СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B1/06 F02B3/06 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям со сжиганием горючей смеси, а также к двигателям со сжатием воздуха и последующей подачи топлива с самовоспламенением, в частности к рабочим процессам данных двигателей.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем осуществления цикловой подачи топлива, сжатия рабочей смеси (воздуха) и установки угла опережения зажигания (начала подачи топлива), который можно проследить на примере теплового расчета двигателей (карбюраторного и дизеля), (см. И.М. Ленин "Теория автомобильных и тракторных двигателей". Машиностроение., М., 1969 г., с. 330 - 363).

В известном способе работы двигателя внутреннего сгорания прежде всего задаются составом горючей смеси, характеризуемой коэффициентом избытка воздуха α, являющимся основой выбора цикловой подачи топлива. Значение коэффициента α = 0,9 - 1,5 (где для карбюраторных двигателей α = 0,9 - 1, а для дизельных α = 1,2 - 1,5). Полученные значения цикловой подачи топлива вводят в двигатель. Затем выбирают степень сжатия рабочего тела (термодинамическая степень сжатия есть отношение удельного объема рабочего тела в начале сжатия V_a к удельному объему в конце сжатия V_c) и подбирают угол опережения зажигания (начала подачи топлива).

Известно, что с повышением степени сжатия растет КПД и теоретический и эффективный. Но на протяжении десятков лет (1969 - 1999 гг.) значения степеней сжатия остались практически неизменными. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания имеют степень сжатия ε = 10, а дизельные ε = 15-17 в массовом производстве. Это объясняется тем, что реализовать повышение КПД за счет повышения степени сжатия в настоящее время не представляется возможным из-за того, что повышение степени сжатия при постоянстве цикловой подачи приводит к дальнейшему повышению температуры продуктов сгорания выше 2000^oC, что соответственно вызывает повышение степени диссоциации продуктов сгорания, уменьшает теплоту сгорания, а следовательно, не приводит к повышению КПД (см. И. М. Ленин "Теория автомобильных и тракторных двигателей". Машиностроение, М., 1969 г., с 122 - 124).

Кроме того, в двигателях внутреннего сгорания состав горючей смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха α = 0,9 - 1,5. Из-за малого количества молекул кислорода для окисления и недостаточности времени (~ 0,01 с) для нахождения молекулами кислорода молекул углерода и водорода отсутствуют условия для качественного сгорания топлива, что приводит к токсичности выхлопных газов. Следует отметить, что все попытки повышения степени сжатия в двигателях внутреннего сгорания наталкивались на детонационное сгорание в карбюраторных двигателях и на жесткую работу в дизельных двигателях, приводящие к преждевременному износу и разрушению двигателя. Детонационное сгорание и жесткая работа двигателей связана с явлением диссоциации, а значит, с высокими температурами.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД двигателей внутреннего сгорания, уменьшение токсичности выхлопных газов, повышение надежности двигателей за счет исключения явления диссоциации продуктов сгорания.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания путем осуществления цикловой подачи топлива, сжатия рабочей смеси (воздуха) и установки угла опережения зажигания (начала подачи топлива), величину цикловой подачи топлива устанавливают до получения теоретической температуры его горения. Вводим ограничение максимальной температуры продуктов сгорания в рабочем цикле двигателя до теоретической температуры горения сжигаемого топлива, которая для всех видов топлива находится в пределах 2000^oC (см. М.Б. Равич, "Эффективность использования топлива". Наука, М., 1977 г., с. 101 и с. 315). При такой температуре не происходит явление диссоциации, а следовательно, связанные с ним негативные процессы (детонационное сгорание и жесткая работа соответственно для карбюраторного двигателя и дизеля), уменьшающие КПД.

Ограничение температуры до 2000^oC вызывает изменение состава горючей смеси в сторону обеднения, когда воздуха подается больше, что приводит к более качественному и полному сгоранию, а следовательно, к уменьшению токсичности выхлопных газов.

Соответственно данной теоретической температуре определяем необходимую цикловую подачу топлива, величина которой по сравнению с существующим способом будет меньше из-за ограничения температуры сгорания топлива.

Далее подбираем угол опережения зажигания (начала подачи топлива) до получения максимального давления в цилиндре данного двигателя.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания рассмотрим на примере карбюраторного двигателя при V_const.

Прежде всего определим теоретическую температуру горения сжигаемого топлива
t_тeop = t_max·0,94
t_max(бензин) = 2110^oC (табл. 153, М.Б. Равич "Эффективность использования топлива", М., Наука, 1977 г., с. 315)
t_тeop= 1983,4^oC~2000^oC
Задаемся различными значениями степеней сжатия, например ε = 10; ε = 15; ε = 20, и определим значения температуры конца сжатия рабочего тела T_с
Tc = Ta·ε^n-1,
где T_a - температура начала процесса сжатия (температура окружающей среды, равная + 27^oC)
T_a = 300K
n - показатель политропы сжатия, принимаем 1,37
при ε = 10 T_c = 300·10^0,37 = 640K
ε = 15 T_c = 300 · 15^0,37 = 763K
ε = 20 T_c = 300 · 20^0,37 = 865K
Определяем количество подводимой удельной теплоты для каждого значения степени сжатия
q = C_v(2273K - T_c),
где
C_v - средняя удельная теплоемкость рабочего тела при V_const в интервале температур от T_c до 2273K.

Для расчета принимаем C_v = 0,23 ккал/кг^oС
q(10) = 0,23(2273^o-640^o)=375 ккал/кг
q(15) = 0,23(2273^o-763^o)=346 ккал/кг
q(20) = 0,23(2273^o-865^o)=326 ккал/кг
Соответственно каждому значению q определяем цикловую подачу топлива
10000 ккал - 1000 г
375 ккал - X
X = 37,5 г/кг (для ε = 10)
X = 34,6 г/кг (для ε = 15)
X = 32,6 г/кг (для ε = 20)
Исходя из удельного объема воздуха 1 кг/м³ на 1 л объема, описываемого поршнем, необходимо подать 37,5 мг/л; 34,6 мг/л; 32,6 мг/л.

Определяем состав горючей смеси для каждой степени сжатия

где h_u - теплотворная способность топлива;
L₀ - теоретически необходимое количество воздуха (15 кг) для сгорания 1 кг топлива;
q - количество подведенной удельной теплоты к 1 кг рабочего тела



Определим степень повышения давления




Определим давление конца сжатия
P_c = P_a · 0,9 · εⁿ ,
где n = 1,37 (показатель политропы сжатия)
P_a = 1 кг/см³ - давление начала сжатия
P_c(10) = 1·0,9·10^0,37 = 16 кг/см²
P_c(15) = 1·0,9·15^0,37 = 31 кг/см²
P_c(20) = 1·0,9·20^0,37 = 50 кг/см²
Определяем максимальное давление цикла
P_z = P_c· λ
P_z(10) = 16·3,5 = 56 кг/см²
P_z(15) = 31·2,95 = 91 кг/см²
P_z(20) = 50·2,63 = 130 кг/см²
Определим термический КПД цикла




Удельная работа 1 кг рабочего тела определяется уравнением
Al₀ = η_t ·q
где A - тепловой эквивалент работы, равный
l_o - работа, выраженная в кгм.

Al_o(10) = 0,575·375 = 215 ккал/кг
Al₀(15) = 0,63·346 = 218 ккал/кг
Al₀(20) = 0,67·326 = 218 ккал/кг
На основании изложенного видно, что при постоянной максимальной температуре рабочего тела T_z = 2273^oK, которая исключает явление диссоциации, а вместе с тем негативные процессы (детонационное сгорание и жесткую работу) с повышением степеней сжатия, цикловые подачи уменьшаются, а максимальные давления в цикле повышаются. Термический КПД растет, а удельная работа остается на постоянном уровне при степени сжатия до ε = 20.

При степени сжатия ε > 20 удельная работа начинает уменьшаться, например Al₀(30) = 200 ккал/кг.

Значения максимальных давлений будут находиться в пределах выше достигнутого уровня в существующих двигателях. Высокие давления могут быть снижены путем подбора угла опережения зажигания (начала подачи топлива) до необходимых значений.

Углом опережения зажигания (начала подачи топлива) можно управлять процессом изменения максимальных давлений в цикле.

P_z = 130 кг/см² при ε = 20 в условиях V_const
P_z = P_c = 50 кг/см² при ε = 20 в условиях P_const
При смешанном цикле P_z будут находиться в интервале значений от 50 до 130 кг/см² при ε = 20.

При уменьшении удельной работы рабочего тела при высоких степенях сжатия необходимо повысить мощность двигателя путем увеличения расхода рабочего тела, применяя наддув или увеличивая число оборотов двигателя.

Итак, предложенный способ работы двигателя внутреннего сгорания позволяет повысить КПД двигателя за счет возможности применения повышенных значений степеней сжатия, уменьшить токсичность выхлопных газов за счет полного качественного сгорания при увеличенных значениях коэффициента избытка воздуха, повысить надежность двигателя за счет исключения явления диссоциации и с ним связанных явлений.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям со сжиганием горючей смеси, а также к двигателям со сжатием воздуха и последующей подачей топлива с самовоспламенением, в частности к рабочим процессам данных двигателей. Способ работы двигателя внутреннего сгорания включает цикловую подачу топлива до получения теоретической температуры его горения, увеличивая при этом степень сжатия рабочей смеси (воздуха) и подбирая угол опережения зажигания (начала подачи топлива) до получения максимального давления в цилиндре данного двигателя. Изобретение обеспечивает повышение КПД, понижение токсичности выхлопных газов, повышение надежности двигателя за счет исключения явления диссоциации продуктов сгорания.

Способ работы двигателей внутреннего сгорания путем осуществления цикловой подачи топлива, сжатия рабочей смеси (воздуха) и установки угла опережения зажигания (начала подачи топлива), отличающийся тем, что величину цикловой подачи топлива устанавливают до получения теоретической температуры его горения, увеличивая при этом степень сжатия рабочей смеси (воздуха) и подбирая угол опережения зажигания (начала подачи топлива) до получения максимального давления в цилиндре данного двигателя.