СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ СО СВЕРХВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ (СВСС)
METHOD OF OPERATING DIESEL ENGINE WITH SUPERHIGH COMPRESSION RATIO

Изобретение относится к тепловым машинам объемного действия, а более конкретно - к способам организации рабочего процесса при сжигании углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) высокофорсированных дизелей.
В двигателестроении нашли применение три основных способа организации рабочего процесса: изохорный рабочий процесс с циклом Бо-дэ-Роша - Отто, используемый в бензиновых двигателях; цикл Тринклера-Сабатэ - воспроизводящий смешанный, изохорно-изобарный рабочий процесс, применяемый во всех без исключения дизельных двигателях; цикл Рудольфа Дизеля, с изобарным подводом теплоты на базе компрессорного впрыска, нашедший ограниченное применение только на первой стадии развития дизелей. В подавляющем большинстве случаев, применительно к современным энергетическим установкам объемного действия, используются только два первых способа организации рабочего процесса.
Известные способы организации горения топлива в камерах сгорания ДВС - изохорный, изобарно-изохорный, достигли предела своих потенциальных возможностей, и уже не отвечают все возрастающим требованиям по рациональному сжиганию топлива, как по экономическим соображениям, так и по экологическим характеристикам выхлопа. Не может быть востребован и основной резерв улучшения характеристик тепловых циклов - рост степени сжатия: у дизелей, ввиду ограниченности прочностных свойств материалов, из-за высоких развиваемых давлений (Pz); в бензиновых моторах, ограниченностью роста степени сжатия, ввиду наступления детонации. В двигателях с изобарным подводом теплоты, наоборот, при самом благоприятном характере нагружения кинематических пар циллиндро-поршневой группы, закон тепловыделения наиболее трудно осуществимый, так как связан со значительным усложнением конструкции двигателя.
Известен единственный способ применения изобарного подвода теплоты к рабочему телу на умеренных степенях сжатия (патент №37207 от 28.02.1892 г. МКИ F02B 75/02 F02B 9/04 F02B 3/06), применяемый лишь на рубеже 19-20 веков, когда дизельное топливо в камере сгорания распыливалось от независимого компрессора при давлениях порядка 60 бар (см. напр. А.Е. Тиман: «Быстроходные транспортные дизеля», стр.51, перевод с немецкого, под ред. проф. В.В. Власова, изд. ОГИЗ ГОСТРАНСИЗДАТ, Москва-Ленинград, 1931 г.). Пневматический распыл топлива способствовал получению необходимой мелкодисперсности распыливаемого топлива, вследствие чего рабочий процесс протекал достаточно экономично.
Однако наличие компрессора высокого давления состоящего из двух или даже трех ступеней сжатия с ресивером и дополнительными коммуникациями сильно усложняло дизеля, делало их тихоходными. Попытки заменить компрессорный распыл топлива механическим насосом высокого давления, в частности двухступенчатым распылом топлива, не смогли обеспечить необходимый циклу характер тепловыделения. Учитывая, что при вводе топлива по изобаре, такому циклу отводится наименьший среди других тепловых циклов период на смесеобразование, горение и расширение, то на первом месте стоит проблема, как уместиться в отводимое для рабочего хода временные рамки (см. напр. проф. Д.Д. Брозэ: «Сгорание в поршневых двигателях», стр.132, перевод с английского под ред. д.т.н. А.Н. Воинова изд. «Машиностроение»; Москва, 1969 г.). И если в бензиновом двигателе, в котором реализуется сгорание газов по изохоре и процесс смесеобразования не ограничен только пределами рабочего цилиндра, и соответственно есть дополнительное время на подготовку топливо-воздушной смеси к сгоранию в цилиндре, то в дизельном двигателе, работающем по циклу Тринклера-Сабатэ, время на подготовку рабочего тела ограничено периодом впрыска топлива в камеру сгорания. Но и в первом и во втором случае воспламенение топлива в цилиндрах двигателей происходит с некоторым опережением относительно ВМТ (рис.1, 2), удлиняя таким образом общее время процесса горения, кроме того часть топлива (пилотная доза) для резкого подъема давления вводится на линии сжатия против хода поршня. За счет поглощения газом и стенками цилиндропоршневой группы теплоты пилотной дозы (которая безвозвратно потеряна для цикла) обеспечивается резкое поднятие давления в цилиндре двигателя до точки максимально возможного давления сгорания ((Pz) в районе ВМТ.
Специфика же изобарного подвода теплоты в дизельном двигателе такова, что приращение объема камеры сгорания для сохранения определенного давления, должно уравновешиваться приращением объема газа от сжигания топлива, вводимого после ВМТ. Впрыск на начальной стадии горения должен обеспечивать тепловыделение с медленно нарастающей скоростью, а в дальнейшем процесс горения должен сильно ускоряться. Но такой способ, в котором рабочее тело - газ, будет какое-то время удерживаться под определенным давлением на каком-то одном уровне, в рамках принятой совокупности используемых параметров цикла, практически неосуществим.
Технический результат, который достигается при реализации настоящего изобретения заключается в частичном или полном устранении недостатков, ограничивающих эффективность тепловыделения в камерах сгорания ДВС на такте расширения и в создании теплового двигателя с максимально возможным КПД
max
Для достижения данного технического результата, с целью получения максимально возможного индикаторного КПД путем значительного увеличения геометрической степени сжатия (ε) до 35-65 единиц, давление сжимаемого по политропе воздуха (Рс) предельно приближают в двигателе к максимальному давлению сгорания (Pz), под показатель степени повышения давления (λ) в цикле, близкий к единице.
Технический результат достигается также и тем, что тепловыделение по изобаре в цикле начинают осуществлять за верхней мертвой точкой (ВМТ), на сходе с вершины политропы.
Технический результат достигается и тем, что избыток остаточной энергии сжатого воздуха регенеративно возвращают в цикл на такте рабочего хода.
Технический результат достигается и тем, что давление максимально сжимаемого по политропе воздуха используют для повышения КПД тепловых двигателей, работающих по четырехтактному и по двухтактному циклам.
max
Технический результат достигается и тем, что для организации тепловыделения по обусловленному закону удерживания давления сгорания на максимально возможном за ВМТ уровне (Pz), в нем осуществляют управляемый многоточечный впрыск, например, с помощью аккумуляторной системы топливоподачи, типа: «Common Rail.».
Введение в предлагаемый способ организации работы дизельного двигателя перечисленной совокупности отличительных признаков позволяет реконструировать изобарный цикл под рабочий процесс, в котором закладывается значительное превышение температуры сжимаемого воздуха от ее минимально необходимого уровня, что приводит к сокращению задержки воспламенения со снижением скорости нарастания давления (dP/dφ) на начальном этапе горения и ускоряет сгорание во время завершающей стадии горения, препятствуя затяжному процессу догорания топлива.
max
Существенная новизна изобретения заключается в том, что в цикле с изобарным подводом теплоты, производится резкая интенсификация всех этапов рабочего процесса, инициированного путем значительного увеличения геометрической степени сжатия (ε) рабочего тела от значений порядка 20-25 единиц до значений в 35-65 единиц, с приближением завершающей стадии политропно (без ввода топлива) сжимаемого воздуха (Рс) к максимально достижимому в цикле давлению сгорания (Pz), когда показатель степени повышения давления (λ) принимается равным или близким к единице, а также и в том, что тепловыделение начинается за ВМТ на ниспадающей ветви политропы расширения таким образом, что кривая подъема и падения давления рабочего тела на индикаторной диаграмме напоминает синусоиду, тогда как у других тепловых циклов, индикаторная диаграмма напоминает профиль зуба храпового колеса. Указанный цикл можно охарактеризовать как политропно-изобарный, ввиду значительной доли энергии (назовем ее «теплотой или энергией замещения»), вводимой на компрессорном такте от сжимаемого воздуха и обладающей новым свойством - возвращаться на такте расширения в цикл, а ее величина по абсолютному значению может превышать теплоту, вводимую в других циклах при сгорании пилотной и основной дозы топлива.
Политропно-изобарный цикл, кроме этого обеспечивает сгорание топлива в условиях наименьших тепловых потерь, так как основная фаза тепловыделения на стадии горения происходит в защемленном объеме камеры сгорания, в которой соотношение площади поверхности к рабочему объему цилиндров меньше, чем в любом другом тепловом цикле.
max
max
Изобретение поясняется следующими чертежами, где на фиг.1 представлена совмещенная индикаторная диаграмма термодинамических циклов в координатах P-V; 1-2р-6-7-1 - изобарный цикл Р. Дизеля (ε=20-25); 1-2-4-7-1 - политропно-изобарный цикл (ε=35-65); 1-2р-3-4-7-1 - изохорно-изобарный цикл Тринклера-Сабатэ (ε=15-23); 1-2v-5-7-1 - изохорный цикл Бо-дэ-Роша (ε=12-13). Из графика следует, что цикл с политропно-изобарным подводом теплоты в силу равенства существующих ограничений (Pz) единственный из всех использует всю полноту индикаторной диаграммы. На фиг.2 представлены примеры соотношения уровней давлений на пусковых оборотах, различных циклов, по величине замера компрессии: для бензинового двигателя при изохорном сжатии - кривая 1; для дизельного двигателя при изобарно-изохорном сжатии - кривая 2; для дизельного двигателя при политропно-изобарном сжатии - кривая 3. Указанное обстоятельство предполагает, в рассматриваемом цикле, установку более мощного пускового устройства для запуска двигателя. На фиг.3 представлена развернутая индикаторная диаграмма политропно-изобарного цикла, где степень сжатия (Рс) предельно приближена к развиваемому в цикле максимальному давлению сгорания (Pz), характеризуемого показателем степени повышения (изменения) давления в цикле (λ).
max
Рабочий процесс двигателя со сверхвысокой степенью сжатия осуществляется следующим образом. Воздух на такте всасывания через впускные органы поступает в цилиндры двигателя, и с момента их закрытия начинает сжиматься до предельно возможного давления в цикле (Рс), близкого к максимальному давлению сгорания (Pz), с получением в конце сжатия температуры, значительно более высокой, чем это требуется для обеспечения самовоспламенения топлива. Значительное превышение температуры сжатия, приводит к тому, что начало горения практически совпадает с моментом впрыска топлива, сводя к минимуму задержку самовоспламенения в период индукции.
2
2
2
В целом, физическое состояние газовой среды при степенях сжатия порядка пятидесяти единиц представляет собой уже совершенно иную субстанцию, напоминающую квазижидкость. В свою очередь распыливаемое топливо максимально приближено к квазигазовой среде, что предполагает их одинаковое агрегатное состояние в том смысле, что горение возможно только в однофазной среде. При атмосферном давлении и при умеренных степенях сжатия (до 20-25 единиц) рабочая смесь типа «нефть+воздух» представляет не гомогенную, а гетерогенную систему, где расстояние между атомами углерода в цепочках радикалов топлива С-С…С на три порядка меньше расстояния между молекулами воздуха - газа. Кроме того, в воздухе на каждые четыре молекулы балластного азота N приходится только одна молекула окислителя O, поэтому на малых степенях сжатия молекулам окислителя трудно добраться до сверхкомпактных молекул горючего компонента. По этой причине из углеводородных радикалов, не обеспеченных окислителем, летят сажа и бензпирены, а вовсе не CO. Расчеты показывают, что разница в плотностях реагирующих компонентов, при степени сжатия воздуха как окислителя в 50 и более раз, уменьшается с ~3 порядков до ~ полутора крат, т.е. в этом случае молекулы смешиваемых компонентов сближаются настолько, что они практически соприкасаются друг с другом. Близость молекул топлива исключает их длительный переход, в этом случае молекулы углерода не успевают превратиться в сажу, что коренным образом улучшает процесс горения.
С экологической точки зрения, полное окисление молекул топлива с молекулами кислорода воздуха возможно лишь при равном для смешиваемых компонентов агрегатном состоянии, что и соответствует в заявляемом способе.