СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ICE OPERATION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к двигателестроению и особенно к двигателям внутреннего сгорания, работающих по циклу Дизеля.
Известен способ и устройство двухтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Дизеля (Орлин А.С., Круглов М.Г. «Двигатели внутреннего сгорания», Москва, «Машиностроение», 1983, стр.72-102). Недостаток данного способа и устройства, несмотря на многообразие схем и решений систем продувок, это высокий коэффициент остаточных газов, что приводит к снижению наполнения рабочего объема двигателя свежим воздушным зарядом, а в конечном итоге к увеличению удельного расхода топлива и снижению эффективного КПД цикла.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ работы двигателя внутреннего сгорания, работающего по двухтактному циклу, включающий внешнее многоступенчатое сжатие воздуха до давления, равного рабочему давлению конца сжатия в камере сгорания, нагрев сжатого воздуха до температуры воспламенения топлива за счет тепловой энергии отработавших газов, заполнение этим воздухом части рабочего объема, а также впрыск топлива, сгорание и расширение газов на первом такте работы и выхлоп отработавших газов с организацией подогрева сжатого воздуха на втором такте.
Устройство для осуществления указанного способа содержит поршень, цилиндр, камеру сгорания, головку цилиндра с сервоприводом клапанов и форсункой, многоступенчатый компрессор для сжатия воздуха и теплообменник для подогрева сжатого воздуха (патент RU 2246625 «Способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления»).
Основной недостаток известного способа и устройства заключается в снижении экономичности, обусловленное сложностью организации процессов и сохранения качественного смесеобразования и сгорания на всех режимах работы двигателя, зависимость кинетической энергии воздушного потока, участвующего в процессе смесеобразования от скоростного режима работы двигателя.
Другими недостатками способа, также снижающими эффективность работы двигателя, являются:
- отсутствие продувки;
- повышенное сопротивление в процессе выхлопа и выталкивания отработавших газов;
- нерациональные потери тепла в процессе рекуперативного теплообмена между сжатым воздухом и выхлопными газами.
Из конструктивных недостатков главными являются:
- сложность и ненадежность громоздкой пневмомеханической системы привода клапанов;
- небольшой ресурс работы клапана впуска, находящегося в условиях постоянного высокотемпературного режима работы;
- необходимость специального пускового нагревателя воздуха.
Решаемая задача - повышение эффективности рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания в широком диапазоне нагрузок и упрощение конструкции двигателя.
Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем внешнее многоступенчатое сжатие воздуха до давления, равного рабочему давлению конца сжатия в камере сгорания, нагрев сжатого воздуха до температуры воспламенения топлива за счет тепловой энергии отработавших газов, заполнение этим воздухом части рабочего объема, а также впрыск топлива, сгорание и расширение газов на первом такте работы и выхлоп отработавших газов с организацией подогрева сжатого воздуха на втором такте, двигатель может работать как по двухтактному, так и четырехтактному циклу, при этом в период пуска двигатель работает по четырехтактному циклу без нагрева сжатого в компрессоре воздуха, а после перехода на двухтактный цикл работы сжатый воздух, необходимый для совершения рабочего цикла, делят на два потока, при этом первый поток за счет теплоты отработавших газов нагревают до температуры воспламенения топлива путем регенеративного теплообмена, а второй поток - путем рекуперативного теплообмена, и на первом такте в начальной фазе заканчивают процессы наполнения камеры сгорания воздухом от первого потока, сгорания топлива и горящей смеси и расширения, образовавшиеся от сгорания газов, а на втором такте осуществляют выхлоп и выталкивание отработавших газов, организуют продувку за счет второго воздушного потока, при этом продувку и выталкивание отработавших газов в этот момент выполняют под разряжением, которое создают путем эжектирования, а в конце второго такта после окончания процесса продувки и выталкивания отработавших газов осуществляют вне камеры сгорания впрыск топлива, образование топливно-воздушной смеси и ее воспламенение за счет второго воздушного потока с последующим поступлением части топлива и горящей смеси в камеру сгорания, которую к этому моменту начинают активно заполнять первым воздушным потоком для полного окончания процесса сгорания.
Для решения этой задачи в устройстве по предлагаемому способу, содержащем поршень, цилиндр, камеру сгорания, головку цилиндра с сервоприводом клапанов и форсункой, многоступенчатый компрессор для сжатия воздуха и теплообменник для подогрева сжатого воздуха, причем головка цилиндра выполнена в форме двух камер, связанных с камерой сгорания, при этом первая камера выполнена в виде форкамеры и в ней установлена насос-форсунка с сервоприводом, а вторая камера - в виде регенератора, на верхней крышке которого смонтирован клапан выпуска, снабженный электромагнитом, а в объеме, засыпанном насадкой, установлены термоизоляционная проставка и теплообменник, подключенный к первой камере, а кроме того, устройство дополнительно снабжено эжектором, который с помощью выпускного коллектора подсоединен к клапану выпуска, ресивером и пневмосистемой в виде трубопроводов с электромагнитными клапанами, подключенных соответственно к регенератору и теплообменнику, а также трубопроводов с электромагнитными клапанами и дюзами, подключенных соответственно к цилиндру, сервоприводу клапана выпуска и сервоприводу насос-форсунки.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующий признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа работы двигателя внутреннего сгорания.
Устройство содержит поршень 1, цилиндр 2, камеру сгорания 3, головку цилиндра 4, выполненную в форме двух камер, соединенных с камерой сгорания 3, при этом первая камера выполнена в виде форкамеры 5 и в ней установлена насос-форсунка 6 с пневмоприводом 7, а вторая камера выполнена в виде регенератора 8, на верхней крышке которого смонтирован клапан выпуска 9 с сервоприводом 10, снабженный электромагнитом 11, а между верхней решеткой 12 и нижней решеткой 13 регенератора 8 установлены термоизоляционная проставка 14, защитные сетки 15 и 16, засыпана насадка 17 и размещен теплообменник 18, через дюзу 19 подключенный к форкамере 5, которая каналом 20 соединена с камерой сгорания 3, а кроме того устройство дополнительно снабжено эжектором 21, который посредством выпускного коллектора 22 подсоединен к клапану выпуска 9, ресивером 23, подключенного к воздушному многоступенчатому компрессору 24, и пневмосистемой в виде:
- трубопровода 25 с электромагнитным клапаном 26 и дюзой 27, подключенных к сервоприводу 10 клапана выпуска 9;
- трубопровода 28 с электромагнитным клапаном 29 и дюзой 30, подключенных к сервоприводу 7 насоса-форсунки 6;
- трубопровода 31 с теплообменником 32, электромагнитным клапаном 33 и дюзой 34, подключенных к цилиндру 2;
- трубопровода 35 с электромагнитным клапаном 36, подключенных к регенератору 8;
- трубопровода 37 с электромагнитным клапаном 38, подключенных к теплообменнику 18;
- трубопровода 39 с электромагнитным клапаном 40, подсоединенных к эжектору 21.
Для замера температуры выхлопных газов на выпускном коллекторе установлен датчик 41.
Способ работы двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. Двигатель может работать как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу, при этом в период пуска двигатель работает по четырехтактному циклу без нагрева сжатого в компрессоре воздуха, а после перехода на двухтактный цикл работы сжатый воздух, необходимый для совершения рабочего цикла, делят на два потока, при этом первый поток за счет теплоты отработавших газов нагревают до температуры воспламенения топлива путем регенеративного теплообмена, а второй поток - путем рекуперативного теплообмена, и на первом такте в начальной фазе заканчивают процессы наполнения камеры сгорания воздухом от первого потока, сгорания топлива и горящей смеси и расширения, образовавшиеся от сгорания газов, а на втором такте осуществляют выхлоп и выталкивание отработавших газов, организуют продувку за счет второго воздушного потока, при этом продувку и выталкивание отработавших газов в этот момент выполняют под разряжением, которое создают путем эжектирования, а в конце второго такта после окончания процесса продувки и выталкивания отработавших газов осуществляют вне камеры сгорания впрыск топлива, образование топливно-воздушной смеси и ее воспламенение за счет второго воздушного потока с последующим поступлением части топлива и горящей смеси в камеру сгорания, которую к этому моменту начинают активно заполнять первым воздушным потоком для полного окончания процесса сгорания.
Принцип работы устройства заключается в следующем. В пусковой период двигатель работает по четырехтактному циклу. При движении поршня 1 от ВМТ открывается электромагнитный клапан 33 и воздух высокого давления из ресивера 23 по трубопроводу 31 поступает в теплообменник 32, где охлаждается до температуры 300 K и через дюзу 34 поступает в цилиндр 2, при этом проходное сечение дюзы 34 рассчитывается таким образом, чтобы объем цилиндра 2 при подходе поршня 1 к НМТ воздухом, весовое количество которого было бы эквивалентно количеству воздуха, который поступил бы из атмосферы при такте всасывания. В НМТ электромагнитный клапан 33 закрывается и на втором такте происходит процесс сжатия воздуха, сопровождающийся повышением давления и температуры и в предкамере 5 и в регенераторе 8, объем которого на 90-95% заполнен эффективной насадкой 17. Вблизи ВМТ в предкамеру 5 производится впрыск топлива насос-форсункой 6 за счет подачи сжатого воздуха по трубопроводу 28 из ресивера 23 в сервопривод 7 насоса-форсунки 6 через открытый в этот момент электромагнитный клапан 29. После завершения впрыска клапан 29 закрывается и воздух из небольшого объема сервопривода 7 мгновенно сбрасывается в атмосферу через дюзу 30. После впрыска топлива в форкамеру 5 происходит его воспламенение, сопровождающееся повышением давления в форкамере 5 и интенсивным перетеканием воздушно-топливной смеси вместе с горящими газами через канал 20 в камеру сгорания 3, где происходит процесс окончательного сгорания, сопровождающийся расширением газов и рабочим ходом поршня 1 от ВМТ к НМТ. Вблизи НМТ открывается электромагнитный клапан 26 и сжатый воздух из ресивера 23 по трубопроводу 25 поступает в сервопривод 10 клапана выпуска 9, что приводит к открытию клапана выпуска 9, дальнейшее удержание которого в открытом положении производится с помощью электромагнита 11, а электромагнитный клапан 26 закрывается и воздух из полости сервопривода 10 быстро сбрасывается в атмосферу через дюзу 27. После открытия клапана выпуска 9 происходит выхлоп и выталкивание отработавших газов через насадку 17 регенератора 8, коллектор выпуска 22 и эжектор 21 в атмосферу, сопровождающиеся передачей тепла от отработавших газов к насадке 17. При подходе поршня 1 к ВМТ электромагнит 11 отключается и клапан выпуска 9 под действием пружины закрывается. Пусковой режим работы двигателя по четырехтактному циклу продолжается до тех пор, пока температура отработавших газов, контролируемая датчиком 41 в выпускном коллекторе, а следовательно и в насадке 17 регенератора 8 не достигнет 450-500°C, после чего двигатель переходит на двухтактный цикл работы.
При переходе на двухтактный цикл работы отключается подача «холодного» воздуха в цилиндр 2 двигателя, проходившие с помощью электромагнитного клапана 33 и по определенному временному алгоритму включаются в работу электромагнитные клапаны 36, 38 и 40.
Работа двигателя по двухтактному циклу происходит следующим образом. При положении поршня 1 в НМТ и открытия клапана выпуска 9 в момент, соответствующий процессу начала выталкивания поршнем 1 из цилиндра 2 отработавших газов, открывается электромагнитный клапан 40 и подключается в работу эжектор 21, который обеспечивает откачку оставшихся после выхлопа отработавших газов из форкамеры 5, части объема цилиндра 2 и регенератора 8. При открытии электромагнитного клапана 40 сжатый воздух из ресивера 23 по трубопроводу 39 поступает в эжектор, обеспечивая небольшое разряжение в процессе выталкивания отработавших газов и подключенного впоследствии процесса продувки. Эжектирование отработавших газов, во-первых, уменьшает работу двигателя, затрачиваемую на проталкивание отработавших газов из цилиндра 2 в атмосферу, а, во-вторых, улучшает условия теплоотдачи от выходящих газов к насадке 17 регенератора 8. На определенном расстоянии поршня от ВМТ открывается электромагнитный клапан 38 и сжатый воздух по трубопроводу 37 поступает в теплообменник 18, где он нагревается до температуры воспламенения топлива и через дюзу 19 проходит в объем форкамеры 5, обеспечивая его продувку и регенератора 8. Такая продувка под небольшим разряжением, создаваемым эжектором 21, обеспечивает качественную очистку от отработавших газов и существенно снижает коэффициент остаточных газов. При приближении поршня 1 к ВМТ отключается электромагнит 11 и клапан выпуска 9, работа которого идентична ранее описанному, закрывается. Одновременно закрывается электромагнитный клапан 40 и прекращается работа эжектора 21. Сразу же после закрытия клапана выпуска 9 происходит впрыск топлива в форкамеру 5 насос-форсункой 6, где пары и капли топлива, встречаясь с потоком воздуха, нагретым в теплообменнике 18 до температуры воспламенения топлива, образуют топливно-воздушную смесь, которая воспламеняется. Одновременно с началом впрыска открывается электромагнитный клапан 36 и сжатый воздух из ресивера 23 по трубопроводу 35 поступает в регенератор 8 и, проходя через насадку 17, нагревается до температуры воспламенения топлива и заполняет камеру сгорания 3, повышая в ней давление до давления, равного сжатию в компрессоре 24. Сразу же после воспламенения топлива в форкамере 5 давление в ней начинает очень быстро расти и топливно-воздушная смесь вместе с горящими газами выдувается в камеру сгорания 3, интенсивно перемешивается с горячим воздухом, поступившим в нее из регенератора 8, и окончательно сгорает в конце второго и начальной фазе первого такта. Подача воздуха в форкамеру 5 и камеру сгорания 3 прекращается при достижении поршнем ВМТ закрытием электромагнитных клапанов 36 и 38. Газы, образующиеся в процессе сгорания, расширяются и совершают работу при движении поршня 1 от ВМТ к НМТ, при достижении которой вновь открывается клапан выпуска 9 и цикл повторяется.
Для безопасной работы клапана выпуска 9 и поршневой пары предусмотрены защитные сетки 15 и 16, а для уменьшения передачи тепла к насадке 17 в процессе сгорания топлива и рабочего хода на нижней решетке 15 установлена термоизоляционная проставка 14.
Предлагаемый способ и конструкция позволяют в зависимости от режима работы оптимизировать процесс качественного смесеобразования и сгорания. Как известно в классическом Дизеле при изменении скоростного или нагрузочного режима работы применяется чисто качественное регулирование. Это позволяет в зависимости от нагрузки подстраивать мощность двигателя только за счет изменения количества топлива, впрыскиваемого за один рабочий цикл, без изменения количества воздуха, участвующего в процессе смесеобразования и сгорания. Указанный способ регулирования максимально адаптирован при отклонении номинальной нагрузки в сторону ее снижения. Однако при малых подачах топлива в режиме «холостого» хода или режиме максимальной нагрузки он становится экономически и экологически неэффективен, что выражается в существенном росте удельного расхода топлива и невозможности получения достаточно полного и бездымного сгорания, что объясняется неоднородностью состава смеси - главной причины неполноты сгорания и малой степени использования теплоты, выделившейся в процессе сгорания.
В предлагаемом техническом решении высококачественная организация и протекание процессов смесеобразования и сгорания на всех режимах дизеля обеспечивается за счет комбинированного способа регулирования, который позволяет варьировать величиной мощности не только изменением количества впрыскиваемого топлива, но и изменением количества воздуха, что позволяет в зависимости от режима работы оптимизировать процессы смесеобразования и сгорания, повысить полноту сгорания и улучшить токсичные показатели дизеля в гораздо большей степени нежели при чисто качественном регулировании. В предлагаемом способе «впрыск» воздуха в форкамеру 5 и камеру сгорания 3 может осуществляться более оптимально по месту, времени и количеству как за счет изменения начала, так и временного интервала подачи воздуха путем регулирования работой электромагнитных клапанов 36 и 38. Кроме того, в предлагаемом способе дизеля исключается элемент «стихийности» в процессе смесеобразования, характерный для классического дизеля и связанный с изменением скоростного режима двигателя, так как в предлагаемом способе работы кинетическая энергия воздушного заряда как одна из составляющих, необходимая для осуществления высококачественного процесса смесеобразования и сгорания топливно-воздушной смеси, не связана с процессом сжатия воздуха в цилиндре 2, ибо в предлагаемом способе кинетическая энергия воздушного заряда имеет стабильное значение, так как является функцией перепада давления в ресивере 23 и форкамере 5, который независимо от скоростного режима двигателя остается практически постоянным.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».
Таким образом, предлагаемый способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность работы двигателя за счет интенсификации смешения воздуха и топлива и организации качественной системы смесеобразования и сгорания, позволяющей увеличить полноту сгорания топлива и уменьшить удельный расход топлива на всех режимах работы двигателя, снизить выбросы токсичных веществ, обеспечить комфортный температурный и силовой режим для клапана выпуска, а также организовать работу сервоприводов клапана и насоса-форсунки без механической привязки к кривошипно-шатунному механизму, что значительно упростит конструкцию двигателя и повысит надежность.