UA34690C2 - Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння та двигун внутрішнього згоряння - Google Patents

Abstract

Винахід відноситься до області машинобудування, а саме до двигунів внутрішнього згоряння. Коефіцієнт корисної дії двигуна збільшується за рахунок більш повного використання теплоти згоряння палива, а саме - теплоти вихлопних газів і тепла, яке губиться через стінки камери згоряння. Покращення екологічних параметрів забезпечується повнотою згоряння палива. Зменшення токсичності вихлопних газів забезпечується тим, що наявність води у вигляді пари сприяє реакції горіння окису вуглецю. Реакція окислення окису вуглецю завершується повністю на початковій стадії - стадії впуску перегрітої пари.

Description

Винахід відноситься до машинобудування, а саме до двигунів внутрішнього згоряння.

Відомий спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння, який реалізується шляхом впуску в циліндр свіжого заряду, його стиску, запалення і згоряння палива, перетворення енергії розширення газів в зворотно-поступальний рух поршня, випуску відпрацьованих газів, на початковій стадії якого в циліндр перепускається пар. (патент Росії Ме 2015365, кл. Е02В 47/02, 1994 р.)

Недолік даного способу в тім, що перепуск пару на початковій стадії випуску відпрацьованих газів не дає суттєвого збільшення корисної роботи циклу. Покращується тільки тепловий режим двигуна, тому що пар більш активно охолоджує стінки камери згоряння, але відібране від стінок тепло виноситься з вихлопом, не виконуючи корисної роботи.

Відомий спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння, включаючий впуск пару разом з паливоповітряною сумішшю в циліндр, його стиск, згоряння суміші, перетворення енергії розширення газів в зворотно-поступальний рух поршня, випуск відпрацьованих газів. (патент Росії Ме 2015370, кл. Е02В 47/02, 1994 р.)

Недолік даного способу в тім, що впуск пару разом з паливоповітряною сумішшю у великій кількості призведе до зменшення температури суміші, що ставить під сумнів можливість займання палива і забезпечення нормальних умов процесу горіння. Впуск пару у невеликій кількості покращує детонаційні характеристики палива, але суттєвого збільшення корисної роботи не дає.

Відомий спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння, включаючий впуск в циліндр свіжого повітряного заряду, його стиск, впорскування палива, згоряння паливоповітряної суміші, впуск пару в кінці процесу згоряння, перетворення енергії розширення газів в зворотно-поступальний рух поршня, випуск відпрацьованих газів. Спосіб реалізується у двигуні внутрішнього згоряння, який має циліндр, розміщений в ньому поршень, кришку циліндра, парогенератор з двома поверхнями нагрівання, одна з яких виконує функцію сорочки охолодження, засоби подачі води в парогенератор. (журнал "Изобретатель и рационализатор" » 4, 1995 р., стор. 22)

Недоліки способу роботи двигуна внутрішнього згоряння та устрою для його реалізації у наступному.

Впуск пару наприкінці процесу згоряння погіршує умови горіння вуглеводнів палива, оскільки для них характерний великий період затримки реакції горіння і це призведе до появи продуктів неповного окислення у вигляді альдегідів, перекисів, спиртів і кислот. Збільшується токсичність вихлопу, а неповне згоряння призведе до збільшення витрат пального. У цілому, економічність двигуна погіршиться. Наявність у парогенераторі двох поверхонь нагрівання, одна з яких виконує функцію сорочки охолодження, призведе до погіршення умов займання і наступного горіння паливоповітряної суміші. Пов'язано це з тим, що тепло, отримане в результаті стиску повітряного заряду і необхідне для займання палива, буде відводитися через стінки циліндра і Йтиме на пароутворення в парогенератор. З теорії та практики відомо, що у такий спосіб відводиться тепла значно більше, ніж при водяному охолодженні, за рахунок прихованої теплоти пароутворення. Зменшується вірогідність запалення паливо повітряної суміші, що призведе до нестабільності роботи двигуна. Погіршиться його економічність і надійність в роботі, збільшиться токсичність вихлопу.

В основу винаходу поставлена задача збільшення коефіцієнта корисної дії двигуна внутрішнього згоряння і покращення екологічних параметрів. Коефіцієнт корисної дії двигуна збільшується за рахунок більш повного використання теплоти згоряння палива, а саме - теплоти вихлопних газів і тепла, що губиться через стінки камери згоряння. Покращення екологічних параметрів забезпечується повнотою згоряння палива.

Поставлена технічна задача вирішується тим, що в запропонованому способі роботи двигуна внутрішнього згоряння, який включає впуск в циліндр свіжого повітряного заряду, його стиск, впорскування палива, згоряння паливоповітряної суміші, розширення продуктів згоряння та випуск відпрацьованих газів, на стадії розширення продуктів згоряння в циліндр, вздовж його стінок, перепускається перегрітий пар.

Спосіб реалізовано в двигуні внутрішнього згоряння, який має щонайменше один циліндр, розміщений в ньому поршень та кришку циліндра, які утворюють камеру згоряння, парогенератор з живлячим водопроводом і видатковим водяним резервуаром. Згідно з винаходом, парогенератор розташовано в камері згоряння під кришкою циліндра і виконано в формі конуса з вершиною, спрямованою всередину камери згоряння, при цьому на поверхні парогенератора розташовані запірні клапани для перепуску перегрітого пару, а поршень має головку із впадиною, яка повторює форму парогенератора. Крім того, видатковий водяний резервуар парогенератора розташовано із зазором навколо циліндра або групи циліндрів.

В процесі розширення продуктів згоряння енергія тепла перетворюється в механічну роботу і супроводжується падінням тиску і температури в циліндрі. Причому, тиск падає швидше, ніж температура.

Основна частина механічної роботи від розширення продуктів згоряння виконується на початковій стадії розширення, коли тиск циклу максимальний. Збільшення об'єму камери згоряння призведе до падіння тиску настільки, що подальше розширення продуктів згоряння вже не дає суттєвого збільшення корисної роботи.

Введення в цей момент вторинного робочого тіла, у вигляді перегрітого пару, дозволить отримати додаткову роботу від розширення пару, що підвищить економічність двигуна.

Зменшення токсичності вихлопних газів відбувається завдяки тому, що перегрітий пар, який впускається на стадії розширення продуктів згоряння, сприяє гомогенній реакції догоряння окису вуглецю.

Реакція окислення окису вуглецю завершується повністю на початковій стадії впуску пару.

Запропонований двигун внутрішнього згоряння показаний на фіг.1.

Двигун має щонайменше один циліндр 1, розміщений в ньому поршень 2, кришку циліндра 3, які утворюють камеру згоряння, парогенератор 4, встановлений під кришкою циліндра З і з'єднаний водопроводом 5 з видатковим водяним резервуаром б. В кришці циліндра З передбачено отвори для паливної форсунки 7 і клапану 8 подачі підігрітої води в парогенератор 4. Запропонований для отримання перегрітого пару парогенератор 4 зроблено у вигляді конуса з вершиною, спрямованою всередину камери згоряння. На поверхні парогенератора 4 встановлені запірні клапани 9, які забезпечують перепуск перегрітого пару вздовж стінок циліндра 1. Видатковий резервуар б обхвачує із зазором циліндр 1 (або групу циліндрів), утворюючи вихлопний об'єм. Поршень 2 має головку 10 із впадиною, що повторює форму поверхні парогенератора 4.

Запропонований спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння реалізується в описаному двигуні таким чином. При знаходженні поршня 2 в нижній мертвій точці, через впускні вікна в циліндр 1 нагнітається повітряний заряд (вікна та нагнітаючий пристрій на малюнку не показано). Поршень 2, рухаючись до верхньої мертвої точки, перекриває впускні і випускні вікна ( на малюнку не показані ), стискує повітряний заряд. Від стиску повітря нагрівається до температури, що перевищує температуру займання палива.

Поблизу верхньої мертвої точки через паливну форсунку 7 в камеру згоряння впорскується паливо, а в парогенератор 4 через клапан 8 подається підігріта у водяному резервуарі 6 вода (насоси подачі палива та води, а також їх регулюючі засоби на малюнку не показані). Краплини палива, потрапляючи в нагріте повітря починають випаровуватися і займатись. Починається процес горіння паливо-повітряної суміші, який супроводжується підвищенням температури і тиску в камері згоряння. Виконується механічна робота.

Частково теплота згоряння віддається стінкам камери згоряння, а також витрачується на дисоціацію (розклад) газів, яка починає відбуватися при високій температурі і тиску. В кінці процесу горіння температура досягає найбільшого значення, а тиск починає падати внаслідок початку процесу розширення продуктів згоряння. Гарячі гази активно нагрівають поверхню парогенератора 4 і підігріта вода перетворюється в пар. Подальше підвищення температури в камері згоряння призводять до підвищення температури і тиску пару в парогенераторі 4. На стадії розширення продуктів згоряння тиск в циліндрі 1 починає падати. Коли тиск в парогенераторі 4 почне перевищувати тиск в камері згоряння, автоматично відбудеться перепуск перегрітого пару в камеру згоряння через клапани 9. Впущений на стадії розширення перегрітий пар сприяє більш повному згорянню залишків палива, зменшуючи тим самим токсичність вихлопних газів. Стінки циліндра 1 і головки поршня 10 охолоджуються, додатково нагріваючи пар. Тиск в камері згоряння підвищиться і виконається допоміжна корисна робота розширення пару.

При підході поршня до нижньої мертвої точки відкриваються випускні вікна (на малюнку не показані) і відпрацьовані гази випускаються в вихлопний об'єм, утворений видатковим водяним резервуаром 6, підігріваючи таким чином воду, яка подається в парогенератор 4 у наступному циклі. Далі цикл повторюється.

Конічна форма парогенератора 4 сприяє активізації процесів згоряння палива за рахунок збільшення турбулентності потоків горючих газів, а розміщення на його поверхні перепускних клапанів 9 дає можливість перепускати перегрітий пар вздовж стінок циліндра 1, охолоджуючи їх при цьому.

Конічна форма робочої поверхні головки поршня 10 формує потік гарячих газів, направляючи його на парогенератор 4. Стінки циліндра Т при цьому не перегріваються.

Таким чином, завдяки перепуску в циліндр на стадії розширення продуктів згоряння вторинного робочого тіла у вигляді перегрітого пару, виконується допоміжна корисна робота в циліндрі 1, а тепло вихлопних газів частково повертається з підігрітою водою в парогенератор 4 у наступному циклі. Загальний коефіцієнт корисної дії двигуна внутрішнього згоряння зростає. Завдяки повноті згоряння залишків палива в присутності перегрітого водяного пару зменшується токсичність вихлопу.

Винахід дозволяє більш повно використати теплоту згоряння палива, збільшити коефіцієнт корисної дії двигуна внутрішнього згоряння та покращити екологічні параметри, зменшивши токсичність вихлопних газів.

7 8

Й вини З. шо ; і Х сх». Й о

Її т і г 9 у М

Ой я у їй

В ле |. що я г М | : т К Ух Х т-.- зл ПІНУ

Фіг. 1

Claims (5)

1. Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння, який реалізується шляхом впуску в циліндр свіжого повітряного заряду, його стиску, впорскування палива, згоряння паливоповітряної суміші, перетворення енергії розширення газів в зворотно-поступальний рух поршня, випуску відпрацьованих газів, який відрізняється тим, що на стадії розширення продуктів згоряння в циліндр перепускається перегріта пара.

2. Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння по п. 1, який відрізняється тим, що пара подається вздовж стінок циліндра.

3. Двигун внутрішнього згоряння, що має щонайменше один циліндр, розташований в ньому поршень, кришку циліндра, які утворюють камеру згоряння, парогенератор, з'єднаний водопроводом з витратним водяним резервуаром, який відрізняється тим, що парогенератор розміщено під кришкою циліндра і він має форму конуса з вершиною, спрямованою всередину камери згоряння, а на його поверхні встановлені запірні клапани.

4. Двигун внутрішнього згоряння по п. 3, який відрізняється тим, що витратний водяний резервуар парогенератора розміщений із зазором навколо циліндра або групи циліндрів.

5. Двигун внутрішнього згоряння по п. 3, який відрізняється тим, що поршень має головку з заглибленням конічної форми.