Способ работы двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателя внутреннего сгорания. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в цилиндр воздуха, сжатие его, впрыскивание топлива во второй половине такта сжатия, воспламенение топлива от сжатия, сгорание его, расширение и выпуск продуктов сгорания, при этом в горящее топливо впрыскивается вода, предварительно подогретая отработавшими продуктами сгорания, причем масса впрыскиваемой воды составляет 20...25% цикловой подачи топлива. Изобретение обеспечивает повышение экономичности двигателя внутреннего сгорания. 1 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателя внутреннего сгорания.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (а.с. SU 1746005 А1 Способ работы двигателя внутреннего сгорания, и двигатель внутреннего сгорания МПК F 02 В 19/12, 1992) путем циклической подачи воздуха в цилиндр, его сжатие, перепуска в форкамеру, впрыска топлива в форкамеру, его самовоспламенения, выброса горящей смеси из форкамеры в цилиндр, осуществления процессов сжигания топлива и расширения продуктов сгорания, выпуска отработавших газов, причем с целью повышения эффективности работы форкамеру дополнительно подогревают при помощи теплоты продуктов сгорания, а подачу топлива в форкамеру производят в смеси с водой. Способ повышает эффективность работы двигателя, улучшает горение топлива в форкамере при постоянном объеме, однако последующее дожигание топлива в цилиндре вследствие недостаточного смесеобразования происходит медленно, практически при постоянном давлении. С другой стороны, Б.С.Стечкиным доказано, что цикл с изохорическим подводом теплоты с точки зрения качества теплоиспользования является наиболее выгодным среди любых циклов, имеющих одинаковую степень сжатия и заканчивающихся теплоотводом по изохоре (Теплотехника /В.Н.Луканин и др. - М.:Высшая школа, 1999-С.153).
В качестве прототипа принимаем А.С. СССР 861677. Способ работы двигателя внутреннего сгорания МПК F 02 В 3/12, 1981. Способ включает впуск в цилиндр воздуха, сжатие его, впрыскивание топлива в виде двух порций, первую из которых впрыскивают во второй половине такта сжатия, а вторую - в конце сжатия, воспламенение топлива от сжатия, сгорание его, расширение и выпуск продуктов сгорания, причем с целью повышения экономичности первую порцию топлива впрыскивают в смеси со сжатым газом.
Основным недостатком прототипа является то, что впрыск топлива в конце сжатия не обеспечивает качественного смесеобразования ввиду отсутствия вихревого движения воздуха и медленного прогрева топлива вследствие низкой температуры смеси. Топливо сгорает постепенно по мере испарения при относительно небольшой скорости нарастания давления, то есть большая часть процесса подвода тепла является изобарической (Самсонов В.И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов.- М.: Транспорт, 1990-С.108).
Цель изобретения - повышение экономичности двигателя внутреннего сгорания.
Суть изобретения состоит в том, что реализуется способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в цилиндр воздуха, сжатие его, впрыскивание топлива во второй половине такта сжатия, воспламенение топлива от сжатия, сгорание его, расширение и выпуск продуктов сгорания, отличающийся тем, что в горящее топливо впрыскивается вода, предварительно подогретая отработавшими продуктами сгорания, причем масса впрыскиваемой воды составляет 20...25% цикловой подачи топлива. При впрыскивании в горящее топливо воды происходит мгновенное превращение ее в пар, резкое увеличение в объеме, вторичное дробление капель эмульсии оставшегося топлива и быстрое их испарение. Одновременно с этим каталитическое воздействие углерода способствует прохождению реакции С+Н2О=СО+Н2. В дальнейшем сгорание СО и Н2 происходит с высокой скоростью (Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. - М.:Транспорт, 1990 - С.144). Быстрое сгорание топлива и превращение воды в пар способствуют интенсивному росту давления в камере сгорания двигателя, практически обеспечивая тем самым изохорическое дожигание оставшегося топлива. При этом существенно возрастает степень повышения давления λ и увеличивается термический КПД двигателя (Теплотехника/ В.Н.Луканин и др. - М.: Высшая школа, 1999.-С.151).
На чертеже показано устройство для реализации предлагаемого способа.
Устройство содержит цилиндр 1, топливный насос 2, поршень 3, впускной 4 и выпускной 7 клапаны, топливную 5 и водяную 6 форсунки, водяной насос 8. При работе устройства осуществляют впуск воздуха в цилиндр 1 через впускной клапан 4 движением поршня 3 от нижней мертвой точкой (НМТ) к верхней мертвой точкой (ВМТ) производят сжатие воздуха. При движении поршня 3 к ВМТ на такте сжатия во второй его половине впрыскивают цикловую порцию топлива с помощью топливного насоса 2 и форсунки 5, осуществляют воспламенение топлива от сжатия и частичное сжигание топлива при положении поршня в ВМТ. В момент начала движения поршня 3 от ВМТ к НМТ в горящее топливо впрыскивают с помощью водяного насоса 8 и форсунки 6 цикловую порцию воды (возможна последовательная подача топлива и воды одной форсункой), предварительно подогретой отработавшими продуктами сгорания топлива и составляющей по массе 20...25% цикловой подачи топлива. Затем дожигают продукты каталитического воздействия углерода практически при постоянном объеме, осуществляют расширение продуктов сгорания при движении поршня 3 от ВМТ к НМТ и последующий выпуск отработавших продуктов сгорания через выпускной клапан 7.
Пример. Способ работы двигателя внутреннего сгорания реализуем в цикле четырехтактного дизеля марки 6НФД-48у. Состав топлива: 86% углерода; 14% водорода. При обычной работе ДВС имеем следующие исходные данные: степень сжатия ε=14,2; степень увеличения давления λ1=1,55; показатель политропы расширения n2=1,31; степень предварительного расширения ρ=1,49; степень последующего расширения δ=9,6; показатель адиабаты k=1,4; давление в конце сжатия рc=3,55 МПа; давление в конце горения рZ=5,51 МПа; температура в конце горения TZ=1950 K; температура в конце сжатия TZ'=870 K; температура в конце изохорического подвода тепла TZ'=1309 К; молярная теплоемкость рабочего тела средняя при постоянном объеме μСV=24 кДж/кмоль·К; молярная теплоемкость рабочего тела средняя при постоянном давлении μCp=33 кДж/кмоль·К (Куприянов Д.Ф. Теория судовых двигателей внутреннего сгорания. - М.:Транспорт,1965-С.76-83). Предположим, что коэффициент молярного изменения равен β=n2/n1=1. Тогда отношение теплоты Q1 в изохорическом процессе к теплоте Q2 в изобарическом процессе равно: Q1/Q2=n1·μcV·(Tz1-Tc)/n2·μcр·(Tz-Tz')=0,5. Таким образом, впрыск воды осуществляется тогда, когда сгорают 33,3% цикловой подачи топлива. Примем за единицу цикловой подачи топлива 1 кг. Массу впрыскиваемой воды определим исходя из следующих соображений. Во-первых, тепловые эффекты реакций
| С+Н2О=СО+Н2, | (1) |
| С+O2=СО2 | (2) |
составляют соответственно -118МДж и +410МДж (Бесков С.Д. Технохимические расчеты. - М.: Высшая школа, 1966-С.496-499). То есть для осуществления каталитического воздействия углерода на воду требуется сжечь примерно 25% от оставшихся 66,6% топлива. Таким образом, с учетом содержания углерода 0,86 в топливе реакции (1) подвергаются 0,66·0,86-0,66·0,86·0,25=0,43 кг углерода. Для реализации реакции (1) требуется 0,43/12=0,036 кмоля воды. При предварительном сжигании 0,33% топлива, с учетом содержания водорода 0,14 в топливе образуются 0,33·0,14·0,5=0,023 кмоля воды (Куприянов Д.Ф. Теория судовых двигателей внутреннего сгорания. - М.: Транспорт, 1965-С. 34...35). Отсюда требуемая для впрыска масса воды составит (0,036-0,023)·18=0,234 кг, то есть ориентировочно можно считать, что в среднем масса воды должна составлять 20...25% от цикловой подачи топлива. Молярная масса воды равна 18 кг/кмоль.
В результате впрыска воды в горящее топливо в камере сгорания повышается давление. Степень повышения давления в этом случае можно определить из уравнения политропы 
откуда 
Эффективность предлагаемого решения определим путем сравнения термических КПД циклов по формуле (Теплотехника/В.Н.Луканин и др. - М.: Высшая школа, 1999-С.157):
(3)
Термический КПД цикла, определенный по формуле (3), при степени повышения давления λ1=1,55 при неизменном значении ρ=1,49 равен η1=0,58; термический КПД цикла, определенный по формуле (3), при степени повышения давления λ2=2,6 при том же значении ρ(составил η2=0,6. Таким образом, термический КПД цикла при реализации способа увеличился на 2%.
Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в цилиндр воздуха, сжатие его, впрыскивание топлива во второй половине такта сжатия, воспламенение топлива от сжатия, сгорание его, расширение и выпуск продуктов сгорания, отличающийся тем, что в горящее топливо впрыскивается вода, предварительно подогретая отработавшими продуктами сгорания, причем масса впрыскиваемой воды составляет 20-25% цикловой подачи топлива.
