Поршневой двигатель внутреннего сгорания
PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания преимущественно к бензиновым двигателям внутреннего сгорания. Предлагаемый двигатель может работать при степени сжатия 20 и выше.
Главным резервом в повышении КПД и мощности бензинового двигателя является повышение его степени сжатия. Однако с увеличением степени сжатия свыше 14 в обычном двигателе возникают условия для детонации рабочей смеси. После подачи искры от свечи начинает распространяться во все стороны фронт пламени, со скоростью 30-50 м/сек. За фронтом пламени растет температура, а, следовательно, и давление. Давление же распространяется на весь объем камеры сгорания (КС) со скоростью звука, то есть свыше 300 м/сек. Таким образом, в рабочей смеси также растет давление, и, следовательно, температура. Создаются условия для объемного детонационного самовозгорание рабочей смеси, не дожидаясь подхода фронта пламени обычного горения от свечи зажигания. Происходит, по сути, взрыв, который действует разрушительным образом на силовую конструкцию двигателя.
Известны три основных приема борьбы с детонациями при повышенной степени сжатия. Это увеличение частоты вращения двигателя, уменьшение наполнения цилиндра путем уменьшения угла открытия дроссельной заслонки, то есть путем дросселирования рабочей смеси и уменьшение угла опережения зажигания. (См. стр. 10 «Сборник (дополнительный) научных трудов по материалам Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана» Под редакцией Н.А. Иващенко, А.Р. Макарова. Москва 2007)
Ибадуллаевым Г.А изготовлены экспериментальные образцы бензинового двигателя со степенями сжатия 20, 25 и 30. Работа двигателя без детонации обеспечивается за счет того, что на время распространения фронта пламени давление в КС поддерживают максимально высоким, но гарантированно ниже давления самовозгорания рабочей смеси в данных условиях, (см. стр. 30 «Сборник (дополнительный) научных трудов по материалам Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана» Под редакцией Н.А. Иващенко, А.Р. Макарова. Москва 2007). Назовем это давление преддетонационным. После того как вся рабочая смесь будет охвачена пламенем, детонации уже не возникнет при любом давлении.
Для обеспечения преддетонационного давления в КС Ибадуллаевым использованы все три указанные выше приема:
1. Угол опережения зажигания (УОЗ) уменьшают с 15° до 0° ПКВ.
2. С таким УОЗ расширение рабочего тела в процессе продвижения фронта пламени будет компенсироваться увеличением объема КС при ускоренном перемещении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) по направлению к нижней мертвой точке (НМТ). При достаточно высокой скорости вращения двигателя давление в КС на период распространения фронта пламени будет поддерживаться в достаточной степени постоянным и преддетонационным.
3. Если скорость вращения будет недостаточно велика, уменьшают величину тепловыделения путем уменьшения степени наполнения цилиндров, то есть дросселированием рабочей смеси. В итоге давление рабочего тела на время распространения фронта пламени не превысит преддетонационного.
На диаграмме фиг. 1 процессу распространения фронта пламени соответствует изобара 2-3. После распространения пламени по всему объему КС интенсивность тепловыделения лавинообразно увеличивается, что ведет к быстрому повышению давления и температуры. Этому процессу на диаграмме соответствует кривая близкая к изохоре 3-4. Далее идет процесс расширения 4-5. Всему этому предшествует процесс сжатия рабочей смеси 1-2.
Таким образом, Ибадуллаев Г.А совместно с сотрудниками МГТУ им. Н.Э. Баумана на практике подтвердил условия работы бензинового двигателя со степенью сжатия 20 и до 30 без детонации. Для этого достаточно, чтобы давление в КС на время распространения фронта пламени оставалось максимально высоким, но гарантированно ниже давления самовозгорания рабочей смеси в данных условиях, то есть оставалось преддетонационным.
Двигатель Ибадуллаева Г.А. с повышенной степенью сжатия для предлагаемого технического решения будет служить прототипом.
Описанный выше способ обеспечения в период распространения фронта горения преддетонационного давления в КС имеет следующие недостатки:
1. Дросселирование, то есть уменьшение степени наполнения цилиндров эквивалентно уменьшению степени сжатия, что ведет к снижению КПД двигателя.
2. Подача искры после ВМТ заваливает процесс подвода тепла на линию расширения. Подвод тепла в период быстрого движения поршня к НМТ значительно снижает КПД.
3. Для подачи искры при высоком давлении требуется электрооборудование повышенного напряжения. Так, например, для нормальной работы системы зажигания при степени сжатия 25, по утверждению Ибадуллаева, требуется оборудование напряжением до 80 кВ, вместо обычного в 20 кВ. (см. стр. 40 «Сборник дополнительный) научных трудов по материалам Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана» Под редакцией Н.А. Иващенко, А.Р. Макарова. Москва 2007). Оборудование системы зажигания с напряжением такой величины не выпускается. Если бы оно и выпускалось, то потребовало бы серьезного усложнения системы защиты от пробоя изоляции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решении является обеспечение в КС преддетонационного давления на время распространения фронта пламени независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя и независимо от величины угла опережения зажигания.
Данная задача решается за счет того, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, включающем минимум один цилиндр с поршнем, крышку цилиндра, источник давления газа, камеру сгорания со свечой зажигания, при этом каждая камера сгорания снабжена компенсационной камерой (КК), согласно изобретению, полость компенсационной камеры разделена на две части подвижной внутренней стенкой. Одна часть полости компенсационной камеры соединена с камерой сгорания, а другая часть соединена с источником давления газа. Подвижная стенка, в каждом своем крайнем положении, имеет возможность закрывать сообщение компенсационной камеры с камерой сгорания и открывать сообщение с источником давления газа, и, наоборот, открывать сообщение компенсационной камеры с камерой сгорания и закрывать сообщение с источником давления газа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что при распространении фронта пламени, как только давление в КС превысит давление в источнике давления газа, подвижная стенка начинает перемещаться в сторону от КС, и объем КС станет увеличиваться за счет уменьшения объема КК. На время заполнения полости КК продуктами горения давление в КС будет практически постоянным, преддетонационным и близким по величине к давлению в источнике давления. Время, в течение которого будет поддерживаться постоянное давление в КС, определяется объемом КК, а величина давления в КС давлением в источнике давления.
На фиг. 1 изображена диаграмма работы двигателя Ибадуллаева Г.А. в координатах PV.
На фиг. 2 изображена схема предлагаемого двигателя.
На фиг. 3 изображена диаграмма работы предлагаемого двигателя в координатах PV с наложением на нее диаграммы работы двигателя Ибадуллаева Г.А.
На фиг. 4 изображена схема предлагаемого двигателя с детонационным сгоранием рабочей смеси и компактным расположением КК.
На фиг. 5 изображен разрез А-А двигателя изображенного на фиг. 4.
2
В качестве примера исполнения рассмотрим четырехцилиндровый двигатель (см. фиг. 2). Над крышкой цилиндра 1 расположена КК 2. цилиндрической формы с подвижной плоской стенкой 3 внутри. Стенка 3 будет выполнять функции двустороннего плоского клапана. Верхняя и нижняя торцевая внутренняя поверхность КК 2 перфорирована сетью отверстий 4 суммарной площадью сечения отверстий на каждой поверхности порядка 1,5-2 см. Эти две торцевые перфорированные поверхности являются седлами для пластинчатого клапана 3: нижнее седло 5 и верхнее седло 6. Клапан 3 сверху поджат пружиной 7. Края цилиндрической поверхности клапана 3 по отношению к стенкам цилиндра 2 имеют зазор «а». Полученная кольцевая щель будет выполнять функцию дроссельного отверстия. Для этой же цели на краю поверхности клапана 3 может быть выполнена выборка, которая также будет выполнять функцию дроссельного отверстия (не показано) для сообщения между собой полостей над клапаном 3 и под клапаном 3. Клапан 3 изготовлен из титаносодержащей жаростойкой стали с минимальной массой. Чем меньше будет масса клапана 3 и пружины 7, тем меньший перепад давления потребуется для своевременного перемещения клапана 3. Вполне рабочим будет клапан с массой порядка 8 грамм. Полость над клапаном 3 соединена одним из четырех трубопроводов 8 с источником давления газа в виде ресивера 9. Остальные три трубопровода 8 соединяют ресивер 9 с остальными КК двигателя. На ресивере 9 установлен редуктор давления 10. Рядом с КК 2 установлена свеча зажигания 11. Угол опережения зажигания на свече 11 установлен 15°. Поршень 12 с цилиндром 13 и крышкой цилиндра 1 образуют КС 14. Поршень 12 изображен в ВМТ.
Двигатель работает следующим образом. Редуктор давления 10 настраивается на величину меньше давления преддетонационного, величина которого определяется по результатам опытно конструкторских работ (ОКР). При запуске двигателя и в начальный период его работы давление в КС 14, благодаря наличию КК 2, будет на уровне давления двигателя с обычной степенью сжатия. Клапан 3 будет совершать возвратно-поступательное движение от нижнего седла 5 до верхнего седла 6 в такт изменению давления в КС 14. Благодаря пружине 7, во время перемещения клапана 3 от седла 5 до седла 6 и обратно, давление газов под клапаном 3 будет больше, чем над клапаном независимо от направления его движения. Таким образом, во время перемещения клапана 3 движение газов через зазор «а» будет направлено в сторону ресивера 9. Спустя некоторое время давление в нем поднимется до величины настройки редуктора давления 10. Избыток газов будет перепускаться редуктором 10 в атмосферу или по трубопроводу в систему выхлопа (на схеме не показано). Избыток газов необходим для того, чтобы гарантированно компенсировать утечки газов из КК 2 на тактах с низким давлением в КС 14. Избыток газов регулируется величиной зазора «а».
На установившемся режиме работы КК 2 давление в КС 14 после подачи искры продолжает расти как за счет сжатия смеси, так и за счет начала подвода тепла при распространении фронта пламени. Как только усилие на клапан 3 от давления в КС 14 превысит усилие от давления в ресивере 9 и пружины 7, клапан 3 начнет ускоренное движение вверх пока не сядет на верхнее седло 6. В этот промежуток времени давление в КС 14 несколько возрастет. Тем не менее, это давление останется преддетонационным. За время движения клапана 3 вся рабочая смесь будет охвачена пламенем. Далее, вследствие лавинообразного увеличения интенсивности горения топливной смеси, давление в КС 14 практически изохорно растет до максимума. По мере движения поршня к НМТ давление в КС 14 падает. Клапан 3 под действием изменения направления перепада давления и усилия пружины 7 начнет перемещение в сторону нижнего седла 5. Клапан 3 сядет на свое нижнее седло 5 и будет к нему прижат пружиной 7 и давлением в ресивере 9. Давление в КС 14 на период перемещения клапана 3 от верхнего седла 6 к нижнему седлу 5 также будет сохраняться на уровне давления в ресивере 9, не считая влияния пружины 7. При возвратно поступательном движении клапана 3 газы через зазор «а» будут постоянно перетекать из полости под клапаном 3 в полость над клапаном 3 для пополнения утечек из КК 2 через нижнее седло 5 на тактах с низким давлением в КС 14.
Индикаторная диаграмма работы предлагаемого двигателя в координатах PV будет иметь отличия от диаграммы работы двигателя-прототипа. Участок 1-2 (см. фиг. 3) соответствует сжатию рабочей смеси. В точке 2' подается искра, что соответствует углу ПКВ 15° до ВМТ. Далее давление продолжает расти как за счет сжатия смеси, так и начала распространения фронта пламени. Изобара 2-3 отражает наполнение КК 2.
Этот процесс происходит в районе ВМТ угла ПКВ. Включение в работу КК 2 равносильно изобарному увеличению объема КС 1, как если бы на этот период произошло смещение верхней стенки цилиндра в сторону от поршня. На диаграмме PV этот момент можно отразить, сместив влево начало координат на величину увеличения объема КК 2. Участок 3-4 отражает практически изохорный рост давления вследствие лавинообразного увеличения интенсивности горения всего объема топливной смеси. Участок 4-5 отражает расширение до давления близкого к давлению в ресивере 9. Изобара 5-6 отражает вытеснение газов из КК 2. Начало координат диаграммы возвращаем в исходное положение. Участок 6-7 это продолжение расширения до давления выхлопа.
3
Из представленного материала следует, что для поддержания преддетонационного давления в КС 14 достаточно, чтобы объем КК 2 превышал изобарное увеличение объема газов в КС 1 при подводе тепла в период распространения фронта пламени. При модернизации Ибадуллаевым Г.А. двигателя ВАЗ этот объем образовывался за счет ускоренного движения поршня к НМТ и не превышал 15 см. Из этого следует, что объем КК 2 должен быть порядка 15-20 см3.
Подведем итоги описания примера исполнения двигателя изображенного на фиг. 2.
1. Частота вращения двигателя не влияет на время задержки роста давления в КС. Время задержки роста давления зависит только от объема КК.
2. Также время задержки роста давления на период распространения фронта пламени не зависит и от угла опережения зажигания.
3. Кроме того, важно, что подача искры с привычным углом опережения 15° по углу ПКВ означает, что степень сжатия в этот момент будет значительно меньше, чем в ВМТ. Так, например, у двигателя со степенью сжатия 25 в момент подачи искры степень сжатия будет 13,4. При такой степени сжатия обычное электрооборудование для системы зажигания остается работоспособным.
4. Для повышения КПД и мощности двигателя имеет значение не степень сжатия в ВМТ, а средняя степень сжатия в период интенсивного подвода тепла. Так, например, у прототипа искра подается в ВМТ при степени сжатия 25 (см. стр. 38). При 15° ПКВ заканчивается продвижение фронта пламени и начинается интенсивный подвод тепла, Степень сжатия в этот момент равна 13,4. При 35° ПКВ горение в основном заканчивается. Степень сжатия в этом положении 6,1 Средняя степень сжатия не выше 10. (Для сведения, средняя степень сжатия двигателя ВАЗ в аналогичном исчислении порядка 5.) В предлагаемом двигателе искра подается при 15° до ВМТ и степени сжатия 13,4. Начало интенсивного горения происходит в ВМТ, то есть при 0° ПКВ. Формально степень сжатия в этом положении ПКВ 25, но с учетом уже открытой КК 2 степень сжатия будет соответствовать только 13,4. При 20° ПКВ горение в основном заканчивается. Степень сжатия в этом положении ПКВ учетом добавления объема КК 2 равняется 10,9. Средняя степень сжатия получается не менее 12, а не 10, как у прототипа. Что также говорит о преимуществе нового двигателя по отношению к прототипу.
5. Также в новом двигателе заваливание процесса подвода тепла на линию расширения уменьшается с 35° ПКВ до 20° ПКВ.
6. Попутным полезным эффектом от использования предлагаемого технического решения будет уменьшение скачка давления в КС двигателя. У бензиновых двигателей, вследствие малого объема КС и подвода тепла близкого к изохорному процессу, возникает большой и кратковременный скачок давления, величина которого, во многом определяет размеры основных силовых элементов двигателя. КК кратковременно увеличивает объем КС. Вследствие этого скачек давления уменьшается без потери снимаемой мощности двигателя, так как интегральная сумма произведение давления на объем в КС практически останется прежней. На время работы КК двигатель фактически увеличивает свой объем. Для уменьшения скачка давления в КС объем КК можно увеличить в большей степени, чем это необходимо для предотвращения детонации. Иначе говоря, объем КК определяется НИОКР в зависимости от преследуемой цели. При малом объеме КК КПД и мощность двигателя несколько выше, чем при увеличенном объеме КК. Но при увеличенном КК уменьшаются пиковые нагрузки на силовую часть двигателя и, следовательно, повышается его ресурс.
8. Смещение на диаграмме линии расширения 6-7 вправо, указывает на то, что крутящий момент у нового двигателя увеличивается.
9. Для облегчения запуска двигателя достаточно стравить давление из ресивера. Тогда запуск будет такой же, как и у двигателя с обычной степенью сжатия.
10. Предлагаемый двигатель равноценен двигателю с регулируемой степенью сжатия, так как максимальное давление на такте сжатия может быть снижено уменьшением давления в ресивере. Такой двигатель может работать без детонации на бензинах с низким октановым числом.
11. Известно, что детонационное горение отличается сверхвысокой интенсивностью горения и полнотой сгорания с большим выделением тепла. Существенный недостаток детонационного горения заключается в разрушительном воздействии на двигатель ударной волны и температуры. Если изолировать части двигателя (поршни, стенки цилиндра и детали КШМ) от воздействия этих факторов, то можно значительно улучшить характеристики двигателя. Введенные в конструкцию двигателя элементы предлагаемого изобретения позволяют в значительной мере выполнить это условие. Суть технического решения заключается в том, что полость КС отделена от полости над поршнем перфорированной стенкой. При этом поршень в ВМТ своей торцевой поверхностью максимально приближен к поверхности клапанов и к перфорированной стенке.
На крышке цилиндра современных двигателей из-за недостатка свободного места сложно разместить КК. В этом плане для реализации изобретения наиболее удобным является двигатель двухтактный, без газораспределительных клапанов. Тем не менее, на фиг. 4 предложена схема компоновки предлагаемого технического решения на четырехтактном двигателе с одним впускным клапаном в цилиндре и с одним выпускным. Двигатель может работать и с детонационным сгоранием рабочей смеси. В отличие от двигателя, изображенного на фиг. 2, полость КС 14 со свечой зажигания 11 вынесена на край крышки цилиндра 1, на место, где обычно располагается свеча зажигания, и соединена с полостью над поршнем 12 через перфорированную отверстиями 17 стенку крышки цилиндра 1. КК 2 расположена наклонно и выполнена аналогично КК 2 на фиг. 2. Стенки КС 14 одновременно выполняет функцию переходника для подвода газов от перфорированной стенки над поршнем к круглой перфорированной стенке КК 2. На разрезе А-А (см. фиг. 5) цифрами 15 и 16 обозначен впускной и выпускной клапан. Поршень 12 изображен в положении 15° до ВМТ. Остальные элементы схемы фиг. 4 остались без изменения по отношению к схеме на фиг. 2.
Управление редуктором давления 10 обеспечивается бортовой электроникой с использованием датчика детонации. (На схеме не показано). Объем КК 2 выбирается в зависимости от желаемой величины максимального давления и температуры в КС 14.
Двигатель запускается также как двигатель, изображенный на фиг. 2. После прогрева двигателя давление в ресивере 9 увеличивают до появления признаков детонации и далее до устойчивой работы двигателя в режиме детонации. Затем зажигание двигателя выключается. Может оказаться целесообразней работа двигателя в режиме частичной детонации, то есть с включенной свечой зажигания 11. Перфорированная поверхность нижней стенки КС 14 разрушает ударную волну, что уменьшает воздействие ударной волны в полости над поршнем 12. Сведения о том, что перфорированная перегородка уменьшает давление от ударной волны, имеются во многих публикациях. Например, патент РФ 2404365, патент РФ 2373490. Более детально вопрос разобран в журнале технической физики 2010 том 80, вып. 8 «Формирование детонационной волны в каналах и их взаимодействие с проницаемыми перегородками», авт. Ю.М. Липницкий и А.В. Панесенко. Оптимальные формы и размеры отверстий 17 должны быть определены в результате ОКР. Кроме того, при детонации клапан 3 легко и быстро перемещается вверх, увеличивая объем КС 14. Быстродействие перемещения клапана 3 соразмерно со скоростью распространения упругой волны деформации по штоку поршня 12 до КШМ от остатка ударной волны детонации в КС 14. В итоге давление и температура в КС 14 будет значительно меньше, чем при детонации в ограниченном и неизменяемом объеме КС 14. Но главным остается то, что ударная нагрузка на КШМ от детонации топливной смеси практически устраняется. Таким образом, механическая и тепловая нагрузка на силовые элементы двигателя останется на уровне обычного двигателя.
Момент детонации должен происходить при положении поршня 12 в районе ВМТ. Смещение момента детонации в плюс или в минус по ПКВ можно производить за счет изменения давления в ресивере 9, то есть, управляя редуктором давления 10. Этот процесс управления без проблем можно обеспечить с помощью бортовой электроники, используя датчики детонации.
Следует отметить, что двигатель, изображенный на фиг. 4 может работать в обычном режиме, в режиме частичной детонации и в режиме полной детонации.
В двигателе может быть использовано дизельное топливо, так как топливовоздушная смесь с дизтопливом при степени сжатия 15-30 также обладает способностью и к детонационному горению и к воспламенению от электрической искры или калильной свечи. То есть, все, что говорилось выше о бензиновом двигателе, может относиться и к карбюраторному двигателю на дизтопливе. Известно, что дизель обладает большей устойчивостью к возгоранию, что является важным фактором при выборе двигателя для военной техники. Предложенный двигатель по отношению к дизелю может иметь большую среднюю степень сжатия при подводе тепла и иметь при этом меньшие пики давления в КС, то есть быть экономичнее и долговечнее дизеля. Кроме того, двигатель обладает по отношению к дизелю облегченным пуском. Все эти преимущества очень востребованы в военной технике, и, прежде всего, в танкостроении.
Таким образом, все обозначенные в описании недостатки прототипа устраняются и, кроме того, выявляются еще несколько существенных преимуществ, в том числе возможность работы двигателя в режиме детонации.