СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B3/08 F02B23/06 

Изобретения относится к области двигателестроения и может найти применение в способах работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

Известны способы работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, в которых обеспечивается равномерное распределение топлива по объему камеры сгорания (см. Предпосылки объемного смесеобразования в малоразмерных дизелях. Б.М.Борецкий. Журнал "Двигателестроение", 1989, N 5, с.54 - 57 62; Сгорание в дизеле с неразделенной камерой сгорания. Жу Янксиан и др. Журнал "SAE Technical Paper Series", 1988, N 880429, с.1 - 14. Реферат N 9.39.270 в реферативном журнале "Двигатели внутреннего сгорания", 1988, N 9, с. 33). Недостатками рассматриваемых способов работы являются недостаточно высокая экономичность и недостаточно низкий уровень токсичности выхлопных газов из-за несовершенства процесса сгорания, вызванного недостаточно высокой скоростью подачи топлива в камеру сгорания и сравнительно большим периодом задержки его воспламенения.

Существенными признаками приведенных аналогов, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются следующие: заполнение цилиндра воздухом, сжатие воздуха поршнем, впрыск топлива ширококонусным факелом, сжигание топлива, выпуск отработавших газов.

Недостатки указанных аналогов частично устранены в другом способе работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (см. Заявка ФРГ N 2949596, F 02 B 23/06, 1979), который является наиболее близким по технической сущности заявляемому способу. Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются следующие: заполнение цилиндра двигателя воздухом; сжатие воздуха в цилиндре поршнем; нагнетание топлива в распылитель; отжимание клапана распылителя от своего седла в направлении потока топлива; впрыск топлива через зазор между клапаном и седлом; впрыск топлива ширококонусным полым факелом в расположенную в поршне камеру сгорания; создание в камере сгорания вихревых движений воздуха; сжигание топлива; выпуск отработавших газов.

Основной недостаток прототипа заключается в образовании за период задержки воспламенения в камере сгорания большого количества топливовоздушной смеси, подготовленной к самовоспламенению, что вызвано повышенной мелкостью распыливания топлива и равномерностью его распределения по камере сгорания (см. А. В. Джодж. Быстроходные дизели. М.: ОНТИ НКТП, 1938, с. 183; [1], с. 55, абзац I). Это приводит к одновременному воспламенению большого количества топливовоздушной смеси и как следствие к росту максимального давления сгорания, отрицательной работы сжатия и скорости нарастания давления в камере сгорания (см. А.Н.Воинов. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977, с. 77).

Кроме этого, подавляющее большинство существующих способов работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия характеризуется недостаточно высокой скоростью подачи топлива в камеру сгорания. Более того, нет оптимального критерия для количественного выражения этой скорости, поскольку существующие методы ее оценки не учитывают одновременно самые важные параметры рабочего процесса двигателя, а именно: коэффициент избытка воздуха α, коэффициент наполнения η_v, действительная продолжительность впрыска топлива в камеру сгорания ϕ_впр, физические свойства топлива, плотность заполняющего цилиндр воздуха (см. Параметры топливной аппаратуры дизелей с непосредственным впрыском. М. М. Вихерт и др. Журнал "Автомобильная промышленность", 1973, N 11, с.8 - 10).

Поэтому предлагается оценивать скорость подачи топлива в камеру сгорания при помощи средней удельной скорости впрыска , определяемой из соотношения

где g_т.ц.к. - цикловая подача топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, г/цикл;
g_в.ц. - цикловой расход воздуха, г/цикл;
ϕ_впр - действительная продолжительность впрыска топлива в камеру сгорания в градусах угла поворота коленчатого вала двигателя, град п.к.в.

Как известно, коэффициент избытка воздуха определяют из следующего выражения

где
L_o - теоретически необходимое количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива, кг/кг.

Используя выражение (2), можно представить формулу (1) в следующем виде

Как видно из соотношения (3), параметр учитывает практически все важнейшие показатели рабочего процесса двигателя. Подставляя в формулу (3) минимальные достижимые значения α = 1,5 ([5], с.217) и ϕ_впр = 18 град. п.к. в. (см. [7] А.С.Хачиян и др. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей. - М.: Машиностроение, 1976, с.57 - 58), которые характерны для объемного смесеобразования, для случая применения дизельного топлива с L_o=14,75 кг/кг (см. [8] Забрянский Е.И. и др. Детонационная стойкость и воспламеняемость моторных топлив. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Химия, 1974, с.14), получим максимальную для существующих способов работы среднюю удельную скорость впрыска 0025 1/град п.к.в. По данным ОАО "Челябинский тракторный завод" (см. прилагаемую техническую справку), значения даже для высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия не превышают этой величины.

В описании способа работы прототипа [3] нет указаний на интенсификацию процесса впрыска топлива в камеру сгорания, следовательно, значения находятся на обычном, недостаточно высоком уровне. Это приводит к тому, что значительная доля топлива впрыскивается после достижения поршнем двигателя верхней мертвой точки (ВМТ) и горит в условиях быстро увеличивающихся объема цилиндра и поверхности деталей, контактирующих с горящей топливовоздушной смесью, что приводит к снижению эффективности теплоиспользования ввиду больших потерь тепла на нагрев деталей. Последние порции топлива впрыскиваются уже в среду продуктов сгорания первоначальных порций и сгорают неполностью, снижая используемую долю теплосодержания топлива и образуя продукты неполного сгорания, повышающие токсичности отработавших газов двигателя.

Таким образом, рассматриваемый способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия характеризуется недостаточно высокой экономичностью и недостаточно низкой токсичностью отработавших газов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение экономичности и снижение токсичности отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является улучшение эффективности сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия путем оптимальной организации рабочего процесса. Кроме того, предлагаемый способ работы может позволить проблемы экологической чистоты двигателя путем сжигания топлива до конечных продуктов окисления углеводородов с образованием в отработавших газах минимального количества токсичных компонентов.

Существенными признаками изобретения являются:
- заполнение цилиндра двигателя воздухом;
- сжатие воздуха в цилиндре поршнем;
- нагнетание топлива в распылитель;
- отжимание клапана распылителя от своего седла в направлении потока топлива;
- впрыск топлива через зазор между клапаном и седлом;
- впрыск топлива ширококонусным полым факелом в расположенную в поршне камеру сгорания;
- создание в камере сгорания вихревых движений воздуха;
- сжигание топлива;
- выпуск отработавших газов.

Перечисленные существенные признаки являются общими с прототипом. Далее следует совокупность существенных признаков, отличающихся от прототипа:
- добавление топлива в воздух, заполняющий цилиндр, с образованием бедной топливовоздушной смеси;
- осуществление впрыска топлива в камеру сгорания со средней удельной скоростью более 0,0025 1/град. п.к.в.

Приведенные существенные признаки обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Далее приведены признаки, характеризующие заявляемый способ в частных случаях его выполнения:
- осуществление добавки топлива путем впрыска дозированного его количества во впускной канал головки цилиндра двигателя на такте впуска;
- регулирование цикловой подачи добавляемого топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя;
- подогрев добавляемого топлива;
- регулирование степени подогрева добавляемого топлива в зависимости от температуры головки цилиндра двигателя;
- регулирование степени подогрева добавляемого топлива в зависимости от температуры воздуха, заполняющего цилиндр;
- использование в качестве впрыскиваемого в камеру сгорания и добавляемого разных видов топлива;
- использование в качестве топлива нефти.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом заключается в следующем:
- заполнение цилиндра двигателя на такте впуска бедной топливовоздушной смесью и сжатие ее поршнем приводит к тому, что в камере сгорания к моменту начала впрыска в нее топлива образуется среда, подготовленная к воспламенению;
- впрыск топлива с высокой удельной средней скоростью в камеру сгорания, осуществляемый в виде ширококонусного полого факела через зазор распылителя, открывающегося по потоку топлива, позволяет быстро заполнить камеру сгорания мелкораспыленным топливом, равномерно распределенным по объему;
- из-за наличия в камере сгорания подготовленной к воспламенению бедной топливовоздушной смеси, период задержки воспламенения вспрыскиваемого в камеру сгорания топлива резко сокращается (см. 9. З.А.Хандов и др. Работа судового дизеля с двухфазной подачей топлива. - Л.: Судпромгиз, 1963, с. 9 - 10);
- впрыскиваемое топливо быстро воспламеняется по мере поступления в камеру сгорания, а поскольку оно равномерно распределяется по объему камеры сгорания, то быстро и с максимальной эффективностью сгорает при положении поршня вблизи ВМТ, чему способствуют также и вихри, создаваемые в камере сгорания;
- оптимальная организация процесса смесеобразования и сгорания позволяет эффективно использовать для работы разные виды топлива, в том числе и нефть;
- дозированная подача добавляемого топлива во впускной канал головки цилиндра двигателя на такте впуска позволяет избежать потерь добавляемого топлива и хорошо смешать его с воздухом, заполняющим цилиндр;
- регулирование цикловой подачи добавляемого топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя позволяет использовать это топливо с максимальной эффективностью во всем диапазоне названных режимов работы двигателя;
- подогрев добавляемого топлива позволяет быстрее испарить его и лучше перемешать с воздухом, заполняющим цилиндр, с образованием более однородной бедной топливовоздушной смеси, которая быстрее проходит процессы подготовки к воспламенению;
- регулирование подогрева добавляемого топлива в зависимости от температур головки цилиндра и воздуха, заполняющего цилиндр, позволяет использовать это топливо с максимальной эффективностью во всем диапазоне температурных режимов работы двигателя;
- использование разных видов топлива позволяет оптимально сочетать физико-химические свойства топлив с особенностями рабочего процесса двигателя и получать при этом максимальную экономичность и минимальную токсичность отработавших газов;
- использование широкого спектра топлива, в том числе и нефти, позволяет не зависить от поставок определенного сорта топлива и резко снизить затраты на эксплуатацию двигателя.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают повышение экономичности и снижение токсичности отработавших газов двигателя.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема двигателя, работающего по заявленному способу; на фиг. 2 изображен увеличенный местный разрез двигателя по камере сгорания; на фиг. 3 изображены зависимости давления в цилиндре двигателя, скорости тепловыделения и хода клапана распылителя от угла поворота коленчатого вала двигателя при положении поршня около ВМТ такта сжатия.

Двигатель, работающий по заявляемому способу, содержит цилиндр 1 (фиг. 1) и головку 2 цилиндра 1. В цилиндре 1 расположен поршень 3 с камерой сгорания 4. В головке 2 размещена форсунка 5 для впрыска топлива в камеру сгорания 4. Головка 2 снабжена впускным каналом 6, перекрываемым впускным клапаном 7. На головке 2 закреплен впускной патрубок 8 с размещенной на нем форсункой 9 для впрыска добавляемого топлива во впускной канал 6.

Форсунка 5 содержит распылитель 10 (фиг. 2), клапан 11 которого открывается по потоку топлива. Клапан 11 расположен в расточке корпуса 12 распылителя 10 и вместе со своим седлом 13 на корпусе 12 образует зазор для впрыска топлива в камеру сгорания 4. Максимальная величина зазора определяется ходом n_клmax клапана 11 от положения на седле 13 до положения на упоре (не показан) в корпусе 12.

Двигатель работает следующим образом.

На такте впуска воздух через открытый впускной клапан 7 заполняет цилиндр 1. При этом измеряют температуры воздуха и головки 2, в зависимости от величин этих температур подогревают добавляемое топливо и через форсунку 9 впрыскивают дозированное его количество во впускной канал 6 головки 2. Цикловая подача добавляемого топлива отрегулирована в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами работы двигателя.

На такте сжатия поршень 3 сжимает в цилиндре 1 бедную смесь 14 (фиг. 2) добавляемого топлива с воздухом, при этом топливо равномерно перемешивается с воздухом, испаряется и подготавливается к воспламенению. При подходе поршня 3 к ВМТ топливовоздушная смесь 14 выжимается из зазора между головкой 2 и поршнем 3 в камеру сгорания 4, образуя в ней вихревые движения 15 (фиг. 2). При этом топливоподающая аппаратура (не показана) двигателя повышает давление топлива в распылителе 10 перед клапаном 11, который давлением топлива отжимается от своего седла 13 в направлении потока топлива, и через зазор между клапаном 11 и его седлом 13 начинается впрыск топлива в камеру сгорания 4 в виде ширококонусного полого факела 16 (фиг. 2).

Параметры топливоподающей аппаратуры двигателя выбраны таким образом, что средняя удельная скорость впрыска топлива более 0,0025 1/град. п.к. в, что позволяет подать топливо за короткий промежуток времени, соответствующий углу поворота коленчатого вала двигателя ϕ_впр ϕ_i (фиг. 3, кривая 17, показывающая зависимость перемещения n_кл клапана 11 от угла поворота коленчатого вала), при положении поршня 3 вблизи ВМТ. Выходя из зазора между клапаном 11 и его седлом 13, топливо мелко распыливается в объем камеры сгорания 4, заполненный топливовоздушной смесью 14, которая подготовлена к воспламенению. Поэтому период задержки воспламенения dq/dϕ (фиг. 3) очень короткий, топливо начинает гореть и выгорает по мере поступления в камеру сгорания 4, обеспечивая плавный рост скорости тепловыделения (фиг. 3, кривая 18). В момент воспламенения кривая 19 изменения давления P в цилиндре (фиг. 3) отрывается от кривой 20 прокрутки плавно, что способствует уменьшению отрицательной работы сжатия и скорости нарастания давления. Вихревые движения 15 способствуют уносу продуктов сгорания из зоны реакции. Вследствие этого продолжительность сгорания ϕ_сг (фиг. 3) мала, и максимальное количество тепла выделяется при положении поршня 3 вблизи ВМТ (фиг. 3, кривая 18), что способствует более полному сгоранию топлива и максимальному использованию его теплосодержания. После завершения рабочего хода поршнем 3 отработавшие газы, имеющие низкую токсичность, выпускаются из цилиндра 1.

В связи с оптимальной организацией рабочего процесса в качестве топлива можно эффективно использовать дизельное топливо, бензин, керосин, моторное топливо, нефть, а также их смеси. При этом в качестве впрыскиваемого в камеру сгорания и добавляемого можно использовать как один вид топлива, так и разные виды топлива.

Таким образом, предлагаемый способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия обеспечивает повышение экономичности двигателя и снижение токсичности его отработавших газов.

Следует добавить, что при анализе заявляемого изобретения на соответствие критерию "Изобретательский уровень" выявлено два технических решения, которые содержат сходные с заявляемым способом отличительные признаки, а именно: способ работы газодизельного двигателя (см. [10] А.А.Равкинд. Унифицированные газовые дизельные двигателя. - М.: Недра, 1967, с. 39 - 41) и способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и раздельным впрыском топлива (см. [11] И.И.Гершман и др.Многотопливные дизели.- М.: Машиностроение, 1976, с. 46 - 47).

Для этих случаев работы двигателя формула (3) имеет вид:

где
a - доля суммарной цикловой подачи топлива, впрыскиваемая в камеру сгорания;
α_c - - суммарный коэффициент избытка воздуха.

На основании данных, приведенных в работах [5], [7], [10] и [11], определены максимально достижимые величины для этих случаев, которые составили:
- для газодизельного процесса (a=0,25; α_c = =1,73;
ϕ_впр = 13,5 град. п.к.в.)
= 0,000726 1/град. п.к.в.;
- для раздельного впрыска (a = 0,95; α_c = 1,5;
ϕ_впр = 18 град. п.к.в).

0,00238 1/град. п.к.в.

Следовательно, приведенные способы работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия не могут быть противопоставлены заявленному изобретению из-за недостаточно высокой скорости подачи топлива в камеру сгорания.

Изобретение относится к способам работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. На такте впуска дозированное количество подогретого добавляемого топлива, отрегулированное в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя, впрыскивают во впускной канал головки цилиндра двигателя. Сжимают образовавшуюся бедную топливовоздушную смесь в цилиндре поршнем, нагнетают топливо в распылитель и отжимают клапан распылителя от своего седла в направлении потока топлива. В камере сгорания, расположенной в поршне, создают вихревые движения бедной топливовоздушной смеси. Через зазор между клапаном и седлом впрыскивают топливо ширококонусным полым факелом в камеру сгорания. Впрыск топлива осуществляют со средней удельной скоростью более 0,0025 1/градуса поворота коленчатого вала, при этом величину скорости определяют как отношение величины цикловой подачи топлива в камеру сгорания к произведению величин циклового расхода воздуха и действительной продолжительности впрыска топлива в камеру сгорания. Способ повышает экономичность и снижает токсичность отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, заключающийся в том, что цилиндр двигателя заполняют воздухом, сжимают воздух в цилиндре поршнем, нагнетают топливо в распылитель, отжимают клапан распылителя от своего седла в направлении потока топлива, через зазор между клапаном и седлом впрыскивают топливо ширококонусным полым факелом в расположенную в поршне камеру сгорания, в которой создают вихревые движения воздуха, сжигают топливо и выпускают отработавшие газы, отличающийся тем, что в воздух, заполняющий цилиндр, добавляют топливо с образованием бедной топливо-воздушной смеси, а впрыск топлива в камеру сгорания осуществляют со средней удельной скоростью определяемой из соотношения

где g_т.ц.к. - цикловая подача топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, г/цикл,
g_в.ц. - цикловой расход воздуха, г/цикл,
ϕ_впр.- действительная продолжительность впрыска топлива в камеру сгорания в градусах угла поворота коленчатого вала двигателя, град.п.к.в. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что добавку топлива осуществляют путем впрыска дозированного его количества во впускной канал головки цилиндра двигателя на такте впуска. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что цикловую подачу добавляемого топлива регулируют в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавляемое топливо подогревают. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что степень подогрева добавляемого топлива регулируют в зависимости от температуры головки цилиндра двигателя. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что степень подогрева добавляемого топлива регулируют в зависимости от температуры воздуха, заполняющего цилиндр. 7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что в качестве впрыскиваемого в камеру сгорания и добавляемого используют разные виды топлива. 8. Способ по пп.1 - 7, отличающийся тем, что в качестве топлива используют нефть.