Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания с предварительно охлаждаемой компрессией

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а точнее к области четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания имеет одно- или многоступенчатое предварительное охлаждение, что позволяет контролировать температуру и давление всасываемого воздуха в цилиндры сгорания, таким образом, гораздо более высокая степень сжатия и давление предварительного зажигания могут быть достигнуты без приближения к порогу самовоспламенения воздушно-топливной смеси. Минимальное пороговое давление сжатого компрессором воздуха составляет 1,8 бар на уровне моря и минимальное падение температуры не менее 50°С в радиаторе охлаждения воздуха теплообменника. Поскольку эта конструкция может эффективно регулировать и устанавливать максимальную температуру предварительного зажигания топливно-воздушной смеси, она может сжигать практически любой тип жидкого углеводородного топлива без детонации. Этот четырехтактный двигатель, благодаря своей более высокой степени сжатия, генерирует энергию, равную или больше, чем стандартный четырехтактный двигатель, в более легком и маленьком корпусе и с более высокой эффективностью. 9 з.п. ф-лы, 22 ил.

Реферат

Ссылка на Сопутствующие Заявки

Данная заявка притязает на приоритет даты заполнения обычной заявки на патент США №14/279,580, заполненной 16 мая 2014 г., которая является частично продолжающей заявкой обычной заявки на патент США №14/200,202, заполненной 7 марта 2014 г.

Область Техники Изобретения

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а точнее к области четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием ИЗ-ДВС (англ. Spark Ignition - Internal Combustion Engines (SI-ICE)).

Предпосылки к Созданию Изобретения

Эффективность стандартного четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания ограничивается взаимоотношением степени сжатия и температур высокого давления компрессии при предварительном зажигании. Это связано с необходимостью избегать температур предварительного зажигания, близких к порогу температуры самовоспламенения топлива, при превышении этих температур эффект стука будет ухудшать эффективность и сократит срок службы двигателя. Поскольку температура всасываемого воздуха в стандартном четырехтактном двигателе зависит от температуры окружающей среды, которая может обычно варьироваться от -20°С до +42°С, при максимальной компрессии внутри цилиндра двигателя этот диапазон температур окружающей среды приводит к дисперсии температуры в 120°С при предварительном зажигании. Вследствие этой разницы температур при предварительном зажигании стандартные четырехтактные двигатели, как правило, ограничиваются низкой степенью сжатия (СС) - это параметр, который представляет собой отношение общего объема цилиндра двигателя к объему камеры сгорания. Для двигателей, использующих стандартное бензиновое топливо, СС обычно не превышает 8, что ограничивает компрессию двигателей с предварительным зажиганием до 15 бар максимум.

Такие температура и давление ограничивают возможности конструкции стандартного четырехтактного двигателя и не только снижают эффективность его работы, но также приводят к необходимости использовать более крупные и тяжелые двигатели и сужают выбор типов топлива до тех, что позволяют двигателям работать без стука.

Настоящее изобретение предлагает конструкцию четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с одно- или многоступенчатым предварительным охлаждением компрессии, для обозначения которого мы будем использовать аббревиатуру «ВССПС» - внутреннее сгорание с предварительным сжатием (или англ. «CWPSC» - Combustion With Pre-Stage Compression). Как будет описано в дальнейшем, такая конструкция позволяет температуре и давлению всасываемого в цилиндры сгорания воздуха находится под жестким контролем таким образом, что гораздо более высокая степень сжатия и давление при предварительном зажигании могут быть обеспечены без приближения к порогу самовоспламенения. Более того, так как новая конструкция может эффективно регулировать и устанавливать максимальную температуру предварительного зажигания воздушно-топливной смеси, такой двигатель может работать практически на любом типе жидкого углеводородного топлива без опасности стука.

Четырехтактный двигатель настоящего изобретения, благодаря его гораздо более высокой степени сжатия, генерирует энергию эквивалентную или больше, чем стандартный четырехтактный двигатель, в более легком и маленьком корпусе и в среде, где все основные параметры двигателя находятся под контролем для достижения его максимальной мощности и эффективности.

Краткое Описание Изобретения

Рабочий цикл стандартного бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выхлопа. Во время такта впуска, поршень перемещается вниз и воздушно-топливная смесь всасывается в цилиндр. За этим следует такт сжатия, при котором поршень движется вверх и сжимает воздушно-топливную смесь до нужного давления для предварительного зажигания. Такт сжатия достигает кульминации при импульсном зажигании воздушно-топливной смеси, которая двигает поршень вниз в такте рабочего хода. В такте выхлопа поршень снова перемещается вверх для отвода выхлопного газа из цилиндра в процессе подготовки к следующему такту впуска.

Мощность генерируется в четырехтактном процессе сгорания во время такта рабочего хода, когда зажженная воздушно-топливная смесь расширяется в цилиндре, в результате чего давление внутри падает. В соответствии с Комбинированным Законом Газа, величина PV/T остается постоянной во время этого расширения (где Р представляет собой давление газа в бар, V является объемом газа в литрах, а Т - температурой газа в Кельвинах). Следовательно, при заданной степени сжатия падение давления должно сопровождаться непропорциональным уменьшением абсолютной температуры. Так как уменьшение абсолютной температуры определяет механическую энергию, доступную для передачи коленчатому валу через поршень во время такта рабочего хода, коэффициент полезного действия двигателя оптимизируется за счет максимального перепада давления в ходе такта рабочего хода. Это, в свою очередь, требует, чтобы давление при предварительном зажигании максимизировалось за счет устранения негативного воздействия высоких температур.

В стандартном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания всасываемый воздух поступает в цилиндр сгорания при окружающей температуре и атмосферном давлении (примерно в 1 бар). Производители таких двигателей обычно делают их со степенью сжатия (СС) примерно равной 8 для использования с обычным топливом. Мы рассмотрим эту СС как среднее значение и будем основывать наши примерные вычисления на ней. Применяя формулу адиабатического процесса для газа: P(V)γ = Константа (с давлением воздуха γ, коэффициент 1,3), где атмосферное давление Ра=1 бар, мы рассмотрим в качестве примера цилиндр двигателя с объемом Ve=1 литр. Так как СС=8, объем зажигания равен 1/8 от Ve, то этот объем зажигания Vi=0,125. Таким образом:

Pa(Ve)γ=Pi(Vi)γ

Pa(Ve)1,3=Pi(Vi)1,3

(1)(1)1,3=Pi(0,125)1,3

Pi=14,92 бар

Следовательно, в стандартном двигателе максимально допустимое давление предварительного зажигания Pi=14,92 бар. Максимальная температура газа при предварительном зажигании, таким образом, зависит от температуры окружающей среды. Если в качестве примера рассматривать температуру окружающей среды в 27°С (300 К) и применить Комбинированный Закон Газа, температуру Ti сжатого воздуха в цилиндре в верхней мертвой точке (ВМТ) можно рассчитать следующим образом:

PaVe/Te=PiVi/Ti

(1)(1)/300=(14,92)(0,125)/Ti

Ti=560 K или 287°C

Таким образом, температура предварительного зажигания сжатой воздушно-топливной смеси должна быть ниже температуры самовоспламенения (287°С в данном случае). Однако по современным стандартам бензиновых ИЗ-ДВС (или SI-ICE) двигателей, производители должны учитывать максимально высокую потенциальную температуру окружающего воздуха, что составляет приблизительно 42°С (315 К). В таком случае максимальная температура предварительного зажигания:

Pa(Ve)Ta=Pi(Vi)Ti

(1)(1)315=(14,92)(0,125)/Ti

Ti=587 K или 314°С

Следовательно, все бензиновое топливо, которое используются сегодня, обладает температурой самовоспламенения не менее чем 314°С. Это значение будет рассматриваться как верхний предел температуры в наших расчетах с целью сравнения конструкций двигателей.

В данном изобретении на предварительном этапе используется компрессор, который сжимает всасываемый воздух, а теплообменник охлаждает сжатый воздух до того, как он попадает в цилиндр сгорания. Это делается с целью значительного увеличения КПД двигателя за счет увеличения степени сжатия воздушно-топливной смеси в двигателе перед зажиганием. Для достижения такого повышения КПД двигателя необходимо осуществить важный процесс теплообмена с окружающей средой. Данное изобретение уменьшает температуру всасываемого воздуха, чтобы понизить температуру предварительного зажигания воздушно-топливной смеси в бензиновых двигателях и сохранять ее постоянной вне зависимости от изменения температуры окружающей среды. Благодаря этому достигается гораздо большее сжатие воздушно-топливной смеси перед искровым зажиганием - по сравнению со степенью только воздушного сжатия в дизельных двигателях. Уменьшая температуру всасываемого воздуха на, например, 100°С, температура предварительного зажигания воздушно-топливной смеси понизится на 200°С.

Как покажут расчеты ниже, для процесса, описанного выше, чтобы он функционировал должным образом, компрессор должен сжимать всасываемый воздух выше минимального порогового значения давления в приблизительно 1,8 бар, а минимальный спад температуры сжатого воздуха, охлаждаемого в теплообменнике, должен быть более чем на 50°С. В то время как результаты будут наблюдаться при давлениях выше 2,1 бар, наилучшие результаты будут достигнуты при давлениях сжатия впускаемого воздуха в 3 бар или выше. Если, к примеру, компрессор сжимает воздух при значении в, или выше 1,8 бар (как это происходит в турбонагнетателях), необходимый эффект теплообмена не будет материализоваться, чтобы достичь существенного увеличения степени сжатия двигателя, так как дисперсия температуры окружающей среды будет больше, чем спад температуры в теплообменнике, и, следовательно, требуемое увеличение степени сжатия не будет материализовано. Именно поэтому турбонагнетатели не способствуют значительному увеличению степени сжатия, а лишь увеличивают мощность двигателя за счет большей всасываемости воздуха, не усиливая эффективность работы двигателя.

С другой стороны, одна из целей настоящего изобретения - это регулирование температуры предварительного зажигания воздушно-топливной смеси таким образом, чтобы увеличить степень сжатия (СС) и конечное давление предварительного зажигания, обеспечивая тем самым более высокую эффективность работы двигателя. Если, например, двигатель имеет объем цилиндра Ve и компрессор с объемом Va, объем сжатого воздуха Vc равен объему поступающего в цилиндр двигателя воздуха Vt, который меньше, чем Ve, и компрессор сжимает поступающий воздух при температуре Та=27°С до менее чем одной трети его общего объема Va, который для объема Vc=Vt=0,3Va, то давление воздуха перед всасыванием Рс можно рассчитать следующим образом (применяя формулу адиабатического процесса для газа с коэффициентом 1,3 для сжатия воздуха):

Pa(Va)1,3=Pc(Vc)1,3

(1)(1)1,3с(0,3)1,3

Рс=4,78 бар

Применяя Комбинированный Закон Газа, температура перед всасыванием Тс этого сжатого воздуха может быть рассчитана следующим образом:

Pa(Va)Ta=PcVc/Tc

(1)(1)/300=(4,78)(0,3)/Tc

Tc=430 K=157°С

Теплообменник настоящего изобретения затем охладит сжатый заранее забранный воздух при постоянном объеме впуска Vt=Vc=0,3 Va до необходимой в цилиндре температуры Tt, которая определяется максимальной температурой окружающего воздуха, степенью сжатия двигателя СС и температурой самовоспламенения топлива. Температура горячего сжатого воздуха должна быть, поэтому, снижена до необходимой постоянной величины Tt=318 K или 45°С, как пример к данному изобретению, или быть на 3°С теплее, чем 42°С, что предположительно является максимальной температурой окружающего воздуха. Тогда давление Pt охлажденного забранного воздуха:

PcVt/Tc=PtVc/Tt

(4,78)(0,3)/430=Pt(0,3)/318

Pt=3,53 бар

Таким образом, наш двигатель будет работать при постоянной температуре сжатого забранного воздуха в 45°С, вне зависимости от колебаний температуры окружающего воздуха, и при давлении забранного воздуха в 3,53 бар, в данном случае, но давление забранного воздуха будет варьироваться в соответствии с изменением температуры окружающей среды. Как покажут вычисления ниже, уменьшая температуру всасываемого воздуха на примерно 100°С, сжатый воздух в камере сгорания (ВМТ) будет иметь температуру примерно на 200°С ниже, чем она была бы в противном случае, обеспечивая, таким образом, гораздо более высокую степень сжатия в подобных двигателях. Этот процесс эквивалентен разделению такта сжатия двигателя на две фазы с фазой охлаждения между ними: то есть сжатие-охлаждение-сжатие снова, чтобы достичь более высокой компрессии предварительного зажигания.

Давление всасывания этих примерных двигателей будет варьироваться в пределах от 3,36 бар в самую жаркую погоду (42°С) до примерно 4,18 бар в самую холодную (-20°С), в результате чего они будут производить больше энергии или работать эффективнее, если отдаваемая мощность будет поддерживаться на постоянном уровне, с немного большей эффективностью в прохладную погоду, нежели жаркую. Температура этой воздушно-топливной смеси в камере сгорания непосредственно перед зажиганием не изменится, и это будет постоянная величина вне зависимости от изменения температуры окружающей среды, так как это функциональный показатель температуры всасываемого воздуха, который все время поддерживается на постоянном уровне.

Вышеизложенное суммирует общие конструктивные особенности настоящего изобретения. В следующих разделах конкретные модификации настоящего изобретения будут описаны более подробно. Эти специфические модификации предназначены для демонстрации возможности реализации настоящего изобретения в соответствии с общими конструктивными особенностями оговоренными выше. Таким образом, подробные описания этих модификаций предлагаются в качестве иллюстрации, и только в целях показания примера. Они не предназначены для ограничения возможностей вышеизложенных сведений либо последующих утверждений.

Краткое Описание Чертежей

Фиг. 1 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии 1» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии.

Фиг. 2 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии 1» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.

Фиг. 2А представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии 1А» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.

Фиг. 3 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии и процессом захвата энергии в том же компрессоре/блоке расширения.

Фиг. 4 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.

Фиг. 5 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую такты впуска/сжатия/рабочего хода/выхлопа в двигателе представленного изобретения в «Версии II» четырехтактного двигателя и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого из перечисленных тактов в компрессоре.

Фиг. 6 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II(A)» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии и процессом захвата энергии в мощной высокоскоростной турбине, которая может быть использована для приведения в действие предварительного осевого компрессора и/или заряда батарей с помощью генератора в транспортных средствах, которые могут иметь двойной привод питания, обладая небольшими размерами и мощным двигателем внутреннего сгорания, а также привод электродвигателя, где система может переключаться между этими двумя приводами.

Фиг. 7 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии II(А)» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии и процессом захвата энергии в мощной высокоскоростной турбине, принимая во внимание угловое вращения коленчатого вала.

Фиг. 8 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую удлиненный процесс расширения в представленном изобретении в «Версии II» четырехтактных двигателей и канал, который соединяет блок цилиндра двигателя с компрессором/блоком цилиндра расширения.

Фиг. 9 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую в представленном изобретении в «Версии II» четырехтактного двигателя конструкцию компрессора/блока расширения, который служит двойной цели.

Фиг. 10 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии III» четырехтактных двигателей с одной стадией предварительно охлаждаемой компрессии.

Фиг. 11 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения в «Версии III» четырехтактных двигателей и детально показывает, для данного примера, угловую часть вращения коленчатого вала для каждого такта в двигателе.

Фиг. 12 и 12А являются примерами P-V (давление-объем) диаграмм стандартного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре со степенью сжатия СС=8 и объемом цилиндра двигателя размером Ve=1 литр.

Фиг. 13 и 13А являются примерами P-V диаграмм гипотетического стандартного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре со степенью сжатия СС=24.

Фиг. 14, 14А, 15, 15А, 16 и 16А являются примерами P-V диаграмм процесса сгорания в одном цилиндре четырехтактного двигателя «CWPSC» для Версий: «Версия I», «Версия II», «Версия II(А)» и «Версия III» со степенями сжатия СС=24, 25,2, 25,2 и 24 соответственно.

Подробные Описания Предпочтительных Модификаций Изобретения

Ссылаясь на приведенные выше описания двигателя с предварительной компрессией, эти двигатели могут быть разработаны в четырех демонстрационных модификациях «Версия I», «Версия II», «Версия II(A)» и «Версия III».

Следует понимать, что конструкция одного цилиндра сгорания следующих демонстрационных модификаций может быть расширена до нескольких цилиндров сгорания, каждый из которых будет иметь несколько предварительных компрессоров и несколько теплообменников.

«Версия I» Конструкции Двигателя с Предварительной Компрессией

В данной версии, показанной на Фиг. 1 и 2, общий рабочий объем компрессора двигателя будет равен объему цилиндра двигателя. В качестве примера объем цилиндра компрессора Va выбран в размере 1/2 литра. Так как компрессор выполняет 2 полных цикла за 1 такт двигателя в этой версии, Va*2=1 литр, таким образом, объем цилиндра двигателя Ve тоже будет равен 1 литру. Будем считать, что бензиновый двигатель объемом 1 литр должен быть сконструирован со степенью сжатия СС=24 и максимальной температурой сжатия перед зажиганием 310°С. Как покажут дальнейшие расчеты, для этих необходимых предельных параметров объем потребления этого двигателя должен быть примерно Vt=0,3 литра. Тогда компрессор будет сжимать воздух в объем Vt, что меньше, чем объем Va*2, так как цилиндр двигателя Ve сможет обеспечить забор на короткий период во время цикла, который только лишь Vt=Vc=0,3 (постоянная) от объема цилиндра двигателя в этом примере, когда протекает процесс. Процесс впуска начнется с приблизительного положения коленчатого вала в 0° и закончится в положении примерно 71° в такте, в этой точке впускные клапаны будут закрыты и больше воздушно-топливной смеси не сможет попасть в цилиндр двигателя. Так как в данной точке объем впуска Vt примерно 0,3 от размера объема цилиндра двигателя Ve, воздух будет сжиматься компрессором, так как гораздо меньшая, чем 1 литр, емкость потребления двигателя доступна. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где коэффициент сжатия воздуха составляет 1,3, компрессор будет сжимать воздух при давлении Рс:

Pa(Va*2)1,3=Pc(Vc)1,3

(1)(1)1,3с(0,3)1,3

Рс=4,78 бар

Применяя Комбинированный Закон Газа, температура Тс этого сжатого воздуха может быть рассчитана следующим образом:

PaVa2/Ta=PcVc/Tc

(1)(1)/300=(4,78)(0,3)/Тс

Тс=430 K=157°С

Применяя Комбинированный Закон Газа, и охлаждая сжатый воздух до 318 K, давление впуска Pt рассчитывается следующим образом:

PcVc/Tc=PtVt/Tt

(4,78)(0,3)/430=Pt(0,3)/318°

Pt=3,53 бар

Этот сжатый воздух будет попадать в двигатель в течение короткого такта впуска 0,3 от размера объема цилиндра двигателя Ve на более высокой скорости, чем воздух при стандартном атмосферном давлении, и топливо при впуске будет распыляться лучше, чем в стандартных двигателях. Мы будем рассматривать этот процесс как изобарный, так как впускной объем цилиндра двигателя равный 0,3 литра гораздо меньше, чем у всех резервуаров, плюс объемы охлаждающих воздух радиаторов, и так как компрессор продолжает сжимать воздух. Температура всасываемого воздуха Tt будет постоянной 318 K (45°С) вне зависимости от температуры окружающего воздуха в это время. К концу такта впуска, при котором коленчатый вал находится в позиции примерно 71°, воздушно-топливная смесь внутри цилиндра двигателя будет находиться под давлением 3,53 бар, в данном примере, и иметь температуру приблизительно 318 K - всегда постоянное значение.

По мере того как цилиндр движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ), в направлении позиции коленчатого вала на 180°, объем воздушно-топливной смеси расширяется, тем самым помогая поршню двигаться вниз, но также понижая температуру самой воздушно-топливной смеси - адиабатический процесс. Применяя формулу адиабатического процесса для газа с коэффициентом 1,3 для сжатия воздуха:

Pt(Vt)1,3=Pe(Ve)1,3

(3,53)(0,3)1,3е(1)1,3

Ре=0,738 бар

где Ре=0,738 бар - это давление воздушно-топливной смеси в НМТ цилиндра двигателя. Температура Те воздушно-топливной смеси тогда, применяя Комбинированный Закон Газа, в НМТ считается следующим образом:

PtVt/Tt=PeVe/Te

(3.,53)(0,3)/318=(0,738)(1)/Те

Те=222 K=-51°С

Эта очень низкая температура Те=222°K для воздушно-топливной смеси в НМТ позволяет нам иметь гораздо более высокую степень сжатия в камере сгорания без превышения температур самовоспламенения воздушно-топливной смеси. Так как мы выбрали двигатель, который имеет СС=24 (значительно более высокое значение, чем 8), давление Pi в камере сгорания непосредственно перед зажиганием в ВМТ для сжатого объема камеры Vi=1 литр / 24 СС=0,042 литра считается по формуле адиабатического процесса для газа следующим образом:

Pe(Ve)1,3=Pi(Vi)1,3

(0,738)(1)1,3=Pi(0,042)1,3

Pi=45,48 бар

Температура Ti сжатой воздушно-топливной смеси перед сгоранием, применяя Комбинированный Закон Газа, вычисляется в ВМТ следующим образом:

PeVe/Te=PiVi/Ti

(0,738)(1)/222=(45,48)(0,042)/Ti

Ti=575 K=302°С

Такой двигатель будет работать со СС=24 и давлением предварительного зажигания воздушно-топливной смеси в приблизительно 46 бар при температуре окружающей среды в 27°С. Температура предварительного зажигания сжатой воздушной смеси, таким образом, 302°С - всегда постоянная величина, которая ниже, чем в стандартном двигателе, как показывают вычисления выше. Эта концепция может быть применена для любой требуемой температуры предварительного зажигания, позволяя нам сконструировать двигатель, который может работать на любом топливе без каких-либо потерь в эффективности двигателя.

Процесс впуска в двигателях «Версии I» также может заканчиваться не на 71°, когда поршень движется вниз во время своего такта впуска, а когда поршень движется вверх, во время такта сжатия, или на 289° угловой позиции вращения коленчатого вала, с тем же самым результатом, так как в этот момент объем впуска Vt остается примерно 0,3 от объема цилиндра двигателя Ve, когда впускные клапаны закрыты, а воздух будет также сжиматься компрессором.

Сравним теперь эффективность стандартного двигателя и двигателя «Версии I» с предварительной компрессией. Если предположить, что энергия, выделяемая при сжигании топливной смеси внутри камеры сгорания будет в таком количестве, что это приведет к увеличению температуры и, следовательно, давлению газа в примерно 2,5 раза, и предполагая, что сжатый объем не меняется во время зажигания, можно провести некоторые сравнения, чтобы оценить каждый из этих двигателей в отношении друг к другу.

1 - Характеристика стандартного двигателя, СС=8:

Применяя формулу Комбинированного Закона Газа после процесса горения:

PiVi/Ti=PfVf/Tf

(14,92)(0,125)/560=(37,3)(0,125)/Tf

Tf=1400 K

где Pf - давление газа после процесса горения, Vf - объем двигателя после процесса горения и Tf - температура газа после горения. Поскольку мы считаем, что процесс горения происходит так быстро, что объем двигателя не меняется во время этого процесса, тогда Vf=Vi=0,125 литра.

Рассмотрим теперь процесс расширения, который, фактически, является основным рабочим процессом в двигателе. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где коэффициент сжатия воздуха составляет 1,3, мы можем вычислить давление выхлопного газа Рх:

Pf(Vf)1,3=Px(Ve)1,3

(37,3)(0,125)1,3х(1)1,3

Рх=2,5 бар

Применяя формулу Комбинированного Закона Газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить температуру выхлопного газа Тх:

PfVf/Tf=PxVe/Tx

(37,3)(0,125)/1,400=(2,5)(1)/Тх

Тх=751 K

Таким образом, стандартный двигатель будет иметь давление выхлопного газа Рх=2,5 бар и температуру выхлопного газа Тх=751 K.

2- Характеристика двигателя с предварительной компрессией «Версии I», СС=24:

Применяя формулу Комбинированного Закона Газа к процессу после горения:

PiVi/Ti=PfVf/Tf

(45,48)(0,042)/575=(113,7)(0,042)/Tf

Tf=1437 K

где Pf - давление газа после процесса горения, Vf - объем двигателя после процесса горения и Tf - температура газа после горения. Поскольку мы считаем, что процесс горения происходит так быстро, что объем двигателя не меняется во время этого процесса, тогда Vf=Vi=0,042 литра.

Рассмотрим теперь процесс расширения, который, фактически, является основным рабочим процессом в двигателе. Применяя формулу адиабатического процесса для газа, где коэффициент сжатия воздуха составляет 1,3, мы можем вычислить давление выхлопного газа Рх:

Pf(Vf)1,3=Px(Ve)1,3

(113,7)(0,042)1,3х(1)1,3

Рх=1,84 бар

Применяя формулу Комбинированного Закона Газа непосредственно перед процессом выхлопа, мы можем вычислить температуру выхлопного газа Тх:

PfVf/Tf=PxVe/Tx

(113,7)(0,042)/1437=(1,84)(1)/Тх

Тх=554 K

Таким образом, двигатель с предварительной компрессией CWPSC «Версии I» будет иметь давление выхлопного газа Рх=1,84 бар, что ниже, чем у стандартного двигателя (2,5 бар), и температуру выхлопного газа Тх=554 K, что примерно на 200° ниже, чем у стандартного двигателя. Из этого следует, что двигатель с предварительной компрессией обладает большей энергией, преобразуемой в работу, чем его стандартный аналог, и, следовательно, более эффективен с точки зрения превращения теплоты сгорания в механическую энергию.

Обратимся к Фиг. 1, который схематически показывает первую модификацию примерного четырехтактного одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с предварительно охлаждаемой компрессией 20, и назван «Версия I». Блок двигателя 1 включает в себя предварительный компрессор 2, цилиндр сгорания 8 и теплообменник с воздушным охлаждением 4. В этой модификации цилиндр сгорания 8 и компрессор 2 подсоединены к одному коленчатому валу 9 и маховику 17. В результате четырехтактного процесса сгорания 19, компрессор 2 завершит два такта сжатия для каждого полного цикла сгорания. Таким образом, во время каждого цикла сгорания компрессор 2 будет всасывать и сжимать объем воздуха равный двойному объему его цилиндра.

Фиг. 2 - это схема примерного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре 19, включающая короткий процесс впуска 11 (0°-71°), такты расширения холодного воздуха 13 (71°-180°), сжатия 14 (180°-360°), расширения горячего газа 12 (360°-540°) и выхлопа 15 (540°-0°), со степенью сжатия СС 10 при 24:1.

Относительные объемы цилиндра компрессора 2 и цилиндра сгорания 8 выбраны так, чтобы достичь спроектированного давления сжатого воздуха Рс. В примерной конфигурации Фиг. 1 цилиндр сгорания 8=1 литру, а цилиндр компрессора 2=0,5 литра. Таким образом, для каждого цикла сгорания двигателя компрессор 2 будет всасывать и сжимать 1 литр окружающего воздуха. Если окружающий воздух находится под давлением Ра и имеет температуру Та, тогда газовые законы могут быть применены, чтобы рассчитать давление сжатого воздуха Рс в примерно 4,78 бар и температуру Тс в примерно 157°С. За счет увеличения объема цилиндра компрессора 2 относительно цилиндра сгорания 8 значения Рс и Тс могут быть увеличены для достижения более высоких расчетных значений, как это требуется.

Сжатый воздух при давлении Рс и температуре Тс хранится в предварительном воздушном резервуаре 3, который имеет клапан регулирования давления 5 для поддержания заданного давления Рс. Сжатый воздух из резервуара 3 затем выпускается, без увеличения давления, в теплообменник с воздушным охлаждением 4, Скорость теплообмена в теплообменнике 18 контролируется скоростью вращения вентилятора.

Эти средства контроля теплообмена могут регулироваться с помощью центрального процессора (ЦП не показан), основываясь на показаниях датчиков давления 5 или дросселя 21 перед теплообменником, чтобы достичь необходимой впускной температуры в цилиндре сгорания Tt. Необходимая температура всасываемого воздуха Tt выбрана таким образом, чтобы избежать стука в двигателе с заданной степенью сжатия СС, которая основана на температуре самовозгорания топлива. В качестве альтернативы ЦП может быть запрограммирован, чтобы контролировать скорость теплообмена для достижения различных впускных температур цилиндра сгорания Tt таким образом, чтобы избежать стука при различных регулируемых степенях сжатия и/или температурах самовоспламенения топлива.

Фиг. 12 и 12А представляют собой P-V (давление-объем) диаграммы 42 стандартного двигателя в 1 литр со СС=8, где

а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 2,010PV/такт,

b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 5,035PV/такт,

с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 1,880PV/такт,

d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,

е - баланс работы, накопленный двигателем = 3,025PV/такт.

Упрощенный КПД этого двигателя: Е=3,025/4,905=61%.

В то же время Фиг. 13 и 13А представляют собой P-V диаграммы 43 стандартного «Гипотетического» двигателя в 1 литр, в котором предположительно очень высокая степень сжатия СС=24, без учета температуры предварительного зажигания с целью сравнения с двигателем «CWPSC», где

а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 4,33PV/такт,

b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 10,72PV/такт,

с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 2,15PV/такт,

d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,

е - баланс работы, накопленный двигателем = 6,39PV/такт,

Упрощенный КПД этого двигателя: Е=6,39/8,54=75%.

Фиг. 14 и 14А представляют собой P-V диаграмму 44 двигателя CWPSC «Версии I» в 1 литр со степенью сжатия СС=24, с целью сравнения со стандартным двигателем или

стандартным «Гипотетическим» двигателем, где

а - работа, затраченная двигателем на сжатие = 1,99PV/такт,

b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе = 8,18PV/такт,

с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется = 1,075PV/такт,

d - тепло, подающееся к двигателю сгоранием топлива, что увеличивает давление в 2,5 раза,

е - баланс работы, накопленный двигателем = 4,465PV/такт,

f - работа, потраченная на компрессор = 1,09PV/такт,

g - работа, потерянная на охлаждении предварительно всасываемого воздуха = 0,635PV/такт.

Упрощенный КПД этого двигателя: Е=4,465/5,54=81%.

«Версия II» и «Версия II(A)» Конструкции Двигателя с Предварительной Компрессией

В Версии II, показанной на Фиг. 3-5, объем компрессора двигателя будет больше, чем объем цилиндра двигателя: Ve<Va. Объем двигателя будет небольшим по размеру в сравнении с выходной мощностью двигателя. Рассмотрим, к примеру, что объем цилиндра этого двигателя Ve=0,3 лира, а объем цилиндра компрессора Va=1,2 литра. Цилиндр компрессора будет служить двух целям в двигателе. Он будет осуществлять всасывание/сжатие воздуха в одной половине цикла двигателя (коленчатый вал в положении 180°-540°) и служить в качестве увеличенного цилиндра расширения/выхлопа в другой половине цикла двигателя (коленчатый вал в положении 540°-720° или 0° для удлиненного процесса расширения, и в положении 720° или 0°-180° для процесса выхлопа). Чем больше размер этого цилиндра компрессора (если конструкция это позволяет), тем больше эффективность двигателя. Тогда давление сжатого воздуха Рс будет регулироваться путем использования дроссельной заслонки или клапана нагнетания давления. Фактическая степень сжатия СС этих двигателей не является отношением размера цилиндра двигателя к размеру его камеры сгорания, а, скорее, рассчитывается по формуле:

СС=Pt⋅cc,

где Pt - давление всасываемого воздуха в цилиндре двигателя, а сс - номинальная степень сжатия двигателя, которая равна 7,14 (сс=0,3/0,042=7,14) в данном примере. Тогда степень сжатия:

СС=3,53⋅7,14=25,20

Эти двигатели не имеют укороченный процесс всасывания как в «Версии I». Процесс всасывания этих двигателей протекает нормально, как это происходило бы в стандартном двигателе, при переходе коленчатого вала из позиции 0° в 180°, а давление впуска воздушно-топливной смеси так же высоко и равняется Pt. Цикл сжатия протекает в обычном режиме при положении коленчатого вала на 180°-360°, а расширение протекает в обычном режиме при положении коленчатого вала на 360°-540°. Единственная разница заключается в том, что процесс выхода горячего газа из двигателя (процесс выхлопа) должен произойти при положении коленчатого вала на 540°-720° или 0°, в то же самое время цилиндр компрессора будет доступен при открытии запорных клапанов для горячего газа, для того чтобы принять в цилиндр компрессора удлиненный цикл рабочего хода, удлиненное расширение горячих газов двигателя, которые все еще обладают значительной энергией в размере около половины общей мощности двигателя. Часть цилиндра двигателя для выхлопных газов соединена с компрессором/цилиндром расширения коротким теплоизолированным каналом, как представлено на Фиг. 8, что является удлинением процесса расширения в двигателе. Такая компоновка сохранит значительную часть энергии, а размер этого запаса будет зависеть от объема компрессора Va.

Мы будем называть это «двигатель с захватом», так как он запасает неиспользованную энергию в цилиндре компрессора или в мощной турбине. (Во избежание путаницы: это не просто турбо-устройство, которое заталкивает больше воздуха в современные турбодвигатели, а совершенно другое устройство с совершенно другими возможностями. Это гораздо