Способ работы двигателя внутреннего сгорания

Способ работы двигателя внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано для снижения механических напряжений, испытываемых их деталями в процессе работы, а также для обеспечения возможности использования в двигателях топлив без специализированных антидетонационных присадок.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий перемешивание топлива и воздуха с формированием топливовоздушной смеси, последующий ее ввод в цилиндр двигателя и затем воспламенение топливовоздушной смеси в присутствии водяной пыли (см. а.с. СССР №1286799, кл. F 02 М 25/02).

Известный способ работы двигателя внутреннего сгорания предусматривает единовременную подачу (на фазе всасывания) в цилиндр двигателя всего объема топлива (предназначенного для “срабатывания” во время одного рабочего цикла), сжатие этой топливно-воздушной смеси и последующее зажигание, что предопределяет все его недостатки: объемное воспламенение, а по существу, единовременный взрыв всей массы топлива; потери во всасывающих патрубках; неравномерная подача в цилиндры из-за разной длины патрубков; ограничение по степени сжатия; необходимость использования антидетонационных присадок в топливо; конденсация топлива на стенках цилиндров; неполное сгорание топлива; необходимость раннего зажигания.

Известен также способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий непосредственный ввод топлива в цилиндр двигателя, создание топливовоздушной смеси и воспламенение последней (см. а.с. СССР №1293367, кл. F 02 М 31/00,1987 г.).

Данный способ базируется на повышении точности увязки во времени процессов впрыскивания топлива и его воспламенения и более полной увязки их с режимом работы двигателя. Однако детали двигателя в процессе работы по-прежнему испытывают значительные механические напряжения в процессе рабочего цикла, имеющие пиковый характер, кроме того, использование топлива без специализированных антидетонационных присадок опасно разрушением двигателя.

Задача на решение которой направлено заявленное решение заключается в снижении механических напряжений, испытываемых деталями двигателя в процессе рабочего цикла, и обеспечении возможности использования топлива без специализированных антидетонационных присадок.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении коэффициента полезного действия, динамических и экологических характеристик двигателей внутреннего сгорания, при использовании в них топлив любого качества (под качеством подразумевается величина октанового или цетанового числа топлива). Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает возможность работы двигателей внутреннего сгорания без детонационных эффектов на любых режимах работы, без применения специальных антидетонационных присадок, при любой степени сжатия в цилиндре (при этом полностью исключается выброс в атмосферу свинца, содержащегося в тетраэтилсвинце, добавляемом в бензины для снижения его детонационных свойств). Кроме того, реализация предлагаемого способа не требует изменения конструкции и схемы двигателей внутреннего сгорания, за исключением изменения гнезда форсунки и свечи зажигания. Кроме того, по сравнению с классическим циклом работы двигателя предлагаемый способ обеспечивает на цикле рабочего хода двигателя внутреннего сгорания (при движении поршня от Верхней Мертвой Точки до Нижней Мертвой Точки) уменьшение более чем в 3 раза перепада среднего избыточного давления. Кроме того, предлагаемый способ позволяет отказаться от четырехтактной системы ДВС и перейти к двухтактной, обеспечивающей удвоение мощности при равных объемах ДВС. Кроме того, предлагаемый способ позволяет использовать одно управляющее устройство для двигателей по циклу Отто и Дизеля при цилиндровой мощности от 0,1 до 250 кВт.

Поставленная задача решается тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий непосредственный ввод топлива в цилиндр двигателя, создание топливовоздушной смеси и воспламенение последней, отличается тем, что на протяжении рабочего хода поршня топливо в цилиндр подают порциями, последовательными во времени, не менее чем двумя, при этом воспламенение порции топливовоздушной смеси синхронизируют с моментом впрыска соответствующей порции топлива. Кроме того, количество топлива в порции обратно пропорционально надпоршневому объему цилиндра в момент подачи порции и прямо пропорционально нагрузке на валу двигателя. Кроме того, первую порцию топлива, впрыскивают в момент начала рабочего хода поршня. Кроме того, используют топливо без антидетонационных присадок. Кроме того, количество топлива в одной порции, подаваемой в период одинакового уровня нагрузки на валу двигателя, принимают из условия поддержания равенства давления газов в цилиндре в моменты воспламенения этих порций на протяжении названного периода. Кроме того, давление газов в цилиндре поддерживают на уровне, меньшем уровня, соответствующего единовременному воспламенению суммарного объема топлива, подаваемого в цилиндр на протяжении одного рабочего хода поршня.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признаки “на протяжении рабочего хода поршня топливо в цилиндр подают порциями, последовательными во времени, не менее чем двумя”, обеспечивают снижение давления в момент воспламенения порции топлива по отношению к давлению, имевшему бы место при единовременном воспламенении суммарного объема топлива, подаваемого в цилиндр на протяжении одного рабочего хода поршня, понятно что это снижение пропорционально числу порций топлива, кроме того, эти же признаки позволяют отказаться от антидетонационных присадок, поскольку происходит уменьшение объема единовременно воспламеняемой порции топлива.

Признаки “воспламенение порции топливовоздушной смеси синхронизируют с моментом впрыска соответствующей порции топлива” обеспечивают устойчивую работу двигателя.

Признаки второго пункта формулы обеспечивают “сглаживание” давления в надпоршневом объеме цилиндра по времени рабочего хода поршня при соответствующей нагрузке двигателя, т.е. уменьшают перепад давлений во время рабочего цикла.

Признаки третьего пункта формулы изобретения позволяют полностью использовать время рабочего хода поршня для впрыска топлива, т.е. увеличить кратность деления объема топлива на порции (увеличить число порций топлива).

Признаки четвертого пункта формулы изобретения позволяют с одновременным использованием признаков первого пункта формулы исключить выброс свинца в окружающую среду.

Признаки пятого и шестого пунктов формулы изобретения исключают резкие скачки уровня механических напряжений и позволяют существенно его ограничить.

На фиг.1 показана функциональная схема комплекта устройств, обеспечивающего реализацию способа; на фиг.2 показана циклограмма работы двигателя внутреннего сгорания на протяжении одного рабочего хода поршня при постоянной нагрузке на валу двигателя.

На чертежах показаны топливный бак 1, топливный насос 2, форсунка 3, свеча зажигания 4, цилиндр 5 двигателя внутреннего сгорания, поршень 6, надпоршневой объем 7, педаль акселератора 8, задающий генератор импульсов 9, усилитель мощности 10, блок зажигания 11, бортовой процессор 12 транспортного средства, топливный факел 13.

Конструкция топливного бака 1 не отличается от известных. В качестве топливного насоса 2 используют электрический топливный насос постоянной подачи (т.е. работающий постоянно). В качестве форсунки 3 используют устройство сходного назначения с электронным управлением, быстродействие которого (число циклов открывания-запирания электромагнитного или пьезоэлектрического клапана в единицу времени) удовлетворяет заданной дискретности объема топлива, подаваемого на протяжении одного рабочего хода поршня. В качестве свечи зажигания 4 используют устройство сходного назначения, быстродействие которого удовлетворяет заданной дискретности объема топлива, подаваемого на протяжении одного рабочего хода поршня. Предлагаемый способ не влечет за собой изменения конструкции двигателя внутреннего сгорания, за исключением изменения гнезда форсунки и свечи зажигания в головке цилиндра 5.

В качестве задающего генератора импульсов 9 используют устройство сходного назначения, обеспечивающее выработку электрического управляющего сигнала (пропорционального положению педали акселератора 8) и его передачу на усилитель мощности 10 (выполненный в виде электрического блока известной конструкции, обеспечивающего усиление и распределение электрического сигнала, поступающего с задающего генератора импульсов 9), рабочие параметры которого удовлетворяют требованиям способа. В качестве блока зажигания 11 используют электронный блок сходного назначения, быстродействие которого удовлетворяет заданной дискретности объема топлива, подаваемого на протяжении одного рабочего хода поршня. Работа форсунки 3, задающего генератора импульсов 9, усилителя мощности 10 и блока зажигания 11 управляется бортовым процессором 12 транспортного средства, конструкция которого соответствует устройствам аналогичного назначения, достаточно давно используемым в зарубежном автомобилестроении. При этом топливный бак 1 через топливный насос 2 гидравлически связан с форсункой 3. Кроме того, задающий генератор импульсов 9 через усилитель мощности 10 электрически связан с исполнительным механизмом электромагнитного или пьезоэлектрического клапана (на чертежах оба не показаны) и блоком зажигания 11.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В начале рабочего хода поршня 6 двигателя (при начале движении поршня 6 от Верхней Мертвой Точки к Нижней Мертвой Точке) производят впрыск первой порции топлива, т.е. формируют топливный факел 13, и синхронно с этим (одновременно) блок зажигания 11 формирует искру, воспламеняющую топливный факел 13. В результате сгорания первой порции топлива в надпоршневом объеме 7 цилиндра 5 двигателя создается давление, обеспечивающее поддержание рабочего хода поршня, через интервал времени, задаваемый бортовым процессором 12 транспортного средства, операции впрыска и воспламенения топлива повторяются и так далее, многократно до подхода поршня 6 к Нижней Мертвой Точке (и завершения рабочего хода поршня).

В принципе, процесс воспламенения топлива достаточно инициировать один раз при воспламенении первой порции топлива, а каждая последующая порция самовоспламеняется при взаимодействии с раскаленными продуктами сгорания предыдущих порций топлива. Во время работы двигателя внутреннего сгорания по предлагаемому способу за один рабочий ход поршня (при одинаковой нагрузке на валу двигателя) расходуется такое же количество топлива, как и при работе по известным способам, но это количество топлива “разбивается” на несколько порций. Причем при цилиндровой мощности двигателя от 25 до 250 кВт число впрысков топлива на протяжении рабочего хода составит не более 1000. Средний объем 1 порции впрыска топлива при КПД двигателя, равном 40%, составит: от 0,1 до 10-15 мм³. Количество топлива в порции обратно пропорционально надпоршневому объему цилиндра в момент подачи порции и прямо пропорционально нагрузке на валу двигателя, причем количество топлива в одной порции, подаваемой в период одинакового уровня нагрузки на валу двигателя, принимают из условия поддержания равенства давления газов в цилиндре в моменты воспламенения этих порций на протяжении названного периода (например, если нагрузка на валу двигателя остается постоянной на всем протяжении рабочего хода поршня, то давление газов в цилиндре в моменты воспламенения подаваемых порций топлива поддерживают одинаковым, но если уровень нагрузки на валу двигателя растет, то, соответственно, растет и объем порций (и растет давление в надпоршневом пространстве цилиндра двигателя). Понятно, что при изменении нагрузки на валу двигателя уровень “рабочего” давления варьирует в определенных пределах, причем максимальный уровень этого давления поддерживают меньше, чем уровень давления, который мог иметь место при единовременном воспламенении суммарного объема топлива всех порций, подаваемых в цилиндр на протяжении одного рабочего хода поршня (который, особенно, если использовать топливо без антидетонационных присадок, способен разрушить двигатель): например (условно), если опасный уровень давления - 100 атм, то максимальный допустимый уровень рабочего давления должен быть меньше названного на величину, гарантирующую безаварийную работу двигателя, например 50 20 или 10 атм.

Циклограмма работы двигателя внутреннего сгорания на протяжении одного рабочего хода поршня (см.фиг.2) показывает, что имеет место изменение объема порции топлива в начале рабочего хода, в середине его и конце, что определяется необходимостью поддержания постоянного крутящего момента на валу двигателя при преобразовании поступательного движения поршня во вращательное движение вала.

Таким образом, за счет дискретности процессов подачи и зажигания топлива (т.е. разделения всей массы топлива, необходимого для реализации рабочего цикла двигателя на некоторое число порций и последовательного зажигания каждой из порций) заявленный способ позволяет исключить общую детонацию топлива и растянуть процесс его горения во времени и тем самым исключить динамические перегрузки силовых узлов двигателя, возникающие при этом.

Последовательное воспламенение каждой из порций топлива позволяет без опережения зажигания в течение всей фазы рабочего хода, вплоть до Нижней Мертвой Точки, поддерживать режим постоянного давления в надпоршневом объеме цилиндра, в свою очередь это сразу же позволяет увеличить среднее рабочее давление за цикл и тем самым увеличить крутящий момент на валу двигателя, увеличить мощности двигателя и обеспечивает возможность применения в качестве топлив абсолютно чистых бензинов с очень низким октановым числом (т.е. использовать бензин без антидетонационных присадок).

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий непосредственный ввод топлива в цилиндр двигателя, создание топливовоздушной смеси и воспламенение последней, отличающийся тем, что на протяжении рабочего хода поршня топливо в цилиндр подают порциями, последовательными во времени, не менее чем двумя, при этом воспламенение порции топливовоздушной смеси синхронизируют с моментом впрыска соответствующей порции топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество топлива в порции обратно пропорционально надпоршневому объёму цилиндра в момент подачи порции и прямо пропорционально нагрузке на валу двигателя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую порцию топлива впрыскивают в момент начала рабочего хода поршня.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют топливо без антидетонационных присадок.

5. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что количество топлива в одной порции, подаваемой в период одинакового уровня нагрузки на валу двигателя, принимают из условия поддержания равенства давления газов в цилиндре в моменты воспламенения этих порций на протяжении названного периода.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление газов в цилиндре поддерживают на уровне, меньшем уровня, соответствующего единовременному воспламенению суммарного объёма топлива, подаваемого в цилиндр на протяжении одного рабочего хода поршня.