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 "нижняя мертвая точка", 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, большее чем давление 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, рабочее тело дополнительно адиабатно расширяют при ходе поршня до положения "нижняя мертвая точка", адиабатно сжимают при ходе поршня от положения "нижняя мертвая точка" до положения прерывания, при этом последнее выбирают из диапазона положений поршня от "нижней мертвой точки" до расчетной, определяемой по величине геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе, которую рассчитывают как нетривиальное решение уравнения:
η(ε_o;ε,λ,κ,k) = η(ε;ε,λ,κ,k),
где

η коэффициент полезного действия заявляемого способа;
e_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";
ε - эффективная степень сжатия рабочего тела, вычисляемая как отношение объема рабочего тела при положении поршня в точке прерывания процесса всасывания к объему рабочего тела в "верхней мертвой точке";
λ - отношение давления 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.

Прерывание процесса всасывания до прохождения поршнем положения "нижняя мертвая точка" позволяет осуществлять термодинамический цикл с меньшими необратимыми потерями и, 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 ниже несовпадением давлений.

На фиг. 1 представлено изображение термодинамического цикла работы четырехконтактного двигателя внутреннего сгорания при оптимальном положении момента прерывания процесса всасывания; на фиг. 2 изображение части термодинамического цикла работы четырехконтактного двигателя внутреннего сгорания при расположении точки прерывания процесса всасывания левее оптимального положения; на фиг. 3 изображение части термодинамического цикла того же двигателя при расположении точки прерывания процесса всасывания правее 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 мертвой точках" соответственно. Цифрой 0 обозначена начальная точка цикла, процесс 0-1 процесс изобарного всасывания рабочего тела; точка 1 положение прерывания процесса всасывания, процесс 1 -1'- процесс адиабатного расширения рабочего тела при ходе поршня от точки 1 до "нижней мертвой точки", процесс 1'-2 процесс адиабатного сжатия рабочего тела при ходе поршня из "нижней мертвой точки" до "верхней мертвой точки", процесс 2-3 изохорный подвод тепла цикла (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, процесс 5-6 изобарное вытеснение рабочего тела из рабочего объема цилиндра.

На фиг. 2 и 3 процесс адиабатного расширения осуществляется при ходе поршня до положения "нижняя мертвая точка" и заканчивается в точке 5', величина отрезка 5'-5 характеризует меру неравновесности начальной стадии такта "выпуск рабочего тела". При оптимальном расположении 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 ограничен отрезком М 5, где М расчетная точка, положение которой на линии 0 5 определено выше.

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 при давлении, равном давлению окружающей среды, при ходе поршня из положения "верхняя мертвая точка" до положения прерывания процесса всасывания; процесс всасывания рабочего тела прерывают с помощью системы газораспределения (точка 1, фиг. 1), рабочее тело дополнительно адиабатно расширяют при ходе поршня от положения "нижняя мертвая точка" до положения прерывания (линия 1'-1, фиг. 1), при этом рабочее тело имеет параметры, равные параметрам при окончании процесса всасывания. Проводят процесс адиабатного сжатия рабочего тела (линия 1 2, фиг. 1) при ходе поршня до положения "верхняя мертвая точка", проводят процессы изохорного подвода тепла к циклу (линия 2 3, фиг. 1), изобарного подвода тепла к циклу (линия 3 -, 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. 2 и 3) и выпуск рабочего тела (линия 5'-5 и 5-6). Таким образом, термодинамический цикл 0-1-1'-1-2-3-4-5'-5-6 оказывается замкнутым через атмосферу. При этом положение точки 1 на линии 0-5 выбирают из диапазона положений поршня от "нижней мертвой точки" до расчетной точки М (т.е. из отрезка М-5), определяемой по величине геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе (отношение объема Y₅ к объему Y₂), которую рассчитывают как нетривиальное решение уравнения:
η(ε_o;ε,λ,κ,k) = η(ε;ε,λ,κ,k),
где

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

Физический смысл приведенного уравнения состоит в следующем. При e_o равном ε коэффициент полезного действия двигателя, работающего по предлагаемому способу, равен коэффициенту полезного действия двигателя, работающего по известному способу (тривиальное решение). При e_o больше ε левая часть уравнения сначала увеличивается, проходит положение максимума, потом уменьшается. Величина e_o, определенная как нетривиальное решение приведенного уравнения, приводит к совпадению коэффициента полезного действия двигателя, работающего по предлагаемому способу, при одинаковых значениях эффективной степени сжатия. Таким образом, при прерывании процесса всасывания между точкой М и точкой 5 относительное повышение коэффициента полезного действия двигателя с заданной величиной эффективной величиной степени сжатия ε равной отношению объемов Y₁ и Y₂, в зависимости от геометрической степени сжатия e_o равной отношению объемов Y₅ и Y₂, плавно изменяется от нуля до максимальной величины и далее до нуля, определяя тем самым пределы изменения возможного положения точки 1 на линии 0-5 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). 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 λ равен 3,75, эффективная степень сжатия e равна 7,816, коэффициент полезного действия теоретического цикла равен 51,3% коэффициент полезного действия двигателя при e_o равной 8,5, равен 52,73% максимально возможный КПД равен 60,27% что достигается при ε_o равной 20,32 (прерывание всасывания происходит при повороте коленчатого вала двигателя на 66^o после прохождения положения "верхняя мертвая точка"), граница диапазона обеспечения положительного эффекта соответствует ε_o равной 47 (прерывание всасывания происходит при этом при повороте коленчатого вала двигателя на 41^o после прохождения положения "верхняя мертвая точка"), угловые параметря прерывания процесса всасывания имеют место при отношении длины шатуна к длине хода поршня, равном 2,0.

Осуществимость предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу при предельных положениях точки 1 на линии 0-5 (фиг. 1), определяющих предельно допустимые величины геометрической степени сжатия ε_o при заданной эффективной степени сжатия ε сомнений не вызывает: при стремлении точки 1 к точке 5 (т.е. e_o стремится к ε,ε_o больше или равно ε) приходят к известному способу, существование "оптимального" значения e_o и предельно возможного (т. е. точки 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 в конце процесса сжатия l равного 4, при значении показателя адиабаты рабочего тела k, равного 1,35, величина относительного повышения термодинамического коэффициента полезного действия двигателя в теоретическом предлагаемом цикле по сравнению с теоретическим циклом карбюраторного двигателя составляет 18% Для дизельного двигателя при эффективной степени сжатия e равной 15, величине отношения объема рабочего тела в конце процесса сгорания к объему рабочего тела в конце процесса сжатия k равного 2, и величине показателя адиабаты рабочего тела k, равного 1,35, величине 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, 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 адиабатного расширения с совершением работы и давлением окружающей среды обеспечивает уменьшение шума двигателя.

Использование: в теплоэнергетике и предназначено для повышения термодинамического коэффициента полезного действия четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ включает процесс изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра, прерывание всасывания с помощью системы газораспределения, адиабатическое расширение рабочего тела при ходе поршня до положения "нижняя мертвая точка", адиабатное сжатие рабочего тела при ходе поршня от положения "нижняя мертвая точка" до положения прерывания и далее последовательность процессов по известному термодинамическому циклу, при этом положение поршня в момент прерывания процесса всасывания рабочего тела выбирают из диапазона положений от определенного по условию до "нижней мертвой" точки. 3 ил.

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 газораcпределения, рабочее тело дополнительно адиабатно расширяют при ходе поршня до положения "нижняя мертвая точка", адиабатно сжимают при ходе поршня от положения "нижняя мертвая точка" до положения прерывания, при этом последнее выбирают из диапазона положений поршня от нижней мертвой точки до расчетной, определяемой по величине геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе ε_o, которую рассчитывают как решение уравнения
η(ε_o,ε,λ,κ,k) = η(ε;ε,λ,κ,k),
где коэффициент полезного действия предлагаемого 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;
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;
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;
λ - отношение давления рабочего тела в конце изохорного подвода тепла к циклу к давлению рабочего тела в конце процесса адиабатного сжатия.