СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B13/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно, к двигателям внутреннего сгорания.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что цилиндр двигателя заполняют свежим воздухом на такте впуска, а топливовоздушную смесь нагнетают в камеру сгорания двигателя на такте сжатия и сжигают на такте рабочего хода [1] Двигатель внутреннего сгорания, работающий по этому способу, содержит камеру сгорания, поршневой компрессор, выпускное отверстие которого соединено с каналом для подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания.

Недостатком указанных способа работы и конструкции двигателя является недостаточная эффективность работы из-за невозможности оптимизации рабочего процесса на всех режимах работы.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр воздуха через впускные коллектор и клапан, его сжатия поршнем цилиндра, испарения топлива в испарителе, смешивания паров топлива и дополнительного воздуха в смесителе с образованием топливовоздушной смеси, впуска последней в компрессор, сжатия смеси в компрессоре с перепуском в цилиндр, воспламенения смеси в цилиндре от контакта с сжатым воздухом, сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре и выпуска отработавших газов из цилиндра, причем цикловую подачу топлива изменяют в зависимости от крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала [2]
Из того же источника известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с впускным и выпускным коллекторами с установленными в них соответственно впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания, образованную головкой цилиндра и днищем поршня, испаритель топлива и дополнительного воздуха, снабженный патрубком подвода дополнительного воздуха, поршневой компрессор с впускным и выпускным отверстиями и устройство для изменения цикловой подачи топлива, причем смеситель связан с поршневым компрессором при помощи магистрали с клапаном, испаритель топлива подсоединен к смесителю посредством трубопровода, а выпускное отверстие компрессора подключено к камере сгорания при помощи канала.

Однако в известном способе предусмотрена постоянная величина цикловой подачи дополнительного воздуха, которая составляет около 10% суммарной цикловой подачи воздуха.

При работе двигателя по внешней скоростной характеристике (при постоянном максимальном положении устройства для изменения величины цикловой подачи топлива) наполнение цилиндра воздухом будет ухудшаться при малых частотах вращения коленчатого вала и при частотах вращения, превышающих частоту вращения режима максимального крутящего момента.

Из-за ухудшения наполнения воздухом на названных режимах работы ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания, что приводит к соответствующему уменьшению среднего эффективного давления и крутящего момента двигателя.

При работе двигателя по нагрузочным характеристикам при постоянной частоте вращения коленчатого вала уменьшают величину цикловой подачи топлива для уменьшения крутящего момента. Поскольку суммарная цикловая подача воздуха при этом не изменяется, происходит увеличение коэффициента избытка воздуха, что ведет к ухудшению эффективности работы двигателя из-за уменьшения доли тепла от сгорания топлива, идущей на совершение полезной работы. Это выражается в резком увеличении удельного эффективного расхода топлива.

Впрыск топливовоздушной смеси в камеру сгорания двигателя, работающего по известному способу при малых величинах цикловой подачи топлива, будет происходить вяло, поскольку объем топливовоздушной смеси, подаваемый в компрессор в пространство над поршнем, зависит от объема паров топлива и будет при этом мал. Следовательно, при ходе поршня вверх давление, развиваемое в пространстве над поршнем, может оказаться не достаточным для выхода смеси через каналы и может возникнуть опасность обратного процесса.

Таким образом, работа двигателя по известному способу характеризуется недостаточной эффективностью.

Целью изобретения является повышение эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр воздуха через впускные коллектор и клапан, его сжатия поршнем цилиндра, испарения топлива в испарителе, смешивания паров топлива и дополнительного воздуха в смесителе с образованием топливовоздушной смеси, впуска последней в компрессор, сжатия смеси в компрессоре с перепуском в цилиндр, воспламенения смеси в цилиндре от контакта со сжатым воздухом, сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре и выпуска отработавших газов из цилиндра, причем величину цикловой подачи топлива изменяют в зависимости от крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала, одновременно с изменением крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала регулируют цикловую подачу дополнительного воздуха, изменение цикловой подачи топлива регулируют после испарения перед смешиванием с дополнительным воздухом.

При работе двигателя по внешней скоростной характеристике по данному способу величину цикловой подачи дополнительного воздуха уменьшают при увеличении частоты вращения коленчатого вала до режима максимального крутящего момента, а при дальнейшем увеличении частоты вращения увеличивают.

При работе двигателя по нагрузочным характеристикам по данному способу величина цикловой подачи топлива может быть уменьшена при уменьшении крутящего момента двигателя.

По данному способу перепад давлений воздуха в цилиндре и смеси в компрессоре в момент перепуска смеси в цилиндр может быть выдержан постоянным на всех режимах работы.

Поставленная цель достигается и тем, что в двигателе внутреннего сгорания, работающем по данному способу, содержащем по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с впускным и выпускным коллекторами с установленным в них соответственно впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания, образованную головкой цилиндра и днищем поршня, испаритель топлива, смеситель паров топлива и дополнительного воздуха, снабженный патрубком подвода дополнительного воздуха, поршневой компрессор с впускным и выпускным отверстиями, устройство для изменения цикловой подачи топлива, причем смеситель связан с поршневым компрессором при помощи магистрали с клапаном, испаритель топлива подсоединен к смесителю посредством трубопровода, выпускное отверстие компрессора подключено к камере сгорания при помощи канала, патрубок подвода дополнительного воздуха снабжен регулируемым дросселем, устройство для изменения цикловой подачи топлива выполнено в виде регулируемого запорного органа, размещенного в трубопроводе, а регулируемые запорный орган и дроссель снабжены независимыми органами управления.

В камере может быть размещен подпружиненный клапан.

На фиг.1 показана схема двигателя для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 изменение цикловой подачи дополнительного воздуха в зависимости от частоты вращения; на фиг.3 изменение цикловой подачи дополнительного воздуха в зависимости от крутящего момента; на фиг.4 изменение цикловой подачи топлива от цикловой подачи воздуха при М_кр=n=const.

Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, головку 3 цилиндра 1 с впускным и выпускным 4, 5 коллекторами с установленными в них соответственно впускным и выпускным клапанами 6, 7, камеру сгорания 8, образованную головкой 3 цилиндра 1 и днищем 9 поршня 2, испаритель топлива 10, смеситель 11 паров топлива и дополнительного воздуха, снабженный патрубком 12 подвода дополнительного воздуха, поршневой компрессор 13 с впускным 14 и выпускным 15 отверстиями, устройство 16 для изменения цикловой подачи топлива. При этом смеситель 11 связан с поршневым компрессором 13 при помощи магистрали 17 с клапаном 18, испаритель топлива 10 подсоединен к смесителю 11 посредством трубопровода 19, выпускное отверстие 15 компрессора 13 подключено к камере сгорания 8 при помощи канала 20, патрубок 12 подвода дополнительного воздуха снабжен регулируемым дросселем 21, устройство 16 для изменения цикловой подачи топлива выполнено в виде регулируемого запорного органа 22, размещенного в трубопроводе 19, регулируемые запорной орган 22 и дроссель 21 снабжены независимыми органами управления 23, 24, а в канале 20 размещен подпружиненный клапан 25.

Работа двигателя внутреннего сгорания по заявляемому способу осуществляется следующим образом. Цилиндр 1 двигателя заполняют свежим воздухом через впускной коллектор 4, открывая впускной клапан 6, при движении поршня 2 двигателя на такте впуска в сторону НМТ. После прохождения поршнем 2 НМТ закрывают впускной клапан 6 и при движении поршня 2 к ВМТ сжимают свежий воздух в цилиндре 1 и камере сгорания 8.

Жидкое топливо подают в испаритель 10, где испаряют с помощью любого известного способа. Пары топлива направляют из испарителя 10 по трубопроводу 19 через регулируемый запорный орган 22 с органом управления 23 в смеситель 11 с патрубком 12 подвода дополнительного воздуха. Дополнительный воздух подают в смеситель 11 через регулируемый дроссель 21 с органом управления 24. Топливовоздушную смесь, образованную в смесителе 11, подают по магистрали 17 к впускному отверстию 14 компрессора 13.

Открывается клапан 18 и топливовоздушная смесь поступает в компрессор 13. После этого в компрессоре происходит сжатие смеси и при подходе поршня 2 двигателя к ВМТ такта сжатия разность давлений между топливовоздушной смесью в компрессоре 13 и свежим воздухом в цилиндре 1 и камере сгорания 8 достигает величины открытия подпружиненного клапана 25, установленного в канале 20, соединяющем выпускное отверстие 15 компрессора 13 с камерой сгорания 8. Клапан 25 открывается и смесь нагнетают в камеру сгорания 8, где она воспламеняется и сгорает. Поршень 2 двигателя, нагруженный давлением от сгорания, перемещается от ВМТ к НМТ рабочего хода, совершая полезную работу. Незадолго до достижения поршнем 2 НМТ открывают выпускной клапан 7 и при дальнейшем движении поршня 2 от НМТ и ВМТ удаляют из цилиндра 1 отработавшие газы через выпускной коллектор 5.

После прохождения поршнем 2 ВМТ такта выхлопа начинают новый рабочий цикл.

При необходимости изменения крутящего момента или частоты вращения коленчатого вала двигателя изменяют величины цикловой подачи топлива и цикловой подачи дополнительного воздуха с помощью органов управления 23 и 24. Это позволяет изменять величину цикловой подачи дополнительного воздуха не пропорционально изменению величины цикловой подачи топлива и оптимизировать рабочий процесс на всех режимах работы двигателя.

При работе двигателя по внешней скоростной характеристике с помощью органа управления 23 выдерживают запорный орган 22 максимально открытым, а площадь проходного сечения дросселя 21 регулируют с помощью органа управления 24 таким образом, что величина цикловой подачи дополнительного воздуха уменьшается при увеличении частоты вращения коленчатого вала до величины, соответствующей режиму максимального крутящего момента, а при дальнейшем увеличении частоты вращения увеличивается. Это позволяет на режимах с ухудшенным наполнением (фиг. 2, кривая 1 без подачи дополнительного воздуха) увеличить наполнение воздухом двигателя (фиг.2, кривая II с подачей дополнительного воздуха), улучшить полноту сгорания топлива и соответственно повысить эффективность работы двигателя.

При работе двигателя по нагрузочным характеристикам при уменьшении крутящего момента с помощью органа управления 23 уменьшают площадь проходного сечения запорного органа 22, уменьшая величину цикловой подачи топлива. Одновременно с помощью органа управления 24 уменьшают площадь проходного сечения дросселя 21, уменьшая величину цикловой подачи дополнительного воздуха, при этом на режимах малого крутящего момента уменьшается коэффициент избытка воздуха, что позволяет увеличить долю тепла от сгорания топлива, идущего на совершение полезной работы, и соответственно повысить эффективность работы двигателя на малых нагрузках.

Таким образом, величина цикловой подачи дополнительного воздуха g_д.в изменяется в соответствии с крутящим моментом и частотой вращения двигателя. При каждом значении этих параметров g_д.в выбирается экспериментально для каждого конкретного двигателя из условия обеспечения необходимых параметров с минимальными затратами топлива (фиг.4). Увеличивая g_д.в до величины g_д.в.опт (ветвь 1 кривой) достигают уменьшения величины цикловой подачи топлива до g_т.min за счет улучшения наполнения двигателя воздухом и оптимизации процесса топливоподачи. Дальнейшее увеличение g_д.в (ветвь II кривой) приводит к росту потерь тепла от сгорания за счет увеличения коэффициента избытка воздуха α и снижению эффективности работы двигателя за счет роста мощности, теряемой на привод компрессора 13, и соответственно к увеличению g_т.

Как видно на фиг.1, величину цикловой подачи топлива изменяют после его испарения в испарителе 10, перед смешением с дополнительным воздухом в смесителе 11. Это повышает эффективность работы двигателя на переходных режимах ввиду отсутствия ненужных звеньев в устройстве для изменения величины цикловой подачи топлива.

Поскольку топливовоздушная смесь нагнетается в камеру сгорания 8 через подпружиненный запорный клапан 25, выдерживающий постоянным перепад давлений между топливовоздушной смесью и свежим воздухом в момент начала нагнетания смеси, имеется возможность обеспечить оптимальность процесса топливоподачи на всех режимах работы двигателя, особенно на малых нагрузках, и соответственно повысить эффективность работы двигателя.

Заявляемые способ работы и двигатель внутреннего сгорания имеют по сравнению с прототипами следующие преимущества:
улучшение наполнения двигателя воздухом при работе по внешней скоростной характеристике;
снижение потерь тепла от сгорания топлива при работе на малых нагрузках;
улучшение эффективности работы на переходных режимах;
улучшение процесса смесеобразования на режимах малых нагрузок.

Это приводит к оптимизации рабочего процесса и повышению эффективности работы двигателя на всех режимах.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить эффективность работы двигателя. Для этого изменяют величину цикловой подачи дополнительного воздуха в зависимости от крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала. Изменение величины цикловой подачи топлива осуществляют после испарения перед смешением с дополнительным воздухом. Величину цикловой подачи дополнительного воздуха при работе двигателя по внешней и скоростной характеристике уменьшают при увеличении частоты вращения коленчатого вала до режима максимального крутящего момента, а при дальнейшем увеличении частоты вращения увеличивают. Величину цикловой подачи топлива при работе двигателя по нагрузочным характеристикам уменьшают при уменьшении крутящего момента двигателя. Перепад давления между топливовоздушной смесью и свежим воздухом в момент начала нагнетания смеси выдерживают постоянным на всех режимах работы. Патрубок 12 подвода воздуха к смесителю 11 снабжен регулируемым дросселем 21, устройство 16 для изменения величины цикловой подачи топлива выполнено в виде регулируемого запорного органа 22 и расположено в трубопроводе 19, соединяющем испаритель 10 со смесителем 11. В канале 20, соединяющем выпускное отверстие 15 компрессора 13 с камерой сгорания 8, установлен подпружиненный запорный клапан 25. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр воздуха, его сжатия поршнем цилиндра, испарения топлива в испарителе, смешивания паров топлива и дополнительного воздуха в смесителе с образованием топливовоздушной смеси, впуска последней в компрессор, сжатия смеси в компрессоре с перепуском в цилиндр, воспламенения смеси в цилиндре от контакта со сжатым воздухом, сгорания, расширения продуктов сгорания в цилиндре и выпуска отработавших газов из цилиндра, причем величину цикловой подачи топлива изменяют в зависимости от крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, одновременного с изменением крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала регулируют цикловую подачу дополнительного воздуха, причем изменение цикловой подачи топлива регулируют после его испарения перед смешиванием с дополнительным воздухом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при работе двигателя по внешней скоростной характеристике величину цикловой подачи дополнительного воздуха уменьшают при увеличении частоты вращения коленчатого вала до режима максимального крутящего момента, а при дальнейшем увеличении частоты вращения увеличивают. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при работе двигателя по нагрузочным характеристикам величину цикловой подачи дополнительного воздуха уменьшают при уменьшении крутящего момента. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что перепад давлений соответственно воздуха в цилиндре и смеси в компрессоре в момент начала перепуска смеси в цилиндр выдерживают постоянным на всех режимах работы двигателя. 5. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с впускным и выпускным коллекторами с установленными в них соответственно впускным и выпускными клапанми, камеру сгорания, образованную головкой цилиндра и днищем поршня, испаритель топлива, смеситель паров топлива и дополнительного воздуха, снабженный патрубком подвода дополнительного воздуха, поршневой компрессор с впускными и выпускными отверстиями и устройство для изменения цикловой подачи топлива, причем смеситель связан с поршневым компрессором, испаритель топлива подсоединен к смесителю посредством трубопровода, а выпускное отверстие компрессора подключено к камере сгорания при помощи канала, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, патрубок подвода дополнительного воздуха снабжен регулируемым дросселем, устройство для изменения цикловой подачи топлива выполнено в виде регулируемого запорного органа, размещенного в трубопроводе, причем регулируемые запорный орган и дроссель снабжены самостоятельными органами. 6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что в канале размещен подпружиненный клапан.