ВЫСОКОЭКОНОМИЧНЫЙ СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ЦИКЛУ ЕРЧЕНКО Российский патент 2012 года по МПК F02B41/04 

Изобретение относится к способам работы двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано при создании новых высокоэкономичных двигателей различного назначения и, в частности для морского, железнодорожного, автомобильного транспорта и в теплоэнергетике для привода электрогенераторов, а также оно может быть использовано при модернизации двигателей, находящихся в эксплуатации, для повышения их экономических показателей.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания по циклу Отто или циклу быстрого сгорания при постоянном объеме, включающему в себя процесс сжатия рабочей смеси по адиабате, в конце которого рабочая смесь воздуха с топливом воспламеняется от электрической искры и сгорает при постоянном объеме - по изохоре, что соответствует подводу теплоты, а затем осуществляется рабочий ход при адиабатном расширении продуктов сгорания, после чего происходит отвод теплоты в окружающую среду по изохоре, соответствующей в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, и в двухтактных двигателях выхлопу и продувке цилиндра [1].

Недостатком такого способа работы двигателя внутреннего сгорания является то, что в цилиндр при всасывании новой порции рабочей смеси и продувке цилиндра в последний подается готовая горючая смесь. Поэтому, в связи с указанным, предлагаемый способ повышения экономической эффективности в двигателях, работающих по циклу быстрого сгорания, не может быть осуществлен.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ работы двигателя внутреннего сгорания, который осуществляется в работающем с надувом или без надува четырехтактном или двухтактном двигателе, каждый из которых работает по циклу, включающему в себя адиабатный процесс сжатия воздуха в цилиндре двигателя, в конце которого топливо, впрыскиваемое в цилиндр через форсунку, самовоспламеняется, а процесс горения топлива происходит сначала при постоянном объеме - по изохоре, а затем остальная часть топлива по мере поступления его из форсунки в цилиндр сгорает при постоянном давлении - изобаре, затем осуществляется рабочий ход при адиабатном расширении продуктов сгорания, после чего происходит отвод теплоты в окружающую среду по изохоре, соответствующей в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию атмосферного воздуха или соответствующей в двухтактных двигателях выхлопу и продувке цилиндра [1].

Недостатком такого способа работы является невозможность дальнейшего повышения экономической эффективности двигателя, работающего по вышеуказанному способу.

Задачей изобретения является создание способа работы двигателя внутреннего сгорания, использование которого обеспечивает дальнейшее повышение экономической эффективности работающего двигателя по отношению к достигнутому в настоящее время уровню его эффективности.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе работы двигателя внутреннего сгорания, который осуществляется в работающем с наддувом или без наддува в четырехтактном или двухтактном двигателе, каждый из которых работает по циклу, включающему в себя адиабатный процесс сжатия воздуха в цилиндре двигателя, в конце которого топливо, впрыскиваемое в цилиндр через форсунку, самовоспламеняется, а процесс горения топлива происходит сначала при постоянном объеме - по изохоре, а затем остальная часть топлива по мере поступления его из форсунки в цилиндр сгорает при постоянном давлении - изобаре, затем осуществляется рабочий ход при адиабатном расширении продуктов сгорания, после чего происходит отвод теплоты в окружающую среду по изохоре, соответствующей в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию атмосферного воздуха или соответствующей в двухтактных двигателях выхлопу и продувке цилиндра, для достижения высокоэкономичной работы четырехтактного или двухтактного двигателя адиабатный процесс сжатия воздуха начинают с запаздыванием по отношению к началу движения поршня в такте сжатия, осуществляя для этого на участке от начала движения поршня в такте сжатия до начала процесса адиабатного сжатия перепуск воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме, когда давление и температура воздуха внутри цилиндра двигателя на указанном участке движения поршня остаются неизменными, а степень сжатия вследствие наличия вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя оказывается меньше суммарной степени расширения в процессах изобарного горения топлива и адиабатного расширения продуктов сгорания, что в рассматриваемом случае в сравнении со способом работы двигателя-прототипа, работающим по циклу без вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия, приводит при прочих равных условиях совершения цикла рабочим телом, вне зависимости от его массы, находящейся в цилиндре при совершении цикла, к увеличению глубины расширения продуктов сгорания, увеличению удельной работы, совершаемой рабочим телом, при одном и том же количестве удельной теплоты, подводимой к последнему при сгорании топлива и одинаковой степени сжатия, в сравниваемых циклах, а следовательно, и к увеличению коэффициента полезного действия двигателя, а для установления оптимального соотношения степени сжатия и суммарной степени расширения в процессах изобарного горения топлива и адиабатного расширения продуктов сгорания, при котором достигается высокоэкономичная работа двигателя и соблюдаются требования, обеспечивающие его надежную работу, последовательно от режима к режиму увеличивают на заданную величину продолжительность перепуска воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме в такте сжатия, которая определяется величиной приращения хода поршня в условном "процессе" вышеуказанного перепуска воздуха и отсчитываемую по углу поворота коленчатого вала двигателя, сохраняя каждый раз величину степени сжатия неизменной, а выполнение условия изменения продолжительности вышеуказанного перепуска воздуха в такте сжатия путем изменения по углу поворота коленчатого вала момента закрытия впускного клапана четырехтактного двигателя или клапана, устанавливаемого в крышке цилиндра двухтактного двигателя, для перепуска воздуха в вышеуказанном такте, роль которого в двухтактных двигателях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой выполняет выпускной клапан, достигается за счет использования набора кулачковых шайб различного профиля, поочередно устанавливаемых на распределительном валу привода вышеуказанных клапанов в соответствии с заданным режимом работы двигателя, а сохранение неизменной степени сжатия на каждом из задаваемых режимов работы двигателя достигается, например, за счет использования поршня с отъемной головкой, позволяющей в соответствии с выбранным режимом устанавливать проставку между последним и тронком поршня требуемой высоты, при этом на каждом из устанавливаемых режимов работы двигателя выполняются измерения мощности, развиваемой двигателем, максимального давления в цилиндре последнего, расхода топлива, температуры выхлопных газов на выходе из цилиндра, продолжительности перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия по углу поворота коленчатого вала, и выполняется анализ состава выхлопных газов, после чего расчетным путем определяется удельный расход топлива и на основе сравнения полученных результатов устанавливается оптимальное соотношение вышеуказанных степени сжатия и суммарной степени расширения, обеспечивающее высокий коэффициент полезного действия двигателя и его надежную работу.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с аналогом и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков заявляемого решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг.1 представлен теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с перепуском воздуха в такте сжатия в p, v-диаграмме; на фиг.2 - теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с перепуском воздуха в такте сжатия в T, s-диаграмме; на фиг.3 - теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с перепуском воздуха в такте сжатия и адиабатным сжатием обогащенного кислородом воздуха; на фиг.4 - схема установки вихревого устройства для разделения сред во всасывающий или продувочный тракт двигателя; на фиг.5 - схема установки вихревого устройства для разделения сред во всасывающий или продувочный тракт двигателя.

В высокоэкономичном способе работы двигателя внутреннего сгорания по циклу Ерченко, осуществляемом в работающем с наддувом или без наддува четырехтактном или двухтактном двигателе, каждый из которых работает по циклу (фиг.1, 2), включающему в себя адиабатный процесс 1-2 сжатия воздуха в цилиндре двигателя, в конце которого топливо, впрыскиваемое в цилиндр через форсунку, самовоспламеняется, а процесс горения топлива происходит сначала при постоянном объеме - по изохоре 2-3, а затем остальная часть топлива по мере поступления его из форсунки в цилиндр сгорает при постоянном давлении - изобаре 3-4, затем осуществляется рабочий ход при адиабатном расширении 4-5 продуктов сгорания, после чего происходит отвод теплоты q₂ в окружающую среду по изохоре 5-6, соответствующей в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию атмосферного воздуха или соответствующей в двухтактных двигателях выхлопу и продувке цилиндра, для достижения высокоэкономичной работы четырехтактного или двухтактного двигателя адиабатный процесс сжатия 1-2 воздуха начинают с запаздыванием по отношению к началу движения поршня в такте сжатия, осуществляя для этого на участке от начала движения поршня в такте сжатия до начала процесса адиабатного сжатия перепуск воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме 6-1, когда давление и температура воздуха внутри цилиндра двигателя на указанном участке движения поршня остаются неизменными, а степень сжатия ε вследствие наличия вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя оказывается меньше суммарной степени расширения ρ в процессах изобарного горения топлива ρ_p и адиабатного расширения ρ_s продуктов сгорания, что в рассматриваемом случае в сравнении со способом работы двигателя-прототипа, работающим по циклу без вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия, приводит при прочих равных условиях совершения цикла рабочим телом, вне зависимости от его массы, находящейся в цилиндре при совершении цикла, к увеличению глубины расширения продуктов сгорания (p₅<p_5′), увеличению удельной работы l_ц, совершаемой рабочим телом, при одном и том же количестве удельной теплоты (), подводимой к последнему при сгорании топлива, и одинаковой степени сжатия ε, в сравниваемых циклах, а следовательно, и к увеличению коэффициента полезного действия η_t двигателя, а для установления оптимального соотношения степени сжатия ε и суммарной степени расширения ρ в процессах изобарного горения 3-4 топлива и адиабатного расширения 4-5 продуктов сгорания, при котором достигается высокоэкономичная работа двигателя и соблюдаются требования, обеспечивающие его надежную работу, последовательно от режима к режиму увеличивают на заданную величину продолжительность перепуска воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме 6-1 в такте сжатия, которая определяется величиной приращения хода поршня в условном "процессе" 6-1 вышеуказанного перепуска воздуха и отсчитываемую по углу поворота коленчатого вала двигателя, сохраняя каждый раз величину степени сжатия ε неизменной, а выполнение условия изменения продолжительности вышеуказанного перепуска воздуха в такте сжатия путем изменения по углу поворота коленчатого вала момента закрытия впускного клапана четырехтактного двигателя или клапана, устанавливаемого в крышке цилиндра двухтактного двигателя, для перепуска воздуха в вышеуказанном такте, роль которого в двухтактных двигателях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой выполняет выпускной клапан, достигается за счет использования набора кулачковых шайб различного профиля, поочередно устанавливаемых на распределительном валу привода вышеуказанных клапанов в соответствии с заданным режимом работы двигателя, а сохранение неизменной степени сжатия ε на каждом из задаваемых режимов работы двигателя достигается, например, за счет использования поршня с отъемной головкой, позволяющей в соответствии с выбранным режимом устанавливать проставку между последним и тронком поршня требуемой высоты, при этом на каждом из устанавливаемых режимов работы двигателя выполняются измерения мощности, развиваемой двигателем, максимального давления p₃ в цилиндре последнего, расхода топлива, температуры выхлопных газов T₅ на выходе из цилиндра, продолжительности перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия по углу поворота коленчатого вала, и выполняется анализ состава выхлопных газов, после чего расчетным путем определяется удельный расход топлива g_т и на основе сравнения полученных результатов устанавливается оптимальное соотношение вышеуказанных степени сжатия ε и суммарной степени расширения ρ, обеспечивающее высокий коэффициент полезного действия двигателя и его надежную работу.

При этом он может заключаться в том, что для увеличения удельной работы, совершаемой рабочим телом в цикле, и достижения при этом высокоэффективной работы двигателя, в процессе всасывания в четырехтактном двигателе или продувки в двухтактном двигателе в цилиндр подается воздух с повышенным содержанием кислорода O₂, оптимальное процентное содержание которого в воздухе устанавливается опытным путем из условия обеспечения полного сгорания подаваемого в цилиндр топлива на номинальном режиме работы двигателя, на котором достигаются заданные максимальные значения давления p₃ и температуры T₄ рабочего тела в цилиндре двигателя (фиг.3), обеспечивающие надежную его работу, а для получения обогащенного кислородом воздуха используется, например, вихревое устройство 1 (фиг.4, 5) для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, выполненное по патенту RU 2081355 С1, 10.06.1997, при этом для установления вышеуказанного оптимального процентного содержания кислорода O₂ в подаваемом в цилиндр двигателя обогащенном им воздухе на начальном режиме работы двигателя при заданном процентном содержании кислорода O₂ в воздухе постепенно увеличивают цикловую подачу топлива до начала неполного сгорания его в цилиндре двигателя, измеряя при этом максимальные значения давления p₃ и температуры T₄ рабочего тела в цилиндре двигателя и выполняя анализ состава выхлопных газов, затем производят дальнейшее увеличение на заданную величину процентного содержания кислорода O₂ в воздухе, подаваемом в цилиндр работающего двигателя, и продолжают дальнейшее постепенное увеличение цикловой подачи топлива до момента наступления неполного его сгорания, выполняя при этом вышеперечисленные измерения и анализ состава выхлопных газов, и так продолжают до момента достижения заданных максимальных значений давления p₃ и температуры T₄ рабочего тела в цилиндре двигателя, обеспечивающих надежную его работу, при этом на достигнутом номинальном режиме работы двигателя измеряют мощность, развиваемую двигателем, расход топлива и расчетным путем определяют удельный расход топлива, коэффициент полезного действия двигателя и устанавливают оптимальное процентное содержание кислорода в подаваемом в цилиндр двигателя воздухе на номинальном режиме его работы.

Для реализации вышеуказанного высокоэкономичного способа работы двигателя внутреннего сгорания по циклу Ерченко, который осуществляется в работающем с наддувом или без наддува четырехтактном или двухтактном двигателе, устанавливают следующий порядок совершения в цикле процессов (фиг.1, 2). Указанный цикл включает в себя адиабатный процесс 1-2 сжатия воздуха в цилиндре двигателя, в конце которого топливо, впрыскиваемое в цилиндр через форсунку, самовоспламеняется.

Процесс горения топлива происходит сначала при постоянном объеме - по изохоре 2-3, а затем остальная часть топлива по мере поступления его из форсунки в цилиндр сгорает при постоянном давлении - изобаре 3-4. Суммарное количество подводимой теплоты в изохорном и изобарном процессах (фиг.1). В диаграмме T, s (фиг.2) количество теплоты , подведенной в изохорном процессе 2-3, определяется площадью , а в изобарном процессе определяется площадью .

Затем осуществляется рабочий ход при адиабатном расширении 4-5 продуктов сгорания (фиг.1, 2). По окончании рабочего хода происходит отвод теплоты q₂ в окружающую среду по изохоре 5-6, соответствующей в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию атмосферного воздуха или соответствующей в двухтактных двигателях выхлопу и продувке цилиндра. В диаграмме T,s (фиг.2) количество отводимой теплоты в изохорном процессе 5-6 определяется площадью q₂=пл.563′4′5.

При этом для достижения высокоэкономичной работы четырехтактного или двухтактного двигателя адиабатный процесс сжатия 1-2 воздуха начинают с запаздыванием по отношению к началу движения поршня в такте сжатия. Для этого осуществляют на участке от начала движения поршня в такте сжатия (точка 6, фиг.1, 2) до начала процесса адиабатного сжатия (точка 1, фиг.1, 2) перепуск воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме 6-1, когда давление и температура воздуха внутри цилиндра двигателя на указанном участке движения поршня остаются неизменными.

Степень сжатия ε вследствие наличия вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя оказывается меньше суммарной степени расширения p в процессах изобарного горения топлива ρ_p и адиабатного расширения ρ_s продуктов сгорания.

Последнее (ρ>ε, где ρ=ρ_p+ρ_s) в рассматриваемом случае, в сравнении со способом работы двигателя-прототипа по циклу без вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия, приводит при прочих равных условиях совершения цикла рабочим телом, вне зависимости от его массы, находящейся в цилиндре при совершении цикла, к увеличению глубины расширения продуктов сгорания.

Из теоретического цикла 12345′ двигателя-прототипа, приведенного на фиг.1 и 2 соответственно в диаграммах p-v и T-s, это наглядно видно. Так, сравнивая рассматриваемый цикл с базовым циклом без перепуска воздуха на начальном участке такта сжатия при условии одинаковых массе рабочего тела, совершающего цикл, и степени сжатия ε, видим, что давление p₅ в конце адиабатного расширения 4-5 продуктов сгорания в рассматриваемом цикле оказывается меньше давления p_5′ в цикле двигателя-прототипа.

Вышеуказанное приводит к увеличению удельной работы l_ц, совершаемой рабочим телом в рассматриваемом цикле, по отношению к удельной работе l'_ц, совершаемой рабочим телом в цикле без вышеуказанного перепуска воздуха в такте сжатия, при одном и том же количестве удельной теплоты (), подводимой к рабочему телу при сгорании топлива, и одинаковой степени сжатия ε, в сравниваемых циклах. Из диаграммы T,s видно, что пл.1234561>пл.12345′1. Указанные площади представляют собой количество теплоты, превращаемой в сравниваемых циклах в работу цикла.

Следовательно, термический коэффициент полезного действия η_t рассматриваемого цикла оказывается больше, чем цикла двигателя-прототипа, т.е.

, где ; ; .

Для установления оптимального соотношения степени сжатия ε и суммарной степени расширения ρ в процессах изобарного горения 3-4 топлива и адиабатного расширения 4-5 продуктов сгорания, при котором достигается высокоэкономичная работа двигателя и соблюдаются требования, обеспечивающие его надежную работу, последовательно от режима к режиму увеличивают на заданную величину продолжительность перепуска воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме 6-1 в такте сжатия. При этом увеличение продолжительности вышеуказанного перепуска воздуха определяют величиной приращения хода поршня в условном "процессе" 6-1 перепуска воздуха. Величину приращения хода поршня в "процессе" 6-1 отсчитывают по углу поворота коленчатого вала двигателя, сохраняя каждый раз величину степени сжатия ε неизменной.

При этом выполнение условия изменения продолжительности вышеуказанного перепуска воздуха в такте сжатия путем изменения по углу поворота коленчатого вала момента закрытия впускного клапана четырехтактного двигателя или клапана, устанавливаемого в крышке цилиндра двухтактного двигателя, для перепуска воздуха в вышеуказанном такте, роль которого в двухтактных двигателях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой выполняет выпускной клапан, достигается за счет использования набора кулачковых шайб различного профиля. Последние поочередно устанавливают на распределительном валу привода вышеуказанных клапанов в соответствии с заданным режимом работы двигателя.

Сохранение неизменной степени сжатия ε на каждом из задаваемых режимов работы двигателя достигается, например, за счет использования поршня с отъемной головкой. Последнее позволяет в соответствии с выбранным режимом работы двигателя устанавливать проставку между отъемной головкой и тронком поршня требуемой высоты.

При этом на каждом из устанавливаемых режимов работы двигателя выполняются измерения мощности, развиваемой двигателем, максимального давления в цилиндре последнего, расхода топлива, температуры выхлопных газов T₅ на выходе из цилиндра, продолжительности перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия по углу поворота коленчатого вала.

Методика выполнения перечисленных измерений в настоящее время хорошо освоена, средства для измерения выпускаются промышленностью и по этому дополнительных пояснений по этому вопросу не требуется.

На основе полученных данных расчетным путем определяется удельный расход топлива g_т и на основе сравнения полученных результатов устанавливается оптимальное соотношение вышеуказанных степени сжатия ε и суммарной степени расширения ρ, обеспечивающее высокий коэффициент полезного действия двигателя и его надежную работу.

Для увеличения удельной работы, совершаемой рабочим телом в цикле, и достижения при этом высокоэффективной работы двигателя, в процессе всасывания в четырехтактном двигателе или продувки в двухтактном двигателе в цилиндр подают воздух с повышенным содержанием кислорода. При этом оптимальное процентное содержание кислорода в обогащенном им воздухе устанавливается опытным путем из условия обеспечения полного сгорания подаваемого в цилиндр топлива на номинальном режиме работы двигателя, на котором достигаются заданные максимальные значения давления р₃ и температуры T₄ рабочего тела в цилиндре последнего (фиг.3), при которых обеспечивается надежная его работа.

На фиг.3 приведен теоретический цикл 123456 двигателя с перепуском воздуха в такте сжатия и с повышенным содержанием кислорода в сжимаемом в цикле воздухе в диаграмме T, s. Совмещение в этой диаграмме T, s вышеуказанного цикла 123456 с аналогичным циклом, но в котором в процессе адиабатного сжатия в цилиндре сжимается обычный атмосферный воздух (цикл 123′4′5′6) наглядно показывает, что за счет сжигания большего количества топлива в первом цикле его удельная работа l_ц оказывается больше, чем во втором случае l′_ц (пл.1234561>пл.123′4′5′61).

Необходимо отметить, что при модернизации двигателя, используя рассматриваемый способ повышения эффективности его работы, количество рабочего тела, совершающего рабочий цикл уменьшается и поэтому появляется вероятность того, что даже несмотря на увеличение удельной работы, получаемой при осуществлении цикла, мощность двигателя может оказаться меньшей, чем была до его модернизации. Поэтому благодаря подаче в цилиндр двигателя обогащенного кислородом воздуха его мощность можно поднять до номинальной за счет сжигания в цикле дополнительного количества топлива.

Для получения обогащенного кислородом атмосферного воздуха используется, например, вихревое устройство для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, выполненное по патенту RU 2081355 С1, 10.06.1997. При этом необходимо отметить, что для обогащения кислородов атмосферного воздуха в вышеуказанном вихревом устройстве целесообразно его подачу внутрь последнего обеспечивать за счет использования для этого кинетической энергии ветра. В этом случае необходимо устройство располагать таким образом, чтобы его ось совпадала с направлением ветра, а его входное отверстие было расположено навстречу ветру.

Выходящий из вихревого устройства 1 обогащенный кислородом атмосферный воздух может напрямую подаваться во всасывающий или продувочный тракт 2 двигателя 3 (фиг.4). Кроме того, выходящий из вихревого устройства 1 обогащенный кислородом воздух может направляться в герметичную емкость 4, а из нее напрямую подаваться во всасывающий или продувочный тракт двигателя 3 (фиг.5). В последнем случае в герметичную емкость 4 обогащенный кислородом атмосферный воздух может подаваться одновременно из нескольких параллельно установленных вихревых устройств 1.

В качестве резервного устройства, обеспечивающего подачу в вихревое устройство воздуха для его обогащения кислородом, можно использовать приводной нагнетатель. Помимо этого, используя байпасный воздухопровод, атмосферный воздух при необходимости можно напрямую, минуя вихревое устройство, подавать во всасывающий или продувочный тракт двигателя.

Рассматриваемый цикл двигателя внутреннего сгорания с адиабатным сжатием обогащенного кислородом воздуха 123456 приведен в диаграмме T,s на фиг.3. В случае адиабатного сжатия с цикле обычного атмосферного воздуха при одинаковой степени сжатия ε с вышеприведенным циклом первый 123′4′5′6 оказывается вписанным в цикл 123456. Сравнивая оба эти цикла в T,s-диаграмме, видим, что удельная работа и коэффициент полезного действия при использовании обогащенного кислородом воздуха увеличиваются.

Для установления вышеуказанного оптимального процентного содержания кислорода в подаваемом в цилиндр двигателя обогащенном им воздухе на начальном режиме работы двигателя при заданном процентном содержании кислорода в воздухе постепенно увеличивают цикловую подачу топлива до начала неполного сгорания его в цилиндре двигателя. При этом измеряют максимальные значения давления p₃ и температуры T₄ рабочего тела в цилиндре двигателя и выполняют анализ состава выхлопных газов.

Затем производят дальнейшее увеличение на заданную величину процентного содержания кислорода в воздухе, подаваемом в цилиндр работающего двигателя, и продолжают дальнейшее постепенное увеличение цикловой подачи топлива до момента наступления неполного его сгорания. При этом выполняют вышеперечисленные измерения и анализ состава выхлопных газов, и так продолжают до момента достижения заданных максимальных значении давления p₃ и температуры T₄ рабочего тела в цилиндре двигателя, обеспечивающих надежную его работу.

На достигнутом номинальном режиме работы двигателя измеряют мощность, развиваемую двигателем, расход топлива и расчетным путем определяют удельный расход топлива, коэффициент полезного действия двигателя и устанавливают оптимальное процентное содержание кислорода в подаваемом в цилиндр двигателя воздухе на номинальном режиме его работы.

В общем случае использование обогащенного кислородом воздуха для увеличения мощности и повышения эффективности работы возможно в любом типе двигателя внутреннего сгорания.

Рассматриваемый способ высокоэкономичной работы двигателя внутреннего сгорания по циклу Ерченко позволяет достигать прироста коэффициента полезного действия на 5…10 и более процентов, что несомненно является важнейшим фактором для начала его широкого использования при создании новых высокоэкономичных двигателей внутреннего сгорания и модернизации таких двигателей, находящихся в эксплуатации.

Источники информации

1. Ерченко Г.Н. Законы термодинамики и циклы теплоэнергетических установок и двигателей: Учебное пособие. - СПб.: ПИМаш, 2006. - 148 с. (с.110-111).

2. Патент RU 2081355 C1, 10.06.1997.

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что цикл включает адиабатный процесс сжатия воздуха в цилиндре, в конце которого топливо, впрыскиваемое в цилиндр, самовоспламеняется. Процесс горения происходит сначала при постоянном объеме, а остальная часть топлива сгорает при постоянном давлении. Затем осуществляется рабочий ход при адиабатном расширении продуктов сгорания. После чего происходит отвод теплоты в окружающую среду по изохоре. Для достижения высокоэкономичной работы двигателя адиабатный процесс сжатия воздуха начинают с запаздыванием по отношению к началу движения поршня в такте сжатия, осуществляя для этого на участке от начала движения поршня в такте сжатия перепуск воздуха из цилиндра за его пределы по изобаре-изотерме. Для установления оптимального соотношения степени сжатия и суммарной степени расширения в процессах изобарного горения топлива и адиабатного расширения продуктов сгорания последовательно от режима к режиму увеличивают продолжительность перепуска воздуха в такте сжатия, сохраняя каждый раз величину степени сжатия неизменной. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Высокоэкономичный способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что он осуществляется в работающем с наддувом или без наддува четырехтактном или двухтактном двигателе, каждый из которых работает по циклу, включающему в себя адиабатный процесс сжатия воздуха в цилиндре двигателя, в конце которого топливо, впрыскиваемое в цилиндр через форсунку, самовоспламеняется, а процесс горения топлива происходит сначала при постоянном объеме - по изохоре, а затем остальная часть топлива по мере поступления его из форсунки в цилиндр сгорает при постоянном давлении - изобаре, затем осуществляется рабочий ход при адиабатном расширении продуктов сгорания, после чего происходит отвод теплоты в окружающую среду по изохоре, соответствующей в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию атмосферного воздуха или соответствующей в двухтактных двигателях выхлопу и продувке цилиндра, отличающийся тем, что для достижения высокоэкономичной работы четырехтактного или двухтактного двигателя адиабатный процесс сжатия воздуха начинают с запаздыванием по отношению к началу движения поршня в такте сжатия, осуществляя для этого на участке от начала движения поршня в такте сжатия до начала процесса адиабатного сжатия перепуск воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме, когда давление и температура воздуха внутри цилиндра двигателя на указанном участке движения поршня остаются неизменными, а степень сжатия вследствие наличия вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя оказывается меньше суммарной степени расширения в процессах изобарного горения топлива и адиабатного расширения продуктов сгорания, что в рассматриваемом случае в сравнении со способом работы двигателя-прототипа, работающего по циклу без вышеуказанного перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия, приводит при прочих равных условиях совершения цикла рабочим телом, вне зависимости от его массы, находящейся в цилиндре при совершении цикла, к увеличению глубины расширения продуктов сгорания, увеличению удельной работы, совершаемой рабочим телом, при одном и том же количестве удельной теплоты, подводимой к последнему при сгорании топлива, в сравниваемых циклах, а следовательно и к увеличению коэффициента полезного действия двигателя, а для установления оптимального соотношения степени сжатия и суммарной степени расширения в процессах изобарного горения топлива и адиабатного расширения продуктов сгорания, при котором достигается высокоэкономичная работа двигателя и соблюдаются требования, обеспечивающие его надежную работу, последовательно от режима к режиму увеличивают на заданную величину продолжительность перепуска воздуха из цилиндра двигателя за его пределы по изобаре-изотерме в такте сжатия, которая определяется величиной приращения хода поршня в условном "процессе" вышеуказанного перепуска воздуха и отсчитывается по углу поворота коленчатого вала двигателя, сохраняя каждый раз величину степени сжатия неизменной, а выполнение условия изменения продолжительности вышеуказанного перепуска воздуха в такте сжатия путем изменения по углу поворота коленчатого вала момента закрытия впускного клапана четырехтактного двигателя или клапана, устанавливаемого в крышке цилиндра двухтактного двигателя, для перепуска воздуха в вышеуказанном такте, роль которого в двухтактных двигателях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой выполняет выпускной клапан, достигается за счет использования набора кулачковых шайб различного профиля, поочередно устанавливаемых на распределительном валу привода вышеуказанных клапанов в соответствии с заданным режимом работы двигателя, а сохранение неизменной степени сжатия на каждом из задаваемых режимов работы двигателя достигается, например, за счет использования поршня с отъемной головкой, позволяющей в соответствии с выбранным режимом устанавливать проставку между последним и тронком поршня требуемой высоты, при этом на каждом из устанавливаемых режимов работы двигателя выполняются измерения мощности, развиваемой двигателем, максимального давления в цилиндре последнего, расхода топлива, температуры выхлопных газов на выходе из цилиндра, продолжительности перепуска воздуха из цилиндра двигателя в такте сжатия по углу поворота коленчатого вала, и выполняется анализ состава выхлопных газов, после чего расчетным путем определяется удельный расход топлива и на основе сравнения полученных результатов, устанавливается оптимальное соотношение вышеуказанных степени сжатия и суммарной степени расширения, обеспечивающее высокий коэффициент полезного действия двигателя и его надежную работу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для увеличения удельной работы, совершаемой рабочим телом в цикле, и достижения при этом высокоэффективной работы двигателя, в процессе всасывания в четырехтактном двигателе или продувки в двухтактном двигателе в цилиндр подается воздух с повышенным содержанием кислорода, оптимальное процентное содержание которого в воздухе устанавливается опытным путем из условия обеспечения полного сгорания подаваемого в цилиндр топлива на номинальном режиме работы двигателя, на котором достигаются заданные максимальные значения давления и температуры рабочего тела в цилиндре двигателя, обеспечивающие надежную его работу, а для получения обогащенного кислородом воздуха используется, например, вихревое устройство для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, при этом для установления вышеуказанного оптимального процентного содержания кислорода в подаваемом в цилиндр двигателя обогащенном им воздухе на начальном режиме работы двигателя при заданном процентном содержании кислорода в воздухе постепенно увеличивают цикловую подачу топлива до начала неполного сгорания его в цилиндре двигателя, измеряя при этом максимальные значения давления и температуры рабочего тела в цилиндре двигателя и выполняя анализ состава выхлопных газов, затем производят дальнейшее увеличение на заданную величину процентного содержания кислорода в воздухе, подаваемом в цилиндр работающего двигателя, и продолжают дальнейшее постепенное увеличение цикловой подачи топлива до момента наступления неполного его сгорания, выполняя при этом вышеперечисленные измерения и анализ состава выхлопных газов, и так продолжают до момента достижения заданных максимальных значений давления и температуры рабочего тела в цилиндре двигателя, обеспечивающих надежную его работу, при этом на достигнутом номинальном режиме работы двигателя измеряют мощность, развиваемую двигателем, расход топлива и расчетным путем определяют удельный расход топлива, коэффициент полезного действия двигателя и устанавливают оптимальное процентное содержание кислорода в подаваемом в цилиндр двигателя воздухе на номинальном режиме его работы.