Повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания

Министерство образования и науки Республики Северная Осетия-Алания

Государственное бюджетное учреждение дополнительного образования

«Республиканский центр дополнительного образования»

Творческое объединение «Картинг»

Методическая разработка

«Повышение эффективности

двигателя внутреннего сгорания»

Автор:

Цуциев Владимир Тотразович,

педагог дополнительного образования Республиканского центра дополнительного образования

г. Владикавказ

2021г.

Повышение эффективности

двигателя внутреннего сгорания

Возможные пути повышения КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и снижения загрязнения окружающей среды

Коэффициент полезного действия (КПД) двигателя внутреннего сгорания зависит от целого ряда факторов, вызывающих потери энергии, главным образом, с охлаждающей водой, отработанными газами, тепловым излучением металлических конструкций двигателя и др. Только с выхлопными газами теряется около 25% энергии [3]. Выхлопные газы двигателей являются одним из главных загрязнителей атмосферы, имеют температуру 600 - 700°С и включают энергетический ресурс, сопоставимый с энергией, затрачиваемой на полезную работу [3]. Естественно, возникает идея использования тепла выхлопных газов в паровой машине (ПМ), параллельно работающей с ДВС, для образования пара. Такая установка известна [4]. Она включает ДВС, утилизационную ПМ, теплообменник, генератор, насос и систему термостатирования двигателя.

Эта установка имеет следующие недостатки: неполно используется тепло выхлопных газов ДВС из-за того, что в атмосферу выбрасываются газы с еще сравнительно высокой температурой. Заметные потери тепла выхлопных газов происходят в довольно протяженных коммуникациях от ДВС до ПМ и в теплообменнике, в котором тепло передается низкокипящей рабочей жидкости, а наличие в составе установки двух самостоятельных двигателей неизбежно приводит к дублированию ряда узлов и механизмов, что увеличивает массу и габариты установки.

После рассмотрения различных вариантов мы пришли к заключению, что наилучшим путем устранения отмеченных недостатков являются следующие изменения в установке, включающей двигатель внутреннего сгорания и паровую машину.

ДВС и ПМ объединены в одну силовую установку с общими коленчатым и распределительным валами и другими вспомогательными механизмами. Установка состоит из нескольких пар цилиндров, конденсатора, фильтра и системы питания водой паровых цилиндров.

Предлагаемая силовая установка [5].

Рассмотрим устройство силовой установки на примере четырехцилиндрового варианта, состоящего из двух цилиндров ДВС и цилиндров ПМ. Цилиндры сгорания 1 и 2 и цилиндры паровые 3 и 4 соединены через шатуны с коленчатым валом 5. На цилиндрах имеются клапаны: а - ввод бензиновой смеси, б - выход выхлопных газов ДВС, в ввод выхлопных газов ДВС в паровой цилиндр, г - ввод (форсунка) воды, д - выход отработанного пара.

Установка включает также систему питания ДВС 6, конденсатор 7, фильтр очистки воды 8, водяной насос 9. Элементы установки соединены линиями: 10 - от системы питания ДВС к цилиндрам 1 и 2.; 11 - от водяного насоса 9 к цилиндрам 3 и 4; 12 - от цилиндра 3 и 4 к конденсатору 7; 13 - от цилиндра 1 к цилиндру 3 и от цилиндра 2 к цилиндру 4; 14 - от конденсатора 7 к фильтру 8; 15- от фильтра 8 к водяному насосу 9; 16 - выброс газов в атмосферу.

Установка работает по схеме, представленной в таблице.

Рассмотрим работу пары цилиндров 1 и 3. Рабочий ход в цилиндре 1 проворачивает коленчатый вал на полоборота. После его завершения открывается клапан б, а на цилиндре 3 - клапан в. Выхлопные газы из цилиндра 1 передаются в цилиндр 3. Затем при открытии клапана а всасывается бензино-воздушная смесь. Одновременно с этим в цилиндре 3 происходит сжатие выхлопных газов и повышение их температуры. В следующем такте в цилиндре 1 происходит сжатие бензино-воздушной смеси. В цилиндр 3 при закрытых клапанах в и д через клапан г впрыскивается вода, и клапан г закрывается. Капельки воды испаряются, образовавшийся водяной пар толкает поршень в цилиндре 3, то есть в нем происходит рабочий ход. Цилиндры 2 и 4 работают аналогично. В конденсаторе 7 отработанная парогазовая смесь охлаждается. Пары воды конденсируются. Большая часть примесей выхлопных газов переходит в конденсат. Конденсат по линии 14 подается на фильтр 8, откуда после очистки - на водяной насос 9, питающий цилиндры 3 и 4 водой. Воздух и газы из конденсатора 7 по линии 16 выбрасываются в атмосферу.

В установке коленчатый и распределительный валы, а также ряд вспомогательных систем являются общими для ДВС и ПМ, что позволяет заметно снизить массу и габариты установки.

Растворение и осаждение в конденсаторе примесей выхлопных газов и очистка конденсата на фильтре снижают выбросы примесей в атмосферу. Без проведения детальных расчетов трудно говорить о величине КПД установки. Но очевидно то, что одна порция бензина обеспечивает в ней два рабочих хода и, естественно, повышает КПД.

Выводы:

Среди проблем, стоящих перед разработчиками ДВС, важное место занимают две: как существенно повысить КПД двигателя и как снизить загрязнение окружающей среды работающим ДВС.

Показано, что одним из путей решения названных проблем является использование тепла выхлопных газов ДВС для образования пара в ПМ.

Предложена конструкция силовой установки, представляющей собой агрегат, в котором объединены ДВС и ПМ. Это позволяет повысить КПД ДВС и снизить загрязнение атмосферы.

Литература

Политехнический словарь / Под ред. И.И. Артоболевского. М., 1976, с. 237.

Шкроб Ю. Наш ДВС может покорить мир. «Изобретатель и рационализатор», 2001, №3, с. 15.

Энциклопедический словарь юного техника / Под ред. Т.С. Хачатурова. М., Педагогика, 1980, с.113.

А. с. СССР №1112137 мки F 02 G 5/001984.

Решение экспертизы о выдаче патента от 29. 08. 2001.

Тетера В.А. Силовая установка.

Заявка на изобретение №2000 -109609/06, 2000г. мки F 02 J 5/04.