СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при производстве бензиновых моторов и дизелей.
Прототипом является способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие окислителя отдельно от топливного компонента горючей смеси, подачу его при достижении определенного давления в камеру сгорания и смешивание с парами топлива, сгорание смеси, передачу получившейся энергии на поршень через среду, не участвующую в процессе сгорания [Пат. РФ 2146007 МПК F02B 3/0, F02B 25/10, 2000].
Недостатками прототипа являются:
- относительно низкий КПД двигателя, обусловленный тем, что уменьшающийся объем камеры сгорания и последующее увеличение давления окислителя в ней приводят к конденсации паров топлива, т.е. увеличению топливных капель в горючей смеси и неполному сгоранию последней;
- недостаточная надежность двигателя из-за отсутствия смазки поршня, разделяющего окислитель и пары топлива, а также из-за наличия пружины в нем, которая будет испытывать при сгорании воздействие большой температуры и изменять свои упругие характеристики со временем;
- низкие эксплуатационные характеристики, вызванные нестабильностью качества приготовления смеси, поскольку количество наполняемого камеру сжатия окислителя зависит от положения в данный момент поршня, разделяющего окислитель и пары топлива. Кроме того, ограничены также и функциональные характеристики, например отсутствует возможность изменения состава горючей смеси количеством окислителя.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, повышение КПД двигателя, надежности, эксплуатационных и функциональных характеристик двигателя, а также упрощение его конструкции.
Задача решается тем, что в способе включающем подачу в камеру сгорания рабочего цилиндра компонентов горючей смеси и сжатого окислителя, по крайней мере окислитель, сжимают вне рабочего цилиндра и подают в последний при подходе его поршня к точке, соответствующей моменту зажигания.
Подачу жидкого компонента горючей смеси осуществляют при подходе поршня к положению, соответствующему углу опережения зажигания. Часть окислителя используют для продувки камеры сгорания рабочего цилиндра. Всасывание и сжатие окислителя осуществляют другим цилиндром, ход поршня которого синхронизируют с движением поршня рабочего цилиндра. Сжатие окислителя начинают с задержкой относительно момента прохождения поршнем нижней мертвой точки. Часть окислителя смешивают, с газообразным компонентом горючей смеси. Часть окислителя смешивают с жидким окислителем. Горючую смесь подают в камеру сгорания струей, которую воспламеняют у начала ее входа в эту камеру. Часть окислителя направляют в ресивер. Подачу жидкого компонента горючей смеси осуществляют под давлением большим, чем давление сжатого окислителя.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Сжатие, по крайней мере окислителя вне рабочего цилиндра и подача в последний при подходе его поршня к точке, соответствующей моменту зажигания, способствует более равномерному его распределению по камере сгорания, когда поршень рабочего цилиндра практически стоит на месте. В обычных ДВС (например в дизелях) при движении поршня к камере сгорания за счет инерционных сил происходит уплотнение воздуха перед поршнем и последующее неравномерное его распределение из-за этого в камере сгорания. Кроме того, такой сжатый окислитель не содержит примесей отработавших газов и более стабилен по своим параметрам, поскольку при впуске не контактирует с горячими поверхностями. Все это способствует более качественному смесеобразованию, увеличению полноты сгорания и КПД, повышая, в конечном счете, эксплуатационные характеристики.
Осуществление подачи жидкого компонента горючей смеси при подходе поршня к положению, соответствующему углу опережения зажигания, позволяет сохранить размер распыленных частиц топлива, так как давление окислителя в камере сгорания уже не будет повышаться, что предотвратит конденсацию паров и укрупнение частиц после впрыска жидкой компоненты.
Использование части окислителя для продувки камеры сгорания рабочего цилиндра способствует удалению из камеры остатков отработавших газов и более полному ее последующему наполнению свежей горючей смесью. Это повышает полноту сгорания и КПД двигателя.
Осуществление всасывания и сжатия окислителя другим цилиндром, ход поршня которого синхронизируют с движением поршня рабочего цилиндра, упрощает конструкцию двигателя и повышает эксплуатационные характеристики. Кроме того, указанному цилиндру для работы по существу нужен один впускной клапан, который может быть выполнен большого сечения, что снижает затраты на всасывание и повышает КПД двигателя. Еще больше расширяет возможности наличие у этого цилиндра двух клапаном (с таким же большим суммарным сечением), которыми можно управлять независимо друг от друга. Например с помощью второго (вспомогательного) клапана при необходимости можно стравливать сжимаемый окислитель в ресивер сразу после того, как давление в цилиндре превысит давление в ресивере, т.е. не затрачивая лишней энергии на сжатие окислителя.
Начало сжатия окислителя с задержкой относительно момента прохождения поршнем нижней мертвой точки позволяет изменять степень сжатия и состав горючей смеси за счет варьирования количества сжимаемого окислителя. Чем больше время задержки, тем меньше степень сжатия и меньше будет количество сжатого окислителя. Это расширяет функциональные возможности и улучшает эксплуатационные характеристики. Заметим, что если стравливание производится в ресивер, то задержку начинают производить после того, как давление сжимаемого окислителя превысит давление в ресивере.
Смешивание части окислителя с газообразным компонентом горючей смеси позволяет использовать для работы двигателя газообразное топливо или водяной пар, что расширяет функциональные возможности двигателя и улучшает его эксплуатационные характеристики.
Смешивание части окислителя с жидким окислителем (например фетеролом) позволяет производить форсирование двигателя, что расширяет его функциональные возможности и улучшает эксплуатационные характеристики.
Подача горючей смеси в камеру сгорания струей, которую воспламеняют у начала ее входа в эту камеру способствует сгоранию смеси на входе в камеру сгорания. Это повышает полноту сгорания, поскольку продукты сгорания не перемешиваются с объемами свежей смеси. Несмотря на то, что в процессе сгорания давление в камере сгорания будет повышаться, струя будет продолжать свое истечение за счет высокой кинетической энергии потока (своего содержимого). Это повышает КПД двигателя и уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу, способствуя улучшению эксплуатационных характеристик.
Направление части окислителя в ресивер дает возможность создавать запасы чистого воздуха в транспортном средстве и использовать его при необходимости на различные нужды. Например, подача воздуха из ресивера под давлением в цилиндр (сжимающий окислитель) позволит форсировать двигатель и без жидкого окислителя или обеспечить его нормальную работу при разряженной атмосфере (в горах). Все это расширяет функциональные возможности и улучшает эксплуатационные характеристики. Кроме того, воздух ресивера может быть использован для работы пневматической подвески, стеклоочистителей, накачки колес, подачи своим током (вместо шумного вентилятора) в салон и т.д. Все это расширяет функциональные возможности и повышает эксплуатационные характеристики.
Осуществление подачи>жидкого [компонента горючей смеси под давлением большим, чем давление сжатого окислителя, позволяет лучше и быстрее приготовить горючую смесь. Например, впрыскивание в окислитель жидкого компонента топлива под давлением порядка 10 МПа обеспечивает перемешивание уже на молекулярном уровне. Это увеличивает полноту сгорания и снижает выброс вредных веществ в атмосферу.
Изобретение поясняется чертежом..
На фиг. 1 изображена схема двигателя внутреннего сгорания с впрыском жидкого топливного компонента. На фиг. 2 изображена схема двигателя с подачей в камеру сгорания горючей смеси. На фиг. 3 изображено положение перепускного клапана до начала подачи горючей смеси. На, фиг. 4 изображено положение перепускного клапана в момент подачи горючей смеси. На фиг. 5 изображена схема возможной компоновки блока цилиндров двигателя.
Двигатель содержит рабочий 1 и нагнетающий 2 цилиндры с поршнями 3, воздушные каналы 4, 5, 6, в которых соответственно установлены выпускной 7, перепускной 8 и впускной 9 клапаны, и камеру 10 сгорания, горючая смесь в которой произведена устройством 11 впрыска (форсункой), связанным через систему топливоподачи с жидким топливом. В камере сгорания может быть установлен источник 12 технического зажигания (например свеча), причем установка возможна в зоне входа горючей смеси в камеру сгорания через отверстие 13 (сопло). Способ реализуют следующим образом.
Предположим, что поршни 3 цилиндров 1, 2 движутся вниз, при этом в цилиндре 1 происходит расширение продуктов сгорании (рабочий ход), а поршень цилиндра 2 засасывает через канал 6 при открытом впускном клапане 9 окислитель (воздух) (фиг. 1). При достижении поршнями нижней мертвой точки (НМТ) клапан 9 закрывается, а выпускной клапан 7 открывается, позволяя продуктам сгорания выходить из цилиндра 1 через канал 4. В результате этого движение поршней вверх сопровождается выходом продуктов сгорания из цилиндра 1 и сжатием окислителя в цилиндре 2. При подходе поршня цилиндра 1 к точке, соответствующей моменту зажигания, открывают перепускной клапан 8, в результате чего сжатый окислитель через канал 5 поступает в камеру 10 сгорания, при этом происходит продувка последней и удаление из нее остатков продуктов сгорания. После этого клапан 7 закрывается, сжатый окислитель продолжает поступать в камеру сгорания, наполняя ее. Давление над поршнями 3 выравнивается, и клапан 8 закрывают.
Далее производят подачу жидкого компонента под высоким давлением устройством 11 впрыска и производят техническое зажигание. Горючая смесь сгорает, начинается рабочий такт, в процессе которого поршни 3 синхронно движутся вниз. Аналогичным образом происходит работа двигателя в режиме дизеля.
Заметим, что поскольку жидкий компонент топлива впрыскивается в момент, когда давление окислителя в камере 10 сгорания больше не растет (поршень 3 цилиндра 1 практически не изменяет объем камеры сгорания), то исключается конденсация паров топлива и связанное с этим укрупнение его распыленных частиц, что уменьшает время сгорания и способствует увеличению полноты сгорания.
Посредством вспомогательного впускного клапана (не показан) или клапана 9, имеющего независимое электронное управление, можно при необходимости регулировать степень сжатия и состав горючей смеси. Для этого после подхода поршня цилиндра 2 НМТ задерживают закрытие клапана, способствуя выходу окислителя через канал 6, например в ресивер, с которым его предварительно соединяют. По истечению некоторого времени, задержку прекращают, поршень 3 цилиндра 2 сжимает оставшийся в нем окислитель. При этом в конце сжатия давления окислителя будет меньше, нежели в случае, когда задержка не осуществлялась, а горючая смесь окажется более богатой при прежней норме впрыска жидкого компонента. Если требуется форсировать работу двигателя, то при всасывании в цилиндр 2 направляют окислитель (воздух) из ресивера, с которым предварительно соединяют канал 6. Тогда при сжатии и отсутствии задержки степень сжатия увеличится, а смесь станет более бедной. Однако, если при этом увеличить подачу жидкого компонента, то смесь обогатится, и мощность топливного заряда возрастет. Также можно увеличить форсирование за счет подачи в цилиндр 2 жидкого окислителя.
Можно осуществлять подачу и других компонентов горючей смеси, например горючего газа, перегретого водяного пара и т.п., соединив предварительно канал 6 с источниками указанных газов.
Двигатель может работать и в режиме, когда горючая смесь полностью готовится и сжимается вне камеры сгорания (фиг. 2, 3). В этом случае после сжатия поршнем 3 в цилиндре 2 окислителя производят впрыск жидкого топливного компонента устройством 11 в канал 5 и открывают клапан 8, в результате чего горючая смесь через сопло 13 устремляется в камеру 10. После закрывания клапана 8 смесь воспламеняют. Заметим, что воспламенение можно производить и у начала входа струи в эту камеру источником 12 зажигания, размещенным у входа струи (фиг. 4). Подача такой смеси может осуществляться и специальном устройством, выполняющим роль топливной форсунки и смесителя жидкого компонента топлива с окислителем. В этом случае надобность в клапане 8 отпадает.
Если цилиндр 2 сделать большего объема по сравнению с цилиндром 1, например большего диаметра, то нагнетание окислителя может производиться сразу в два рабочих цилиндра, причем рабочие и нагнетающий цилиндры могут быть размещены под некоторым углом друг к другу (фиг. 5). Можно сделать и, наоборот, - рабочий цилиндр будет один, а нагнетающих - два. Это, например целесообразно в том случае, когда двигатель работает в режиме дизеля, и получение большой степени сжатия можно осуществить двумя цилиндрами при малом ходе поршня, что сделает дизель более компактным. Кроме того, появляется возможность выполнить одну часть двигателя бензиновую, а другую - дизельную, получив двигатель с совмещенными характеристиками ДВС и дизеля.
Внедрение изобретения позволит без существенных конструктивных изменений получить двигатель с расширенными функциональными характеристиками, более высоким КПД и с меньшими вредными выбросами в атмосферу.