СПОСОБ ПРОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ Российский патент 2023 года по МПК F02B3/04 F02N19/04 F02P5/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания.

Прототипом является способ прогрева двигателя внутреннего сгорания, включающий воспламенение горючей смеси, уменьшение после пуска двигателя установочного угла опережения зажигания на время прогрева двигателя и восстановление его до исходного значения перед окончанием прогрева [Пат. РФ 2101549, МПК F02P, 5/02, 1998].

Недостатками прототипа является незначительная эффективность нагрева по сравнению с обычным способом (без изменения угла опережения зажигания), так как более позднее воспламенение приведет к неполному сгоранию смеси и потерям, в связи с этим, выделяющейся при сгорании теплоты.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, уменьшение времени прогрева двигателя на холостом ходу и улучшение эксплуатационных характеристик двигателя.

Задача решается тем, что в способе прогрева двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу, включающем после пуска двигателя изменение угла опережения зажигания, впрыск топлива и воспламенение горючей смеси в соответствии с этим углом, за цикл работы, по крайней мере один раз выполняют впрыск, при этом изменяют в сторону увеличения угол опережения зажигания и производят в соответствии с последним воспламенение горючей смеси в момент завершения такта всасывания.

Посредством впрыска образуют горючую смесь стехиометрического состава. Посредством впрыска образуют горючую смесь и обедненного состава. Посредством впрыска образуют горючую смесь и обогащенного состава. Второй раз впрыск и воспламенение осуществляют при исходном значении угла опережения зажигания. По мере прогрева двигателя посредством впрыска образуют горючую смесь, отличающуюся от стехиометрического состава.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Выполнение за цикл работы, по крайней мере одного раза впрыска, и осуществление при этом изменения в сторону увеличения угла опережения зажигания и проведения в соответствии с последним воспламенения горючей смеси в момент завершения такта всасывания позволяет сжигать смесь на такте сжатия. В результате этого происходит эффективная передача теплоты продуктов горения через стенки цилиндра охлаждающей жидкости. Следует заметить, что, во-первых, теплопередача осуществляется и излучением, и конвекцией, причем при турбулентном движении горящей смеси, увеличивается коэффициент теплоотдачи конвекцией. Во-вторых, имеется запас времени для горения смеси по сравнению с временем ее горения в камере сгорания, что способствует более полному ее сгоранию, а также появлению возможности сжигания большего количества смеси. Все это увеличивает удельное тепловыделение с единицы поверхности горения. В-третьих, сжатие продуктов горения способствует дополнительному увеличению их температуры, в результате чего температура их в камере сгорания (при прохождении поршнем ВМТ) будет больше, чем температура сожженной горючей смеси в камере сгорания обычным образом, когда сначала сжимается холодная смесь, а потом происходит ее сжигание. Все это уменьшает время прогрева двигателя.

Образование посредством впрыска горючей смеси стехиометрического состава целесообразно производить после пуска двигателя в условиях низких температур, когда происходит сужение концентрационных границ зажигания. В этом случае воспламенение должно произойти даже при самых узких указанных границах.

Образование посредством впрыска горючей смеси и обедненного состава позволяет сэкономить окислитель и использовать его для образования горючей смеси при впрыске топлива второй раз, при котором воспламенение получившейся смеси производят уже в соответствии с исходным углом опережения зажигания.

Образование посредством впрыска горючей смеси и обогащенного состава увеличивает удельное тепловыделение с единицы поверхности горения, что сокращает время прогрева. При этом рабочий ход нужно организовывать за счет других цилиндров двигателя.

Осуществление второго раза впрыска и воспламенения при исходном значении угла опережения зажигания позволяет еще больше повысить температуру продуктов горения. Кроме того, имеющий достаточно высокую температуру оставшийся после первого воспламенения окислитель позволяет расширить концентрационные границы зажигания и, следовательно дает возможность формировать в камере сгорания или более бедную, или более богатую горючую смесь, а также организовать рабочий ход при втором впрыске.

Образование по мере прогрева двигателя посредством впрыска горючей смеси, отличающейся от стехиометрического состава, позволяет управлять количеством выделяющегося при горении теплоты, например при повышении температуры нагрузка на двигатель будет падать, поэтому мощность рабочего хода можно уменьшить, сжигая меньше топлива во второй раз, а первый раз сжигать более богатую смесь, чтобы увеличить тепловыделение. Все это повышает эксплуатационные характеристики.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема цилиндра двигателя внутреннего сгорания в момент окончания такта всасывания. На фиг. 2 изображена схема цилиндра двигателя внутреннего сгорания в момент подхода поршня к ВМТ.

Двигатель внутреннего сгорания содержит образованную размещенным в цилиндре 1 поршнем 2 и стенками 3 камеру сгорания 4, в которой установлена форсунка 5 для распыления топлива 6 в цилиндр и камеру сгорания, которые омываются охлаждающей жидкостью 7.

Работает двигатель внутреннего сгорания следующим образом.

После пуска холодного двигателя поршень 2 начинает двигаться вниз, засасывая при этом воздух (окислитель) в цилиндр 1. После прохождения им НМТ впускной клапан закрывается, и такт всасывания заканчивается. После этого (или в процессе всасывания) форсункой 5 впрыскивают в цилиндр 1 и камеру сгорания 4 топливо, образуя при этом, предположим, обогащенную смесь 6, которую, например посредством искры свечи (не показана) воспламеняют (фиг. 1). При горении этой обогащенной топливной смеси происходит передача теплоты от продуктов горения через стенки цилиндра 1 и камеры сгорания 4 охлаждающей жидкости 7.

Теплоотдача от продуктов горения к поверхности стенок происходит и излучением, и конвекцией, что увеличивает удельное тепловыделение с единицы поверхности горения, при этом сама поверхность, через которую происходит теплопередача, существенно больше поверхности камеры сгорания, на стенки которой воздействует излучение при сжигании топливной смеси обычным способом, например как в прототипе. Кроме того, имеется запас по времени горения топливной смеси в цилиндре по сравнению с горением в камере сгорания обычным способом, что, во-первых, позволяет обогатить смесь насколько это возможно, а во-вторых, увеличивается продолжительность процесса теплоотдачи от продуктов горения к указанным стенкам.

Поршень 2 продолжает двигаться вверх за счет сил инерции маховика коленчатого вала и работы, совершаемой в процессе рабочего хода другого цилиндра. При этом происходит сжатие и турбулентное движении горящей смеси, в результате чего увеличивается коэффициент теплоотдачи конвекцией и увеличение ее температуры (фиг. 2). Все это увеличивает количество теплоты, передаваемой охлаждающей жидкости. В результате, с одной стороны, температура продуктов горения увеличивается за счет сжатия, а с другой стороны, - уменьшается за счет теплоотдачи излучением и конвекцией. При прохождении поршнем ВМТ продукты сгорания максимально сжимаются, после чего начинают расширятся по мере продвижения поршня 2 вниз, отдавая также тепло охлаждающей жидкости.

Для прогрева других цилиндров двигателя нужно описанный процесс поочередно выполнять во все цилиндрах ДВС.

Можно также совмещать прогрев цилиндра предложенным способом с рабочим ходом поршня этого цилиндра. Для этого после пуска холодного двигателя в цилиндр 1, засасывания воздуха и окончания такта всасывания форсункой 5, впрыскивают в цилиндр 1 и камеру сгорания 4 топливо, образуя при этом обедненную топливную смесь, которую также воспламеняют. При сжатии горящей смеси происходит описанный процесс теплопередачи, однако тепловыделение при этом получается меньше в силу горения обедненной смеси с меньшим содержанием топлива. При подходе поршня к положению, соответствующему исходному углу опережения зажигания, производят впрыск форсункой 5 порции топлива в количестве, которое может прореагировать с оставшимся в продуктах горения кислородом. Поскольку продукты горения имеют еще достаточно высокую температуру, а также объемы догорающей смеси, то впрыскиваемое топливо (подобно дизелю) начнет воспламеняться, т.е. поджигание искрой может и не понадобиться. Заметим, что при воспламенении этой смеси (второго впрыска) нижняя концентрационная граница зажигания должна незначительно измениться, так как продукты сгорания, являющиеся по существу инертной добавкой, заменяют при этом часть кислорода, который в обедненной смеси (первый впрыск) имелся в большом избытке и также по существу являлся инертной добавкой. Однако изменение температуры влияет на нижнюю и верхнюю концентрационные границы, которые расширяются при повышении температуры смеси. Сгоревшее после второго впрыска топливо увеличивает температуру и количество продуктов сгорания, а также их давление. В результате этого организуется рабочий ход, хотя и меньшей мощности, чем это могло бы быть при сгорании в камере сразу всего топливного заряда, т.е. суммарного топлива, израсходованного в первый и второй разы. Такая организация рабочего хода позволяет осуществлять одновременный прогрев всех цилиндров двигателя.

Однако не всегда можно первый раз можно формировать богатую или бедную топливные смеси. При очень низких температурах концентрационные границы сужаются, поэтому первоначально в таких условиях нужно производить впрыск топлива, количество которого сформирует горючую смесь состава, близкого к стехиометрическому. Если учесть, что при низких температурах топливо испаряется медленнее, то можно осуществлять техническое зажигание и несколько раньше окончания такта всасывания, чтобы обеспечить большее время контакта продуктов горения со стенками цилиндра. По мере прогрева двигателя состав смеси можно делать отличным от стехиометрического.

Заметим, что быстрый прогрев двигателя будет способствовать и быстрому нагреву печки салона транспортного средства.

Внедрение изобретения позволит уменьшить длительность прогрева двигателя на холостом ходу и время нагрева печки транспортного средства практически без переделки существующих современных двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Способ прогрева двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу включает в себя после пуска двигателя изменение угла опережения зажигания, впрыск топлива и воспламенение горючей смеси в соответствии с этим углом. Во время пуска двигателя поршень (2) двигается вниз, засасывая воздух в цилиндр (1). После прохождения им нижней мертвой точки впускной клапан закрывается и такт всасывания заканчивается. За цикл работы по крайней мере один раз выполняют впрыск топлива форсункой (5) в камеру сгорания (4) топлива, образуя горючую смесь 6. Изменяют в сторону увеличения угол опережения зажигания и производят в соответствии с последним воспламенение горючей смеси в момент завершения такта всасывания. При горении смеси происходит передача теплоты от продуктов горения через стенки цилиндра 1 и камеры сгорания 4 охлаждающей жидкости 7. Технический результат заключается в уменьшении времени прогрева двигателя на холостом ходу. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ прогрева двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу, включающий после пуска двигателя изменение угла опережения зажигания, впрыск топлива и воспламенение горючей смеси в соответствии с этим углом, отличающийся тем, что за цикл работы по крайней мере один раз выполняют впрыск, при этом изменяют в сторону увеличения угол опережения зажигания и производят в соответствии с последним воспламенение горючей смеси в момент завершения такта всасывания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что посредством впрыска образуют горючую смесь стехиометрического состава.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что посредством впрыска образуют горючую смесь и обедненного состава.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что посредством впрыска образуют горючую смесь и обогащенного состава.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй раз впрыск и воспламенение осуществляют при исходном значении угла опережения зажигания.

6. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что по мере прогрева двигателя посредством впрыска образуют горючую смесь, отличающуюся от стехиометрического состава.