UA149466U - Спосіб роботи поршневого теплового двигуна - Google Patents

Abstract

Спосіб роботи поршневого теплового двигуна, в одному із циліндрів якого здійснюють процес впуску повітря з навколишнього середовища, його стиск і подачу стиснутого повітря через впускний клапан та з'єднуючий канал до зовнішньої камери, в яку подають через форсунки паливо, наприклад етиловий спирт, і в якій здійснюють процес згоряння палива для підігріву стиснутого повітря, а процеси розширення продуктів згоряння і подальше їх видалення із робочих циліндрів в навколишнє середовище здійснюють відповідно до порядку їх роботи, що з'єднана каналами та впускними клапанами з робочими циліндрами. Максимальний тиск продуктів згоряння палива в зовнішній камері згоряння підтримують на рівні 3-5 МПа, а максимальну температуру стиснутого повітря не більше 1500 K за рахунок кількості палива, що впорскується в зовнішню камеру згоряння, та тривалості відкриття впускних клапанів робочих циліндрів, наприклад клапанів з електромагнітним приводом, які відкривають за 5-10 градусів оберту колінчастого вала до верхньої мертвої точки поршнів робочих циліндрів, а закривають залежно від режиму роботи двигуна за 5-40 градусів оберту колінчастого вала за верхньою мертвою точкою поршнів робочих циліндрів. Для підігріву стиснутого повітря застосовують електричні нагрівальні елементи, які встановлені у зовнішній камері навколо робочих циліндрів.

Description

Корисна модель належить до галузі машинобудування, а саме стосується способів роботи поршневих теплових двигунів із розділеним чотиритактним чи двотактним циклом.

Відомі способи роботи поршневих чотиритактних або двотактних теплових двигунів, що мають щонайменше два циліндра, спільну камеру згоряння, в яких здійснюють такти впуску та стиску, процес згоряння палива в камері згоряння, такти розширення та випуску продуктів згоряння (1-7.

Загальними недоліками відомих способів роботи поршневих чотиритактних або двотактних теплових двигунів, в яких робочий цикл здійснюють щонайменше у двох циліндрах, є недостатня ефективність перетворення теплоти згоряння палива в механічну роботу газів та підвищені викиди з відпрацьованими газами токсичних хімічних сполук, обумовлених обмеженою тривалістю процесу згоряння та високими значеннями тиску і температури продуктів згоряння.

Найближчим аналогом корисної моделі є спосіб роботи поршневого теплового двигуна, в одному із циліндрів якого здійснюють процес впуску повітря з навколишнього середовища, його стиск і подачу стиснутого повітря через випускний клапан та з'єднуючий канал до камери згоряння, в яку подають через форсунки паливо, наприклад етиловий спирт, процес згоряння палива здійснюють у зовнішній камері згоряння (для підігріву стиснутого повітря), що з'єднана каналами та впускними клапанами з робочими циліндрами, причому максимальний тиск продуктів згоряння палива в зовнішній камері згоряння підтримують на рівні 3-5 МПа, а максимальну температуру стиснутого повітря не більше 1500 К за рахунок кількості палива, що впорскується в зовнішню камеру згоряння та тривалості відкриття впускних клапанів робочих циліндрів, наприклад клапанів з електромагнітним приводом. Зменшення коливань тиску повітря в робочих циліндрах протягом циклу (одного оберту колінчастого валу) досягають за допомогою камери стиснутого повітря, встановленої, наприклад, між циліндром для стискання повітря і робочими циліндрами. Підігріте стиснуте повітря з камери стиснутого повітря подають до робочих циліндрів через впускні клапани, наприклад з електромагнітним приводом, які відкривають за 5-10 градусів оберту колінчастого вала до верхньої мертвої точки поршнів робочих циліндрів, а закривають залежно від режиму роботи двигуна за 5-40 градусів оберту колінчастого вала за верхньою мертвою точкою поршнів робочих циліндрів (71.

Основними недоліками найближчого аналога, як і попередніх аналогів, є недостатня ефективність перетворення теплоти згоряння палива в механічну роботу газів та підвищені викиди з відпрацьованими газами токсичних хімічних сполук, обумовлених процесом згоряння палива.

В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу роботи поршневого двигуна з розділеним двотактним циклом для підвищення ефективності використання енергії стиснутого повітря та підведеної до нього теплоти в механічну роботу газів та відсутності викидів з відпрацьованими газами токсичних хімічних сполук.

Поставлена задача вирішується шляхом здійснення двотактного циклу, наприклад в трьох циліндрах, один із яких використовується як компресорний, а два інші - як робочі, в яких здійснюються процеси розширення стиснутого повітря і його видалення в навколишнє середовище, причому підігрів здійснюють за допомогою електричних нагрівальних елементів, розташованих в зовнішній камері навколо робочих циліндрів, при обмеженні максимального тиску стиснутого повітря в робочих циліндрах на рівні 3-5 МПа, а максимальну температуру стиснутого повітря не більше 1500 К. Зменшення коливань тиску повітря в робочих циліндрах протягом циклу (одного оберту колінчастого вала) досягають за допомогою камери стиснутого повітря, встановленої, наприклад, між циліндром для стискання повітря і робочими циліндрами.

Холодне стиснуте повітря з камери стиснутого повітря подають до робочих циліндрів через впускні клапани, наприклад з електромагнітним приводом, які відкривають за 5-10 градусів оберту колінчастого вала до верхньої мертвої точки поршнів робочих циліндрів, а закривають залежно від режиму роботи двигуна за 5-40 градусів оберту колінчастого вала за верхньою мертвою точкою поршнів робочих циліндрів. Видалення повітря із робочих циліндрів здійснюють через випускні клапани протягом 80-120 градусів оберту колінчастого вала при переміщенні поршнів робочих циліндрів від нижньої мертвої точки до верхньої мертвої точки. Після закриття випускних клапанів протягом 600-100 градусів оберту колінчастого вала до верхньої мертвої точки поршнів робочих циліндрів здійснюють стиск повітря, що залишилося для зменшення втрат енергії на впускних клапанах. Зменшення втрат теплоти від поверхонь каналів стиснутого повітря, камери стиснутого повітря, зовнішньої камери та каналів, з'єднуючих зовнішню камеру з робочими циліндрами, досягають використанням теплоізоляції цих поверхонь чи новітніх конструкційних матеріалів.

Функціональне призначення сукупності ознак, що заявляються, полягає в ефективності використання енергії стиснутого повітря та підведеної до нього теплоти в механічну роботу газів та відсутності викидів із відпрацьованими газами токсичних хімічних сполук.

Корисна модель пояснюється кресленнями, де: на Фіг. 1 показано, як приклад, загальний вигляд поршневого теплового двигуна з розділеним двотактним робочим циклом, в якому здійснюють спосіб роботи в трьох циліндрах, один з яких використовується як компресорний; на Фіг. 2 показана діаграма зміни тиску в надпоршневій порожнині компресорного циліндра; на Фіг. З показана діаграма зміни тиску в надпоршневій порожнині робочих циліндрів, де Ме - об'єм камери стиснення циліндру, Ми - робочий об'єм циліндра.

Двигун, у якому здійснюють запропонований спосіб роботи (Фіг. 1), містить компресорний циліндр 1 з впускним 2 та випускним З клапанами, впускний канал 4, на вході якого встановлено повітряний фільтр 5, камеру стиснутого повітря 6, з'єднану каналом 7 з компресорним циліндром 1, а каналом 8 з впускними каналами 12 та 13 через впускні клапани 14 та 15, наприклад з електроприводами, з робочими циліндрами 16 та 17, які мають випускні клапани 18 та 19, наприклад з кулачковим приводом, через які відпрацьоване повітря з робочих циліндрів 16 та 17 відводять у випускні канали 20 та 21, що з'єднані з випускними колекторами 22 та 23.

Поршень 24 компресорного циліндра та поршні 25 і 26 робочих циліндрів шатунами 27, 28 та 29 з'єднані зі спільним колінчастим валом 30. Навколо робочих циліндрів розташована зовнішня камера 9, в якій встановлено устрій для підігріву повітря, наприклад нагрівальні елементи 10, 11.

Геометричний ступінь розширення стиснутого повітря в робочих циліндрах обчислюється за формулою б-Мтах/Мтіп. Наприклад, при ході поршнів в робочих циліндрах 16 і 17 5-100 мм і надпоршневому зазорі при положенні поршнів у верхній мертвій точці А-2-5 мм геометричний ступінь розширення стиснутого повітря б-20-50.

Спосіб роботи теплового двигуна здійснюють за один оберт колінчастого вала. На такті впуску в компресорному циліндрі 1 повітря з навколишнього середовища через повітряний фільтр 5, канал 4 та впускний клапан 2, наприклад пластинчатий, надходить в надпоршневу порожнину компресорного циліндра 1 (крива 4-1 на Фіг. 2), а при зворотному русі поршня 24 від

Зо нижньої мертвої точки до верхньої здійснюють стиск повітря (крива 1-2 на Фіг. 2). В кінці такту випуску стиснуте повітря до 3-5 МПа через випускний клапан З та канал 7 подається для зниження коливань тиску стиснутого повітря до камери стиснутого повітря 6 (крива 2-3 на Фіг. 2), з'єднаної каналом 8 із впускними каналами 12, 13 для двох робочих циліндрів 16 та 17, в які подається холодне стиснуте повітря. Робочі циліндри підігріваються, наприклад нагрівальними елементами 10, 11, розташованими в зовнішній камері навколо циліндрів, які підтримують температуру повітря в робочих циліндрах 16, 17, при заданій максимальній температурі підігріву. Холодне повітря через з'єднуючі канали 12 та 13, впускні клапани 14 та 15, наприклад з електромагнітним приводом, подають по черзі до робочих циліндрів 16 та 17. Впускні клапани 14, 15 відкривають за 5-10 градусів оберту спільного на всі циліндри колінчастого вала 30 до верхньої мертвої точки поршнів 25 та 26 робочих циліндрів 16 та 17, а закривають залежно від режиму роботи за 5-40 градусів оберту колінчастого вала 30 за верхньою мертвою точкою поршнів 25 та 26 (ділянка діаграми а-м Фіг. 3). Холодне повітря, яке надходить, нагрівається від гарячих робочих циліндрів 16, 17. Розширення нагрітого стиснутого повітря в робочих циліндрах 16 та 17 здійснюють переміщенням поршнів 25 та 26 в робочих циліндрах 16 та 17 до їх нижньої мертвої точки (крива у-є на Фіг. 3). На такті розширення стиснутого повітря в робочих циліндрах 16 та 17 при положенні поршнів робочих циліндрів 25 та 26 за 0-40 градусів оберту колінчастого вала 30 за нижньою мертвою точкою (ділянка діаграми 4--м Фіг. 3) (відповідно до порядку роботи) відкривають, наприклад за допомогою кулачкового механізму, випускні клапани 18 та 19. Відпрацьоване повітря із робочих циліндрів 16 та 17 видаляють (крива е-е на Фіг. 3) протягом 80-120 градусів оберту колінчастого вала 30 при переміщенні поршнів 25 та 26 від нижньої мертвої точки до верхньої через випускні клапани 18 та 19, випускні канали 20 та 21 до випускних колекторів 22 та 23. При положенні поршнів 25 та 26 в робочих циліндрах 16 та 17 за 60-100 градусів оберту колінчастого вала 30 до їх верхніх мертвих точок випускні клапани 18 та 19 закривають, повітря, що залишилося в надпоршневих порожнинах робочих циліндрів 16 та 17 протягом 60-100 градусів оберту колінчастого вала стискають (Фіг. 3).

Таким чином, двотактний цикл здійснюють в даному випадку в трьох циліндрах, один з яких компресорний, за один оберт колінчастого вала.

Ефективність практичного використання способу роботи поршневого теплового двигуна можливо оцінити по спрощеній діаграмі циклу.

Спрощена діаграма циклу даного двигуна може бути представлена відкритим термодинамічним циклом зі змінною масою робочого тіла, в якому теплота підводиться з робочим тілом до робочих циліндрів при постійних значеннях тиску р і температурі Ті відводиться із робочих циліндрів з робочим тілом при постійних значеннях тиску р і температурі робочого тіла Т». Робоче тіло в термодинамічному циклі - ідеальний газ, теплоємність якого не залежить від температури. Термодинамічний коефіцієнт корисної дії циклу обчислюється за формулою: пото 15 ОМС) ОТ-т ! о, о, о, М.С, (1, -Т) т, -Т , де ГІ - механічна робота газів в циклі;

СО) - теплота, що підведена з робочим тілом;

СО» - теплота, що відведена з робочим тілом;

Ср - питома масова теплоємність робочого тіла при постійному тиску;

М - маса робочого тіла;

То - температура навколишнього середовища;

Ті - температура робочого тіла, що надходить до надпоршневої порожнини робочих циліндрів;

Та - температура робочого тіла, що видаляється з надпоршневої порожнини робочих циліндрів.

При значенні ТГо-300 К (27 "С); Т1-1500К; Т2-400К термодинамічний коефіцієнт корисної дії циклу пе-0,92. З підвищенням температури робочого тіла, що видаляється з робочих циліндрів

Т2, термодинамічний коефіцієнт корисної дії буде зменшуватися. Термодинамічний коефіцієнт корисної дії двигунів внутрішнього згоряння не перевищує Підвз -0,70.

Використання корисної моделі, наприклад як енергетичної установки автомобіля, забезпечує заміну теплової енергії для підігріву стиснутого повітря, що виділяється при згорянні палива на теплову енергію, яка виділяється електричними нагрівачами, що дозволяє знизити витрату палива до 100 відсотків, знизити викиди токсичних хімічних сполук із відпрацьованими газам до 100 відсотків без використання додаткових систем їх нейтралізації, а також значно зменшує інтенсивність звукового випромінювання. Електричну енергію можна споживати, наприклад, від акумуляторних чи сонячних батарей.

Зо Джерела інформації: 1. А.С. СССР Мо 80445 кл. 4баг, 109 (МПК РО2В 47/00), 1947. 2. А.С. СССР Мо 128231 кл. 4баг, 109 (МПК РгО28В 47/00), 1958. 3. Патент Франції Ме 2172505 МПК РО2В 41/00, РО2В 75/00, 1973. 4. Патент США Мо 3880126, МПК РО2В 33/22, 1975. 5. Заявка Франції Мо 2319769, МПК ЕгО2В 75/12, 1977. 6. Патент США Мо 8006656, МПК РО2В 25/00, 2009. 7. Патент України Ме 106558 МПК 7 РО2В 47/00, РО28 33/00, 2014.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

   Спосіб роботи поршневого теплового двигуна, в одному із циліндрів якого здійснюють процес впуску повітря з навколишнього середовища, його стиск і подачу стиснутого повітря через впускний клапан та з'єднуючий канал до зовнішньої камери, в яку подають через форсунки паливо, наприклад етиловий спирт, і в якій здійснюють процес згоряння палива для підігріву стиснутого повітря, а процеси розширення продуктів згоряння і подальше їх видалення із робочих циліндрів в навколишнє середовище здійснюють відповідно до порядку їх роботи, що з'єднана каналами та впускними клапанами з робочими циліндрами, причому максимальний тиск продуктів згоряння палива в зовнішній камері згоряння підтримують на рівні 3-5 МПа, а максимальну температуру стиснутого повітря не більше 1500 К за рахунок кількості палива, що впорскується в зовнішню камеру згоряння, та тривалості відкриття впускних клапанів робочих циліндрів, наприклад клапанів з електромагнітним приводом, які відкривають за 5-10 градусів оберту колінчастого вала до верхньої мертвої точки поршнів робочих циліндрів, а закривають залежно від режиму роботи двигуна за 5-40 градусів оберту колінчастого вала за верхньою мертвою точкою поршнів робочих циліндрів, який відрізняється тим, що для підігріву стиснутого повітря застосовують електричні нагрівальні елементи, які встановлені у зовнішній камері навколо робочих циліндрів.