest technological capabilities of all known power plants with internal combustion engines. This ensures the most economical consumption of liquid fuel, it becomes possible to use other sources of energy, get not only the main useful work (for example, to move the car), but at the same time generate, if necessary, heat and cold. All of these additional features of the power plant are realized with its simple design, and all the basic structural elements are mastered in engine building and, as the calculations made by the authors showed, both the engine with the energy exchanger and additional receivers and heat exchangers are quite simply placed, for example, on a car, without compromising its weight and size characteristics.
В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в разработке новых способов работы силовой установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания и разработке силовой установки для осуществления способов, которая устраняют указанные выше недостатки прототипов. Разработанный для осуществления заявляемых способов поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет простую, легко осваиваемую на существующих двигателестроительных производствах конструкцию, и при его использовании на транспортных средствах позволит производителю получить выход на очень емкий рынок автомобилестроения. As a result of solving this problem, a new technical result was achieved, consisting in the development of new ways of operating a power plant with a reciprocating internal combustion engine and the development of a power plant for implementing methods that eliminate the aforementioned disadvantages of prototypes. Designed to implement the inventive methods, the reciprocating internal combustion engine has a simple structure that is easily mastered on existing engine-building industries and, when used on vehicles, will allow the manufacturer to gain access to a very capacious automotive market.
Источники информации
1. Европейская патентная заявка 493135, F 02 B 75/02, 1992.Sources of information
1. European Patent Application 493135, F 02 B 75/02, 1992.
2. Авт. свид. СССР 1806282, F 02 D 17/02, 1989. 2. Auth. testimonial. USSR 1806282, F 02 D 17/02, 1989.
3. Авт. свид. СССР 1134748, F 02 B 33/42, 1983. 3. Auth. testimonial. USSR 1134748, F 02 B 33/42, 1983.
4. Авт. свид. СССР 1760140, F 02 B 37/00, 1990. 4. Auth. testimonial. USSR 1760140, F 02 B 37/00, 1990.
5. Патент РФ 2075613, МПК F 02 B 37/00, опубл. 20.03.1997 г. - прототип. 5. RF patent 2075613, IPC F 02 B 37/00, publ. 03/20/1997 - a prototype.
6. Мацкерле Ю. "Современный экономичный автомобиль", М.: Машиностроение, 1987. 6. Matskerle Y. "Modern economical car", M .: Mechanical engineering, 1987.
Claims (9)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20000364 | 2000-04-18 | ||
| BYA20000364 | 2000-04-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001109457A RU2001109457A (en) | 2003-04-20 |
| RU2214525C2 true RU2214525C2 (en) | 2003-10-20 |
Family
ID=31983572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001109457A RU2214525C2 (en) | 2000-04-18 | 2001-04-11 | Method of operation of power plant with piston internal combustion engine (versions) and power plant for implementing the method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2214525C2 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2449138C2 (en) * | 2010-01-11 | 2012-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Internal combustion engine |
| RU2516046C2 (en) * | 2011-12-07 | 2014-05-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Аркон" | Method of ice operation and device to this end |
| RU2622457C1 (en) * | 2013-11-20 | 2017-06-15 | Джр. ДОРЧ Ричард В. | Internal combustion engine based on isothermal compression, its operating and management methods |
| RU2684046C1 (en) * | 2018-03-05 | 2019-04-03 | Юрий Иванович Духанин | Method of internal combustion engine operation |
| RU2697778C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-08-19 | Юрий Иванович Духанин | Piston engine operation method |
| RU198604U1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-07-20 | Леонид Васильевич Степанов | Air preparation system before supplying it to the GTU compressor |
| RU199020U1 (en) * | 2020-03-24 | 2020-08-07 | Вячеслав Степанович Калекин | PISTON ENGINE |
| RU2787615C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-01-11 | Владимир Викторович Михайлов | Combined air motor system with forced air supply and external heat source |
-
2001
- 2001-04-11 RU RU2001109457A patent/RU2214525C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2449138C2 (en) * | 2010-01-11 | 2012-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Internal combustion engine |
| RU2516046C2 (en) * | 2011-12-07 | 2014-05-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Аркон" | Method of ice operation and device to this end |
| RU2622457C1 (en) * | 2013-11-20 | 2017-06-15 | Джр. ДОРЧ Ричард В. | Internal combustion engine based on isothermal compression, its operating and management methods |
| US9957902B2 (en) | 2013-11-20 | 2018-05-01 | Richard W. Dortch, JR. | Isothermal compression based combustion engine |
| RU2684046C1 (en) * | 2018-03-05 | 2019-04-03 | Юрий Иванович Духанин | Method of internal combustion engine operation |
| RU2697778C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-08-19 | Юрий Иванович Духанин | Piston engine operation method |
| RU198604U1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-07-20 | Леонид Васильевич Степанов | Air preparation system before supplying it to the GTU compressor |
| RU199020U1 (en) * | 2020-03-24 | 2020-08-07 | Вячеслав Степанович Калекин | PISTON ENGINE |
| RU2787615C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-01-11 | Владимир Викторович Михайлов | Combined air motor system with forced air supply and external heat source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2434149C2 (en) | Waste heat recovery system and method for split-cycle engine | |
| US9074526B2 (en) | Split cycle engine and method with increased power density | |
| US4791787A (en) | Regenerative thermal engine | |
| US4783966A (en) | Multi-staged internal combustion engine | |
| JP2002505399A (en) | Free piston internal combustion engine | |
| EP1214506B1 (en) | Internal combustion engine with regenerator and hot air ignition | |
| US4936262A (en) | Regenerative thermal engine | |
| US20050274334A1 (en) | Energy storing engine | |
| US5924305A (en) | Thermodynamic system and process for producing heat, refrigeration, or work | |
| US3591958A (en) | Internal combustion engine cycle | |
| US4817388A (en) | Engine with pressurized valved cell | |
| RU2214525C2 (en) | Method of operation of power plant with piston internal combustion engine (versions) and power plant for implementing the method | |
| US6116222A (en) | Two stroke regenerative engine | |
| WO2016114683A1 (en) | Internal combustion engine and operating method therefor | |
| BG105831A (en) | Combined piston engine | |
| Riofrio et al. | Design of a free piston pneumatic compressor as a mobile robot power supply | |
| US3143850A (en) | Supercharged integral compression engine | |
| RU2432474C2 (en) | Reciprocating internal combustion engine operation method | |
| CN101253316A (en) | Steam enhanced double piston cycle engine | |
| RU2075613C1 (en) | Piston internal combustion engine and method of its operation | |
| US5048473A (en) | Method and apparatus for equipping a two-stroke engine which is self-supercharged by post-charging and in which an admission duct provides pre-exhaust into a storage chamber | |
| RU2001109457A (en) | METHOD FOR OPERATING A POWER PLANT WITH A PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE (ITS OPTIONS) AND POWER PLANT FOR CARRYING OUT THE METHODS | |
| JPH04209933A (en) | Piston type engine | |
| WO1999030017A1 (en) | Internal combustion engine | |
| RU2246625C2 (en) | Method of operation of internal combustion engine and device for implementing the method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090412 |