ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

тепловой двигатель внутреннего сгорания

Классы МПК:F02G1/00 Силовые установки и двигатели объемного вытеснения, работающие на горячих газах
F02G5/00 Способы и устройства для использования отходящего тепла двигателей с нагревом рабочего тела путем сгорания, не отнесенные к другим рубрикам
F02C5/06 рабочее тело генерируется в газогенераторе с внутренним сгоранием и объемным расширением, не отдающем сколько-нибудь значительной механической выходной мощности
F02B47/08 выхлопных газов 
F02M31/08 выхлопными газами 
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Франгони Вера Александровна
Приоритеты:
подача заявки:
1993-04-19
публикация патента:

Использование: энергетика и транспорт. Сущность изобретения: характерным для двигателя является низкая степень сжатия и высокая степень повышения давления в цилиндрах при сгорании топлива. Двигатель снабжен магистралью и управляемым клапаном для горячего газа из одного цилиндра в другой при положении поршней в них, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно. Такая внутренняя регенерация тепла в сочетании с утилизацией энергии газов в дополнительной тепловой машине позволяет реализовать экономичный термодинамический цикл в двигателе. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известен класс тепловых двигателей внутреннего сгорания бензиновых и дизелей, которые получили подавляющее распространение как в энергетике так и на транспорте. Недостатком такого типа двигателей является несовершенство термодинамического процесса, обусловленное большими потерями тепла с отработавшими газами, повышенные требования к качеству применяемого топлива, обусловленные высоким значением степени сжатия, низкие экологические показатели, в частности, по уровню шума и токсичности отработавших газов.

Применение наддува позволяет значительно улучшить удельные массогабаритные показатели таких двигателей, а также частично утилизировать тепло отработавших газов. Однако возможности наддува традиционных двигателей ограничены возрастанием тепловых и механических нагрузок на цилиндровопоршневую группу. При этом сохраняются высокие требования к качеству топлива и остаются низкими экологические показатели двигателя.

В качестве прототипа рассматривается тепловой двигатель внутреннего сгорания с утилизационной паровой машиной. Двигатель содержит следующие общие с изобретением существенные признаки: цилиндры с размещенными в них поршнями, образующие циклически изменяемые полости для реализации двух- или четырехтактного кругового процесса с циклами сжатия и расширения рабочего тела, и устройство утилизации тепла отработавших газов.

В описанной схеме двигателя практически сохраняется традиционный термодинамический цикл, характерным для которого является высокая степень сжатия, обусловленная стремлением получить достаточно высокую топливную экономичность, но одновременно предъявляющая и достаточно высокие требования к качеству применяемого топлива.

Цель изобретения разработка такой схемы двигателя, при которой достигается снижение требований к качеству применяемого топлива при одновременном повышении топливной экономичности двигателя и снижении токсичности отработавших газов.

Цель достигается тем, что в тепловом двигателе внутреннего сгорания, характеризуемом приведенной выше совокупностью существенных признаков, степень сжатия рабочего тела в цилиндрах не превышает четырех с половиной. При этом в наиболее предпочтительном варианте исполнения двигатель снабжен постоянно действующим или отключаемым устройством с газовыми магистралями и управляемыми клапанами для перепуска рабочего тела из одного цилиндра в другой при положении поршней в них, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно, а степень сжатия рабочего тела в цилиндрах преимущественно составляет величину 2,0-3,5. В качестве устройства утилизации тепла отработавших газов используется газовый или парогазовый турбокомпрессорный агрегат, двигатель Стирлинга или поршневая расширительная машина.

На фиг. 1 представлена схема поршневой части предлагаемого двигателя на примере четырехцилиндрового четырехтактного исполнения (при двухтактном исполнении минимальное число цилиндров составляет два); на фиг. 2 схема перепуска рабочего тела при порядке работы цилиндров I-II-IV-III; на фиг. 3 блок-схема варианта двигателя с использованием турбокомпрессорного агрегата в качестве утилизатора тепла отработавших газов; на фиг. 4 диаграмма Р-V (давление-объем), характеризующая термодинамический цикл двигателя на фиг. 3; на фиг. 5 блок-схема варианта двигателя с использованием в качестве утилизатора тепла отработавших газов двигателя Стирлинга; на фиг. 6 расчетные зависимости тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911e ( тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911 ) эффективного КПД тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911e от степени сжатия тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911Va/Vcдля различных схем двигателя.

Двигатель (фиг. 1 и 3) содержит две пары цилиндров 1 с противофазно размещенными в них поршнями 2, закон движения которых задается коленчатым валом 3, служащим для привода нагрузки 4. С помощью клапанного механизма газораспределения, на фигуре не показанного, в цилиндрах двигателя реализуются циклы всасывания (Вс), сжатия (Сж), рабочего хода (Рх) или расширения, выхлопа (Вх) или выпуска в последовательности, изображенной на фиг. 2. Каждый цилиндр снабжен магистралью перепуска рабочего тела 5 и управляемым клапаном 6, выполненным в виде окна в стенке цилиндра, перекрываемого поршнем; возможно также применение различных золотниковых устройств или обычных тарельчатых клапанов. Двигатель снабжен турбокомпрессорным агрегатом с компрессором 7, турбиной 8 и эжекторной камерой смешения 9, имеющим механическую связь 10 с коленчатым валом и газовую связь 11, 12 с впускным и выпускным коллекторами (не показаны). Охлаждение наддувочного воздуха осуществляется в теплообменнике 13.

При вращении валов двигателя и турбокомпрессора атмосферный воздух проходит через фильтр 14, сжимается в компрессоре 7 и по магистрали 11 после охлаждения в теплообменнике 13 подается во впускной коллектор двигателя, где посредством клапанного механизма распределяется по цилиндрам; процесс сжатия атмосферного воздуха в компрессоре на фиг. 4 представлен адиабатой е f. В цилиндре двигателя происходит дальнейшее сжатие воздуха или топливовоздушной смеси по адиабате а-с при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней. При положении поршня вблизи верхней мертвой точки в цилиндр из другого цилиндра подается горячий отработавший газ, воспламеняющий с некоторой задержкой топливовоздушную смесь, благодаря чему давление в цилиндре повышается по изохоре с-z. Расширение газа (рабочий ход) при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней осуществляется по линии z-b, которая может быть как адиабатой (если процесс происходит без теплообмена), так и изотермой (если при этом происходит догорание топлива в цилиндре). В конце рабочего хода при положении поршня вблизи нижней мертвой точки открывается клапан 6 перепуска рабочего тела из рассматриваемого цилиндра, например, из цилиндра I в цилиндр II, в котором к этому моменту завершается процесс сжатия (фиг. 2, верхний ряд); в результате давление в цилиндре I снижается по изохоре b-m, а давление в цилиндре II повышается по изохоре с-n. По завершении процесса перепуска горячий газ из цилиндра выпускается в коллектор, откуда по магистрали 12 попадает в эжекторную камеру смешения 9 турбокомпрессорного агрегата; процесс смешения горячего отработавшего газа с избыточным воздухом после компрессора на фиг. 4 представлен изобарой f-g. Расширение газа на лопатках турбины происходит по адиабате g-k, а отвод тепла Q2 из силовой установки в окружающую среду по изобаре k-e.

На фиг. 4 величиной Q1 изображено количество теплоты, подводимое к рабочему телу в цилиндрах двигателя с топливом; результатом этого является повышение давления в цилиндре по изохоре n-z. Величиной Qрег"обозначено количество теплоты, регенерируемое в термодинамическом цикле вследствие тепло- и массообмена в процессе перепуска высокотемпературного рабочего тела из одного цилиндра в другой. Величина Qрег"" представляет количество теплоты, утилизируемое в цикле в процессе смешения горячего отработавшего газа с воздухом в эжекторной камере смешения турбокомпрессорного агрегата. Площадь заштрихованных фигур характеризует полезную работу цикла.

Характерным для описанного цикла является низкая степень сжатия (тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911 тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911 4,5) и высокая степень повышения давления ( тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 20449116,0-8,0 и более) рабочего тела в цилиндрах двигателя, благодаря чему удается обеспечить перепуск в динамическом режиме значительного количества рабочего тела из одного цилиндра в другой (высокую степень регенерации тепла в двигателе). Это обстоятельство позволяет существенно повысить эффективный КПД двигателя, уменьшить токсичность отработавших газов и снизить требования к качеству применяемого топлива. Этот эффект может быть усилен впрыском воды или водяного пара в цилиндры двигателя.

Аналогичным образом осуществляется работа двигателя согласно фиг. 5, когда в качестве устройства утилизации тепла отработавших газов используется двигатель Стирлинга. В этом случае двигатель внутреннего сгорания и утилизатор тепла имеют единый блок цилиндров (ДВС), а головка цилиндров 15 первого из них сообщена с нагревателем 16 второго при помощи трубопровода 15 для перепуска отработавших газов. Для повышения литровой мощности устанавливается турбонагнетатель воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, компрессор 18 которого приводится турбиной 19 от отработавших газов.

На фиг. 6 представлены расчетные зависимости тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911e (тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911) эффективного КПД двигателя от степени сжатия. Кривая 1 представляет собой известную характеристику, типичную для традиционного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. Кривая 2 характеризует возможности прелагаемого изобретения, когда в качестве утилизатора тепла используется паровая машина. Кривая 3 рассчитана для двигателя, выполненного по схеме фиг. 3 с турбокомпрессорным утилизатором тепла при отсутствии впрыска воды или водяного пара в цилиндры. Кривая 4 характеризует как эффект от такого впрыска, так и возможности использования в качестве утилизатора тепла двигателя Стирлинга или поршневой расширительной машины. Максимуму эффективного КПД двигателя отвечает величина степени сжатия тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911 тепловой двигатель внутреннего сгорания, патент № 2044911 2,0-3,5.

Возможна работа двигателя и без устройства перепуска рабочего тела или с отключением его. В последнем случае двигатель способен работать на двух режимах: максимальной мощности и максимальной экономичности.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндры с размещенными в них поршнями, образующие циклически изменяемые полости для реализации двух- или четырехтактного кругового термодинамического процесса с циклами сжатия и расширения рабочего тела, и устройство утилизации тепла отработавших газов, отличающийся тем, что степень сжатия рабочего тела в цилиндрах не превышает четырех с половиной.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен постоянно действующим или отключаемым устройством с газовыми магистралями и управляемыми клапанами для перепуска рабочего тела из одного цилиндра в другой при положении поршней в них, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно, а степень сжатия рабочего тела в цилиндрах преимущественно составляет величину 2,0 3,5.

3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве устройства утилизации тепла отработавших газов используется турбокомпрессорный агрегат, двигатель Стирлинга или поршневая расширительная машина.

4. Двигатель по пп. 1 3, отличающийся тем, что он снабжен устройством для подачи воды или пара в цилиндры.

Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс F02G1/00 Силовые установки и двигатели объемного вытеснения, работающие на горячих газах

Патенты РФ в классе F02G1/00:
двигатель внешнего нагрева -  патент 2528811 (20.09.2014)
роторно-поршневая машина объемного расширения -  патент 2528221 (10.09.2014)
генерирующая установка с двигателем стирлинга -  патент 2527773 (10.09.2014)
двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма привода вибрирующего поршневого двигателя парсонса -  патент 2519532 (10.06.2014)
способ преобразования теплоты в работу в тепловом двигателе -  патент 2511827 (10.04.2014)
способ преобразования потенциальной энергии химических веществ в кинетическую энергию газового потока -  патент 2505694 (27.01.2014)
способ преобразования потенциальной энергии химических веществ в кинетическую энергию газового потока -  патент 2505693 (27.01.2014)
выпускное устройство вторичного котла малого когенератора и узел кожуха, образующий выпускной канал вторичного котла малого когенератора -  патент 2473847 (27.01.2013)
роликолопастной двигатель с внешним подводом тепла -  патент 2469203 (10.12.2012)
двухтактный двигатель внутреннего нагревания рабочего тела -  патент 2465479 (27.10.2012)

Класс F02G5/00 Способы и устройства для использования отходящего тепла двигателей с нагревом рабочего тела путем сгорания, не отнесенные к другим рубрикам

Патенты РФ в классе F02G5/00:
двигатель внутреннего сгорания с регенерацией тепла -  патент 2527230 (27.08.2014)
двигатель внутреннего сгорания с регенерацией тепла -  патент 2527229 (27.08.2014)
охлаждающее устройство для транспортного средства, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания с турбонаддувом -  патент 2524479 (27.07.2014)
устройство для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов -  патент 2521533 (27.06.2014)
когенерационная установка -  патент 2520796 (27.06.2014)
устройство для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов -  патент 2519529 (10.06.2014)
энергетическая установка -  патент 2518777 (10.06.2014)
способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления -  патент 2516046 (20.05.2014)
силовая установка транспортного средства -  патент 2511929 (10.04.2014)
двигатель внутреннего сгорания со взаимосоединенными поршнями -  патент 2506443 (10.02.2014)

Класс F02C5/06 рабочее тело генерируется в газогенераторе с внутренним сгоранием и объемным расширением, не отдающем сколько-нибудь значительной механической выходной мощности

Класс F02B47/08 выхлопных газов 

Патенты РФ в классе F02B47/08:
двигатель внутреннего сгорания автомобиля -  патент 2487255 (10.07.2013)
способ питания поршневого двигателя и система питания этого двигателя -  патент 2465484 (27.10.2012)
способ питания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием -  патент 2391550 (10.06.2010)
двигатель внутреннего сгорания и способ его эксплуатации (варианты) -  патент 2359138 (20.06.2009)
способ работы и устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания с системой газоаккумуляторной рекуперации -  патент 2302539 (10.07.2007)
способ повышения эффективности двс и устройство для его реализации -  патент 2299339 (20.05.2007)
способ подготовки свежего заряда в цилиндре двс -  патент 2184860 (10.07.2002)
способ работы адаптируемого двигателя внутреннего сгорания -  патент 2170834 (20.07.2001)
устройство для рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания -  патент 2084680 (20.07.1997)
способ применения углеводородных топлив в двигателях внутреннего сгорания и устройство для его осуществления -  патент 2076932 (10.04.1997)

Класс F02M31/08 выхлопными газами 

Патенты РФ в классе F02M31/08:
система питания автотракторного дизеля -  патент 2495276 (10.10.2013)
двигатель внутреннего сгорания с устройством для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой -  патент 2468222 (27.11.2012)
система приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением -  патент 2327896 (27.06.2008)
способ работы системы образования горючей смеси - способ vimt-2 -  патент 2315195 (20.01.2008)
способ получения горючей смеси для тепловых двигателей - способ вимт-1 -  патент 2311556 (27.11.2007)
способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия -  патент 2261345 (27.09.2005)
силовая установка -  патент 2255238 (27.06.2005)
устройство распределенного впрыска для двигателей внутреннего сгорания -  патент 2220315 (27.12.2003)
непрерывная дегидратация спирта до простого эфира и воды, применяемых как топливо для дизельных двигателей -  патент 2205861 (10.06.2003)
устройство для тепловой обработки топлива для двигателя внутреннего сгорания -  патент 2176324 (27.11.2001)




Наверх