Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу

(51) 02 3/00 (2010.01) 02 3/02 (2010.01) 01 9/02 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ потенциала 0 равнодействующей силы давленияпроцесса расширения и максимальной длины плечана валу двигателя, к которой приложена . При 0 наблюдают полное согласование работы расширения с механизмом двигателя, то есть 0. Это приводит к росту средней длины плеча на валу двигателя за период расширенияи увеличению механической работы. Сокращение эксцентриситета е обеспечивают включением дополнительных звеньев в кинематическую схему механизма, которые при работе двигателя сокращают угол поворота выходного вала от начала процесса расширения до максимальной суммарной длине плеча на выходном валу при условии, что к началу и окончанию процесса расширения суммарный крутящий момент на валу двигателя равен нулю. Работа двигателя по модифицированному циклу позволит- повысить все эффективные показатели на всех режимах работы двигателя, независимо от места и способа подвода теплоты, снизить количество продуктов сгорания на единицу мощности- расширить применение топлив на основе нефти включая мазут, а также расширить ассортимент альтернативных видов топлива-применить модифицированный цикл для двигателей, работающих на возобновляемых источниках энергии (солнечная, геотермальные источники), а также других видах энергии,подводимых извне (пар, сжатые газы).(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ(57) Модифицированный цикл двигателя относится к циклам двигателей, использующих теплоту,полученную как вне, так и внутри двигателя для перевода в механическую работу. Несогласованность работы процесса расширения с работой на валу двигателя определяется наличием эксцентриситета е между ординатой центра тяжести диаграммы расширения и ординатой максимальной длины плечана валу двигателя. Это сокращает среднюю длину плечана валу двигателя, что приводит к потере теплоты процесса расширения при переводе в механическую работу. Сущность изобретения заключается в сокращении потерь теплоты увеличением средней длины плечана валу двигателя за период расширения. Условием эквивалентного перевода всей теплоты процесса расширения в механическую работу, не зависимо от способа и места его подвода, является равенство 19610 Модифицированный цикл двигателя относится к двигателям цикличного действия, использующих теплоту, получаемую как вне так и внутри двигателя, для перевода в механическую работу и по МКИ входит в рубрику 01. Широко известны термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания, использующих теплоту, полученную внутри двигателя для перевода в механическую работу. По способу подвода теплоты двигатели подразделяются на двигатели,работающие с подводом теплоты при постоянном объеме , с подводом теплоты при постоянном давлении Р и смешанный способ подвода теплоты при постоянном объмеи постоянном давлении Р. (Колчин А. И.,Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. Москва, ВЫСШАЯ ШКОЛА 1980 г. стр. 20-40). Основными недостатками этих двигателей являются низкая экономичность, узкий спектр и жесткие требования к качеству применяемого топлива, высокая токсичность продуктов сгорания. Низкие эффективные показатели вызваны частичной потерей теплоты процесса расширения при переводе в механическую работу. На фиг. 1 рассмотрен переход теплоты процесса расширения в механическую работу на примере двигателя,работающего по замкнутому термодинамическому циклу со смешанным подводом теплоты, являющийся прототипом рабочего цикла наиболее экономичного на сегодня дизельного двигателя. Конструкция двигателя принята с центральным кривошипно-шатунным механизмом с бесконечно длинным шатуном. В Рдиаграмме представлен процесс расширения рабочего тела в цилиндре, имеющего полный объмпри положении поршня в нижней мертвой точке(НМТ). Минимальной объмобразуется при нахождении поршня в верхней мертвой точке(ВМТ). Рабочий объмравен объму,освобождаемому при ходе поршняот ВМТ до НМТ. Изменение давления Р при движении поршня от ВМТ до НМТ происходит по кривой ,площадь под кривой является работой расширения. Отвод неиспользованной в процессе расширения теплоты к холодному источнику осуществляется по линии - при . Механическая работа определяется по крутящему моменту от приложения силы давления на соответствующее плечо на валу двигателя в зависимости от углаповорота кривошипа. Длина плечаприложенной силы давления рабочего тела на валу двигателя в зависимости от углаповорота кривошипа,определяется по кривой крутящего момента Мкр,построенной от действия на поршень отвлеченной силы Р 1 в период перемещения от ВМТ до НМТ. В этих условиях кривая Мкр( ) будет одновременно и кривой изменения длины плеча( ) на валу двигателя. Для принятой конструкции двигателя кривая Мкр. представляет полуокружность с радиусом, равным радиусу кривошипас центром на оси объмов, вписанной 2 между ВМТ и НМТ хода поршня. Сравнение работы расширения с механической работой проводится в том же масштабе и в той же единице измерения ординат, в которой выполнена диаграмма работы расширения в цилиндре. Для этого длина плеча приложенной к ней силы давления Р выражается в долях от максимальной длины плеча. кривой Мкр. Величина относительной длины плеча определяется по шкале коэффициента перехода теплоты в механическую работу , изменяющейся от нуля до единицы и равной по высоте ординате максимальной длины плечана кривой( ) . Тогда произведение силы давления Р,процесса расширения на соответствующую относительную длину плеча дат величину этой силы на диаграмме механической работы на валу двигателя. Коэффициент перехода теплоты в механическую работупоказывает долю работы расширения, перешедшей в механическую работу или долю силы давления Р, участвующей в создании крутящего момента на валу двигателя. Например, из точкина кривой Р процесса расширения поднимается вертикаль до пересечения с кривой Мкр. Из точки пересечения проводится горизонтальная линия до шкалы , которая укажет относительную длину плеча приложения силы давления Р в точке . Произведение найденного коэффициента 0,5 и силы давления Р под искомой точкой дат величину силы, используемой на валу двигателя, составляющей 0.5 Р. Соединяя найденные таким образом ряд точек относительных крутящих моментов, получают кривую сил давления Мр.кр. на валу двигателя, а площадь под ней является механической работой. Сравнение площади теоретической работы процесса расширения под кривой Р, с площадью теоретической механической работой на валу двигателя под кривой Мр.кр. показывает, что в механическую работу перешла только часть располагаемой теплоты работы расширения. Для определения доли теплоты работы расширения,перешедшей в механическую работу, построена вспомогательная кривая работы расширения рабочего телав зависимости от хода поршняи выраженная относительной величиной. Из точки на кривой Мкр,соответствующей ординате максимальной длины плеча на валу, проведена вертикаль до пересечения с кривойи далее по горизонтали до пересечения со шкалой относительной работы . По положению точки пересечения на шкалеопределяется доля работы расширения 1 и 2,приходящаяся соответственно на первый и второй участки. Долю теплоты, перешедшей в механическую работу каждого участка, находят из условия, что работа сосредоточена в центре тяжести площади работы расширения рассматриваемого участка. Из точек на шкале , соответствующих половине работы расширения каждого участка, проводят горизонтали до пересечения с кривой , откуда опускают вертикали до пересечения с кривой Мкр. Под точками пересечения находятся средние длины плеч за период работы расширения соответствующих участков. Далее проводятся горизонтали до шкалы , по которой находят коэффициенты 1 и 2 определяющих долю перехода работы расширения каждого участка в механическую работу. Наиболее низкий коэффициент перехода теплоты в механическую работу наблюдается на участке расширения от ВМТ до., где 10,61. Более эффективно переходит теплота в механическую работу на втором участке расширения от. до НМТ, где 20,92. Средний коэффициент перехода теплоты за весь период расширения в механическую работу 0,66 определяется как отношение суммы произведений работы расширенияи 2 каждого участка на соответствующие коэффициенты перехода теплоты в работу 1 и 2 к полной работе расширения . Поскольку коэффициентпредставляет относительную длину плеча на валу двигателя, то можно утверждать, что огромные потери теплоты при переходе в механическую работу связаны с низкой эффективной величиной средней длины плеча за весь период расширения,составляющей всего 0,66 часть от. на валу двигателя. Эксцентриситет е между ординатой центра тяжести площади диаграммы расширения и ординатой. на кривой Мкр указывает на несогласованность работы расширения с механизмом двигателя для получения максимальной механической работы. В этих условиях важнейшую роль играет объм рабочего тела и количество теплоты, подведенное к нему в процессе сжатия,которая зависит от степени сжатия. Эта теплота принимает долевое участие в процессе расширения увеличением е площади, хотя и не создат положительной работы,но способствует сокращению эксцентриситета е. Тогда, при равном количестве подведенной теплоты к рабочему телу от горячего источника, эффективность перевода работы процесса расширения в механическую работу выше у цикла, получившего большее количество теплоты при сжатии. Этим условиям наиболее полно отвечает способ подвода теплоты при постоянном давлении, имеющий наиболее высокую степень сжатия, а геометрия площади процесса расширения способствует сокращению эксцентриситета е и снижению потерь подведенной теплоты в начале расширения. В этом заключается одна из причин экономичности современного дизельного двигателя, работающего по циклу со смешанным подводом теплоты,относительно двигателя с подводом теплоты при постоянном объме, который имеет более низкую степень сжатия. Коэффициент , в сущности, является механическим коэффициентом полезного действия м двигателя,работающего в замкнутом термодинамическом цикле, где исключаются любые виды потерь, кроме отвода теплоты к холодному источнику, и принимают м 1. На основе рассмотренного примера доказано,что в действительности перевод работы расширения рабочего тела замкнутого термодинамического цикла в механическую работу сопровождается потерей теплоты в виде частичной деградации, то есть м 1. В тепловом расчете двигателя эти потери относят к механическим потерям, но природу потерь объясняют большими внутренними механическими потерями, в частности на трение поршня в цилиндре. Сущность изобретения заключается в повышении эффективности двигателя сокращением потерь теплоты процесса расширения при переводе в механическую работу. Эта задача решается увеличением средней длины плеча на валу двигателя путем рационального размещения диаграммы расширения относительно ординаты максимальной длины плеча на валу двигателя. Теоретическое обоснование данному утверждению дадим, используя первый закон термодинамики. На основе этого закона принимается, что теплота процесса расширения рабочего телав эквивалентных количествах полностью переходит в механическую работу м на валу двигателя, то есть где- работа процесса расширения рабочего тела м - механическая работа на валу двигателя. Работа расширенияизвестна и определяется в зависимости от способа подвода теплоты по параметрам рабочего тела в характерных точках процесса расширения. Силу давления Р в цилиндре можно представить как потенциальную силу переменной величины с начальной точкой приложения в ВМТ, а конечной в НМТ. Заменим переменную силу давления Р равнодействующей силой , потенциальная работа которой равна работе расширения и найдем положение равнодействующей силына диаграмме процесса расширения. Очевидно, что равнодействующая силанаходится на ординате центра тяжести площади диаграммы расширения, а расстояние от этой ординаты до НМТ является е потенциалом. Так как потенциальная работа равнодействующей силы равна работе расширения, то на этом основании можно записать где э потенциальная работа равнодействующей силы- равнодействующая сила давления Н-потенциал равнодействующей силы. Из выражения (2) определится величина равнодействующей силы давления Эквивалентность работы расширения и механической работы возможна только в том случае, если величина равнодействующей силы при совершении механической работы на валу двигателя останется неизменной, то есть при относительной длине плеча 1. Поскольку 1 при максимальной длине плечана валу 3 19610 двигателя, то механическая работа от приложенной к ней равнодействующей силысоставит м,4 где- максимальная длина плеча на кривой Мкр. На основании уравнений (1) и (2) имеем Из анализа уравнения (6) следует, что максимальную длину плеча на валу двигателя можно рассматривать как потенциал приложенной к ней равнодействующей силы. Единственным условней эквивалентного перехода теплоты процесса расширения в механическую работу является равенство потенциала равнодействующей силы давления процесса расширения и максимальной длины плеча на валу двигателя, к которой она приложена. Тогда отношение максимальной длины плечана валу двигателя, к потенциалу Н равнодействующей силы давленияпроцесса расширения следует рассматривать как степень согласования механизма двигателя с работой расширения в цилиндре для преобразования теплоты в механическую работу, то есть Это утверждение справедливо для любого двигателя, использующего процесс расширения для перевода теплоты в механическую работу, вне зависимости от места и способа подвода теплоты к рабочему телу. На фиг. 2 приведено графическое определение перехода работы расширения в механическую работу на основе их эквивалентности. Параметры,связанные с работой расширения рабочего тела в цилиндре, равны параметрам, приведенным на фиг. 1. Кривая Мкр. при действия на поршень отвлеченной силы Р 1 построена на основе требования уравнения (6) с высотой максимальной ординаты, равной потенциалу Н равнодействующей силы . Равнодействующая силаприложена к максимальной длине плеча на валу, равной потенциалу этой силы, при этом начало процесса расширения сместилось по углу поворота кривошипа на 80, а эксцентриситет е 0. Кривая относительного крутящего момента на валу двигателя Мр.кр. в первой трети хода поршня от ВМТ практически сливается с кривой Р процесса расширения. Отмечается высокая эффективность перехода теплоты в механическую работу, как первого с 1 0,99, так и второго участка с 20,97, при среднем коэффициенте перехода всей теплоты процесса расширения в механическую работу 0,98. Потери теплоты составили 2 и связаны с преобразованием возвратнопоступательного движения поршня в одностороннее вращение коленвала. Площадь механической работы на валу увеличилась примерно в 1,5 раза при 4 неизменном количестве всей подведенной теплоты к рабочему телу. Наблюдается сокращение периода процесса расширения до 100 и увеличение периода процесса сжатия до 260 по углу поворота кривошипа, что должно способствовать в действительном цикле сокращению теплоотдачи в систему охлаждения. Полное согласование по времени и месту приложения равнодействующей силы давления к максимальной длине плеча на валу двигателя, равного потенциалу этой силы, приводит к повышению всех эффективных показателей двигателя, при тех же параметрах процесса расширения, приведенного на фиг.1. Повышение коэффициентадвигателя начинает проявляться с началом сокращения эксцентриситета е, что приводит к сокращению на ту же величину расстояния между ординатой начала процесса расширения н и. на кривой Мкр. На фиг. 2 приведен график изменения коэффициентови н рассмотренного процесса расширения, в зависимости от расположения его начала по углуповорота кривошипа. Коэффициент н представляет относительную величину длины плеча н начала процесса расширения на кривой Мкр. и является базовым или начальным механическим к.п.д. н двигателя. Величиназависит как от количества всей подведенной теплоты,определяющей положение центра тяжести работы расширения относительно начала процесса расширения, так и от положения самого начала процесса расширения на кривой Мкр. по углуповорота кривошипа. На графике видно, что когда начало процесса расширения соответствует положению кривошипа равному 0, величина коэффициента 0.66 минимальна и полностью зависит от количества всей подведенной с максимальными потерями теплоты, так как н 0,а е. При е 0 подведенная теплота с минимальными потерями влияет только на определение угла 80 поворота кривошипа, по положению н на кривой Мкр,н 0,98. Наиболее интенсивный рост н от 0 до 0,86,от 0,66 до 0,92 наблюдается при смещении начала процесса расширения по углу поворота кривошипа от 0 до 60. Теоретически возможно,при е 0, в замкнутом термодинамическом цикле, перевод в механическую работу всей подведенной к рабочему телу теплоты, вне зависимости от способа его подвода, если исключить отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику по линии- а при. Для этого увеличивают работу процесса расширения по адиабате до давления в точке , равного давлению начала сжатия в точке а, при этом,степень сжатия сж меньше степени расширения р. Перемещение поршня от точки ,находящейся у НМТ, до точки а по изобарному процессу сжатия сопровождается отводом теплоты к холодному источнику. Сокращение количества теплоты, отводимой к холодному источнику, в действительном цикле зависит как от начального к.п.д. н, так и от выбора эффективного показателя, 19610 по которому требуется получить максимальный результат при заданных исходных данных. Например, наибольший термический к.п.д. н можно получить при е 0, используя свойства продукта сгорания водорода в кислороде. Сжатые вне двигателя кислород и водород подводятся раздельно в камеру сгорания при положении поршня у ВМТ. Продукт сгорания, представляющий перегретый водяной пар, расширяется по политропе до состояния насыщенного водяного пара при положении поршня в НМТ, где отработанный пар направляется в конденсатор и при перемещении поршня от НМТ до ВМТ происходит изобарный процесс с полной конденсацией пара. С ростом величины коэффициента н, влияние количества всей подводимой теплоты и объема рабочего тела на повышение коэффициентаснижается. Это позволяет, не снижая механическую работу двигателя, полученную при н 0,повысить, не зависимо от способа подвода теплоты,индикаторный к.п.д.,характеризующий экономичность действительного цикла. Появляется возможность у дизельных двигателей выполнить элементы камеры сгорания, не подверженные трению из термостойкого материала, например,керамики. Высокая температура этих поверхностей в сочетании с более высоким коэффициентом избытка воздуха способствуют улучшению процесса сгорания топлива, снижению жесткости работы двигателя и теплоотдачи в систему охлаждения, что ведет к росту индикаторного к.п.д. . Это способствует применению не только традиционных моторных топлив, но и более тяжелого топлива мазута, а также расширяет использование альтернативных видов топлива. Осуществить работу двигателя по модифицированному циклу можно как с одним поршнем в цилиндре, так и с двумя встречно расположенными поршнями. В качестве примера рассмотрена работа двигателя с двумя встречными поршнями, один из которых основной, а второй обеспечивает смещение начала процесса расширения относительно основного. Для этого двигатель снабжается дополнительным механизмом,обеспечивающим второму поршню более высокую среднюю скорость при работе сжатия, чем при расширении. При минимальном и максимальном расстоянии между поршнями суммарный крутящий момент на валу должен быть равен нулю. На фиг. 3 представлена принципиальная схема двигателя, с началом процесса расширения по углу поворота кривошипа основного механизма на 30. В цилиндре 1 поршень 2 основного кривошипношатунного механизма через шатун 3 соединен с кривошипом радиусаколенвала 4. Поршень 5 механизма смещения через шатуны 6 прицеплен к сочлененным шарнирами шатунам 7 одинаковой длины. Одна пара шатунов 7 соединена с кривошипами радиусаколенвала 4, а другая пара шатунов 7 соединена с кривошипами радиусаколенвала 8, который в свою очередь соединен с коленвалом 4 зубчатыми колесами 9. Газообмен осуществляется впускным клапаном 10 и выпускным 11,а впрыскивание топлива производится форсункой 12. В поршнях 2 и 5 имеются каналы сообщения 13 камеры сгорания с полостью цилиндра при его перекрытии поршнями. Кривошипы одинакового радиусамеханизма смещения на коленвалах 4 и 8 расположены между собой асимметрично из условия сообщения поршню 5 различных средних скоростей при перемещениях вперед и назад для проведения модифицированного цикла. Это вызвано необходимостью получить минимальный объммежду поршнями 2 и 5 при начале процесса расширения по углу поворота коленвала в 30, при котором поршень 2 основного механизма уже имеет определенную скорость, а направление движения поршней совпадают.(Кожевников С. Н., Есипенко Я. И., Раскин Я. М. Механизмы. Справочник. Изд. 4-е. Под ред. С. Н. Кожевникова, М, Машиностроение, 1976 стр. 74). Траектория перемещения сочленения шатунов 7 представлена замкнутой кривой 14. С целью упрощения расчетов шатуны 3 и 6 основного и смещающего механизмов приняты бесконечной длины. Исходя из того, что на поршни 2 и 5 в любой момент времени действуют удельные силы давления газов равной величины, то предварительно строят развернутые кривые крутящих моментов от действия единичной силы для основного механизма Мкр и механизма смещения М 1 кр. На фиг. 4 в представлены развернутые кривые крутящих моментов единичных сил механизма смещения М 1 кр и Мкр. основного механизма,совмещенные так, чтобы отрицательная ордината на кривой 1 к была равна по абсолютной величине положительной ординате на кривой Мкр при 30 поворота кривошипа радиусаколенвала 4, а суммарный крутящий момент равен нулю. Суммарная кривая крутящих моментов единичных Мкр сил получена путем сложения соответствующих ординат на кривых Мкр и Мкр. и служит основанием для определения угла разворота между кривошипами основного и смещающего механизмов на коленвале 4. На фиг. 4 а представлены кривые перемещенийпоршня 2 основного механизма и поршня 5 механизма смещения 1. Минимальное расстояние между кривыми перемещений поршней соответствует объему сжатияпри угле поворота коленвала 4 в 30, а максимальное расстояние полному объему цилиндра . По приведенным объемам между кривыми перемещенийи 1 вычисляется и строится развернутая индикаторная диаграмма удельных сил давлений газов Р, представленная на фиг. 4 б. Произведение силы давления газов Р на фиг. 4 б Мкр на соответствующую длину плеча кривойна фиг 4 в дат крутящий момент М на валу двигателя. Кривая крутящего моментана валу двигателя приведена на фиг 4 г. На фиг. 5 приведены развернутые кривые крутящих моментов для модифицированного цикла со смещенным на 30 началом процесса расширения по углу поворота коленвала М и цикла без 5 19610 смещения М, совмещенные по началу процесса расширения. Все параметры работы процесса расширения в цилиндре приняты равными. Ниже нулевой линии представлена угловая развертка для цикла без смещения, а выше нулевой - для модифицированного цикла. У цикла без смещения период процесса сжатия сж равен периоду процесса расширения р по углу поворота коленвала и составляет 180. Период процесса сжатия модифицированного цикла сж примерно равен 190, а период процесса расширения р составляет около 170 по углу поворота коленвала. У модифицированного цикла со смещением отмечается рост механической работы и максимальных ординат крутящих моментов в период расширения, что связано с увеличением перехода теплоты в механическую работу в процессе расширения. Сущность изобретения подтверждается чертежами 1) Фиг. 1 - Определение потерь теплоты в процессе расширения двигателя, работающего по циклу со сметанным подводом теплоты. 2) Фиг. 2 - Определение потерь теплоты в процессе расширения двигателя, работающего по модифицированному циклу со смешанным подводом теплоты при е 0. 3) Фиг. 3 - Принципиальная кинематическая схема двигателя,работающего по модифицированному циклу с началом процесса расширения при угле поворота кривошипа 30. 4) Фиг. 4 - Определение механической работы двигателя работающего по модифицированному циклу а)развернутые совмещенные кривые перемещений поршней основного и смещающего механизмов двигателя б) развернутая диаграмма процесса расширения по углу поворота коленвала в координатах р в) - развернутые кривые крутящих моментов единичных сил основного и смещающего механизмов двигателя г)- развернутая кривая крутящего момента двигателя. 5) Фиг. 5 - сравнение развернутых кривых крутящих моментов двигателя, работающего по модифицированному циклу со смещением начала процесса расширения в 30 с двигателем,работающим без смещения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в поршневом двигателе работающего в замкнутом термодинамическом цикле включающий процесс сжатия, подвод теплоты к рабочему телу, процесс расширения с потерей теплоты и отвод теплоты, отличающийся тем, что сокращают потери теплоты процесса расширения увеличением на валу двигателя средней длины плеча приложения силы давления рабочего тела за период расширения, для этого уменьшают угол поворота выходного вала от начала процесса расширения до положения соответствующего максимальной длине плеча на выходном валу двигателя включением дополнительных звеньев в кинематическую схему механизма, которыми преобразуют е в такую, например, как соединенный зубчатыми колесами одного диаметра двухкривошипный механизм с шатунами сочлененными общим шарниром с шатуном поршня,где у кривошипа большего радиуса шатун короче шатуна кривошипа с меньшим радиусом, при этом выполняют условия суммарный крутящий момент на выходном валу двигателя к началу и окончанию процесса расширения равен нулю, а период процесса расширения меньше или равен ста восьмидесяти градусам поворота выходного вала.