СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено для усовершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для наземного транспорта и малой авиации.
Указанному применению по весогабаритным параметрам более всего соответствуют поршневые двигатели внутреннего сгорания (далее ДВС), работающие по циклу Отто (см. например: ШИФРИН Д.М. Тепловые двигатели. Часть 1. Гос. издательство машиностроительной литературы. М., 1962 г., c. 100-222). В идеале, рабочий процесс таких двигателей состоит в предварительном приготовлении сжатой топливовоздушной смеси, которую помещают в закрытую камеру, в которой смесь поджигают, сохраняя объем практически постоянным в течение всего времени сгорания, а затем полученные продукты сгорания расширяют, увеличивая объем камеры путем перемещения поршня, и передают работу поршня на выходной вал двигателя. Таким образом, в идеале, реализуется термодинамический цикл Отто, состоящий в последовательно совершаемых процессах: адиабатического сжатия, изохорического сгорания и адиабатического расширения.
Чаще всего сжатие, сгорание и расширение производят в одном и том же цилиндре. Конструктивно это кажется наиболее простым решением. Однако оно осложняется проблемой организации газообмена, из за которого приходится выделять половину рабочего времени поршня на впуск и выпуск (4-тактный цикл), или применять не совсем обратимую, т.е. довольно диссипативную, операцию продувки цилиндра в нижней мертвой точке (2-тактный цикл). Если же использовать для сжатия и расширения разные цилиндры, или разные полости одного цилиндра, то удается корректно осуществить весь цикл за один оборот коленвала. Это используется в различных вариантах реализации двигателя с так называемым разделенным циклом.
Наиболее известным представителем такой конструкции является двигатель Кармело Скудери (США) (см. патент РФ №2286470, 2002-2006 г.г. Фиг. 7). По сути, в нем реализуется тот же указанный выше способ работы, что и в обычных двигателях, работающих по циклу Отто (за некоторыми параметрическим отклонениями, рациональность которых находится в противоречии с научными представлениями). Однако, формально, представленная в указанном патенте схема двигателя более других подходит для анализа недостатков способа работы ДВС по циклу Отто, т.к. в этой схеме присутствуют все конструктивные элементы, необходимые для осуществления предлагаемого способа работы ДВС, отличающегося от цикла Отто, а также присутствуют два существенных признака, необходимых для предлагаемого способа, состоящих в разделенности процессов сжатия и расширения, а также в том, что поршень, в момент начала всасывания горючей смеси, находится максимально близко к крышке цилиндра.
Рассмотрим недостатки способа работы ДВС по циклу Отто с использованием в качестве конкретизирующего конструктива двигатель, описанный в вышеуказанном патенте РФ и представленный, с несущественными сокращениями, на фиг. 1 настоящей заявки.
Реализуемый в известном двигателе, наиболее близкий к предлагаемому, известный способ работы состоит в том, что предварительно приготовленную сжатую горючую смесь, находящуюся в специальной накопительной камере 1, всасывают через впускной клапан 2 силовым поршнем 3 в рабочий цилиндр 4. Причем существенно то, что в рассматриваемом прототипе, в начале всасывания, силовой поршень 3 находится максимально близко к крышке 5 цилиндра. После всасывания определенного объема горючей смеси в камеру сгорания 6, впускной клапан 2 закрывают и поджигают горючую смесь искровой свечой 7, производя т.о. процесс изохорического подвода теплоты, т.е. при постоянном объеме. Затем поршень 3 опускают, производя адиабатическое расширение продуктов сгорания с передачей работы поршня 3 на выходной вал двигателя. Часть этой работы используется для последующего адиабатического сжатия воздуха (или горючей смеси - безразлично), используемого в следующих циклах работы двигателя. Т.о., за исключением вышеуказанной, не имеющей принципиального значения, перестановки процессов сжатия и расширения, мы имеем цикл Отто. В рассматриваемом патенте делается упор на существенность процесса задержки момента зажигания на 30-60 градусов поворота коленвала после верхней мертвой точки. Но это является безусловным недостатком (не имеющим однако принципиального значения для проведения сравнительного анализа способов по существу). Несущественно также и смещение фазы работы отдельного компрессорного поршня, являющееся основным (по мнению Скудери) отличительным признаком его технического решения, т.к. между компрессором и рабочим цилиндром 4 имеется накопительная камера 1 (по сути - рессивер), объем которой можно (и нужно, как это сделано в последующих патентах Скудери) неограниченно увеличивать.
Далее следовало бы, как обычно делается в заявках на изобретение, аргументировано указать на недостатки известного способа, устранение которых является целью заявляемого изобретения. Однако мы в силах устранить только то, что позволяют нам законы природы. Но обычно априори неизвестно, какие недостатки удастся устранить изобретением и какие получаться преимущества. Поэтому сначала лучше рассмотреть новое техническое решение, а затем посмотреть, чем оно лучше старого. Выявленные преимущества и будут рассматриваться в качестве «цели» изобретения.
Предлагается способ работы ДВС, состоящий в том, что предварительно приготовленную сжатую горючую смесь всасывают через впускной клапан в надпоршневое пространство рабочего цилиндра за счет опускании поршня от положения максимально близкого к крышке цилиндра. Отличие от рассмотренного выше прототипа состоит в том, что горючую смесь поджигают в самом начале процесса всасывания, располагая свечу зажигания на пути идущего от впускного клапана потока горючей смеси. При этом надпоршневое пространство рабочего цилиндра заполняется не горючей смесью, а пламенем, то есть горячими газами, находящимися в стадии горения. При этом горение происходит при постоянном давлении, т.е. изобарически, что обеспечивается за счет открытого впускного клапана, сохраняющего сообщение рабочего цилиндра с ресивером большого объема, в котором находится предварительно сжатая горючая смесь. Распространения горения через впускной клапан удается избежать из за того, что скорость потока в щели впускного клапана обычно намного больше скорости распространения пламени (если вообще пламя способно распространяться через зазор). Кроме того, всегда можно поставить во впускной кананал пламязаградительную металлическую сетку (как в шахтерской лампе Деви). После всасывания в цилиндр определенного объема горячего газа, являющегося к этому моменту времени уже продуктами практически завершенного процесса сгорания, впускной клапан закрывают, т.е. производят т.н. з. «отсечку впуска», как в паровой машине, и производят адиабатическое расширение продуктов сгорания. При этом момент отсечки впуска определяют из условия получения заданного коэффициента расширения продуктов сгорания, т.е. получения полного или почти полного расширения.
Предлагаемый способ работы ДВС, как и взятый за прототип способ работы двигателя с разделенным циклом, может обеспечить:
а) полное расширение продуктов сгорания и, следовательно, позволяет избавиться от глушителя шума выпуска.
б) как и в прототипе, облегчается процесс запуска двигателя, т.к. при запуске давление в ресивере нулевое и запуск начинается с нулевой степени сжатия, т.е. без толчка.
в) как и в прототипе, обеспечивается двухтактность цикла без применения необратимых высоко диссипативных процессов продувки.
Однако, по сравнению с прототипом, имеются следующие дополнительные преимущества обусловленные переходом от изохорического процесса горения к изобарическому:
1. Устраняются условия для возникновения детонационного горения, т.к., в отличие от горения в закрытой камере, не происходит нарастания давления с соответствующим возрастанием температуры сжатия остаточных порций горючей смеси. В камере сгорания вообще отсутствует горючая смесь, т.к. в цилиндр впускается уже практически сгоревшая субстанция, причем она не подвергается дальнейшему сжатию. Таким образом, двигатель становится практически всетопливным, так что можно будет забыть о том, что такое «октановое число». Единственным требованиям к качеству топлива остается его испаряемость. Это удешевляет моторное топливо и увеличивает располагаемые его ресурсы.
2. В связи с устранением высокотемпературного пика давления индикаторной диаграммы устраняются эффекты т.н.з. «закалки» продуктов, диссоциации, а также окислы азота в составе выхлопных газов. Т.о. можно обеспечить высокие требования к токсичности выхлопа без установки дорогостоящих каталитических дожигателей.
3. Срезание острого пика давления и замена его продолжительным плато на PV диаграмме дополнительно (по сравнению с вышеуказанным корректным переходом к двухтактности) снижает неравномерность крутящего момента на валу, являющуюся источником сильных вибраций в трансмиссии.
4. Упрощается система зажигания, т.к. высоковольтная искровая свеча может, и даже должна, быть заменена калильной свечой зажигания, не требуя при этом каких либо дополнительных мер синхронизации ее работы (например в виде подбора силы накала свечи или подбора степени выступания ее в камеру сгорания). При этом свеча будет потреблять только низковольтное питание, причем только при запуске или при сильном снижении нагрузки, поддерживая в крейсерском режиме накал за счет горячих газов. Это также повышает надежность работы в крейсерском режиме, что очень важно для авиадвигателя, большинство отказов которого связано с электрической системой зажигания.
5. Уменьшается масса конструкции цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма, т.к. она пропорциональна произведению пикового давления цикла на ометаемый поршнем объем, т.е. пропорциональна так называемой габаритной площади индикаторной PV диаграммы цикла, которая, как будет доказано ниже, у изобарического цикла с полным расширением меньше, чем у изохорического цикла с полным расширением.
6. Снимаются ограничения на максимальное число оборотов со стороны качества процессов сгорания, т.к. воспламенение горючей смеси производится путем непосредственного контакта каждого элемента объема горючей смеси с калильной свечой в процессе ее прохождения по впускному каналу, в котором свеча установлена. Таким образом устраняется ограниченный по скорости процесс самопроизвольного распространения пламени по объему камеры сгорания.
В качестве возможного варианта осуществления предлагаемого способа предлагается вместо отдельного компрессорного цилиндра использовать подпоршневое пространство рабочего цилиндра.
Регулирование мощности двигателя, как возможный вариант, предлагается производить изменением фазы отсечки впуска, воздействуя на систему управления впускным клапаном. При этом оптимальное давление рабочего цикла предлагается сохранять изменением так называемого «вредного объема» пространства компрессора, осуществляющего предварительное сжатие (в частности подпоршневого пространства рабочего цилиндра, если оно используется в качестве компрессора).
Изобретение поясняется нижеследующим описанием примеров осуществления способа и тремя фигурами.
На фиг. 1 изображен фрагмент схемы известного двигателя с разделенным циклом.
На фиг. 2 изображена схема двигателя, оптимизированная применительно к осуществлению предлагаемого способа.
На фиг. 3 изображены, для сравнения, в общей системе координат наложенные одна на другую PV диаграммы работы ДВС по предлагаемому способу и по способу, взятому за прототип.
Двигатель с разделенным циклом, оптимизированный для осуществления предлагаемого способа содержит цилиндр 8, надпоршневое пространство которого используется в качестве расширительного механизма, а подпоршневое пространство - в качестве компрессора. Имеется ресивер 9, соединенный посредством автоматического нагнетательного клапана 10 с подпоршенвым пространством. К подпоршневому пространству также присоединена камера 11 регулируемого объема, служащая для изменения объема вредного пространства компрессора с целью регулирования давления рабочего цикла двигателя. Рессивер 9 также соединен с надпоршневым пространством цилиндра 8 посредством впускного клапана 12, управляемого от кулачка 13, закрепленного на колевалу 14 двигателя. Причем кулачек 13 сделан двухмерным, т.е. многодорожечным, что позволяет оперативно управлять моментом отсечки впуска, изменяя т.о. мощность двигателя. В камере сгорания 15 двигателя установлена калильная свеча 16. Она расположена во впускном канале 17 под впускным клапаном 12 непосредственно у входа в полость камеры сгорания 15. Свеча 16 имеет тело накала, выполненное из высокотемпературной керамики, и снабжена проводником электроподогрева и датчиком температуры, например карборундовыми, имеющими электрические выводы, расположенные в холодной зоне тела накала. Электрические выводы свечи 16 подключены к низковольному источнику питания и к автоматическому регулятору температуры. Выпускной клапан 18 имеет управление от кулачка 19, закрепленного на коленвалу 14. Ресивер 9 сообщается с системой смесеприготовления 20. В частном варианте выполнения она состоит из инжектора 21 жидкого горючего непрерывного, т.е. не синхронизированного, действия, и камеры с испарительной насадкой 22, выполненной, например из минераловаты, закрепленной между двумя металлическими сетками 23, выполняющими также функцию пламязаградительного фильтра. Поршень 24 соединен с коленвалом посредством штока и шатуна с крейцкопфным направляющим механизмом.
Работает данный двигатель в соответствии с предлагаемым способом следующим образом.
Для запуска вращают коленвал 14. При этом избыточное давление в ресивере 9 вначале равно нулю, поэтому для запуска не требуется большого усилия. При этом практически весь ход поршня 24 сопровождается процессом нагнетания воздуха в ресивер 9. При этом отбор воздуха (или горючей смеси) из ресивера 9 через впускной клапан 12 соответствует малой части хода поршня, поэтому давление в ресивере быстро поднимается. С ростом давления увеличивается плотность отбираемой в цилиндр газовой субстанции, и при некотором давлении, устанавливается баланс между приходом и расходом, соответствующий рабочему давлению цикла. Если при этом работает инжектор 21 горючего, то, испаряясь на большой поверхности насадки 22, горючее смешивается с воздухом из ресивера, и горючая смесь всасывается в камеру сгорания 15. Проходя во впускном канале 17 мимо раскаленной свечи 16, горючая смесь воспламеняется, и в камеру сгорания входит уже в виде факела горения, всасываемого поршнем 24. При этом давление в камере сгорания 15 остается практически постоянным, т.к. оно стабилизируется за счет сравнительно большого объема ресивера 9, с которым в процессе горения сообщается камера сгорания через открытый впускной клапан 12.
Рассмотрим этот процесс подробнее, т.к. он является ключевым в работе двигателя по предлагаемому способу.
До начала открывания впускного клапана 12 во впускном патрубке 17 и в надпоршневой щели (т.е. в минимальном объеме камеры сгорания 15) находятся продукты сгорания от предыдущего цикла, которые не могут гореть. Затем клапан 12 плавно открывают, и, практически одновременно, начинают опускать поршень 24. При этом по каналу 17 начинает распространяться фронт сравнительно плотной горючей смеси, который внедряется в более горячие и менее плотные остаточные продукты сгорания. Когда фронт горючей смеси коснется горячей зоны свечи 16, смесь воспламеняется. При этом пламя в первый момент начинает распространяться назад к клапану 12. Вследствие этого суммарный объем газов под клапаном увеличивается. Поршень 24, находясь около верхней мертвой точки, движется медленно и может не скомпенсировать указанное возрастание объема. Это приведет к небольшому всплеску давления во впускном канале и к приостановке процесса всасывания до того момента, пока опускающийся поршень не скомпенсирует возникшее приращение объема. Величина приращения объема определяется коэффициентом расширения объема горючей смеси, находящейся в пространстве между свечей 16 и клапаном 12, и сравнительно небольшая. Однако может произойти небольшой обратный выброс горючей смеси через клапан в камеру 20 смесеприготовления. Это несколько обеднит смесь над клапаном 12. Но вскоре процесс всасывания горючей смеси продолжится и установиться стационарный процесс перетекания горючей смеси через канал 17 мимо раскаленной свечи 16, сопровождающийся непрерывным зажиганием потока смеси, поступающей в надпоршневое пространство камеры сгорания 15. При этом, скорость потока горючей смеси в канале 17 не превышает нескольких десятков метров в секунду, т.к. скорость поршня в начале его движения от верхней мертовой точки невелика. Поэтому требуемая для устойчивого зажигания потока температура накала свечи составит порядка 1200-1400 град, цельсия (см. кн. С. КУМАГАИ, «Горение», М. Изд. Химия, 1979 г., стр. 68-74.) Требуемая площадь поверхности свечи при этом составляет порадка 1 см. кв., а мощность пускового электроподогрева свечи - около 30 вт.
На более позднем этапе всасывания горючей смеси, когда скорость поршня возрастет, вышеуказанное условие устойчивого зажигания при больших оборотах двигателя может нарушиться. Однако при этом горючая смесь будет уже вливаться в достаточно большой объем накопленного в камере сгорания 15 раскаленного газа и будет зажигаться от него.
В нужный момент, определяемый управляемым двухмерным кулачком 13, впускной клапан 12 закрывается, и начинается процесс расширения продуктов сгорания. Горение при этом можно считать практически завершимся, чему способствует сильная турбулизация факела горения в процессе впуска, а также непосредственный контакт свечи 16 с каждым элементом объема горючей смеси в процессе прохождения ее через впускной канал 17.
После достижения поршнем нижней мертвой точки кулачок 19 открывает выпускной клапан 18 и поршень 24, при своем обратном ходе вверх, выталкивает продукты сгорания в атмосферу. При этом коэффициент расширения, определяемый моментом отсечки впуска, может выбран таким, чтобы расширение было полным или почти полным, чтобы обеспечить бесшумный выхлоп. При этом, в отличие от двигателей, работающих по циклу Отто, не требуется большого коэффициента расширения, т.к. пиковое давление многократно ниже (порядка 10 ати). Так что камера сгорания остается, в среднем, достаточно толстой, чтобы обеспечить приемлемо малую отдачу тепла в стенки.
Регулирование мощности двигателя можно производить согласованным изменением момента отсечки впуска и суммарного подпоршневого (т.н.з. вредного) объема компрессорной полости. При этом отсечку впуска изменяют перемещая толкатель кулачка на другую дорожку двухмерного кулачка 13. Если отсечку впуска произвести раньше, то объем отбираемого за цикл газа уменьшиться и давление в ресивере будет расти. Скомпенсировать это можно уменьшением объема нагнетания компрессора, который сильно зависит от объема вредного пространства, который в данном двигателе управляется с помощью камеры 11, путем перемещения расположенного в ней регулировочного поршня 25. Увеличение «вредного» объема компрессора приводит, как известно, к уменьшению объема нагнетания в ресивер - вплоть до полного прекращения нагнетания, если давление в рессивере превышает коэффициент сжатия поршнем.
В заключение рассмотрим, чем обусловлена возможность уменьшения удельной массы цилиндропоршевой группы и кривошипношатунного механизма при работе по предлагаемому способу.
Масса указанных механизмов изменяется пропорционально произведению максимального давления в рабочем цикле двигателя на ометаемый поршнем объем. На PV диаграмме работы двигателя это изобразится площадью прямоугольника, описанного вокруг индикаторной диаграммы рабочего процесса (называемой также габаритной площадью PV диаграммы).
На фиг. 3 PV диаграмма работы двигателя по предлагаемому способу, т.е. со сгоранием при постоянном давлении (заштрихованные области «а» и «d»), совмещена с диаграммой работы двигателя по циклу Отто, в которой к указанным областям добавляется область «b», соответствующая пику давления при изохорном сгорании, происходящем при постоянном объеме. Масштабированием указанные диаграммы в нижних частях совмещены, что не влияет на результат сравнения удельных масс двигателей. Рассмотрим коэффициенты возрастания массы «Км» и индикаторной работы «Кр» при переходе от изобарного цикла к изохорному. Т.е. определим, на сколько возрастает при этом габаритная площадь S диаграмм и индикаторная площадь диаграмм и определим, которая из площадей возрастает больше по относительной величине.
На фиг. 3 заглавными русскими буквами обозначены вершины рассматриваемых прямоугольников, а латинскими площади - заштрихованных областей индикаторных диаграмм.
(а - это площадь, равновеликая площади прямоугольника ЖБГН)
Kp=b/(a+d).
Сравнение определяется отношением найденных величин
Км/Кр=(b+c)(a+d)/(ab).
Очевидно, что полученное отношение больше единицы, т.к. сомножители а и b, стоящие в числителе, увеличены на некоторые величины d и с, а в знаменателе у них эти приращения отсутствуют (заметим, что все вычисления ведутся в положительных числах).
Последнее означает, что при переходе от предлагаемого способа работы ДВС к известному циклу Отто удельная масса конструкции основных силовых частей двигателя возрастает.
Впрочем, результат приведенного выше доказательства следует также и из простого представления о компактности формы PV диаграммы рабочего цикла, которая заметно уменьшается при появлении острого пика повышения давления в цилиндре в процессе изохорического сгорания. При этом приходится многократно, и далеко не пропорционально дополнительной работе, увеличивать прочность, а следовательно и массу всех деталей кривошипно-шатунного механизма. В данном рассуждении, для простоты, объемы двигателя приняты неизменяющимися, т.к. давление и объем практически одинаково влияют на удельную массу двигателя. Оптимизационные изменения незначительны по сравнению с рассматриваемыми здесь эффектами.
КПД двигателя при работе по предлагаемому способу существенно не меняется, т.к. он определяется главным образом коэффициентом адиабатического расширения, которое в предлагаемом способе, вследствие уменьшения верхнего давления цикла, существенно не меняется, хотя мы и достигаем полного расширения. Увеличение коэффициента расширения, как и в обычном ДВС, ограничено увеличением потерь тепла в стенку, когда камера сгорания приобретает щелеобразную форму. То, что в предлагаемом способе в начале процесса всасывания, камера сгорания щелеобразная, компенсируется возможным сокращением временем проведения сгорания, т.к. исключается процесс самопроизвольного распространения фронта горения по объему камеры сгорания. Горючая смесь поджигается принудительно прямым контактом калильной свечи с каждым элементом своего объема в процессе прохождения ее мимо свечи во впускном канале. Это существенно увеличивает полноту сгорания и максимально возможное число оборотов двигателя, которое обычно ограничивается качеством сгорания больше, чем прочностью механизма. Повышение быстроходности - это еще одна из возможностей дополнительного снижения удельного веса ДВС при работе по предлагаемому способу, что крайне необходимо для возможности их широкого применения в малой авиации, т.к. газотурбинные двигатели в диапазоне малых мощностей не неэффективны, а стоимость их слишком высока для широкого применения.