Способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
METHOD FOR OPERATION OF PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND DEVICE FOR ITS REALIZATION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ работы ДВС, который включает в себя такт впуска компонентов топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания и камеру зажигания, такт сжатия топливовоздушной смеси одновременно в основной камере сгорания и камере зажигания, изоляцию камеры зажигания от основной камеры сгорания путем перекрытия соединительного отверстия плоской заслонкой и последующее зажигание топливовоздушной смеси в камере зажигания в конце такта сжатия. После полного сгорания топлива в камере зажигания при постоянном объеме вводят в основную камеру сгорания высокотемпературную газовую струю путем перемещения плоской заслонки в полость основной камеры сгорания параллельно самой себе и вдоль оси соединительного отверстия (Патент РФ 2171384, 27.07.2001 г.)
Недостатком способа является то, что задержка смеси в закрытой камере для своевременного выпуска высокотемпературной газовой струи в самом начале такта сжатия соизмерима с величиной угла опережения зажигания известных ДВС и не может быть достаточной для существенного улучшения их эксплуатационных характеристик. Кроме того техническая реализация способа не исключает использование устройств предварительного смешения топлива и воздуха в заданном соотношении до такта впуска, устройства искрового зажигания и соответствующих регуляторов этих устройств, обеспечивающих работу двигателя при различных режимах.
Известен способ работы ДВС (патент RU - С1 - 2099549, 04.05.1995 г.) включающий такт впуска компонентов топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания, ввод в такте сжатия топливовоздушной смеси из основной камеры сгорания в камеру зажигания через газодинамический детектор, расположенный по ее центральной оси, зажигание топливовоздушной смеси в камере зажигания в конце такта сжатия с последующим вводом в основную камеру сгорания горящих газовых струй через расположенные по периферии камеры зажигания газодинамические детекторы, при этом горящие газовые струи направляют на условную окружность центра масс для заданного объема основной камеры сгорания, такт расширения продуктов сгорания топливовоздушной смеси и такт выпуска отработанных газов.
Недостатком способа являются низкие скорость и полнота сгорания топливовоздушной смеси в основной камере сгорания вследствие недостаточно высокой скорости распространения (за счет только диффузионных процессов) фронтов пламени в основной камере сгорания. Техническая реализация способа осложнена высокими затратами на изготовление газодинамических детекторов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ работы двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2066773, 02.04.1993 г.), заключающийся во впуске свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, сжатия свежего заряда с одновременным перепуском в камеру сгорания, отсоединения последней от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси, подсоединения камеры сгорания к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость, отличающийся тем, что подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости осуществляют не ранее чем через 80° поворота коленчатого вала после ее отсоединения.
Недостатком способа является то, что для 6-8 и более цилиндровых двигателей при задании смещения фаз менее 90° поворота коленчатого вала существует проблема технической реализации запирающего устройства, позволяющего надежно отсоединять и подсоединять камеру к цилиндру за короткий промежуток времени, оставляющий достаточный временной интервал для процесса сгорания. Кроме того высокая тепловая напряженность клапанных механизмов, возникающая при сгорании топлива в замкнутом объеме и в течение 80° поворота коленчатого вала при температурах свыше 2000 К и давлении более 8 мПа, значительно снизит их работоспособность, не способствует повышению надежности и увеличит тепловые потери. Для управления клапанами потребуется дополнительный механизм, аналогичный механизму управления газораспределительными клапанами цилиндров, что существенно усложнит конструкцию двигателя и снизит его надежность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа, обеспечивающего предварительное образование рабочего тела вне цилиндра, с последующим его впуском в надпоршневую полость цилиндра в заданный момент времени в требуемом количестве, с возможностью применения этого способа в технически реализуемом устройстве, обладающим высокими эксплуатационными качествами и обеспечивающего снижение выбросов вредных (загрязняющих) веществ с отработавшими газами: окиси углерода (СО), углеводородов и оксидов азота (NOx).
Решение поставленной задачи достигается путем применения дополнительных устройств, устанавливаемых на каждый цилиндр, конструктивно содержащих камеры: перекрываемую, неперекрываемую и смешения-сгорания, обеспечивающих:
1. Раздельное протекание процессов предварительной термической подготовки цикловых порций топлива и воздуха. Для топлива в перекрываемой камере - подачей в нее цикловой порции топлива и определенного количества воздуха, сжимаемого в предыдущем по последовательности работы двигателя цилиндре в периоды такта сжатия и начала такта рабочего хода и подаваемого через отдельную газовую магистраль. Смесь задерживают в камере на время от 170° до 520° поворота коленчатого вала. Для воздуха в отделенной от цилиндра неперекрываемой камере предварительно разогретой до температуры 500-2000°К - с задержкой в ней равной 180° поворота коленчатого вала.
2. Процесс смешения предварительно термически подготовленных порций топлива и воздуха и транспортировки созданного рабочего тела, организуемый в камере смешения-сгорания. Для эффективного и пропорционального смешения, выходящий из перекрываемой камеры поток, разделяется на два, один из которых направляют в неперекрываемую камеру, в которой создается давление, необходимое для выпуска образованных газов в камеру смешения-сгорания, а другой сразу направляют в камеру смешения-сгорания. При объединении этих потоков в камере смешения-сгорания в результате реакции окисления топлива формируется рабочее тело, транспортируемое по специальному каналу в надпоршневую полость цилиндра. Процесс смешения начинают в момент от 10° до 5° угла поворота коленчатого вала до положения поршня в верхней мертвой точке путем открытия выпускного канала из перекрываемой камеры и закрытия его после поворота коленчатого вала на угол в 90°-130°.
Режим теплообмена наружных стенок неперекрываемой камеры с нагреваемой порцией воздуха и окружающей средой организован так, что максимальная температура не превышает критических значений, способных привести к разрушению материалов, из которых выполнены корпуса камер.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 проиллюстрированы процессы предварительной термической подготовки топлива и воздуха, образование рабочего тела с момента начала процесса термической подготовки топлива и до момента начала такта выпуска отработанных газов из цилиндра двигателя. На фиг. 2 изображен поршневой двигатель для реализации способа, как в двухтактном, так и четырехтактном исполнениях.
На фиг. 1 применено единое координатное поле, разделенное на участки, обозначенные как R, S, F и Z, для которых использована общая ось абсцисс, отображающая положение коленчатого вала двигателя в градусах его поворота. Графики на каждом из участков иллюстрируют:
На участке R - положение поршня в соответствующем цилиндре №1 или №3 от НМТ до ВМТ (мм).
На участке S - количество топлива в перекрываемой камере цилиндра №3 (%).
На участке F - количество воздуха в неперекрываемой камере цилиндра №3 (%).
На участке Z - количество рабочего тела в надпоршневой полости цилиндра №3 (%).
На фиг. 1 ключевые моменты процессов обозначены как:
А - начало впрыска топлива в газовую магистраль;
Б - начало заполнения перекрываемой камеры цилиндра №3 воздухом из цилиндра №1 в начале такта сжатия в этом цилиндре;
В - начало заполнения перекрываемой камеры цилиндра №3 воздухом и продуктами сгорания из цилиндра №1;
Г - момент достижения максимального давления в перекрываемой камере цилиндра №3 газообразными продуктами из цилиндра №1, и прекращение их поступления;
Д - момент достижения максимума давления в перекрываемой камере цилиндра №3 в результате реакций окисления топлива;
Е - начало открытия выпускного канала перекрываемой камеры цилиндра №3;
Ж - момент закрытия выпускного канала перекрываемой камеры цилиндра №3;
З - момент начала такта выпуска в цилиндре №3;
И - начало такта сжатия в цилиндре №3 и заполнения из него воздухом неперекрываемой камеры цилиндра №3.
Рассматриваемый цикл начинается с момента подачи топлива (точка А) в газовую магистраль, соединяющую перекрываемую камеру цилиндра, обозначенного на графике как цилиндр №3, с надпоршневой полостью предыдущего по последовательности работы цилиндра, обозначенного на графике как цилиндр №1 и последующей подачи воздуха по этой магистрали из надпоршневой полости цилиндра №1 в перекрываемую камеру цилиндра №3, с началом этого процесса в точке Б, и его окончания в точке Д. Полученная смесь порции топлива и расчетного количества воздуха находится в перекрываемой камере цилиндра №3 до момента открытия выпускного канала из этой камеры, обозначенного на графике точкой Е.
С момента начала такта сжатия в цилиндре №3, (точка И), воздух из надпоршневой полости этого цилиндра поступает в его неперекрываемую камеру и остается в ней до момента достижения поршнем цилиндра №3 верхней мертвой точки - точка Е на графике. С этого момента начинается открытие выпускного канала перекрываемой камеры цилиндра №3 и выпуск, находящихся в ней газов, разделяемых на два потока, один из которых направляют в неперекрываемую камеру цилиндра №3, в которой создается давление, необходимое для выпуска образованных газов в камеру смешения-сгорания, а другой сразу направляют в камеру смешения-сгорания. При встрече этих потоков в камере смешения-сгорания завершаются реакции окисления топлива, начатые в перекрываемой и неперекрываемой камерах и протекают процессы формирования рабочего тела, которые завершаются в момент закрытия выпускного канала перекрываемой камеры цилиндра №3, обозначенного точкой Ж на графике.
Рабочее тело, переходя по каналу, соединяющему камеру смешения-сгорания с надпоршневой полостью цилиндра №3, обеспечивает совершение такта рабочего хода в этом цилиндре до достижения поршнем нижней мертвой точки и началом момента такта выпуска в цилиндре №3, обозначенной на графике точкой 3.
На представленной схеме, фиг. 2 изображен поршневой двигатель для реализации способа, как в двухтактном, так и четырехтактном исполнениях, содержащий цилиндры с надпоршневой полостью 1. Надпоршневая полость каждого цилиндра через камеру смешения-сгорания 2 соединена с перекрываемой камерой 3, выпускным каналом, перекрываемым выпускным клапаном 4, управляемым исполнительным механизмом, и газовой магистралью 5, с обратным клапаном 6 с перекрываемой камерой 3 последующего по последовательности работы цилиндра. В перекрываемой камере 3 установлена пусковая калильная свеча 7, а в полости газовой магистрали 5 установлена топливная форсунка 8. Неперекрываемая камера 9 соединена каналами с перекрываемой камерой 3 и камерой смешения-сгорания 2.
Рассмотрим работу двигателя в установившемся режиме в период от такта сжатия одного из цилиндров, допустим, что это цилиндр №1 до такта выпуска последующего по последовательности работы цилиндра - цилиндра №3. В газовую магистраль 5, соединяющую надпоршневую полость 1 цилиндра №1 с перекрываемой камерой 3 следующего по последовательности работы цилиндра №3, через топливную форсунку 8 подается цикловая порция топлива. В процессе такта сжатия поток из надпоршневой полости 1 цилиндра №1, перетекая по газовой магистрали 5 в перекрываемую камеру 3 цилиндра №3, захватывает и транспортирует в нее эту порцию топлива. Перетекание потока завершится по достижению равенства давлений в надпоршневой полости 1 цилиндра №1 и в перекрываемой камере 3 цилиндра №3, которое наступит в начале такта рабочего хода в этом цилиндре. До следующего цикла заполнения перекрываемой камеры надпоршневая полость 1 цилиндра №1 будет изолирована от перекрываемой камеры 3 цилиндра №3 закрытым обратным клапаном 6.
В процессе такта рабочего хода выпускной клапан 4 закрывают после поворота коленчатого вала на угол в 90°-130°, что на 40°-80° раньше начала такта выпуска, поэтому в перекрываемой камере 3 остается неиспользованная часть газотопливной смеси, в количестве 7-10% от начального, с давлением 0,5-1,0 мПа, что в следующем цикле ее заполнения обеспечивает нагрев поступающего в нее воздуха, испарение цикловой порции топлива и создание условий для начала первичных стадий его окисления. Выделяемая при этом тепловая энергия расходуется на повышение температуры и давления образованной смеси и на поддержание теплового режима работы перекрываемой камеры 3. В таком состоянии газовая смесь, полученная в перекрываемой камере 3, находится до момента выпуска ее в неперекрываемую камеру 9 и камеру смешения-сгорания 2.
Рабочий диапазон температур перекрываемой камеры 3 обеспечивается количеством окислителя подаваемого в нее, полностью расходуемого на осуществление первичных реакций окисления. В начале такта сжатия в цилиндре №3 и до конца такта сжатия, одна часть сжимаемого воздуха по магистрали 5 направляется в перекрываемую камеру 3 следующего по очередности работы цилиндра №4, а другая, основная часть, в неперекрываемую камеру 9 цилиндра №3.
В момент, близкий к достижению поршнем цилиндра №3 верхней мертвой точки, открывается выпускной клапан 4, после чего одна часть газотопливной смеси из перекрываемой камеры 3 поступает в неперекрываемую камеру 9 и в результате реакции с находящимся в ней воздухом обеспечивает в ней повышение давления и температуры и последующее поступление образовавшихся газов и воздуха по каналу, соединяющего неперекрываемую камеру 9 камеру смешения-сгорания 2 в зону смешения последней, и в результате смешения и реакции с потоком, поступающим из перекрываемой камеры 3, образуют рабочее тело, часть тепловой энергии которого используется на поддержание рабочей температуры стенок неперекрываемой камеры 9, для обеспечения в следующем цикле процесса предварительной термической подготовки порции воздуха, а другая часть, переходит в надпоршневую полость цилиндра 1, где с одновременным совершением работы расширения завершаются реакции окисления топлива.
Момент закрытия выпускного клапана 4 определяется остаточным давлением газов в перекрываемой камере 3, необходимого для обеспечения возможности подачи в нее достаточного количества свежего воздуха из предыдущего цилиндра в последующих циклах при тактах сжатия и рабочего хода в нем. Т.е. давление в цилиндре, при котором возможно закрытие клапана 4 на такте рабочего хода, должно быть примерно в два раза меньше максимального давления сжатия в этом цилиндре. Рассматриваемый цикл работы заканчивается открытием канала выпускного тракта цилиндра №3 и началом в нем такта выпуска.
Сущность изобретения заключается в следующем: предложены новый способ работы двигателя внутреннего сгорания и технически реализуемое устройство для его осуществления позволяющие обеспечить повышение эксплуатационных качеств ДВС и обеспечить снижение концентраций в отработанных газах оксидов азота, окиси углерода и углеводородов за счет предварительной термической подготовки порций топлива и воздуха в специальных устройствах, и создания рабочего тела вне цилиндра, с последующим его впуском в надпоршневую полость цилиндра в заданный момент времени и в требуемом количестве.
Таким образом, в предложенном изобретении получены новые технические результаты обеспечиваемые - способом работы ДВС и устройством для его осуществления.