СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B5/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может найти применение на транспортных средствах и в стационарных установках для преобразования тепловой энергии продуктов сгорания в механическую энергию.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) путем подачи в цилиндры воздуха и углеводородного топлива, сжигания топлива и преобразования энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала, причем на переходных режимах в цилиндры вводят дозированное количество вещества, активизирующего процесс горения водород [1]
Недостатками такого способа работы ДВС являются большие тепловые потери на стенки камеры сгорания и снижение КПД процесса из-за наличия цикла сжатия, избыточное давление на выхлопе порядка 4-5 атм также приводит к дополнительным потерям тепла, механической работы и требует применять специальные меры глушения шума.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ работы ДВС путем подачи воздуха и топлива в цилиндр, сжатия этой рабочей смеси в рабочей камере, воспламенения рабочей смеси, расширения продуктов сгорания и последующего выхлопа отработавших газов [2]
Недостатками этого способа работы ДВС являются наличие цикла сжатия, что приводит к большим тепловым потерям на стенки камеры сгорания, к механическим потерям и снижает КПД (термодинамический КПД четырехтактного ДВС не превышает 40-50% двухтактные ДВС имеют КПД 10-15%), высокое рабочее давление, достигающее 50-200 атм приводит к увеличению веса конструкции, при любой степени сжатия отработанные газы имеют избыточное давление на выхлопе порядка 4-6 атм, что также приводит к потерям и вызывает необходимость глушения.

Технической задачей изобретения являлась разработка такого способа работы ДВС, который бы позволил снизить тепловые и механические потери, повысить термодинамический и реальный КПД за счет более полного использования энергии продуктов сгорания, уменьшить давление выхлопа практически до величины атмосферного и тем самым сделать двигатель практически бесшумным.

Поставленная задача решается за счет того, что по способу работы ДВС, включающему подучу воздуха и топлива в цилиндр, воспламенение рабочей смеси, расширение продуктов сгорания и последующий их выпуск, подачу воздуха и топлива осуществляют при ходе поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до величины
h H/5 ˙ Z ˙ (X ˙ y)^1/1,4, cм, где Н полный ход поршня от ВМТ до нижней мертвой точки, НМТ см;
Z отношение давления подаваемой в цилиндр смеси воздуха и топлива к атмосферному;
Х полезно используемая доля теплотворной способности смеси воздуха и топлива при максимальной мощности ДВС;
y отношение расхода топлива при заданном режиме к расходу топлива при максимальном режиме работы ДВС.

Доказательство существенности признаков. Подача воздуха и топлива в цилиндр на протяжении величины хода поршня h от ВМТ непосредственно перед сжиганием топливовоздушной смеси (и тем самым исключение такта сжатия, в результате чего ДВС работает в трехтактном режиме) необходима для того, чтобы давление выхлопа снизилось до атмосферного, что приводит к резкому уменьшению уровня шума ДВС; одновременно снижается рабочая температура в камере сгорания Т_г с 2500 до 1500 К и уменьшается температура выхлопа Т_х с 700 до 350 К, что ведет к снижению тепловых потерь на стенки двигателя, одновременно снижаются механические напряжения в двигателе. В то же время термодинамический КПД, равный
(Т_г Т_х)/Т_г, практически не снижается.

Существует убеждение, что сжатие воздуха необходимо для эффективной работы ДВС. На это имеются веские основания: чем выше степень сжатия (важный параметр существующих ДВС), тем выше температура горения и тем выше термодинамический КПД двигателя. Не повысить термодинамический КПД можно и за счет снижения Т_х (например, турбины имеют высокий КПД, но не имеют такта сжатия, хотя у них есть и свои недостатки: малый динамический диапазон и т.д.).

Снижение рабочего давления приводит к снижению давления выхлопа с 4-5 атм почти до величины атмосферного, что уменьшает потери в глушителе и упрощает его конструкцию. Вместе с тем при заявляемом способе работы ДВС уменьшается эффективное использование рабочего объема камеры сгорания по сравнению с общим рабочим объемом камеры сгорания в традиционных ДВС, использующих сжатие топливовоздушной смеси, т.е. снижаются объемные энергопоказатели, но перечисленные выше достоинства превышают этот недостаток.

Использование: в машиностроении, на транспортных средствах, в стационарных установках для преобразования тепловой энергии продуктов сгорвния в механическую энергию. Сущность изобретения: способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) включает подачу воздуха и топлива в цилиндр, воспламенение рабочей смеси, расширение продуктов сгорания и последующий их выпуск. Подача воздуха и топлива осуществляется при ходе поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до величины h H/5 Z (XY) в степени 1/1, 4 см, где H полный ход поршня от вмт до нижней мертвой точки, см; Z отношение давление подаваемой в цилиндр смеси воздуха и топлива к атмосферному; X полезно используемая доля теплотворной способности смеси воздуха и топлива при максимальной мощности ДВС; Y отношение расхода топлива при заданном режиме к расходу топлива при максимальном режиме. Изобретение обеспечивает снижение тепловых и механических потерь, повышение термодинамического и реального коэффициента полезного действия за счет более полного использования энергии продуктов сгорания, уменьшение давления выхлопа.

СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем подачи воздуха и топлива в цилиндр, воспламенения рабочей смеси, расширения продуктов сгорания и последующего их выпуска, отличающийся тем, что подачу воздуха и топлива осуществляют при ходе поршня от верхней мертвой точки до величины h, равной

где H полный ход поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, см;
Z отношение давления подаваемой в цилиндр смеси воздуха и топлива к атмосферному;
X полезно используемая доля теплотворной способности смеси воздуха и топлива при максимальной мощности двигателя внутреннего сгорания;
Y отношение расхода топлива при заданном режиме к расходу топлива при максимальном режиме.