Рабочий процесс двс с сообщающимися цилиндрами

 

Рабочий процесс ДВС с сообщающимися цилиндрами относится к способам организации работы ДВС с искровым зажиганием улучшенной экономичности и пониженной токсичности. Рабочий процесс ДВС с сообщающимися цилиндрами, содержащий последовательно осуществляемые впуск и сжатие рабочих тел, искрообразование, воспламенение, рабочий ход и выпуск рабочих тел, реализуемые в сообщающихся цилиндрах асинхронно по углу поворота коленчатого вала, причем на такте во второй цилиндр подают рабочее тело, состоящее из топливовоздушной смеси, а при горении рабочего тела в первом цилиндре снижают максимальное давление сгорания, направляя часть рабочего тела во второй цилиндр, после чего воспламеняют образовавшуюся смесь рабочих тел во втором цилиндре, прекращают перетекание рабочего тела из первого цилиндра во второй и направляют часть горящей смеси из второго цилиндра в первый, снижая максимальное давление сгорания во втором цилиндре. При этом направляемая во второй цилиндр часть рабочего тела составляет 5-30% рабочего тела первого цилиндра. Изобретение обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик двигателя. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к рабочим процессам двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием, обеспечивающим высокую экономическую эффективность и экологическую чистоту отработавших газов.

Известен рабочий процесс ДВС "предкамерно-факельного" зажигания (Соколик А. С. , Карпов В.П. "Форкамерно-факельное воспламенение как основа нового класса двигателей", сборник докладов конференции: Сгорание и смессообразование в дизелях. Книга 1. М. 1958). В двигателе с предложенным процессом цилиндр имел предкамеру и основную камеру. Рабочее тело в цилиндр вводилось раздельно; меньшая его часть (3-10%) с коэффициентом избытка воздуха α = 0,4-0,7 поступала в предкамеру, а большая часть с α = 1,05-1,3 - в основную камеру. При завершении такта сжатия в предкамере богатая смесь воспламенялась искрой и, сгорая, поступала в основную камеру, поджигая в ней бедную смесь. В результате сгорания объединенное рабочее тело расширялось и совершало рабочий ход поршня. В пределах одного цилиндра количество рабочего тела не изменялось.

Отрицательными моментами этого рабочего процесса являются: - плохая продувка предкамеры: - быстрое закоксовывание каналов, соединяющих предкамеру и основную камеру; - зависимость результирующего состава смеси в предкамере от состава основной α₁ и предкамерной α₂ смеси, от режима работы двигателя.

Известен ДВС с впрыском легкого топлива ТНВД под давлением 5 МПа (Журнал "За рулем" N 3, 1996 г. и N 6, 1996 г.), предложенный фирмой "Мицубиси". Впрыск топлива осуществлен в конце такта сжатия воздуха и направлен в район свечи. Здесь создается смесь нормального состава и легко воспламеняется свечой, а остальная часть камеры заполнена воздухом. Горящая смесь вращается в результате турбулизации и обеспечивает полное сгорание топлива. Мотор работает на бедных и сверхбедных рабочих смесях (α = 2-2,67) при степени сжатия 12. Отмечается очень высокая топливная экономичность и резкое снижение окислов азота, углерода и сажи в выхлопных газах.

В качестве недостатка предложенного рабочего процесса следует отметить исключительные технические трудности воспламенения искрой бедной рабочей топливовоздушной смеси и создания для нее вихревого турбулентного движения в воздушной среде камеры сжатия рабочего цилиндра.

Наиболее близким является рабочий процесс ДВС, предложенный проф.В.М. Кушулем (В. М.Кушуль "Знакомьтесь - двигатель нового типа" Л.: Судостроение 1966 - 120 с.) После воспламенения и сгорания рабочего тела в первом цилиндре из второго цилиндра в первый подают второе рабочее тело в виде чистого воздуха, осуществляя вторую стадию сгорания топлива рабочего тела первого цилиндра, а затем расширение объединенного рабочего тела производят в обоих цилиндрах.

Предложенный проф. В.М.Кушулем рабочий процесс обладает следующими отрицательными моментами.

Вторая стадия сгорания топлива в первом цилиндре характерна высокими давлениями сгорания, характерными для дизельных двигателей, и высокой температурой газов, что повышает содержание окислов азота в отработавших газах.

Давление в первом цилиндре на первой стадии сгорания топлива передается и во второй цилиндр, поскольку скорость распространения давления в камере сжатия составляет 500-700 м/с.

На сжатие воздуха во втором цилиндре и его перекачивание в первый цилиндр при движении поршня второго цилиндра к верхней мертвой точке (ВМТ) необходимо затратить индикаторную работу, компенсируемую индикаторной работой, получаемой в первом цилиндре. Это обстоятельство снижает топливо-экономические показатели рабочего процесса ДВС.

В предлагаемом рабочем процессе ДВС с сообщающимися цилиндрами последовательно осуществляют впуск, сжатие, искрообразование, воспламенение, рабочий ход и выпуск рабочих тел, реализуемые в сообщающихся цилиндрах асинхронно по углу поворота коленчатого вала. При этом на такте впуска во втором цилиндре формируют рабочее тело, состоящее также из топливо-воздушной смеси, как и в первом цилиндре.

При горении рабочего тела в первом цилиндре снижают максимальное давление сгорания, направляя часть рабочего тела во второй цилиндр, где она смешивается с рабочим телом второго цилиндра и воспламеняется. После чего прекращают перетекание рабочего тела из первого цилиндра во второй и направляют часть образовавшейся смеси из второго цилиндра в первый, снижая максимальное давление сгорания во втором цилиндре.

При горении рабочего тела в первом цилиндре направляемая часть во второй цилиндр составляет 5-30%. Чем беднее топливо-воздушная смесь и чем труднее ее воспламенить от искры свечи зажигания, тем большая часть рабочего тела из первого цилиндра поступает во второй. Для воспламенения сверхбедных смесей во втором цилиндре вслед за струей богатой смеси из первого цилиндра подают горящую богатую смесь в форме горящего факела. Горящий факел используют и для воспламенения трудновоспламеняемых рабочих тел, поданных во второй цилиндр.

Таким образом, за счет перетекания рабочих тел из первого цилиндра во второй, а затем из второго в первый достигаются следующие положительные эффекты.

В первом цилиндре снижается максимальное давление сгорания, скорость нарастания давления и жесткость рабочего процесса, что в свою очередь снижает максимальную температуру газов и тепловую напряженность деталей, образующих камеру сгорания, и повышает их долговечность.

Снижение максимального давления в первом из сообщающихся цилиндров позволяет также увеличивать в нем конструктивную степень сжатия (до ε = 9-10) и использовать низкооктановое топливо без угрозы детонационного сгорания, что в свою очередь повысит индикаторный КПД, а за счет снижения механических потерь и эффективный КПД, а значит, и экономическую эффективность.

Перетекание в форме направленной струи с высокой скоростью рабочего тела из второго цилиндра в первый обеспечит полное догорание топлива в первом цилиндре за счет направленного вихревого потока горящего тела и избытка кислорода в части, поступившей из II цилиндра, что снизит до минимума содержание в отработавших газах CO и CH. В то же время снижение максимальных температур сгорания топлива создает благоприятные условия для снижения и окислов азота в отработавших газах I цилиндра.

Во втором цилиндре также снижается максимальное давление сгорания и скорость нарастания давления, обеспечивая мягкость рабочего процесса, что в свою очередь снизит максимальные температуры газов и тепловую напряженность деталей, образующих камеру сгорания второго цилиндра, и повышает их долговечность.

Снижение максимального давления во втором цилиндре позволяет еще больше увеличивать в нем конструктивную степень сжатия (до ε = 10-13) ) и использовать низкооктановое топливо, поскольку перетекание рабочих тел из второго цилиндра в первый ограничивается только условием равенства в них давлений отработавших газов. Эти обстоятельства повысят индикаторный и эффективный КПД и экономическую эффективность рабочего процесса.

Перетекание в форме направленной струи с высокой скоростью части рабочего тела из первого цилиндра во второй в зону свечи зажигания и образование вихревого потока топливовоздушной смеси во втором цилиндре позволяет в качестве рабочего тела во втором цилиндре использовать бедные или сверхбедные топливовоздушные смеси и успешно их сжигать при условии, что в первом цилиндре будет обогащенная топливовоздушная смесь.

Сжигание во II цилиндре бедных или сверхбедных смесей позволит свести к минимуму образование CO и CH, а снижением максимальных температур сгорания свести к минимуму образование окислов азота во II цилиндре.

Если рабочее тело во втором цилиндре не воспламенилось в результате обогащения частого рабочего тела из первого цилиндра от свечи зажигания, то перетекание рабочего тела из первого цилиндра будет продолжаться до поступления во второй цилиндр горящего факела, который и воспламенит смешанное рабочее тело во втором цилиндре. Использование факела позволит в качестве рабочего тела во втором цилиндре использовать тяжелые топлива, топлива или смеси с малой скоростью сгорания и т.п., обеспечив многотопливность ДВС.

Предложенный рабочий процесс в ДВС в определенных условиях при запуске двигателя, работе на холостом ходу, на переменных режимах может быть переведен на общеизвестный рабочий процесс, для чего необходимо изолировать сообщающиеся цилиндры и в оба цилиндра всасывать одинаковые рабочие тела нормального содержания с коэффициентом избытка воздуха α = 0,8-1,1. В режиме работы ДВС с сообщающимися цилиндрами в первый цилиндр всасывают обогащенную топливовоздушную смесь с α₁= 0,75-0,95, а во второй цилиндр бедную топливовоздушную смесь с α₂= 1,1-3,0, предложенный рабочий процесс обеспечит полное сгорание рабочих тел в обоих цилиндрах с высокой топливной экономичностью и низким содержанием CO, CH и No_x в выхлопных газах обоих цилиндров.

Всасывание топливовоздушных смесей и их сжигание в обоих сообщающихся цилиндрах позволяет обеспечить эффективное смесеобразование топлива с воздухом в процессе впуска и сжатия, а затем в процессе горения перетекание рабочих тел из одного цилиндра в другой и обратно с высокой скоростью (до 650 м/с) позволяет усилить вихревое движение горящих рабочих тел в обоих цилиндрах и создать условия для эффективного сгорания топлива в обоих рабочих телах с повышенной скоростью сгорания.

Использование рабочих тел, состоящих из топливовоздушных смесей, позволяет в обоих сообщающихся цилиндрах получить индикаторную работу при сгорании топлива и снизить работу на сжатие рабочего тела во втором цилиндре.

При перетекании рабочих тел из одного цилиндра в другой и обратно соответствующим направлением потоков смесей или факелов управляют формированием вихревых потоков горящих рабочих тел в обоих цилиндрах, исключая детонационное сгорание топлива и создавая условия для быстрого и полного сгорания топлива.

Не нарушая предложенного рабочего процесса после воспламенения рабочего тела во втором цилиндре, возможно перекрытие сообщающихся цилиндров и дальнейшее сгорание топлива и рабочие ходы в несвязанных между собой цилиндрах. Такая схема может быть применена при использовании тяжелых топлив во втором цилиндре при трудностях в их воспламенении от свечи зажигания и нормального состава смеси с α = 1,0-1,1. Продолжительность перетекания рабочих тел из одного цилиндра в другой и обратно может быть изменена асинхронным смещением реализуемых тактов рабочего процесса в сообщающихся цилиндрах и сечением канала между сообщающимися цилиндрами.

Чем беднее топливовоздушная смесь во втором цилиндре (α = 2-3), тем богаче топливовоздушная смесь в первом цилиндре (α = 0,7-0,8) и тем продолжительнее должно быть перетекание богатой смеси из первого цилиндра в бедную смесь второго цилиндра для создания условий ее воспламенения до прихода поршня второго цилиндра в верхнюю мертвую точку на такте сжатия. Аналогичная ситуация может возникнуть и с воспламенением тяжелых топлив во втором цилиндре.

Для эффективного сгорания топлива во втором цилиндре увеличивают асинхронно фазу выполнения тактов рабочего процесса в сообщающихся цилиндрах по углу поворота коленчатого вала или увеличивают сечение канала. В этом случае будет увеличена продолжительность перетекания рабочего тела из второго цилиндра в первый или увеличен объем перетекания смесей, что благоприятно скажется на полноте сгорания богатой топливо-воздушной смеси первого цилиндра. Увеличение периода перетекания рабочего тела с избытком кислорода из второго цилиндра в первый обеспечит высокую полноту сгорания богатой смеси в период догорания в начале рабочего хода поршня первого цилиндра.

Теплота, передаваемая вместе с частью рабочих тел при их перетекании из цилиндра в цилиндр и обратно, сохраняется внутри замкнутой системы сообщающихся цилиндров и при организации рабочего процесса по предложенной схеме с минимальными потерями на ее перетекание будет преобразована в положительную работу. Для снижения этих потерь и повышения индикаторного КПД передача теплоты с частью рабочих тел из цилиндра в цилиндр и обратно должна быть минимально необходимая при реализации рабочего процесса в сообщающихся цилиндрах и полного сгорания топлива в обоих цилиндрах в области верхних мертвых точек за 20-35^o поворота коленчатого вала.

Снижение скорости нарастания давления сгорания в обоих сообщающихся цилиндрах путем перетекания рабочих тел из цилиндра в цилиндр и обратно в период достижения наибольших давлений газов обеспечит мягкий режим работы, снижение вибраций и шума двигателя.

Уточняющими и развивающими положительные стороны предложенного рабочего процесса моментами является то, что направляемая из первого цилиндра во второй часть рабочего тела составляет 5-30%, что свидетельствует о том, что этот процесс перетекания существенно влияет на индикаторные показатели рабочего процесса ДВС. С увеличением объема рабочего тела, перетекшего из первого цилиндра во второй, увеличатся внутренние потери на перетекание газов и теплоотвод в охлаждающую среду, изменится состав и уменьшится объем рабочего тела в первом цилиндре в период сгорания.

Поэтому объем рабочего тела, поступающего из первого цилиндра во второй, в начальный период его горения должен быть минимальным и достаточным для стабильного воспламенения бедной смеси второго цилиндра. Чем беднее топливо-воздушная смесь во втором цилиндре, тем большую часть рабочего тела первого цилиндра передают во второй.

При этом для уменьшения части рабочего тела, передаваемого во второй цилиндр, состав топливо-воздушной смеси обогащают топливом, доводя коэффициент избытка воздуха до α = 0,7-0,8. Горящая часть рабочего тела первого цилиндра в форме факела поступает во второй цилиндр вслед за струей богатой топливо-воздушной смеси для стального воспламенения сверхбедных смесей с α = 2,5-3,0 или тяжелых топлив с высокой температурой воспламенения. Использование общепринятых фаз газораспределения, фиксируемых относительно ВМТ и НМТ соответствующего рабочего цилиндра тихоходного двигателя, приводит к снижению наполнения рабочими телами I и II цилиндров при частотах вращения коленчатого вала, когда недостаточна инерция воздушных потоков, поступающих в цилиндры на такте впуска. Так, в начальный момент движения поршня первого цилиндра вниз от BMT₁ при открытом впускном клапане первого цилиндра разряжение может не возникнуть, поскольку во втором цилиндре в этот период поршень движется вверх, создавая в нем давление отработавших газов на такте выпуска. Это давление через открытый канал между сообщающимися цилиндрами будет передано в I цилиндр и воспрепятствует поступлению рабочего тела в этот цилиндр.

В тихоходных двигателях в период движения поршня второго цилиндра вниз от BMT₂ при открытом впуском клапане второго цилиндра разряжение в первом цилиндре будет дополнительно увеличено, а во втором цилиндре уменьшено, что приведет к увеличению наполнения первого цилиндра и к уменьшению наполнения второго цилиндра.

Поэтому в тихоходных двигателях впуск рабочих тел в сообщающиеся цилиндры выполняют одновременно или асинхронно с опережением в I цилиндр относительно II цилиндра по углу поворота коленчатого вала, составляющего 0-10^o, а выпуск отработавших рабочих тел также выполняют или одновременно, или асинхронно с опережением в I цилиндре относительно II цилиндра по углу поворота коленчатого вала, составляющего 0-15^o.

В быстроходных двигателях впуск рабочих тел в сообщающиеся цилиндры выполняют асинхронно с опережением в I цилиндр относительно II цилиндра по углу поворота коленчатого вала, составляющего 5-15^o, а выпуск отработавших рабочих тел выполняют асинхронно с опережением в I цилиндре относительно II цилиндра по углу поворота коленчатого вала, составляющего 5-20^o.

В графическом материале представлена схема конструкции, реализующей предлагаемый рабочий процесс с основными операциями.

Фиг. 1 - процесс впуска рабочих тел; фиг.2 - сжатие рабочих тел; фиг.3 - воспламенение рабочего тела в первом цилиндре; фиг.4 - воспламенение рабочего тела во втором цилиндре; фиг. 5 - рабочий ход в сообщающихся цилиндрах в начальной стадии; фиг. 6 - рабочий ход в сообщающихся цилиндрах в конечной стадии; фиг.7 - выпуск отработанных рабочих тел; фиг.8 - формирование факела для воспламенения рабочего тела во втором цилиндре; фиг. 9 - начальная стадия процесса впуска.

На всех фигурах приняты следующие условные изображения: 1 - поршень первого цилиндра ; 2 - канал между сообщающимися цилиндрами; 3 - рабочее тело первого цилиндра; 4 -выпускной клапан; 5 - свеча зажигания; 6 - впускной клапан ; 7 - впускной клапан; 8 - свеча зажигания; 9 - рабочее тело второго цилиндра: 10 - выпускной клапан; 11 - поршень второго цилиндра; I - первый цилиндр; P₁ - давление в первом цилиндре; II - второй цилиндр; P₂ - давление во втором цилиндре.

На такте впуска (фиг. 1) в сообщающиеся цилиндры I и II через открытые впускные клапаны 6 и 7 при движении поршней 1 и 11 вниз к нижней мертвой точке (НМТ) подают рабочие тела 3 и 9.

Рабочее тело 3 представляет собой богатую топливо-воздушную смесь, а рабочее тело 9 - бедную топливо-воздушную смесь. Впускные клапаны 4 и 10 закрыты. Камеры сжатия обоих цилиндров сообщаются между собой каналом 2 и снабжены свечами зажигания 5 и 8. Положения поршней 1 и 11 в сообщающихся цилиндрах I и II смещены асинхронно фазе поворота коленчатого вала, причем поршень 11 во втором цилиндре отстает по фазе, а значит, движется вслед за поршнем 1 с некоторым опаздыванием в течение всего рабочего процесса.

На такте сжатия (фиг.2) поршни 1 и 11 при движении вверх к верхней мертвой точке (ВМТ) сжимают соответствующие рабочие тела 2 и 9, а все клапаны 4, 6, 7 и 10 закрыты. При перетекание рабочих тел из цилиндра в цилиндр отсутствует.

В конце такта сжатия I цилиндра (фиг. 3) в момент, определяемый углом опережения зажигания, на электродах свечи зажигания 5 образуется искра и воспламенит после периода задержки воспламенения рабочее тело 3. Начальный очаг возгорания рабочего тела 3 вызовет увеличение давления газов в I-ом цилиндре, которое превысит давление рабочего тела во II цилиндре на этот период (P₁ > > P₂), и рабочее тело 3 из I цилиндра с высокой скорость начнет перетекать через канал 2 во второй цилиндр, смешиваясь с рабочим телом 9 и обогащая его, в первую очередь в зоне электродов свечи зажигания 8. По мере расширения фронта пламени в I цилиндре давление газов в нем будет расти, а значит, будут увеличиваться доля рабочего тела I цилиндра, которая перетечет во II цилиндр.

В конце такта сжатия II цилиндра (фиг.4) в момент, определяемый углом опережения зажигания, на электродах свечи зажигания 8 проскочит искра и воспламенит после периода задержки воспламенения смешанное рабочее тело, состоящее из рабочего тела II цилиндра и части рабочего тела I цилиндра (показано схематично кружочками и точками). Часть сгоревших газов показана на рисунках крестиками. При возгорании смешанного рабочего тела начнет увеличиваться давление газов во II цилиндре, а в первом цилиндре оно в этот период снижается. При равенстве давлений P₁ и P₂ прекратится перетекание рабочего тела из I цилиндра во II (фиг.4).

Если во II цилиндре смешанное рабочее тело не воспламенилось от искры свечи зажигания 8, то рабочее тело из I цилиндра будет продолжать перетекать во II, пока к каналу 2 не приблизится фронт пламени от сгорания рабочего тела I цилиндра и тогда во II цилиндр будет направлен вслед за струей богатой смеси горящий факел (фиг. 5), условно показанный стрелкой 12, который воспламенит смешанное рабочее тело во II цилиндре.

Когда давление газов во II цилиндре превысит давление газов в I цилиндре (фиг. 6) P₁ < < P₂, то рабочее тело из II цилиндра через канал 2 начнет поступать в I цилиндр, в котором поршень 1 уже совершает рабочий ход и давление газов снижается.

В I цилиндре, как отмечалось выше, находилась богатая топливо-воздушная смесь, и при недостатке кислорода на этот период сгорание топлива еще до конца не завершилось. При поступлении части рабочего тела из II цилиндра, имеющего избыток кислорода, в I цилиндре наступит второй этап сгорания топлива, в который при вихревом турбулентном движении, вызванном направленной струей бедной топливо-воздушной смеси из II цилиндра, обеспечит высокую полноту догорания топлива с минимальным количеством CO, CH, No_x, в этом цилиндре.

Эта струя, а вслед за ней и обогащенный кислородом факел, поступают в I цилиндр до выравнивания давлений (фиг.7) при движении поршней 1 и 11 вниз к НМТ. Оба поршня при этом совершают рабочие ходы при расширении рабочих тел 3 и 9.

При такте выпуска выпускные клапаны 4 и 10 открывают и при движении поршней 1 и 11 вверх к ВМТ удаляют отработавшие рабочие тела из сообщающихся цилиндров I и II при (фиг.8). В начале движения поршня 1 вниз от верхней мертвой точки (фиг. 9) впускной клапан 7 начинает открываться, выпускной 4 еще открытый и в цилиндре I создается разряжение P₁. А в этот период поршень 11 движется вверх к верхней мертвой точке при открытом выпускном клапане 10 и закрытом впускном и в цилиндре II создается давление P₂. При условии P₂ > P₁ отработавшие газы из II цилиндра начнут перетекать в I цилиндр, создавая препятствие для впуска рабочего тела I цилиндра через впускной клапан 6. Но как только откроется впускной клапан 7 и поршень 11 начнет движение вниз и во II цилиндре будет создано разряжение P₁ = P₂ и оба цилиндра будут заполняться без препятствий соответствующими рабочими телами 3 и 9.

Практическая реализация предлагаемого рабочего процесса возможна с использованием конструкции, разработанной и изготовленной проф.В.М.Кушулем (В. М. Кушуль "Знакомьтесь - двигатель нового типа" Л. Судостроение 1966. - 120 с.).

На фиг. 1 представлена схема такта впуска. Рабочие тела 3 и 9 формируют путем использования карбюраторов или инжекторов. При этом обеспечивают поступление в первый и второй цилиндры смеси воздуха с бензином.

Для обеспечения максимальных мощностных показателей ДВС в первый цилиндр подают рабочую смесь с α₁= 0,9, а во второй цилиндр с α₂= 1,6. Для обеспечения максимальной топливной экономичности в первый цилиндр подают рабочую смесь c α₁= 0,7, а во второй цилиндр с α₂= 2,5.
Для обеспечения минимального содержания в отработавших газах вредных примесей в первый цилиндр подают рабочую смесь с α₁= 0,8, а во второй с α₂= 2,0.
Рабочие тела подают в цилиндры через открытые впускные клапаны 6 и 7 за счет разряжения, создаваемого при движении поршней 1 и 11 вниз. При этом поршень 1 опережает поршень 11 по углу поворота коленчатого вала (п.к.в.) на 20^o. Для двигателя с максимальным крутящим моментом Мкр_max при n=2000 мин^-1 установлены следующие фазы газораспределения для I цилиндра: открытие впускного клапана за 7^o п.к.в. до BMT₁ и закрытие выпускного клапана - 22^o п. к. в. после BMT₁, а для II цилиндра: открытие впускного клапана за 20^o до BMT₂, закрытие выпускного клапана 14^o после ВМТ₂.

Для двигателя с максимальным крутящим моментом Мкр_max при n=3500 мин^-1 установлены следующие фазы газораспределения для I цилиндра: открытие впускного клапана за 12^o п.к.в. до BMT₁ и закрытие выпускного клапана - 24^o п. к. в. после BMT₁; а для II цилиндра: открытие впускного клапана за 15^o до BMT₂, закрытие впускного клапана 18^o после BMT₂.

На фиг. 2 представлена схема сжатия рабочих тел 3 и 9. При использовании в качестве топлива низкооктанового бензина А-76 в первом цилиндре рабочее тело сжимает до 1,1 МПа, а во втором цилиндре - до 1,3 МПа. При этой разнице в давлениях перетекание рабочих тел из цилиндра в цилиндр на линии сжатия не произойдет.

При подходе поршня 1 к верхней мертвой точке (BMT₁) в соответствии с установленным углом опережения зажигания (Θ₃) на электродах свечи 5 образуется искра. Для рабочего тела c α₁= 0,9 угол Θ₃= 20°, с α₁= 0,8-Θ₃= 23°, a c α₁= 0,7-Θ₃= 28°.
После воспламенения паров бензина и начала горения в зоне свечи зажигания в первом цилиндре начнет повышаться давление P₁ и через 5 градусов поворота коленчатого вала после BMT₁ достигнет своего максимального значения. Уменьшение угла опережения зажигания у смеси с α₁= 0,9 связано с тем, что у этой смеси максимальная скорость сгорания топлива. С обогащением топливо-воздушной смеси скорость сгорания топлива уменьшается, соответственно и угол Θ₃ увеличивают.

Как только давление газов P₁ превысит давление сжатия второго рабочего тела P₂, то рабочее тело из первого цилиндра начнет перетекать во II цилиндр через канал 2 между цилиндрами, и при достижении максимального давления PZ₁ скорость перетекания достигнет величин 500-650 м/с. Перетекание части рабочего тела из первого цилиндра во второй снизит максимальные давления сгорания в первом цилиндре, максимальные температуры газов и склонность к детонационному сгоранию за счет увеличения турбулентности топливо-воздушной смеси в камере сгорания.

При рабочем теле с α₁= 0,9 обеспечивают перетекание из первого цилиндра во второй 10% рабочего тела; с α₁= 0,8-15%, а с α₁= 0,7-25%.
От искры свечи зажигания топливо-воздушная смесь (рабочее тело во втором цилиндре) с α₂> 1,5 не воспламеняется, поэтому чем беднее смесь во втором цилиндре, тем большее количество рабочего тела из первого цилиндра подают во второй цилиндр и тем богаче по содержанию топлива эта смесь.

Для воспламенения рабочего тела во втором цилиндре с α₂= 2,5 в составе 25% рабочего тела первого цилиндра вначале направляют через канал 2 струю богатой смеси, а затем горящий факел при подходе фронта пламени от свечи зажигания к каналу 2.

Для воспламенения рабочего тела во втором цилиндре с α₂= 1,6 подают через канал 2 струю смеси из первого цилиндра с α₁= 0,9 в количестве 10% рабочего тела первого цилиндра.

Таким образом, для воспламенения рабочего тела во втором цилиндре от искры свечи зажигания с α₂= 1,6 и достаточно из первого цилиндра подать богатую топливо-воздушную смесь и смешать ее с рабочим телом второго цилиндра, а с α₁= 2,5 дополнительно следует подать горящий факел смеси из первого цилиндра.

Для определения необходимых условий истечения рабочих тел из первого цилиндра во второй и обратно в сообщающихся цилиндрах и скорости их истечения используем уравнение Бернулли

где g - ускорение силы тяжести, м/с²;
ω - удельный вес рабочего тела, кг/м³;
P₁ - давление в первом цилиндре кг/м²;
P₂ - давление во втором цилиндре кг/м²;
v - скорость истечения газов, м/с.

Анализ формулы (1) показывает, что для перетекания рабочего тела из первого цилиндра во второй необходимо создать разность давлений в цилиндрах и чем она больше, тем выше скорость перетекания рабочего тела из первого цилиндра во второй.

Если при сжатии рабочих тел в первом и во втором цилиндрах давления P₁ и P₂ практически равны и перетекания не будет, то при воспламенении рабочего тела в первом цилиндре давление P₁ будет быстро расти и достигнет после прохождения поршнем BMT₁ максимального значения P_1max.

Определим по формуле (1) скорость перетекания рабочего тела из первого цилиндра во второй в период, когда в первом цилиндре давление газов достигнет P_1max.

Для расчета примем:
g = 9,8 м/с; ω = 1,3 кг/м³; P_1max = 35 кг/см²; ε₁= 8 (степень сжатия);
P_2max = 13 кг/см²; ω₁= 1,3; α₁= 0,9.
Тогда получаем

и v₁ = 643,9 м/с.

Трение рабочего тела о стенки канала при перетекании несколько уменьшает эту теоретическую скорость. Приведенный расчет показывает, что до воспламенения рабочего тела во втором цилиндре рабочее тело после воспламенения из первого цилиндра во второй перетекает со скоростями, достигающими значений 500-650 м/с для α₁= 0,7...0,95.
После воспламенения и роста давлений во втором цилиндре давление в первом цилиндре снижается, поскольку в нем поршень начал совершать рабочий ход при движении вниз от BMT₁, что приведет к выравниванию давлений P₁ и P₂ (фиг.4), и будет прекращено перетекание рабочего тела из первого цилиндра во второй, а затем по мере снижения давления в первом цилиндре и росте давления во втором смешанное рабочее тело из второго цилиндра будет перетекать в первый (фиг. 5) со скоростью v₂.

Используя формулу (1), рассчитаем скорость перетекания смешанного рабочего тела из второго цилиндра в первый при достижении во втором цилиндре максимального давления P_2max.

Для расчета примем:
P₁ = 28 кг/см²; P₂ = 38 кг/см²; ε₁= 9; ω₂= 1,3; α₂= 1,6.
Тогда получаем

и v₂ = 409 м/с.

Скорость перетекания из второго цилиндра в первый смешанного рабочего тела достигает значений 350-420 м/с для α₂= 1,5...3,0.
Анализ формулы (1) свидетельствует о том, что рассчитанные скорости перетекания рабочих тел из первого цилиндра во второй и обратно не зависят от размеров проходного сечения канала, соединяющего сообщающиеся цилиндры.

Рассчитанные скорости перетекания рабочих тел позволяют утверждать, что в результате воздействия струй рабочих тел с огромными скоростями истечения вихревые турбулентные потоки в камерах сгорания сообщающихся цилиндров приобретут новое качество и обеспечат высокую полноту и скорость сгорания топлива в обоих цилиндрах, причем в первый цилиндр из второго поступит объединенное рабочее тело с избытком кислорода (бедная смесь).

Работа двигателя на бедных и сверхбедных смесях обеспечивает большую экономичность и снижение содержания вредных веществ в выхлопных газах. Об этом свидетельствуют первые эксплуатационные испытания автомобиля "Мицубиси-Каризма", в котором применен непосредственный впрыск бензина и работа двигателя на бедных смесях ("За рулем", N2, февраль, 1998 г., стр.28 "Каризма" - первенец непосредственного впрыска). Так, двигатель "Джи-Ди-Ай", установленный на этой машине, при средней скорости 90 км/ч продемонстрировал рекордно низкий расход топлива - 4,8 л на 100 км.

Перетекание рабочих тел из второго цилиндра в первый будет продолжаться до выравнивания в них температур (давлений) или при большом сопротивлении перетеканию до открытия выпускных клапанов 4,10 (фиг.6 и фиг.7). При движении поршней 1 и 11 от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ) отработавшие рабочие тела будут удалены из первого и второго цилиндров, а затем при движении поршней вниз от ВМТ будет повторен такт впуска рабочих тел в оба цилиндра и т.д. (фиг. 1).

Перетекание рабочих тел из первого цилиндра во второй и обратно в процессе сгорания топлива способствует уменьшению максимального давления сгорания.

Так, на максимальной мощности при n = 2000 об/мин максимальное давление PZ₁, уменьшилось на 0,9 МПа, а во втором цилиндре PZ₂ - на 0,6 МПа в сравнении с базовым вариантов.

Формула изобретения

1. Рабочий процесс ДВС с сообщающимися цилиндрами, содержащий последовательно осуществляемые впуск и сжатие рабочих тел, искрообразование, воспламенение, рабочий ход и выпуск рабочих тел, реализуемые в сообщающихся цилиндрах асинхронно по углу поворота коленчатого вала, отличающийся тем, что на такте впуска во втором цилиндре подают рабочее тело, состоящее из топливовоздушной смеси, а при горении рабочего тела в первом цилиндре снижают максимальное давление сгорания, направляя часть рабочего тела во второй цилиндр, после чего воспламеняют образовавшуюся смесь рабочих тел во втором цилиндре, прекращают перетекание рабочего тела из первого цилиндра во второй и направляют часть горящей смеси из второго цилиндра в первый, снижая максимальное давление сгорания во втором цилиндре.

2. Рабочий процесс по п.1, отличающийся тем, что при горении рабочего тела в первом цилиндре направляемая во второй цилиндр часть составляет 5 - 30%.

3. Рабочий процесс по пп.1 и 2, отличающийся тем, что одновременно с воспламенением рабочего тела в первом цилиндре формируют факел и направляют его во второй цилиндр.

4. Рабочий процесс по пп.1 - 3, отличающийся тем, что процесс впуска рабочих тел в сообщающиеся цилиндры осуществляют асинхронно с опережением по углу поворота коленчатого вала 0 - 15^o, с базой отсчета от второго цилиндра.

5. Рабочий процесс по пп.1 - 4, отличающийся тем, что процесс выпуска рабочих тел из сообщающихся цилиндров осуществляют асинхронно с опережением по углу поворота коленчатого вала в 0 - 20^o, с базой отсчета от второго цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9