СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B75/02 F02B23/00 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в автомобильной промышленности и машиностроении.

Одной из основных проблем ДВС является увеличение удельной мощности двигателя, повышение экономичности при сохранении его компактности. В современных ДВС [Ваншейдт В.А. Дизели. Л: Машиностроение, 1977] для этих целей организуется турбонаддув, что позволяет увеличить количество топливно-воздушной смеси, сгораемой в цилиндре. Для сохранения конечной температуры сжатия в цилиндр вместе с воздухом подаются нагретые выхлопные газы. Однако указанный способ не обеспечивает достаточного повышения экономичности ДВС, требует механического упрочнения двигателя и, кроме того, возникают проблемы из-за ухудшения экологических характеристик ДВС.

Известен способ работы ДВС, в котором для облегчения воспламенения топливно-воздушной смеси (ТВС) и увеличения мощности двигателя используют дополнительную камеру сжатия малого объема, которую устанавливают в неподвижном корпусе на головке цилиндров с перемещающимся плунжером, и сообщенную с камерой сгорания через газораспределительные каналы (А.С. SU 28736, кл. F 02 P 5/10, 1929). Рабочая смесь воспламеняется от сжатия в дополнительной камере и через газораспределительные каналы воспламеняет рабочую смесь в основной камере сгорания двигателя. Данный способ требует существенного усложнения конструкции двигателя и не отягчается высокой удельной мощностью двигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ работы карбюраторного ДВС с воспламенением от сжатия (А.С. RU 2008456 C1, кл. F 02 В 23/00, з. 1990, п. 1994 г.), в котором сжатие ТВС осуществляют в две последовательные стадии, для чего в одноцилиндровом четырехтактном ДВС устанавливают дополнительный поршень, движение которого осуществляется при помощи блока пружин. Сжатие ТВС на первой стадии - до степени сжатия 6 - 7 ед. осуществляют движением основного поршня до верхней мертвой точки, что сопровождается одновременным сжатием блока пружин дополнительного поршня навстречу основному поршню, в результате чего степень сжатия возрастает до 19 - 20 ед., и происходит воспламенение ТВС. Сжатие блока пружин и их сброс осуществляется посредством упорной штанги, кинематически связанной с кривошипно- шатунным механизмом и коленчатым валом двигателя.

Недостатком описанного способа (прототипа) является организация воспламенения ТВС при высоких степенях сжатия, что резко увеличивает вероятность возникновения детонации и приводит к значительному увеличению механической нагрузки на шатунно-поршневую группу двигателя. Реализация способа потребует существенного усложнения и утяжеления конструкции ДВС. Кроме того, данный способ характеризуется недостаточно эффективным перемешиванием ТВС в цилиндре, что ведет к увеличению токсичности отработавших газов.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа работы ДВС, который обеспечил бы увеличение удельной мощности и экономичности ДВС, надежное воспламенения ТВС без увеличения степени сжатия и не сопровождался бы увеличением механических нагрузок на двигатель.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом работы ДВС, включающим впуск в цилиндр с поршнем ТВС, сжатие ее в двух последовательных стадиях, воспламенение и сгорание, в котором ТВС увеличенной массы подают в цилиндр под давлением P₀ = 2.3 - 6.2 атм и затем осуществляют двухстадийное сжатие ТВС в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, для чего используют цилиндр, разделенный поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска ТВС, и на первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке производят нагрев ТВС сжатием до температуры T₁ = (1.3 - 1.8)T₀, где Т₀ - начальная температура ТВС, затем осуществляют перепуск нагретой ТВС в пространство цилиндра за перегородкой и проводят вторую стадию сжатия ТВС увеличенной массы при движении поршня к верхней мертвой точке до достижения температуры Т_c = (2 - 3)Т₀ и давления P_c, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатий, с последующим воспламенением и сгоранием ТВС.

При использовании в предлагаемом способе 4-тактного двигателя перепуск ТВС осуществляют через отверстие с клапаном в неподвижной или подвижной поперечной перегородке или через обводные каналы, открываемые подвижной непроницаемой перегородкой в конце первой стадии сжатия.

При использовании в предлагаемом способе 4-тактного двигателя сжатие и перепуск ТВС осуществляют через отверстие с клапаном в неподвижной поперечной перегородке в подвижном цилиндре в конце первой стадии сжатия
При использовании в предлагаемом способе 6-тактного двигателя с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, перепуск ТВС осуществляют через отверстие с клапаном в неподвижной поперечной перегородке.

При использовании в предлагаемом способе 6-тактного двигателя последовательные стадии двухстадийного неизоэнтропического сжатия можно совмещать с тактами сжатия 6-й тактного двигателя, для чего первую стадию сжатия ТВС до температуры T₁ проводят при открытом отверстии в перегородке движением поршня к верхней мертвой точке, после чего отверстие в перегородке закрывают и осуществляют холостой ход поршня к нижней мертвой точке, в конце которого отверстие в перегородке открывают и производят заполнение цилиндра ТВС с температурой T₁, затем проводят вторую стадию сжатия ТВС увеличенной массы движением поршня к верхней мертвой точке до температуры T_c и давления P_c, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия
При использовании в предлагаемом способе 6-тактного двигателя двухстадийное неизоэнтропическое сжатие можно осуществлять на каждом такте сжатия 6-тактного двигателя, для чего на первом такте сжатия двигателя после первой стадии сжатия ТВС увеличенной массы открывают отверстие и осуществляют перепуск нагретой ТВС в пространство цилиндра за перегородкой, затем проводят вторую стадию сжатия на первом такте сжатия двигателя движением поршня к верхней мертвой точке до температуры T₁, после чего отверстие в перегородке закрывают и осуществляют холостой ход поршня к нижней мертвой точке, в конце которого отверстие в перегородке открывают и производят заполнение цилиндра ТВС с температурой T₁, после чего повторяют двухстадийное неизоэнтропическое сжатие ТВС увеличенной массы на втором такте сжатия двигателя с T₀ = T₁ до температуры T_c и давления P_c, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия.

В предлагаемом способе при использовании дизельного двигателя сжатию подвергают воздух.

Предлагаемый способ был разработан на основе детальных теоретических и экспериментальных исследований процесса сжатия ТВС в ДВС и на модельной установке при нахождении взаимосвязи таких параметров процесса, как состав ТВС, степень сжатия смеси, ее давление и температура.

Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности без увеличения максимального давления сжатия достигать температуры воспламенения смеси увеличенной массы в постоянном объеме цилиндра путем увеличения начального давлении при ее сжатии в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии. Подобный режим достигается разделением такта сжатия на две стадии, между которыми производят необратимый перепуск предварительно нагретой (на первой стадии сжатия) смеси в пространство цилиндра, отделенное перегородкой. Обычно сжатие ТВС в ДВС (в идеализированном случае без тепловых потерь) является обратимым адиабатическим процессом, протекающим без изменения энтропии. Разделение этого процесса на две стадии необратимым перепуском приводит к увеличению энтропии с падением давления в цилиндре, но с сохранением температуры ТВС, что позволяет на второй стадии сжатия достичь температуры, необходимой для надежного воспламенения ТВС, повторно сжимая ее до того же максимального давления. Использование неизоэнтропического сжатия позволяет увеличить удельную мощность и экономичность ДВС, так как предусматривает использование ТВС увеличенной массы за счет применения турбонаддува, при этом не требуется ее начальный подогрев. Необходимая температура сжатия для надежного воспламенения ТВТ искрой или сжатием достигается без увеличения конечного давления сжатия, т.е. сжатие смеси не сопровождается увеличением механических нагрузок на двигатель.

В таблице приведены сравнительные данные расчета начального давления P₀ ТВС при фиксированных конечных параметрах сжатия - относительной температуры T_c/T₀ и давлении сжатия P_c для ДВС с искровым зажиганием (степень сжатия 8, T_c/T₀ = 2, P_c = 16 атм), для дизельного двигателя (степени сжатия 20, T_c/T₀ = 3.12, P_c = 61 атм) в обычном одностадийном режиме (изоэнтропическое сжатие "ИЭС") и при использовании неизоэнтропического сжатия "НИЭ" ТВС увеличенной массы по предлагаемому способу в 4-тактном (I) и 6-тактном (II) искровом ДВС и дизеле при сжатии до конечной температуры T_c и давления P_c, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия, а также экспериментальные данные, полученные на модельной установке импульсного сжатия со свободным поршнем.

Как видно из таблицы применение неизоэнтропического сжатия обеспечивает повышение начального давления ТВТ в цилиндре до 2.3 - 6.2 атм. При экспериментальной проверке воспламенения ТВС было установлено, что при работе в неизоэнторпическом режиме по предлагаемому способу в постоянном объеме цилиндра удается воспламенять сжатием метано-воздушные смеси стехиометрического состава увеличенной более, чем вдвое массы при неизменном конечном давлении сжатия.

Воспламенение ТВС увеличенной массы практически недостижимо при обычном одностадийном сжатии в существующих ДВС с искровым зажиганием или с воспламенением от сжатия, из-за ограниченной степени сжатия, определяемой механической прочностью шатунно-поршневой группы, но может быть легко реализовано при неизоэнтропическом режиме сжатия - с увеличением энтропии в предлагаемом способе.

Полученные нами экспериментальные данные позволили предложить способ работы ДВС, принципиально отличающийся от известных.

На чертеже представлены схемы ДВС для реализации предлагаемого способа. ДВС включает поршень 1, движущийся в цилиндре 2 с перегородкой 3, в котором:
- 4-тактный двигатель содержит неподвижный (схемы a, b, c) или подвижный цилиндр (схема d) и неподвижную (схемы a, d) или подвижную (схемы b, c) перегородку 3 с отверстием 4 с клапаном 5 или обводными каналами (схема c);
- 6-тактный двигатель (схема a) содержит в неподвижном цилиндре неподвижную перегородку 3 с отверстием 4 с клапаном 5.

Подвижная перегородка или подвижный цилиндр с неподвижной перегородкой может быть связан, например, через кожух штока клапана 7 или другим способом с механическим приводом или пружиной 8.

Неизоэнтропический режим сжатия с увеличением энтропии при работе 4-тактного ДВС осуществляется следующим образом.

Поршень 1 при своем поступательном движении сжимает ТВС увеличенной массы (при повышенном начальном давления ТВТ в цилиндре) в пространстве цилиндра 2 до перегородки 3 при закрытом отверстии, предварительно нагревая ее сжатием до температуры T₁, в 1.3 - 1.8 раз превышающую начальную. В конце первой стадии сжатия с помощью клапана 5 открывается отверстие 4 (схемы a, b, d) или обводные каналы 6 (схема c) и основная масса предварительно нагретой ТВС перетекает во второй объем цилиндра за перегородкой. При этом смесь тормозится, восстанавливая свою температуру во второй секции цилиндра при меньшем давлении, т. е. энтропия смеси возрастает. Во второй стадии сжатия при дальнейшем движении поршня нагретая ТВС досжимается до конечной температуры T_c и давления P_c, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия. Если перегородка неподвижна, то поршень достигает ВМТ непосредственно у перегородки (схема a). Если перегородка (схемы b, c) или цилиндр с перегородкой (схема d) подвижны, то во второй стадии сжатия поршень движется вместе с перегородкой, сжимая смесь во второй секции цилиндра до конечных параметров - температуры T_c и давления P_c. Перемещение перегородки может быть синхронизировано с движением поршня через кожух штока клапана 7 и внешнюю механическую связь с коленчатым валом или другим способом, или автоматически определяться упругими элементами (пружиной 8).

Неизоэнтропический режим сжатия с увеличением энтропии при работе 6-тактного ДВС с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, осуществляется либо при совмещении последовательных двух стадий неизоэнтропического сжатия с тактами сжатия 6-тактного двигателя, либо на каждом такте сжатия двигателя, что приводит к максимальному эффекту.

При совмещении двухстадийного неизоэнтропического сжатия с тактами сжатия 6-тактного двигателя первая стадия сжатия ТВС увеличенной массы (при повышенном начальном давления ТВТ в цилиндре) осуществляется движением поршня 1 к ВМТ (схема a) при открытом отверстии 4 в перегородке 3 (при этом температура ТВС повышается до T₁), после чего отверстие 4 в перегородке 3 закрывается клапаном 5, и осуществляется холостой ход поршня 1 к НМТ. В конце холостого хода поршня отверстие 4 в перегородке открывается и происходит обратное заполнение цилиндра 2 ТВС с температурой T₁ при перепуске ее из верхнего объема цилиндра в нижний. При этом смесь тормозится, восстанавливая свою температуру в первой секции цилиндра при меньшем давлении, т.е. энтропия ТВС возрастает. Диаметр отверстия в перегородке выбирается таким образом, чтобы характерное время истечения смеси t₁ было бы сопоставимо с временем пребывания поршня в НМТ t₂, т.е. t₁~t₂. Затем проводится (на втором такте сжатия 6-тактного двигателя) вторая стадия сжатия ТВС увеличенной массы движением поршня к ВМТ до температуры T_c и давления P_c, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия.

Для получения максимального эффекта (максимального увеличения массы ТВС) неизоэнтропический режим сжатия с увеличением энтропии при работе 6-тактного ДВС с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, осуществляется на каждом такте сжатия 6-тактного двигателя, для чего в первом такте сжатия аналогично сжатию в 4-тактном ДВС поршень 1 при своем поступательном движении сжимает ТВС увеличенной массы (при повышенном начальном давления ТВТ в цилиндре) в пространстве цилиндра 2 до перегородки 3 при закрытом отверстии 4, предварительно нагревая ее сжатием. В конце первой стадии сжатия с помощью клапана 5 открывается отверстие 4 (схема a) и основная масса предварительно нагретой ТВС перетекает во второй объем цилиндра за перегородкой. При этом смесь тормозится, восстанавливая свою температуру во второй секции цилиндра при меньшем давлении, т.е. ее энтропия возрастает. Затем происходит вторая стадия на 1-ом такте сжатия при дальнейшем движении поршня к перегородке, при этом нагретая ТВС досжимается до температуры T₁. При достижении поршнем ВМТ непосредственно у перегородки (конец 1-го такта сжатия 6- тактного двигателя) клапан 5 закрывает отверстие 4 в перегородке и осуществляется холостой ход. В такте холостого хода при возвратном движении поршня вблизи НМТ открывается клапан 5, в результате чего происходит заполнение цилиндра смесью с температурой T₁ при перепуске ее из верхнего объема цилиндра в нижний. При этом смесь тормозится, восстанавливая свою температуру в первой секции цилиндра при меньшем давлении, т.е. энтропия смеси еще более возрастает. Диаметр отверстия в перегородке выбирается таким образом, чтобы характерное время истечения смеси t₁ было бы сопоставимо с временем пребывания поршня в НМТ t₂, т.е. t₁~t₂. На втором такте сжатия поршень повторяет, как описано выше, двухстадийное неизоэнтропическое сжатие ТВС увеличенной массы до конечных параметров - температуры T_c и давления P_c, с новой более высокой начальной температурой T₀ = T₁, при этом начальная масса ТВС значительно выше, чем при работе 4-тактного ДВС с неизоэнтропическим режимом сжатия с увеличением энтропии и 6-тактного двигателя при совмещении двухстадийного неизоэнтропического сжатия с тактами сжатия.

Использование заявляемого изобретения позволит увеличить удельную мощность и экономичность ДВС без увеличения механических нагрузок на двигатель.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в автомобильной промышленности и машиностроении. Предлагаемый способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в цилиндр с поршнем топливно-воздушной смеси, сжатие ее в двух последовательных стадиях, воспламенение и сгорание, причем топливно-воздушную смесь увеличенной массы подают в цилиндр под давлением P₀ = 2,3 - 6,2 атм и затем осуществляют двухстадийное сжатие топливно-воздушной смеси в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, для чего используют цилиндр, разделенный поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска топливно-воздушной смеси, и на первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке производят нагрев сжатием топливно-воздушной смеси до температуры Т₁ = (1,3 - 1,8)Т₀, где Т₀ - начальная температура топливно-воздушной смеси, затем осуществляют перепуск нагретой топливно-воздушной смеси в пространство цилиндра за перегородкой и проводят вторую стадию сжатия топливно-воздушной смеси увеличенной массы при движении поршня к верхней мертвой точке до достижения температуры Т_c = (2 - 3)Т₀ и давления P_c, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия, с последующим воспламенением и сгоранием топливно-воздушной смеси. Использование предлагаемого изобретения позволит увеличить удельную мощность и экономичность ДВС без увеличения механических нагрузок на двигатель. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в цилиндр с поршнем топливно-воздушной смеси, сжатие ее в двух последовательных стадиях, воспламенение и сгорание, отличающийся тем, что топливно-воздушную смесь увеличенной массы подают в цилиндр под давлением P_о = 2,3 - 6,2 атм и затем осуществляют двухстадийное сжатие топливно-воздушной смеси в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, для чего используют цилиндр, разделенный поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска топливно-воздушной смеси, и на первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке производят нагрев сжатием топливно-воздушной смеси до температуры T₁ = (1,3 - 1,8) T_о, где T_о - начальная температура топливно-воздушной смеси, затем осуществляют перепуск нагретой топливно-воздушной смеси в пространство цилиндра за перегородкой и проводят вторую стадию сжатия топливно-воздушной смеси увеличенной массы при движении поршня к верхней мертвой точке до достижения температуры T_с = (2-3) T_о и давления P_с, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия, с последующим воспламенением и сгоранием топливно-воздушной смеси. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании 4-тактного двигателя перепуск топливно-воздушной смеси осуществляют через отверстие с клапаном в неподвижной или подвижной поперечной перегородке или через обводные каналы, открываемые подвижной непроницаемой перегородкой в конце первой стадии сжатия. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании 4-тактного двигателя сжатие и перепуск топливно-воздушной смеси осуществляют через отверстие с клапаном в неподвижной поперечной перегородке в подвижном цилиндре в конце первой стадии сжатия. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании 6-тактного двигателя с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, перепуск топливно-воздушной смеси осуществляют через отверстие с клапаном в неподвижной поперечной перегородке. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при использовании 6-тактного двигателя последовательные стадии двухстадийного неизоэнтропического сжатия совмещают с тактами сжатия 6-тактного двигателя, для чего первую стадию сжатия топливно-воздушной смеси до температуры T₁ проводят при открытом отверстии в перегородке движением поршня к верхней мертвой точке, после чего отверстие в перегородке закрывают и осуществляют холостой ход поршня к нижней мертвой точке, в конце которого отверстие в перегородке открывают и производят заполнение цилиндра топливно-воздушной смесью с температурой T₁, затем проводят вторую стадию сжатия топливно-воздушной смеси увеличенной массы движением поршня к верхней мертвой точке до температуры T_с и давления P_с, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия. 6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при использовании 6-тактного двигателя двухстадийное неизоэнтропическое сжатие осуществляют на каждом также сжатия 6-тактного двигателя, для чего на первом такте сжатия двигателя после первой стадии сжатия топливно-воздушной смеси увеличенной массы открывают отверстие и осуществляют перепуск нагретой топливно-воздушной смеси в пространство цилиндра за перегородкой, затем проводят вторую стадию сжатия на первом такте сжатия двигателя движением поршня к верхней мертвой точке до температуры T₁, после чего отверстие в перегородке закрывают и осуществляют холостой ход поршня к нижней мертвой точке, в конце которого отверстие в перегородке открывают и производят заполнение цилиндра топливно-воздушной смесью с температурой T₁, после чего повторяют двухстадийное неизоэнтропическое сжатие топливно-воздушной смеси увеличенной массы на втором такте сжатия двигателя с T_о = T₁ до температуры T_с и давлении P_с, сопоставимых с конечной температурой и давлением обычного одностадийного сжатия. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что при использовании дизельного двигателя сжатию подвергают воздух.