Способ работы двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям со сжиганием горючей смеси, а также к двигателям со сжатием воздуха и последующей подачей топлива с самовоспламенением, в частности к рабочим процессам данных двигателей. Способ работы двигателя внутреннего сгорания включает цикловую подачу топлива до получения теоретической температуры его горения, увеличивая при этом степень сжатия рабочей смеси (воздуха) и подбирая угол опережения зажигания (начала подачи топлива) до получения максимального давления в цилиндре данного двигателя. Изобретение обеспечивает повышение КПД, понижение токсичности выхлопных газов, повышение надежности двигателя за счет исключения явления диссоциации продуктов сгорания.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям со сжиганием горючей смеси, а также к двигателям со сжатием воздуха и последующей подачи топлива с самовоспламенением, в частности к рабочим процессам данных двигателей.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем осуществления цикловой подачи топлива, сжатия рабочей смеси (воздуха) и установки угла опережения зажигания (начала подачи топлива), который можно проследить на примере теплового расчета двигателей (карбюраторного и дизеля), (см. И.М. Ленин "Теория автомобильных и тракторных двигателей". Машиностроение., М., 1969 г., с. 330 - 363).

В известном способе работы двигателя внутреннего сгорания прежде всего задаются составом горючей смеси, характеризуемой коэффициентом избытка воздуха , являющимся основой выбора цикловой подачи топлива. Значение коэффициента = 0,9 - 1,5 (где для карбюраторных двигателей = 0,9 - 1, а для дизельных = 1,2 - 1,5). Полученные значения цикловой подачи топлива вводят в двигатель. Затем выбирают степень сжатия рабочего тела (термодинамическая степень сжатия есть отношение удельного объема рабочего тела в начале сжатия Va к удельному объему в конце сжатия Vc) и подбирают угол опережения зажигания (начала подачи топлива).

Известно, что с повышением степени сжатия растет КПД и теоретический и эффективный. Но на протяжении десятков лет (1969 - 1999 гг.) значения степеней сжатия остались практически неизменными. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания имеют степень сжатия = 10, а дизельные = 15-17 в массовом производстве. Это объясняется тем, что реализовать повышение КПД за счет повышения степени сжатия в настоящее время не представляется возможным из-за того, что повышение степени сжатия при постоянстве цикловой подачи приводит к дальнейшему повышению температуры продуктов сгорания выше 2000oC, что соответственно вызывает повышение степени диссоциации продуктов сгорания, уменьшает теплоту сгорания, а следовательно, не приводит к повышению КПД (см. И. М. Ленин "Теория автомобильных и тракторных двигателей". Машиностроение, М., 1969 г., с 122 - 124).

Кроме того, в двигателях внутреннего сгорания состав горючей смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха = 0,9 - 1,5. Из-за малого количества молекул кислорода для окисления и недостаточности времени (~ 0,01 с) для нахождения молекулами кислорода молекул углерода и водорода отсутствуют условия для качественного сгорания топлива, что приводит к токсичности выхлопных газов. Следует отметить, что все попытки повышения степени сжатия в двигателях внутреннего сгорания наталкивались на детонационное сгорание в карбюраторных двигателях и на жесткую работу в дизельных двигателях, приводящие к преждевременному износу и разрушению двигателя. Детонационное сгорание и жесткая работа двигателей связана с явлением диссоциации, а значит, с высокими температурами.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД двигателей внутреннего сгорания, уменьшение токсичности выхлопных газов, повышение надежности двигателей за счет исключения явления диссоциации продуктов сгорания.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания путем осуществления цикловой подачи топлива, сжатия рабочей смеси (воздуха) и установки угла опережения зажигания (начала подачи топлива), величину цикловой подачи топлива устанавливают до получения теоретической температуры его горения. Вводим ограничение максимальной температуры продуктов сгорания в рабочем цикле двигателя до теоретической температуры горения сжигаемого топлива, которая для всех видов топлива находится в пределах 2000oC (см. М.Б. Равич, "Эффективность использования топлива". Наука, М., 1977 г., с. 101 и с. 315). При такой температуре не происходит явление диссоциации, а следовательно, связанные с ним негативные процессы (детонационное сгорание и жесткая работа соответственно для карбюраторного двигателя и дизеля), уменьшающие КПД.

Ограничение температуры до 2000oC вызывает изменение состава горючей смеси в сторону обеднения, когда воздуха подается больше, что приводит к более качественному и полному сгоранию, а следовательно, к уменьшению токсичности выхлопных газов.

Соответственно данной теоретической температуре определяем необходимую цикловую подачу топлива, величина которой по сравнению с существующим способом будет меньше из-за ограничения температуры сгорания топлива.

Далее подбираем угол опережения зажигания (начала подачи топлива) до получения максимального давления в цилиндре данного двигателя.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания рассмотрим на примере карбюраторного двигателя при Vconst.

Прежде всего определим теоретическую температуру горения сжигаемого топлива tтeop = tmax0,94 tmax(бензин) = 2110oC (табл. 153, М.Б. Равич "Эффективность использования топлива", М., Наука, 1977 г., с. 315) tтeop= 1983,4oC~2000oC Задаемся различными значениями степеней сжатия, например = 10; = 15; = 20, и определим значения температуры конца сжатия рабочего тела Tс Tc = Tan-1, где Ta - температура начала процесса сжатия (температура окружающей среды, равная + 27oC) Ta = 300K n - показатель политропы сжатия, принимаем 1,37 при = 10 Tc = 300100,37 = 640K
= 15 Tc = 300 150,37 = 763K
= 20 Tc = 300 200,37 = 865K
Определяем количество подводимой удельной теплоты для каждого значения степени сжатия
q = Cv(2273K - Tc),
где
Cv - средняя удельная теплоемкость рабочего тела при Vconst в интервале температур от Tc до 2273K.

Для расчета принимаем Cv = 0,23 ккал/кгoС
q(10) = 0,23(2273o-640o)=375 ккал/кг
q(15) = 0,23(2273o-763o)=346 ккал/кг
q(20) = 0,23(2273o-865o)=326 ккал/кг
Соответственно каждому значению q определяем цикловую подачу топлива
10000 ккал - 1000 г
375 ккал - X
X = 37,5 г/кг (для = 10)
X = 34,6 г/кг (для = 15)
X = 32,6 г/кг (для = 20)
Исходя из удельного объема воздуха 1 кг/м3 на 1 л объема, описываемого поршнем, необходимо подать 37,5 мг/л; 34,6 мг/л; 32,6 мг/л.

Определяем состав горючей смеси для каждой степени сжатия

где hu - теплотворная способность топлива;
L0 - теоретически необходимое количество воздуха (15 кг) для сгорания 1 кг топлива;
q - количество подведенной удельной теплоты к 1 кг рабочего тела



Определим степень повышения давления




Определим давление конца сжатия
Pc = Pa 0,9 n ,
где n = 1,37 (показатель политропы сжатия)
Pa = 1 кг/см3 - давление начала сжатия
Pc(10) = 10,9100,37 = 16 кг/см2
Pc(15) = 10,9150,37 = 31 кг/см2
Pc(20) = 10,9200,37 = 50 кг/см2
Определяем максимальное давление цикла
Pz = Pc
Pz(10) = 163,5 = 56 кг/см2
Pz(15) = 312,95 = 91 кг/см2
Pz(20) = 502,63 = 130 кг/см2
Определим термический КПД цикла




Удельная работа 1 кг рабочего тела определяется уравнением
Al0 = t q
где A - тепловой эквивалент работы, равный
lo - работа, выраженная в кгм.

Alo(10) = 0,575375 = 215 ккал/кг
Al0(15) = 0,63346 = 218 ккал/кг
Al0(20) = 0,67326 = 218 ккал/кг
На основании изложенного видно, что при постоянной максимальной температуре рабочего тела Tz = 2273oK, которая исключает явление диссоциации, а вместе с тем негативные процессы (детонационное сгорание и жесткую работу) с повышением степеней сжатия, цикловые подачи уменьшаются, а максимальные давления в цикле повышаются. Термический КПД растет, а удельная работа остается на постоянном уровне при степени сжатия до = 20.

При степени сжатия > 20 удельная работа начинает уменьшаться, например Al0(30) = 200 ккал/кг.

Значения максимальных давлений будут находиться в пределах выше достигнутого уровня в существующих двигателях. Высокие давления могут быть снижены путем подбора угла опережения зажигания (начала подачи топлива) до необходимых значений.

Углом опережения зажигания (начала подачи топлива) можно управлять процессом изменения максимальных давлений в цикле.

Pz = 130 кг/см2 при = 20 в условиях Vconst
Pz = Pc = 50 кг/см2 при = 20 в условиях Pconst
При смешанном цикле Pz будут находиться в интервале значений от 50 до 130 кг/см2 при = 20.

При уменьшении удельной работы рабочего тела при высоких степенях сжатия необходимо повысить мощность двигателя путем увеличения расхода рабочего тела, применяя наддув или увеличивая число оборотов двигателя.

Итак, предложенный способ работы двигателя внутреннего сгорания позволяет повысить КПД двигателя за счет возможности применения повышенных значений степеней сжатия, уменьшить токсичность выхлопных газов за счет полного качественного сгорания при увеличенных значениях коэффициента избытка воздуха, повысить надежность двигателя за счет исключения явления диссоциации и с ним связанных явлений.


Формула изобретения

Способ работы двигателей внутреннего сгорания путем осуществления цикловой подачи топлива, сжатия рабочей смеси (воздуха) и установки угла опережения зажигания (начала подачи топлива), отличающийся тем, что величину цикловой подачи топлива устанавливают до получения теоретической температуры его горения, увеличивая при этом степень сжатия рабочей смеси (воздуха) и подбирая угол опережения зажигания (начала подачи топлива) до получения максимального давления в цилиндре данного двигателя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам впрыска для двигателя внутреннего сгорания, а именно для дизельного двигателя, использующего основное топливо впрыска и топливо предварительного впрыска, которое может отличаться от основного топлива впрыска

Буна // 1472705
Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для защиты от волновых разрушений берегов и откосов земляных сооружений, возводимых на эксплуатируемых водоемах

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к устройствам двигателей внутреннего сгорания со свободным поршнем

Изобретение относится к области автомобилестроения, а именно к технологии организации процесса горения топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и позволяет, используя цепную реакцию углерода масел с кислородом, повысить мощность, уменьшить токсичность на различных режимах работы двигателя и на холостом ходу

Изобретение относится к двигателестроению

Изобретение относится к области регулирования впрыска в двигателях с самовоспламенением топлива. Техническим результатом является снижение токсичности отработавших газов при сжигании топлив с различным цетановым числом. Сущность изобретения заключается в том, что регулируют давление впрыска топлива, а также момент начала его впрыска в ответ на обратную связь по горению топливовоздушной смеси. Причем давление впрыска повышают, если момент начала впрыска запаздывает. 2 н и 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к управлению авиационных двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Техническим результатом является повышение эффективности управления двигателем. Сущность изобретения заключается в том, что система имеет элемент двигателя, элемент трансмиссии и элемент воздушного винта. Система содержит один или более элементов измерения давления в камере сгорания, выполненных с возможностью измерения пикового давления в цилиндре (Pmax) в одной или более камер сжатия элемента двигателя. Причем устройство системы управления выполнено с возможностью осуществления стратегии управления в элементе двигателя на основе сравнения Pmax с заданным «нормальным» максимальным давлением в цилиндре (Pmax n). При этом стратегия управления выполнена с возможностью выполнять опережение момента времени впрыска топлива в каждой из одной или более камер сжатия элемента двигателя, если Pmax больше, чем Pmax n, для компенсации большего отставания зажигания и более высокой характеристики пикового давления в цилиндре у низкоцетанового топлива. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 30 ил.

Настоящее изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Одноцилиндровая головка цилиндра (1) для установки на одной из многочисленных секций цилиндров большого двигателя внутреннего сгорания содержит корпус головки цилиндра (2), имеющий сторону газовой системы (6), сторону штанги толкателя (8), расположенную напротив стороны газовой системы (6) и круговую поверхность рубашки цилиндра (4) с центральным отверстием форсунки (10), парой входных отверстий и парой выходных отверстий. Центральное отверстие форсунки расположено в центре круговой поверхности рубашки цилиндра (4). Центральная ось проходит через центральное отверстие форсунки от стороны газовой системы (6) до стороны штанги толкателя (8). Пара выходных отверстий и пара входных отверстий расположены на противоположных сторонах по отношению к центральной оси. Центральная выемка для форсунки (18) проходит через корпус головки цилиндра (2) к центральному отверстию форсунки. Канальная система впуска газа (20) проходит от стороны газовой системы (6) через корпус головки цилиндра (2) к паре входных отверстий. Канальная система выпуска газа (22) проходит от пары выходных отверстий через корпус головки цилиндра (2) к стороне газовой системы (6). Канал штанги толкателя (28) проходит через корпус головки цилиндра (2) на стороне штанги толкателя (8). В общей сложности ровно пять отверстий для крепления цилиндра (30, 32, 34, 36, 38) проходят через корпус головки цилиндра (2) на наружной круговой области одноцилиндровой головки цилиндра (1). В общей сложности ровно пять отверстий для крепления цилиндра (30, 32, 34, 36, 38) расположены на разном расстоянии друг от друга вокруг центральной выемки для форсунки. Также раскрыты блок двигателя для большого двигателя внутреннего сгорания и большой двигатель внутреннего сгорания. Технический результат заключается в оптимизации конструкции канала циркуляции всасываемого воздуха и выхлопных газов, а также повышении жесткости конструкции. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложен ДВС, оснащенный аккумуляторной системой подачи топлива, включающей топливный насос высокого давления, гидравлический аккумулятор высокого давления, электроуправляемые форсунки 5, расположенные в цилиндрах 1 ДВС, соединенные гидравлически, электронный блок управления. В каждом цилиндре двигателя расположены, по меньшей мере, две взаимозаменяемые топливные форсунки, оснащенные распылителями, отличающимися количеством, расположением и ориентацией распыливающих отверстий. Наличие в каждом цилиндре, по меньшей мере, двух электроуправляемых форсунок с возможностью осуществлять варьирование закона подачи топлива позволяет оптимизировать характеристики распыливания топлива не только по времени цикла, но и в объеме цилиндра за счет выбора расположения форсунок для конкретной конструкции ДВС с учетом особенностей вихреобразования в цилиндре. Это расширяет возможности совершенствования рабочего процесса ДВС. 2 ил.
Наверх