Способ осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания

Сущность способа

Способ без использования каких-либо дополнительных устройств позволяет осуществить непосредственно в рабочих камерах четырехтактных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) термодинамические циклы с продолженным расширением, повысить КПД ДВС, снизить создаваемый ими шум и уменьшить выброс теплоты в окружающее пространство.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания, включающем впуск свежего заряда рабочего тела в рабочие камеры циклически изменяющегося объема, сжатие, воспламенение и сгорание рабочей смеси, последующее расширение рабочего тела и выпуск отработавших газов из рабочих камер, после впуска перед сжатием принудительно расширяют рабочее тело, причем впуск и принудительное расширение проводят в течение одного такта изменения объема рабочих камер двигателя от минимального до максимального значения.

Графическая иллюстрация предлагаемого способа на примере его осуществления в цилиндре с подвижным поршнем показана на Рисунке 1, где обозначено:

V	–	текущее значение объема цилиндра (рабочей камеры);
Vmin	–	минимальное значение объема цилиндра (рабочей камеры);
Vmax	–	максимальное значение объема цилиндра (рабочей камеры);
Va	–	значение объема цилиндра (рабочей камеры), при котором прекращается впуск рабочего тела.

Каждый из первых двух тактов изменения объема рабочей камеры от минимального до максимального значения и обратно в предлагаемом способе разделяется на два подтакта.

При изменении объема рабочей камеры от Vс = Vmin до Vа на подтакте 1a осуществляется впуск, а при его изменении от Vа до Vb = Vmax на подтакте 1b – принудительное расширение рабочего тела.

На подтакте 2a рабочее тело возвращается в то же состояние, в котором оно находилось в момент окончания впуска и начала принудительного расширения, а на подтакте 2b происходит собственно сжатие рабочего тела до необходимой степени.

Такты 3 и 4 – соответственно такты расширения и выпуска отработавших газов из рабочей камеры.

Поскольку принудительное расширение рабочего тела на подтакте 1b и его последующий возврат в исходное состояние на момент начала принудительного расширения (окончания впуска свежего заряда) на подтакте 2a на состояния рабочего тела до и после проведения указанных операций никакого влияния не оказывают, то из рассмотрения термодинамического цикла они могут быть исключены.

Рисунок 1.

Из приведенного выше следует, что предлагаемый способ эквивалентен осуществлению рабочих процессов в двух сообщающихся цилиндрах разного объема Vа и Vb (Vа < Vb), когда впуск и сжатие постоянно производятся в цилиндре меньшего объема Vа, а расширение и выпуск – в цилиндре большего объема Vb. Степень сжатия рабочего тела при этом будет определяться отношением объема Vа к объему камеры сгорания Vc = Vmin, а степень его полного расширения – отношением объема Vb = Vmax к объему Vc.

Рисунок 2.

Индикаторная диаграмма осуществления рабочих процессов в ДВС предлагаемым способом показана на Рисунке 2, где:

V	–	текущий объем рабочей камеры;
р	–	давление в рабочей камере;
po	–	давление на входе в рабочую камеру;
r	–	точка начала впуска свежего заряда рабочего тела в рабочую камеру;
a	–	точка окончания впуска свежего заряда и начала принудительного расширения;
d	–	точка окончания принудительного расширения и начала возвратного хода;
f	–	точка воспламенения рабочего тела;
c	–	точка окончания сжатия;
z	–	точка достижения максимального давления;
b	–	точка начала выпуска отработавших газов.

Из представленных материалов следует, что введение после впуска перед сжатием принудительного расширения рабочего тела позволяет без каких-либо дополнительных устройств осуществить непосредственно в рабочих камерах четырехтактных ДВС термодинамические рабочие циклы с продолженным расширением, у которых степень расширения рабочего тела больше степени его сжатия. При этом работа, затраченная на принудительное расширение, не приводит к увеличению потерь, поскольку всегда будет равна взятой с обратным знаком работе, совершаемой в процессе возвратного хода от точки d до точки a, а полезная работа в процессе расширения после сгорания топлива увеличится на величину, соответствующую изменению объёма от Va до Vb = Vmax. Давление в точке начала выпуска отработавших газов уменьшается и при соответствующем выборе степени принудительного расширения может быть равно атмосферному.

Все сказанное выше дает возможность повысить КПД двигателя за счет увеличения полезной работы и более полного использования энергии сгоревшего топлива и одновременно обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, что существенно снижает уровень шума, создаваемого двигателем. Температура при выпуске отработавших газов при этом также уменьшается, что позволяет снизить выброс теплоты в окружающее пространство. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива следует ожидать и уменьшения выбросов загрязняющих атмосферу веществ.

Следует, однако, отметить, что при использовании предлагаемого способа вследствие уменьшения объема свежего заряда, впускаемого в рабочие камеры ДВС в каждом рабочем цикле, вполне естественно, происходит соответствующее пропорциональное уменьшение среднего индикаторного давления и мощности ДВС.

Оценка эффективности способа

Оценка эффективности предлагаемого способа была проведена путем расчета и сравнения термодинамических и индикаторных показателей ДВС при осуществлении в них традиционных термодинамических циклов и циклов с продолженным расширением при одинаковых условиях. Для этого была использована разработанная нами "Методика расчета термодинамических и индикаторных показателей ДВС", позволяющая определить указанные показатели по единым формулам в обоих случаях.

Из полученных в ней формул следует, что для их расчета необходимо задать следующие исходные данные:

• характеристики вводимого в рабочие камеры топлива (Hu, μT);
• характеристики воздуха, рабочего тела при сгорании топлива и его состава (μB, cvcp, cpcp, Lo, α);
• параметры впуска в рабочие камеры свежего заряда (pk, Tk, Ta, γ, ηv);
• параметры рабочего цикла (n1, n2, kq, kp);
• конструктивные параметры (ε, β).

Характеристики вводимого в рабочие камеры топлива (Hu, μT) и воздуха (μB) незначительно зависят от их состава и рассматриваются как заданные постоянные величины.

Удельные теплоемкости рабочего тела при сгорании топлива (cp и cv) весьма существенно зависят от его температуры (T) и состава, определяемого коэффициентом избытка воздуха (α).

Их значения могут быть определены с помощью эмпирических зависимостей, приведенных в /1/:

– для бензина при 0,7 ≤ α ≤ 1,2 и 273oК ≤ T ≤ 2600oК

   cp = (0,5186 – 0,0488 α)·T 0,148 кДж/(кг∙oК);

   cv = (0,2871 – 0,0242 α)·T 0,190 кДж/(кг∙oК)

– для дизельного топлива при 1 ≤ α ≤ 2 и 273oК ≤ T ≤ 2600oК

   cp = (0,3865 + 0,0350 α)·T 0,1751-0,0177·α кДж/(кг∙oК);

   cv = (0,2255 + 0,0120 α)·T 0,2180-0,0155·α кДж/(кг∙oК)

Изменение cp и cv от температуры и коэффициента избытка воздуха для продуктов сгорания бензина и дизельного топлива в соответствии с указанными выше зависимостями может быть, вообще говоря, учтено при расчете индикаторных показателей.

В данной статье с целью упрощения расчетов значения средних удельных теплоемкостей cpcp и cvcp принимались постоянными, соответствующими средней температуре рабочего тела при сгорании топлива Tcp ≈ 1800oК для бензина и Tcp ≈ 1500oК для дизельного топлива.

Стехиометрическое количество воздуха (Lo) зависит от типа и состава топлива, а коэффициент избытка воздуха (α) – от количества подаваемого в рабочие камеры топлива и воздуха в течение каждого рабочего цикла.

В данной статье Lo принимается величиной постоянной для каждого типа топлива, а коэффициент избытка воздуха рассматривается в качестве параметра, регулирующего режим работы двигателя и изменяющегося в пределах, приведенных в /1/.

Параметры впуска свежего заряда в рабочие камеры (pk, Tk, Ta, γ , ηv) зависят от типа ДВС, параметров системы газообмена, степени сжатия, давления и температуры остаточных газов в рабочих камерах, степени подогрева свежего заряда во впускном канале и т.п.

В данном случае они принимаются без расчета аналогичными полученным на основании экспериментальных данных и приведенными в /1/. При этом коэффициент наполнения рабочего объема (ηv) для карбюраторного (бензинового) варианта ДВС рассматривается в качестве параметра регулирования режима работы двигателя, изменяющегося в заданных пределах, а для дизельного варианта принимается постоянным.

Процессы сжатия и расширения при осуществлении термодинамических циклов в рабочих камерах ДВС вследствие теплообмена между рабочим телом и стенками рабочих камер протекают по политропам с переменными показателями n1 и n2. При этом средние значения показателей n1 и n2 оказываются меньше показателя адиабаты. В соответствии с данными, приведенными в /1/, средние значения показателя политропы сжатия (n1) как для бензинового, так и для дизельного вариантов ДВС были приняты изменяющимися в пределах от 1,35 до 1,38, а средние значения показателя политропы расширения (n2) – от 1,23 до 1,30 для бензиновых и от 1,18 до 1,28 для дизельных ДВС. Потери теплоты в охлаждающую среду через стенки рабочих камер при этом могут составлять примерно (20-30)% как для бензинового, так и для дизельного вариантов ДВС.

С учетом отмеченного выше и с целью упрощения расчетов при проведении оценок средние значения показателей политроп сжатия и расширения, а также коэффициент потерь теплоты в стенки рабочих камер были приняты постоянными и одинаковыми как для бензиновых двигателей, так и для дизелей.

Значение коэффициента (kq) зависит от характера тепловыделения в процессе сгорания топлива, который определяется моментом воспламенения топлива, скоростью и длительностью его сгорания.

Так как в бензиновых ДВС сгорание заранее подготовленной смеси происходит практически мгновенно и при практически неизменном объеме, то для них значение коэффициента kq = 1.

В дизельных ДВС процесс сгорания топлива при малоизменяющемся (постоянном) объеме рабочих камер происходит лишь частично, вследствие чего для них kq < 1.

Возможные значения степени сжатия (ε) приняты соответствующими значениям, характерным для современных бензиновых и дизельных двигателей и приведенным в /1/.

Значения перечисленных выше характеристик, принятых для проведения расчетов с учетом сделанных замечаний, представлены в Таблицах 1-3.

Таблица 1 содержит характеристики топлива, воздуха и рабочего тела, участвующего в осуществлении рабочих циклов в ДВС.

Таблица 1

Тип ДВС	Hu, МДж/кг	μT, кг/моль	μB, кг/моль	cvcp, Дж/(кг·К)	cpcp, Дж/(кг·К)	Lo, моль/кг	α
Бензиновый	44,0	0,115	0,027	1100	–	516	0,6 - 1,5
Дизельный	42,6	0,190	0,027	1000	1300	498	0,6 - 3,0

Параметры впуска свежего заряда приняты согласно Таблице 2.

При этом меньшие значения Ta и γ, приведенные в Таблице 2, соответствуют максимальной степени сжатия (ε), а большие – минимальной степени сжатия рабочего тела.

Таблица 2

Тип ДВС	pk, МПа	Tk, oК	Ta, oК	γ	ηv
Бензиновый	0,1	290	330 - 350	0,06 - 0,08	0,3 - 0,9
Дизельный	0,1	300	310 - 330	0,03 - 0,05	0,85

Принятые для оценок характеристики рабочего цикла и конструктивные параметры представлены в Таблице 3.

Таблица 3

Тип ДВС	n1	n2	kp	kq	ε	β
Бензиновый	1,35	1,25	0,25	1	6,5 - 10,0	1 - 2,5
Дизельный	1,35	1,25	0,25	0,4 - 0,6	14 - 23	1 - 2,5

Расчет термодинамических и индикаторных показателей ДВС проводился для различных значений степени сжатия (ε) и коэффициента β, характеризующего отношение степени полного расширения рабочего тела к степени его сжатия и равного степени принудительного расширения. Пределы их изменения соответствуют данным, приведенным в Таблице 3.

Значения показателей ДВС, полученные при β = 1, соответствуют осуществлению в них традиционных циклов со степенью полного расширения рабочего тела, равной степени его сжатия, а при β > 1 – циклов с продолженным расширением.

Результаты расчета

Оценка влияния характеристик топлива, воздуха, рабочего тела, параметров впуска в рабочие камеры свежего заряда, параметров рабочего цикла и конструктивных параметров на термодинамические и индикаторные показатели ДВС показывает, что наиболее существенно они зависят от коэффициента избытка воздуха (α), коэффициента наполнения рабочего объёма рабочей камеры свежим зарядом (ηv), степени сжатия рабочего тела (ε), коэффициента тепловыделения (kq) и отношения степени полного расширения рабочего тела к степени его сжатия (β). Остальные параметры в силу незначительных пределов их изменения на термодинамические и индикаторные показатели ДВС практически не влияют.

Результаты оценки основных термодинамических и индикаторных показателей карбюраторного (бензинового) и дизельного вариантов ДВС на номинальном режиме работы при α = (1,0…1,2) и ηv = (0,8…0,9) в зависимости от степени сжатия рабочего тела (ε) и степени принудительного расширения (параметра β) представлены в Таблицах 4 и 5 соответственно.

Из представленных результатов следует, что осуществление рабочих процессов в ДВС предлагаемым способом при указанной степени принудительного расширения позволит:

• повысить индикаторный КПД и, соответственно, топливную экономичность бензиновых и дизельных ДВС на всех режимах их работы на (10-15)% или в (1,3-1,4) раза;
• увеличить максимальные значения индикаторного КПД на номинальном режиме работы (при коэффициенте избытка воздуха α = 1,1…1,2 и коэффициенте наполнения рабочего объема ηv = 0,8…0,9) бензиновых ДВС до (44-50)%, а дизельных ДВС – до (54-62)%;
• снизить температуру отработавших газов при их выпуске из рабочих камер на (250-350)oК для бензиновых и на (200-250)oК для дизельных ДВС;
• уменьшить давление отработавших газов при их выпуске из рабочих камер до (0,1-0,15) МПа для бензиновых и до (0,1-0,14) МПа для дизельных ДВС.

Среднее индикаторное давление при этом уменьшится не более, чем в (1,5-2,0) раза у бензиновых и в (1,6-2,1) раза у дизельных ДВС.

Таблица 4

Термодинамические и индикаторные показатели карбюраторного (бензинового) варианта ДВС на номинальном режиме работы (α = 1,0…1,2 и ηv = 0,8…0,9)

Параметры	β = 1,0		β = 2,5
	ε = 6,5	ε = 10,0	ε = 6,5	ε = 10,0
Степень повышения давления (λ), б/р	3,3 - 3,8	3,1 - 3,6	3,3 - 3,8	3,1 - 3,6
Степень предварительного расширения (ρ), б/р	1,0	1,0	1,0	1,0
Максимальная температура цикла (Tz), oК	2200 - 2500	2300 - 2650	2200 - 2500	2300 - 2650
Максимальное давление цикла (pz), МПа	4,0 - 5,0	7,0 - 8,0	4,0 - 5,0	7,0 - 8,0
Температура отработавших газов в момент их выпуска из рабочих камер (Tb), oК	1400 - 1600	1300 - 1500	1100 - 1250	1050 - 1150
Давление отработавших газов в момент их выпуска из рабочих камер (pb), МПа	0,36 - 0,45	0,35 - 0,44	0,11 - 0,15	0,11 - 0,15
Индикаторный КПД цикла (ηi), б/р	0,31 - 0,32	0,36 - 0,37	0,44 - 0,46	0,49 - 0,51
Среднее индикаторное давление цикла (pi), МПа	0,80 - 0,95	0,95 - 1,15	0,45 - 0,50	0,50 - 0,55

Таблица 5

Термодинамические и индикаторные показатели дизельного варианта ДВС на номинальном режиме работы (α = 1,0…1,2 и ηv = 0,8…0,9)

Параметры	β = 1,0		β = 2,5
	ε = 6,5	ε = 10,0	ε = 6,5	ε = 10,0
Степень повышения давления (λ), б/р	1,9 - 2,5	1,8 - 2,4	1,9 - 2,5	1,8 - 2,4
Степень предварительного расширения (ρ), б/р	1,3 - 1,6	1,3 - 1,6	1,3 - 1,6	1,3 - 1,6
Максимальная температура цикла (Tz), oК	2450 - 2750	2700 - 3100	2450 - 2750	2700 - 3100
Максимальное давление цикла (pz), МПа	6,0 - 8,0	10,5 - 14,5	6,0 - 8,0	10,5 - 14,5
Температура отработавших газов в момент их выпуска из рабочих камер (Tb), oК	1400 - 1550	1400 - 1500	1100 - 1200	1100 - 1200
Давление отработавших газов в момент их выпуска из рабочих камер (pb), МПа	0,38 - 0,42	0,36 - 0,40	0,12 - 0,14	0,11 - 0,13
Индикаторный КПД цикла (ηi), б/р	0,40 - 0,43	0,46 - 0,50	0,54 - 0,57	0,59 - 0,62
Среднее индикаторное давление цикла (pi), МПа	1,05 - 1,25	1,20 - 1,40	0,50 - 0,60	0,60 - 0,70

Список использованных источников

1. Двигатели внутреннего сгорания. Книга 1. Теория рабочих процессов. В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др. Под ред. В.Н. Луканина. – М., Высшая школа, 1995 г.