Способ работы двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к способам работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. В двигателе, работающем на углеводородном топливе, в конце такта сжатия в зону электродов свечи зажигания подводится водород. Подача водорода осуществляется импульсом, согласованным по времени с искровым разрядом, при нагрузке двигателя, не превышающей 2/3 максимальной нагрузки. При этом отношение массы подводимого водорода к массе топлива не превышает величины 0,001 на режиме 2/3 максимальной нагрузки и величины 0,015 на холостом ходу. Это позволяет обеспечить высокую межцикловую стабильность процесса сгорания, добиться существенного обеднения смеси в указанном диапазоне нагрузочных режимов и сократить тем самым удельный эффективный расход топлива. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик ДВС путем сокращения расхода топлива за счет обеднения смеси. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием.

При работе двигателя с искровым зажиганием на средних и малых нагрузках возникают проблемы обеспечения надежности воспламенения смеси и снижения межцикловой нестабильности процесса сгорания, определяемой главным образом нестабильностью начальной его фазы. Эффективным средством решения этих проблем являются добавка в топливовоздушную смесь водорода. Наличие у электродов свечи зажигания повышенной концентрации водорода, обладающего высокой химической активностью и теплотой сгорания, позволяет надежно воспламенить смесь с повышенным содержанием остаточных газов, имеющих место при работе ДВС на средних и малых нагрузках.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (патент СССР N 1828684 МПК 6 F 02 B 43/08, опубл. 27.02.96), включающий подачу в камеру сгорания топливовоздушной смеси, ее сжатие, подвод водорода в зону электродов свечи зажигания импульсом, согласованным по времени с искровым разрядом, и воспламенение.

Недостатком такого способа является то, что отношение массы водорода к массе топлива, лежащее в пределах от 0,0005 до 0,005, обеспечивает эффективное воспламенение заряда лишь для роторно-поршневого двигателя в силу специфики его рабочего процесса. Свеча зажигания в РПД расположена в предкамере, и заряд вблизи электродов свечи не подвержен воздействию турбулентных пульсаций в той степени, как это имеет место в поршневом ДВС с неразделенной камерой сгорания. Поэтому в поршневом ДВС происходит значительно более сильная диффузия водорода от электродов свечи зажигания, и количества добавляемого водорода недостаточно для обеспечения эффективного воспламенения заряда на малых нагрузках и холостом ходу, что не позволяет существенно обеднить смесь и достичь ощутимой экономии топлива. Кроме того, при таком подводе водорода не определен характер согласования по времени подачи водорода и искрового разряда.

Задачей изобретения является расширение области применения способа работы ДВС на все виды ДВС с искровым зажиганием.

Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик путем сокращения расхода топлива за счет обеднения смеси.

Технический результат достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем подачу в камеру сгорания топливо-воздушной смеси, ее сжатие, подвод водорода в зону электродов свечи зажигания импульсом, согласованным по времени с искровым разрядом, и воспламенение, подвод водорода в зону электродов свечи зажигания осуществляют при нагрузке двигателя, не превышающей 2/3 максимальной нагрузки, отношение массы подводимого водорода к массе топлива возрастает с уменьшением нагрузки, причем указанное соотношение не превышает величины 0,001 на режиме 2/3 максимальной нагрузки и величины 0,015 на холостом ходу.

Существенным отличием предлагаемого изобретения является то, что отношение массы подаваемого водорода к массе топлива не превышает величины 0,001 на режиме 2/3 максимальной нагрузки и величины 0,015 на холостом ходу. Подача такого количества водорода позволяет при минимально необходимом его расходе обеспечить для каждого нагрузочного режима работы ДВС такую концентрацию водорода вблизи электродов свечи зажигания, которая, несмотря на повышенную его диффузию из начального очага вследствие наличия турбулентности, обеспечивает интенсивное и стабильное развитие очага пламени и быстрый переход к турбулентному горению. Это дает возможность значительно обеднить смесь на малых нагрузках и достичь за счет этого сокращения расхода топлива. В то же время указанное соотношение масс водорода и топлива позволяет реализовать предлагаемый способ и на роторно-поршневом двигателе, поскольку максимальные величины этого соотношения на всех нагрузочных режимах работы РПД не превышают соответствующих величин на аналогичных режимах работы поршневого двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены: на фиг. 1 - схема двигателя, реализующего предлагаемый способ работы; на фиг. 2 - зависимость от нагрузки отношения массы подаваемого водорода к массе топлива (сплошная линия - для поршневого двигателя, штриховая линия - для РПД); на фиг. 3 - экспериментально полученная характеристика оптимального регулирования поршневого двигателя ВАЗ, работающего по предлагаемому способу.

Двигатель, работающий по предлагаемому способу (фиг. 1), содержит камеру сгорания 1, систему 2 подачи в нее топливовоздушной смеси, установленную в камере сгорания свечу 3 зажигания с каналом (не показан) для подвода в зону ее электродов, источник 4 водорода высокого давления, подключенный через электромагнитный клапан (ЭМК) 5 к каналу в свече 3, систему 6 зажигания, электронный блок 7 управления и установленные на двигателе датчики 8, 9, 10 нагрузки ДВС, частоты вращения и положения коленчатого вала.

Способ работы двигателя осуществляется следующим образом.

На такте впуска в камеру 1 сгорания из системы 2 поступает топливовоздушная смесь, при движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) смесь сжимается. За 10...30 градусов поворота коленчатого вала до искрового разряда (в зависимости от конструкции подводящего канала в свече и режима работы ДВС) блок 7 на основании информации от датчиков 8, 9, 10 подает на ЭМК 5 управляющий сигнал необходимой длительности, и водород от источника 4 через канал в свече 3 импульсом подается в зону ее электродов. При этом длительность управляющего сигнала такова, что отношение массы подаваемого водорода к массе топлива в камере 1 сгорания соответствует нагрузочному режиму и не превышает величины 0,001 при нагрузке ДВС, составляющей 2/3 максимальной нагрузки, и величины 0,015 на режиме холостого хода (фиг. 2). При подаче управляющего сигнала на ЭМК менее чем за 10 градусов поворота коленчатого вала до искрового разряда водород не успеет к моменту пробоя поступить в межэлектродный зазор вследствие инерционности системы подачи водорода. При подаче сигнала более чем за 30 градусов поворота коленчатого вала до искрового разряда концентрации водорода в область межэлектродного зазора к моменту пробоя может существенно уменьшиться вследствие турбулентной диффузии водорода. Если нагрузка ДВС превышает 2/3 максимальной ее величины, то управляющий сигнал на ЭМК не подается, и водород в камеру сгорания не поступает. После того, как водород, продиффундировав в прилегающие к электродам слои заряда, образует в зоне свечи смесь оптимального состава, система 6 зажигания по сигналу с блока 7 управления подает импульс высокого напряжения на свечу 3, и смесь воспламеняется. Наличие повышенной концентрации водорода в зоне свечи способствует интенсивному развитию начального очага пламени и быстрому переходу к турбулентному горению.

Предел отношения массы водорода к массе топлива, равный 0,001 на режиме 2/3 нагрузки, обусловлен тем, что при меньших соотношениях этих компонентов поступающий в камеру сгорания водород обогащает недостаточно большую область, при полном его сгорании очаг пламени его не успевает развиться до необходимых размеров, а горение не успевает перейти в турбулентное, что не позволяет существенно снизить межцикловую нестабильность сгорания при обеднении смеси и сократить тем самым расход топлива.

Увеличение предельного отношения массы водорода к массе топлива на холостом ходу до 0,015 обусловлено тем, что с уменьшением нагрузки давление и температура заряда к моменту воспламенения уменьшается вследствие дросселирования на впуске, а содержание инертных остаточных газов растет вследствие снижения наполнения цилиндра; химической энергии топлива в начальном очаге недостаточно, чтобы прогреть его до температуры горения, и требуется все возрастающее количество водорода, обладающего высокой теплотворной способностью, для повышения энергосодержания смеси вблизи электродов свечи зажигания.

Увеличение соотношения масс водорода и топлива на всех нагрузочных режимах свыше указанного на фиг. 2 нецелесообразно, поскольку экспериментально установлено, что это не способствует дальнейшему повышению стабильности процесса сгорания при обеднении смеси, но приводит к увеличению расхода водорода.

Предлагаемый способ работы ДВС был реализован на одноцилиндровом отсеке поршневого двигателя ВАЗ. На фиг. 3 в качестве примера представлена экспериментально полученная при частоте вращения 2000 об/мин нагрузочная характеристика оптимального регулирования. Подача водорода по закону, приведенному на фиг. 2, позволила в области средних и малых нагрузок повысить надежность воспламенения смеси и межцикловую стабильность процесса сгорания, обеднить за счет этого смесь и достичь существенного сокращения удельного эффективного расхода топлива. В область больших нагрузок снижения не наблюдалось.

Формула изобретения

Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу в камеру сгорания топливовоздушной смеси, ее сжатие, подвод водорода в зону электродов свечи зажигания импульсом, согласованным по времени с искровым разрядом, и воспламенение, отличающийся тем, что подвод водорода в зону электродов свечи зажигания осуществляют при нагрузке двигателя, не превышающей 2/3 максимальной нагрузки, отношение массы подводимого водорода к массе топлива возрастает с уменьшением нагрузки, причем указанное соотношение не превышает величины 0,001 на режиме 2/3 максимальной нагрузки и величины 0,015 на холостом ходу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3