Способ работы двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с регулируемым наддувом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания путем повышения литровой мощности, снижения удельного расхода топлива, снижения токсичности отработанных газов, расширения диапазона регулирования мощности двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что эффект резонансного явления используется в одном рабочем цикле двигателя трижды - на впуске, выпуске и перепуске газовых потоков, при этом:

- акустическая длина газового потока регулируется во впускной, выпускной и перепускной системах.

- акустическая длина газового потока на впуске регулируется путем изменения объема, а не дросселированием. Это значительно снижает потери при газообмене. В предлагаемом изобретении значительно снижается длина подводящих трубопроводов - объем впускного заряда формируется в непосредственной близости к впускному устройству - и длина канала, по которому свежий заряд из ресивера переменного объема поступает в рабочий цилиндр, значительно меньше длины каналов коллекторов при регулировке акустической длины дросселированием.

- акустическая длина газового потока на выпуске также регулируется путем изменения объема, горячие газы из рабочего цилиндра выпускаются сразу в ресивер, исключая длинную зажатую по диаметру выпускную трубу в момент выпуска горячих газов.

Мощность увеличивается до двух и более раз за счет более эффективного использования энергии предыдущего цикла, а именно - прямого возвращения

- рекуперации горячего газа предыдущего цикла в текущий цикл по перепускному каналу обратной связи во впускной коллектор. Объемная доля вредных веществ в выпускных газах снижается:

- на режиме холостого хода до 60-70%,

- на режиме от холостого хода до 1/3 максимальной мощности - от 60-70% до 40%,

- от режима 1/3 максимальной мощности до максимальной - от 40% до 10%. 1 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способам резонансного наддува для улучшения заполнения рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания с использованием энергии, кинетической и потенциальной, выхлопных газов предыдущего цикла, и кинетической энергии набегающего потока во впускном тракте.

Известно по циклу Карно согласно второму закону термодинамики, что почти две трети несработанного теплового энергопотенциала топлива в современных двигателях уходит в выпускную трубу - выбрасывается в окружающую среду (атмосферу), создавая попутно мощную звуковую волну. Вся эта мощь в системах выпуска - шумоглушения в конечном итоге превращается в бросовое тепло.

При этом тепловой КПД двигателей составляет порядка (28-36)%.

За рабочий цикл двигатель внутреннего сгорания на такте выпуска генерирует (формирует) волны давления, при этом параметры горячего выпускаемого газа составляют:

4-5 атм - избыточное давление,

1400-1450 К - температура.

Известно, что использование энергии теплового энергопотенциала предыдущего цикла позволяет получить прирост мощности при прочих равных условиях до 100% и более, т.е. это видно из экспериментальной внешней характеристики карбюраторного двигателя с настроенной системой выпуска на режиме малой мощности - мощность возросла с 19 кВт, - до 38 кВт. (Теория поршневых и комбинированных двигателей. Четвертое издание, под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова, М.: Машиностроение, 1983 г., стр.263.

Известен способ под готовки свежего заряда в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (патент №2184860, МПК F02B 47/08 публ. 10.07.2002 г.).

Данный способ может быть использован как в бензиновых, так и в дизельных двигателях. Способ подготовки свежего заряда в цилиндре ДВС заключается в том, что свежий заряд в цилиндре турбулизируют и закручивают на такте впуска импульсом «горячего» газа повышенного давления, перепускаемого из соответствующего цилиндра на такте расширения, после чего продолжают возбуждение свежего заряда в этом же цилиндре и на такте сжатия. Кроме того, перепускаемый горячий газ дополнительно возбуждают акустическим полем. Данный способ обеспечивает улучшение смесеобразования и интенсификации процессов сгорания, что повышает эффективность способа. Предварительные испытания данного способа на двухтактном лодочном моторе "Вихрь-30" показали повышение экономичности двигателя на 10-15%.

Недостатком этого способа является то, что импульс горячего газа повышенного давления перепускают из соответствующего цилиндра на такте расширения через канал постоянного сечения и длины (геометрический объем канала постоянен), т.е. акустическая длина подводящих трубопроводов постоянна. Использование энергии теплового энергопотенциала предыдущего цикла составляет всего (3-5)%, что несущественно влияет на эффективность способа.

Наиболее близким по технической сущности и принятый за прототип является «Способ настройки резонансной системы впуска и выпуска двигателя внутреннего сгорания и резонансная система впуска и выпуска двигателя внутреннего сгорания» (патент №1290002, МПК F02B 27/00, F02M 35/10 публ. 15.02.1987 г).

Способ заключается, в том, что на такте выпуска газов из рабочего цилиндра в выпускном трубопроводе-коллекторе выпуска формируют волну давления, которая распространяется со скоростью звука в сторону глухого и открытого конца трубопровода. Волна, отраженная от глухого конца, практически мгновенно возвращается в зону выпускного устройства цилиндра без изменения знака волны. Другая волна, движущаяся по этому же выпускному трубопроводу-коллектору в сторону открытого конца, отражается от щелевого окна переменного проходного сечения с изменением знака волны на обратный знак. Волна разрежения движется в обратном направлении - в сторону зоны выпускного устройства цилиндра и при подходе к зоне обеспечивает отсос отработавших газов из цилиндра на такте выпуска в выпускной трубопровод-коллектор. Согласование амплитуды и частоты волн с режимами работы двигателя осуществляют путем изменения акустической длины выпускного трубопровода-коллектора при помощи изменения проходного сечения щелеобразного окна путем поворота цилиндрической насадки с косым срезом вокруг своей оси.

Аналогичным образом осуществляют настройку резонансной системы впуска. Импульс разрежения, образующийся на такте впуска одного из рабочих цилиндров, передается из него во впускной трубопровод-коллектор и, двигаясь со скоростью звука в сторону открытого конца, достигает щели - окна, образованного аналогично выпускному трубопроводу-коллектору. Отразившись от открытого окна с изменением знака волны на обратный знак, образовавшаяся волна давления движется обратно в зону впускного устройства цилиндра. За счет подбора акустической длины трубопровода путем поворота цилиндрической насадки с косым срезом на впускном трубопроводе-коллекторе обеспечивается подход волны давления к одному из цилиндров в момент перекрытия органов газораспределения, что обеспечивает улучшение продувки и наполнения цилиндра.

Акустическая длина выпускного трубопровода-коллектора должна быть больше акустической длины впускного трубопровода коллектора в таком соотношении, в каком скорость звука в горячем газе больше скорости звука в воздухе. Поскольку скорость звукам а (м/сек) зависит от температуры Т_среды, при этом скорость звука рассчитывается по формуле:

а=(kRT)^0,5, где

k и R - показатель адиабаты и газовая постоянная соответственно, то отношение акустических длин трубопроводов-коллекторов впускного и выпускного должно составлять величину, равную отношению квадратных корней из температур, если в первом приближении пренебречь незначительным отличием k и R для воздуха и газа. В такой постановке способ является более удобным при практической реализации его в устройстве, так как измерение температур осуществить достаточно просто. В этом случае, измеряя температуру, на каждом режиме работы двигателя определяют скорости звука в отработавших газах и в воздухе и производят изменение акустической длины одновременно и в соотношении, обратном отношению скоростей звука в воздухе в отработавших газах.

Изменение акустических длин осуществляют следующим образом.

С помощью датчиков температуры подается управляющий сигнал на электромеханический привод, который осуществляет изменение передаточного отношения механического вариатора путем перемещения цилиндрического диска относительно своей оси. Цилиндрический диск одновременно кинематически связан с коническими дисками, на которых соосно с ними закреплены насадки с косым срезом впускного и выпускного трубопроводов-коллекторов. При перемещении цилиндрического диска вдоль своей оси изменяется передаточное отношение i между коническими дисками впускного и выпускного трубопроводов-коллекторов в соответствии с отношением квадратных корней из температур Т_в и Т_от воздуха и отработавших газов в трубопроводах впуска и выпуска:

i=(T_в/Т_от)^0,5

Недостатки.

Производят регулировку акустической длины газового потока путем дроселирования, путем изменения регулируемого проходного сечения щелевого окна, при этом скорость потока возрастает до звуковых и околозвуковых режимов течения газов. Возникают большие гидравлические сопротивления в относительно длинных впускных и выпускных трубопроводах-коллекторах и особенно на срезе проходного сечения щелевого окна.

Производят регулировку акустической длины в зависимости от соотношения температур, при этом замеряют среднее значение температур газовых потоков:

i=(T_в/Т_от)^0,5

Температура за такт выпуска изменяется значительно - от Т_от≈1600 К в начале такта до Т_от≈(900-600) К в конце такта. В такой постановке способ имеет большую погрешность при регулировании.

Все вышесказанное ведет к неэффективной работе способа.

Решаемой технической задачей является:

Повышение эффективности способа работы за счет:

- снижения гидравлического сопротивления во впускных и выпускных трубопроводах-коллекторах на такте впуска и выпуска газовых потоков.

- повышения плотности свежего заряда путем использования энергии набегающего потока и энергии выпускных газов, перепускаемых на впуск.

- регулирования акустической длины выпускного, впускного и перепускного трубопроводов-коллекторов непосредственно по экстремумам-пикам импульсов давления газовых потоков

Технический результат достигается тем, что:

В способе работы двигателя внутреннего сгорания - на такте выпуска - импульс горячего газа одного из рабочих цилиндров, например первого, через выпускной коллектор подают в выпускной ресивер переменного объема, причем на каждом выбранном режиме объем выпускного ресивера изменяют и настраивают акустическую длину, состоящую из акустической длины выпускного коллектора и ресивера, при этом обеспечивают совпадение экстремума-пика амплитуды разрежения в них с началом такта выпуска первого рабочего цилиндра, затем на выходе из выпускного ресивера образуют два потока: импульс давления первого потока подают через перепускной трубопровод, перепускной ресивер переменного объема во впускной ресивер переменного объема и впускной коллектор; одновременно через дроссель воздуха или топливовоздушной смеси подают воздух или топливовоздушную смесь во впускной ресивер переменного объема и впускной коллектор с тем же знаком, что и импульс горячего газа, синхронную подачу импульса горячего газа и воздуха или топливовоздушной смеси во впускной ресивер переменного объема и впускной коллектор обеспечивают изменением объема перепускного ресивера и настройкой акустической длины перепускного трубопровода и перепускного ресивера, при этом обеспечивают совпадение и сложение экстремума-пика амплитуды избыточного давления горячего газа и экстремума-пика амплитуды избыточного давления воздуха или топливовоздушной смеси во впускном ресивере переменного объема и впускном коллекторе, параллельно изменяют объем впускного ресивера и настраивают акустическую длину впускного коллектора и впускного ресивера и обеспечивают сложением совпадение экстремумов-пиков суммарной амплитуды импульса повышения давления горячего газа и свежего холодного воздуха, или топливовоздушной смеси, с экстремумом-пиком разрежения в рабочем цилиндре на такте впуска-всасывания рабочего цилиндра, следующего за первым, согласно установленному порядку работы цилиндров двигателя, импульс давления второго потока горячего газа первого рабочего цилиндра через дроссель горячего газа выпускают в атмосферу, и далее цикл повторяют.

Для пояснения сущности способа рассмотрим схему.

На чертеже представлена схема устройства двигателя внутреннего сгорания на примере четырехцилиндрового двигателя, тактность, порядок работы цилиндров и способ подготовки топливовоздушной смеси (карбюраторный, впрысковой-инжекторный, дизельный) не имеют принципиального значения, 1, 2, 3, 4 - рабочие цилиндры двигателя; 5 - устройства впуска (условно не показаны); 6 - устройства выпуска (условно не показаны); 7 - впускной коллектор; 8 - впускной ресивер переменного объема (например: встроенный поршень диаметром, равным диаметру рабочего цилиндра, механизм перемещения условно не показан); 9 - дроссель воздуха (топливовоздушной смеси); 10 перепускной трубопровод; 11 - перепускной ресивер переменного объема (по аналогии с впускным ресивером переменного объема); 12 - дроссель горячего газа; 13 - выпускной ресивер переменного объема (по аналогии с впускным ресивером переменного объема); 14 - выпускной коллектор.

Работа способа заключается в следующем:

На такте выпуска импульс горячего газа одного из рабочих цилиндров, например первого (1), через выпускной коллектор (14) подают в выпускной ресивер переменного объема (13), причем на каждом выбранном режиме объем выпускного ресивера (13) изменяют и настраивают акустическую длину, состоящую из акустической длины выпускного коллектора (14) и ресивера (13), при этом обеспечивают совпадение экстремума-пика амплитуды разрежения в них с началом такта выпуска первого рабочего цилиндра, затем на выходе из выпускного ресивера (13) образуют два потока, импульс давления первого потока подают через перепускной трубопровод (10), перепускной ресивер переменного объема (11) во впускной ресивер переменного объема (8) и впускной коллектор (7), одновременно через дроссель воздуха или топливовоздушной смеси (9) подают воздух или топливовоздушную смесь во впускной ресивер переменного объема (8) и впускной коллектор (7) с тем же знаком, что и импульс горячего таза, синхронную подачу импульса горячего газа и воздуха или топливовоздушной смеси во впускной ресивер переменного объема (8) и впускной коллектор (7) обеспечивают изменением объема перепускного ресивера (11) и настройкой акустической длины перепускного трубопровода (10) и перепускного ресивера (11), при этом обеспечивают совпадение и сложение экстремума-пика амплитуды избыточного давления горячего газа и экстремума-пика амплитуды избыточного давления воздуха или топливовоздушной смеси во впускном ресивере переменного объема (8) и впускном коллекторе (7), параллельно изменяют объем впускного ресивера (8) и настраивают акустическую длину впускного коллектора (7) и впускного ресивера (8) и обеспечивают сложение и совпадение экстремумов-пиков суммарной амплитуды импульса повышения давления горячего газа и свежего холодного воздуха или топливовоздушной смеси с экстремумом-пиком разрежения в рабочем цилиндре (1) на такте впуска-всасывания рабочего цилиндра, следующего за первым, согласно установленному порядку работы цилиндров двигателя, импульс давления второго потока горячего газа первого рабочего цилиндра (1) через дроссель горячего газа (12) выпускают в атмосферу, далее цикл повторяют.

Количество перепускаемого горячего газа на впуск в зависимости от режима работы двигателя изменяется от 60% до 10% по отношению к расчетному количеству рабочего заряда базового аналога, процентное соотношение уточняется при доводке по регулировочным характеристикам,

По регулировочным характеристикам определяют также влияние угла опережения зажигания или впрыска топлива, состава смеси (или коэффициента избытка воздуха), давления или продолжительности впрыска, температуры охлаждающей жидкости или поступающего воздуха и прочие параметры.

Технико-экономические преимущества

По сравнению с известными аналогами, например: двигателями фирмы «Меркурий» - «Verado». Разработчики фирмы реализовали способ резонансного наддува в семействе моторов «Verado», установив резонатор на впуске системы подачи воздуха, а также настройке системы выпуска-выхлопа. Воздух в камеры сгорания подается нагнетателем воздуха и клапаном, который управляется электронным блоком в зависимости от режима работы двигателя и изменяет - регулирует акустическую длину газового потока на впуске, о регулировке выпускной - выхлопной системы - фирма сведений не дает. Эффект от внедрения можно оценить при качественном сравнении внешних скоростных характеристик, приведенных фирмой «Меркурий», в сравнении с ближайшим конкурентом. Обороты устойчивого холостого хода снижены примерно в три раза по сравнению с ближайшим аналогом. Кривая темпа нарастания мощности круче и достигает примерно 80% от максимальной в районе оборотов малой мощности. Кривая мощности от 80% до 100% - пологая, с незначительным подъемом, диапазон регулирования мощности по оборотам шире примерно на 25% от аналога, кривая момента более пологая и в интервале оборотов от 1/3 до 2/3 примерно в два раза выше по сравнению с ближайшим аналогом конкурента. Журнал «Катера и яхты», №3,2004, стр.51.

Преимуществом предлагаемого изобретения является то, что эффект резонансного явления используется в одном рабочем цикле двигателя трижды - на впуске, выпуске и перепуске газовых потоков, при этом:

- акустическая длина газового потока регулируется во впускной, выпускной и перепускной системах.

- акустическая длина газового потока на впуске регулируется путем изменения объема, а не дросселированием. Это значительно снижает потери при газообмене. В предлагаемом изобретении значительно снижается длина подводящих трубопроводов, объем впускного заряда формируется в непосредственной близости к впускному устройству и длина канала, по которому свежий заряд из ресивера переменного объема поступает в рабочий цилиндр, значительно меньше длины каналов коллекторов при регулировке акустической длины дросселированием.

- акустическая длина газового потока на выпуске так же регулируется путем изменения объема, горячие газы из рабочего цилиндра выпускаются сразу в ресивер, исключая длинную зажатую по диаметру выпускную трубу в момент выпуска горячих газов.

- увеличение мощности до двух и более раз за счет более эффективного использования энергии предыдущего цикла - прямого возвращения - рекуперации горячего газа предыдущего цикла в текущий цикл по перепускному каналу обратной связи во впускной коллектор.

- снижение количественной объемной доли выбросов вредных веществ в выпускных газах от общего количества по отношению к базовому аналогу:

- на режиме холостого хода до 60-70%,

- на режиме от холостого хода до 1/3 максимальной мощности - от 60-70% до 40%,

- от режима 1/3 максимальной мощности - до максимальной - от 40% - до 10%

Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий резонансную настройку впуска и выпуска, путем формирования в трубопроводах впуска и выпуска волн давления воздуха и отработавших газов и согласования амплитуды и частоты волн с режимами работы двигателя при помощи изменения акустической длины трубопроводов впуска и выпуска, при этом на каждом режиме измеряют температуру во впускном и выпускном трубопроводах и подают управляющий сигнал на механический привод, производя одновременное изменение акустической длины трубопроводов в отношении, обратном отношению скоростей звука в воздухе и в отработавших газах, отличающийся тем, что на такте выпуска импульс горячего газа одного из рабочих цилиндров, например первого, через выпускной коллектор подают в выпускной ресивер переменного объема, причем на каждом выбранном режиме объем выпускного ресивера изменяют и настраивают акустическую длину, состоящую из акустической длины выпускного коллектора и ресивера, при этом обеспечивают совпадение экстремума - пика амплитуды разряжения в них с началом такта выпуска первого рабочего цилиндра, затем на выходе из выпускного ресивера образуют два потока, импульс давления первого потока подают через перепускной трубопровод, перепускной ресивер переменного объема во впускной ресивер переменного объема и впускной коллектор, одновременно воздух или топливовоздушную смесь через дроссель подают во впускной ресивер переменного объема и впускной коллектор с тем же знаком, что и импульс горячего газа, а синхронную подачу импульса горячего газа и воздуха или топливовоздушной смеси во впускной ресивер переменного объема и впускной коллектор обеспечивают изменением объема перепускного ресивера и настройкой акустической длины перепускного трубопровода и перепускного ресивера, при этом обеспечивают совпадение и сложение экстремума - пика амплитуды избыточного давления горячего газа и экстремума - пика амплитуды избыточного давления воздуха или топливовоздушной смеси во впускном ресивере переменного объема и впускном коллекторе, параллельно изменяют объем впускного ресивера и настраивают акустическую длину впускного коллектора и впускного ресивера, и обеспечивают сложение и совпадение экстремумов - пиков суммарной амплитуды импульса повышения давления горячего газа и свежего холодного воздуха или топливовоздушной смеси с экстремумом - пиком разряжения в рабочем цилиндре на такте впуска - всасывания рабочего цилиндра, следующего за первым, согласно установленному порядку работы цилиндров двигателя, импульс давления второго потока выпускного горячего газа первого рабочего цилиндра через дроссель горячего газа выпускают в атмосферу и далее цикл повторяют.