Способ работы многоцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ основан на подаче топливовоздушной смеси с α<1 в первый цилиндр, воспламенении ее в цилиндре, последовательной подаче продуктов неполного сгорания с добавлением воздуха в остальные цилиндры и воспламенении смеси в них, причем в последний цилиндр подают смесь с α>1, а воспламенение осуществляют как от сжатия, так и принудительное, при этом воспламенение от сжатия осуществляют только в первом цилиндре при α = 0,3-0,4. 3 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к способу работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, и может быть использовано в автомобильной промышленности одновременно с другими способами, увеличивающими КПД двигателя.

Известен способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания [1] заключающийся в сжигании топлива в одном цилиндре по так называемому "смешанному" циклу.

Недостатком этого способа является низкая степень сжатия, что снижает КПД. Кроме того, коэффициент избытка окислителя α<1 в процессе сжигания топлива и высокая температура процесса создают условия для образования окислов азота.

Известен способ работы многоцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания [2] принятый за прототип, путем сжигания топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха α<1 в первом цилиндре и с получением продуктов неполного сгорания, с последовательным перепуском последних в остальные цилиндры с добавлением воздуха в каждый цилиндр и с принудительным воспламенением топливоздушной смеси с увеличением коэффициента избытка воздуха в остальных цилиндрах.

Недостатком известного [2] способа работы поршневого двигателя внутреннего сгорания является недостаточно высокий КПД и высокая токсичность продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Задача изобретения решается тем, что в предлагаемом способе работы многопоршневого двигателя внутреннего сгорания, основанном на подаче топливо-воздушной смеси с α<1 в первый цилиндр, воспламенения ее в цилиндре, последовательной подаче продуктов неполного сгорания с добавлением воздуха в остальные цилиндры и воспламенением смеси в них, причем в последний цилиндр подают смесь с α>1 , а воспламенение осуществляют как от сжатия, так и принудительное, воспламенение от сжатия осуществляют только в первом цилиндре при α= 0,3÷0,4.

Предлагаемый способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания позволяет увеличить термической КПД (η_t) его на 3-4% абсолютных при сжатии топлива в первом цилиндре при воспламенении от сжатия, а в последующих при принудительном воспламенении и одинаковой степени сжатия во всех цилиндрах, равной 18, по сравнению с двигателем дизеля при той же степени сжатия. При этом возможно использование тяжелого топлива. Величина α 0,3-0,4 выбрана из условия отсутствия выпадения сажи для тяжелых фракций углеводородного топлива при температура горения более 1000 К. В последующих цилиндрах топливная смесь забалансирована продуктами неполного сгорания, содержащими CO₂, N₂, CO, H₂O, поступающими вместе с несгоревшим углеродом. Эта смесь также при высоких степенях сжатия и коэффициентах избытка окислителя a≥1 не самовоспламеняется [3] и нуждается в принудительном воспламенении. Величина α≥1 в последнем цилиндре выбрана из условия полного сгорания топлива для снижения выбросов продуктов неполного сгорания. Число последовательно соединенных цилиндров зависит от конструктивного оформления двигателя.

На фиг. 1 изображена зависимость процентного содержания углерода в твердой фазе (X_c,) в продуктах неполного сгорания топлива от температуры в камере сгорания (Т, К) при различных коэффициентах избытка воздуха ((α)), а также зависимости для тяжелых фракций углеводородных топлив и для бензина; на фиг. 2 схема устройства двигателя при воспламенения от сжатия в первом цилиндре и принудительном воспламенении в последующих, последовательно соединенных цилиндрах; на фиг. 3 схема устройства двигателя при воспламенении от сжатия в первом цилиндре и принудительном воспламенении в последующих, параллельно соединенных цилиндрах.

Начальное значение коэффициента избытка окислителя α = 0,3÷0,4 в первом цилиндре выбирается из условия отсутствия выпадения сажи при температурах сгорания более 1000 К. На фиг. 1 видно, что для тяжелых фракций углеводородных топлив при этом значении α и температуре 1000 К полностью отсутствует выделение сажи. Однако стенки цилиндра могут иметь температуры существенно ниже 1000 К, при этом будет выделяться сажа, чтобы избежать этого желательно цилиндр выполнять из материалов (керамики), стенки которого из-за отсутствия охлаждения будут иметь температуру, существенно превышающую 1000 К.

Пример 1. На фиг. 2 изображена схема устройства двигателя при воспламенении от сжатия в первом цилиндре и с принудительным воспламенением в последующих, последовательно соединенных цилиндрах.

Схема на фиг. 2 содержит воздухоочиститель 1, соединенный воздухопроводом 2 через выпускной клапан 3 с цилиндром 4 и через смесители 5 и 6 и смесепровод 7 через впускной клапан 8 с цилиндром 9, а через смесепровод 10 через выпускной клапан 11 с цилиндром 12; топливопровод 13, соединенный через форсунку 14 с цилиндром 4; цилиндр 4 через выпускной клапан 15 и газопровод 16, соединенный со смесителем 6 и цилиндр 9 через выпускной клапан 17 и газопровод 18, соединенный со смесителем 6, цилиндр 12 через выпускной клапан 19 и трубопровод продуктов сгорания 20, соединенный с очистителем продуктов сгорания 21 и сбросом в атмосферу; цилиндры 4, 9 и 12 содержат свободно перемещаемые поршни 22, 23 и 24 со специальным механизмом штоками 25, 26 и 27 соответственно, передающими усилия от поршней потребителю. В цилиндры 9 и 12 введены запальные устройства 28 и 29 соответственно.

Способ осуществляют по схеме фиг.2 следующим образом.

Открывают клапан 3 (при закрытом клапане 15) и штоком 25 перемещают поршень 22 в нижнее положение, вводя через воздухопроводы 2 воздухоочиститель 1 воздух в цилиндр 4. Объем цилиндра подобран таким образом, что количество воздуха, заключенное в этом объеме при нижнем положении поршня 22, соответствует a = 0,3÷0,4 при впрыске топлива в цилиндр 4.

Затем закрывают клапан 3. Поршень 22 штоком 25 перемещают в верхнее положение и впрыскивают топливо в цилиндр 4 через топливопровод 13 и форсунку 14. Топливо самовоспламеняется от нагретого при сжатии воздуха и происходит неполное его окисление при α = 0,3÷0,4.. Газообразные продукты реакции перемещают поршень 22 в нижнее положение, передавая усилие через шток 25 потребителю. Далее открывают клапан 15 и штоком 25 перемещают поршень 22 в верхнее положение и вводят продукты через газопровод в смеситель 5. Одновременно открывают клапан 8 и перемещают штоком 26 поршень 23 в нижнее положение и вводят через смеситель 5 воздух из воздухопровода 2. В смесителе 6 образуется горючая смесь из продуктов неполного сгорания, которая через открытый клапан 8 (при закрытом клапане 17) при нижнем положении поршня 23 заполняет объем цилиндра 9. Объем цилиндра 9 подобран таким образом, что количество воздуха, заключенное в этом объеме при нижнем положении поршня 23, соответствует α 0,7. Затем клапан 8 закрывают, перемещают поршень 23 штоком 26 в верхнее положение и поджигают горючую смесь запальным устройством 28. Газообразные продукты реакции перемещают поршень 23 в нижнее положение, передавая усилие через шток 26 потребителю. Далее открывают клапан 17 и штоком 26 перемещают поршень 23 в верхнее положение, вводя продукты неполного сгорания через газопровод 18 в смеситель 6. Одновременно открывают клапан 11 и перемещают штоком 27 поршень 24 в нижнее положение и вводят в смеситель 6 воздух из воздухопровода 2. В смесителе 6 образуется горючая смесь из продуктов неполного сгорания и воздуха, которая через открытый клапан 11 (при закрытом клапане 19) при нижнем положении поршня 24 заполняет объем цилиндра 12. Объем цилиндра 12 подобран таким образом, что количество воздуха, заключенное в этом объеме при нижнем положении поршня 24 соответствует a≥1. Затем клапан 11 закрывают, перемещают штоком 27 поршень 24 в верхнее положение и поджигают горючую смесь запальным устройством 29. Газообразные продукты реакции перемещают поршень 24 в нижнее положение, передавая усилие через шток 27 потребителю. Далее открывают клапан 19, штоком 27 перемещают поршень 24 в верхнее положение и выводят продукты сгорания через трубопровод 20 и очиститель 21 в атмосферу.

Описанный порядок работы периодически повторяют.

Пример 2. На фиг. 3 изображена схема устройства двигателя при воспламенении от сжатия в первом цилиндре и принудительном воспламенении в последующих, параллельно соединенных цилиндрах.

Схема на фиг.3 содержит воздухоочиститель 1, соединенный воздухопроводами 2 через впускной клапан 3 с цилиндрами 4 и через смесители 5 и 6 в смесепроводы 7 и 8 через впускные клапаны 9 и 10 с цилиндрами 11 и 12, соответственно топливопровод 13 соединен через форсунку 14 с цилиндром 4, цилиндр 4 через впускной клапан 16 соединен со смесителями 5 и 6 трубопроводами 16 и 17, цилиндры 11 и 12 через впускные клапаны 18 и 19 соединены с трубопроводом продуктов сгорания 20, который соединен с очистителем продуктов сгорания 21 и сбросом в атмосферу, цилиндры 4, 11 и 12 содержат свободно перемещаемые поршни 22, 23 и 24 со специальными механизмом - штоками 25, 26 и 27 соответственно, передающими усилия от поршня потребителю. В цилиндры 11 и 12 введены запальные устройства 28 и 29 соответственно. Газообразные продукты реакции перемещают поршни 23 и 24 в нижнее положение, передавая усилие через штоки 26 и 27 потребителю. Далее открывают клапаны 18 и 19 штоками 26 и 27, перемещают поршни 23 и 24 в верхнее положении и выводят продукты сгорания через трубопровод 20 и очиститель в атмосферу.

Описанный порядок работы периодически повторяют. 2 Источники информации 1. М. В. Вукалович, И.И.Новиков. Техническая термодинамика. М. Энергия, 1968, с. 386-389.

2. Патент США N 3896774, МКИ 02 В 75/20, опубл. 1975.

3. Г. Ф. Кнорре, К.М.Арефьев, А.Г.Блих, Е.А.Нахапетян, И.И.Палеев, В.Б. Штейнберг. Теория поточных процессов. М.-Л. Энергия, 1966, с. 491.

Формула изобретения

Способ работы многоцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания, основанный на подаче топливовоздушной смеси cd<1 в первый цилиндр, воспламенении ее в цилиндре, последовательной подаче продуктов неполного сгорания с добавлением воздуха в остальные цилиндры и воспламенении смеси в них, причем в последний цилиндр подают смесь cd>1, а воспламенение осуществляют как от сжатия, так и принудительное, отличающийся тем, что воспламенение от сжатия осуществляют только в первом цилиндре при d 0.3 - 0,4.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3