Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
9649 
0 У адиабатного двигателя цилиндр и его головка не охлаждаются, поэтому потери теплоты за счет охлаждения отсутствуют. Сжатие и расширение в цилиндре происходят без теплообмена со стенками, т. е. адиабатически, аналогично циклу Карно. Практическая реализация такого двигателя связана со следующими трудностями.
Для того чтобы тепловые потоки между газами и стенками цилиндра отсутствовали, необходимо равенство в каждый момент времени температуры стенок температуре газов. Такое быстрое изменение температуры стенок в течение цикла практически невозможно. Можно было бы реализовать близкий к адиабатному цикл, если обеспечить температуру стенок на протяжении цикла в пределах 700—1200 °С. Материал стенок при этом должен сохранять работоспособность в условиях такой температуры, и, кроме того, необходима теплоизоляция стенок для устранения отвода от них тепла.
Обеспечить такую среднюю температуру стенок цилиндра можно лишь в его верхней части, которая не находится в соприкосновении с головкой поршня и его кольцами и, следовательно, не требует смазки. При этом, однако, невозможно обеспечить, чтобы горячие газы не омывали смазываемую часть стенок цилиндра при движении поршня к НМТ. В то же время можно предположить создание цилиндра и поршня, не нуждающихся в смазке.
Дальнейшие трудности связаны с клапанами. Впускной клапан частично охлаждается поступающим при впуске воздухом. Это охлаждение происходит за счет повышения температуры воздуха и, в конечном итоге, приводит к потере части эффективной мощности и КПД двигателя. Теплопередача к клапану при сгорании может быть значительно уменьшена теплоизоляцией тарелки клапана.
У выпускного клапана температурные условия работы значительно тяжелее. Горячие газы, выходящие из цилиндра, имеют в месте перехода тарелки клапана в стержень высокую скорость и сильно нагревают клапан. Поэтому для получения эффекта адиабатности требуется теплоизоляция не только тарелки клапана, но и его стержня, отвод теплоты от которых осуществляется охлаждением его седла и направляющей. Кроме того, весь выпускной канал в головке цилиндров должен быть теплоизолирован с тем, чтобы через его стенки головке не передавалась теплота отработавших газов, выходящих из цилиндра.
Как уже упоминалось, при ходе сжатия сначала от горячих стенок цилиндра нагревается относительно холодный воздух. Далее в процессе сжатия температура воздуха повышается, направление теплового потока меняется на противоположное, и теплота от нагретых газов передается стенкам цилиндра. В конце адиабатного сжатия достигается большее в сравнении со сжатием в обычном двигателе значение температуры газа, но на это расходуется больше энергии.
Меньше энергии затрачивается, когда воздух при сжатии охлаждается, поскольку для сжатия меньшего вследствие охлаждения объема воздуха необходимо меньшее количество работы. Таким образом, охлаждение цилиндра при сжатии улучшает механический КПД двигателя. При ходе расширения, напротив, целесообразно теплоизолировать цилиндр или подводить теплоту к заряду в начале этого такта. Два указанных условия являются взаимоисключающими и реализовать их одновременно невозможно.
Охлаждение воздуха при сжатии можно осуществить в двигателях внутреннего сгорания с наддувом, подавая воздух после его сжатия в компрессоре в радиатор промежуточного охлаждения.
Подвод теплоты к воздуху от стенок цилиндра в начале расширения возможен в ограниченной степени. Температуры стенок камеры сгорания адиабатного двигателя весьма высоки, что вызывает нагрев воздуха, поступающего в цилиндр. Коэффициент наполнения, и, следовательно, мощность такого двигателя будут ниже, чем у двигателя с принудительным охлаждением. Этот недостаток устраним с помощью турбонаддува, использующего энергию отработавших газов; часть этой энергии можно передавать непосредственно на коленчатый вал двигателя через силовую турбину (турбокомпаундный двигатель).
Горячие стенки камеры сгорания адиабатного двигателя обеспечивают воспламенение на них топлива, что предопределяет использование в таком двигателе дизельного рабочего процесса.
При совершенной теплоизоляции камеры сгорания и цилиндра температура стенок увеличивалась бы до достижения на глубине около 1,5 мм от поверхности средней температуры цикла, т. е. составила бы 800—1200 °C. Такие температурные условия обусловливают высокие требования к материалам цилиндра и деталей, образующих камеру сгорания, которые должны быть жаропрочными и обладать теплоизоляционными свойствами.
Цилиндр двигателя, как уже отмечалось, должен смазываться. Обычные масла употребимы до температуры 220 °C, при превышении которой возникает опасность пригорания и потери упругости поршневых колец. Если головка цилиндра изготовлена из алюминиевого сплава, то прочность такой головки быстро уменьшается уже при достижении температуры 250—300 °C. Допустимая температура разогрева выпускного клапана составляет 900—1000 °C. Этими значениями максимально допустимых температур необходимо руководствоваться при создании адиабатного двигателя.
Наибольшие успехи в развитии адиабатных двигателей достигнуты фирмой «Камминс» (США). Схема адиабатного двигателя, разработанного этой фирмой, изображена на рис. 1, где показаны теплоизолированные цилиндр, поршень и выпускной канал головки цилиндра. Температура отработавших газов в теплоизолированной выпускной трубе составляет 816 °C. Присоединенная к выпускной трубе турбина соединена с коленчатым валом через двухступенчатый редуктор, снабженный гасителем крутильных колебаний.
 |
Опытный образец адиабатного двигателя был создан на базе шестицилиндрового дизеля типа NH. Схематический поперечный разрез этого двигателя показан на рис. 2, а его параметры приведены ниже в таблице.
 |
| 1 — блок цилиндров; 2 — составной поршень; 3 — гильза цилиндра; 4 — теплоизолирующая прокладка блока цилиндров; 5 — вставка между головкой и блоком цилиндров; 6 — теплоизолирующая прокладка головки цилиндров; 7 — теплоизолирующая шайба камеры сгорания; 8 — нижнее уплотнение теплоизолирующей шайбы; 9 — седло выпускного клапана; 10 — керамическая изоляция выпускной трубы; 11 — выпускной клапан; 12 — насос-форсунка; 13 — теплоизолирующий стакан и насос-форсунка; 14 — седло впускного клапана. |
| Число цилиндров | 6 |
| Диаметр цилиндра, мм | 139,7 |
| Ход поршня, мм | 152,4 |
| Частота вращения, мин-1 | 1900 |
| Максимальное давление в цилиндре, МПа | 13 |
| Тип смазочного материала | Масло |
| Среднее эффективное давление | 1,3 [2] |
| Массовое отношение воздух/топливо | 27:1 |
| Температура входящего воздуха, °С | 60 |
| Мощность, кВт | 373 |
| Удельный расход топлива, г/(кВт·ч) | 170 |
| Срок службы, ч | 250 |
В конструкции двигателя широко использованы стеклокерамические материалы, обладающие высокой жаропрочностью. Однако до настоящего времени обеспечить высокое качество и длительный срок службы деталей из этих материалов не удалось.
Большое внимание было уделено созданию составного поршня, показанного на рис. 3. Керамическая головка поршня соединена с его основанием 2 специальным болтом 3 с шайбой 4. Максимальная температура в середине головки достигает 930 °С. От основания головка теплоизолирована пакетом тонких стальных прокладок 6 с сильно неровной и шероховатой поверхностью. Каждый слой пакета из-за малой поверхности контакта обладает большим тепловым сопротивлением. Тепловое расширение болта компенсируется с помощью тарельчатых пружин 5.
 |
| 1 — керамическое днище; 2 — основание поршня; 3 — болт; 4 — шайба; 5 — тарельчатая пружина; 6 — теплоизолирующий пакет прокладок. |
Снижение аэродинамического сопротивления автомобиля Наибольшую долю в сопротивлении движению легкового автомобиля по горизонтальному участку дороги с высокой скоростью составляет аэродинамическое сопротивление. Снижение этого сопротивления оказывает значительное влияние на уменьшение расхода топлива.
Плазменное зажигание Плазменное зажигание может обеспечить гарантированное зажигание бедных топливовоздушных смесей, использование которых в двигателе позволяет экономить топливо.
icarbio.ru
Cтраница 1
Адиабатные двигатели являются многотопливными. Объясняется это тем, что при повышении рабочих температур стенок камеры сгорания с 470 до 700 - 1200 С резко снижаются периоды задержки воспламенения и требования к цетановому числу топлива. Иными словами, в адиабатном двигателе можно использовать топливо не нефтяного происхождения-сжиженный уголь, спирты, сжиженные сланцы и т.п., что устраняет зависимость от дефицитной нефти. В экономическом отношении адиабатный двигатель более выгоден не только из-за снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, но и из-за уменьшения уровня шума двигателя в связи с тем, что при высоких температурах снижается жесткость работы. [1]
Кроме того, в адиабатном двигателе возможно применение многих видов топлив, уменьшается выделение вредных составляющих газов и др. Однако отсутствие охлаждения приводит к чрезмерно высокой температуре деталей, образующих камеру сгорания, что затрудняет создание надежной конструкции адиабатного двигателя. [2]
Основные проблемы при создании и широком распространении адиабатных двигателей связаны с преодолением повышенной хрупкости керамики, ее низкой сопротивляемости усталостному разрушению, плохой обрабатываемости. Керамика хорошо работает на сжатие, но слабо сопротивляется растягивающим напряжениям изгиба. Последнее определяет сложность конструирования комбинированных деталей адиабатного двигателя, состоящего из керамического элемента и сопрягаемой с ним металлической основы детали. Проблема сопряжения керамики с металлом детали усугубляется разностью их коэффициентов термического расширения, значения которых у керамики в 3 - 7 раз меньше, чем у металлов. Проблематичной остается пока задача обеспечения смазки трущихся поверхностей цилиндропоршневой группы при повышенных ( 400 - 700 С) температурах стенок: требуется разработка специальных синтетических масел или применение других видов смазки керамических поверхностей, например газовой. [3]
Нитрид кремния также является перспективным материалом для изготовления деталей так называемых адиабатных двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. [4]
Так как расчетные результаты были получены в предположении отсутствия теплообмена ( для условий адиабатного двигателя), не удалось определить границу между работой в режиме самовоспламенения и появлением пропусков воспламенения. При моделировании в адиабатных условиях установлено, что двигатель имеет склонность к появлению пропусков воспламенения при повышенных частотах вращения коленчатого вала, так как в этом случае сокращается время, необходимое для того, чтобы смесь прореагировала. [5]
Кроме того, в адиабатном двигателе возможно применение многих видов топлив, уменьшается выделение вредных составляющих газов и др. Однако отсутствие охлаждения приводит к чрезмерно высокой температуре деталей, образующих камеру сгорания, что затрудняет создание надежной конструкции адиабатного двигателя. [6]
Адиабатные двигатели являются многотопливными. Объясняется это тем, что при повышении рабочих температур стенок камеры сгорания с 470 до 700 - 1200 С резко снижаются периоды задержки воспламенения и требования к цетановому числу топлива. Иными словами, в адиабатном двигателе можно использовать топливо не нефтяного происхождения-сжиженный уголь, спирты, сжиженные сланцы и т.п., что устраняет зависимость от дефицитной нефти. В экономическом отношении адиабатный двигатель более выгоден не только из-за снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, но и из-за уменьшения уровня шума двигателя в связи с тем, что при высоких температурах снижается жесткость работы. [7]
Основные проблемы при создании и широком распространении адиабатных двигателей связаны с преодолением повышенной хрупкости керамики, ее низкой сопротивляемости усталостному разрушению, плохой обрабатываемости. Керамика хорошо работает на сжатие, но слабо сопротивляется растягивающим напряжениям изгиба. Последнее определяет сложность конструирования комбинированных деталей адиабатного двигателя, состоящего из керамического элемента и сопрягаемой с ним металлической основы детали. Проблема сопряжения керамики с металлом детали усугубляется разностью их коэффициентов термического расширения, значения которых у керамики в 3 - 7 раз меньше, чем у металлов. Проблематичной остается пока задача обеспечения смазки трущихся поверхностей цилиндропоршневой группы при повышенных ( 400 - 700 С) температурах стенок: требуется разработка специальных синтетических масел или применение других видов смазки керамических поверхностей, например газовой. [8]
Адиабатные двигатели являются многотопливными. Объясняется это тем, что при повышении рабочих температур стенок камеры сгорания с 470 до 700 - 1200 С резко снижаются периоды задержки воспламенения и требования к цетановому числу топлива. Иными словами, в адиабатном двигателе можно использовать топливо не нефтяного происхождения-сжиженный уголь, спирты, сжиженные сланцы и т.п., что устраняет зависимость от дефицитной нефти. В экономическом отношении адиабатный двигатель более выгоден не только из-за снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, но и из-за уменьшения уровня шума двигателя в связи с тем, что при высоких температурах снижается жесткость работы. [9]
Экономное расходование топлива имеет очень важное народнохозяйственное значение. На улучшение экономичности ДВС направлено совершенствование рабочего процесса, уменьшение механических потерь и потерь теплоты. В связи с этим получают распространение теплоизолирующие покрытия поверхностей деталей, образующих камеру сгорания. Поскольку в ДВС до 30 % теплоты, введенной с топливом, отводится в охлаждающую среду, актуальной задачей является создание адиабатного двигателя. [10]
Страницы: 1
www.ngpedia.ru
Изобретение относится к устройствам двигателей внутреннего сгорания с разделенным термодинамическим циклом. Техническим результатом является повышение эффективности процесса сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что два такта (всасывание, сжатие) реализуются в одном цилиндре с поршнем, а два других (рабочий ход и выпуск) - в другом цилиндре с поршнем. Процесс сгорания и первичное расширение газа организованы в отдельном теплоизолированном устройстве с ресивером газа, в котором осуществляется первая стадия расширения газа, до подачи его затем в рабочий двигатель. В ресивере давление газа и температура понижаются из-за значительного объема, но поддерживается относительно постоянное давление газа в условиях теплоизоляции. Вторая стадия расширения рабочего газа происходит в рабочем двигателе - цилиндре с поршнем, куда газ подается из ресивера с постоянным давлением. Температура газа вторично понижается до минимально возможной, и газ выбрасывается в атмосферу. Многократное понижение температуры и давления в теплоизолированном устройстве значительного объема обеспечивают работу двигателя без системы охлаждения, что повышает теплоиспользование (КПД двигателя). 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
Уровень техники
В качестве энергетических установок в современном мире широкое распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания. Особенностью двигателей этого типа является то, что процесс сгорания топливовоздушной смеси и преобразование тепловой энергии в механическую происходят непосредственно в цилиндре двигателя.
Условия работы теплового двигателя впервые были сформулированы французским ученым С.Карно. Эти условия заключаются в том, что для превращения теплоты в механическую работу необходимо иметь, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами (теплоотдатчик и теплоприемник), взаимодействующие с рабочим телом в круговом процессе (цикле).
Простейшим циклом, соответствующим этим условиям, является цикл, осуществляемый между двумя источниками теплоты, имеющими различные постоянные температуры Т1 и Т2. Тело с более высокой температурой Т1 называют горячим источником теплоты или теплоотдатчиком, а тело с более низкой температурой Т2 - холодным источником или теплоприемником.
Из второго начала термодинамики вытекает важное заключение, касающееся основного экономического показателя тепловых двигателей - коэффициента полезного действия (КПД). Известно также, что КПД теплового двигателя зависит от эффективности использования тепла от сгорания топлива. Тепловой баланс показывает, что в ДВС используется полезно только 35% тепла на полезную работу, т.е. от параметров рабочего тела (его давления и температуры), а остальное тепло расходуется на охлаждение и выброс с отработанными газами. Поэтому в разрабатываемых двигателях уменьшение этих потерь также повышает эффективный КПД.
Термический КПД тем выше, чем шире интервал значений температур цикла, т.е. чем больше числовое значение отношения ТmaxТmin
. Однако очень важно, за счет какой именно температуры цикла (минимальной или максимальной) происходит это расширение. В результате анализа видим, что при одинаковых по модулю приращениях максимальной и минимальной температур изменение Tmin отражается на КПД цикла Карно сильнее, чем изменение Тmax.
В качестве примера рассмотрим тепловой двигатель, который работает по циклу Карно в интервале значений температуры от Tmin=300 К до Tmax=2400 К. В этом случае термический КПД=0,875. При снижении только температуры Tmin на 20 К КПД увеличивается на 0,00833, а при повышении температуры Tmax также на 20 К КПД увеличивается на 0,00103. Таким образом, в случае изменения температуры Тmax приращение КПД в 8 раз меньше, чем при изменении температуры Tmin.
В современных ДВС температура газа в цилиндре в конце расширения Т2 очень высокая (…К), что и ограничивает рост КПД.
Итак, понижение нижней температуры Tmin является действительно эффективным способом повышения КПД цикла.
Камера сгорания
Камера сгорания - замкнутое пространство для сжигания топлива. Они бывают периодического действия (в поршневых ДВС) и непрерывного действия (в газотурбинных и реактивных двигателях).
Большое разнообразие камер сгорания объясняется стремлением достигнуть высокой экономичности и мягкого сгорания (для улучшения износа).
Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.
Высокотемпературный цикл, реализуемый в ДВС, приводит к необходимости оснащения системой охлаждения практически всех без исключения поршневых двигателей.
Количество теплоты, переданное системе охлаждения, представляет собой основную часть потерь, определяющих индикаторный КПД двигателя. В быстроходных двигателях в систему охлаждения отводится 25…35% вводимой в цилиндр с топливом теплоты.
Сгорание должно происходить в строго определенной фазе цикла - слишком раннее или позднее сгорание приводит к уменьшению давления в цилиндре и, в конечном счете, к ухудшению основных параметров двигателя.
Идея сжигания топлива непосредственно в цилиндре имеет существенные недостатки еще и потому, что сгорание подчинено режиму движения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель.
Поэтому, как правило, в ДВС горение топлива, особенно в режимах малой нагрузки, происходит в неблагоприятных условиях. Для того чтобы сделать горение устойчивым, приходится использовать так называемую обогащенную горючую смесь, т.е. смесь топлива с воздухом, в которой топлива заведомо больше, чем может теоретически сгореть в этом воздухе. Ясно, что в связи с этим выхлопные газы таких двигателей содержат несгоревшее топливо или точнее некоторые промежуточные соединения - продукты так называемого неполного горения.
В целях достижения высокой экономичности двигателя необходима камера сгорания, обеспечивающая нежесткую динамическую газовую нагрузку на поршень и кривошипный механизм, т.е. равномерная скорость нарастания давления газа на поршень после воспламенения топлива в камере сгорания двигателя.
Процесс расширения
В процессе расширения (рабочий ход) производится механическая работа за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива.
Под значительным давлением расширяющихся газов поршень движется от В.М.Т. к Н.М.Т. и через шатун проворачивает коленчатый вал. По мере перемещения поршня давление газов в цилиндре падает, а температура понижается.
В процессе расширения давление в цилиндре карбюраторного двигателя при сгорании составляет в среднем 3,5 МПа, а в конце расширения - 0,4 МПа, т.е. падает в 8,75 раза. Температура сгорания в этом двигателе составляет в среднем 2550 К, а при расширении составляет 1350 К, т.е. падает в 1,9 раза. В процессе расширения давление в цилиндре дизеля при сгорании составляет в среднем 6,3 МПа, а в конце расширения - 0,3 МПа, т.е. падает в 21 раз. Температура сгорания в дизеле составляет в среднем 2000 К, а в конце расширения - 1100 К, т.е. падает в 1,8 раза.
При этом температура выпуска отработанных газов у дизеля и карбюраторного двигателя практически одинакова и составляет среднюю величину в 900 К.
Итак, в ДВС в процессе расширения температура сгорания топлива в цилиндре реально уменьшается только в два раза и составляет высокую температуру выпуска отработанных газов. Поэтому цилиндр в принципе не обеспечивает необходимую степень расширения газа и рост КПД в нем недостижим. Чтобы приблизиться к минимально возможной температуре окружающей среды в 300 К, надо еще и температуру выпуска понизить не меньше чем в 2 раза. В пределе для роста КПД необходимо изменение (падение) температуры от Тmax до Tmin от 2-х до 5 раз, т.е. ТmaxТmin=2600К(1300…500К)
, т.е. понижение Т2 до 500 К. В этом случае η=Т1−Т2Т1=2600−5002600=0,8
.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, в котором подвод тепла осуществляется при постоянном объеме в камере сгорания.
В этом цикле подвод тепла осуществляет в районе ВМТ, что имеет неприятные следствия. В реальном двигателе воспламенение топлива происходит даже не в ВМТ, а еще до ее достижения, т.е. на противоходе. Это уменьшает полезную работу.
Кроме этого, в ВМТ поршень короткое время неподвижен и тепловая энергия не превращается в механическую работу, а значительная ее часть идет на нагрев камеры сгорания, головки блока, поршня и стенок цилиндра, которые необходимо охлаждать.
Вращательный момент от сгорания топлива возникает на кривошипе с углом поворота в 140°. Однако первые 10° угла поворота коленчатого вала от ВМТ дают небольшой ход поршня (до 10 мм), т.е. шатун и шейка коленчатого вала расположены практически на прямой линии и вращательный момент отсутствует.
Только начиная с угла поворота коленчатого вала в 10-30° (ход поршня до 40 мм), возникает на кривошипе вращательный момент, а затем уменьшается из-за увеличения объема расширения и уменьшения давления в цилиндре.
Одним из недостатков двигателя с воспламенением от сжатия (дизель) является высокая жесткость сгорания топлива, которая определяется высокой скоростью нарастания давления газов в цилиндре после воспламенения топлива в камере сгорания. Жесткость сгорания характеризует степень ударности газовой нагрузки на поршень, шатун и коленчатый вал и поэтому ускоряет износ двигателя, т.к. скорость нарастания давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на один градус может составлять с умеренными степенями сжатия от 0,1 до 0,12 МПа/°.
Можно сделать вывод, что организация сгорания топлива в цилиндре с поршнем приводит к нерациональным потерям тепла и снижает вращающий момент из-за кривошипно-шатунного механизма.
Среднее индикаторное давление
В ДВС выделяют величину pi, которую называют средним индикаторным давлением цикла. Она представляет собой такое условное постоянно действующее избыточное давление, при котором работа газов, произведенная за один ход поршня, равна индикаторной работе за цикл. То есть среднее индикаторное давление равно полезной работе цикла, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра. Поэтому давление рi характеризует совершенство цикла и самого двигателя.
При сгорании топлива давление газа высокое и составляет в бензиновых двигателях 3-4,5 МПа, а в дизельных 5-12 МПа. Однако это давление не сохраняется, а в ходе расширения в цилиндре оно резко падает в 8-20 раз. Поэтому среднее индикаторное давление меньше максимального и при расчетах его учитывают как условно постоянно действующее в цилиндре.
При работе на полной нагрузке величина среднего индикаторного давления достигает:
для бензиновых двигателей 0,6-1,4 МПа и дизелей 0,7-1,1 МПа.
Наибольший возможный объем рабочего тела Vmax достигается при продолженном расширении рабочего тела до минимального давления рmin (1 атм). Вследствие этого возрастают и термический КПД, и работа цикла. Однако с увеличением объема Vmax соответственно уменьшается среднее давление цикла. Снижение среднего давления цикла при условии получения заданной мощности приводит к необходимости увеличения размеров цилиндра. Поэтому в поршневых двигателях внутреннего сгорания осуществляется цикл, в котором расширение рабочего тела заканчивается при давлении значительно более высоком, чем давление минимально возможное.
Отметим, что эффективная мощность двигателя прямо пропорциальна среднему эффективному давлению. Следовательно, эффективную мощность двигателя можно изменить увеличением или уменьшением среднего индикаторного давления.
Работа и теплота
При увеличении объема, т.е. при расширении, тело перемещает окружающие его тела, т.е. совершает над ними работу. Например, газ, находящийся в цилиндрическом сосуде, закрытом перемещающимся поршнем, при расширении совершает работу.
ΔA=pΔV, где р - давление газа, ΔV=S Δх - изменение объема газа, вызванное перемещением поршня на расстояние Δх; S - площадь поршня.
При постоянном давлении при расширении газа от объема V1 до объема V2 газ совершает работу
A=p(V2-V1)
Работа, совершаемая 1 молем газа при изотермическом расширении от объема V1 до объема V2, равна A=RTln(V1V2)
, где R - газовая постоянная.
При адиабатическом расширении тепла давление убывает обратно пропорционально Vγ, т.е. более быстро, поскольку γ>1.
Адиабатный двигатель
В настоящее время актуальным остается проблема создания двигателей с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела, предельным случаем которых является так называемый адиабатный двигатель.
Адиабатным двигателем считается тот, у которого предельно мала теплоотдача в стенки и за счет этого достаточно большой КПД.
Реализация идеи адиабатного двигателя с применением монолитной керамики для изоляции стенок цилиндров и деталей, ограничивающих камеру сгорания, оказалась ошибочной в связи с ростом температуры газов и количества оксидов азота в отработавших газах.
В результате анализа выяснилось, что причина неудач этой схемы двигателя заключается в том, что сгорание топлива происходило в цилиндре с поршнем, с внутренней теплоизоляцией стенок цилиндра и деталей, ограничивающих камеру сгорания. В этом “тепловом мешке” температура газов возросла, но одновременно возросла и теплоотдача в систему охлаждения, а при ограниченном расширении газа в цилиндре (с повышенной температурой) из-за кривошипно-шатунного механизма расширение оказалось недостаточным, поэтому сохранилась высокая температура отработавших газов. В итоге расход топлива не уменьшился и КПД двигателя не увеличился.
Основные недостатки поршневого двигателя
Термодинамический цикл ДВС, организованный в одном цилиндре с поршнем, происходит в неоптимальных условиях по следующим причинам:
1. Режим горения топлива оказывается подчиненным режиму движения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель (горение в неблагоприятных условиях).
2. Сгорание топлива в надпоршневом пространстве приводит к потере тепла в систему охлаждения 25-35% и отработанными газами 30-40%.
3. Малое падение температуры сгоревшего топлива (до 2-х раз) из-за недостаточного объема расширения снижает КПД.
4. Выпуск рабочего газа с высоким давлением уменьшает среднее эффективное давление (мощность двигателя).
5. Такты цикла осуществляются в цилиндре с большими перепадами температур, что приводит к значительным тепловым потерям.
6. Жесткость сгорания топлива, особенно в дизеле (высокая скорость нарастания давления).
Известен комбинированный двигатель А.Н.Шелеста, в котором топливо сгорает и образующиеся газы поршнем нагнетаются в резервуар, т.е. двигатель выполняет роль генератора сжатых газов. Давление генерируемых газов в ресивере составляло 4 кг/см2 при температуре 500°С. При сгорании 1 кг жидкого топлива образовывалось 72,5 кг генерированного газа.
Наиболее близким по технической сущности изобретением (прототипом) к предлагаемому является «Термодинамический цикл для двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления». Автор изобретения М.П.Фролов №2167315, кл. F02B 11/00, 75/04 1999 г.
В этом изобретении предложен термодинамический цикл с раздельными тактами по цилиндрам. В одном цилиндре происходят два такта - всасывание и сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре - сгорание топлива, рабочий ход и выхлоп. Оптимальное разделение термодинамического цикла по двум цилиндрам (двух спаренных тактов) позволяет совершенствовать рабочий процесс теплового двигателя.
Однако в данном термодинамическом цикле имеется существенный недостаток - это организация сгорания топлива в цилиндре. Уже отмечалось, что сгорание топлива в цилиндре приводит к большим тепловым потерям в систему охлаждения и выхлоп, а также неполному расширению газа. В целях совершенствования термодинамического цикла, организованного в двух раздельных цилиндрах, предлагается устройство адиабатного двигателя, в котором сгорание топлива вынесено из цилиндра в отдельное устройство.
Одним из основных направлений по совершенствованию ДВС является повышение эффективности процесса сгорания топлива, а также снижение уровня вредных выбросов за счет улучшения процесса сгорания.
Сущность изобретения
Основная часть по совершенствованию термодинамического цикла (М.П.Фролова), разделенного по двум цилиндрам, заключается в том, что предлагается сгорание топлива из цилиндра вынести в отдельное устройство - теплоизолированную камеру сгорания с ресивером газа.
Задачей изобретения является повышение КПД двигателя, полнота сгорания топлива, исключение передачи тепла в систему охлаждения и уменьшение температуры выхлопа, увеличенное расширение газа, а также оптимизация процессов отдельных тактов.
Цель: создание двигателя с уменьшенным отводом тепла от рабочего тела, предельным случаем которого является так называемый адиабатный двигатель. Создание экономичного и малотоксичного рабочего процесса в таком двигателе возможно за счет комплекса мероприятий, которые позволяют понизить температуру рабочего тела в двух отдельных объемах расширения. Первый объем - теплоизолированная камера сгорания, в которую подается из ресивера сжатый воздух из компрессора.
После подачи топлива в камеру сгорания оно сгорает, рабочее тело расширяется и первично охлаждается в объеме ресивера газа также теплоизолированного. Второй объем расширения газа осуществляется в рабочем цилиндре с поршнем, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Здесь поршень перемещается под постоянным давлением. Рабочее тело повторно охлаждается в процессе расширения в цилиндре и выбрасывается в атмосферу.
Для повышения роста КПД предлагается в целом понизить температуру сгорания до четырех-пяти раз. Это возможно осуществить, если в термодинамическом цикле применить двойное расширение газа. В начале, рабочий газ после сгорания расширить в теплоизолирующем сосуде - ресивере, где температура уменьшается в 2-3 раза. Затем рабочий газ расширить в рабочем цилиндре до 2-х раз.
Описание чертежей
Предлагаемое устройство адиабатного двигателя поясняется чертежом: Фиг.1 - схематично представляет изобретение под названием «Устройство адиабатного двигателя; где 1 - компрессор воздуха, 2 - впускной клапан компрессора, 3 - нагнетательный клапан, 4 - ресивер воздуха, 5 - регулируемый клапан подачи воздуха, 6 - окно подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, 7 - форсунка топлива, 8 - свеча зажигания, 9 - камера сгорания (сферическая), 10 - ребра охлаждения камеры сгорания, 11 - камера сжатого воздуха вокруг камеры сгорания, 12 - эжектор, 13 - отверстие (щели) эжектора, 14 - раструб камеры сгорания и эжектора, 15 - теплоизолированный корпус, 16 - внутренняя часть ресивера газов (продуктов сгорания), 17 - предохранительный клапан, 18 - канал впуска газа в рабочий двигатель, 19 - клапан впуска газа, 20 - клапан выпуска отработанных газов, 21 - рабочий двигатель, 22 - ресивер газа, 23 - цилиндрическая часть камеры сгорания, 24 - кинематическая связь компрессора с рабочим двигателем.
Осуществление изобретения
Предлагается адиабатный двигатель, который выполнен по схеме термодинамического цикла с разделением 4-х тактов по двум цилиндрам и сгоранием топлива в теплоизолированной камере сгорания и ресивере газа. В первом цилиндре (компрессоре) воздух сжимается поршнем и подается из ресивера в камеру сгорания. После подачи топлива в камеру сгорания оно сгорает, и газ первично расширяется в объеме ресивера газа. Затем открывается выпускной клапан в рабочий двигатель с поршнем, и газ выполняет механическую работу.
Общее устройство адиабатического двигателя изображено на фиг.1, который состоит из следующих частей: компрессора воздуха - 1, теплоизолированной камеры сгорания - 9 с ресивером газа - 22, рабочего двигателя - 21. Компрессор воздуха - 1 имеет выпускной клапан - 2 и нагнетательный клапан - 3, а также ресивер воздуха - 4, из которого сжатый воздух подается в сферическую часть камеры сгорания через регулируемый клапан - 5. Камера сгорания - 9 и ресивер газа - 22 находятся в теплоизолированном корпусе - 15, в котором размещается полость ресивера продуктов сгорания - 16, оснащенного предохранительным клапаном - 17.
В целом камера сгорания - 9 снаружи имеет ребра охлаждения - 10, которые направлены вдоль оси камеры сгорания. Вокруг камеры сгорания образовано пространство - камера сжатого воздуха - 11. В конце цилиндрической части камеры сгорания - 23 расположено эжекторное устройство - 12 с отверстиями - 13 (щелями), через которые отсасывается сжатый воздух, находящийся вокруг камеры сгорания в замкнутом объеме, и выбрасывается через раструб - 14 в ресивер газа - 22 во время сгорания топлива.
В камеру сгорания - 9 через окно - 6 подается сжатый воздух из ресивера воздуха - 4, а топливо - через форсунку - 7. В камере сгорания топливо поджигается свечой - 8.
Рабочий двигатель - 21 имеет цилиндр с поршнем, клапан выпуска - 19 с рабочего тела (газа) с внутренней полости ресивера газа - 16 через канал выпуска газа - 18, а выпуск отработанного газа происходит через клапан - 20.
Привод компрессора - 1 осуществляется от рабочего двигателя - 21 через кинематическую связь - 24.
Адиабатный двигатель работает следующим образом.
В поршневом компрессоре - 1 воздух сжимается и подается в ресивер воздуха - 4. Затем через управляемый нагнетательный клапан - 5 сжатый воздух из ресивера воздуха - 4 в необходимом объеме подается в сферическую часть камеры сгорания - 9. Сжатый воздух входит в камеру сгорания под углом к ее оси через окно - 6, а также в камеру сжатого воздуха - 11, объем которой расположен вокруг камеры сгорания - 9. Сжатый воздух заполняет также внутреннюю часть ресивера газов - 16. В итоге, все пространство в камере сгорания, вокруг нее и в ресивере газа заполняется в начале цикла сжатым воздухом с одинаковым давлением. Гипотетически представим его в виде давления воздушной среды в пределах 0,5-1,0 МПа. После создания этих условий в сферическую часть камеры сгорания - 9 впрыскивается топливо через форсунку - 7 и поджигается свечей - 8. Топливо сгорает, повышается температура и давление. Однако, в связи с тем, что внутри камеры сгорания и в ресивере газов было одинаковое давление, в момент сгорания топлива камера сгорания со стороны раструба камеры сгорания и эжектора - 14 «закрыта пробкой» сжатого газа с гипотетическим давлением 0,5-1,0 МПа. В связи с этим, хотя камера сгорания и не имеет механического клапана, сгорание в основном происходит в закрытом объеме сферической - 9 и цилиндрической частях камеры сгорания - 23. После резкого увеличения давления и температуры при сгорании топлива газы преодолевают давление сжатого воздуха на стороне раструба - 14 и выбрасываются в полость ресивера газа - 16. В момент истечения рабочего тела из цилиндрической части камеры сгорания - 23 отсасывается нагретый сжатый воздух вокруг камеры сгорания - 11, за счет эжектора - 12 через окна (щели) - 13. Этот воздух участвует в догорании топлива и перетекает во внутреннюю часть ресивера газа - 16.
Давление генерируемого газа в ресивере газа - 22 поддерживается в заданных пределах (гипотетически в пределах 10-15 МПа), которое затем подается в рабочий двигатель - 21 через канал выпуска - 18 и клапан впуска - 19.
В рабочем двигателе газ давит на поршень с относительно постоянным давлением, т.е. совершает механическую работу. При расширении газа его температура вторично понижается до минимально возможной и отработанный газ выталкивается поршнем в атмосферу через клапан выпуска - 20.
В целях поддержания расчетного давления в ресивере газа - 22 и избегания взрыва он оснащен предохранительным клапаном - 17.
При снижении расчетного давления в ресивере газа - 22 в камере сгорания и других объемах подается сжатый воздух из ресивера воздуха - 4.
В этом случае сжатый воздух продувает камеру сгорания, освобождает ее от отработанных газов и одновременно охлаждает. При этом процессе происходит в целом выравнивание давления в камере сгорания - 9, в камере сжатого воздуха - 11, в ресивере газов - 22. После этого подается воздух и топливо в необходимых количествах, происходит сгорание топлива и процессы повторяются.
Преимущества адиабатного двигателя
В предлагаемом двигателе компрессор 1 нагнетает воздух в ресивер воздуха 4, который позволяет регулировать подачу воздуха и топлива в камеру сгорания, что оптимизирует смесеобразование и сгорание топлива. Улучшает процесс смесеобразования и подача воздуха под углом к оси камеры сгорания, т.к образуется вихрь, способствующий перемешиванию топлива с воздухом.
Камера сгорания играет также роль теплового аккумулятора. Ее стенки воспринимают тепло в процессе сгорания топлива и отдают его путем теплопередачи от наружных оребренных стенок (площадь больше) к охлаждающей воздушной среде - воздуху камеры 11.
Кроме этого, избыточный запас воздуха, окружающий камеру сгорания, участвует в догорании топлива, что увеличивает массу рабочего тела и ускоряет процесс понижения температуры и давления рабочего тела.
В принципе тепловые машины, использующие в качестве рабочего тела воздух, могут работать без охлаждающего тела, выпуская отработавшие газы в атмосферу. Это возможно. Если расширение рабочего тела осуществить до больших объемов в сосуде, заключенном в теплонепроницаемую оболочку, т.е расширение, протекающее без теплообмена с окружающей средой, то температура газа понизится. Это первая стадия расширения газ до двигателя, т.е в ресивере газа 16.
Вторая стадия расширения рабочего тела происходит в рабочем двигателе 21 до тех пор, пока его температура не станет равной минимально возможной (расчетной). Этот прием двойного расширения газа в условиях теплоизоляции в несколько раз понижает температуру сгораемого топлива, что значительно повышает КПД двигателя. Кроме того, при этом упрощается конструкция двигателя, так как устраняются радиатор, вентилятор, водяной насос, система трубопроводов и охлаждающих каналов.
В технике для предотвращения нежелательного переноса энергии с теплотой применяют теплоизоляцию. Для этого применяют материалы, плохо проводящие тепло, а также создают препятствие для тепловой конвекции и теплового излучения. В предлагаемом термодинамическом цикле в качестве теплоизолятора принимается газ - атмосферный воздух, который окружает камеру сгорания 9. Кроме этого, чтобы снизить температуру рабочего тела без отвода теплоты из системы, камера сгорания и ресивер газа заключены в теплонепроницаемую оболочку (из современных композитов), где рабочему телу представлена возможность расширяться в значительном объеме.
В реальных двигателях мощность двигателя пропорциональна пропущенной через него массе воздуха, которая в свою очередь пропорциональна плотности воздуха. Поэтому для увеличения мощности двигателя выгоднее увеличивать массу нагреваемого воздуха и понижать разность температур, т.е при одинаковом подводе теплоты можно получать разное количество рабочего тела.
Источники информации
1. Фролов М.П. Патент Российской Федерации № F02B 11/00, 75/04 1999 г.
2. Теория поршневых двигателей. Кавтарадзе Р.С. Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007 г.
3. Теплотехника. Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007 г.
1. Устройство адиабатического двигателя, работающего по схеме термодинамического цикла с разделением 4-х тактов по двум цилиндрам, с подачей сжатого воздуха из компрессора в ресивер воздуха, затем в камеру сгорания с системой зажигания и в полость вокруг камеры сгорания с оребренными выступами и эжектором, а также в ресивер газа, который имеет теплоизолированный корпус с предохранителем.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в первом цилиндре поршень всасывает и сжимает чистый воздух и нагнетает в ресивер воздуха, из которого он в необходимом количестве подается через управляемый нагнетательный клапан в камеру сгорания, а также в полость, расположенную вокруг камеры сгорания и внутреннюю полость ресивера генерируемых газов.
3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что камера сгорания снаружи оснащена ребрами охлаждения, которые направлены вдоль оси камеры сгорания, и объединена с эжектором для отсоса продуктов сгорания.
4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что камера сгорания имеет сферическую часть, куда подается топливо и поджигается свечой, также цилиндрическую часть с эжекторным устройство с отверстиями, через которые отсасывается сжатый и нагретый воздух, находящийся вокруг камеры сгорания в замкнутом объеме, и выбрасывается через раструб газа во время сгорания топлива.
5. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что все пространство в камере сгорания, вокруг нее и в ресивере генерируемого газа заполняется в начале цикла сжатым воздухом из компрессора с одинаковым давлением.
6. Устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что ресивер генерируемого газа по объему превышает объем камеры сгорания, имеет предохранительный клапан, а также снижает температуру рабочего тела.
7. Устройство по пп.1-6, отличающееся тем, что используется эффект поджатия продуктами сгорания или воздухом камеры сгорания со стороны раструба эжектора, который обеспечивает сгорание топлива в закрытых объемах сферической и цилиндрической частях камеры сгорания.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Адиабатный двигатель Казанцева повышает абсолютный КПД на 15-25% за счет увеличения количества тепла, преобразуемого в механическую работу. В адиабатном двигателе на картере 1 смонтирован цилиндр 2, охлаждаемый водой 3, циркулирующей в водяной рубашке 4. Через теплоизоляционную прокладку 5 на цилиндре 2 закреплен фальшцилиндр 6 с впускным 7 и выпускным 9 клапанами и форсункой 8. Фальшцилиндр 6 с фальшпоршнем 10 имеют низкую теплопроводность и совместно образуют горячую камеру переменного объема 11. Между цилиндром 2 и фальшпоршнем 10 имеется компенсационный зазор 12. Теплоизоляционная прокладка 14 изолирует горячий фальшпоршень 10 от холодного поршня 15, несущего компрессионные кольцы 16. Холодный поршень 15 взаимодействует с холодным цилиндром 2 и с помощью компрессионных колец 16 обеспечивает компрессию в камере 11. Поршень 15 передает механическую работу потребителю посредством шатуна 17 и коленчатого вала 18. Низкая теплопередача фальшцилиндра 6 и фальшпоршня 10, а также отсутствие их охлаждения обуславливают термический процесс расширения рабочего тела в камере 11 адиабатным. Изобретение обеспечивает повышение КПД за счет более полного преобразования тепловой энергии в механическую работу. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания, который состоит из оребренного снаружи цилиндра, поршня, взаимодействующего с коленчатым валом через шатун, головки цилиндров с клапанами, управляющими впуском и выпуском рабочего тела, вентилятора, отнимающего часть тепла от рабочего тела через обдуваемую им оребренную поверхность цилиндра.
Поршень снабжен компрессионными кольцами и взаимодействует в работе с цилиндром посредством бокового трения на всей длине рабочей (горячей) камеры. Недостаток этого двигателя состоит в том, что вентилятор, обдувая цилиндр в районе рабочей камеры, отнимает у нее около 25-35 процентов тепла, произведенного рабочим телом. Это охлаждение необходимо для предотвращения перегрева и заклинивания поршня внутри цилиндра, в районе рабочей камеры (Е.В.Михайловский и др. Автомобили. М.: Машиностроение, 1968, с.88, 89 “Воздушное охлаждение”).
Известен двигатель внутреннего сгорания (прототип), который состоит из цилиндра, омываемого снаружи охлаждающей водой, поршня, взаимодействующего с коленчатым валом через шатун, головки цилиндра с клапанами, управляющими впуском и выпуском рабочего тела. Этот двигатель позволяет более стабильно удерживать тепловой режим стенок трущихся пар в районе рабочей камеры. Недостаток такого двигателя состоит в том, что вода, омывающая стенки вокруг рабочей камеры, отнимает у нее те же 25-35 процентов тепла, произведенного рабочим телом (то же, с.70-74 “Жидкостная система охлаждения”, рис.58).
Известен двигатель внутреннего сгорания, стенки рабочей камеры которого изнутри выстланы пористыми вставками. Через пористые вставки внутрь рабочей камеры подается вода. Под действием высокой температуры сгорания рабочего тела вода испаряется и образует паровую рубашку внутри рабочей камеры. Такое устройство двигателя позволяет, благодаря паровой рубашке внутри цилиндра, осуществить низкотемпературный тепловой режим работы пар трения без применения водяного или воздушного наружного охлаждения. Термодинамический процесс расширения рабочего тела в этом двигателе является адиабатным.
Недостаток этого двигателя состоит в том, что пар продолжает поступать в рабочую камеру и во время такта наполнения. Это уменьшает объем всасываемого рабочего тела, а следовательно, мощность и КПД двигателя (патент США 4281626, F 02 M 25/02, 1981).
Целью изобретения является повышение КПД за счет более полного преобразования тепловой энергии в механическую работу.
Эта цель достигается благодаря тому, что адиабатный двигатель включает возвратно-поступающий поршень, взаимодействующий с цилиндром, рабочую камеру переменного объема, систему впуска и выпуска рабочего тела, при этом поршень и цилиндр надстроены соответственно фальшпоршнем и фальшцилиндром, при этом фальшпоршень выполнен так, что в работе он не соприкасается ни с фальшцилиндром, ни с цилиндром. Кроме того, фальшцилиндр снаружи имеет тепловую изоляцию, предотвращающую перенос тепла через его стенки охладителю (атмосфере). Фальшцилиндр через теплоизоляционную прокладку смонтирован на цилиндре. Фальшпоршень через теплоизоляционную прокладку смонтирован на поршне.
Такое устройство двигателя позволяет обойтись без охлаждения стенок рабочей камеры, т.к. в ее пределах нет трущихся деталей, которые могли бы заклиниться от перегрева. Это сохраняет и превращает в механическую работу дополнительно около 20 процентов тепла. Подобного решения в известных двигателях не обнаружено. Таким образом предложенное техническое решение соответствует критерию “Новизна”. Анализ известных технических решений в области поршневых двигателей возвратно-поступательного действия позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение на 15-25 процентов сокращает потери тепла через стенки рабочей камеры и, соответственно, уменьшает мощность системы охлаждения. Это повышает КПД двигателя на 15-25 процентов, в сравнении с прототипом и упрощает систему охлаждения. Это представляет собой определенный шаг в развитии техники, т.е. обуславливает предложенному решению соответствие критерию “Изобретательский уровень”.
На чертеже изображена схема поршневого двигателя внутреннего сгорания возвратно-поступательного действия.
Двигатель содержит картер 1, смонтированный на нем цилиндр 2, омываемый охлаждающей его водой 3, циркулирующей в водяной рубашке 4. На цилиндре 2 смонтирован через теплоизоляционную прокладку 5 фальшцилиндр 6, который имеет низкую теплопроводность и несет на себе впускной клапан 7, форсунку 8 и выпускной клапан 9. Внутри цилиндра 2 размещен фальшпоршень 10, который совместно с фальшцилиндром 6 образует рабочую камеру изменяемого объема 11. Фальшпоршень 10 имеет низкую теплопроводность. При этом в работе он не контактирует ни с цилиндром 2, ни с фальшцилиндром 6, что достигнуто благодаря образованному между ними тепловому зазору 12.
Фальшпоршень 10 через теплоизоляционную прокладку 14 смонтирован на поршне 15,который несет на себе компрессионные кольцы 16 и через шатун 17 взаимодействует с коленчатым валом 18.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Коленчатый вал 18 вращается по часовой стрелке и приближается к нижней мертвой точке. Выпускной клапан 9 открывается и через него из рабочей камеры 11 выпускаются продукты сгорания. Давление в камере 11 падает. Коленчатый вал продолжает вращаться. Поршень 15 поднимает фальшпоршень в положение, близкое к верхней мертвой точке. Открывается впускной клапан 7. Продолжая вращаться, коленчатый вал 18 опускает поршень 15 совместно с фальшпоршнем 10. В камере 11 создается разряжение. Выпускной клапан 9 закрывается. Свежий воздух заполняет камеру 11 через впускной клапан 7. Пройдя нижнюю мертвую точку, коленчатый вал 18 поднимает вверх поршень 15 с фальшпоршнем 10. Впускной клапан 7 закрывается. Объем воздуха в камере 11 уменьшается, а давление и температура увеличиваются. В конце сжатия давление воздуха поднимается до 5-8 МПа, а температура до 600-800 градусов по Цельсию. Через форсунку 8 в сильно нагретый воздух впрыскивается топливо, которое нагревается, воспламеняется и сгорает. Давление в камере 11 увеличивается до 8-15 МПа, а температура-до 2000 - 2700 градусов и выше. Продукты сгорания давят на фальшпоршень 10, перемещают его к нижней мертвой точке, а он через посредство поршня 15 и шатуна 17 перемещает к нижней мертвой точке коленчатый вал 18. Осуществляется рабочий ход. После чего цикл повторяется. Компрессия в камере 11 достигается благодаря взаимодействию поршня 15 с цилиндром 2 через посредство компрессионных колец 16. В процессе рабочего хода фальшцилиндр 6 и фальшпоршень 10 сильно нагреваются и расширяются.
Фальшпоршень 10 имеет диаметр несколько меньше, чем диаметр поршня 15, что образует между фальшпоршнем 10 и цилиндром 2 и фальшцилиндром 6 тепловой зазор 12, который компенсирует тепловое расширение фальшпоршня 10 и фальшцилиндра 6. Таким образом, предотвращается их заклинивание при высоких температурах в камере 11, т.к. отсутствует трение между ними. Цилиндр 2 отнесен от зоны высоких температур фальшцилиндром 6, как и поршень 15 от горячей камеры 11 - фальшпоршнем 10. Кроме того, фальшпоршень 10 и фальшцилиндр 6 выполнены из материала, имеющего низкую теплопроводность, а соединение их с поршнем и цилиндром соответственно осуществлены через теплоизоляционные прокладки 14 и 5. В районе трения поршня 15 цилиндр 2 снабжен водяной рубашкой 4 и охлаждается водой 3, что позволяет двигателю регулировать тепловой режим в зоне трения поршня 15. Тепловой зазор 12 зависит от диаметра цилиндра, температуры и коэффициента линейного расширения материала фальшпоршня и составляет менее одного процента от объема камеры 11. Следовательно, этим видом нагрева цилиндра 2 можно пренебречь, контактная передача тепла цилиндру 2 через теплоизоляционные прокладки 5 и 14 и от уже охлажденного маслом поршня 15 так же мала. Следовательно, потребная мощность водяного охлаждения составляет не более пятой доли от мощности водяного охлаждения у прототипа. С целью сокращения потери тепла через стенки фальшцилиндра 6 и обеспечения требований техники безопасности он снаружи имеет тепловую изоляцию 19. Таким образом процесс сгорания и расширения рабочего тела в предлагаемом двигателе происходит практически без отвода тепла холодильнику, что переводит работу двигателя с политропного процесса расширения на адиабатный. При этом количество тепла, превращаемого в механическую работу, увеличивается на 15-25 процентов. КПД двигателя увеличивается на эти же 15-25% абсолютных.
1. Адиабатный двигатель, включающий возвратно-поступающий поршень, взаимодействующий с цилиндром, рабочую камеру переменного объема, систему впуска и выпуска рабочего тела, отличающийся тем, что поршень и цилиндр надстроены соответственно фальшпоршнем и фальшцилиндром, при этом фальшпоршень выполнен так, что в работе он не соприкасается ни с фальшцилиндром, ни с цилиндром.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что фальшцилиндр снаружи имеет тепловую изоляцию.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что фальшцилиндр через теплоизоляционную прокладку смонтирован на цилиндре.
4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что фальшпоршень через теплоизоляционную прокладку смонтирован на поршне.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Адиабатный двигатель Казанцева повышает абсолютный КПД на 15-25% за счет увеличения количества тепла, преобразуемого в механическую работу. В адиабатном двигателе на картере 1 смонтирован цилиндр 2, охлаждаемый водой 3, циркулирующей в водяной рубашке 4. Через теплоизоляционную прокладку 5 на цилиндре 2 закреплен фальшцилиндр 6 с впускным 7 и выпускным 9 клапанами и форсункой 8. Фальшцилиндр 6 с фальшпоршнем 10 имеют низкую теплопроводность и совместно образуют горячую камеру переменного объема 11. Между цилиндром 2 и фальшпоршнем 10 имеется компенсационный зазор 12. Теплоизоляционная прокладка 14 изолирует горячий фальшпоршень 10 от холодного поршня 15, несущего компрессионные кольцы 16. Холодный поршень 15 взаимодействует с холодным цилиндром 2 и с помощью компрессионных колец 16 обеспечивает компрессию в камере 11. Поршень 15 передает механическую работу потребителю посредством шатуна 17 и коленчатого вала 18. Низкая теплопередача фальшцилиндра 6 и фальшпоршня 10, а также отсутствие их охлаждения обуславливают термический процесс расширения рабочего тела в камере 11 адиабатным. Изобретение обеспечивает повышение КПД за счет более полного преобразования тепловой энергии в механическую работу. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания, который состоит из оребренного снаружи цилиндра, поршня, взаимодействующего с коленчатым валом через шатун, головки цилиндров с клапанами, управляющими впуском и выпуском рабочего тела, вентилятора, отнимающего часть тепла от рабочего тела через обдуваемую им оребренную поверхность цилиндра.
Поршень снабжен компрессионными кольцами и взаимодействует в работе с цилиндром посредством бокового трения на всей длине рабочей (горячей) камеры. Недостаток этого двигателя состоит в том, что вентилятор, обдувая цилиндр в районе рабочей камеры, отнимает у нее около 25-35 процентов тепла, произведенного рабочим телом. Это охлаждение необходимо для предотвращения перегрева и заклинивания поршня внутри цилиндра, в районе рабочей камеры (Е.В.Михайловский и др. Автомобили. М.: Машиностроение, 1968, с.88, 89 “Воздушное охлаждение”).
Известен двигатель внутреннего сгорания (прототип), который состоит из цилиндра, омываемого снаружи охлаждающей водой, поршня, взаимодействующего с коленчатым валом через шатун, головки цилиндра с клапанами, управляющими впуском и выпуском рабочего тела. Этот двигатель позволяет более стабильно удерживать тепловой режим стенок трущихся пар в районе рабочей камеры. Недостаток такого двигателя состоит в том, что вода, омывающая стенки вокруг рабочей камеры, отнимает у нее те же 25-35 процентов тепла, произведенного рабочим телом (то же, с.70-74 “Жидкостная система охлаждения”, рис.58).
Известен двигатель внутреннего сгорания, стенки рабочей камеры которого изнутри выстланы пористыми вставками. Через пористые вставки внутрь рабочей камеры подается вода. Под действием высокой температуры сгорания рабочего тела вода испаряется и образует паровую рубашку внутри рабочей камеры. Такое устройство двигателя позволяет, благодаря паровой рубашке внутри цилиндра, осуществить низкотемпературный тепловой режим работы пар трения без применения водяного или воздушного наружного охлаждения. Термодинамический процесс расширения рабочего тела в этом двигателе является адиабатным.
Недостаток этого двигателя состоит в том, что пар продолжает поступать в рабочую камеру и во время такта наполнения. Это уменьшает объем всасываемого рабочего тела, а следовательно, мощность и КПД двигателя (патент США 4281626, F 02 M 25/02, 1981).
Целью изобретения является повышение КПД за счет более полного преобразования тепловой энергии в механическую работу.
Эта цель достигается благодаря тому, что адиабатный двигатель включает возвратно-поступающий поршень, взаимодействующий с цилиндром, рабочую камеру переменного объема, систему впуска и выпуска рабочего тела, при этом поршень и цилиндр надстроены соответственно фальшпоршнем и фальшцилиндром, при этом фальшпоршень выполнен так, что в работе он не соприкасается ни с фальшцилиндром, ни с цилиндром. Кроме того, фальшцилиндр снаружи имеет тепловую изоляцию, предотвращающую перенос тепла через его стенки охладителю (атмосфере). Фальшцилиндр через теплоизоляционную прокладку смонтирован на цилиндре. Фальшпоршень через теплоизоляционную прокладку смонтирован на поршне.
Такое устройство двигателя позволяет обойтись без охлаждения стенок рабочей камеры, т.к. в ее пределах нет трущихся деталей, которые могли бы заклиниться от перегрева. Это сохраняет и превращает в механическую работу дополнительно около 20 процентов тепла. Подобного решения в известных двигателях не обнаружено. Таким образом предложенное техническое решение соответствует критерию “Новизна”. Анализ известных технических решений в области поршневых двигателей возвратно-поступательного действия позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение на 15-25 процентов сокращает потери тепла через стенки рабочей камеры и, соответственно, уменьшает мощность системы охлаждения. Это повышает КПД двигателя на 15-25 процентов, в сравнении с прототипом и упрощает систему охлаждения. Это представляет собой определенный шаг в развитии техники, т.е. обуславливает предложенному решению соответствие критерию “Изобретательский уровень”.
На чертеже изображена схема поршневого двигателя внутреннего сгорания возвратно-поступательного действия.
Двигатель содержит картер 1, смонтированный на нем цилиндр 2, омываемый охлаждающей его водой 3, циркулирующей в водяной рубашке 4. На цилиндре 2 смонтирован через теплоизоляционную прокладку 5 фальшцилиндр 6, который имеет низкую теплопроводность и несет на себе впускной клапан 7, форсунку 8 и выпускной клапан 9. Внутри цилиндра 2 размещен фальшпоршень 10, который совместно с фальшцилиндром 6 образует рабочую камеру изменяемого объема 11. Фальшпоршень 10 имеет низкую теплопроводность. При этом в работе он не контактирует ни с цилиндром 2, ни с фальшцилиндром 6, что достигнуто благодаря образованному между ними тепловому зазору 12.
Фальшпоршень 10 через теплоизоляционную прокладку 14 смонтирован на поршне 15,который несет на себе компрессионные кольцы 16 и через шатун 17 взаимодействует с коленчатым валом 18.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Коленчатый вал 18 вращается по часовой стрелке и приближается к нижней мертвой точке. Выпускной клапан 9 открывается и через него из рабочей камеры 11 выпускаются продукты сгорания. Давление в камере 11 падает. Коленчатый вал продолжает вращаться. Поршень 15 поднимает фальшпоршень в положение, близкое к верхней мертвой точке. Открывается впускной клапан 7. Продолжая вращаться, коленчатый вал 18 опускает поршень 15 совместно с фальшпоршнем 10. В камере 11 создается разряжение. Выпускной клапан 9 закрывается. Свежий воздух заполняет камеру 11 через впускной клапан 7. Пройдя нижнюю мертвую точку, коленчатый вал 18 поднимает вверх поршень 15 с фальшпоршнем 10. Впускной клапан 7 закрывается. Объем воздуха в камере 11 уменьшается, а давление и температура увеличиваются. В конце сжатия давление воздуха поднимается до 5-8 МПа, а температура до 600-800 градусов по Цельсию. Через форсунку 8 в сильно нагретый воздух впрыскивается топливо, которое нагревается, воспламеняется и сгорает. Давление в камере 11 увеличивается до 8-15 МПа, а температура-до 2000 - 2700 градусов и выше. Продукты сгорания давят на фальшпоршень 10, перемещают его к нижней мертвой точке, а он через посредство поршня 15 и шатуна 17 перемещает к нижней мертвой точке коленчатый вал 18. Осуществляется рабочий ход. После чего цикл повторяется. Компрессия в камере 11 достигается благодаря взаимодействию поршня 15 с цилиндром 2 через посредство компрессионных колец 16. В процессе рабочего хода фальшцилиндр 6 и фальшпоршень 10 сильно нагреваются и расширяются.
Фальшпоршень 10 имеет диаметр несколько меньше, чем диаметр поршня 15, что образует между фальшпоршнем 10 и цилиндром 2 и фальшцилиндром 6 тепловой зазор 12, который компенсирует тепловое расширение фальшпоршня 10 и фальшцилиндра 6. Таким образом, предотвращается их заклинивание при высоких температурах в камере 11, т.к. отсутствует трение между ними. Цилиндр 2 отнесен от зоны высоких температур фальшцилиндром 6, как и поршень 15 от горячей камеры 11 - фальшпоршнем 10. Кроме того, фальшпоршень 10 и фальшцилиндр 6 выполнены из материала, имеющего низкую теплопроводность, а соединение их с поршнем и цилиндром соответственно осуществлены через теплоизоляционные прокладки 14 и 5. В районе трения поршня 15 цилиндр 2 снабжен водяной рубашкой 4 и охлаждается водой 3, что позволяет двигателю регулировать тепловой режим в зоне трения поршня 15. Тепловой зазор 12 зависит от диаметра цилиндра, температуры и коэффициента линейного расширения материала фальшпоршня и составляет менее одного процента от объема камеры 11. Следовательно, этим видом нагрева цилиндра 2 можно пренебречь, контактная передача тепла цилиндру 2 через теплоизоляционные прокладки 5 и 14 и от уже охлажденного маслом поршня 15 так же мала. Следовательно, потребная мощность водяного охлаждения составляет не более пятой доли от мощности водяного охлаждения у прототипа. С целью сокращения потери тепла через стенки фальшцилиндра 6 и обеспечения требований техники безопасности он снаружи имеет тепловую изоляцию 19. Таким образом процесс сгорания и расширения рабочего тела в предлагаемом двигателе происходит практически без отвода тепла холодильнику, что переводит работу двигателя с политропного процесса расширения на адиабатный. При этом количество тепла, превращаемого в механическую работу, увеличивается на 15-25 процентов. КПД двигателя увеличивается на эти же 15-25% абсолютных.
1. Адиабатный двигатель, включающий возвратно-поступающий поршень, взаимодействующий с цилиндром, рабочую камеру переменного объема, систему впуска и выпуска рабочего тела, отличающийся тем, что поршень и цилиндр надстроены соответственно фальшпоршнем и фальшцилиндром, при этом фальшпоршень выполнен так, что в работе он не соприкасается ни с фальшцилиндром, ни с цилиндром.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что фальшцилиндр снаружи имеет тепловую изоляцию.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что фальшцилиндр через теплоизоляционную прокладку смонтирован на цилиндре.
4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что фальшпоршень через теплоизоляционную прокладку смонтирован на поршне.
www.findpatent.ru
двигатель внутр. сгорания без системы охлаждения и без отвода теплоты через его нар. поверхность. Отличается повыш. ср. темп-рой газов в цилиндре, темп-рой деталей, образующих камеру сгорания, и темп-рой продуктов сгорания. Для утилизации энергии продуктов сгорания используется силовая газовая турбина, мощность к-рой передаётся на вал отбора мощности (обычно коленчатый вал). Для изготовления деталей, работающих при высокой темп-ре, применяются жаропрочные материалы (напр., керамические). А. д. имеет высокий кпд и низкий уд. расход топлива - до 150 г/(кВт-ч). Иногда А. д. неправильно наз. ке-рамич. двигателем.
Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004.
Адиабатический процесс — Тепловые процессы Статья является частью одноименн … Википедия
Первое начало термодинамики — один из двух основных законов термодинамики (См. Термодинамика), представляет собой закон сохранения энергии для систем, в которых существенное значение имеют тепловые процессы. П. н. т. было сформулировано в середине 19 в. в результате… … Большая советская энциклопедия
Работа — силы, мера действия силы, зависящая от численной величины и направления силы и от перемещения точки её приложения. Если сила F численно и по направлению постоянна, а перемещение M0M1 прямолинейно (рис. 1), то P. A = F․s․cosα, где s = M0M1 … Большая советская энциклопедия
Теплотехника — отрасль техники, занимающаяся получением и использованием теплоты в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту. Получение теплоты. Основным источником теплоты, используемой человечеством (70 е гг. 20 в.), является … Большая советская энциклопедия
dic.academic.ru
К адиабатическим часто относят процессы, которые происходят с большой скоростью. Адиабатические процессы используют, например, в двигателях внутреннего сгорания, в холодильных приборах. Рассмотрим адиабатический процесс в идеальном газе. Запись первого начала термодинамики для адиабатического процесса выглядит как:
![\[\delta A=-dU\ \qquad (1),\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-352dfe2131938756eb0fb3a4f9f28607_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
что означает: работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы. Используя определение работы в термодинамическом процессе:
![\[\delta A=pdV\ \qquad (2),\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-9961b9b102867546324c525e95b7be41_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
где p – давление в термодинамической системе; 
– малое изменение объема системы. И определение внутренней энергии:
![\[dU=\frac{i}{2}R\frac{m}{\mu }dT\ \qquad (3),\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-34be2ced571c4f95fe349863899abb3f_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
где i – число степеней свободы молекулы; m – масса; 
– молярная масса вещества; R – универсальная газовая постоянная; 
– элементарное изменение температуры.
Подставив (2) и (3) в первое начало термодинамики для адиабатного процесса, получим:
![\[pdV=-\frac{i}{2}\frac{m}{\mu}RdT\ \to dT=-\frac{2\mu pdV}{i\cdot m\cdot R} \qquad (4)\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f3cb950e6d5b8b8377a41f66e2725ec9_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Состояние идеального газа можно описывать при помощи уравнения Менделеева – Клапейрона:
![\[pV=\frac{m}{\mu }RT \qquad (5)\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-50829005c6f5a5af4fdb993033f859e2_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Продифференцируем (5), получим:
![\[pdV+Vdp=\frac{m}{\mu }RdT\ \qquad (6)\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-06d57b78d8854fc41d113100520279a8_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Подставим вместо в формулу (6) правую часть выражения (4):
![\[pdV+Vdp=-\frac{m}{\mu }R\frac{2\mu pdV}{i\cdot m\cdot R}=-\frac{pdV}{i}\to \frac{pdV+Vdp}{pdV}=-\frac{2}{i}\to \frac{dp}{p}=-\gamma \frac{dV}{V} \qquad (6),\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6f1ef15cf66c85c0681adaac9e1e9ffa_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
где для идеального газа 
– показатель адиабаты (или коэффициент Пуассона). Из полученного дифференциального уравнения имеем:
![\[pV^{\gamma }=const\ \qquad (7)\]](/800/600/http/ru.solverbook.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-c6f34c3eebdc44ed3900f598a36236be_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Уравнение (7) называют уравнением адиабатического процесса (уравнением адиабаты, уравнением Пуассона). Уравнение адиабаты можно легко получить в других параметрах: (p (T) или V(T)). Диаграмма адиабатического процесса в осях p(V) отображается гиперболой.
Адиабатический процесс как и изохорный, изобарный и изотермический процессы происходят при постоянной теплоемкости. В адиабатном процессе теплоемкость равна нулю.
ru.solverbook.com
