Способ работы двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в способах работы двигателей внутреннего сгорания со впрыском воды непосредственно в цилиндры. Сущность изобретения: вода в цилиндры впрыскивается на всех режимах, в том числе и на пусковом. Количество воды определяется в соответствии с зависимостью G_в = n · к · G_т, при этом n = Q_т /i_п - i_в, где Q_т - теплота сгорания топлива, G_т - расход топлива, K - коэффициент, характеризующий долю тепла, уходящего в систему охлаждения 0,16 - 0,36, i_в - энтальпия воды, соответствующая температуре впрыска, i_п - энтальпия пара, соответствующая температуре отработавших газов. Цель изобретения - повышение эффективности работы двигателя и его надежности.

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания, использующим в рабочем цикле воду.

Известен способ работы ДВС, по которому повышение эффективности обеспечивается путем выравнивания мощностей рабочих циклов при их осуществлении на топливе и воде. Недостатком данного способа работы двигателя является то, что выравнивание мощностей рабочих циклов осуществляется за счет снижения общей мощности дизеля, что в целом приводит к недоиспользованию его возможностей и направлено в основном на сохранение надежной работы цилиндропоршневой группы. Кроме того, способ затрагивает только рабочие режимы двигателя, т. е. когда температура поверхности камеры сгорания достигает 250-300^оС, что существенно сужает возможности использования способа для ряда дизелей.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впрыскивания в камеру сгорания топлива и воды, в котором снижение теплонапряженности деталей и улучшение пусковых свойств достигается впрыскиванием воды, количество которой устанавливают по приведенной зависимости. Указанный способ работы, выбранный в качестве прототипа, содержит ряд недостатков. Во-первых, способ применим только к двигателям, снабженным системами наддува и не распространяется на безнаддувные модификации. Во-вторых, приведенная зависимость, устанавливающая количество впрыскиваемой воды, предполагает постоянное отслеживание ряда параметров, что требует надежной системы регулировки, в целом усложняющую силовую установку. В-третьих, впрыскивание воды осуществляется за 30^о угла поворота коленчатого вала до ВМТ, что налагает определенные ограничения, не позволяя в полной мере более эффективно использовать возможности парогазовой смеси. Кроме того, возможность впрыскивания воды на частичных режимах ограничена как давлением наддува, так и максимальным давлением сгорания, что также снижает возможности повышения эффективности двигателя путем впрыскивания топлива и воды.

Предлагаемый способ состоит в том, что в отличие от известного способа работы двигателя путем впрыскивания в камеру сгорания топлива и воды воду впрыскивают на всех режимах работы двигателя, а ее количество устанавливают в соответствии со следующей зависимостью: G_в=n ˙ K ˙ G_т, при этом n где Q_т теплота сгорания топлива; G_т расход топлива; К коэффициент, характеризующий долю тепла, уходящего в систему охлаждения, 0,16 0,36; i_в энтальпия воды, соответствующая температуре впрыска; i_п энтальпия пара, соответствующая температуре отработавших газов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что многочисленные известные способы и устройства, предполагающие впрыскивание воды в камеру сгорания двигателя, направлены в основном на повышение эффективности двигателя и достигаются оптимизацией парогазотопливной обстановки в камере сгорания, т. е. обеспечения макро- и микросмесеобразования, результатом чего является снижение токсичности, теплонапряженности, жесткой работы двигателя и пр. Вместе с тем впрыскивание воды в камеру сгорания, кроме проявления указанных эффектов, позволяет по иному организовать тепловые потоки в двигателе, т.е. изменить тепловой баланс двигателя в сторону повышения его эффективности. Действительно, впрыскивание воды при соответствующем смешении ее паровой фазы с топливом существенно повышает эффективность дизеля, однако количество подаваемой воды ограничивается изменением потоков теплонапряженности в сторону переохлаждения деталей двигателя. Такое положение наблюдается как у двигателей с водяным охлаждением, где отбор тепла происходит как в систему охлаждения, так и впрыскиваемой на стенки камеры сгорания водой. Очевидно, что впрыскивание воды в цилиндр двигателя в больших (в сравнении с известными способами) количествах в соответствии с предлагаемой зависимостью позволяет в двигателях с водяным охлаждением отказаться от водяной системы, поскольку отвод тепла от стенок цилиндра будет осуществляться непосредственно водой, паровая фаза которой будет в дальнейшем способствовать большему проявлению эффектов (снижение токсичности, теплонапряженности и пр), достигаемых в известных способах с использованием в рабочем цикле воду.

К преимуществам предлагаемого способа относится и то, что использование воды, количество которой определяется зависимостью G_в=n ˙ k ˙ G_т, приемлемо для всех режимов работы двигателя, в том числе и для пускового режима, где отсутствие системы водяного охлаждения, с одной стороны, и впрыскивание в камеру сгорания вместе с топливом, например подогретого заряда воды, с другой стороны, существенно облегчает запуск двигателя. Немаловажно и то, что количество впрыскиваемой в камеру сгорания воды в соответствии с предлагаемой зависимостью пропорционально подаваемой дозе топлива и не требует специальных систем регулирования.

Наконец, внутреннее охлаждение двигателя будет эффективнее наружного (с водяной системой), поскольку отбор тепла происходит непосредственно на поверхности охлаждаемых деталей без существующего градиента температур между охлаждающей жидкостью и охлаждаемыми деталями цилиндропоршневой группы. При этом использование способа позволяет широко применять регенерацию тепла отработавших газов путем подогрева ими впрыскиваемой воды, тем самым дополнительно снижая температуру уходящих газов.

Работа двигателя по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Вода в камеру сгорания двигателя впрыскивается до или одновременно с подачей топливной дозы, при этом количество подаваемой воды устанавливается в соответствии с зависимостью G_в=n ˙ K ˙ G_т, при этом n где Q_т теплота сгорания топлива; G_т расход топлива; K коэффициент, характеризующий долю тепла, уходящего в систему охлаждения; i_в энтальпия воды, соответствующая температуре впрыска;
i_п энтальпия пара, соответствующая температуре отработавших газов.

Впрыснутая в цилиндр двигателя вода при сгорании топлива испаряется, охлаждая стенки камеры сгорания. Пар перемешивается с продуктами сгорания топлива и совершает механическую работу расширения. В этом случае имеют место эффекты при использовании воды: антидетонационные свойства позволяют повысить степень сжатия без увеличения октанового числа, снижается токсичность газов, теплонапряженность деталей и пр. Новое свойство, которое проявляется в этом случае, состоит в том, что функцию охлаждения цилиндропоршневой группы выполняет впрыскиваемая в камеру сгорания вода, т.е. отводимое ранее тепло двигателя в систему водяного охлаждения в количестве 0,16 0,36 от общего сгорания тепла топлива не уносится из двигателя, а участвует в совершении полезной работы, повышая тем самым КПД двигателя
Эффективность предлагаемого технического решения подтверждается проведенными для двух конкретных типов двигателей расчетов теплового баланса.

1. Двигатель дизельный, мощность 300 кВт, 8 цилиндров, максимальное давление сгорания 11,52 МН/м², температура 2140^оК, α=1,55 (табл. 1).

Из расчета следует, что при совместном впрыскивании топлива и воды в отношении 56: 44 доля теплоты, эквивалентной эффективной работе, возрастает на 12% (с 39,46% до 52,5%).

2. Двигатель карбюраторный, мощность 55,2 кВт, 4 цилиндра, максимальное давление сгорания 6,41 МНм/м² и температура 2733^оК, α=0,9, ε=9 (табл. 2).

И в данном случае впрыскивание воды увеличивает долю теплоты, эквивалентную эффективной работе, что позволяет говорить о повышении КПД двигателя.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет не только достичь эффектов, имеющих место в известных способах и устройствах, но путем перехода с внешнего на внутренний отбор тепла от стенок камеры сгорания повысить эффективную работу двигателя с одновременным снижением массогабаритных параметров, что может способствовать созданию значительного эффекта в народном хозяйстве.

Формула изобретения

СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем впрыскивания в камеру сгорания топлива и воды на максимальных, номинальных и частичных режимах, отличающийся тем, что воду впрыскивают дополнительно на пусковом режиме работы двигателя и определяют ее количество G_в для всех режимов работы в соответствии с зависимостью
G_в= n × K × G_т,
при этом

где Θ_т - теплота сгорания топлива;
G_т - расход топлива;
K = 0,16 - 0,36 - коэффициент, характеризующий долю тепла, уходящего в систему охлаждения;
i_в - энтальпия воды, соответствующая температуре впрыска;
i_п - энтальпия пара, соответствующая температуре отработавших газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2