СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) 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 использование бедных ТВС создает проблемы с их воспламенением и устойчивым горением. Известно, что облегчение воспламенения бедных ТВС можно достичь путем увеличения температуры сжатия горючей смеси за счет повышения 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 карбюраторного ДВС с воспламенением от сжатия (RU 2008456 С1, кл. F 02 В 23/00 з. 1990, п. 1994), в котором сжатие ТВС осуществляется 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 - осуществляют движением основного поршня до верхней мертвой точки (ВМТ), что сопровождается одновременным сжатием блока пружин дополнительного поршня навстречу основному поршню, в результате чего степень сжатия возрастает до 19-20, 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 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 неполноте сгорания и увеличению токсичности отработавших газов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ ДВС (RU 2162530 С1, кл. F 02 В 75/00, F 02 В 23/00 з. 1999, п. 2001), позволяющий достичь высокие температуры сжатия в 4- и 6-тактном ДВС (700-2300К) при двухстадийном сжатии ТВС, которое осуществляют в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, для чего используют цилиндр с поршнем, разделенный на основную и дополнительную камеры поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска ТВС, и на первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке производят нагрев сжатием ТВС до температуры T₁=(1.5-2)Т₀, где Т₀ - начальная температура ТВС, затем осуществляют перепуск нагретой ТВС в пространство цилиндра за перегородкой и проводят вторую стадию сжатия ТВС при движении поршня к ВМТ до достижения температуры Т_с=(4.2-7.8)Т₀ с последующим воспламенением и сгоранием ТВС. При использовании 6-тактного двигателя с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, последовательные стадии двухстадийного неизоэнтропического сжатия либо совмещают с тактами сжатия двигателя, либо осуществляют на каждом такте сжатия.

Известный способ - прототип позволяет обеспечить достаточное повышение температуры бедной ТВС для ее надежного воспламенения без увеличения степени сжатия и, следовательно, не приводит к увеличению механической нагрузки на двигатель. Данный способ обеспечивает устойчивое турбулентное горение ТВС, что уменьшает содержание вредных компонентов в выхлопе и снижает возможность возникновения детонации, но при использовании бедных смесей (с коэффициентам избытка воздуха α > 3) из-за избытка кислорода, низкой скорости сгорания и высоких температур образуются окислы азота. Кроме того, при использовании в способе-прототипе бедных ТВС скорость сгорания которых существенно ниже, чем стехиометрических смесей, при работе ДВС происходит затягивание процесса горения, и, следовательно, падает КПД двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа работы ДВС, который наряду с надежным воспламенением бедных и очень бедных ТВС ( α > 3) обеспечивал бы их быстрое и полное сгорание, что позволит решить проблему экологически чистого старта и выхлопа ДВС. Кроме того, задачей изобретения является повышение КПД двигателя за счет увеличения скорости горения ТВС и снижения рабочей температуры ДВС, и повышение эффективности его работы.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом работы ДВС, включающим заполнение ТВС цилиндра с поршнем, разделенного на основную и дополнительную камеры поперечной подвижной или неподвижной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска ТВС и нагревания ТВС до температуры Т≥800К путем ее сжатия в последовательных стадиях в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, осуществляемого движением поршня к перегородке, перепуском нагретой ТВС в дополнительную камеру и движением поршня к ВМТ, с последующим воспламенением и сгоранием ТВС, в котором при 4-тактном режиме работы двигателя заполнение основной камеры цилиндра производят бедной ТВС с α > 4 или воздухом, а заполнение дополнительной камеры производят богатой ТВС с α < 0,2, в конце первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке осуществляют перепуск части нагретой бедной ТВС или воздуха в дополнительную камеру до α = 0.2-0.6 и проводят вторую стадию сжатия движением поршня к ВМТ с одновременным перемешиванием ТВС, воспламенением и парциальным окислением, затем продукты парциального окисления ТВС перепускают в основную камеру для смешивания с исходной бедной ТВС или воздухом до α =1-4 и дожигают при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ), а при 6-тактном режиме работы двигателя с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, производят заполнение всего цилиндра (и основной и дополнительной камеры) богатой ТВС с α < 0.6, проводят первое двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и парциальным окислением ТВС в дополнительной камере цилиндра, затем при движении поршня к НМТ производят заполнение обеих камер цилиндра воздухом с разбавлением продуктов парциального окисления ТВС до α = 1-4 и проводят второе двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и сгоранием ТВС.

Для повышения эффективности работы ДВС в дополнительной камере цилиндра двигателя внутреннего сгорания можно устанавливать теплоаккумулирующий элемент с развитой поверхностью.

Главными отличиями предлагаемого способа от известного - прототипа являются: 1) разделение ТВС на бедную и богатую (по пространству цилиндра в 4-тактном ДВС или по времени заполнения в 6-тактном ДВС и 2) создание условий для протекания парциального окисления богатой смеси.

Известно, что при нагреве богатых ТВС (α =0.2-0.6) до температуры Т≥800К происходит их воспламенение и парциальное (неполное, частичное) окисление с образованием синтез-газа (смеси водорода и окиси углерода) (Арутюнов B.C., Веденеев В.И. Окислительное превращение метана. М.: Наука, 1998, RU 2096313, кл. C 01 B 3/36, 1996 г.). Например, для метана и изооктана имеем:
CH₄4+0.5O₂ ---> CO+2H₂
C₈H₁₈+4O₂ ---> 8CO+9H₂
Известно также, что водород и окись углерода обладает повышенной реакционной способностью по отношению к кислороду по сравнению с исходным углеводородным топливом, поэтому добавление их (продуктов парциального окисления) к бедной смеси или воздуху должно приводить к значительному повышению скорости горения ТВС и, следовательно, к более полному ее сгоранию. При этом процесс горения протекает при более низких температурах, в результате резко снижается концентрация окислов азота в выхлопных газах. Кроме того, водород оказывает ингибирующее воздействие на процессы образования канцерогенных веществ.

Предлагаемый способ был разработан на основе детальных теоретических и экспериментальных исследований (на модельной установке) взаимосвязи таких параметров процесса, как состав ТВС, степень ее сжатия, давление и температура, что позволило создать условия как для протекания парциального окисления богатой смеси, так и для полного и быстрого сгорания бедной смеси.

В таблице приведены результаты, полученные методом компьютерного моделирования, для температуры, достигаемой в конце второй стадии неизоэнтропического сжатия (Т_c для 4-тактного двигателя и Т_m для 6-тактного), необходимой для протекания парциального окисления богатой изооктановой смеси α = 0.2-0.6 при фиксированных значениях размера отверстия в перегородке, степени сжатия, равной 9.8, и скорости вращения коленчатого вала 1000 об/мин, в зависимости от относительного объема дополнительной камеры цилиндра β и давления сжатия P_k, при котором открывается давление в перегородке, одинаковое в первой и второй стадии процесса. Максимальное значение давления сжатия P_k (60 атм), не превышает допустимых пределов, обусловленных механической прочностью конструкции ДВС.

Диаметр отверстия в перегородке 10-20 мм обеспечивает перетекание в дополнительную камеру 4-тактного двигателя 20-60% бедной смеси или воздуха, что приводит к образованию в дополнительной камере ТВС с α =0.2-0.6 к моменту достижения поршнем ВМТ и повышению температуры ТВС в дополнительной камере до Т_с (обеспечивающей протекание в ней парциального окисления). В 6-тактном двигателе в конце первой стадии неизоэнтропического сжатия вся смесь с α < 0.6 из основной камеры цилиндра перетекает в дополнительную, где после второй стадии неизоэнтропического сжатия ее температура повышается до Т_m (обеспечивающей протекание парциального окисления).

Как видно из таблицы, предлагаемый способ обеспечивает повышение температуры до 800-1000К, необходимой для воспламенения и парциального окисления богатой ТВС. В последнем столбце таблицы приведены для сравнения соответствующие данные для максимальной температуры, достигаемой в обычном двигателе с одностадийным сжатием при давлении 30 атм.

При экспериментальной проверке было установлено, что благодаря осуществлению парциального окисления ТВС при работе двигателя в неизоэнторпическом режиме сжатия удается сжигать ТВС очень бедного состава (α > 3). На модельной установке с раздельной подачей богатой ТВС в дополнительную камеру цилиндра и воздуха в основную наблюдалось устойчивое горение ТВС c α =3-4, что обусловлено, во-первых, добавлением продуктов парциального окисления ТВС (H₂ и CO) и, во-вторых, тем, что добавление осуществляют перепуском, что приводит к эффективной турбулизации потока и надежному гомогенному перемешиванию продуктов парциального окисления с воздухом. Так как горение бедных и очень бедных ТВС (α > 3) протекает при более низких температурах, и, следовательно, уменьшаются тепловые потери, в результате увеличивается термодинамический КПД двигателя.

Выполнены расчеты для ДВС с теплоаккумулирующим элементом с развитой поверхностью - тепловым активатором, установленным в дополнительной камере цилиндра. Тепловой активатор представляет собой набор металлических пластин с поверхностью теплообмена, в 5-10 раз превышающей площадь боковой поверхности цилиндра. Анализ показывает, что для ТВС с α = 2-4 и температуре активатора порядка 1000К нагрев смеси в дополнительной камере в конце стадии сжатия достигает величины 1400-900К. При такой высокой температуре создаются благоприятные условия для предварительного парциального окисления ТВС.

Выход активатора на тепловой режим, т.е. его нагрев до квазистационарной температуры, одинаковой в начале и конце замкнутого термодинамического цикла, осуществляется в течение 10-20 циклов сжатия.

На чертеже представлена схема ДВС для реализации предлагаемого способа. ДВС включает поршень 1, движущийся в цилиндре 2, разделенном на основную 3 и дополнительную 4 камеры перегородкой 5 с отверстием 6 с клапаном 7. В дополнительной камере 4 может размещаться тепловой активатор (не показан).

Парциальное окисление ТВС при неизоэнтропическом режиме сжатия с увеличением энтропии и сгорание бедной ТВС при работе 4-тактного ДВС осуществляется следующим образом.

Богатая ТВС (α < 0.2) подается в дополнительную камеру 4, а бедная ТВС (α > 4) или воздух - в основную камеру 3. Поршень 1 при своем поступательном движении к ВМТ сжимает бедную ТВС или воздух в основной камере цилиндра 2 до перегородки 5 при закрытом отверстии 6, предварительно нагревая ее сжатием до температуры, в 2-2.5 раза превышающую начальную. В конце первой стадии сжатия с помощью клапана 7 открывается отверстие 6 и часть предварительно нагретой ТВС или воздуха перетекает в дополнительную камеру цилиндра за перегородкой. При этом смесь тормозится, восстанавливая свою температуру в дополнительной камере цилиндра при меньшем давлении, смешивается с богатой ТВС, нагревая ее. Во второй стадии сжатия при дальнейшем движении поршня к ВМТ смесь досжимается до температуры T_c≥ 8000K, при этом коэффициент избытка воздуха достигает α = 0.2-0.6. Происходит воспламенение ТВС от искры или сжатия и эффективная реакция парциального окисления данной смеси. Затем при движении поршня к НМТ горячие продукты парциального окисления перепускаются из дополнительной камеры в основную, перемешиваются с бедной ТВС или воздухом, и происходит полное сгорание всей смеси в цилиндре двигателя.

Парциальное окисление и сгорание углеводородного топлива при работе 6-тактного ДВС осуществляется следующим образом.

Богатая ТВС (α < 0.6) подается в основную 3 и дополнительную камеру 4. Поршень 1 при своем поступательном движении к ВМТ в две стадии сжимает ТВС в неизоэнтропическом режиме сжатия с увеличением энтропии до температуры Т_m≥800К, при этом практически вся смесь перетекает в дополнительную камеру 4. Происходит воспламенение ТВС от искры или сжатия и эффективная реакция парциального окисления данной смеси. Затем при движении поршня к НМТ осуществляют дополнительное заполнение цилиндра воздухом и разбавление смеси до α = 1-4, затем проводят второе двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и сгоранием ТВС.

Дополнительный нагрев ТВС при наличии теплового активатора происходит следующим образом. В стадии рабочего хода активатор поглощает часть тепла от продуктов сгорания ТВС. В стадии впуска и, главным образом, сжатия это тепло передается исходной ТВС, увеличивая ее температуру и при этом температура активатора понижается. После воспламенения и горения ТВС происходит обратный процесс передачи тепла от продуктов сгорания к тепловому активатору, и его температура увеличивается. В термодинамическом цикле конечная температура активатора равна начальной температуре. В данном процессе не расходуется энергия на нагрев активатора за цикл.

Использование заявляемого изобретения обеспечит помимо надежного воспламенения бедных и очень бедных смесей (α > 3) их быстрое и полное сгорание, что позволит решить проблему экологически чистого старта и выхлопа. Предлагаемый способ позволит расширить класс используемых топлив, увеличить термодинамический КПД двигателя и повысить эффективность его работы.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в автомобильной промышленности и машиностроении. Предложен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий заполнение топливно-воздушной смесью цилиндра с поршнем, разделенного на основную и дополнительную камеры поперечной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска топливно-воздушной смеси, и нагревание топливно-воздушной смеси до температуры Т≥800К путем ее сжатия в последовательных стадиях в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, осуществляемого движением поршня к перегородке, перепуском нагретой топливно-воздушной смеси в дополнительную камеру и движением поршня к верхней мертвой точке, с последующим воспламенением и сгоранием топливно-воздушной смеси, при этом при 4-тактном режиме работы двигателя заполнение основной камеры цилиндра производят бедной топливно-воздушной смесью с α>4 или воздухом, а заполнение дополнительной камеры производят богатой топливно-воздушной смесью с α<0,2, в конце первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке осуществляют перепуск части нагретой бедной топливно-воздушной смеси или воздуха в дополнительную камеру до α=0,2-0,6 и проводят вторую стадию сжатия движением поршня к верхней мертвой точке с одновременным перемешиванием топливно-воздушной смеси, воспламенением и парциальным окислением, затем продукты парциального окисления топливно-воздушной смеси перепускают в основную камеру для смешивания с исходной бедной топливно-воздушной смесью или воздухом до α=1-4 и дожигают при движении поршня к нижней мертвой точке. Рассмотрен способ работы 6-тактного двигателя. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя, эффективности работы, а также экологически чистого старта и выхлопа двигателя. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий заполнение топливно-воздушной смесью цилиндра с поршнем, разделенного на основную и дополнительную камеры поперечной подвижной или неподвижной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска топливно-воздушной смеси, и нагревание топливно-воздушной смеси до температуры Т≥800К путем ее сжатия в последовательных стадиях в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, осуществляемого движением поршня к перегородке, перепуском нагретой топливно-воздушной смеси в дополнительную камеру и движением поршня к верхней мертвой точке, с последующим воспламенением и сгоранием топливно-воздушной смеси, отличающийся тем, что при 4-тактном режиме работы двигателя заполнение основной камеры цилиндра производят бедной топливно-воздушной смесью с α>4 или воздухом, а заполнение дополнительной камеры производят богатой топливно-воздушной смесью с α<0,2, в конце первой стадии сжатия при движении поршня к перегородке осуществляют перепуск части нагретой бедной топливно-воздушной смеси или воздуха в дополнительную камеру до α=0,2-0,6 и проводят вторую стадию сжатия движением поршня к верхней мертвой точке с одновременным перемешиванием топливно-воздушной смеси, воспламенением и парциальным окислением, затем продукты парциального окисления топливно-воздушной смеси перепускают в основную камеру для смешивания с исходной бедной топливно-воздушной смесью или воздухом до α=1-4 и дожигают при движении поршня к нижней мертвой точке. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дополнительную камеру цилиндра двигателя внутреннего сгорания устанавливают теплоаккумулирующий элемент с развитой поверхностью. 3. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий заполнение топливно-воздушной смесью цилиндра с поршнем, разделенного на основную и дополнительную камеры поперечной подвижной или неподвижной перегородкой, выполненной с возможностью перепуска топливно-воздушной смеси, и нагревание топливно-воздушной смеси до температуры Т≥800К путем ее сжатия в последовательных стадиях в неизоэнтропическом режиме - с увеличением энтропии, осуществляемого движением поршня к перегородке, перепуском нагретой топливно-воздушной смеси в дополнительную камеру и движением поршня к верхней мертвой точке, с последующим воспламенением и сгоранием топливно-воздушной смеси, отличающийся тем, что при 6-тактном режиме работы двигателя с двумя тактами сжатия, разделенными холостым ходом, производят заполнение всего цилиндра (и основной и дополнительной камеры) богатой топливно-воздушной смесью с α<0,6, проводят первое двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и парциальным окислением топливно-воздушной смеси в дополнительной камере цилиндра, затем при движении поршня к нижней мертвой точке производят заполнение обеих камер цилиндра воздухом с разбавлением продуктов парциального окисления топливно-воздушной смеси до α=1-4 и проводят второе двухстадийное неизоэнтропическое сжатие с воспламенением и сгоранием топливно-воздушной смеси. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в дополнительную камеру цилиндра двигателя внутреннего сгорания устанавливают теплоаккумулирующий элемент с развитой поверхностью.