Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Использование: двигателестроение, в частности способы организации рабочего процесса двигателей с воспламенением от сжатия и объемным смесеобразованием.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (патент Российской Федерации N 2113604 C1 кл. F 02 B 3/12 (БИ N 17 за 1998 г.), в котором повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя с объемным смесеобразованием и воспламенением от сжатия достигается применением впрыскивания топлива в цилиндр за две фазы, причем вторая фаза (порция) топлива подается в цилиндр во время рабочего хода поршня, когда угол между шатуном и кривошипом коленчатого вала составляет 150-190^o. Такое решение позволяет повысить КПД ДВС за счет улучшения преобразования тепловой энергии в механическую, поскольку рост давления газов над поршнем, обусловленный тепловыделением от сгорания второй порции топлива, формирует крутящий момент при наиболее благоприятных сочетаниях угловых положений шатуна и кривошипа коленчатого вала, что приводит к росту крутящего момента, а следовательно, и мощности при постоянных частоте вращения и массе впрыснутого топлива.

Указанный способ организации рабочего процесса не рассматривает эффективность рабочего процесса с точки зрения токсичности отработавших газов (ОГ). Очевидно, что в связи с ростом требований, ограничивающих предельно допустимую величину концентрации токсичности компонентов (NO_x, CO, CH) и дымности ОГ, эффективность рабочего процесса нельзя оценивать без учета указанных показателей, количественное значение которых, так же как и экономичности, определяется способом организации рабочего процесса,
Как известно, выход NO_x связан с максимальной температурой газов в цилиндре (T_max) как средней по объему, так и ее локальными значениями, а также с концентрацией кислорода в зонах окисления.

При этом наибольшее влияние в зоне рабочих коэффициентов избытка воздуха (α) для двигателей оказывает температура газов.

Выход CO и сажи (r) связан и с качеством смесеобразования, его полнотой и со своевременностью сгорания.

Экономичность двигателя связана с термодинамическим КПД, являющимся функцией T_max, ε, α и качеством сгорания.

Таким образом, стремление уменьшить NO_x за счет снижения T_max и α неминуемо должно приводить к росту удельного расхода топлива (b), CO и r. В этом случае для исключения вредного воздействия процесса снижения NO_x на указанные показатели требуется интенсифицировать процесс сгорания за ВМТ.

Проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали целесообразность ведения рабочего процесса ДВС следующим образом:
1. Необходимо снизить температуру воздуха в цилиндре в начале сжатия;
2. Ограничить поступление топлива по ВМТ;
3. Впрыснутое до ВМТ топливо (условно - первая фаза впрыска) должно подготовить основную порцию топлива, впрыскиваемую за ВМТ, к интенсивному сгоранию, в связи с чем количество топлива в первой фазе должно быть достаточным для воспламенения последующих порций топлива без гашения пламени;
4. Основная порция топлива должна подаваться за ВМТ с большой интенсивностью, высокой дисперсностью и заканчиваться в зависимости от величины цикловой подачи в диапазоне 20-30^o поворота коленчатого вала за ВМТ;
5. Начало периода максимальной скорости сгорания топлива должно совпадать с началом интенсивного движения поршня к НМТ, т.е. после (10-15)^o поворота коленчатого вала за ВМТ, когда работа расширения газа максимально возможно будет компенсировать прирост энергии от сгорания топлива и тем самым снижать рост максимальной температуры газов в цилиндре двигателя;
6. Процесс сгорания должен заканчиваться не позднее 40-60^o поворота коленчатого вала за ВМТ в зависимости от цикловой подачи.

Указанные положения могут быть реализованы различными мерами.

По пункту 1: повышением эффективности охлаждения наддувочного воздуха за счет поверхности или коэффициентов теплопередачи охладителя, за счет цикла Миллера и др.

По пункту 2, 3, 4: применение ступенчатого или двухфазного впрыска топлива, в общем случае применением законов с изменяющейся объемной скоростью подачи топлива, например, электрогидравлической системой впрыска топлива и др.

Интенсивность и высокая дисперсность впрыска во второй фазе могут достигаться одновременно с первой фазой за счет общего увеличения объемной скорости подачи и изменения эффективного проходного сечения сопловых наконечников или другими методами.

По пункту 5: применение более позднего опережения подачи топлива в сочетании с более высокой степенью сжатия (расширения).

Чем выше степень сжатия (расширения) тем более интенсивно растет энергия, затрачиваемая на расширение газов в цилиндре, и, следовательно, более интенсивно сдерживается скорость роста температуры газов.

По пункту 6: быстрому завершению процесса сгорания способствуют кроме указанных выше мероприятий также повышение давления конца впрыска, уменьшение объема топлива под иглой форсунки и др. Задачей настоящего изобретения является достижение качественно новой организации рабочего процесса, при которой удается снизить количество вредных составляющих эмиссий выхлопных газов без ухудшения расхода топлива.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что рабочий процесс двигателя с объемным смесеобразованием и воспламенением от сжатия осуществляется с помощью двухфазной подачи топлива с подачей второй фазы при рабочем ходе поршня, причем количество топлива первой фазы выбирается минимально необходимым для воспламенения топлива второй фазы без гашения пламени в цилиндре, при этом ввод второй порции топлива обеспечивает максимальную скорость горения с момента, соответствующего (10-15)^o поворота коленчатого вала за верхнюю мертвую точку в зависимости от цикловой подачи топлива. Эффективность предлагаемого способа может быть повышена снижением интенсивности роста температуры газов в цилиндре совместно с повышением термодинамического коэффициента полезного действия двигателя путем одновременного повышения степени сжатия и уменьшения опережения подачи топлива.

Кроме того, для достижения дополнительного эффекта с помощью указанного способа на долевых режимах предлагается применять однофазную подачу, а на режимах с мощностью более 70% - двухфазную подачу.

Реализация предлагаемого способа организации рабочего процесса на двух модификациях дизелей Д49 (16 ЧН 26/16 и 12 ЧН 26/26) производства ОАО "Коломенский завод" и мощностью 2230 кВт и 2940 кВт позволила обеспечить выбросы вредных составляющих эмиссий в пределах требований международного союза железных дорог практически без снижения среднеэксплуатационного расхода топлива.

В настоящее время серия таких двигателей успешно работает на железных дорогах Германии.