Способ А. Н. Сергеева управления двигателем внутреннего сгорания Российский патент 2024 года по МПК F02B29/00 F02B33/00 F02B33/16 F02B33/22 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при производстве и эксплуатации двигателей для транспортных средств.

Известен способ управления двигателем внутреннего сгорания по патенту РФ № 2707012, при котором топливо - воздушную смесь впрыскивают в камеру сгорания из компрессорного цилиндра, снабженного одним или несколькими устройствами для подачи топлива. Ход поршня компрессорного цилиндра устанавливают с опережением или отставанием относительно хода поршня рабочего цилиндра, в интервале хода рабочего поршня от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ) в камеру сгорания подают топливо - воздушную смесь, а в интервале хода рабочего поршня от ВМТ до НМТ в камеру сгорания подают воду. Подготовку и гомогенизацию топливо - воздушной смеси в компрессорном цилиндре производят при коэффициенте избытка воздуха λ≤0.5, а в камере сгорания, в районе электрода свечи зажигании, готовят топливо - воздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха 0,6≤λ.≤2.0, используя для этого воздух, поступающий из рабочего цилиндра. Воду вводят, минуя компрессорный цилиндр, непосредственно в камеру сгорания или в кольцевой канал, расположенный вокруг камеры сгорания и соединенный с ней.

Применение этого цикла работы двигателя повышает стабильность и безопасность работы двигателя, повышает коэффициент полезного действия двигателя, увеличивает его мощность и снижает токсичность отработавших газов.

Известный двигатель обеспечивает повышение стабильности работы. Однако, при резком переходе на мощностной режим работы, например, при движении автомобиля в городских условиях, в камере сгорания двигателя может образоваться чрезмерно богатая смесь. Это может привести к пропуску зажигания смеси, что нарушит стабильность работы двигателя. Кроме того, в известном двигателе традиционно применяют опережение зажигания ТВС. В момент подачи напряжения на свечу зажигания поршень рабочего цилиндра движется к верхней мертвой точке(ВМТ). и после начала горения ТВС. В течение некоторого времени, давление, повышающееся в камере сгорания, противодействует движению поршня. Это приводит к потере мощности двигателя и также может нарушать стабильность его работы.

Известен так же способ управления двигателем внутреннего сгорания по патенту РФ №2792487. принятый за прототип, при котором топливо-воздушную смесь (ТВС) гомогенизируют при коэффициенте избытка воздуха λ≤0.5. после перекрытия продувочных и выпускных окон рабочего цилиндра подают ТВС в газообразном состоянии в форкамеру и камеру сгорания при давлении в камере сгорания больше атмосферного. Причем ТВС обедняют в камере сгорания до коэффициента избытка воздуха 0.6≤.λ≤2,0, используя для этого воздух, поступающий из рабочего цилиндра, и обеспечивают в форкамере. камере сгорания и рабочем цилиндре различное качество ТВС. после чего производят искровое зажигание ТВС. опережения зажигания устанавливают в интервале 0…+20°С около ВМТ взависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя при полном наполнении рабочего цилиндра атмосферным воздухом на всех режимах работы двигателя и при степени сжатия в камере сгорания ε=14…20. При этом в качестве форкамеры используют верхний кольцевой канал вокруг камеры сгорания, а поджигают ТВС одновременно несколькими свечами, электроды которых расположены в верхнем кольцевом канале.

Применение этого способа управления двигателем повышает стабильность и безопасность работы двигателя, повышает коэффициент полезного действия двигателя, увеличивает его мощность и снижает токсичность отработавших газов.

Однако при способе по прототипу не определены параметры давления в компрессорном цилиндре. Несоблюдение требований по давлению в компрессорном цилиндре достаточном для гомогенизации выбранного вида топлива может так же привести к нестабильной работе двигателя, а подача (ТВС) из компрессорного цилиндра в камеру сгорания при произвольно выбранном давлении в компрессорном цилиндре может привести к нестабильной работе двигателя. В отличие от прототипа впрыск ТВС из компрессорного цилиндра в камеру сгорания осуществляют при давлении на 0,5…7 атмосфер большем давления в рабочем цилиндре в момент впрыска ТВС в камеру сгорания.

Поэтому применение предлагаемого способа повышает стабильность работы двигателя (работа без пропусков поджигания ТВС), что приводит к повышению КПД ДВС, за счет того что, впрыск ТВС из компрессорного цилиндра в камеру сгорания осуществляют при давлении на 0,5…7 атмосфер большем давления в рабочем цилиндре в момент впрыска ТВС в камеру сгорания. Если понизить давление впрыска ТВС в камеру сгорания из компрессорного цилиндра меньше 0,5 атмосферы ухудшается качество перемешивания ТВС в камере сгорания, что может привести к пропускам зажигания ТВС из-за ее неоднородности по составу в объеме камеры сгорания. Превышение давления впрыска ТВС в камеру сгорания из компрессорного цилиндра выше 7 атмосфер приводит к обеднению ТВС в объеме камеры сгорания за счет активной турбулентности ТВС в камере сгорания, что приводит к выходу части объема ТВС из камеры сгорания в объем рабочего цилиндра, обеднению ТВС до качества смеси которое плохо поджигается -пропуски поджигания ТВС.

Согласно изобретению предложен способ управления двухтактным двигателем внутреннего сгорания, при котором топливо-воздушную смесь (ТВС) гомогенизируют в компрессорном цилиндре при коэффициенте избытка воздуха λ<0,5, после перекрытия продувочных и выпускных окон рабочего цилиндра подают ТВС в газообразном состоянии в кольцевой канал, используемый в качестве форкамеры и камеру сгорания при давлении в камере сгорания больше атмосферного, причем ТВС обедняют в камере сгорания до коэффициента избытка воздуха 0,6<λ<2,0, используя для этого воздух, поступающий из рабочего цилиндра, после чего производят искровое зажигание ТВС, при этом впрыск ТВС из компрессорного цилиндра в камеру сгорания осуществляют при давлении на 0,5…7 атмосфер большем давления в рабочем цилиндре в момент впрыска ТВС в камеру сгорания.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема двигателя по прототипу, с вариантами расположения форсунок для ввода смеси воды с воздухом или чистого воздуха непосредственно в камеру сгорания. На фиг. 1 сохранены все обозначения деталей, элементов сечений двигателя по прототипу, однако при описании предлагаемого способа использована лишь часть из них, необходимая для описания. Остальные обозначения оставлены как справочные.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Так же, как и при осуществлении способа по прототипу, угол поворота коленчатого вала 6 компрессорного цилиндра 1 устанавливают с опережением относительно угла поворота коленчатого вала 5 рабочего цилиндра 4 так, чтобы при положении поршня 2 компрессорного цилиндра 1 в верхней мертвой точке (ВМТ) поршень 3 рабочего цилиндра 4 был в положении в цилиндре 4 соответствующем заданному давлению в рабочем цилиндре 4. В полость 7 компрессорного цилиндра 1, через устройство для подачи топлива 8 и канал 9 подают топливо, а через кольцевой канал 11, канал 12 и лепестковый клапан 10 - чистый воздух. При этом коэффициентизбытка воздуха устанавливают λ≤0,5. При движении компрессорного поршня 2 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие, нагрев, испарение и гомогенизация топливо-воздушной смеси (ТВС). Однако. Если понизить давление впрыска ТВС в камеру сгорания из компрессорного цилиндра 1 меньше 0,5 атмосферы ухудшается качество перемешивания ТВС в камере сгорания 23, что может привести к пропускам зажигания ТВС из-за ее неоднородности по составу в объеме камеры сгорания 23. Превышение давления впрыска ТВС в камеру сгорания из компрессорного цилиндра 1 выше 7 атмосфер приводит к обеднению ТВС в объеме камеры сгорания 23 за счет активной турбулентности ТВС в камере сгорания, что приводит к выходу части объема ТВС из камеры сгорания 23 в объем рабочего цилиндра 4, обеднению ТВС до качества смеси которое плохо поджигается - пропуски поджигания ТВС. Поэтому впрыск ТВС из компрессорного цилиндра 1 в камеру сгорания 23 осуществляют при давлении на 0.5…7 атмосфер большем давления в рабочем цилиндре 4 в момент впрыска ТВС в камеру сгорания. Давление в компрессорном цилиндре 1 регулируют, подбирая усилие сжатия пружины 13 клапана 14. Все это обеспечивает безопасность и стабильность работы двигателя с компрессорным цилиндром 1.

В предлагаемом способе, как и в прототипе, используем кольцевой канал 21 в качестве форкамеры. Из полости 7 компрессорного цилиндра 1, через клапан 14, канал 15 и каналы 17 и 18, лепестковые клапана 19 и 20, кольцевой канал 21 используемый качестве форкамеры и кольцевой канал 22, далее через дополнительные каналы 24 и 25 ТВС подают в камеру сгорания 23. В это время рабочий поршень 3 перемешается от своей НМТ к ВМТ, что препятствует выходу ТВС из камеры сгорания 23. При этом в районе электрода свечи зажигания 26 в кольцевом канале 21 используемом качестве форкамеры и в камере сгорания 23, готовят ТВС с коэффициентом избытка воздуха 0,6≤λ≤2,0. Для этого используют гомогенизированную ТВС, поступившую из компрессорного цилиндра 1, добавляя в нее воздух, поступающий из рабочего цилиндра 4 в результате движения рабочего поршня 3 к ВМТ. При этом количество воздуха, требуемого для подготовки ТВС в кольцевом канале 21 используемом качестве форкамеры и камере сгорания 23 регулируют путем положения поршня 3 рабочего цилиндра 4 определенного для выбранного вида топлива через расчетное давление - количество воздуха необходимого для обеднения ТВС в камере сгорания 23 и кольцевой канал 21 используемый качестве форкамеры (давление в рабочем цилиндре 4 и камере сгорания 23 соответствует увеличению массы воздуха в камере сгорания, например, давление 3 атмосферы соответствует увеличению массы воздуха в камере сгорания 23 в 3 раза).

Работоспособность двигателя при управлении им по предлагаемому способу экспериментально проверена в сравнении со способом управления двигателем по прототипу. При испытаниях двигатель работал в двухтактном режиме. В ходе испытаний двигатель работал на бензине АИ95 при степени сжатия ε=14. Камера сгорания 23 двигателя имела цилиндрическую форму объемом 34 мл, кольцевой канал 21 используемый качестве форкамеры расположенный вокруг камеры сгорания 23 объемом 10 мл.

При работе двигателя на бензине и керосине устанавливали давление в рабочем цилиндре 4-3 атмосферы, а в компрессорном цилиндре 1-4 атмосферы, чтосоответствовало температуре гомогенизации в компрессорном цилиндре 1 - 200 градусам и коэффициенту избытка воздуха λ≤0,4 при качестве ТВС в камере сгорания 23 и в кольцевом канале 21 используемом в качестве форкамеры λ≥0.8 и общем качестве ТВС в рабочем цилиндре 4 на режиме холостого хода 600 об/мин. в двухтактном цикле λ≈ 4.

При работе двигателя на дизельном топливе устанавливали давление в рабочем цилиндре 4-4 атмосферы, а давление в компрессорном цилиндре 1-6 атмосфер, что соответствовало температуре гомогенизации в компрессорном цилиндре 1 - 300 градусов при качестве ТВС λ≤0,4 и общем качестве ТВС в рабочем цилиндре 4 на режиме холостого хода 600 об/мин. В двухтактном цикле при искровом зажигании ТВС λ≈4.

Двигатель на всех видах топлива на режиме холостого хода работал по одному часу. Па частоте вращения 4500 об/мин. так же работал по одному часу на всех видах топлива.

Состав выхлопных газов проверяли газоанализатором «Инфракар».

Результаты испытаний показали, что в выхлопных газах двигателя работающего на режиме холостого хода и частоте вращения коленчатого вала 4500 об/мин. управляемого по предлагаемому способу, содержание СО, СН, CO2 и O₂ по сравнению с прототипом уменьшились на всех видах применяемого топлива. В первую очередь это связано с более точным определением температуры гомогенизации на всех видах топлива, а как следствие с полной газификацией топлива, что обеспечило высокую степень гомогенизации.

Запуск двигателя на всех видах топлива был легким и стабильным-1-2 секунды, двигатель работал стабильно - без пропусков зажигания во всем диапазоне часто 600-4500 об/мин. при угле опережения зажигания 3 градуса до ВМТ без изменения во всем диапазоне частот вращения, что подтверждает уменьшение времени горения ТВС за счет высокой гомогенизации ТВС.

Двигатель по прототипу на бензине и керосине работал не стабильно- с пропусками зажигания, а на дизельном топливе не работал вообще.

Таким образом, предлагаемый способ управления двигателем внутреннего сгорания обеспечивает достижение технического эффекта: повышение безопасности и стабильности работы двигателя. Способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый способ обладает промышленной применимостью.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств. Изобретение позволяет повысить стабильность работы ДВС за счет работы без пропусков зажигания, что приводит к повышению КПД ДВС. Согласно предложенному способу управления двухтактным ДВС топливовоздушную смесь (ТВС) гомогенизируют в компрессорном цилиндре (1) при коэффициенте избытка воздуха λ<0,5. После перекрытия продувочных и выпускных окон рабочего цилиндра (4) подают ТВС в газообразном состоянии в форкамеру (21) и камеру сгорания (23) при давлении в камере сгорания (23) больше атмосферного. ТВС обедняют в камере сгорания (23) до коэффициента избытка воздуха 0,6<λ<2,0, используя для этого воздух, поступающий из рабочего цилиндра (4). После чего производят искровое зажигание ТВС. Впрыск ТВС из компрессорного цилиндра (1) в камеру сгорания (23) осуществляют при давлении, на 0,5-7 атмосфер большем давления в рабочем цилиндре (4) в момент впрыска ТВС в камеру сгорания. 1 ил.

Способ управления двухтактным двигателем внутреннего сгорания, при котором топливовоздушную смесь (ТВС) гомогенизируют в компрессорном цилиндре при коэффициенте избытка воздуха λ<0,5, после перекрытия продувочных и выпускных окон рабочего цилиндра подают ТВС в газообразном состоянии в кольцевой канал, используемый в качестве форкамеры, и камеру сгорания при давлении в камере сгорания больше атмосферного, причем ТВС обедняют в камере сгорания до коэффициента избытка воздуха 0,6<λ<2,0, используя для этого воздух, поступающий из рабочего цилиндра, после чего производят искровое зажигание ТВС, отличающийся тем, что впрыск ТВС из компрессорного цилиндра в камеру сгорания осуществляют при давлении, на 0,5…7 атмосфер большем давления в рабочем цилиндре в момент впрыска ТВС в камеру сгорания.