Способ осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, работающих преимущественно по четырехтактному циклу. Способ включает впуск свежего заряда рабочего тела в циклически изменяющийся рабочий объем двигателя, сжатия, воспламенения и сгорания рабочей смеси с последующим расширением рабочего тела и выпуском отработавших газов, после впуска перед сжатием принудительно расширяют в течение одного такта изменения рабочего объема двигателя от минимального до максимального значения. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя, снижение шума и уменьшение выбросов теплоты в окружающее пространство. 1 з. п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, работающих преимущественно по четырехтактному циклу.

В современном двигателестроении широко применяются различные двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В зависимости от способов осуществления в них рабочих процессов различают поршневые двигатели внутреннего сгорания с возвратно-поступательно движущимися поршнями, роторно-поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели. По способам воспламенения рабочей смеси существуют двигатели с принудительным (преимущественно искровым) зажиганием и дизели, работающие с воспламенением от сжатия. По способам образования рабочей смеси могут быть двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием, а по способу осуществления цикла - двухтактные и четырехтактные. Известны также комбинированные двигатели, в которых используется способ дополнительного (продолженного) расширения отработавших газов до атмосферного давления в газовой турбине, механически связанной с валом двигателя. Продолжение расширения отработавших газов в таких двигателях может проводиться с переменным или постоянным давлением перед газовой турбиной (см. книгу В.Н.Луканина, К.А. Морозова, А. С.Хачияна и др. "Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 1. Теория рабочих процессов", М., Высшая школа, 1995г.).

Однако, несмотря на многообразие, существующие способы осуществления рабочих процессов либо не обеспечивают достижения высоких значений коэффициента полезного действия (КПД) и необходимых экологических показателей двигателей внутреннего сгорания, либо требуют использования для этих целей сложных устройств, как, например, в комбинированных двигателях.

Наиболее близким по технической сущности является способ осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, включающий впуск свежего заряда рабочего тела в циклически изменяющийся рабочий объем двигателя, сжатие, воспламенение и сгорание рабочей смеси, последующее расширение рабочего тела и выпуск отработавших газов из рабочего объема. Упомянутый способ реализуется, в основном, в карбюраторных и дизельных поршневых двигателях, работающих по четырехтактному циклу, рабочие объемы в которых для осуществления термодинамических рабочих процессов образуются в цилиндрах с подвижными поршнями (см. книгу В.Н. Луканина, К.А.Морозова, А.С.Хачияна и др. "Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 1. Теория рабочих процессов", М., Высшая школа, 1995 г., глава 1).

Упомянутый способ реализуется также в роторно-поршневых и роторно-лопастных двигателях, рабочие объемы в которых образуются в камерах с изменяемой геометрией или подвижными стенками.

К основным недостаткам описанного способа следует отнести то, что работающие на его основе двигатели внутреннего сгорания обладают невысоким КПД, создают высокий уровень шума, выбрасывают в окружающее пространство большое количество теплоты. КПД двигателей, работающих по известному способу, зависит, в основном, от степени сжатия рабочего тела, а основными причинами создаваемого ими шума и выброса в окружающее пространство большого количества теплоты являются высокие давление и температура отработавших газов в момент их выпуска из рабочего объема. Вследствие того, что повышение степени сжатия возможно только до определенных пределов и к тому же приводит к повышению давления и температуры в момент выпуска отработавших газов из рабочего объема, устранение отмеченных недостатков в рамках известного способа без применения дополнительных устройств практически невозможно.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД двигателей внутреннего сгорания, снижение создаваемого ими шума и уменьшение выбросов теплоты в окружающее пространство.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, включающем впуск свежего заряда рабочего тела в циклически изменяющийся рабочий объем двигателя, сжатие, воспламенение и сгорание рабочей смеси, последующее расширение рабочего тела и выпуск отработавших газов из рабочего объема, после впуска перед сжатием принудительно расширяют рабочее тело, при этом впуск и принудительное расширение проводят в течение одного такта изменения рабочего объема двигателя от минимального до максимального значения.

Окончание впуска свежего заряда и начало принудительного расширения рабочего тела при этом могут быть совмещены с моментом, когда рабочий объем двигателя составляет (40 - 50)% от его максимального значения.

В качестве рабочих объемов для осуществления термодинамических рабочих процессов могут использоваться замкнутые объемы, образованные в цилиндрах с подвижными поршнями, в камерах с изменяемой геометрией или подвижными стенками.

Графическая иллюстрация предлагаемого способа на примере его осуществления в цилиндре с подвижным поршнем показана на фиг. 1, где V - текущее значение рабочего объема двигателя; V^min, V^max - минимальное и максимальное значения рабочего объема двигателя: V_а - значение рабочего объема, при котором прекращается впуск рабочего тела.

При изменении рабочего объема от V_с = V^min до V_а на подтакте Iа осуществляется впуск, а при его изменении от V_а до V_в = V^max на подтакте Iб - принудительное расширение рабочего тела. Такт сжатия рабочего тела также разделяется на два подтакта. На подтакте IIа рабочее тело возвращается в то же состояние, в котором оно находилось в момент окончания впуска и начала принудительного расширения, а на подтакте IIб происходит собственно сжатие рабочего тела до необходимой степени. Такты III и IV - соответственно такты расширения и выпуска рабочего тела из рабочего объема.

Поскольку принудительное расширение рабочего тела на подтакте Iб и его последующее сжатие на подтакте II на состояния рабочего тела до и после проведения указанных операций никакого влияния не оказывают, то из приведенного следует, что предлагаемый способ эквивалентен осуществлению рабочих процессов в двух сообщающихся цилиндрах разного объема V_а и V_в (V_а < V_в), когда впуск и сжатие постоянно производится в цилиндре меньшего объема V_а, а расширение и выпуск - в цилиндре большего объема V_в.

Индикаторная диаграмма осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания предлагаемым способом показана на фиг. 2, где P - давление в рабочем объеме двигателя; ρ₀ - атмосферное давление; r - точка начала впуска свежего заряда рабочего тела; a - точка окончания впуска свежего заряда и начала принудительного расширения рабочего тела: e - точка окончания принудительного расширения рабочего тела и начала сжатия; f - точка воспламенения рабочего тела: c - точка окончания сжатия рабочего тела; z - точка достижения максимального давления; B - точка начала выпуска отработавших газов.

Из приведенных материалов следует, что введение после впуска перед сжатием принудительного расширения рабочего тела позволяет без каких-либо дополнительных устройств осуществить в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания термодинамические рабочие циклы с продолженным расширением, аналогичные реализуемым в комбинированных двигателях с газовой турбиной, при этом работа, затраченная на принудительное расширение рабочего тела, не приводит к увеличению потерь, поскольку всегда будет равна взятой с обратным знаком работе, совершаемой в процессе последующего сжатия от точки e до точки a; полезная работа, совершаемая в процессе расширения после сгорания топлива, увеличивается на величину заштрихованной на фиг. 2 площади; давление в точке начала выпуска отработавших газов уменьшается и при соответствующем выборе степени принудительного расширения может быть равно атмосферному; среднее давление цикла уменьшается пропорционально степени принудительного расширения.

Сказанное выше дает возможность повысить КПД двигателя за счет увеличения полезной работы и более полного использования энергии сгоревшего топлива и одновременно обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, что существенно снижает шум двигателя. Температура при выпуске отработавших газов при этом также уменьшается, что позволяет снизить выброс теплоты в окружающее пространство. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива уменьшается и выброс загрязняющих атмосферу веществ.

Осуществление впуска свежего заряда и принудительного расширения рабочего тела в течение одного такта изменения рабочего объема двигателя от минимального до максимального значения и совмещение окончания впуска свежего заряда и начала принудительного расширения рабочего тела с моментом, когда рабочий объем двигателя составляет (40-50)% от его максимального значения, позволяет использовать предлагаемый способ на известных двигателях с минимальными доработками, так как для его реализации с сохранением необходимой мощности достаточно либо увеличить максимальное значение рабочего объема двигателя в 1,7-2,2 раза (диаметры цилиндров поршневых двигателей в 1,3-1,5 раза), либо во столько же раз увеличить число оборотов вала двигателя.

Пример. Для получения количественных оценок проведен расчет термодинамических показателей карбюраторных и дизельных двигателей, работающих по известным и предлагаемому способам.

Термодинамический цикл, принятый для расчетов, показан на фиг. 3.

Температура и давление в характерных точках термодинамического цикла определялись по формулам где степень сжатия рабочего тела; n₁ - средний показатель политропы сжатия; степень повышения давления; степень предварительного расширения; степень принудительного расширения; n₂ - средний показатель политропы расширения.

Подведенная теплота q₁ = q'₁ + q''₁ где


Отведенная теплота q₂ = q'₂ + q''₂
где


C_v - теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме;
C_p - теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении.

Термический КПД рассматриваемого цикла

имеет максимальное значение при
где

При этом p_в = p_а и

Среднее давление цикла

При степени принудительного расширения β = 1, т.е. при V_в = V_а, расчетные характеристики рассматриваемого термодинамического цикла соответствуют принятому прототипу, а при β>1 - предлагаемому способу. При этом при β = β_m характеристики рассматриваемого термодинамического цикла соответствуют характеристикам термодинамического цикла комбинированного двигателя с переменным давлением перед газовой турбиной.

Результаты расчета при n₁ = 1,35; n₂ = 1,25; p_a = 0,1 МПа; T_a = 350К для карбюраторных (КДВС) и Т_a = 330К для дизельных (ДДВС) двигателей, наиболее близко соответствующих параметрам их реальных термодинамических циклов, при различных степенях сжатия (ε), степенях повышения давления (λ), степенях предварительного (ρ) и принудительного (β) расширения представлены в таблице, где звездочкой отмечены значения β = β_m, а Δη_t - увеличение КПД за счет использования предлагаемого способа осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания по сравнению с прототипом.

Из приведенной таблицы видно, что для предлагаемого способа осуществления рабочих процессов
термический КПД карбюраторных двигателей на (8-10)%, а дизельных двигателей на (6,5-8,5)% выше, чем для прототипа, и мало отличается от КПД комбинированных двигателей с переменным давлением перед газовой турбиной;
давление при выпуске отработавших газов из рабочего объема двигателя в 2-3 раза меньше, чем для прототипа, и составляет от 0,15 до 0,2 МПа для карбюраторных и от 0,1 до 0,15 МПа для дизельных двигателей:
температура отработавших газов при их выпуске из рабочего объема меньше, чем для прототипа, на (250-350)К для карбюраторных и на (180-250)К для дизельных двигателей:
среднее давление цикла меньше, чем у прототипа, в 1,7-2,15 раза для карбюраторных и в 1,8-2,2 раза для дизельных двигателей.

Поскольку механические потери двигателей в предлагаемом способе не отличаются от прототипа, то эффективный КПД будет увеличиваться на те же величины, что и термический КПД.

Аналогичные результаты можно получить и для любых других значений исходных показателей термодинамического цикла.

Использование предлагаемого способа осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания обеспечивает по сравнении с известными способами следующие преимущества: возможность осуществления без каких-либо дополнительных устройств рабочих термодинамических циклов с продолженным расширением, аналогичных реализуемым в комбинированных двигателях с газовой турбиной; повышение термического и, соответственно, эффективного КПД карбюраторных и дизельных двигателей и доведение их до значений, близких к КПД комбинированных двигателей с переменным давлением перед газовой турбиной; снижение давления при выпуске отработавших газов из рабочего объема двигателя в 2-3 раза и доведение их до величин, близких к атмосферному; снижение температуры отработавших газов при их выпуске из рабочего объема; снижение выброса вредных веществ за счет увеличения полноты сгорания топлива; снижение шума двигателей и выбросов теплоты в окружающее пространство; простоту реализации способа на известных двигателях внутреннего сгорания; снижение удельного расхода топлива.

Формула изобретения

1. Способ осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, включающий впуск свежего заряда рабочего тела в циклически изменяющийся рабочий объем двигателя, сжатие, воспламенение и сгорание рабочей смеси, последующее расширение рабочего тела и выпуск отработавших газов из рабочего объема, отличающийся тем, что после впуска перед сжатием принудительно расширяют рабочее тело, при этом впуск и принудительное расширение проводят в течение одного такта изменения рабочего объема двигателя от минимального до максимального значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончание впуска свежего заряда и начало принудительного расширения рабочего тела совмещают с моментом, когда рабочий объем двигателя составляет (40 - 50)% от его максимального значения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5