Способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и двигатель

 

Использование: в машиностроении, в частности в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) типа "дизель" преимущественно. Сущность изобретения заключается в том, что смесеобразование производится в течение тактов впуска и сжатия в объеме дополнительного цилиндра при низких значениях коэффициента избытка воздуха с последующим вытеснением топливно-воздушной смеси в камеру сгорания основного цилиндра с находящимся в нем сжатым воздухом. Благодаря этому значительно увеличивается продолжительность процесса смесеобразования (300-320^o по углу поворота кривошипа), а работа двигателя может осуществляться при пониженном значении коэффициента избытка воздуха на режимах полной нагрузки (0,9 - 1) и до 2,5 на режимах частичных нагрузок. Изобретение позволяет качественно улучшить процессы смесеобразования и сгорания, а также повысить литровую мощность ДВС с воспламенением от сжатия. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) типа "дизель" преимущественно.

Известен ДВС с воспламенением от сжатия, работающий по циклу Дизеля. В этом двигателе воздух сжимается в цилиндре до температуры, достаточной для воспламенения впрыскиваемого в конце сжатия в цилиндр под высоким давлением топлива. Смесеобразование происходит внутри цилиндра в течение периода впрыска топлива и продолжается после его воспламенения. Процесс сгорания сначала сопровождается повышением давления, а затем в течение небольшого промежутка времени протекает при постоянном давлении. Малый промежуток времени, отводимый на смесеобразование, ухудшает процессы смесеобразования и сгорания, несмотря на то, что в цилиндре поддерживают повышенное значение коэффициента избытка воздуха (1.2 1.8 на режиме полной нагрузки), что является основным недостатком двигателей, работающих по циклу Дизеля. Вследствие этого в двигателях типа "дизель" имеет место неполное сгорание топлива, снижающее его экономичность и обуславливающее токсичность выхлопа (по содержанию сажи), кроме того, эти двигатели обладают более низкой литровой мощностью, чем ДВС с принудительным воспламенением смеси.

Наиболее близок к предложенному способу способ работы ДВС с принудительным воспламенением смеси, согласно которому двигатель содержит не менее одной пары одноразмерных цилиндров с поршнями, кинематически связанными между собой (например, двигатель по авт. свид. N 1116196, кл. F 02 B 17/00, 1982). В этом двигателе цилиндры в каждой паре имеют камеры сгорания разного объема, причем в цилиндре 1 с камерой сгорания меньшего объема и большей степенью сжатия сжимается смесь от обогащенного состава на режиме полной нагрузки, до чистого воздуха на режиме холостого хода, а в цилиндре 2 с камерой сгорания большего объема и меньшей степенью сжатия сжимается смесь постоянно обогащенного состава. В процессе сжатия заряд рабочей смеси из цилиндра 1 через тангенциальный соединительный канал вытесняется в цилиндр 2, турбулизируя заряд в этом цилиндре. После воспламенения электрической искрой заряда в цилиндре 2 факел горящей смеси, двигаясь к цилиндру 1, воспламеняет находящуюся там смесь обедненного состава. В результате процесс сгорания осуществляется при общем коэффициенте избытка воздуха от 0,8 на режиме полной нагрузки, до 2 2,5 на режимах частичных нагрузок.

Однако описанный способ работы не пригоден для ДВС с воспламенением от сжатия.

Задача изобретения качественно улучшить процессы смесеобразования и сгорания, а также повысить литровую мощность ДВС с воспламенением от сжатия.

Задача решается тем, что смесеобразование производится в течение тактов впуска и сжатия в объеме дополнительного цилиндра при низких значениях коэффициента избытка воздуха, с последующим турбулентным вытеснением топливо-воздушной смеси в камеру сгорания основного цилиндра с находящимся в нем сжатым воздухом.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема двигателя, содержащая впускной и выпускной клапаны 1, поршень основного цилиндра 2, кривошип поршня основного цилиндра 3, кривошип поршня дополнительного цилиндра 4, поршень дополнительного цилиндра 5, топливную форсунку 6; на фиг. 2 соединительный канал "a"; на фиг. 3 круговая диаграмма цикла, где обозначено: I впуск, II сжатие, III подготовка смеси к воспламенению, IV период активного горения, V подача топлива, VI расширение, VII выпуск.

На графическом изображении представлена принципиальная схема двигателя и круговая диаграмма цикла, показывающая последовательность рабочих процессов с приблизительной их продолжительностью в градусах поворота кривошипа поршня основного цилиндра. Двигатель содержит основной цилиндр с поршнем 2 и дополнительный цилиндр с поршнем 5. Рабочий объем дополнительного цилиндра составляет 1/6 1/7 рабочего объема основного цилиндра. Оба цилиндра сообщены между собой тангенциальным каналом "a". Основной цилиндр имеет впускной и выпускной клапаны 1, а в дополнительном цилиндре устанавливается топливная форсунка 6. Поршни 2 и 5 через кривошипные валы 3 и 4 кинематически связываются между собой таким образом, что поршень 5 дополнительного цилиндра отстает от поршня 2 основного цилиндра на 13 15^o по углу поворота кривошипа. Этот угол совместно с расчетными величинами степени сжатия в основном и дополнительных цилиндрах должен обеспечивать равновесное состояние газа в цилиндрах (без протекания его из одного цилиндра в другой) при нахождении поршня 2 основного цилиндра 2 во время такта сжатия вблизи верхней мертвой точки (0 5^o до МВТ). В связи с этим величина степени сжатия в основном цилиндре находится в пределах 14 16, а дополнительного цилиндра - 18 24. Соответственно, высота камеры сгорания дополнительного цилиндра меньше, чем основного. Рабочий цикл двигателя происходит следующим образом. Во время такта впуска через открытый впускной клапан при движении поршней 2 и 5 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) основной и дополнительный цилиндры наполняются свежим зарядом воздуха. Через 45 60^o поворота кривошипа 3 поршня основного цилиндра (участок V на диаграмме) в дополнительный цилиндр форсункой 6 впрыскивается топливо в количестве из расчета на суммарный рабочий объем основного и дополнительного цилиндров, соответственно режиму работы двигателя. При дальнейшем движении поршня 5 к НМТ поток всасываемого воздуха смешивается с частицами топлива, т.е. начинается процесс смесеобразования. Второй такт сжатие воздуха в основном цилиндре и топливо-воздушной смеси в дополнительном цилиндре. В течение хода сжатия процесс смесеобразования в дополнительном цилиндре продолжается. Сжатие смеси сопровождается повышением ее температуры, частицы топлива испаряются, пары топлива диффундируют в окружающее пространство, образуя газообразную горючую смесь, близкую по своему составу к однородной. Поскольку все количество топлива подается в полость дополнительного цилиндра, рабочий объем которого составляет 1/6 1/7 от основного, то, исходя из геометрических параметров цилиндров, значение местного коэффициента избытка воздуха в дополнительном цилиндре при полной цикловой подаче находится в пределах 0.125 0.143. Однако, эта величина не постоянна и изменяется при движении поршней от НМТ к ВМТ. Это связано с кинематикой кривошипно-шатунного механизма и смешением поршней по углу поворота кривошипов, вследствие чего параметры газа в основном и дополнительных цилиндрах возрастают не одинаково. В результате во время такта сжатия часть воздуха из основного цилиндра перетекает в дополнительный цилиндр, но при этом величина местного коэффициента избытка воздуха в дополнительном цилиндре остается ниже значения 0,5. Поэтому несмотря на то, что температура сжатой смеси превышает температуру ее самовоспламенения, процесс сгорания смеси, близкой по своему составу к однородной, при таком низком значении коэффициента избытка воздуха развиваться не может. Однако это не исключает протекание в дополнительном цилиндре предпламенных химических реакций с поглощением теплоты. Этот период подготовки смеси к воспаменению и сгоранию (участок III на диаграмме) начинается приблизительно за 40 35^o поворота кривошипа основного цилиндра до ВМТ и продолжается до прихода поршня 2 основного цилиндра в ВМТ. При дальнейшем движении поршней, поршня 2 вниз от ВМТ, а поршня 5 вверх к ВМТ, давление смеси в дополнительном цилиндре превысит давление воздуха в основном цилиндре, и смесь через тангенциальный соединительный канал "a" вытеснится в полость основного цилиндра. Двигаясь вихреобразно в среде сжатого воздуха, газообразная горючая смесь воспламеняется практически мгновенно, скорость сгорания возрастает. Ввиду увеличения скорости сгорания, а также благодаря предшествующему сгоранию периоду подготовки смеси к воспламенению и сгоранию, общая продолжительность процесса сгорания сокращается. Весь процесс сгорания состоит из двух фаз: фазы видимого или активного горения и фазы догорания смеси частично на линии расширения. Продолжительность первой фазы соответствует промежутку времени от начала вытеснения смеси до достижения максимального давления цикла. В начале сгорания фронт пламени распространяется только в объеме камеры сгорания основного цилиндра, а затем, с момента повышения давления от сгорания, фронт пламени переходит в камеру сгорания дополнительного цилиндра. Процесс расширения начинается с окончания фазы активного горения, при этом оба поршня движутся от ВМТ к НМТ, а рабочее тело расширяется и совершает работу как в основном, та и в дополнительном цилиндрах. Во время такта выпуска отработанный газ из основного и дополнительного цилиндров удаляется через выпускной клапан основного цилиндра. При полной цикловой подаче топлива величина общего коэффициента избытка воздуха (для суммарного объема цилиндров) 0,9 1. При уменьшении цикловой подачи общий коэффициент избытка воздуха возрастает до 2,3 2,5 и не должен превышать этот предел при значительном снижении цикловой подачи, так как в противном случае величина местного коэффициента избытка воздуха в дополнительном цилиндре превысит значение 0,5, что может привести к преждевременному воспламенению горючей смеси. Поэтому при малых цикловых подачах топлива необходимо уменьшать общее весовое количество воздуха в цилиндрах путем дросселирования всасываемого потока.

Предложенный способ работы ДВС с воспламенением от сжатия пригоден для высокооборотных и среднеоборотных двигателей различного назначения. Основные преимущества способа перед традиционным способом работы ДВС с воспламенением от сжатия: значительная продолжительность процесса смесеобразования (300 - 320^o по углу поворота кривошипа), во время которого вне объема основного цилиндра образуется газообразная горючая смесь, подготовленная к немедленному воспламенению и сгоранию, а также более эффективный процесс сгорания, начинающийся при турбулентном течении смеси в камере сгорания, при этом процесс сгорания более приближен к сгоранию при постоянном объеме. Вследствие этого работа двигателя может осуществляться при значениях коэффициента избытка воздуха 0,9 1 на режиме полной нагрузки и до 2,5 на режимах частичных нагрузок. Отсюда вытекает повышение литровой мощности двигателя (так как увеличивается количество теплоты, подводимое к единице массы воздушного заряда) и его экономичности, а также снижение токсичности выхлопа (ввиду уменьшения содержания в продуктах сгорания несгоревших компонентов топлива). В связи с тем, что подача топлива осуществляется во время такта впуска, впрыск топлива достаточно производить при давлении 30 40 кг/см². Это упрощает топливную аппаратуру двигателя, повышает ее надежность и срок службы. Кроме того, появляется возможность использования более низких сортов топлив (газотурбинное, тяжелое, моторное, мазуты). Отпадает необходимость в корректировке момента подачи топлива в зависимости от режима работы двигателя, так как на процессы смесеобразования и сгорания изменение режима не оказывает заметного влияния. Пониженное давление впрыска позволяет применять электронные системы регулирования топливоподачи. Например, топливоподающая система может быть аккумуляторного типа с одним топливным насосом высокого давления и электрогидроуправляемыми форсунками, при этом управляющие сигналы поступают к форсункам, а также и к воздушным заслонкам от микропроцессора, который оптимизирует подачу топлива и поддерживает значение общего коэффициента избытка воздуха в заданных пределах на различных режимах работы двигателя.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия путем впуска воздуха в основной и дополнительный цилиндры через впускной клапан при движении поршней к нижней мертвой точке, впрыска топлива, раздельного сжатия воздуха и топливовоздушной смеси в цилиндрах при движении поршней к верхней мертвой точке, воспламенения и сгорания смеси, расширения продуктов сгорания при движении поршней от верхней мертвой точки и выпуска отработанных газов через выпускной клапан, отличающийся тем, что топливо впрыскивается в полость дополнительного цилиндра в начале такта впуска, а топливовоздушная смесь образуется в объеме дополнительного цилиндра при значении коэффициента избытка воздуха менее 0,5, причем смесь проходит период подготовки к воспламенению и в газообразном состоянии через соединительный канал вытесняется в камеру сгорания основного цилиндра, где при турбулентном движении она воспламеняется и сгорает в среде сжатого воздуха.

2. Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащий основной и дополнительный цилиндры с поршнями, кинематически связанными между собой с возможностью их синхронного перемещения, головку цилиндров с впускным и выпускным клапанами и камерами сжатия разной высоты, сообщенными между собой соединительным каналом, отличающийся тем, что объем дополнительного цилиндра составляет 1/6 1/7 объема основногр цилиндра, топливная форсунка размещена в дополнительном цилиндре, а поршень дополнительного цилиндра отстает от поршня основного цилиндра на 13 15^o по углу поворота кривошипов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3