СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КПД ДВИГАТЕЛЯ УВЕЛИЧЕНИЕМ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ И СОКРАЩЕНИЕМ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ
METHOD FOR IMPROVING ENGINE EFFICIENCY BY INCREASING COMPRESSION AND CONTRACTION DEGREE OF IGNITION ADVANCE ANGLE

Область техники, к которой относится изобретение, - это двигателестроение бензиновых двигателей.
Уровень техники
Известно, что при повышении степени сжатия возникает детонация в цилиндрах двигателя. Для устранения этого недостатка используется бензин с повышенным октановым числом. Чем выше степень сжатия, тем выше октановое число топлива.
Сущность изобретения
Для понимания сущности изобретения надо понять, что происходит в двигателе при опереженном зажигании и при позднем зажигании. При опереженном зажигании возникает детонация, сопровождающаяся стуком в двигателе и резким повышением шума выпуска. Стук в двигателе появляется потому, что горение заряда происходит в уменьшающемся объеме, при этом скачкообразно увеличивается скорость горения заряда, таким же образом увеличивается объем газов и температура газов. Горение заряда заканчивается до прихода поршня в верхнюю ВМТ. Так как температура газов повышена, повышен и объем газов, скорость выхода газов из цилиндра увеличивается, увеличивается их инерционность на столько, что в конце фазы выпуска, то есть в момент открытия впускного клапана давление в цилиндре значительно ниже давления во впускном коллекторе. Поэтому горючая смесь очередного заряда, за время продувки успевает проскочить в выпускной коллектор и далее в систему выпуска, где, сгорая, резко повышает шум выпуска и сопротивление в системе выпуска. При позднем зажигании горение происходит в уменьшающемся объеме, но уменьшение объема происходит медленнее, поэтому горение заряда замедляется после прохода ВМТ, горение продолжается уже в увеличивающемся объеме, и горение заряда замедляется еще больше и может продолжаться при такте "выпуск". В конце фазы выпуска давление в цилиндре выше, чем во впускном коллекторе, и за время продувки еще горящие газы проникают во впускной коллектор и воспламеняют горючую смесь в коллекторе и двигатель "чихает" в карбюратор.
Суть идеи состоит в том, что при увеличении степени сжатия происходит нагрев заряда в цилиндре, а при нагреве заряда увеличивается скорость горения заряда, а значит сокращается максимальный угол опережения зажигания. При сокращении угла опережения зажигания сокращается время воздействия пламени на днище поршня, тарелки клапанов и стенки камеры сгорания, значит меньше энергии пойдет на нагрев двигателя, а больше на работу, и чем выше степень сжатия, тем выше КПД.
Для реализации этого способа увеличения КПД необходимо стабилизировать физическую степень сжатия на протяжении всего срока эксплуатации двигателя, так как на компрессионных кольцах в процессе работы увеличиваются зазоры на стыках, что приводит к снижению степени сжатия почти на 1 ед. за 80-100 тыс. км, увеличению угла опережения зажигания и увеличению расхода топлива. Поэтому в двигателе ЗМЗ-402, на котором проводились эксперименты, установлено тройное компрессионное кольцо, патент №2416749, которое стабилизирует степень сжатия на протяжении не менее 100 тыс. км пробега и повышает физическую степень сжатия до 8,3-8,8 без изменения геометрической степени сжатия головки блока под бензин А-76, с головкой блока под бензин АИ-92 физическая степень сжатия достигла 11.5, после чего эксперимент был прекращен. Использовался бензин АИ-80. Двигатель установлен на автомобиле ГА3-3110.
Суть эксперимента следующая: на двигатель ЗМЗ-402 были установлены новые тройные компрессионные кольца и головка блока под бензин АИ-92. Так как кольца были новые, не притертые, то физическая степень сжатия была около 8. В процессе работы двигателя компрессионные кольца притирались и физическая степень сжатия увеличивалась, но при этом двигатель работал с опереженным зажиганием. Попытки уменьшить угол опережения зажигания не давали положительного результата. После этого угол опережения зажигания был установлен на 0 (отключен вакуумный автомат и сняты грузики центробежного автомата), после этого эксперимент был продолжен. При работе двигателя не было детонации, но был повышенный шум выпуска, как при опереженном зажигании. Периодически замеряя физическую степень сжатия, она была неодинакова в разных цилиндрах, так как кольца притирались неравномерно. По мере притирания колец шум выпуска усиливался примерно до степени сжатия 10,2. При дальнейшем увеличении степени сжатия шум выпуска начал уменьшаться, а при приближении степени сжатия к 11 стала увеличиваться мощность двигателя при малых нагрузках, а при увеличении нагрузки возникал эффект позднего зажигания, двигатель «чихал» в карбюратор. Увеличение угла опережения зажигания положительного результата не дало. Экспериментально установлено, что при уменьшении сопротивления системы выпуска путем удлинения двойной приемной трубы в два раза расширяется граница эффекта опереженного зажигания.
Проведенные эксперименты показали, что при увеличении степени сжатия для повышения КПД двигателя необходимо нормализовать продувку камеры сгорания, то есть давление в цилиндре в начале продувки должно быть немного ниже, чем давление во впускном коллекторе, при котором остатки выхлопных газов выходят из камеры сгорания, а горючая смесь заполняет камеру сгорания, не проникая в выпускной коллектор. На бензиновом двигателе этого сделать невозможно, но если продувку производить не горючей смесью, а воздухом, то эффекта опереженного зажигания не будет, не будет и повышения сопротивления в системе выпуска. В дизельном двигателе продувка камеры сгорания производится воздухом, а впрыск топлива производится в конце такта сжатия, поэтому эффекта раннего зажигания не происходит при степени сжатия 18 и выше. Продувку воздухом можно производить в бензиновом двигателе как в карбюраторном, так и в инжекторном, для этого двигатель должен иметь два впускных клапана, а выпускных может быть один и два - значения не имеет.
На фиг.1 изображены примерные фазы газораспределения.
Фаза выпуска заканчивается за 5 до верхней мертвой точки. Два впускных клапана имеют разные фазы газораспределения и отдельные впускные каналы, не связанные между собой. У одного клапана - назовем его воздушный, фаза впуска начинается за 15° до ВМТ, а у второго бензинового клапана фаза впуска начинается через 5° после ВМТ. Во впускном канале бензинового клапана устанавливается форсунка в инжекторном двигателе, а в карбюраторном двигателе к каналу бензинового клапана подсоединяется карбюратор.
Работает двигатель следующим образом.
После рабочего хода идет такт выпуска за 15° до ВМТ, открывается воздушный впускной клапан, идет продувка камеры сгорания воздухом, за 5° до ВМТ выпускной клапан или клапаны, если их два, закрываются, продувка закончена. Через 5° после ВМТ открывается бензиновый клапан, через который в цилиндр поступает обогащенная горючая смесь, а через воздушный впускной клапан в цилиндр поступает воздух. В цилиндре горючая смесь смешивается с воздухом, образуя горючую смесь необходимой пропорции воздуха и бензина. Далее идет такт сжатия, рабочий ход и цикл повторяется.
Для снижения сопротивления системы выпуска нужно сделать на каждую пару цилиндров с синхронно двигающимися поршнями отдельную систему выпуска. Максимальную физическую степень сжатия для конкретного двигателя можно определить экспериментальным путем.
Возможно, в инжекторном двигателе дроссельная заслонка будет не нужна, а управление двигателем будет производиться только изменением подачи бензина, то есть изменением длительности импульса впрыска. В этом случае физическая степень сжатия на всех режимах работы двигателя будет максимальной, как в дизельном двигателе.
Технический результат: увеличение КПД бензинового двигателя, и по экономичности он приблизится к дизелю.