Способ управления двигателем внутреннего сгорания

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

Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2348819, который 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.

Управление известным двигателем 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. Конструкция известного двигателя и способ управления им 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.

Известен также способ управления двигателем внутреннего сгорания по патенту РФ №2656537, который принят за прототип. По прототипу топливовоздушную смесь подают в камеру сгорания из компрессорного цилиндра, снабженного одним или несколькими устройствами для подачи топлива. 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.

Способ по прототипу обеспечивает повышение КПД двигателя, дополнительно увеличивает его мощность и снижает токсичность отработанных газов. Кроме того, появляется возможность существенно упростить систему охлаждения двигателя.

Однако газификация и гомогенизация топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре возможна только в определенных пределах параметров этого процесса, которые прототипом не предусматриваются. Кроме того, подача в камеру сгорания смеси воды с воздухом через компрессорный цилиндр возможна лишь при предварительном нагреве компрессорного цилиндра до высокой температуры, обеспечивающей испарение подаваемой воды. Но при такой температуре возникает опасность возгорания топливовоздушной смеси непосредственно в компрессорном цилиндре, что может привести к разрушению двигателя.

Поэтому технический результат предлагаемого способа: обеспечение безопасности и стабильности работы двигателя.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что топливовоздушную смесь впрыскивают в камеру сгорания из компрессорного цилиндра, снабженного одним или несколькими устройствами для подачи топлива. Ход поршня компрессорного цилиндра устанавливают с опережением или отставанием относительно хода поршня рабочего цилиндра. В интервале хода рабочего поршня от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ) в камеру сгорания подают топливовоздушную смесь, а в интервале хода рабочего поршня от ВМТ до НМТ в камеру сгорания подают смесь воздуха с водой или заряд свежего воздуха.

В отличие от прототипа подготовку и гомогенизацию топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре производят при коэффициенте избытка воздуха λ≤0,5. В камере сгорания, в районе электрода свечи зажигания, готовят топливовоздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха 0,6≤λ≤2,0, используя для этого воздух, поступающий из рабочего цилиндра.

Воду вводят, минуя компрессорный цилиндр, в камеру сгорания непосредственно или через кольцевой канал, расположенный вокруг камеры сгорания.

Предлагаемый способ обеспечивает безопасность и стабильность работы двигателя, поскольку при подготовке топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре исключается возможность ее взрыва - богатая смесь при λ≤0,5 гореть не может. А смесь, подготавливаемая в районе свечи зажигания, легко воспламеняется и поджигает бедную смесь за пределами этого района.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема двигателя по прототипу, с вариантами расположения форсунок для ввода смеси воды с воздухом или чистого воздуха непосредственно в камеру сгорания. На фиг. 1 сохранены все обозначения деталей и элементов двигателя по прототипу, однако при описании предлагаемого способа использована лишь часть из них, необходимая для описания. Остальные обозначения оставлены как справочные.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Так же, как и при осуществлении способа по прототипу, частоту хода поршня 19 (см. фиг.1) компрессорного цилиндра 13 устанавливают с опережением или отставанием относительно хода поршня 2 рабочего цилиндра 1, с помощью, например, изменения передаточного отношения кинематической связи штока 3 рабочего поршня 2 со штоком 32 компрессорного поршня 19. В полость 8 компрессорного цилиндра 13, через устройство для подачи топлива 12 или 27 и каналы 14 или 11, подают топливо, а через кольцевой канал 11, канал 15 и лепестковый клапан 34 - чистый воздух. При этом коэффициент избытка воздуха устанавливают λ≤0,5. При движении компрессорного поршня 19 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие, нагрев, испарение и гомогенизация топливовоздушной смеси (ТВС). Однако воспламенения ТВС при этом происходить не будет, поскольку такая переобогащенная смесь при температуре ее гомогенизации гореть не может. Степень сжатия ТВС, следовательно, и температуру ее гомогенизации, регулируют, подбирая усилие сжатия пружины 20 клапана 21. Все это обеспечивает безопасность и стабильность работы двигателя с компрессорным цилиндром.

Из полости 8 компрессорного цилиндра 13, через клапан 21, канал 26, лепестковый клапан 23, кольцевой канал 22 и канал 10 ТВС подают в камеру сгорания 5. В это время рабочий поршень 2 перемещается от своей НМТ к ВМТ, что препятствует выходу ТВС из камеры сгорания 5. При этом, в камере сгорания 5, в районе электрода свечи зажигания 7 (в форкамере 6), готовят ТВС с коэффициентом избытка воздуха 0,6≤λ≤2,0. Для этого используют гомогенизированную ТВС, поступившую из компрессорного цилиндра, добавляя в нее воздух, поступающий из рабочего цилиндра 1 в результате движения рабочего поршня 2 к ВМТ. При этом количество воздуха, требуемого для подготовки ТВС в форкамере 6 регулируют путем смещения по фазе компрессорного поршня 19 относительно положения рабочего поршня 2. Это приводит к изменению давления в рабочем цилиндре 1 и в камере сгорания 5, что изменяет количество воздуха в камере сгорания 5.

В это время рабочий поршень 2 перемещается от НМТ к ВМТ, что препятствует выходу ТВС из камеры сгорания 5 в объем рабочего цилиндра 1. При положении рабочего поршня 2 в 5…10° до ВМТ с помощью свечи зажигания 7 поджигают ТВС, поршень 2 рабочего цилиндра 1 совершает рабочий ход. Во время хода рабочего поршня 2 от ВМТ к НМТ, минуя компрессорный цилиндр 17, непосредственно в камеру сгорания 5 через форкамеру 6, канал 46, и форсунку 43 подают воду.

По другому варианту воду подают в камеру сгорания 5 через форсунку 44, канал 45, кольцевой канал 22 и радиальные каналы 10 непосредственно в камеру сгорания 5. В это время атмосфера внутри камеры сгорания и рабочего цилиндра 1, а также поверхности их стенок нагреты до высокой температуры. Вода в смеси с воздухом нагревается и интенсивно испаряется, водяной пар перегревается, паровоздушная смесь резко увеличивается в объеме, что повышает давление в рабочем цилиндре 1. В результате возрастает мощность двигателя.

В то же время, применение предлагаемого способа управления двигателем полностью исключает возможность возгорания ТВС в компрессорном цилиндре. Кроме того, в камере сгорания по предлагаемому способу формируется богатая топливовоздушная смесь, которая загорается от искрового разряда на всех режимах работы двигателя и обеспечивает практически полное сгорание бедной смеси, образующейся в полости рабочего цилиндра 1. Это уменьшает токсичность отработавших газов, дополнительно увеличивает мощность двигателя, и повышает стабильность его работы.

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.

При работе двигателя по предлагаемому способу дистиллированную воду, минуя компрессорный цилиндр 17 подавали через устройство для подачи топлива 44, канал 45, и кольцевой канал 22. Объем подаваемой воды составлял 60% от расхода топлива на режиме испытания предлагаемогоспособа. Состав выхлопных газов проверяли газоанализатором «Инфракарн». Коэффициент избытка воздуха в топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре при управлении по предлагаемому способу поддерживали в пределах λ≤0,5, а в районе электрода свечи зажигания 0,6≤λ≤2,0.

Результаты испытаний показали, что в выхлопных газах двигателя, управляемого по предлагаемому способу, содержание СО, СН, СO2 и О₂ по сравнению с прототипом не изменилось. Однако при испытании двигателя, управляемого по прототипу, было обнаружено, что подача воды в камеру сгорания 5 через компрессорный цилиндр 17 по мере работы двигателя уменьшалась и двигатель работал с перебоями. Через несколько циклов в полости 8 компрессорного цилиндра 17 накапливалась вода и двигатель переставал работать. При испытаниях двигателя по предлагаемому способу это явление полностью отсутствовало, двигатель работал стабильно в течение часа.

Таким образом, предлагаемый способ управления двигателем внутреннего сгорания обеспечивает достижение технического эффекта: повышение безопасности и стабильности работы двигателя. Способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый способ обладает промышленной применимостью.