СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 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 работы ДВС является организация экологически чистого горения. В современных ДВС для этого используют топливно-воздушные смеси (ТВС) бедного состава (О.И.Жегалин и др. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1985). Однако данный метод, не обеспечивая достаточного эффекта, создает проблемы с воспламенением бедных смесей и их устойчивым горением. Известно, что облегчение воспламенения бедных ТВС можно достичь путем увеличения температуры сжатия горючей смеси за счет поднятия степени сжатия. Известные ДВС не позволяют достичь высоких степеней сжатия из-за недостаточной механической прочности обычных конструкций и из-за ограничения, связанного с возможностью возникновения детонационного режима горения.

Известен способ работы ДВС, в котором для создания высоких степеней сжатия 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 отличается 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 B 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 достаточное повышение температуры бедной ТВС для ее надежного воспламенения без увеличения степени сжатия. Реализация такого способа приведет к снижению содержания вредных компонентов в выхлопных газах, так как предлагаемый способ, с одной стороны, позволит использовать бедные смеси, а с другой - обеспечит эффективное перемешивание ТВС и устойчивое турбулентное горение. Способ обеспечит снижение возможности возникновения детонации. Предлагаемый способ не сопровождается 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 двухстадийное сжатие ТВС осуществляют 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 = (1.5-2)T₀, где T₀ - начальная температура ТВС, затем осуществляют перепуск нагретой ТВС в пространство цилиндра за перегородкой и проводят вторую стадию сжатия ТВС при движении поршня к верхней мертвой точке до достижения температуры T_с = (4.2-7.8)T₀ 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-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 до температуры T_с движением поршня к верхней мертвой точке.

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 до температуры T₁ 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 T_с, 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 T_с, после чего повторяют двухстадийное неизоэнтропическое сжатие ТВС на втором такте сжатия двигателя с T₀ = T_с.

В предлагаемом способе можно использовать ТВС с коэффициентом избытка воздуха более 2.5.

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 повышать температуру смеси до величины порядка 700-1000 K в 4-тактном и до 2000 K и более в 6-тактном ДВС 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 повысить температуру ТВС, повторно сжимая ее до того же максимального давления.

Увеличение температуры сжатия позволяет осуществить воспламенение и устойчивое турбулентное горение ТВС очень бедного состава, расширяет класс используемых топлив, обеспечивает снижение возможности возникновения детонации. Использование бедных смесей позволяет снизить температуру горения смеси и тем самым уменьшить концентрацию окислов азота в выхлопных газах, а избыток окислителя приводит к значительному уменьшению и окиси углерода в продуктах сгорания. Из-за снижения рабочей температуры уменьшатся тепловые потери и, следовательно, увеличится термодинамический КПД двигателя. Наличие стадии перетекания смеси через отверстие в перегородке во вторую секцию цилиндра приведет к эффективной турбулизации потока, гомогенному перемешиванию топлива с воздухом, что способствует полноте химического превращения топлива. Увеличение температуры сжатия достигается без увеличения степени сжатия, т. е. без необходимости усиления механической прочности двигателя и увеличения его веса.

В таблице приведены сравнительные данные расчета относительной температуры сжатия T_с/T₀ (T₀ = 300 K) при фиксированном конечном давлении сжатия P_с для ДВС с искровым зажиганием (степень сжатия 8, P_с = 16 атм), для двигателя с воспламенением от сжатия (ДВСЖ) (степень сжатия 20, P_с = 61 атм) в обычном одностадийном режиме (изоэнтропическое сжатие "ИЭС") и при использовании неизоэнтропического сжатия "НИЭС" по предлагаемому способу до той же величины P_с в 4-тактном (I) и 6-тактном (II) ДВС, а также экспериментальные данные, полученные на модельной установке импульсного сжатия со свободным поршнем.

Как видно из таблицы применение неизоэнтропического сжатия обеспечивает повышение температуры в цилиндре ДВС до 700-2300 K. При экспериментальной проверке воспламенения ТВС было установлено, что при работе в неизоэнтропическом режиме по предлагаемому способу благодаря достижению таких высоких температур удается воспламенять метано-воздушные смеси очень бедного состава: CH₄/воздух < 4/100, т.е. с коэффициентом избытка воздуха более 2.5.

Наличие операции перепуска смеси приводит к эффективной турбулизации потока и надежному гомогенному перемешиванию топлива с воздухом, поэтому при осуществлении предлагаемого способа в модельной установке при раздельной подаче метана и воздуха в цилиндр наблюдалось устойчивое горение метано-воздушных смесей очень бедного состава.

Увеличение температуры сжатия для обеспечения воспламенения очень бедных смесей практически недостижимо при обычном одностадийном сжатии в существующих ДВС, из-за ограниченной степени сжатия (например, менее 10 для ДВС с искровым зажиганием), определяемой механической прочностью шатунно-поршневой группы.

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 (чертеж, a, b, c) или подвижный цилиндр (чертеж, d) и неподвижную (чертеж, a, d) или подвижную (чертеж, b, c) перегородку 3 с отверстием 4 с клапаном 5 или обводными каналами (чертеж, c);
- 6-тактный двигатель (чертеж, 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 в пространстве цилиндра 2 до перегородки 3 при закрытом отверстии 4, предварительно нагревая ее сжатием до температуры T₁, в 1.5-2 раза превышающую начальную. В конце первой стадии сжатия с помощью клапана 5 открывается отверстие 4 (чертеж, a, b, d) или обводные каналы 6 (чертеж, 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_с, более высокой по сравнению с температурой одностадийного сжатия при одинаковом конечном давлении. Если перегородка неподвижна, то поршень достигает ВМТ непосредственно у перегородки (чертеж, a). Если перегородка (чертеж, b, c) или цилиндр с перегородкой (чертеж, d) подвижны, то во второй стадии сжатия поршень движется вместе с перегородкой, сжимая смесь во второй секции цилиндра до более высокой конечной температуры. 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 движением поршня 1 к ВМТ (чертеж, a) осуществляется 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 до температуры T_с > T₁ движением поршня к ВМТ.

Для получения максимального эффекта (максимального увеличения температуры) 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 в пространстве цилиндра 2 до перегородки 3 при закрытом отверстии 4, предварительно нагревая ее сжатием до температуры T₁, в 1.5-2 раза превышающую начальную. В конце первой стадии сжатия с помощью клапана 5 открывается отверстие 4 (чертеж, 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 сжатия на 1-м такте сжатия при дальнейшем движении поршня к перегородке 3, при этом нагретая ТВС досжимается до температуры T_с. 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 T_с 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 с новой более высокой начальной температурой T₀ = T_с, при этом конечная температура 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 осуществить воспламенение и устойчивое турбулентное горение ТВС очень бедного состава в ДВС без усиления механической прочности двигателя и увеличения его веса при существенном уменьшении вредных компонентов в выхлопных газах, увеличить полноту химического превращения, снизить возможность возникновения детонации, расширить класс используемых топлив и за счет уменьшения тепловых потерь, увеличить термодинамический КПД двигателя.

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, отличается тем, что двухстадийное сжатие топливно-воздушной смеси осуществляют 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 = (l,5-2)T_o, где T_o - 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 при движении поршня к верхней мертвой точке до достижения температуры Т_c = (4,2-7,8)T_o с последующим воспламенением и сгоранием топливно-воздушной смеси. Рассмотрены случаи 4- и 6-тактных двигателей. Изобретение обеспечивает воспламенение и устойчивое турбулентное горение топливно-воздушной смеси бедного состава, увеличить термодинамический КПД двигателя. 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 двухстадийное сжатие топливно-воздушной смеси осуществляют 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 = (1,5 - 2)T_O, где T_O - 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 при движении поршня к верхней мертвой точке до достижения температуры T_С = (4,2 - 7,8)T_O 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 к 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 до температуры T_C движением поршня к верхней мертвой точке. 6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при использовании 6-тактного двигателя двухстадийное неизоэнтропическое сжатие осуществляют на каждом такте сжатия 6-тактного двигателя, для чего на первом такте сжатия двигателя после первой стадии сжатия топливно-воздушной смеси до температуры T₁ 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 T_C, 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 T_C, после чего повторяют двухстадийное неизоэнтропическое сжатие топливно-воздушной смеси на втором также сжатия двигателя с T_О = T_C. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что используют топливно-воздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха более 2,5.