СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B29/06 F02B33/22 F02B3/10 

Изобретение относится к производству двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано как дизельный двигатель нового поколения.

Известен способ работы ДВС, в котором чистый воздух в цилиндре двигателя нагревают до высокой температуры сжатием и постепенно подают в цилиндр тонко распыленное топливо, сжигают его в перегретом сжатом воздухе и одновременно получают механическую работу при изотермическом расширении сгорающей смеси. Этот способ является попыткой получить в реальном двигателе идеальную кривую Карно. Теплота, выделяемая при сгорании топлива, расходуется не на нагревание рабочего тела, а только на его расширение, т.е. на перемещение поршня, следовательно, на совершение механической работы. Все другие способы, осуществленные каким угодно образом, дадут значительно меньший экономический эффект.

Недостатком этого способа является то, что подача топлива на такте расширения имеет следствием неполное его выгорание и дымность.

Более совершенное сгорание топлива достигается в способе работы ДВС, в котором сжатый в двух цилиндрах воздух размещают в одном из них для совершения в последнем рабочего хода с соответствующим увеличением цикловой подачи топлива, причем заряд воздуха из компрессорного цилиндра поступает сначала в промежуточную камеру, а уже оттуда в рабочий цилиндр для разбавления горящей смеси свежим зарядом [1].

Такая же эффективность сгорания топлива достигается в многоцилиндровом дизельном двигателе с низкой степенью сжатия, в котором для запуска и при работе на неполной нагрузке, один из двух смежных цилиндров используют как компрессорный, воздух из которого подается через обратный клапан непосредственно в рабочий цилиндр [2]. Этот двигатель принят за прототип.

Прототип имеет два основных недостатка: после выгорания первичной порции топлива скорость сгорания резко замедляется; максимальное давление развивается вблизи ВМТ при температуре рабочего тела близкой к максимальной. Поэтому смещение точки максимального давления от ВМТ, следовательно, увеличение крутящего момента невозможно, т.к. для поддержания максимального давления на ходе расширения требуется (кроме высокой скорости сгорания) дальнейшее значительное нагревание рабочего тела, т.е. в этом случае температура рабочего тела должна превысить максимальную температуру, что невозможно.

Цель изобретения - повышение экономичности путем увеличения скорости сгорания топлива.

Достижение поставленной цели основывается на еще не известном термодинамическом принципе сгорания. Этот принцип заключается в разности температур между температурой развиваемой при сгорании топлива в очаге горения и средней температурой окружающей его среды. Это означает, что горение в цилиндре дизеля может протекать только при наличии разности температур между температурой в очагах горения и средней температурой рабочего тела, т.к. тепломассообмен между ними (условием которого является разность температур), а следовательно, приток реагирующих веществ в очаги горения будет происходить только при наличии разности температур между ними. Скорость поступления вещества в очаги горения зависит от величины этой разности температур. При нагревании рабочего тела до температуры, близкой к температуре, развиваемой в очагах горения, разность температур между ними приближается к нулю, поэтому скорость тепломассообмена между ними чрезвычайно замедляется, в результате скорость сгорания топлива резко уменьшается. Из этого вытекает, что сгорание топлива с высокой скоростью может происходить только в интервале повышения температуры рабочего тела от максимальной температуры сжатия до температуры рабочего тела, близкой к максимальной. Это подтверждает и эксперимент. Смещение указанного температурного интервала высокой скорости сгорания от ВМТ на такт расширения достигают путем одновременного впуска воздуха в рабочий и компрессорный цилиндры, сжатия воздуха в рабочем и компрессорном цилиндрах с последующим перепуском через обратный клапан сжатого в компрессорном цилиндре воздуха в рабочий цилиндр и дополнительного сжатия воздуха в рабочем цилиндре. Впрыск топлива в рабочий цилиндр производят двумя частями. Каждая часть подаваемого топлива рассчитана для выгорания в одном заряде воздуха при нагревании его до максимальной температуры. После выгорания первой части топлива повышение температуры рабочего тела составит половину указанного температурного интервала высокой скорости сгорания топлива, т.к. для нагревания до максимальной температуры рабочего тела, состоящего из двух зарядов воздуха, требуется в два раза большее количество теплоты. Таким образом, первая часть поданного топлива выгорает с максимальной скоростью. Уменьшение давления сгорания пропорционально уменьшению температуры рабочего тела компенсируется увеличением давления сжатия. В результате при вдвое меньшем повышении температуры рабочего тела достигают максимальное давление цикла. Это обеспечивает выгорание второй части топлива с высокой скоростью сгорания на такте расширения при дальнейшем значительном нагревании рабочего тела до температуры близкой к максимальной, что позволяет сместить точку максимального давления от ВМТ. Впрыскивать вторую часть топлива начинают после достижения максимальной подачи первой части до окончания ее впрыска. Дальнейшее расширение в рабочем цилиндре нагретого до максимальной температуры рабочего тела, происходит с замедлением падения температуры и давления вследствие увеличения в два раза массы рабочего тела в объеме одного цилиндра, чем максимально увеличивают крутящий момент.

Во время расширения в рабочем цилиндре продуктов сгорания осуществляют в компрессорный цилиндр, повторный впуск воздуха, который подают в рабочий цилиндр во время выпуска отработавших газов. Этим достигаются продувка и внутреннее охлаждение рабочего цилиндра.

На фиг.1-6 дана схема работы двигателя и схема кривошипного механизма, а также индикаторные диаграммы дизеля и предлагаемого способа, приведены характеристики подачи топлива.

Двигатель по способу содержит в каждой паре цилиндров, расположенных рядом и параллельно, компрессорный цилиндр 1, не имеющий камеры сжатия, соединенный с источником воздуха через впускные клапаны и рабочий цилиндр 2, имеющий камеру сгорания, впускной и выпускной клапаны. Кривошипный механизм выполнен таким образом, что он обеспечивает определенное опережение движения поршня в компрессорном цилиндре 1 относительно поршня рабочего цилиндра 2. Надпоршневое пространство компрессорного цилиндра и камера сгорания рабочего цилиндра в плоскости головки сообщаются обратным клапаном, установленном для пропуска воздуха из компрессорного цилиндра в рабочий и отключения его от компрессорного цилиндра в конце такта сжатия и во время рабочего хода. Обратный клапан состоит из корпуса, снабженного перепускным каналом, который перекрыт самопружинящим замыкающим элементом 3, консольно закрепленном на корпусе, и способным под действием некоторой положительной разности давлений воздуха до и после клапана отгибаться назащемленным концом до поверхности ограничителя подъема, а при равенстве давлений пружинящим усилием перекрывать воздушный канал.

Подача топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра производится топливным насосом высокого давления, устанавливаемым на четырехтактных дизелях. При этом две секции топливного насоса подают топливо к форсункам установленным в одном рабочем цилиндре 2. Кулачок второй секции топливного насоса располагают на кулачковом валике так, чтобы с началом подачи обеспечивалось опережение окончания подачи топлива первой секцией топливного насоса.

Двигатель работает следующим образом. Рабочий процесс в рабочем цилиндре осуществляется по четырехтактному циклу, а в компрессорном цилиндре за это время совершается два компрессорных хода (фиг.1-4).

Впуск. Рабочий и компрессорный цилиндры при движении поршней от ВМТ заполняются через впускные клапаны чистым воздухом.

Сжатие. В рабочий цилиндр 2 при сжатии в нем основного заряда воздуха из компрессорного цилиндра 1 через обратный клапан вытесняют дополнительный заряд воздуха, равный основному заряду. Окончание полного вытеснения дополнительного заряда воздуха из компрессорного в рабочий цилиндр происходит при приближении поршня в рабочем цилиндре к ВМТ. В этот момент давления до и после клапана выравниваются и замыкающий элемент 3, пружинящим усилием перекрывает воздушный канал. После отключения рабочего цилиндра от компрессорного в последнем происходит впуск чистого воздуха, а в рабочем цилиндре суммарный заряд дополнительно сжимают.

Изменение процессов в предлагаемом цикле целесообразно рассматривать относительно процессов в реальном дизеле по индикаторным диаграммам (фиг. 5). До закрытия обратного клапана параллельное сжатие в сообщающихся цилиндрах можно рассматривать как сжатие в одном цилиндре со средней степенью сжатия. Поэтому кривая сжатия в рабочем цилиндре до закрытия клапана (точка m) будет близкой до кривой сжатия в реальных дизелях. Объем камеры сгорания рассчитывают так, чтобы максимальное давление сжатия суммарного заряда увеличилось относительно максимального давления сжатия в цилиндре реального дизеля Р_с на половину участка повышения давления сгорания в нем Р_с - Р_z, и достигло величины Р_е1.

Затраты механической энергии на сжатие в двух цилиндрах полностью компенсируются при расширении в рабочем цилиндре.

Рабочий ход происходит при движении поршня в рабочем цилиндре от ВМТ. Во время рабочего хода в компрессорный цилиндр осуществляют повторный впуск чистого воздуха.

Согласно предложенному термодинамическому принципу сгорания горение в цилиндре дизеля может протекать только при наличии разности температур между температурой развиваемой при сгорании топлива в очагах горения и средней температурой рабочего тела, т.е. При обеспечении своевременного отвода выделяемой теплоты от очагов горения к рабочему телу и притока реагирующих веществ в очаги горения путем тепломассообмена, условием которого является разность температур. При достижении рабочим телом максимальной температуры, равной температуре развиваемой в очагах горения, термодинамическая система очаги горения - рабочее тело переходит в равновесное состояние. В этом состоянии теплообмен между ними прекращается, т.к. при контакте двух тел с одинаковой температурой теплота не будет переходить от одного тела к другому. Прекращение теплообмена между очагами горения и рабочим телом неразрывно связано с прекращением массообмена между ними, за счет которого практически происходит теплообмен в камере сгорания. С прекращением массообмена прекращается приток как паров топлива так и окислителя в очаги горения. Турбулентность за счет увеличения скорости движения газов способствует увеличению скорости тепломассообмена при заданном перепаде температур. Если же разность температур между температурами в очагах горения и рабочим телом равна нулю, то увеличение скорости тепломассообмена между ними от турбулентности также равно нулю. Поэтому, несмотря на значительную турбулентность, горение в этот момент резко замедляется, в несгоревшие пары топлива под воздействием высокой температуры подвергаются крекингу (разложению на токсичные вещества и сажу). Это подтверждает и эксперимент. Поэтому сгорание топлива с высокой скоростью можно осуществить только в интервале повышения температуры рабочего тела от максимальной температуры сжатия Т_с (фиг.6) до температуры рабочего тела близкой к максимальной Т_z.

Для того, чтобы в течение цикла подвести к рабочему телу вдвое большее количество теплоты в этом температурном интервале, сместив его на такт расширения, подачу топлива осуществляют двумя секциями топливного насоса. Каждая секция топливного насоса подает количество топлива, рассчитанное для выгорания в одном заряде воздуха, следовательно, и его нагревании до максимальной температуры.

Поскольку максимальное давление сжатия увеличивают на половину интервала повышения давления в реальных дизелях (точка Р_с1), то максимальное давление цикла z₁ достигают при вдвое меньшем повышении температуры рабочего тела в интервале высокой скорости сгорания T_c - T_z (точка T_z1). Однако необходимо учитывать, что после выгорания первой части топлива температура рабочего тела составит половину температурного интервала T_c - T_max, т.е. будет несколько больше Т_z1, а также такие факторы как увеличение температуры рабочего тела от увеличения давления сжатия, уменьшение потерь теплоты в стенки цилиндра при вдвое меньшем повышении температуры рабочего тела, и полное выгорание первой части топлива при достижении в конце выгорания максимальной скорости его сгорания. Эти обстоятельства способствуют (после выгорания первой части топлива) приобретению рабочим телом большего количества теплоты чем в цилиндре реального дизеля при одинаковом количестве поданного в цилиндр топлива. Поэтому подачу топлива первой секцией топливного насоса σ₁ производят позже начала подачи в реальных дизелях σ. Угол запаздывания подачи топлива определяют экспериментально по показаниям индикаторной диаграммы. В результате точку максимального давления z₁, смещают от ВМТ дальше, чем в реальных дизелях z.

При дальнейшем возрастании нагрузки, после достижения максимальной подачи топлива первой секцией топливного насоса, начинают подачу топлива второй секцией топливного насоса σ₂. Но подачу топлива производят с опережением окончания подачи первой секцией на угол, обеспечивающий смесеобразование. Угол опережения подачи топлива выбирают экспериментально и контролируют по показаниям индикаторной диаграммы, добиваясь максимально возможного смещения точки высокого давления z₂ от ВМТ.

Выгорание топлива поданного второй секцией топливного насоса начинается с максимально возможной в цилиндре дизеля скоростью сгорания, от температуры рабочего тела в точке Т_z1. Теплота, выделяемая при сгорании этой части топлива, расходуется на дальнейшее нагревание рабочего тела, а также на совершение работы. Возможность дальнейшего нагревания рабочего тела при высокой скорости сгорания от Т_z1 до Т_z2 позволяет осуществить расширение линейно с увеличением температуры тела т.е. по изобаре z₁ - z₂. Осуществлению изобарного процесса способствует (кроме высокой скорости сгорания) замедление падения давления и температуры рабочего тела при одинаковом с реальным дизелем увеличении объема. Замедление падения давления происходит по мере возрастания температуры от Т_z1 до T_z2 и при температуре рабочего тела T_z2 дальнейшее падение давления замедляется в два раза. Происходит это потому, что при одинаковом с реальным дизелем давлении и температуре рабочего тела и одинаковом увеличении объема, для расширения вдвое большей массы рабочего тела, до давления в реальном дизеле, требуется вдвое больший объем. То же касается и температуры. В результате выгорания топлива, поданного второй секцией топливного насоса, удается максимально сместить точку высокого давления z₂ от ВМТ и в два раза замедлить дальнейшее падение давления, т.е. максимально увеличить крутящий момент.

Выпуск. Выпуск отработавших газов из цилиндра 2 начинается с началом открывания выпускного клапана, который открывается при приближении поршня к НМТ. Основная часть отработавших газов суммарного заряда истекает из рабочего цилиндра во время свободного выпуска, с начала открывания выпускного клапана и до прихода поршня в НМТ. Оставшаяся часть отработавших газов выталкивается из цилиндра поршнем при его движении к ВМТ. Во время выпуска оставшейся части отработавших газов, т.е. при движении поршней в цилиндрах 1 и 2 к ВМТ, из компрессорного цилиндра через обратный клапан в рабочий цилиндр подают холодный воздух. Холодный воздух, смешиваясь с отработавшими газами, расширяется от нагревания настолько, насколько отработавшие газы сжимаются вследствие отдачи теплоты продувочному воздуху. Поэтому при снижении температуры отработавших газов, давление в цилиндрах 1 и 2 не изменяется. Подачей холодного воздуха в течение такта выпуска из компрессорного в рабочий цилиндр достигают увеличения массового наполнения рабочего цилиндра свежим воздушным зарядом, а также продолжительного и интенсивного охлаждения теплонапряженных деталей внутри рабочего цилиндра, в результате которого отпадает необходимость в системе охлаждения.

Предлагаемый способ позволяет значительно повысить экономичность работы двигателя путем увеличения скорости сгорания топлива, включая его сгорание на такте расширения и, таким образом, увеличить крутящий момент в расчете на каждый цилиндр (рабочий и компрессорный).

Сущность изобретения: во время расширения в рабочем цилиндре продуктов сгорания осуществляют в компрессорный цилиндр повторный впуск воздуха, который подают в рабочий цилиндр во время выпуска отработавших газов. Впрыск топлива производят двумя порциями. Вторую порцию начинают впрыскивать после достижения максимальной подачи первой порции до окончания ее впрыска. 6 ил.

СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем одновременного впуска воздуха в рабочий и компрессорный цилиндры, сжатия воздуха в рабочем и компрессорном цилиндрах с последующим перепуском через обратный клапан сжатого в компрессорном цилиндре воздуха в рабочий цилиндр, дополнительного сжатия воздуха в рабочем цилиндре, впрыска топлива в рабочий цилиндр, воспламенения топлива от контакта с сжатым воздухом, сгорания топлива, расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности путем увеличения скорости сгорания топлива, во время расширения в рабочем цилиндре продуктов сгорания осуществляют в компрессорный цилиндр повторный впуск воздуха, который подают в рабочий цилиндр во время выпуска отработавших газов, и впрыск топлива производят двумя порциями, причем вторую порцию начинают впрыскивать после достижения максимальной подачи первой порции до окончания ее впрыска.