ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАИВЫСШИМИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ КРИТЕРИАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ И ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМОЙ ВПРЫСКА ТОПЛИВА ШИРОКОГО ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH HIGHEST TECHNICAL-ECONOMICAL AND ENVIRONMENTAL CRITERIAL PARAMETERS AND ELECTRONIC CONTROL OF ACCUMULATED FUEL INJECTION SYSTEM OF LARGE FRACTION COMPOSITION

Изобретение относится к проблеме совершенствования критериальных параметров поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может найти использование в двигателестроении.
Критериальными параметрами ДВС являются:
1. Ресурсосбережение:
m
- удельная массовая мощность - N, кг/кВт;
e
- эффективный удельный расход топлива - g, г/кВт⋅ч;
2. Динамические - приспособляемость и приемистость;
3. Экологические - по содержанию нормируемых токсичных компонентов отработавших газов:
x
- оксидов азота - NO;
- окиси углерода - CO;
- несгоревшего топлива - CH;
- сажи - C.
В настоящее время нет поршневого двигателя со всеми наилучшими критериальными параметрами одновременно. Токсичность всех их значительно выше норм даже при установке нейтрализаторов.
Двигателями, имеющими наилучшую ресурсосберегающую удельную массовую мощность, являются бензиновые двухтактные двигатели, снимаемые с производства в связи с высокой токсичностью и большим расходом топлива.
m
e
Известно техническое решение, в котором в карбюраторном двухтактном бензиновом двигателе с наилучшим N делается попытка улучшения второго ресурсосберегающего параметра - g, наихудшего среди поршневых ДВС (до 600 г/кВт⋅ч) методом раздельной подачи топлива и воздуха и заменой карбюраторной системы питания двухтактного двигателя, инжекторной системой с электронным управлением (двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. / В.М. Кондратов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов и др. - Машиностроение, 1990, с. 47-48).
v
Двигатель содержит цилиндр, установленный в нем поршень, головку цилиндра с камерой сгорания и свечей, топливную форсунку, установленную наклонно в стенке цилиндра, в которой выполнены впускное и выпускное продувочные окна. В этом двигателе вместо карбюратора во впускной тракт (окно) устанавливается форсунка, подача топлива через которую осуществляется электронным блоком управления ЭСУД перед перекрытием впускного окна золотником-поршнем. Такое решение снижает сопротивление впускного тракта (отсутствует диффузор карбюратора, создающий сопротивление). Это ведет к повышению коэффициента наполнения η, а значит, и к возможности повышения удельной массовой мощности, но не решает экономические и экологические проблемы, т.к. не исключает выброс топлива в выпускные окна при продувке.
Известен двухтактный двигатель с ЭСУД с установкой форсунки в камере сгорания и образованием выемки в днище поршня (патент США 6338327, МПК F02B 23/10, опубл. 15.01.2002), содержащий головку блока, корпус, форсунку, шатун, поршень, впускные и выпускные окна, свечу зажигания. В этом двигателе осуществляется раздельная подача воздуха и топлива, впрыск топлива после закрытия выпускного окна в сферическую выемку в днище поршня. Этими конструктивными мероприятиями достигается повышение экономичности за счет ликвидации выброса топлива при продувке и делается попытка повышения экономичности за счет послойного способа смесеобразования (далее ПССО).
л
л
рт
рт
2
акт
Основным недостатком известного двигателя является высокая неоднородность топливовоздушной смеси при ПССО и сгорания топлива, при которой локальные значения коэффициента избытка воздуха - α при петлевой продувке колеблется в пределах α=0,95÷2,0, предопределяя большой диапазон температуры рабочего тела Т=2500÷1400 K, и высокое образование оксидов азота при Т выше температуры активации реакции окисления N кислородом воздуха (Т ≈ 1500 K). Другим недостатком установки форсунки в камере сгорания является то, что она расположена в зоне высоких температур (до 2500 K) и давлений (до 7 МПа). Это снижает ее надежность и долговечность.
m
Кроме того, установка форсунки в зоне высоких давлений предопределяет необходимость повышения давления топлива перед сопловыми отверстиями форсунки на 0,3÷0,4 МПа больше максимального давления рабочего тела в камере сгорания - P max.
m
Это требует создания новой аккумуляторной системы питания двигателя высокого постоянного давления (P=8,3÷8,5 МПа) и узлов, рассчитанных на это давление.
Известен двухтактный бензиновый двигатель с кривошипно-камерной продувкой воздуха, аккумуляторной системой питания топливом, электронным управлением раздельной подачей топлива и воздуха в цилиндр и микропроцессорным искровым зажиганием (RU 2344299 C1, опубл. 20.01.2009 г.).
Двигатель содержит цилиндр, в стенке которого выполнены впускные и выпускные окна, топливную форсунку, установленную наклонно в стенке цилиндра, поршень (с цилиндрической выемкой в днище), выполняющий функцию золотника, головку цилиндра и свечу.
Такое техническое решение повышения топливной экономичности и улучшения экологических показателей, надежности зажигания и устойчивого горения, а также защиты форсунки от высокой температуры и давления достигается раздельной подачей топлива и воздуха в цилиндр при петлевой (контурной) продувке закрученным конструктивно во впускных окнах принудительным турбулентным потоком воздуха, обеспечивающим объемно-пленочное смесеобразование (далее ОПССО) и сжигание топливно-воздушной смеси.
Достоинствами петлевой (контурной) схемы газообмена являются:
- простота конструкции двигателя, отсутствие клапанов и их привода.
- организация кривошипно-камерного наполнения цилиндра двигателя воздухом при продувке без внешнего нагнетателя.
Недостатками этого двигателя является:
- низкое качество очистки цилиндра при петлевой (контурной) схеме газообмена;
- появление застойной зоны над поршнем при большом угле наклона осей впускных окон - 45÷50°, что делает принудительную интенсификацию массообмена малоэффективной;
- раздельная подача продувочного воздуха (вместо смеси топливо - воздух - масло), через поддон ДВС создает проблему смазки подшипников коленчатого вала;
л
сг
- организация ОПССО, ввиду наличия непродуваемых зон и большой неоднородности топливно-воздушной смеси из-за двухступенчатого сжигания смеси с большим диапазоном локальных значений α=0,95÷2,0, что предопределяет высокий диапазон T=2500-1400 K и образование оксидов азота;
- большой расход «чистого» воздуха при наполнении цилиндра при кривошипно-камерной петлевой (контурной) продувке через поперечно-расположенные впускные и выпускные окна из-за большого выноса его в смеси с отработанными газами (далее ОГ) при очистке цилиндра.
Данная конструкция является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за наиболее близкий аналог.
В основу изобретения положена техническая задача разработки рабочего процесса двигателя единого цикла со всеми наилучшими критериальными, ресурсосберегающими, технико-экономическими и экологическими параметрами, надежностью и долговечностью работы всех узлов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в двигателе единого цикла с электронным управлением раздельной подачей топливо-воздушной смеси и очистки цилиндра от ОГ топливоподающая форсунка установлена в воздухо-топливоподающем канале головки цилиндра, а сам воздухо-топливоподающий канал расположен под углом β=75÷80° к оси клапана и тангенциальным входом в завихритель.
a
Расположение форсунки в зоне низкой температуры (≈ 300÷350 K) и давления при наддуве P≈0,15÷0,2 МПа в воздухо-топливоподающем канале обеспечивает повышение надежности и долговечности форсунки.
Низкий уровень давления в воздухо-топливоподающем канале и невысокие требования к качеству распыляемого топлива предопределяют использование аккумуляторной системы питания топливом низкого давления, близкого к давлению в инжекторной системе Pm=0,3÷0,5 МПа, что снижает стоимость агрегатов (насоса, форсунок, трубопроводов и др.) и предопределяет простоту их конструкции.
1
1
x
Электромагнитный управляемый контролером клапан с фаской β=10÷15° к его оси образует пленочно-вихревой способ интенсификации смесеобразования и тепломассообмена в камере сгорания. Малый угол закрутки завихрителя и равный ему угол фаски клапана β≈10÷l5° создает тангенциальный поток воздуха, который при расширении на входе в камеру сгорания практически перпендикулярен оси цилиндра, что при осевой скорости воздуха V → 0, создает слоистое (без смешивания с вытесняемыми продуктами сгорания) вытеснение продуктов сгорания.
m
Повышение ресурсосберегающего критериального параметра - удельной массовой мощности N   достигается за счет интенсификации тепломассообмена при пленочно-вихревом способе сжигания бедной смеси с α=1,5-2, диссипацией лучистой энергии в тепловую энергию рабочего тела и снижения теплопередачи в систему охлаждения.
2
Выпускные окна-щели (далее выпускные окна) выполнены по всему периметру (диаметру) цилиндра с высотой окон h, равной ≈0,063 хода поршня S, тангенциально поверхности окружности цилиндра и под углом граней β=75÷80° к оси цилиндра.
v
ог
Повышение топливной экономичности обеспечивается раздельной подачей закрученной в завихрителе топливовоздушной обедненной смеси через впускной клапан в цилиндр двигателя и очисткой его от продуктов сгорания с электронным управлением подачи топлива форсункой и моментом открытия и закрытия клапана на различных скоростных режимах работы двигателя, обеспечивающими максимальное наполнение (η) и минимальное количество остаточных газов (η) в свежем заряде при клапанно-щелевой прямоточной продувке.
x
акт
Улучшение экологических показателей (уменьшение образования оксидов азота NO) достигается за счет конструктивно организованного принудительного турбулентного / кг и Т=1500 K коэффициент избытка
воздуха не ниже α=1,5. Это при большом избытке кислорода предопределяет снижение содержания и других токсичных нормируемых компонентов: CO, CH и сажи до уровня Евро-5.
сг
т
т
т
т
т
т
Снижение максимальной температуры продуктов сгорания до T=l500 K уменьшает долю лучистой энергии, передаваемой стенке КС и цилиндра, а высокая степень черноты паров топлива и пленки, наносимой при пленочно-вихревом способе смесеобразования, увеличит диссипацию лучистой энергии в рабочем теле, повышая долю тепловой энергии передаваемой ему теплопередачей с характеристиками турбулентного тепломассообмена (λ, μ, α), во много раз большим по сравнению с диффузионным тепломассобменом (λ, μ, α). Это ведет к снижению температуры стенки и теплоотводу в окружающую среду.
Использование бензиновой фракции топлива широкого фракционного состава за счет сокращения периода задержки воспламенения достигающего δ=0,2 до δ → 0 при искровом регулируемом контроллером ЭСУД зажигании улучшает технические (жесткость, максимальное давление и др.) показатели двигателя.
Представленные конструктивное решения обеспечивают выполнение поставленной цели:
1. Создания двигателя со всеми наилучшими критериальными параметрами:
m
- удельной массовой мощности - N (кг/кВт);
e
- удельными эффективным расходом топлива широкого фракционного состава (g, г/кВт⋅ч);
- удельным содержанием нормируемых компонентов в ОГ до норм Евро - 5 (г/кВт⋅ч).
2. Повышения надежности и долговечности форсунки, свечи и деталей цилиндро-поршневой группы.
3. Применение топлива широкого фракционного состава снизит требования к физико-химическим (антидетонационным и другим) свойствам, технологии производства и расширит топливную базу углеводородного топлива, в том числе и газовых конденсатов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общая схема двигателя единого цикла;
Фиг. 2 - горизонтальное сечение А-А по воздухо-топливоподающему каналу;
Фиг. 3 - вертикальное сечение топливо - воздушного канала;
Фиг. 4 - сечение цилиндра по выпускным окнам;
Фиг. 5 - сечение по выпускному окну.
Двухтактный двигатель единого цикла содержит корпус с цилиндром - 1, по всему диаметру которого выполнены тангенциальные выпускные окна - 2 с наклоном по высоте h граней (равной половине высоты окон при кривошипно-камерной продувке), равным углу закрутки потока ОГ для снижения гидравлических потерь на входе в кольцевую полость газосборника - 3, соединенную с продувочным насосом (на фиг. не указан), поршень-золотник - 4 и головку цилиндра - 5 с камерой сгорания - 6, конструктивно образованного в воздухо-топливоподающем канале – 7 завихрителя - 8 и форсунки - 9, а также впускной клапан - 10 и свечу -11.
Двигатель работает следующим образом.
При перемещении поршня-золотника - 4 от верхней мертвой точки (далее ВМТ) к нижней мертвой точке (далее НМТ) на такте рабочего хода (расширения) открываются выпускные окна - 2 и продукты сгорания под давлением начинают поступать в кольцевую полость газосборника - 3 и далее в турбину агрегата наддува (турбокомпрессора).
Расположение продувочных окон в НМТ при клапанно-щелевой прямоточной продувке позволяет увеличить суммарную площадь проходных сечений выпускных окон и уменьшить высоту щелей, а значит, и долю потерянного хода поршня - S что, не ухудшая очистку цилиндра от отработавших газов. При понижении давления в цилиндре - 1 до давления меньше давления воздуха перед впускным клапаном - 10 в завихрителе - 8 открывается впускной клапан - 10, через который под давлением, создаваемым продувочным компрессором, по воздухо-топливоподающему каналу - 7 закрученный в завихрителе - 8 воздух поступает в цилиндр - 1, вытесняя продукты сгорания.
Очистка цилиндра заканчивается после перекрытия поршнем-золотником - окон - 2 на такте сжатия (движения от НМТ к ВМТ) при открытом положении впускного клапана - 10. Электронный блок управления осуществляет впрыск топлива форсункой - 9 в воздухо-топливоподающий канал - 7. Смесь закручивается завихрителем - 8 и через клапан - 10 за счет центробежных сил топливо наносится на поверхность камеры сгорания и верхнюю часть цилиндра (примерно до ВМТ первого поршневого кольца), образуя на них прочную пленку. Момент отсечки подачи топлива и закрытия затем впускного клапана определяется электронный блок управления в зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы ДВС.
т
При турбулентном (вихревом) движении потока воздуха, омывающего поверхность топливной пленки, с которой начинается испарение и образование паров, интенсифицируется массообмен между топливом и воздухом - смесеобразование с коэффициентом массообмена - μ, во много раз превышающим молекулярный μ, что обеспечивает (при отсутствии застойных зон) высокую однородность смеси и α≈const - по всему объему камеры сгорания.
т
сг
акт
x
После воспламенения свечой - 11 высокооднородной при μ>μ однофазной паро-воздушной смеси и теплообмен с коэффициентом λт>>λ обеспечивает понижение температуры продуктов сгорания при α>1,5 - Т до величины не превышающей Т реакции образования NO и низкое содержание CO, CH и сажи.
По окончании процесса сгорания и открытии поршнем-золотником - 4 выпускных окон - 2 начинается выпуск под давлением ОГ, а после снижения его до давления продувки, давлением, создаваемым компрессором перед клапаном - 10.
В результате такой конструктивной организации пленочно-вихревого способа смесеобразования и сгорания осуществляется повышение технико-экономических ресурсосберегающих и экологических критериальных параметров до наилучших параметров мирового уровня.