Способ работы поршневого двигателя
PISTON ENGINE OPERATION METHOD

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям с обогащением воздуха кислородом или использующим кислород в качестве окислителя вместо атмосферного воздуха.
x
Известно, что в ДВС при горении используется не чистый кислород, а атмосферный воздух, что объясняется его доступностью и простотой эксплуатации. Вместе с тем, использование одного кислорода в качестве окислителя при сжигании топлива дает следующие преимуществ: во-первых, приводит к повышению температуры сгорания, что способствует существенному уменьшению доли несгоревшего топлива (повышается полнота сгорания топлива) с одновременным сокращением или полным отсутствием в выхлопных газах выбросов NO, а также сокращения выбросов сажи и СО. Во-вторых, поскольку атмосферный воздух на 80% состоит из азота, переход к кислородному сжиганию топлива приводит к соответствующему сокращению массового расхода подаваемых и отходящих газов, что позволяет существенно уменьшить массо-габаритные характеристики двигателей. И, наконец, четырехкратное сокращение массового расхода отработавших газов приведет к снижению требуемой мощности системы очистки.
Улучшение мощностных, экономических и экологических параметров ДВС является первостепенной задачей конструкторов и разработчиков двигателей, при этом в основе этого улучшения лежит совершенствование рабочего цикла двигателя. И конечная цель осуществления его проста, а именно: необходимо полностью, без образования вредных веществ, сжечь топливо, а полученную энергию превратить в работу с максимальным КПД.
Для полного и экологически «чистого» сжигания топлива необходимо чтобы было достаточное время и температура для сгорания, а кислорода бы хватило для выгорания углеводородов топлива и недостаточно для образования окислов азота.
Известен способ работы ДВС, в котором рабочий цикл выполнен с отделенным процессом сгорания (см. патент РФ 2066773).
x
Благодаря тому, что процесс сгорания рабочей смеси во внешней камере сгорания происходит по времени продолжительней, чем в обычном ДВС, удается существенно уменьшить неполноту сгорания топлива, сделать двигатель более экологически чистым и действительно многотопливным, но в то же время усложняется конструкция двигателя и сохраняются в отработавших газах NO и сажевые выделения.
x
Известен способ работы ДВС с обогащением воздуха кислородом в процессе впуска до 30-35% (см. Дизель с обогащением воздуха кислородом на впуске Study of using oxygen-enriched combustion air for locomotive diesel engines. Assanis D.N., Poola R.В., Sekar R., Cataldi G.R. Trans. ASME. J. Eng. Gas Turbines and Power. 2001.123, №1, c. 157-166, 15. Библ. 23. Анг.). Несмотря на то, что за счет обогащения кислородом удается уменьшить длительность периода задержки воспламенения топлива и несколько повысить полноту сгорания, в несколько раз увеличиваются выбросы NO в продуктах сгорания.
Известен кислородно-масляный двигатель, включающий заполнение кислородно-воздушной смесью цилиндра при движении поршня от ВМТ к НМТ на первом такте, сжатие ее до степени осуществления цепной реакции молекул углерода машинных масле на втором такте, впрыск дозы в камеру сжатия масла, сгорание в виде взрывного процесса в камере сгорания и расширение горючей смеси на третьем рабочем такте, и выхлоп отработавших газов на четвертом такте при движении поршня от НМТ к ВМТ (см. патент РФ 2400639).
Способ работы хотя и позволяет частично повысить КПД двигателя и снизить токсичность продуктов сгорания, однако для его осуществления требуется дополнительный компрессор с мембранной разделительной системой, а главное для обеспечения безопасной работы системы контроля и дозировка кислорода для получения безопасной воздушно-кислородной смеси на разных режимах работы двигателя.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ работы поршневого двигателя, включающий процесс подачи топлива и кислорода, воспламенения и сгорания рабочей смеси в камере сгорания цилиндра двигателя, сопровождающийся повышением температуры и давления с последующим расширением продуктов сгорания на первом рабочем такте движения поршня от ВМТ к НМТ, и процесс выпуска отработанных газов после открытия клапана выпуска и движения поршня от НМТ к ВМТ, совершаемого на втором такте работы двигателя (см. патент РФ 2052149).
x
Несмотря на то, что в данном рабочем цикле за счет перехода к кислородному сжиганию топлива и происходит уменьшение доли несгораемого топлива с одновременным сокращением выбросов NO, основным существенным недостатком способом работы поршневого двигателя - это небезопасность работы из-за возможности возникновения пожара в цилиндре двигателя. Вторым не менее важным недостатком является небольшой ресурс работы, обусловленный взрывным процессом протекания сгорания, что приводит к разрушению масляной пленки в цилиндре двигателя из-за возникновения ударных волн в процессе сгорания.
Решаемая задача - повышение экономической и экологической эффективности двигателя на различных режимах работы и видах топлива и степени безопасности.
Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе работы поршневого двигателя, включающий процесс подачи топлива и кислорода, воспламенения и сгорания рабочей смеси в камере сгорания цилиндра двигателя, сопровождающийся повышением температуры и давления с последующим расширением продуктов сгорания на первом рабочем такте движения поршня от ВМТ к НМТ, и процесс выпуска отработанных газов после открытия клапана выпуска и движения поршня от НМТ к ВМТ, совершаемого на втором такте работы двигателя, процесс сгорания рабочей смеси осуществляют во внешней камере сгорания, которую соединяют с цилиндром двигателя к моменту подхода поршня к ВМТ и далее за счет энергии продуктов сгорания выполняют первый такт - рабочий ход поршня от ВМК к НМТ, а при подходе поршня к НМТ открывают клапан выпуска, отключают от цилиндра внешнюю камеру сгорания, и далее совершают второй такт - выпуск отработанных газов, во время которого во внешнюю камеру сгорания производят впрыск порции топлива, испарение его за счет тепла камеры и впрыск порции газообразного кислорода, сопровождающий воспламенением и изохорным процессом сгорания рабочей смеси, который заканчивают к моменту окончания второго такта, при этом в зависимости от режима работы двигателя дозы кислорода и топлива, подаваемых во внешнюю камеру регулируют.
Проведенный анализ уровня техники позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется с помощью рисунка.
Изображенный на рисунке поршневой двигатель содержит: цилиндр 1 с установленным в нем поршнем 2 и клапаном выпуска 3; внешнюю камеру сгорания 4, подключенную с помощью клапана 5 к цилиндру 1; топливную форсунку 6 и кислородную форсунку 7, установленные в камере сгорания 4, на которую для уменьшения тепловых потерь нанесена изоляция 8. Подача топлива в форсунку 6 производится по трубопроводу 9 из топливной системы двигателя (на рис. не показана), а подача газообразного кислорода - по трубопроводу 10 из кислородной системы, которая может быть выполнена, например, в виде баллонной рампы высокого давления с редуктором, либо кислородного газификатора (кислородная система на рис. также не показана).
Способ работы осуществляют следующим образом.
x
В момент перехода поршня 2 от ВМТ к НМТ, открывают клапан 5 и соединяют объем внешней камеры сгорания 4 с цилиндром 1. В результате поршень 2 за счет энергии продуктов сгорания, образовавшихся во внешней камере 4 в процессе сгорания к этому моменту рабочей смеси, совершает рабочий ход. При подходе поршня 2 к НМТ открывают клапан выпуска 3 и закрывают клапан 5, отсоединяя тем самым объем внешней камеры сгорания 4 от объема цилиндра 1, после чего совершают второй такт - выпуск отработавших газов из цилиндра 1 через клапан выпуска 3. В процессе второго такта вначале через топливную форсунку 6 производят впрыск порции топлива, поступающего из топливной системы по трубопроводу 9. Топливо, поступая в камеру сгорания 4 в распыленном после форсунки 6 виде, испаряется за счет теплоты от стенок камеры 4 и оставшихся в камере 4 отработавших газов. Далее через форсунку 7 производят впрыск порции газообразного кислорода, поступающего по трубопроводу 10 из кислородной системы. В результате происходит воспламенение и изохорный процесс сгорания рабочей смеси, который сопровождается ростом температуры и давления продуктов сгорания в камере сгорания 4, и который заканчивается к моменту окончания второго такта, когда к подходу поршня 2 к ВМТ закрывают клапан выпуска 3, и далее при отходе поршня 2 от ВМТ к НМТ открывают клапан 5, соединяя объем внешней камеры сгорания 4 с цилиндром 1. Таким образом, рабочий цикл двигателя повторяется. Вместе с тем, в зависимости от режима работы двигателя, регулируя подачу порций кислорода и топлива, можно добиться оптимальных условий протекания рабочего цикла двигателя в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных характеристик, при этом обеспечивая высокий уровень безопасности и ресурс работы двигателя. Так как процесс сгорания рабочей смеси организован и выполняют во внешней камере сгорания 4, отделенной от цилиндра 1 двигателя, а в цилиндре происходит только расширение продуктов сгорания, образующихся в камере сгорания. Кроме того, процесс сгорания рабочее смеси во внешней камере сгорания 4 протекает продолжительнее, чем в ДВС с кислородным сжиганием топлива непосредственно в камере сгорания в цилиндре, что позволяет повысить теплоту сгорания топлива, снизить выбросы NO, поскольку количество азота в отсутствии воздуха в камере сгорания существенно снижается.
Другое преимущество предлагаемого технического решения заключается в том, что во внешней камере сгорания 4 может происходить детонационный процесс сгорания, когда вместо стационарного фронта пламени в топливной системе, характерного для дефлограционного процесса сгорания внутри внешней камеры сгорания, формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация топлива и кислорода, а такой процесс сгорания с термодинамической точки зрения как показывают расчеты и эксперименты на 25-30% более эффективен по сравнению с традиционным процессом сгорания в ДВС, и в то же время он безопасен для кривошипно-шатунной группы и системы смазки цилиндровой группы, так как происходит вне цилиндра двигателя.
Таким образом, предлагаемый способ работы позволяет свести к минимальному значению «конфликт» между экологией, экономией топлива и безопасной работой двигателя и сделать двигатель действительно многотопливным.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».