RU2808328C1 - Двигатель с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешенным сгоранием - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешанным сгоранием, содержит форкамеру (6) переменного объёма, изолированную от рабочего (2) цилиндра клапаном (7) форкамеры, а от системы подачи топлива клапаном (5) подачи топлива. При перемещении поршня (1) из положения нижней мёртвой точки (НМТ) в сторону верхней мёртвой точки (ВМТ) в рабочем цилиндре (2) воздух адиабатически сжимается. Плунжер (8), перемещаясь из ВМТ в сторону НМТ, увеличивает объём форкамеры (6). В форкамеру (6) подаётся порция топлива, в результате адиабатического расширения топливо переходит из жидкого состояния в парогазовое состояние. При достижении плунжером (8) положения НМТ осуществляется открытие клапана (7) форкамеры и выравнивается давление в рабочем цилиндре (2). В форкамере (6) происходит образование топливной смеси. При перемещении поршня (1) до положения ВМТ в рабочем цилиндре (2) продолжается адиабатическое сжатие воздуха. При движении плунжера (8) из положения НМТ в сторону ВМТ в форкамере (6) осуществляется адиабатическое сжатие топливной смеси до температуры, обеспечивающей её воспламенение и сгорание части топлива. При положении поршня (1) в ВМТ объем, образованный стенками поршня (1), стенками рабочего цилиндра (2), стенками форкамеры (6) и стенками плунжера (8), минимальный. В результате возрастания давления в рабочем цилиндре (2) и форкамере (6) поршень (1) перемещается из положения ВМТ в сторону НМТ. Плунжер (8) вытесняет из форкамеры (6) образовавшуюся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания в рабочий цилиндр (2). Осуществляется отвод теплоты из форкамеры (6) в рабочий цилиндр (2), где происходит догорание оставшегося топлива, сопровождающееся, при постоянном давлении, перемещением поршня (2) в сторону НМТ, а плунжера (8) в сторону ВМТ. По окончании горения топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания происходит адиабатически. При достижении плунжером (8) ВМТ клапан (7) форкамеры изолирует форкамеру (6) от рабочего цилиндра (2). При прохождении поршнем (1) НМТ вытесняются отработавшие газы из рабочего цилиндра (2) через открытый выпускной клапан (4) в окружающую атмосферу. Цикл в цилиндре (2) осуществляется за четыре хода поршня - впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработавших газов и за два оборота коленчатого вала. Площадь плунжера (8) меньше площади поршня (1). Цикл в форкамере (6) осуществляется за два хода плунжера (8) - адиабатическое расширение и рабочий ход и за один оборот коленчатого вала. Следующий цикл форкамеры (6) используется при цикле в четыре такта смежного рабочего цилиндра (10). Технический результат заключается в повышении удельной мощности двигателя и крутящего момента. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве источника механической энергии.

Известны двигатели внутреннего сгорания, представляющие собой тепловую машину, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе - продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива (бензин, керосин, дизельное топливо и др.). Различают три основных вида циклов четырехтактных поршневых двигателей внутреннего сгорания:

- цикл Отто. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (сгорание при v = const ). Автор немецкий конструктор Н.А. Отто, осуществивший этот цикл в 1876 году. Основным недостатком данного цикла является то, что необходимо специальное устройство (например карбюратор) для приготовленная топливной смеси состоящей из воздуха с некоторым количеством паров бензина (или другого топлива).;

- цикл Дизеля. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (сгорание при p = const ). Заявка от 28 февраля 1892 года в патентное бюро Германии на способ действия и устройство нового теплового двигателя (An Rudolf Diesel, Ingenier, in Berlin. Arbeitsverfahren und Ausfuhrugsart fur Verbrennungs kraftmaschinen. Patent - Urkunde № 67207. Anfang despatentes: 1892. Рудольфом Дизелем был изобретён поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха. Основным недостатком данного цикла является то, что необходим компрессор высокого давления для распыления жидкого топлива.;

- цикл Тринклера. Цикл со смешанным сгоранием (сгорание при v=const и затем при p=const ). Автор: Тринклер Густав Васильевич (24 апреля 1876 - 04 февраля 1957). Русский учёный, педагог, инженер-изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя). Особенность двигателя со смешанным сгоранием состоит в том, что в отличие от двигателя Дизеля он не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Данный цикл выбран в качестве прототипа. Основным недостатком данного цикла является то, что в форкамере не реализован механизм адиабатического расширения топлива с последующим формированием топливной смеси и адиабатическим сжатие топливной смеси до температуры обеспечивающее её воспламенение, а так же не реализован механизм вытеснения образовавшуюся в форкамере смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания в рабочий цилиндр.

Технический результат заключается в повышение удельной мощности двигателя, крутящего момента и механического КПД.

Технический результат достигается за счет использования двигателя с форкамерой переменного объёма, работающего по циклу со смешанным сгоранием в котором цикл осуществляется за четыре хода поршня и за два оборота коленчатого вала:

- впуск. При перемещении поршня из положения верхней мёртвой точки (ВМТ) в сторону нижней мёртвой точки (НМТ) рабочий цилиндр заполняется воздухом;

-сжатие. При перемещении поршня из положения НМТ в сторону ВМТ воздух адиабатически сжимается. При этом в увеличивающийся объём форкамеры подаётся порция топлива которое, в результате адиабатического расширения, переходит из жидкого агрегатного состояния в парогазовое состояние. При этом, в результате открытия клапана форкамеры, происходит выравнивание давления в рабочем цилиндре и в форкамере и формирование топливной смеси с последующим адиабатическим сжатие топливной смеси до температуры обеспечивающее её воспламенение;

- рабочий ход. В течение этого хода происходит расширение продуктов сгорания и преобразование тепловой энергии в механическую работу. При этом плунжер вытесняет из форкамеры образовавшуюся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания в рабочий цилиндр, при этом осуществляется отвод теплоты из форкамеры в рабочий цилиндр, где происходит догорание оставшегося топлива. При этом, при достижении плунжера ВМТ, клапан форкамеры изолирует форкамеру от рабочего цилиндра;

- выпуск отработавших газов. При выпуске отработавших газов рабочая полость цилиндра очищается за счет их свободного истечения и принудительного вытеснения поршнем при его движении в сторону ВМТ.

При этом площадь плунжера меньше площади поршня. При этом цикл в форкамере осуществляется за два хода плунжера (адиабатическое расширение, рабочий ход) и за один оборот коленчатого вала. При этом следующий цикл форкамеры используется при цикле (в четыре такта) смежного рабочего цилиндра.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемые решения от прототипов, не известны и явный образом из уровня техники не следуют.

На основании изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение обладает «новизной» и «изобретательским уровнем».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. (1-4) - показана принципиальная схема устройства в момент впуска, при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ);

на фиг. 4 - показана принципиальная схема устройства в момент подачи топлива в форкамеру;

на фиг. (4-7) - показана принципиальная схема устройства в момент сжатия воздуха, при движении поршня от НМТ в сторону ВМТ;

на фиг. 6 - показана принципиальная схема устройства в момент подачи сжатого воздуха в форкамеру;

на фиг. 7 - показана принципиальная схема устройства в момент горения топливной смеси, при нахождении поршня в ВМТ;

на фиг. (7-10) - показана принципиальная схема устройства в момент рабочего хода, при движении поршня от ВМТ к НМТ;

на фиг. (10-13) - показана принципиальная схема устройства в момент выпуска отработавших газов, при движении поршня от НМТ к ВМТ;

на фиг. 14 (А) - показана индикаторная диаграмма;

на фиг. 14 (Б) - показана P,V-диаграмма;

на фиг. 14 (В) - показана T,S-диаграмма;

на фиг. 14 (Г) - показано положение деталей двигателя соответствующему процессу 1*-О* и 1-О диаграмм;

на фиг. 14 (Д) - показано положение деталей двигателя соответствующему процессу О*, О диаграмм;

на фиг. 14 (Е) - показано положение деталей двигателя соответствующему процессу 2*-5*и 2-5 диаграмм;

на фиг. 14 (Ж) - показано положение деталей двигателя соответствующему процессу 5*-3* и 5-3 диаграмм;

на фиг. 14 (З) - показана приложенная сила плунжера 8 и приложенная сила воздействующая на поршень 1;

на фиг. 14 (И) - показано положение деталей двигателя соответствующему процессу 4-1 диаграмм.

Устройство двигателя с форкамерой переменного объёма, работающего по циклу со смешанным сгоранием состоит из следующих элементов:

- поршень 1,

- рабочий цилиндр 2,

- всасывающий клапан 3,

- выпускной клапан 4,

- клапан 5 подачи топлива,

- форкамера 6,

- клапан 7 форкамеры 6,

- плунжер 8,

- топливо 9,

- смежный рабочий цилиндр 10,

- поршень 11 цилиндра 10,

- клапан 12 форкамеры 6,

- всасывающий клапан 13 цилиндра 10,

- выпускной клапан 14 цилиндра 10.

Двигатель с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешанным сгоранием в котором цикл осуществляется за четыре хода поршня 1 и за два оборота коленчатого вала:

- впуск. При перемещении поршня 1 (см. фиг. 1-4) из положения верхней мёртвой точки (ВМТ) в сторону нижней мёртвой точки (НМТ) рабочий цилиндр 2 заполняется воздухом. При этом всасывающий клапан 3 открыт, а выпускной клапан 4 и клапан 7 форкамеры 6 закрыты. По окончании впуска (см. фиг. 4) всасывающий клапан 3 закрыт. На индикаторной диаграмме (см. фиг. 14 (А)) впуск показан (процесс в-1).;

-сжатие. При перемещении поршня 1 (см. фиг. 4-7) из положения НМТ в сторону ВМТ воздух адиабатически сжимается. При этом в увеличивающийся объём форкамеры 6 подаётся (см. фиг. 4) порция топлива 9 которое, в результате адиабатического расширения, переходит из жидкого агрегатного состояния в парогазовое состояние. При этом, в результате открытия клапана 7 форкамеры 6 (см. фиг. 7), происходит выравнивание давления в рабочем цилиндре 2 и в форкамере 6 и формирование топливной смеси (на индикаторной диаграмме (см. фиг. 14 (А)) процесс 1-О-Р-2 и процесс 1*-О*-Р-2*) с последующим адиабатическим сжатие топливной смеси до температуры обеспечивающее её воспламенение. На индикаторной диаграмме (см. фиг. 14 (А)) процесс 2-3 и процесс 2*-3*.;

- рабочий ход. В течение этого хода (см. фиг. 7-10, на индикаторной диаграмме (см. фиг. 14 (А) процесс 2-3-4 и процесс 2*-3*-4*) происходит расширение продуктов сгорания и преобразование тепловой энергии в механическую работу. При этом плунжер 8 вытесняет из форкамеры 6 образовавшуюся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания в рабочий цилиндр 2. При этом осуществляется отвод теплоты q*₂ из форкамеры 6 в рабочий цилиндр 2, где происходит догорание оставшегося топлива. При этом, при достижении плунжера 8 ВМТ (см. фиг. 9), клапан 7 форкамеры 6 изолирует форкамеру 6 от рабочего цилиндра 2.;

- выпуск отработавших газов. При выпуске отработавших газов (см. фиг. 10-13 и на индикаторной диаграмме (см. фиг. 14 (А) процесс 4-5-а) рабочая полость цилиндра 2 очищается за счет их свободного истечения и принудительного вытеснения поршнем 1 при его движении в сторону ВМТ.

По закону Паскаля давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Закон Паскаля описывается формулой давления: P=F/S.

Из закона Паскаля следует: P=P₁=P₂ (см. фиг. 14 (З))

где P₁- давление создаваемое плунжером 8,

P₂- давление действующее на поршень 1;

F₁=P*S₁ и F₂=P*S₂

В нашем случае площадь S₁ плунжера 8 меньше площади S₂ поршня 1 (S₁<S₂). Из этого следует, что F ₁ <F ₂

где F₁- приложенная сила на плунжер 8

F₂ - приложенная сила поршня 1.

При этом цикл в форкамере 6 (см. фиг. 14 (А) осуществляется за два хода плунжера 8 (адиабатическое расширение (процесс 1*-О*), рабочий ход (процесс 2*-3*-4*)) и за один оборот коленчатого вала.

При этом следующий цикл форкамеры 6 используется при цикле (в четыре такта) смежного рабочего цилиндра 10.

Двигатель с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешанным сгоранием рассмотрим термодинамически эквивалентным ему идеализированным замкнутым циклом P,V-диаграммы (см. фиг. 14 (Б)).

При перемещении поршня 1 (процесс 1-О-Р-2) из положения нижней мёртвой точки (НМТ) в сторону верхней мёртвой точки (ВМТ), в рабочем цилиндре 2 воздух адиабатически сжимается. При этом плунжер 8 (см. фиг. 14 (Б), фиг. 14 (Г) и фиг. 14 (Д)) перемещаясь из ВМТ в сторону НМТ увеличивает объём форкамеры 6, процесс 1*-О* P,V-диаграммы (см. фиг. 14 (Б)). При этом, открытием клапана 5 подачи топлива, в форкамеру 6 подаётся порция топлива, в последующем топливо, в результате адиабатического расширения, переходит из жидкого агрегатного состояния в парогазовое состояние. При достижении плунжера 8 (см. фиг. 14 (Д)) положения НМТ осуществляется открытие клапана 7 форкамеры 8. При этом выравнивается давление в рабочем цилиндре 2 и в форкамере 6 процесс О-Р и О*-Р P,V-диаграммы (см. фиг. 14 (Б)). При этом происходит смесеобразование воздуха и топлива 9 (формирование топливной смеси). При этом, при перемещении поршня 1 до положения ВМТ (см. фиг. 14 (Е)), в рабочем цилиндре 2 продолжается адиабатическое сжатие воздуха процесс Р-2 P,V-диаграммы (см. фиг. 14 (Б)), а при движении плунжера 8 из положения НМТ в сторону ВМТ в форкамере 6 осуществляется адиабатическое сжатие топливной смеси (процесс Р-2*) до температуры обеспечивающее её воспламенение. При этом происходит сгорание части топлива (процесс 2*-5* и 2-5). При положении поршня 1 в ВМТ объем образованный стенками поршня 1, стенками рабочего цилиндра 2, стенками форкамеры 6 и стенками плунжера 8 минимальный. В результате возрастания давления в рабочем цилиндре 1 и форкамере 6 поршень перемещается из положения ВМТ в сторону НМТ (процесс 2-5-3). При этом плунжер 8 вытесняет из форкамеры 6 образовавшуюся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания в рабочий цилиндр 6 (процесс 2*-5*-3*4*), при этом осуществляется отвод теплоты из форкамеры 6 в рабочий цилиндр 2, где происходит догорание оставшегося топлива 9, сопровождающееся, при постоянном давлении (процесс 5-3 и 5*-3*), перемещением поршня 1 (см. фиг. 14 (Ж)) в сторону НМТ, а плунжера 2 в сторону ВМТ, по окончании горения топлива 9 дальнейшее расширение продуктов сгорания происходит адиабатически процесс 3-4 P,V-диаграммы (см. фиг. 14 (Б)). При этом, при достижении плунжера ВМТ (процесс 4*), клапан 7 форкамеры 6 изолирует форкамеру 6 от рабочего цилиндра 2. При прохождении поршня 1 НМТ, процесс 4-1 P,V-диаграммы (см. фиг. 14 (Б) и фиг. 14 (И)), он вытесняет отработавшие газы из рабочего цилиндра 2, через открытый выпускной клапан 4, в окружающую атмосферу.

Таким образом, в двигателе с форкамерой переменного объёма, работающего по циклу со смешанным сгоранием подвод теплоты q₁ осуществляется вначале по изохоре ( v = const ) процесс 2*-5*и 2-5 P,V-диаграммы (см. фиг. 14 (Б)), а затем по изобаре ( p = const ) процесс 5*-3*и 5-3, отвод теплоты q*₂ из форкамеры 6, процесс 5*-3*-4*, осуществляется в рабочий цилиндр 2, по окончании горения топлива 9 расширение продуктов сгорания происходит адиабатически, процесс 3-4, отвод теплоты q₂ из рабочего цилиндра 2 по изохоре, процесс 4-1.

Двигатель с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешанным сгоранием отличающийся тем, что открытие клапана форкамеры не зависит от положения плунжера 8 в НМТ. При этом выравнивается давление в рабочем цилиндре 2 и в форкамере 6, процесс О-Р и О*-Р (см. фиг. 14 (А) и фиг. (Б)), происходит до или после прохождения плунжера 8 НМТ.

Двигатель с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешанным сгоранием отличающийся тем, что плунжер находится в ВМТ, а поршень в НМТ. При этом отвод теплоты q*₂ из форкамеры 6, процесс 5*-3*-4* (см. фиг. 14 (Б)), осуществляется в рабочий цилиндр 2, с последующим отводом теплоты q₂ из рабочего цилиндра 2 по изохоре (процесс 4-1).

Преимущество двигателя с форкамерой переменного объёма, работающего по циклу со смешанным сгоранием является повышение удельной мощности двигателя, крутящего момента и механического КПД.

Рассмотрим Термический КПД двигателя с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешанным сгоранием T,S-диаграмма (см. фиг. 14 (В)) где:

- процесс (1-О-2) адиабатное сжатие воздуха в рабочем цилиндре 2 поршнем 1 при движении его из положения НМТ в положение ВМТ. При этом в форкамере 6 в результате перемещения плунжера 8 из положения ВМТ в положение НМТ происходит адиабатическое расширение (процесс 1-О*) с понижением температуры рабочего тела (топлива 9). При этом топливо 9, в результате адиабатического расширения, переходит из жидкого агрегатного состояния в парогазовое состояние. При достижении плунжера 8 положения НМТ осуществляется открытие клапана 7 форкамеры 6. При этом выравнивается давление в рабочем цилиндре 2 (процесс О-Р) и в форкамере 6 (процесс О*-Р). При этом происходит формирование топливной смеси в форкамере 6. При этом, при перемещении поршня 1 до положения ВМТ, в рабочем цилиндре 2 продолжается (процесс О-2) адиабатическое сжатие воздуха с повышением температуры рабочего тела, а при движении плунжера 8 из положения НМТ в сторону ВМТ в форкамере 6 осуществляется (процесс О-2*) адиабатическое сжатие топливной смеси до температуры обеспечивающее её воспламенение.

- процесс (2*-5 и 2-5) при этом в форкамере 6 происходит сгорание части топлива. При положении поршня 1 в ВМТ объем образованный стенками поршня 1, стенками рабочего цилиндра 2, стенками форкамеры 6 и стенками плунжера 8 минимальный.

- процесс (5-3) в результате возрастания давления в рабочем цилиндре 2 и форкамере 6 поршень 1 перемещается из положения ВМТ в сторону НМТ. При этом плунжер 8 вытесняет из форкамеры 6 образовавшуюся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания в рабочий цилиндр 2. При этом осуществляется отвод теплоты из форкамеры 6 в рабочий цилиндр 1, где происходит догорание оставшегося топлива 9 при постоянном давлении (p=const).

- процесс (3-4) по окончании горения топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания происходит адиабатически. При этом, при достижении плунжера 8 ВМТ, клапан 7 форкамеры 8 изолирует форкамеру 6 от рабочего цилиндра 2.

- процесс (4-1) при прохождении поршня 1 НМТ он вытесняет отработавшие газы из рабочего цилиндра 2, через открытый выпускной клапан 4, в окружающую атмосферу.

Все указанные выше отличия являются достоинством и преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.

Claims (3)

1. Двигатель с форкамерой переменного объёма, работающий по циклу со смешанным сгоранием, содержащий форкамеру переменного объёма, изолированную от рабочего (2) цилиндра клапаном (7) форкамеры, а от системы подачи топлива клапаном (5) подачи топлива, при перемещении поршня (1) из положения нижней мёртвой точки (НМТ) в сторону верхней мёртвой точки (ВМТ) в рабочем цилиндре (2) воздух адиабатически сжимается, при этом плунжер (8), перемещаясь из ВМТ в сторону НМТ, увеличивает объём форкамеры (6), в форкамеру (6) подаётся порция топлива путем открытия клапана (5) подачи топлива, в результате адиабатического расширения топливо переходит из жидкого агрегатного состояния в парогазовое состояние, при достижении плунжером (8) положения НМТ осуществляется открытие клапана (7) форкамеры и выравнивается давление в рабочем цилиндре (2), в форкамере (6) происходит смесеобразование воздуха и топлива, то есть образование топливной смеси, при перемещении поршня (1) до положения ВМТ в рабочем цилиндре (2) продолжается адиабатическое сжатие воздуха, при движении плунжера (8) из положения НМТ в сторону ВМТ в форкамере (6) осуществляется адиабатическое сжатие топливной смеси до температуры, обеспечивающей её воспламенение, при этом происходит сгорание части топлива, при положении поршня (1) в ВМТ объем, образованный стенками поршня (1), стенками рабочего цилиндра (2), стенками форкамеры (6) и стенками плунжера (8), минимальный, в результате возрастания давления в рабочем цилиндре (2) и форкамере (6) поршень (1) перемещается из положения ВМТ в сторону НМТ, при этом плунжер (8) вытесняет из форкамеры (6) образовавшуюся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания в рабочий цилиндр (2), осуществляется отвод теплоты из форкамеры (6) в рабочий цилиндр (2), где происходит догорание оставшегося топлива, сопровождающееся, при постоянном давлении, перемещением поршня (2) в сторону НМТ, а плунжера (8) в сторону ВМТ, по окончании горения топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания происходит адиабатически, при достижении плунжером (8) ВМТ клапан (7) форкамеры изолирует форкамеру (6) от рабочего цилиндра (2), при прохождении поршнем (1) НМТ он вытесняет отработавшие газы из рабочего цилиндра (2) через открытый выпускной клапан (4) в окружающую атмосферу, причем цикл в цилиндре (2) осуществляется за четыре хода поршня - впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработавших газов и за два оборота коленчатого вала, площадь плунжера (8) меньше площади поршня (1), цикл в форкамере (6) осуществляется за два хода плунжера (8) - адиабатическое расширение и рабочий ход и за один оборот коленчатого вала, а следующий цикл форкамеры (6) используется при цикле в четыре такта смежного рабочего цилиндра (10).

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что открытие клапана (7) форкамеры не зависит от положения плунжера (8) в НМТ.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что плунжер (8) находится в ВМТ, а поршень (1) в НМТ.