СПОСОБ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B43/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам работы (термодинамическим циклам) четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение может быть наиболее эффективно использовано в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу.

В двигателях внутреннего сгорания широко известны способы работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания по термодинамическому циклу с изохорным (карбюраторный двигатель), с изобарным (дизельный двигатель) и смешанным подводом тепла.

Недостатком известных способов является относительно невысокая термодинамическая эффективность цикла по сравнению с термодинамической эффективностью идеальной тепловой машины.

Наиболее близким к изобретению является известный способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий процессы изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра при ходе поршня от положения "верхняя мертвая точка" до положения прерывания процесса всасывания, характеризуемого углом поворота коленчатого вала двигателя после прохождения положения "нижняя мертвая точка" в пределах от 0 до 70^o в зависимости от быстроходности и типа двигателя, адиабатного сжатия, изохорного, изобарного или смешанного подвода тепла к циклу, адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы и выпуск рабочего тела. При этом после окончания процесса адиабатного расширения рабочего тела при ходе поршня из некоторого положения в окрестности "верхней мертвой точки" до положения "нижняя мертвая точка" рабочее тело имеет давление больше давления окружающей среды.

Однако известный способ имеет тот недостаток, что при этом принципиально неустранимы обратные потери цикла, связанные с неравновесным выхлопом отработанных газов из рабочего цилиндра из-за конечной величины разности давлений в рабочем цилиндре в конце такта адиабатного расширения и в процессе вытеснения рабочего тела из рабочего цилиндра. Последнее снижает термодинамический коэффициент полезного действия двигателя, работающего по известному способу.

Цель изобретения повышение термодинамического коэффициента полезного действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

Цель достигается тем, что в известном способе работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающем процессы изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра, адиабатного сжатия, изохорного, изобарного или смешанного подвода тепла к циклу, адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы и выпуск рабочего тела, согласно изобретению процесс всасывания рабочего тела прерывают с помощью системы газораспределения, при этом момент прерывания выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками, первая из них определена условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, а вторая величиной геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе, которую рассчитывают как нетривиальное решение уравнения:

где

η - коэффициент полезного действия заявляемого способа;
ε_o- геометрическая степень сжатия рабочего тела, т.е. отношение объема рабочего тела при положении поршня в "нижней мертвой точке" к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке";
геометрическая степень сжатия рабочего тела при условии обращения в нуль скорости рабочего тела в момент прерывания процесса всасывания;
ε - эффективная степень сжатия рабочего тела, вычисляемая как отношение объема рабочего тела при положении поршня в точке прерывания процесса всасывания к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке";
λ - отношение давления рабочего тела в конце изохорного подвода тепла к циклу к давлению рабочего тела в конце процесса адиабатного сжатия;
κ - отношение объема рабочего тела в конце изобарного подвода тепла к циклу к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке";
k показатель адиабаты рабочего тела.

Кроме того, цель достигается тем, что согласно изобретению в двигателях внутреннего сгорания с изохорным или смешанным подводом тепла процесс всасывания рабочего тела в цилиндр двигателя проводят с частичным вытеснением рабочего тела из цилиндра при ходе поршня от положения "нижняя верхняя точка" до положения поршня в момент прерывания процесса всасывания во вспомогательный объем.

Прерывание процесса всасывания при положении поршня между положениями, определяемыми первой и второй расчетными точками, позволяет осуществить термодинамический цикл с меньшими необратимыми потерямии, в частности, цикл с качественно новыми характерными особенностями, главная из которых - принципиальная возможность равновесного замыкания цикла по давлению в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, что полностью устраняет необратимые потери теоретического цикла двигателя, обусловленные отмеченным выше несовпадением давлений.

На фиг. 1 представлено изображение термодинамического цикла работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при расположении точки прерывания процесса всасывания правее оптимального положения; на фиг. 2 - изображение части термодинамического цикла работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при оптимальном положении точки прерывания процесса всасывания; на фиг. 3 изображение части термодинамического цикла работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при расположении точки прерывания процесса всасывания левее оптимального положения.

Термодинамический цикл изображен в PY-координатах. На фиг.1: P давление рабочего тела; P_ос давление окружающей среды; Y объем рабочего тела, индексами ВМТ и НМТ отмечены значения объема рабочего тела при положении поршня в "верхней" и "нижней мертвых точках" соответственно. Цифрой 0 обозначена начальная точка цикла, процесс 0-1'-1 процесс изобарного всасывания рабочего тела, точка 1 положение прерывания процесса всасывания, точка 1' соответствует объему при положении поршня в "нижней мертвой точке", процесс 1-2 процесс адиабатного сжатия рабочего тела при ходе поршня от положения прерывания процесса всасывания до положения "верхняя мертвая точка", процесс 2-3 изохорный подвод тепла к циклу (для дизельного двигателя точки 2 и 3 совпадают), процесс 3-4 изобарный подвод тепла к циклу (для карбюраторного двигателя точки 3 и 4 совпадают), процесс 4-5' адиабатное расширение рабочего тела с совершением работы при ходе поршня из окрестности положения "верхняя мертвая точка" до положения "нижняя мертвая точка", процесс 5'-5 неравновесный сброс давления в рабочем объеме цилиндра до давления окружающей среды, процесс 5-6 изобарное вытеснение рабочего тела из цилиндра.

На фиг. 2 процесс адиабатического расширения 4-5' заканчивается в точке 5', совпадающей с точкой 5, а на фиг. 3 точка 5' расположена ниже точки 5. Величина отрезка 5'-5 характеризует меру неравновесности начальной стадии такта "выпуск рабочего тела". При оптимальном положении точки 1 точка 5' совпадает с точкой 5 и необратимые потери теоретического цикла, связанные с конечной величиной отрезка 5'-5, уменьшаются до нуля. Диапазон возможных положений точки 1 на отрезке 0-1 ограничен интервалом M'-М'', где М' и М'' соответственно первая и вторая расчетные точки цикла, положение которых определено выше.

Состояние рабочего тела в точках 1' и 5 и точках 0 и 6 различается по температуре и количеству массы рабочего тела; процессы 0-1'-1 и 5'-5-6 происходят при переменной массе рабочего тела.

Предлагаемый способ работы четырехконтактного двигателя внутреннего сгорания можно реализовать следующим образом (теоретический цикл).

Проводят процесс изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра 0-1'-1 при давлении, равном давлению окружающей среды, при ходе поршня из положения "верхняя мертвая точка" до положения "нижняя мертвая точка" и далее до положения прерывания процесса всасывания; процесс всасывания рабочего тела прерывают с помощью системы газораспределения (точка 1, фиг. 1), рабочее тело адиабатно сжимают при ходе поршня от положения прерывания процесса всасывания (точка 1, фиг. 1) до положения поршня "верхняя мертвая точка" (точка 2, фиг. 1), проводят процессы изохорного подвода тепла к циклу (линия 2-3, фиг. 1), изобарного подвода тепла к циклу (линия 3-4, фиг. 1) в совокупности или один из них, проводят процесс адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы при ходе поршня до положения "нижняя мертвая точка" (линия 4-5', фиг. 1 3) и выпуск рабочего тела (линии 5'-5 и 5-6). Таким образом, термодинамический цикл 0-1'-1-2-3-4-5'-5-6 оказывается замкнутым через атмосферу.

При этом положение точки 1 на линии 0-1' выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками цикла М' и М'', первая из них М' определена условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, что физически соответствует обращению в нуль скорости втекающего в цилиндр рабочего тела, а вторая расчетная точка М'' определена величиной геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе (отношение объема рабочего тела при положении поршня в "нижней мертвой точке" к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке"), которую рассчитывают как нетривиальное решение уравнения:

где

коэффициент полезного действия предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу.

Кроме того, в двигателях внутреннего сгорания с изохорным или смешанным подводом тепла к циклу вытеснение рабочего тела из рабочего объема цилиндра в течение процесса всасывания при ходе поршня из положения первая расчетная точка (т. е. точка М') до положения прерывания процесса всасывания (т.е. точка 1) осуществляют во вспомогательный объем, расположенный между карбюратором и рабочим цилиндром двигателя, величину которого рассчитывают из условия отсутствия обратного потока рабочего тела через карбюратор.

Физический смысл приведенного уравнения состоит в следующем. При ε_o равном коэффициент полезного действия двигателя, работающего по предлагаемому способу, равен коэффициенту полезного действия двигателя, работающего по известному способу (тривиальное решение). При увеличении величины ε_o левая часть уравнения сначала увеличивается, проходит положение максимума, затем уменьшается. Величина ε_o определенная как нетривиальное решение приведенного уравнения, приводит к совпадению коэффициента полезного действия двигателя, работающего по предлагаемому способу, с коэффициентом полезного действия двигателя, работающего по известному способу, при одинаковых значениях эффективной степени сжатия рабочего тела ε Таким образом, при прерывании процесса всасывания (точка 1) между точками М' и М'' относительное повышение коэффициента полезного действия двигателя в известном цикле с заданной величиной эффективности степени сжатия рабочего тела e и геометрической степени сжатия плавно изменяется от нуля до максимальной величины и далее до нуля, определяя тем самым пределы изменения возможного положения точки 1 на линии 0-1' для обеспечения положительного эффекта.

В качестве примера рассмотрим двигатель автомобиля ВАЗ-2103 (изохорный подвод тепла к циклу, диаметр цилиндра 76 мм, ход поршня 80 мм, геометрическая степень сжатия равна 8,5, эффективная степень сжатия ε равна 7,8, угол поворота коленчатого вала после положения "нижняя мертвая точка" в момент прерывания процесса всасывания равен 40^o). Если принять, что теплотворная способность топлива составляет 4,5•10⁷ Дж/кг, состав горючей смеси характеризуется отношением 15 кг воздуха на 1 кг топлива, удельная изохорная теплоемкость продуктов сгорания равна 860 Дж/кгК, в рабочем объеме успевает сгореть 50% топлива, то параметр l равен 3,75, а коэффициент полезного действия двигателя, работающего по известному циклу, равен 52,73% максимально возможный коэффициент полезного действия двигателя при e равной 7,8, в предлагаемом цикле составляет 60,27% что достигается при e_o равной 20,3 (прерывание процесса всасывания происходит при повороте коленчатого вала двигателя на 114^o после прохождения положения "нижняя мертвая точка"). Граница диапазона обеспечения положительного эффекта соответствует ε_o равной 44 (прерывание процесса всасывания происходит при повороте коленчатого вала двигателя на 138^o после прохождения положения "нижняя мертвая точка"), угловые параметры прерывания процесса всасывания имеют место при отношении длины шатуна к длине хода поршня, равном 2,0. Таким образом, положительный эффект достигается при изменении угла поворота коленчатого вала двигателя в момент прерывания процесса всасывания от 40 до 138^o при соответствующем увеличении геометрической степени сжатия рабочего тела от 8,5 до 44.

Осуществимость предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу при предельных положениях точки 1 на линии 0-1' (фиг.1), определяющих предельно допустимые величины геометрической степени сжатия ε_o при заданных величинах эффективной степени сжатия ε и геометрической степени сжатия известного способа сомнений не вызывает. При стремлении точки 1 к точке М' приходят к известному способу, существование "оптимального" значения ε_o при котором точка 5' совпадает с точкой 5, и предельно возможного (точка М'') подтверждается теоретическим анализом предлагаемого способа.

Для реализации предлагаемого способа необходимы принципиально известные технические устройства и системы, в частности система газораспределения, содержащая впускные и выпускные клапаны, расположенные на рабочих цилиндрах двигателя и функционально связанные с углом поворота коленчатого вала двигателя, обеспечивающая требуемую последовательность и длительность фаз газораспределения.

Использование предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу обеспечивает по сравнению с известным способом работы двигателя по теоретическому циклу повышение коэффициента полезного действия двигателя.

Например, для карбюраторного двигателя при эффективной степени сжатия ε равной 8, и отношении давления рабочего тела в конце процесса сгорания топлива к давлению рабочего тела в конце процесса сжатия l равном 4, при значении показателя адиабаты рабочего тела k, равном 1,35, величина относительного повышения термодинамического коэффициента полезного действия в теоретическом предлагаемом цикле по сравнению с известным теоретическим циклом карбюраторного двигателя составляет 18%
Для дизельного двигателя при эффективной степени сжатия, равной 15, величине отношения объема рабочего тела в конце процесса сгорания к объему рабочего тела в конце процесса сжатия k равной 2,0, и величине показателя адиабаты рабочего тела k, равного 1,35, величина относительного повышения термодинамического коэффициента полезного действия в теоретическом предлагаемом цикле по сравнению с теоретическим циклом дизельного двигателя составляет 10,3% а при k равном 3,0, 19,8%
Кроме того, использование предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу из-за уменьшения разницы между давлением рабочего тела в конце адиабатического расширения с совершением работы и давлением окружающей среды обеспечивает уменьшение шума двигателя.

Использование: в теплоэнергетике, в частности, для повышения термодинамического коэффициента полезного действия четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ включает последовательность процессов, составляющих известный способ работы двигателя внутреннего сгорания, но при этом положение поршня в момент прерывания процесса всасывания рабочего тела выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками, первую из них определяют условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, а вторую - величиной геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе, которую выбирают по условию обеспечения положительного эффекта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий процессы изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра, адиабатного сжатия, изохорного, изобарного или смешанного подвода тепла, к циклу, адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы и выпуск рабочего тела, отличающийся тем, что процесс всасывания рабочего тела прерывают с помощью системы газораспределения, при этом момент прерывания выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками, первую из них определяют условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, а вторую величиной геометрической степени сжатого рабочего тела в двигателе, которую рассчитывают как решение уравнения

где

η - КПД заявляемого способа;
ε_o - геометрическая степень сжатия рабочего тела, т.е. отношение объема рабочего тела при положении поршня в нижней мертвой точке к объему рабочего тела при положении поршня в верхней мертвой точке;
геометрическая степень сжатия рабочего тела при условии обращения в нуль скорости рабочего тела в момент прерывания процесса всасывания;
ε - эффективная степень сжатия рабочего тела, вычисляемая как отношение объема рабочего тела при положении поршня в точке прерывания процесса всасывания к объему рабочего тела при положении поршня в верхней мертвой точке;
λ - отношение давления рабочего тела в конце изохорного подвода тепла к циклу к давлению рабочего тела в конце процесса адиабатного сжатия;
κ - отношение объема рабочего тела в конце изобарного подвода тепла к циклу к объему рабочего тела при положении поршня в верхней мертвой точке;
k показатель адиабаты рабочего тела. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изохорном или смешанном подводе тепла процесс всасывания ведут с частичным вытеснением рабочего тела из цилиндра во вспомогательный объем при ходе поршня от положения "нижняя мертвая точка" до положения поршня в момент прерывания процесса всасывания.