СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ПО БЕНЗОГАЗОВОМУ ЦИКЛУ Российский патент 2003 года по МПК F02M31/18 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к рабочим процессам двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Бензиновые автомобильные двигатели, несмотря на коренные улучшения конструкции, технологии изготовления и обслуживания в эксплуатации, все же остаются экологически опасными, имеют относительно невысокий коэффициент полезного действия (кпд) сгорания и многочисленные эксплуатационные недостатки. Эти негативные качества ДВС вытекают только из плохо организованного смесеобразования, характерного большой долей бензина в жидкой фазе, попадающей в двигатель в виде капель и пленки. Опыты показали, что в среднем 15-20% горючей смеси поступает в неиспаренном виде. Оптимальное же горение осуществляется только в газовой фазе при условии, что каждая молекула углеводорода "СН" обеспечена по потребности количеством молекул кислорода О₂. Это условие обеспечивает полное окисление углеводородов во фронте пламени до СО₂ и Н₂О и отсутствие недоокисленных углеводородов СН и СО. В случае проникновения в цилиндры двигателя жидкофазного бензина проявляются следующие негативные факторы:
- неудовлетворительное распределение топлива по цилиндрам, достигающее разброса по составу смеси до 20% - при карбюраторах и до 12% - при распределенном впрыске топлива (данные фирмы Бош), что отрицательно сказывается на неравномерности работы двигателя;
- сужение пределов обеднения смеси, так как жидкая частица концентрирует в себе большую дозу бензина, поскольку плотность бензина в 1000 раз больше плотности воздуха;
- трудность воспламенения смеси искрой из-за большой вероятности заброса свечей бензином и колебаний в составе смеси;
- разжижение масла и смыв его, оголение зеркала цилиндров, приводящее к их повышенному износу, к ухудшению смазывающих свойств масла, что многократно усугубляется при стартовании;
- конденсация бензина на стенках с последующим коксованием и осмолением,
- ослабление детонационной стойкости двигателя при работе на гетерогенной смеси и при наличии нагара.

Но главное, жидкие капли, попадая в пламя, претерпевают термические разрушения, приводящие к полимеризации, осмолению, коксованию. Последнее особенно опасно, ибо процессу образования углерода Сn предшествует, как правило, образование бензпирена C₂₀H₁₂. Поэтому появление "безвредного" чистого углерода (дыма, нагара, копоти) сопровождается присутствием внутри его пористой структуры спутника - бензпирена.

Таким образом, устранение жидких частиц является непременным условием экологичного горения.

Достаточно вредны продукты сгорания богатой смеси даже в гомогенном состоянии. Так, при коэффициенте избытка воздуха α=0,8 (из-за дефицита О₂) СО= 6%, а СН ~150 ррм, среди которых присутствует целый букет углеводородов - перекиси, альдегиды типа СН₂О, спирты, полиароматические углеводороды (ПАУ) и бензпирен. В таблице приведены индексы токсичности веществ, имеющихся в выхлопных газах, по отношению к базовому веществу - СО. Как очевидно, бензпирен, как продукт "горения" жидких частиц, представляет собой сверхопасное вещество, хотя оно пока не нормируется.

При очень бедных смесях в выхлопе возможно появление большого количества различных СН, обязанное пропуску зажигания в виде несгоревших паров бензина, но при отсутствии СО. При этом обычно СН > 1000 ppm, что является скорее парами бензина, а не продуктами сгорания.

Спутником процесса сгорания являются окислы азота NOx, максимум концентрации которых наблюдается при максимальных температурах горения и при избытке некоторого количества О₂. В результате, (NOx)_max имеет место при α~1,05. По мере обеднения смеси концентрация NOx падает и при α~1,4 становится ничтожной.

Итак, условия экологически чистого горения в ДВС (CO_min, CH_min, NOx_min,) таковы: а) исключение из горючей смеси жидких частиц; б) максимальная однородность горючей гомогенной смеси; в) горючая смесь, обедненная в пределах горючести, оптимальному составу смеси удовлетворяет состав смеси в пределах α_опт=1,25-1,35, достижимый только в гомогенном заряде.

Известен способ работы автомобильного двигателя, заключающийся во впрыскивании топлива в испаритель, испарении бензина, формировании гомогенной горючей смеси обедненного состава (см. патент Российской Федерации 2070656, опублик. 1996). Известный способ недостаточно эффективен.

Задачей изобретения является улучшение процесса сгорания топлива.

Поставленная задача решается тем, что способ работы автомобильного двигателя заключается во впрыскивании топлива в испаритель, испарении бензина, формировании гомогенной горючей смеси обедненного состава, согласно изобретению оптимальный состав смеси поддерживают электронными средствами посредством управления скважностью топливной форсунки по сигналу датчика открытия дросселя, а теплота отбирается от выхлопного коллектора.

Смесь бензина с воздухом, удовлетворяющую этим условиям, назовем "бензогаз", а рабочий цикл двигателя на бензогазе - "бензогазовый цикл ДВС", характерный отмеченными факторами: 1) 100% испарение бензина, 2) турбулентное смешение бензина с воздухом в потоке до однородной смеси; 3) регулировка на бедную смесь в пределах α=1,25-1,35 на всех режимах работы двигателя (кроме максимальной нагрузки и холостого хода), что целесообразно отслеживать электронными средствами. Выполнение этих трех условий позволяет решить и экологическую проблему ДВС, и проблему топливной экономичности, поскольку в гомогенном заряде значение эффективного расхода топлива ge_min близко именно к этим значениям α_опт=1,25-1,35.

Осуществление "бензогазового цикла" возможно, если бензин поглотит теплоту, равную примерно 1,5% величине тепловыделения при сгорании этого же количества бензина или 5% теплосодержания выхлопных газов. Это возвратное тепло является бросовым и имеется в наличии всегда при работе двигателя, кроме режимов пуска, когда требуется сторонний теплоподвод. При этом воздух, как худший теплоноситель, не может быть использован в качестве передатчика тепла, так что бензин должен воспринимать теплоту только от высокотеплопроводного, теплоемкого тела с высоким коэффициентом теплоотдачи. Поверхность теплообмена с бензином должна быть максимально большой, что выполнимо при покрытии поверхности теплообмена тончайшей пленкой бензина. При этом поверхность теплообмена должна быть обязательно внутрицилиндрической, чтобы пленка с нее не срывалась. В дополнение к этому воздушный поток должен быть вихревым, высокой интенсивности с тем, чтобы формировать пленку, "тянуть" ее по спиральной удлиненной траектории и прижимать к стенке центробежными силами. Это позволит исключить срыв капель с пленки, увеличит коэффициент теплообмена, но не помешает диффузионному потоку углеводородных молекул, возбужденных до уровня газообразного состояния. Коль скоро максимальная скорость испарения имеется при температуре кипения, а бензин состоит из нескольких десятков углеводородов, каждый из которых имеет свою температуру кипения и теплоту парообразования, то формируется широкое поле температур, которое перекрывается как минимум кривая фракционной разгонки бензина. При выполнении этого условия каждый углеводород сможет иметь свою позицию в испарителе, соответствующую своей температуре кипения, при которой он воспринимает последнюю долю потребной для фазового перехода теплоты и почти беспрепятственно удаляется в газовый поток. Для того чтобы процесс выкипания был бесконечно быстрым, топливная пленка должна двигаться в поле плавно, но быстро нарастающих температур, достигаемом встречным движением бензина по поверхности и теплопотока в теле испарителя. В результате, каждый углеводород, подходя к своей температуре кипения, уже прошел все начальное поле температур и насытился теплотой, так что для парообразования при температуре кипения поглощается теплота испарения. Коль скоро пленка тонка (а в конце пленки при самых высоких температурах особенно тонка), то формируется уникальный механизм так называемого "суперкипения", поскольку поверхность теплообмена и поверхность массообмена практически сливаются в единую поверхность тепломассообмена, на которой и происходит беспредельно быстрый единый процесс теплоподвода кипения - массоотвода. Это означает, что вся поверхность пленки, движущейся в нарастающем поле температур, представляет собой сплошной "кипящий кратер", каждому поясу которого определен тот или иной кипящий углеводород. В итоге бензин кипит всеми своими фракциями бензина одновременно по всему температурному полю, покрытому пленкой. Таким образом, формируется принципиально новый механизм тепломассообмена - смесеобразование, при котором воздух, просасываемый через канал испарителя, не тратя времени, попутно "заправляется" всеми углеводородами, сразу смешивается до однородной структуры в вихревом турбулентном потоке и тут же поступает в цилиндры двигателя. Поскольку скоро смесь однофазна, а бензогаз не конденсируется, то состав смеси, сформированный в бензогазогенераторе, сохраняется в цилиндрах без отклонений. Сухой бензогаз легко и быстро воспламеняется и форсированно сгорает в распространяющемся турбулентном пламени до конечных продуктов и максимально эффективно, т.е. при отсутствии процесса догорания как такового. Образовавшиеся нейтральные продукты сгорания не агрессивны по отношению к маслу и стенкам цилиндра, а поскольку сгорают быстро, то температура выхлопных газов ниже обычной. Как показали опыты, при работе двигателя на бензогазе практически на всех режимах температура выхлопного коллектора достаточно стабильна и лежит в пределах 350-390^oС. Этот диапазон оптимален для отбора и трансплантации теплоты в процессе парообразования. Но главное состоит в том, что отбирается теплота от выхлопного коллектора, имеющего стабильную и большую теплоемкость (аккумулятор теплоты), так что отбор 5-10% теплосодержания отработавших газов практически не изменит теплоемкость выхлопного коллектора из-за его большой массы, хорошей теплопроводности (чугун), при больших поперечных сечениях, при большой внутренней поверхности, постоянно воспринимающей теплоту от продуктов сгорания. Это значит, что отбор теплоты с запасом может быть покрыт всегда. Такой насыщенный источник теплоты обязателен для осуществления сверхэффективного молекулярного смесеобразования.

Однако наличие неограниченного теплового источника является лишь одним (первым) условием кипения при молекулярном смесеобразовании. Вторым условием такого процесса является не лимитируемая доставка теплоты к испарителю. Поэтому теплоприемник и теплопровод должны быть выполнены по условиям максимально эффективного процесса теплоподвода. С этой целью подбирается высокотеплопроводный материал достаточного сечения, минимальной длины теплопровода для исключения тепловых потерь с тем, чтобы обеспечивать потребности микропленочного тепломассообмена.

Таким образом формируется полузамкнутый бензогазовый цикл ДВС, обеспечивающий рациональное горение бензина с эффективным тепловыделением за счет утилизации 5% теплоты выхлопных газов в целях идеального смесеобразования:
1. Впрыснутое форсункой в испаритель бензогазогенератора топливо растягивается вихревым потоком в тончайшую пленку (микропленку) и увлекается им по внутрицилиндрической поверхности в зону высоких температур, двигаясь по винтовой траектории. При этом находящиеся в газовом потоке плотные частицы сепарируются на стенку испарителя и, наоборот, исключается срыв жидких частиц с пленки, перемещающейся по внутрицилиндрической поверхности. По мере движения пленки она прогревается и постепенно "усыхает", оставляя в пленке все более тяжелые и более прогретые фракции. Следовательно, к своей температуре кипения фракция подходит практически подогретой, где приобретает теплоту парообразования. Переходя от принципа Лагранжа (слежение за путешествующим молем) к принципу Эйлера (слежение за пространственной точкой по времени), отмечаем, что каждой температуре кипения, каждому поясу пленки характерно кипение определенной фракции бензина. Воздух, движущийся в 100 раз быстрее пленки и прижатый к ней своей основной массой, насыщается походя всеми фракциями в соответствующей пропорции и прямым ходом поступает в цилиндр. Этим обеспечивается абсолютная гомогенизация смеси и прямое управление составом смеси в цилиндре
2. Движущийся в испарительном канале воздух раскручен завихривающим устройством в мощный вихрь, так что основная масса газа движется прижатой к стенке (за счет деформации скоростного профиля), поэтому диффузионный поток бензомолекул проникает в основную массу текущего воздуха. Благодаря вихревому потоку происходит интенсивная турбулентность в газе у стенки, способствующая эффективному смешению горючей смеси до однородного состава. Этим обеспечивается второе главное условие экогорения - однородность смеси.

3. Достижение малотоксичного и экономичного горения одновременно достижимо только на бедных гомогенных смесях (α>1), ибо при этом в избытке кислород, способствующий завершению процесса окисления. Кроме того, только при α>1 обеспечивается автомодельность циркуляции тепловых процессов в бензогазогенераторе. Поэтому третьим обязательным условием бензогазового цикла ДВС является работа только на бедных топливом смесях.

4. Для оптимального экологичного горения необходим состав смеси, соответствующий минимальным ge_min и (СО, СН, NОx)_min. Гомогенные смеси имеют широкие пределы обеднения. Так, со штатной системой зажигания достижимо α_пр=1,7. Это означает, что двигатель может устойчиво работать при α=1,3-1,4. Поэтому, если горючая смесь полностью гомогенна и однородна, то перспективно на всех рабочих режимах, кроме полной нагрузки и холостого хода, поддерживать α только в указанных пределах. При условии α=const=(1,25-1,4) постоянными сохраняются температура горения, средняя температура цикла, температуры выхлопа и выхлопного коллектора. При изменении нагрузки меняется наполнение двигателя и индикаторная диаграмма давления. При сочетании всех перечисленных мероприятий должны проявиться следующие особенности:
- пониженная теплонапряженность цикла увеличивает надежность двигателя;
- постоянство температуры выхлопного коллектора на основных режимах способствует трансплантации теплоты к испарительному элементу;
- абсолютная нейтральность продуктов сгорания исключает потребность в их дожигании;
- примерно постоянный по нагрузке оптимальный угол опережения зажигания упрощает систему управления;
- элементарная (прямолинейная) зависимость скважности форсунки (%) от доли открытия дросселя (%) допускает применение простейшего программного (пропорционального) электронного блока управления топливоподачей (скважностью, %) всего от одного параметра - от доли открытия дросселя (%).

Все это осуществляется благодаря неконденсируемости бензогаза, его оптимально-обедненному составу, равномерному распределению его по цилиндрам и циклам, фактическому управлению качеством смеси в камере сгорания двигателя, отсутствию нагара и перегретых точек, а следовательно, высокой антидетонационной стойкости двигателя.

Таким образом формируется высокоорганизованный гармоничный тепловой цикл ДВС, сущность которого состоит в наличии полузамкнутой системы циркуляции тепла: тепловыделение, рабочий ход, выброс теплоты с выхлопными газами, заправка теплотой выхлопного коллектора и накопление теплоты в избыточном количестве, утилизация части теплоты для трансплантации ее в избыточном количестве в бензогазогенератор с обеспечением потребностей испарения бензина и формированием гомогенной однородной смеси (бензогаза) оптимального обедненного состава (α= 1,25-1,4), при которой быстро и своевременно выделяется вся теплота сгорания в турбулентном пламени с постоянной основной фазой сгорания на всех нагрузках, при всех частотах вращения (скорость турбулентного пламени прямо пропорциональна частоте вращения).

Отклонения от гомогенности, от однородности смеси и от оптимально обедненного состава смеси могут нарушить круг циркуляции теплоты: автомодельность тепловых потоков, тепловой баланс испарителя, пропорциональный режим управления топливоподачей. Такое отклонение будет иметь место при α<1.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении, в частности в рабочих процессах двигателей внутреннего сгорания. Способ работы автомобильного двигателя заключается во впрыскивании топлива в испаритель, испарении бензина и формировании гомогенной горючей смеси обедненного состава. Оптимальный состав смеси поддерживают электронными средствами посредством управления скважностью топливной форсунки по сигналу датчика открытия дросселя. Теплота для испарения отбирается от выхлопного коллектора. Технический результат заключается в улучшении процесса сгорания топлива. 1 табл.

Способ работы автомобильного двигателя, заключающийся в впрыскивании топлива в испаритель, испарении бензина, формировании гомогенной горючей смеси обедненного состава, отличающийся тем, что оптимальный состав смеси поддерживают электронными средствами посредством управления скважностью топливной форсунки по сигналу датчика открытия дросселя, а теплота отбирается от выхлопного коллектора.