СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием.
Один из путей повышения экономичности ДВС - перевод его на работу на обедненных смесях. Повышение эффективности воспламенения обедненных топливовоздушных смесей возможно за счет дополнительной подачи микропорций газообразного топлива в область межэлектродного зазора свечи зажигания непосредственно перед искровым разрядом.
Известен способ работы ДВС (патент РФ 2123121, МКИ F02B 5/02, F02B 43/12, опубликован в БИ №34 от 10.12.1998, принят в качестве прототипа) путем подачи в камеру сгорания топливовоздушной смеси, ее сжатие, подвод газообразного топлива (в качестве которого используется водород) в зону электродов свечи зажигания импульсом, согласованным по времени с искровым разрядом, и воспламенение. Подвод газообразного топлива осуществляется при нагрузке ДВС, не превышающей 2/3 максимальной нагрузки, а отношение массы подводимого газообразного топлива к массе топлива возрастает с уменьшением нагрузки. При этом отношение давления в камере сгорания к давлению газообразного топлива в момент начала его подвода меньше единицы (т.е. давление газообразного топлива превышает давление в камере сгорания).
При таком способе работы ДВС подведенное в зону электродов свечи зажигания газообразное топливо, диффундируя из газовой струи, обогащает прилегающую к ней область и образует у электродов свечи высококалорийную горючую смесь. После создания искрового разряда в такой смеси активно формируется начальный очаг горения, что повышает эффективность воспламенения поступившей в цилиндр обедненной топливовоздушной смеси.
Недостатком этого способа является отсутствие ограничений на давление подводимого газообразного топлива. В результате при подводе газообразного топлива при слишком высоком давлении возникает критический режим его истечения, одной из характеристик которого является критическое отношение (отношение давления среды, в которую происходит истечение газа, к давлению газа). Такой режим истечения сопровождается резким снижением скорости диффузии молекул газообразного топлива из газовой струи в прилегающую смесь, что затрудняет образование смеси оптимального состава вблизи электродов свечи к моменту создания искрового разряда и не способствует активному развитию горения. Вследствие этого ожидаемого снижения удельного эффективного расхода топлива не наблюдается. Особенно ощутимо негативное влияние критического режима истечения при использовании газа с большей молекулярной массой и меньшим коэффициентом диффузии в воздухе, чем у водорода (например, метана, пропана и др.).
Задачей изобретения является расширение области применения способа работы ДВС на все виды газообразных топлив.
Техническим результатом является сокращение удельного эффективного расхода топлива за счет обеднения смеси.
Технический результат достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем подачу в камеру сгорания топливовоздушной смеси, ее сжатие, подвод газообразного топлива в зону электродов свечи зажигания импульсом, согласованным по времени с искровым разрядом, при нагрузке двигателя, не превышающей 2/3 максимальной нагрузки, причем отношение массы подводимого газообразного топлива к массе топлива возрастает с уменьшением нагрузки, и воспламенение, подвод газообразного топлива осуществляют при отношении давления в камере сгорания к давлению газообразного топлива в момент начала подвода в диапазоне от критического для газообразного топлива до 0,95.
Существенным отличием предлагаемого изобретения является то, что подвод газообразного топлива осуществляют при отношении давления в камере сгорания к давлению газообразного топлива в момент начала подвода в диапазоне от критического для газообразного топлива до 0,95. Поддержание упомянутого отношения давлений в указанном диапазоне позволяет на любом режиме работы двигателя подводить газообразное топливо без его критического истечения, что создает условия для быстрой диффузии молекул газообразного топлива из струи газа в прилегающую к ней смесь и образованию горючей смеси оптимального состава. После создания искрового разряда в такой смеси активно формируется начальный очаг горения, что повышает эффективность воспламенения поступившей в цилиндр обедненной топливовоздушной смеси. Это дает возможность значительно обеднить смесь на малых нагрузках и достичь за счет этого сокращения расхода топлива. В то же время поддержание отношения давлений в указанном диапазоне позволяет реализовать предлагаемый способ и при использовании водорода в качестве газообразного топлива, поскольку диффузионные свойства водорода обеспечивают высокую подвижность его молекул практически при любом соотношении давлений.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - схема двигателя, реализующего предлагаемый способ работы;
на фиг.2, 3 и 4 - экспериментально полученные регулировочные характеристики по составу смеси двигателя, работающего по предлагаемому способу, с использованием в качестве газообразного топлива соответственно пропана, метана и водорода.
Двигатель, реализующий предлагаемый способ работы (фиг.1), содержит камеру сгорания 1, систему 2 подачи в нее топливовоздушной смеси, установленную в камере сгорания свечу 3 зажигания с каналом (не показан) для подвода газообразного топлива в зону ее электродов, источник 4 газообразного топлива, подключенный посредством подводящей магистрали через регулятор давления 5 и электромагнитный клапан (ЭМК) 6 к каналу в свече 3, систему 7 зажигания, электронный блок 8 управления, установленные на двигателе датчики 9, 10, 11 нагрузки ДВС, частоты вращения и положения коленчатого вала, а также датчики 12 и 13 давления, установленные соответственно в камере сгорания и в подводящей магистрали перед электромагнитным клапаном.
Способ работы двигателя осуществляется следующим образом.
На такте впуска в камеру сгорания 1 из системы 2 поступает топливовоздушная смесь, при движении поршня к верхней мертвой точке смесь сжимается. За 10…30 градусов поворота коленчатого вала до момента создания искрового разряда (в зависимости от конструкции подводящего канала в свече и режима работы ДВС) блок 8 на основании информации от датчиков 9, 10, 11 подает на ЭМК 6 управляющий сигнал необходимой длительности, и газообразное топливо от источника 4 через канал в свече 3 импульсом подается в зону ее электродов. В момент начала подвода газообразного топлива блок 8 управления на основании информации с датчика 12 фиксирует величину давления в камере сгорания. Регулятор 5 давления по сигналу с блока 8 управления устанавливает в подводящей магистрали давление газообразного топлива, которое зависит от режима работы ДВС и контролируется датчиком 13, связанным с блоком управления. При этом отношение давления в камере сгорания к давлению газообразного топлива в момент начала его подвода поддерживается в диапазоне от критического для газообразного топлива до 0,95. При отношении давления в камере сгорания к давлению газообразного топлива в момент начала его подвода, меньшем критического, резко снижается скорость диффузии молекул газообразного топлива из газовой струи в прилегающую смесь в связи с возникновением критического режима истечения, что затрудняет образование смеси оптимального состава вблизи электродов свечи к моменту создания искрового разряда и не способствует активному развитию горения. При величине указанного отношения большем 0,95 газообразное топливо не успеет к нужному моменту поступить в камеру сгорания вследствие инерционности системы его подачи.
После того как газообразное топливо, продиффундировав из струи газа в прилегающие к электродам слои заряда, образует в зоне свечи смесь оптимального состава, система 7 зажигания по сигналу с блока 8 управления подает импульс высокого напряжения на свечу 3, создавая искровой разряд, и смесь воспламеняется. Наличие повышенной концентрации газообразного топлива в зоне электродов свечи способствует интенсивному развитию начального очага горения и эффективному воспламенению смеси.
Предлагаемый способ работы ДВС был реализован на одноцилиндровом отсеке поршневого двигателя ВАЗ. На фиг.2 в качестве примера представлена его регулировочная характеристика по составу смеси, полученная экспериментально с использованием в качестве газообразного топлива пропана. Подача пропана при отношении давления в камере сгорания к давлению пропана в момент начала его подвода в диапазоне от критического для пропана (0,578) до 0,95 позволила повысить надежность воспламенения смеси и межцикловую стабильность процесса сгорания, обеднить за счет этого смесь и достичь существенного сокращения удельного эффективного расхода топлива. При иных величинах указанного отношения положительного эффекта не наблюдалось.
На фиг.3 представлена аналогичная регулировочная характеристика, полученная с использованием в качестве газообразного топлива метана (критическое отношение - 0,542), а на фиг.4 - с использованием водорода (критическое отношение - 0,527).