СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF OPERATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам организации рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива и воспламенением от сжатия.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2164300 С2, кл. F02B 03/12), включающий двухфазную подачу топлива, при которой количество топлива первой фазы достаточно для воспламенения топлива второй фазы, осуществляемой при рабочем ходе поршня, при этом ввод второй порции топлива обеспечивает максимальную скорость горения с момента, соответствующего 10-15° поворота коленчатого вала за верхнюю мертвую точку, а завершается процесс сгорания не позднее 40-50° поворота коленчатого вала за верхнюю мертвую точку в зависимости от цикловой подачи топлива. Способ работы направлен на снижение вредных выбросов с отработавшими газами без ухудшения расхода топлива. Данный способ по технической сущности является наиболее близким к заявленному способу работы.
Способ-прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что с повышением нагрузки (цикловой подачи топлива) увеличивается количество тепла от сгорания топлива в первой фазе, то есть на линии сжатия до прихода поршня в верхнюю мертвую точку, что увеличивает отрицательную работу газов и снижает эффективность работы двигателя.
Экспериментальные исследования показывают, что количество выбросов оксидов азота зависит от величин средней и локальных температур, являющихся следствием термохимических реакций в фазе рабочего процесса. Чем выше эти температуры, тем больше количество образуемых оксидов азота. Способы снижения средних и локальных температур известны, однако установлено, что наибольший эффект можно реализовать путем организации смесеобразования и сгорания в фазе, при которой максимальная скорость тепловыделения соответствует максимальной скорости увеличения объема цилиндра на такте рабочего хода, которая, в свою очередь, зависит лишь от углового расположения шатуна и кривошипа и остается практически постоянной в диапазоне 22-25° поворота коленчатого вала за ВМТ.
Что же касается фазы тепловыделения, то она зависит от многих факторов и, главным образом, от параметров топливоподачи.
Целью настоящего изобретения является максимальное снижение выбросов оксидов азота при заданном расходе топлива за счет более эффективного снижения скорости нарастания давления при сгорании посредством совмещения фазы максимальной скорости тепловыделения с моментом достижения максимальной скорости отвода тепла от газов.
Поставленная цель достигается путем корректировки угла начала впрыска топлива, которая в сочетании с цикловой подачей обеспечивает начало горения при рабочем ходе поршня, а достижение максимальной скорости тепловыделения обеспечивается в фазе 22-25° поворота коленчатого вала за верхнюю мертвую точку, соответствующей по фазе положению максимума относительной скорости увеличения объема цилиндра, когда происходит быстрый отвод тепла от газов. При таких условиях процесс сгорания, преимущественно в диффузионной фазе, смещается на линию расширения, а максимум скорости тепловыделения будет приходиться на фазу быстрого расширения объема цилиндра. Благодаря быстрому отводу части тепла (внутренней энергии) от газов максимальные температуры в цилиндре будут снижены. При этом снижение максимального давления сгорания компенсируют повышением геометрической степени сжатия. Такое протекание процесса сгорания повышает эффективность работы и обеспечивает минимальный выброс оксидов азота.
В соответствии с предлагаемым способом применяют один основной или многоразовый интенсивный впрыск топлива с целью сокращения длительности сгорания. Интенсификация впрыска, например, за счет увеличения давления впрыска приводит к снижению расхода топлива и эмиссии продуктов неполного сгорания, таких как оксид углерода СО и сажа.
Скорость нарастания давления и максимальная температура газов снижаются в результате активного отвода теплоты от газов. Малый расход топлива и высокий к.п.д. обеспечиваются при скоростях тепловыделения, достаточных для малой продолжительности сгорания и оптимально согласованных с ходом поршня. Максимальная скорость тепловыделения должна наступать через 22-25° угла поворота коленчатого вала после ВМТ, в момент максимального изменения объема цилиндра. Если большая часть теплоты высвобождается слишком рано, возрастают потери теплоты в стенки камеры сгорания. Позднее выделение теплоты приводит к ухудшению термического к.п.д., высоким температурам отработавших газов и выбросу продуктов неполного сгорания топлива.
Фиг. 1 - примеры графиков изменения скорости нарастания давления в цилиндре двигателя dΡ/dα (МПа/°п.к.в.) в зависимости от угла поворота коленчатого вала α (°п.к.в.).
Фиг. 2а - примеры графиков относительной скорости изменения объема цилиндра (dV/dα)/V (1/°п.к.в.) в зависимости от угла поворота коленчатого вала и геометрической степени сжатия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Фиг. 2б - примеры графиков относительной скорости изменения объема цилиндра (dV/dα)/V в зависимости от угла поворота коленчатого вала на участке рабочего хода поршня.
Область работы двигателя в смысле настоящего изобретения включает диапазон нагрузок 35-100% от полной мощности.
На фиг. 1 приведены графики изменения скорости нарастания давления газа в цилиндре двигателя Д49 (12ЧН26/26) на режиме полной мощности (Ре=1470 кВт, n=750 об/мин) при двух значениях угла начала впрыска топлива. Штриховой линией показан график скорости нарастания давления при угле начала впрыска 15° п.к.в. до ВМТ. Сплошной линией показан график скорости нарастания давления при угле начала впрыска 5° п.к.в. до ВМТ. Как видно на графиках, в первом случае (штриховая линия) начало горения сопровождается резким скачком нарастания давления в фазе около 10° п.к.в. до ВМТ, позиция 1. Поздний впрыск топлива, обеспечивающий начало горения в фазе 0° п.к.в. (ВМТ), приводит к значительному снижению скорости нарастания давления, позиция 2. В диапазоне углов 22-25° п.к.в. после ВМТ наблюдается минимум скорости нарастания давления, позиция 3, что свидетельствует о потере внутренней энергии газов при быстром расширении объема.
На фиг. 2а приведены графики скорости изменения объема цилиндра dV/dα, отнесенной к полному объему цилиндра V в данный момент времени (по углу поворота коленчатого вала). Функция изменения объема цилиндра определяется зависимостью
к
κ
(dV/dα)/V=(π/360)(γ/(1/(ε-1)+σ/2)),
к
к
к
к
2
где γ, σ - кинематические функции скорости и перемещения поршня, для двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом γ=sin(α)(1+λcos(α)), σ=1-cos(α)+0,5λsin(α); α - угол поворота коленчатого вала, отсчитываемый в направлении его вращения от положения кривошипа, при котором поршень находится в ВМТ;
λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; ε - степень сжатия двигателя. Функция (dV/dα)/V, как следует из приведенной выше зависимости, связана только с конструктивными параметрами двигателя (λ, ε). Численные расчеты показали, что величина λ в пределах ее реальных значений 0,2-0,32 оказывает незначительное влияние на функцию (dV/dα)/V. При этом отклонение углового положения экстремальных значений функции не более ±0,5° п.к.в. Существенное влияние на функцию изменения объема оказывает степень сжатия двигателя. На графике сплошной линией показано изменение функции для двигателя со степенью сжатия ε=15:1, позиция 4. Штриховой линией показан график для предельного значения степени сжатия ε=20:1, позиция 5.
На фиг. 2б приведены графики относительной скорости изменения объема цилиндра дизеля типа Д49 (ЧН26/26) в зависимости от угла поворота коленчатого вала и степени сжатия. Положение максимума функции изменения объема цилиндра (dV/dα)/V находится в диапазоне углов 22-25° п.к.в. после ВМТ (позиции 6 и 7 соответственно), в частности в диапазоне 22-25° п.к.в. после ВМТ для двигателя Д49 в зависимости от степени сжатия. Испарение и выгорание топлива ускоряется за счет турбулизации заряда в пристеночных зонах, вызванной движением поршня. Интенсивность этой турбулентности зависит от относительной скорости изменения объема цилиндра (dV/dα)/V (см. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков, Изд-во «Вища школа». 1980). Согласно изобретению фаза максимальной скорости тепловыделения должна обеспечиваться в диапазоне углов, соответствующем положению максимума приведенной выше функции изменения объема цилиндра.