Результат интеллектуальной деятельности: Способ работы ДВС

Изобретение относится к двигателестроению и особенно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с разделенным рабочим циклом.

Известен способ работы ДВС с разделенным рабочим циклом, а именно процесс всасывания и сжатия топливовоздушной смеси выполняют в одном цилиндре, а процесс сгорания и выпуска продуктов сгорания - во втором (см. патент RU №2286470). Этот способ работы двигателя, известного как двигатель Кармело Скудери, несмотря на увеличение КПД до 10%, снижение до 60% в выхлопных газах NO₂, и CO на отдельных режимах работы, обладает следующими недостатками:

- сжатие рабочей смеси до высокого давления производят в одной ступени;

- потеря рабочей смеси через уплотнения в процессе сжатия;

- сокращение вдвое числа рабочих цилиндров;

- невысокая эффективность при работе на режимах малой и средней нагрузок.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ работы ДВС, включающий внешнее многоступенчатое сжатие воздуха до давления, равного давлению конца сжатия в камере сгорания, нагрев сжатого воздуха до температуры воспламенения топлива за счет тепловой энергии отработавших газов, заполнение этим воздухом части рабочего объема цилиндра, впрыскивание топлива, сгорание и расширение рабочей смеси, осуществляемые на первом такте, и выпуск отработавших газов с организацией подогрева сжатого воздуха во втором такте (см. патент RU №2246625).

Основными недостатками данного способа являются:

- организация нагрева сжатого в компрессоре воздуха до температуры воспламенения топлива за счет рекуперативного теплообмена с отработанными газами, что приводит к существенному усложнению конструкции ДВС;

- снижение топливной экономичности при отклонении работы ДВС от номинального режима;

- довольно высокий процент сажи и оксидов азота в отходящих газах как в области с обедненной, так и обогащенной топливовоздушной смеси.

Решаемая задача - повышение экономической и экологической эффективности при упрощении конструктивной схемы ДВС.

Решение поставленной задачи заключается в том, что внешнее многоступенчатое сжатие воздуха до давления, равного давлению конца сжатия в камере сгорания, нагрев сжатого воздуха до температуры воспламенения топлива за счет тепловой энергии отработавших газов, заполнение этим воздухом части рабочего объема цилиндра, впрыскивание топлива, сгорание и расширение рабочей смеси, осуществляемые на первом такте, и выпуск отработавших газов с организацией подогрева сжатого воздуха во втором такте, а выпуск отработавших газов выполняют только на части такта, а на другой производят сжатие рециркуляционной части отработавших газов, впуск в камеру сгорания заряда воздуха с давлением и температурой конечной ступени компримирования, нагрев заряда воздуха до температуры воспламенения топлива за счет теплоты от сжатия рециркуляционной части отработавших газов, после чего на первом такте вначале выполняют впрыск топлива, сгорание рабочей смеси, а далее в процессе ее расширения осуществляют циклические подачи заряда сжатого воздуха и топлива, сгорание и расширение всего количества рабочей смеси до конца первого такта, при этом в зависимости от режима работы двигателя регулируют как количественное соотношение порций воздуха и топлива, так и их цикличность, а кроме того, количество рециркуляционной части отработавших газов.

Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию новизны.

Сущность изобретения поясняется с помощью рис. 1 и рис. 2.

На рис. 1 приведена принципиальная схема двигателя, работающего по данному способу.

На рис. 2 показана теоретическая диаграмма цикла двигателя в координатах P-V.

Двигатель с разделенным рабочим циклом включает собственно двигатель, состоящий из цилиндра 1, поршня 2, кривошипно-шатунного механизма 3, форсунки 4, клапана впуска 5 и клапана выпуска 6, многоступенчатый компрессор 7, механически связанный с кривошипно-шатунным механизмом 3 двигателя, а пневматически - с клапаном впуска 5 двигателя, и воздушный турбокомпрессор 8.

Способ работы осуществляют следующим образом. По окончании первого такта рабочего цикла в НМТ открывается клапан выпуска 6. При движении поршня 2 от НМТ к ВМТ производят выпуск отработавших газов из цилиндра 1, который выполняют только на части второго такта до момента закрытия клапана выпуска 6, после чего производят сжатие оставшейся рециркуляционной части отработавших газов. В результате сжатия повышается давление и температура отработавших газов. При достижении поршнем 1 ВМТ открывается клапан впуска 5 и в камеру сгорания осуществляют впуск воздуха с температурой и давлением после конечной ступени многоступенчатого компрессора 7. В результате впуска производят нагрев заряда сжатого воздуха до температуры воспламенения топлива за счет теплоты от сжатия рециркуляционной части отработавших газов. После заполнения камеры сгорания зарядом сжатого воздуха закрывают клапан впуска 5, после чего на первом такте вначале осуществляют впрыск топлива, сгорание рабочей смеси, а далее в процессе ее расширения производят циклические подачи заряда сжатого воздуха и впрыск топлива, сгорание и расширение всего количества рабочей смеси до конца первого такта, который продолжается до НМТ, в которой открывается клапан выпуска 6 и часть отработавших газов в процессе выталкивания, совершаемого на части второго такта, поступает в турбокомпрессор 8, где под действием энергии отработавших газов происходит первоначальное сжатие воздуха, что позволяет уменьшить мощность, затрачиваемую двигателем на сжатие воздуха. Далее воздух подается на вход компрессора 7, где производится окончательное сжатие воздуха за счет части работы, отбираемой непосредственно от двигателя. После закрытия клапана выпуска 6 вновь происходит процесс сжатия оставшегося количества отработавших газов в цилиндре 1 и цикл повторяется.

В зависимости от режима работы двигателя регулируют как цикличность подачи дополнительных порций свежего воздуха и топлива, так и их количественное соотношение, а также и количество рециркуляционной части отработавших газов.

На рис. 2 изображена теоретическая диаграмма цикла двигателя в координатах Р-V, поясняющая ранее описанный способ работы двигателя. Как видно из диаграммы, весь рабочий цикл состоит из следующих процессов:

- d-f - выпуск отработавших газов при постоянном давлении P_d=P_f,

- f-h - сжатие оставшейся рециркуляционной части отработавших газов;

- a-h - наполнение камеры сгорания сжатым воздухом с давлением Р_а (давлением и температурой после конечной ступени компрессора);

- b-а - впрыск топлива и изохорный процесс сгорания рабочей смеси с повышением давления от Р_а до P_b;

- b'-с' - изохорный процесс сгорания свежей рабочей смеси за счет первого впрыска заряда воздуха и топлива;

- b'-сʺ - расширение общего количества рабочей смеси от давления P_b' до P_cʺ;

- bʺ-сʺ - изохорный процесс сгорания свежей рабочей смеси за счет второго впрыска заряда воздуха и топлива;

- bʺ-сʺ - расширение общего количества рабочей смеси от давления P_b'' до P_cʺ';

- cʺ'-d - выхлоп отработавших газов до давления P_d в момент открытия клапана выпуска в НМТ;

- b-с - расширение рабочей смеси от давления P_b до P_c<P_f без дополнительных впрысков заряда воздуха и топлива.

Площадь на диаграмме, заключенная внутри контура d-f-h-a-b-c'-b'-сʺ-bʺ-c'ʺ-d, соответствует работе, произведенной двигателем за рабочий цикл.

Площадь на диаграмме, заключенная внутри контура d-f-h-a-b-c-d, соответствует работе двигателя, произведенной двигателем без подачи дополнительных порций воздуха и топлива в процессе расширения рабочей смеси на первом такте. Таким образом, увеличение работы двигателя будет соответствовать площади, обозначенной контуром с-с'-b'-сʺ-bʺ-с'ʺ-с.

Выполненные расчеты показали, что если в цилиндре двигателя по ходу второго такта осуществлять сжатие отходящих газов в количестве от 15% до 45% и подачу в конце сжатия в камеру сгорания определенного заряда свежего воздуха с давлением от 1,5 МПа до 5,5 МПа и температурой от 400 К до 450 К, то за счет тепла от сжатия отходящих газов температура рабочей смеси, образующейся в камере сгорания, будет составлять от 835 К до 1075 К, что гораздо выше температуры воспламенения дизельного топлива.

Вместе с тем общеизвестно, что эффективная доля рециркуляции отходящих газов в современных двигателях составляет для легковых автомобилей до 50%, а грузовых до 35%, что позволяет до 60÷70% уменьшить NO_x в отходящих газах, однако этот эффект достигается за счет снижения мощности ДВС, так как сокращается заряд свежего воздуха и количество топлива, участвующих в рабочем цикле. В предлагаемом способе, как понятно из описания и диаграммы цикла двигателя, удается увеличить мощность двигателя за счет организации дополнительных впрысков порций топлива и воздуха в процессе расширения рабочей смеси. Кроме того, процессы впрысков порций сжатого воздуха и топлива сопровождаются генерацией вихревых движений обоих компонентов, что позволяет с одной стороны снизить задержку воспламенения, обеспечить высокую скорость процесса сгорания и уменьшить вероятность образования температурно-концентрационных неоднородных зон, что в итоге позволяет снизить расход топлива и обеспечит существенное снижение сажи и оксидов азота в отработавших газах.

Регулируя в зависимости от режима работы двигателя соотношение дополнительных порций топлива и воздуха, их цикличность, а также и степень внутренней рециркуляции отработавших газов, можно добиться оптимальных условий протекания рабочего цикла двигателя в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных характеристик. Таким образом, предлагаемый способ работы позволяет свести к минимальному значению «конфликт» между экологией и экономией топлива при его сгорании, создать ДВС с разделенным рабочим циклом, способный обеспечить перспективные нормы токсичных продуктов, сохраняя при этом высокую эффективность и экономичность.

Кроме того, предложенный способ работы, как понятно из описания, позволяет существенно упростить конструктивную схему двигателя, так как для нагрева сжатого воздуха до температуры воспламенения топлива не требуется рекуперативного теплообменника.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».