СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Предлагаемый способ относится к двигателестроению и может быть применен, например, для использования в автомобилестроении.

Известен двигатель внутреннего сгорания, в котором для повышения его коэффициента полезного действия (КПД) применяют воду, впрыскиваемую в рабочий цилиндр двигателя в виде мелких капель под давлением около 150 атмосфер, когда поршень возвращается в рабочее положение (Паровой фантом топлива: 6-тактный двигатель Кроуэра. - Популярная механика. - №6 (68). - 2008). Вода в нагретом цилиндре испаряется, обращаясь в пар и оказывая дополнительное давление на поршень, обеспечивает более полное использование тепловой энергии. Вследствие этого КПД двигателя существенно повышается примерно на 40%. Однако этот способ управления известным двигателем осуществляют при шеститактной схеме работы двигателя, что существенно усложняет его конструкцию. Кроме того, способ управления известным двигателем, способствуя дополнительному охлаждению двигателя, не позволяет утилизировать большую часть тепловой энергии, забираемую водяным паром, ее выбрасывают в атмосферу при продувке рабочего цилиндра.

Известен также двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2348819, способ управления которым принят за прототип. Двигатель по прототипу содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания и компрессорный цилиндр с поршнем. Двигатель содержит также каналы подачи топлива и воздуха и каналы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Компрессорный цилиндр снабжен двумя устройствами подачи топлива, расположенными одно в его нижней части, соединенное с каналом подачи воздуха, а другое - в верхней части, выше верхней мертвой точки компрессорного поршня. В канале подачи воздуха между дроссельной заслонкой и устройством для подачи топлива установлен датчик массового расхода воздуха, соединенный с контроллером, который соединен с устройством подачи топлива.

Способ управления двигателем по прототипу осуществляется следующим образом. После начала движения компрессорного поршня от верхней мертвой точки в полость компрессорного цилиндра через устройство для подачи топлива, расположенное в его верхней части, подают топливо, а внутрь полости компрессорного цилиндра - чистый воздух из атмосферы. В полости компрессорного цилиндра при движении компрессорного поршня от нижней к верхней мертвой точке топливовоздушная смесь сжимается и нагревается, происходит ее газификация и гомогенизация. Подготовленную таким образом смесь подают в камеру сгорания.

Двигатель по прототипу по сравнению с известными ранее двигателями обеспечивает более полное сгорание топлива, что повышает его мощность и стабильность работы и снижает токсичность выхлопных газов. Однако при работе двигатель по прототипу интенсивно нагревается, что требует применения системы охлаждения и снижает коэффициент полезного действия двигателя.

Технический результат предлагаемого способа управления двигателем заключается в повышении коэффициента полезного действия двигателя, дополнительном увеличении его мощности и снижении токсичности отработанных газов.

Сущность заявляемого способа управления двигателем внутреннего сгорания заключается в том, что топливовоздушную смесь подают в камеру сгорания из компрессорного цилиндра, снабженного одним или несколькими устройствами для подачи топлива. В отличие от прототипа частоту хода поршня компрессорного цилиндра увеличивают по сравнению с частотой хода поршня рабочего цилиндра в два или в большее число раз, кратное двум. Ход поршня компрессорного цилиндра устанавливают с опережением или с отставанием от хода поршня рабочего цилиндра. В интервале хода рабочего поршня от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой верхней точки (ВМТ) в камеру сгорания подают топливовоздушную смесь, а в интервале хода рабочего поршня от ВМТ к НМТ в камеру сгорания подают смесь воздуха с водой или заряд свежего воздуха. При мощностном режиме работы двигателя этот цикл повторяют.

На режимах холостого хода и частичных нагрузок, после подачи в камеру сгорания смеси воздуха с водой или заряда чистого воздуха повторяют подачу в камеру сгорания смеси воздуха с водой или заряда чистого воздуха в интервале хода рабочего поршня от НМТ к ВМТ и в интервале последующего за этим хода рабочего поршня от ВМТ к НМТ, затем этот цикл повторяют. Для образования смеси воды с воздухом в компрессорный цилиндр подают воду через устройство для подачи топлива.

Предлагаемый способ управления двигателем внутреннего сгорания иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид управляемого двигателя по прототипу, а на фиг. 2 - циклограмма работы двигателя по предлагаемому способу. На фиг. 1 сохранены обозначения всех деталей и элементов двигателя по прототипу. В описании предлагаемого способа использована только часть из них, необходимая при осуществлении предлагаемого способа. Остальные обозначения оставлены как справочные.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Частоту хода поршня 19 (см. фиг. 1) компрессорного цилиндра 17 устанавливают в два раза большей частоты хода поршня 2 рабочего цилиндра 1. Это может быть осуществлено любым известным способом, например, с помощью изменения передаточного отношения имеющейся в двигателе по прототипу кинематической связи штока 3 рабочего поршня 2 со штоком 32 компрессорного поршня 19. Топливовоздушную смесь (ТВС) подают в камеру сгорания 5 из полости 8 компрессорного цилиндра 13 через устройство для подачи топлива 12 и канал 36, обратный клапан 23, каналы 22 и 10. В это время рабочий поршень 2 перемещается (фиг. 2) от нижней мертвой точки (НМТ_р) к верхней мертвой точке (ВМТ_р), препятствуя выходу ТВС из камеры сгорания 5 в объем рабочего цилиндра 1. При положении рабочего поршня в 5…10° до ВМТ_р с помощью свечи зажигания 7 поджигают ТВС. Поршень 2 рабочего цилиндра 1 совершает рабочий ход. Во время хода рабочего поршня 2 от ВМТ_р к НМТ_р (фиг. 2) в полость 8 компрессорного цилиндра 17 подают смесь воздуха с водой. Воду при этом подают через устройства для подачи топлива 12 или 27, воздух - через канал 11 для подачи воздуха. Соотношение объемов воды и воздуха выбирают в зависимости от режима работы двигателя. При мощностных режимах содержание воды в водовоздушной смеси выбирают максимальным, а при режимах холостого хода и при малых нагрузках содержание воды выбирают минимальным или ограничиваются зарядом чистого воздуха. Конкретное количество воды в порции смеси ее с воздухом выбирают опытным путем в зависимости от объема рабочего цилиндра 1, типа горючего, номинальной мощности двигателя и ряда других факторов, зависящих от конструкции, назначения и других особенностей двигателя. При этом могут возникать ситуации, при которых подача воды окажется не целесообразной. В таких случаях вместо смеси воды с воздухом во время хода рабочего поршня 2 от ВМТ_р к НМТ_р подают заряд свежего воздуха.

При сжатии в компрессорном цилиндре 17 водовоздушная смесь (или заряд свежего воздуха) нагревается, вода частично или полностью испаряется. Заряд водовоздушной смеси подают через каналы 36, 22 и 10 в камеру сгорания 5 и в полость рабочего цилиндра 1. Известно, что температура газа в полости рабочего цилиндра достигает 1000…2500°C. Вода в смеси с воздухом нагреваются, водяной пар перегревается и паровоздушная смесь резко увеличивается в объеме, что повышает давление в рабочем цилиндре. В результате возрастает мощность двигателя. При этом уменьшается нагрев стенок рабочего цилиндра 1 и снижается температура выхлопных газов. Поскольку коэффициент полезного действия двигателя η определяют как отношение разности температур T₁ рабочего тела в цилиндре двигателя и температуры T₂ отработанных газов к T₂:η=(T₁-Т₂)/T₂, то очевидно, что применение предлагаемого способа повысит коэффициент полезного действия двигателя по сравнению со способом управления работой двигателя по прототипу. При мощностном режиме работы двигателя этот цикл повторяют.

При работе в режимах холостого хода и частичных нагрузок после подачи в камеру сгорания 5 топливовоздушной смеси так же, как и при мощностном режиме, поджигают эту смесь с помощью свечи зажигания 7, после чего при движении рабочего поршня 2 от ВМТ_р к НМТ_р (фиг. 2) подают в камеру сгорания 5 смесь воды с воздухом или заряд свежего воздуха. Однако при работе в режимах холостого хода и частичных нагрузок в интервале последующего за этим движения рабочего поршня 2 от к ВМТ_р и далее - при движении его от ВМТ_р к НМТр повторяют подачу в камеру сгорания 5 воды с воздухом или заряда свежего воздуха. Таким образом после рабочего хода поршня 2 при мощностном режиме смесь воды с воздухом или заряд свежего воздуха подают в камеру сгорания 2 один раз, а при режиме холостого хода и частичных нагрузок смесь воды с воздухом или заряд свежего воздуха подают трижды, после чего этот цикл многократно повторяют.

Следовательно, применение предлагаемого способа позволяет при всех режимах работы двигателя охлаждать рабочее тело внутри рабочего цилиндра и детали рабочего цилиндра. При этом тепло не выбрасывается в атмосферу, как это происходит при управлении двигателем по прототипу, а утилизируется. Повышается мощность двигателя, сокращается расход топлива, повышается чистота отработанных газов и увеличивается коэффициент полезного действия (КПД) двигателя.

Работоспособность двигателя при управлении им по предлагаемому способу экспериментально проверена в сравнении со способом управления двигателем по прототипу. При испытаниях двигатель работал в двухтактном режиме. В ходе испытаний двигатель работал на бензине АИ95 производства Башнефть при степени сжатия ε=14. Камера сгорания 5 двигателя имела цилиндрическую форму объемом 34 мл, а форкамера 6 - форму полусферы объемом 10 мл.

Испытания проводили на прогретом двигателе при частоте вращения коленчатого вала рабочего поршня 2 и поршня 19 при управлении двигателем по прототипу 1000 об/мин. При управлении двигателем по предлагаемому способу частота вращения коленчатого вала рабочего поршня 2 составляла 1000 об/мин, а частота вращения коленчатого вала компрессорного поршня 19 составляла 2000 об/мин. Частота хода компрессорного поршня была увеличена в два раза путем изменения передаточного числа зубчатой передачи, связывающей через коленчатые валы штоки 3 и 32 рабочего и компрессорного поршней. Двигатель при осуществлении управления им по предлагаемому способу работал в режиме частичных нагрузок в соответствии с диаграммой, показанной на фиг. 2.

Для контроля расхода топлива параллельно устройству для подачи топлива 12 подключали дополнительное аналогичное устройство для подачи топлива, которое впрыскивало топливо в мерную мензурку. При работе двигателя по предлагаемому способу воду в компрессорный цилиндр 17 подавали через устройство для подачи топлива 27 и канал 11, в котором вода смешивалась с воздухом. Объем подаваемой воды составлял 60% от расхода топлива на режиме испытания предлагаемого способа. Состав выхлопных газов проверяли газоанализатором «Инфракарн».

Результаты испытаний показали, что в выхлопных газах двигателя, управляемого по предлагаемому способу, по сравнению с прототипом содержание CO уменьшилось в два раза, содержание CH - в 2,5 раза, CO₂ - в 1,52 раза, а содержание O₂ увеличилось в 1,12 раз (см. таблицу). Коэффициент избытка воздуха в топливовоздушной смеси при управлении по предлагаемому способу составил 3,9 против 2,9 при управлении по прототипу. Расход топлива при этом уменьшился в 1,8 раза. Расход дистиллированной воды при управлении по предлагаемому способу составил 0,003 мг/цикл при работе двигателя в режиме частичных нагрузок.

Результаты измерений параметров работы двигателя в режиме частичных нагрузок при способе управления по прототипу и при управлении по предлагаемому способу

Полученные результаты испытания свидетельствуют о том, что применение предлагаемого способа управления двигателем обеспечивает достижение технического эффекта: повышается его КПД, дополнительно увеличивается его мощность и снижается токсичность отработанных газов. Кроме того, появляется возможность существенно упростить систему охлаждения двигателя. Предлагаемый способ легко осуществим применительно к известным конструкциям двигателей внутреннего сгорания, с небольшими конструктивными доработками, которые легко осуществляются путем применения известных технологий и оборудования. Способ может быть применен с использованием известных материалов. Следовательно, предлагаемый способ управления двигателем внутреннего сгорания обладает промышленной применимостью.