Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння зі змінним ступенем стиску

Реферат: Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння зі змінним ступенем стиску, що працює по циклу з продовженим стиском, в якому останній перебільшує необхідний на номінальному режимі, згідно з винаходом, полягає в тому, що на режимах часткових навантажень, коли зменшується циклова витрата паливно-повітряної суміші, теплопідвід здійснюють раніше по ходу розширення від верхньої мертвої точки, порівняно з моментом теплопідводу на номінальному режимі, тобто при більшому ступені стиску, а максимальне значення ступеня стиску в момент теплопідводу буде мати місце при мінімальному навантаженні, тобто на холостому ході, в момент, коли тиск суміші співпаде з рівнем тиску в момент теплопідводу на номінальному режимі (номінальний тиск), що реалізується вибранням ступеня продовженого стиску, а при необхідності обмеження останнього із-за можливості самозаймання паливно-повітряної суміші цей ступінь вибирають за умови одержання на холостому ході в кінці процесу стиску рівня тиску, який співпадає зі значенням при середньому навантаженні в циклі традиційного виконання і цей момент зберігають незмінним при подальших збільшеннях навантажень від холостого ходу, доки тиск суміші в момент теплопідводу не досягне значення номінального тиску, а далі цей момент при інших навантажувальних режимах слід змінювати за умови підтримання цього тиску в момент теплопідводу. При роботі на часткових навантаженнях такий спосіб роботи дозволяє реалізувати теплопідвід при більших ступенях стиску порівняно з номінальним режимом. Це забезпечує підвищення к.к.д. та відповідне скорочення витрати палива. UA 100333 C2 (12) UA 100333 C2 UA 100333 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід пропонується для використання в техніці, сільському господарстві та на транспорті. З теорії теплових двигунів внутрішнього згоряння відомо, що термічний к.к.д. циклу, по якому вони працюють, суттєво залежить від ступеня стиску , зростаючи при збільшенні останнього. Вибір величини ступеня стиску, проте, не є довільним, оскільки зі зростанням його в реальному двигуні, наприклад у двигуні, який працює на легкому паливі (бензині, газі) і про який іде мова в заявці, при означеному (підвищеному) ступені стиску можуть виникати аномальні явища, пов'язані з властивостями реального палива, які порушують процес його згоряння (теплопідводу), що обмежує можливість підвищення ступеня стиску. Це детонація. Одним з головних факторів, який при згорянні може викликати явище детонації, є надмірний розігрів робочого тіла, який призводить до вибухового згоряння частки паливно-повітряної суміші (робочого тіла) в об'ємі, до якого ще не встигло проникнути полум'я, яке поширюється по камері від джерела запалення - свічі. Доведено, що при цьому виникає можливість багатьох порушень в роботі двигунів та вихід їх з ладу. Тому обмеження максимальної температури, яка залежить від ряду чинників і, в першу чергу, від ступеня стиску є засобом боротьби з явищем детонації. Очевидно, що детонація виникає при великих навантаженнях (номінальному режимі) та перевантаженнях. Серед факторів, що впливають на це явище, визначальне місце, пов'язане з октановим числом палива. Інші фактори пов'язані зі складом паливно-повітряної суміші конструктивними та режимними чинниками та процесами теплообміну. Зі зменшенням навантаження на двигун зменшується кількість паливно-повітряної суміші (робочого тіла), яка приймає участь у згорянні, та знижується теплонапруженість робочого процесу. В цих умовах знижується і схильність до виникнення детонації. Тому при часткових навантаженнях двигун міг би працювати на тому ж паливі без детонації при більших величинах ступеня стиску, а тому при більших значеннях термічного к.к.д. Тому слід вважати актуальною розробку технічного рішення для можливості зміни ступеня стиску при зміні режиму роботи двигуна. Пошук таких рішень для поршневих двигунів йшов у напрямі розробки засобів для зміни об'єму камери стиску при збереженні незмінним ходу поршня шляхом приєднання до камери керованих пристроїв для зміни її об'єму звичайно поршневому типу. Ці ускладнення конструкцій не отримали розповсюдження із-за удорожчення двигунів і, як правило, погіршення форми камери згоряння, яка впливає на економічність двигуна. Оригінальне рішення запропоновано у патенті [1]. В цьому технічному рішенні передбачається конструктивно реалізувати геометричний ступінь стиску (відношення об'єму циліндра при положенні поршня в нижній мертвій точці до об'єму у верхній мертвій точці), яка суттєво перевищує ту, яку необхідно забезпечити для ефективного використання палива на режимі високого навантаження (номінальному) і яка названа продовженим стиском. Але теплопідвід пропонується здійснювати не у верхній мертвій точці, як це прагнуть здійснювати на сучасних двигунах, які працюють на легких паливах, а після того, як поршень на початку процесу розширення (робочого ходу) переміститься без теплопідводу на величину, при якій ступінь стиску знизиться до значення, яке рекомендоване для сучасного двигуна в момент початку теплопідводу. В патенті [1] показано, що в цих умовах знижується схильність до виникнення детонації. В заявці, що розглядається, пропонується використання цього циклу з іншою метою покращення показників двигуна при роботі на різних часткових навантажувальних режимах та на холостому ході, та спосіб їх реалізації. В сучасних двигунах, які працюють на легкому паливі з використанням іскрового запалення, зміна навантажувального режиму виконується шляхом дроселювання потоку паливноповітряної суміші на такті впуску, (тобто за рахунок зміни кількості робочого тіла) при незмінній величині ступеня стиску. При цьому коректується склад суміші та момент її займання в залежності від режиму роботи двигуна [2]. При зменшенні навантаження, тобто зменшенні кількості суміші (при незмінному об'ємі камери згоряння в сучасних двигунах) зменшується густина суміші. В цих умовах горіння затягується та можливі (при малих навантаженнях) пропуски згоряння. Для усунення пов'язаних з цим недоліків на сучасних двигунах використовують збагачення складу суміші на цих режимах для покращення згоряння, а додаткова кількість палива, що подається для цього збагачення, у вигляді продуктів неповного згоряння видаляється з двигуна разом з випускними газами. Здійснюють це збагачення суміші так звані "системи компенсації суміші". Це призводить до підвищення витрати палива та до погіршення екологічних показників, особливо враховуючи те, що ці режими дуже розповсюджені. 1 UA 100333 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При використанні циклу з продовженим стиском густина паливно-повітряної суміші та її тиск у верхній мертвій точці (ВМТ) будуть максимальними, оскільки об'єм камери стиску буде мінімальним. При русі поршня від ВМТ і зростання об'єму над ним на початку розширення густина суміші та її тиск будуть зменшуватись. Коли останні досягнуть значень, при яких відбувається теплопідвід в звичайному циклі на номінальному режимі, слід здійснити запалення суміші. При цьому в циклі з продовженим стиском будуть відтворені умови, в яких на номінальному режимі працюють сучасні двигуни. Ступінь продовженого стиску слід вибирати так, щоб і при мінімальній кількості паливноповітряної суміші, що подається в двигун (наприклад, на холостому ході), після її стиску та відповідного зменшення об'єму густина суміші у верхній мертвій точці набувала значення, яке дорівнює або перебільшує потрібну густину суміші. В цьому випадку на холостому ході можливо здійснювати теплопідвід (згоряння палива) поблизу верхньої точки. Для режимів середніх навантажень (при вибранні ступеня продовженого стиску, орієнтуючись на режим холостого ходу, який можливо закладати в конструкцію двигуна) у верхній мертвій точці густина паливно-повітряної суміші буде перевищувати величину на холостому ході, причому більшою мірою, чим більшим буде навантаження. Тому для всіх режимів часткових навантажень тільки при деякому збільшенні об'єму суміші за рахунок її розширення після верхньої мертвої точки густина суміші зменшиться до бажаного значення і можливо здійснювати в цей момент теплопідвід (згоряння). Таким чином, чим меншим буде навантаження двигуна, тим ближче до верхньої мертвої точки слід здійснювати теплопідвід, тобто тим більшою буде ступінь стиску. Враховуючи те, що в циклі з продовженим стиском забезпечується значно менша величина коефіцієнта залишкових газів порівняно з традиційним циклом, цей фактор додатково покращує умови згоряння палива (теплопідводу). З цього аналізу можливо зробити висновок, що на всіх режимах роботи двигуна при цьому забезпечується згоряння при підвищених ступенях стиску, які зростають при зменшенні навантажень на двигун. Суть винаходу, таким чином, полягає у наступному. Як доводять результати багатьох досліджень густина паливно-повітряної суміші, при якій забезпечується можливість її ефективного згоряння без необхідності збагачення суміші, забезпечується з великим запасом при її стисненні до тиску на номінальному режимі для всіх навантажувальних режимів, включаючи холостий хід. Тому цей результат можливо закласти як спосіб забезпечення ефективності згоряння для навантажень між холостим ходом і номіналом, тобто на всіх режимах здійснювати теплопідвід (згоряння паливно-повітряної суміші) при однаковому тиску, який дорівнює його значенню на номінальному режимі (номінальному тиску). Технічна задача полягає в вибранні такого ступеня продовженого ступеня стиску, при якому на холостому ході буде досягатись рівень тиску, який дорівнює його значенню на номінальному режимі. Цей ступінь стиску можливо визначити звичайним розрахунковим методом, задавшись параметрами початку і кінця тиску на холостому ході, або встановити експериментально [3]. В разі потреби забезпечення використання запропонованого способу при обмеженні допустимої величини ступеня стиску за умов можливості самозаймання палива пропонується вибирати ступінь продовженого стиску, при якому на холостому ході рівень тиску дорівнюватиме його середньому значенню між номінальним тиском і тиском на холостому ході в двигунах традиційного виконання, коли ще, як відомо, забезпечується ефективне згоряння суміші без необхідності її збагачення. Таким чином в обох випадках технічна задача полягає в вибранні способу визначення ступеня продовженого стику. На фіг. 1 наведена залежність тиску в циліндрі двигуна від зміни об'єму для циклу з продовженим стиском. Перелік позначень та їх зміст. Тиски у нижній мертвій точці: а - початок стиску на номінальному режимі, Ра; а' - початок стиску на холостому ході, Ра'; ad - початок стиску при середньому навантаженні, Pd. Тиски в кінці процесу стиску на двигуні традиційного виконання: Рс - на номінальному режимі, (при =8,5); Рc' - на холостому ході, (при =8,5). 2 UA 100333 C2 5 10 15 20 25 30 35 Тиски в кінці процесу продовженого стиску: Рс"=Рс на холостому ході (при =16); Рс'''=Pd на холостому ході (при =12); Pd - середній тиск між Рс та Рс'. Об'єми суміші у верхніх мертвих точках позначені: Vc=Vc' - при номінальному стиску; Vc" - при продовженому стиску на режимі холостого ходу; Vc''' - при продовженому стиску на режимі холостого ходу при обмеженні за умов можливості самозаймання суміші. Процеси, що зображені на фіг. 1 позначені: am - продовжений стиск при номінальному режимі і =18; а'n - продовжений стиск при холостому ході і =18; mс - розширення робочої суміші від верхньої мертвої точки без теплопідводу на номінальному режимі; nс" - розширення робочої суміші від верхньої мертвої точки без теплопідводу на режимі від верхньої мертвої точки без теплопідводу на режимі холостого ходу до досягнення номінального тиску. На фіг. 2 зображені для порівняння теоретичні цикли з підводом теплоти по ізохорі. Прийняті такі позначення: aczb - цикл при номінальному режимі роботи двигуна як при традиційному виконанні, так і при використанні продовженого стиску; a'c'z'b' - цикл при роботі на холостому ході двигуна традиційного виконання; a'c"z'b" - цикл з використанням продовженого стиску на режимі холостого ходу. Цикли для режимів часткових навантажень займають проміжні положення і реалізуються при різних ступенях стиску. Запропоновані цикли можливо реалізувати при відносно незначних перебудовах сучасних двигунів. Їх використання у народному господарстві дозволить досягти суттєвої економії у витраті палива на режимах часткових навантажень та покращити екологічні показники завдяки відсутності негативного впливу від збагачення складу паливно-повітряної суміші на цих режимах, що має місце в сучасних двигунах. Джерела інформації: 1. Патент України № 85061 "Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння з продовженим стиском". 2. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос, 1984. 3. Техническая термодинамика. Под редакцией В.И. Крутова, изд-во "Высшая школа", М.: 1971. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння зі змінним ступенем стиску, що працює по циклу з продовженим стиском, в якому останній перебільшує необхідний на номінальному режимі (в подальшому номінальний стиск), і тому теплопідвід відбувається після такту стиску на початку такту розширення, коли тиск знизиться до необхідного значення на номінальному режимі, тобто до номінального стиску, з послідовним остаточним розширенням робочого тіла, який відрізняється тим, що на режимах часткових навантажень, коли зменшується циклова витрата паливно-повітряної суміші, теплопідвід здійснюють раніше по ходу розширення від верхньої мертвої точки, порівняно з моментом теплопідводуна номінальному режимі, тобто при більшому ступені стиску, а максимальне значення ступеня стиску в момент теплопідводу буде мати місце при мінімальному навантаженні, тобто на холостому ході, в момент, коли тиск суміші співпаде з рівнем тиску в момент теплопідводу на номінальному режимі (номінальний тиск), що реалізується вибранням ступеня продовженого стиску, а при необхідності обмеження останнього із-за можливості самозаймання паливно-повітряної суміші цей ступінь вибирають за умови одержання на холостому ході в кінці процесу стиску рівня тиску, який співпадає зі значенням при середньому навантаженні в циклі традиційного виконання і цей момент зберігають незмінним при подальших збільшеннях навантажень від холостого ходу, доки тиск суміші в момент теплопідводу не досягне значення номінального тиску, а далі цей момент при інших навантажувальних режимах слід змінювати за умови підтримання цього тиску в момент теплопідводу. 3 UA 100333 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4