RU2097581C1 - Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания - Google Patents

Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания Download PDF

Info

Publication number
RU2097581C1
RU2097581C1 SU925030652A SU5030652A RU2097581C1 RU 2097581 C1 RU2097581 C1 RU 2097581C1 SU 925030652 A SU925030652 A SU 925030652A SU 5030652 A SU5030652 A SU 5030652A RU 2097581 C1 RU2097581 C1 RU 2097581C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
working fluid
volume
piston
cycle
engine
Prior art date
Application number
SU925030652A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Макарович Макаров
Original Assignee
Анатолий Макарович Макаров
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анатолий Макарович Макаров filed Critical Анатолий Макарович Макаров
Priority to SU925030652A priority Critical patent/RU2097581C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2097581C1 publication Critical patent/RU2097581C1/ru

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Landscapes

  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

Использование: в теплоэнергетике, в частности, для повышения термодинамического коэффициента полезного действия четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ включает последовательность процессов, составляющих известный способ работы двигателя внутреннего сгорания, но при этом положение поршня в момент прерывания процесса всасывания рабочего тела выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками, первую из них определяют условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, а вторую - величиной геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе, которую выбирают по условию обеспечения положительного эффекта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам работы (термодинамическим циклам) четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.
Изобретение может быть наиболее эффективно использовано в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу.
В двигателях внутреннего сгорания широко известны способы работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания по термодинамическому циклу с изохорным (карбюраторный двигатель), с изобарным (дизельный двигатель) и смешанным подводом тепла.
Недостатком известных способов является относительно невысокая термодинамическая эффективность цикла по сравнению с термодинамической эффективностью идеальной тепловой машины.
Наиболее близким к изобретению является известный способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий процессы изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра при ходе поршня от положения "верхняя мертвая точка" до положения прерывания процесса всасывания, характеризуемого углом поворота коленчатого вала двигателя после прохождения положения "нижняя мертвая точка" в пределах от 0 до 70o в зависимости от быстроходности и типа двигателя, адиабатного сжатия, изохорного, изобарного или смешанного подвода тепла к циклу, адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы и выпуск рабочего тела. При этом после окончания процесса адиабатного расширения рабочего тела при ходе поршня из некоторого положения в окрестности "верхней мертвой точки" до положения "нижняя мертвая точка" рабочее тело имеет давление больше давления окружающей среды.
Однако известный способ имеет тот недостаток, что при этом принципиально неустранимы обратные потери цикла, связанные с неравновесным выхлопом отработанных газов из рабочего цилиндра из-за конечной величины разности давлений в рабочем цилиндре в конце такта адиабатного расширения и в процессе вытеснения рабочего тела из рабочего цилиндра. Последнее снижает термодинамический коэффициент полезного действия двигателя, работающего по известному способу.
Цель изобретения повышение термодинамического коэффициента полезного действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Цель достигается тем, что в известном способе работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающем процессы изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра, адиабатного сжатия, изохорного, изобарного или смешанного подвода тепла к циклу, адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы и выпуск рабочего тела, согласно изобретению процесс всасывания рабочего тела прерывают с помощью системы газораспределения, при этом момент прерывания выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками, первая из них определена условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, а вторая величиной геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе, которую рассчитывают как нетривиальное решение уравнения:
Figure 00000002

где
Figure 00000003

η - коэффициент полезного действия заявляемого способа;
εo- геометрическая степень сжатия рабочего тела, т.е. отношение объема рабочего тела при положении поршня в "нижней мертвой точке" к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке";
Figure 00000004
геометрическая степень сжатия рабочего тела при условии обращения в нуль скорости рабочего тела в момент прерывания процесса всасывания;
ε - эффективная степень сжатия рабочего тела, вычисляемая как отношение объема рабочего тела при положении поршня в точке прерывания процесса всасывания к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке";
λ - отношение давления рабочего тела в конце изохорного подвода тепла к циклу к давлению рабочего тела в конце процесса адиабатного сжатия;
κ - отношение объема рабочего тела в конце изобарного подвода тепла к циклу к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке";
k показатель адиабаты рабочего тела.
Кроме того, цель достигается тем, что согласно изобретению в двигателях внутреннего сгорания с изохорным или смешанным подводом тепла процесс всасывания рабочего тела в цилиндр двигателя проводят с частичным вытеснением рабочего тела из цилиндра при ходе поршня от положения "нижняя верхняя точка" до положения поршня в момент прерывания процесса всасывания во вспомогательный объем.
Прерывание процесса всасывания при положении поршня между положениями, определяемыми первой и второй расчетными точками, позволяет осуществить термодинамический цикл с меньшими необратимыми потерямии, в частности, цикл с качественно новыми характерными особенностями, главная из которых - принципиальная возможность равновесного замыкания цикла по давлению в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, что полностью устраняет необратимые потери теоретического цикла двигателя, обусловленные отмеченным выше несовпадением давлений.
На фиг. 1 представлено изображение термодинамического цикла работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при расположении точки прерывания процесса всасывания правее оптимального положения; на фиг. 2 - изображение части термодинамического цикла работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при оптимальном положении точки прерывания процесса всасывания; на фиг. 3 изображение части термодинамического цикла работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при расположении точки прерывания процесса всасывания левее оптимального положения.
Термодинамический цикл изображен в PY-координатах. На фиг.1: P давление рабочего тела; Pос давление окружающей среды; Y объем рабочего тела, индексами ВМТ и НМТ отмечены значения объема рабочего тела при положении поршня в "верхней" и "нижней мертвых точках" соответственно. Цифрой 0 обозначена начальная точка цикла, процесс 0-1'-1 процесс изобарного всасывания рабочего тела, точка 1 положение прерывания процесса всасывания, точка 1' соответствует объему при положении поршня в "нижней мертвой точке", процесс 1-2 процесс адиабатного сжатия рабочего тела при ходе поршня от положения прерывания процесса всасывания до положения "верхняя мертвая точка", процесс 2-3 изохорный подвод тепла к циклу (для дизельного двигателя точки 2 и 3 совпадают), процесс 3-4 изобарный подвод тепла к циклу (для карбюраторного двигателя точки 3 и 4 совпадают), процесс 4-5' адиабатное расширение рабочего тела с совершением работы при ходе поршня из окрестности положения "верхняя мертвая точка" до положения "нижняя мертвая точка", процесс 5'-5 неравновесный сброс давления в рабочем объеме цилиндра до давления окружающей среды, процесс 5-6 изобарное вытеснение рабочего тела из цилиндра.
На фиг. 2 процесс адиабатического расширения 4-5' заканчивается в точке 5', совпадающей с точкой 5, а на фиг. 3 точка 5' расположена ниже точки 5. Величина отрезка 5'-5 характеризует меру неравновесности начальной стадии такта "выпуск рабочего тела". При оптимальном положении точки 1 точка 5' совпадает с точкой 5 и необратимые потери теоретического цикла, связанные с конечной величиной отрезка 5'-5, уменьшаются до нуля. Диапазон возможных положений точки 1 на отрезке 0-1 ограничен интервалом M'-М'', где М' и М'' соответственно первая и вторая расчетные точки цикла, положение которых определено выше.
Состояние рабочего тела в точках 1' и 5 и точках 0 и 6 различается по температуре и количеству массы рабочего тела; процессы 0-1'-1 и 5'-5-6 происходят при переменной массе рабочего тела.
Предлагаемый способ работы четырехконтактного двигателя внутреннего сгорания можно реализовать следующим образом (теоретический цикл).
Проводят процесс изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра 0-1'-1 при давлении, равном давлению окружающей среды, при ходе поршня из положения "верхняя мертвая точка" до положения "нижняя мертвая точка" и далее до положения прерывания процесса всасывания; процесс всасывания рабочего тела прерывают с помощью системы газораспределения (точка 1, фиг. 1), рабочее тело адиабатно сжимают при ходе поршня от положения прерывания процесса всасывания (точка 1, фиг. 1) до положения поршня "верхняя мертвая точка" (точка 2, фиг. 1), проводят процессы изохорного подвода тепла к циклу (линия 2-3, фиг. 1), изобарного подвода тепла к циклу (линия 3-4, фиг. 1) в совокупности или один из них, проводят процесс адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы при ходе поршня до положения "нижняя мертвая точка" (линия 4-5', фиг. 1 3) и выпуск рабочего тела (линии 5'-5 и 5-6). Таким образом, термодинамический цикл 0-1'-1-2-3-4-5'-5-6 оказывается замкнутым через атмосферу.
При этом положение точки 1 на линии 0-1' выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками цикла М' и М'', первая из них М' определена условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, что физически соответствует обращению в нуль скорости втекающего в цилиндр рабочего тела, а вторая расчетная точка М'' определена величиной геометрической степени сжатия рабочего тела в двигателе (отношение объема рабочего тела при положении поршня в "нижней мертвой точке" к объему рабочего тела при положении поршня в "верхней мертвой точке"), которую рассчитывают как нетривиальное решение уравнения:
Figure 00000005

где
Figure 00000006

коэффициент полезного действия предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу.
Кроме того, в двигателях внутреннего сгорания с изохорным или смешанным подводом тепла к циклу вытеснение рабочего тела из рабочего объема цилиндра в течение процесса всасывания при ходе поршня из положения первая расчетная точка (т. е. точка М') до положения прерывания процесса всасывания (т.е. точка 1) осуществляют во вспомогательный объем, расположенный между карбюратором и рабочим цилиндром двигателя, величину которого рассчитывают из условия отсутствия обратного потока рабочего тела через карбюратор.
Физический смысл приведенного уравнения состоит в следующем. При εo равном
Figure 00000007
коэффициент полезного действия двигателя, работающего по предлагаемому способу, равен коэффициенту полезного действия двигателя, работающего по известному способу (тривиальное решение). При увеличении величины εo левая часть уравнения сначала увеличивается, проходит положение максимума, затем уменьшается. Величина εo определенная как нетривиальное решение приведенного уравнения, приводит к совпадению коэффициента полезного действия двигателя, работающего по предлагаемому способу, с коэффициентом полезного действия двигателя, работающего по известному способу, при одинаковых значениях эффективной степени сжатия рабочего тела ε Таким образом, при прерывании процесса всасывания (точка 1) между точками М' и М'' относительное повышение коэффициента полезного действия двигателя в известном цикле с заданной величиной эффективности степени сжатия рабочего тела e и геометрической степени сжатия
Figure 00000008
плавно изменяется от нуля до максимальной величины и далее до нуля, определяя тем самым пределы изменения возможного положения точки 1 на линии 0-1' для обеспечения положительного эффекта.
В качестве примера рассмотрим двигатель автомобиля ВАЗ-2103 (изохорный подвод тепла к циклу, диаметр цилиндра 76 мм, ход поршня 80 мм, геометрическая степень сжатия
Figure 00000009
равна 8,5, эффективная степень сжатия ε равна 7,8, угол поворота коленчатого вала после положения "нижняя мертвая точка" в момент прерывания процесса всасывания равен 40o). Если принять, что теплотворная способность топлива составляет 4,5•107 Дж/кг, состав горючей смеси характеризуется отношением 15 кг воздуха на 1 кг топлива, удельная изохорная теплоемкость продуктов сгорания равна 860 Дж/кгК, в рабочем объеме успевает сгореть 50% топлива, то параметр l равен 3,75, а коэффициент полезного действия двигателя, работающего по известному циклу, равен 52,73% максимально возможный коэффициент полезного действия двигателя при e равной 7,8, в предлагаемом цикле составляет 60,27% что достигается при eo равной 20,3 (прерывание процесса всасывания происходит при повороте коленчатого вала двигателя на 114o после прохождения положения "нижняя мертвая точка"). Граница диапазона обеспечения положительного эффекта соответствует εo равной 44 (прерывание процесса всасывания происходит при повороте коленчатого вала двигателя на 138o после прохождения положения "нижняя мертвая точка"), угловые параметры прерывания процесса всасывания имеют место при отношении длины шатуна к длине хода поршня, равном 2,0. Таким образом, положительный эффект достигается при изменении угла поворота коленчатого вала двигателя в момент прерывания процесса всасывания от 40 до 138o при соответствующем увеличении геометрической степени сжатия рабочего тела от 8,5 до 44.
Осуществимость предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу при предельных положениях точки 1 на линии 0-1' (фиг.1), определяющих предельно допустимые величины геометрической степени сжатия εo при заданных величинах эффективной степени сжатия ε и геометрической степени сжатия известного способа
Figure 00000010
сомнений не вызывает. При стремлении точки 1 к точке М' приходят к известному способу, существование "оптимального" значения εo при котором точка 5' совпадает с точкой 5, и предельно возможного (точка М'') подтверждается теоретическим анализом предлагаемого способа.
Для реализации предлагаемого способа необходимы принципиально известные технические устройства и системы, в частности система газораспределения, содержащая впускные и выпускные клапаны, расположенные на рабочих цилиндрах двигателя и функционально связанные с углом поворота коленчатого вала двигателя, обеспечивающая требуемую последовательность и длительность фаз газораспределения.
Использование предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу обеспечивает по сравнению с известным способом работы двигателя по теоретическому циклу повышение коэффициента полезного действия двигателя.
Например, для карбюраторного двигателя при эффективной степени сжатия ε равной 8, и отношении давления рабочего тела в конце процесса сгорания топлива к давлению рабочего тела в конце процесса сжатия l равном 4, при значении показателя адиабаты рабочего тела k, равном 1,35, величина относительного повышения термодинамического коэффициента полезного действия в теоретическом предлагаемом цикле по сравнению с известным теоретическим циклом карбюраторного двигателя составляет 18%
Для дизельного двигателя при эффективной степени сжатия, равной 15, величине отношения объема рабочего тела в конце процесса сгорания к объему рабочего тела в конце процесса сжатия k равной 2,0, и величине показателя адиабаты рабочего тела k, равного 1,35, величина относительного повышения термодинамического коэффициента полезного действия в теоретическом предлагаемом цикле по сравнению с теоретическим циклом дизельного двигателя составляет 10,3% а при k равном 3,0, 19,8%
Кроме того, использование предлагаемого способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изохорным, изобарным или смешанным подводом тепла к циклу из-за уменьшения разницы между давлением рабочего тела в конце адиабатического расширения с совершением работы и давлением окружающей среды обеспечивает уменьшение шума двигателя.

Claims (2)

1. Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий процессы изобарного всасывания рабочего тела в рабочий объем цилиндра, адиабатного сжатия, изохорного, изобарного или смешанного подвода тепла, к циклу, адиабатного расширения рабочего тела с совершением работы и выпуск рабочего тела, отличающийся тем, что процесс всасывания рабочего тела прерывают с помощью системы газораспределения, при этом момент прерывания выбирают из диапазона положений поршня между двумя расчетными точками, первую из них определяют условием максимального наполнения рабочего объема цилиндра, а вторую величиной геометрической степени сжатого рабочего тела в двигателе, которую рассчитывают как решение уравнения
Figure 00000011

где
Figure 00000012

η - КПД заявляемого способа;
εo - геометрическая степень сжатия рабочего тела, т.е. отношение объема рабочего тела при положении поршня в нижней мертвой точке к объему рабочего тела при положении поршня в верхней мертвой точке;
Figure 00000013
геометрическая степень сжатия рабочего тела при условии обращения в нуль скорости рабочего тела в момент прерывания процесса всасывания;
ε - эффективная степень сжатия рабочего тела, вычисляемая как отношение объема рабочего тела при положении поршня в точке прерывания процесса всасывания к объему рабочего тела при положении поршня в верхней мертвой точке;
λ - отношение давления рабочего тела в конце изохорного подвода тепла к циклу к давлению рабочего тела в конце процесса адиабатного сжатия;
κ - отношение объема рабочего тела в конце изобарного подвода тепла к циклу к объему рабочего тела при положении поршня в верхней мертвой точке;
k показатель адиабаты рабочего тела.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изохорном или смешанном подводе тепла процесс всасывания ведут с частичным вытеснением рабочего тела из цилиндра во вспомогательный объем при ходе поршня от положения "нижняя мертвая точка" до положения поршня в момент прерывания процесса всасывания.
SU925030652A 1992-03-04 1992-03-04 Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания RU2097581C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU925030652A RU2097581C1 (ru) 1992-03-04 1992-03-04 Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU925030652A RU2097581C1 (ru) 1992-03-04 1992-03-04 Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2097581C1 true RU2097581C1 (ru) 1997-11-27

Family

ID=21598544

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU925030652A RU2097581C1 (ru) 1992-03-04 1992-03-04 Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2097581C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018035586A1 (pt) * 2016-08-26 2018-03-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Motor térmico de ciclo diferencial composto por quatro processos isobáricos, quatro processos isocóricos com regenerador e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor térmico
RU2680097C2 (ru) * 2014-06-27 2019-02-15 Цзэнли ЯН Способ изменения степени сжатия и изменения отношения воздуха к топливу в двигателе внутреннего сгорания

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Орлин А. С. и др. Двигатель внутреннего сгорания. Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1972, с.464. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680097C2 (ru) * 2014-06-27 2019-02-15 Цзэнли ЯН Способ изменения степени сжатия и изменения отношения воздуха к топливу в двигателе внутреннего сгорания
WO2018035586A1 (pt) * 2016-08-26 2018-03-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Motor térmico de ciclo diferencial composto por quatro processos isobáricos, quatro processos isocóricos com regenerador e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor térmico

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Martinez-Frias et al. HCCI engine control by thermal management
US7357125B2 (en) Exhaust gas recirculation system
US4232641A (en) Method and device for improving the efficiency of internal combustion engines
Redon et al. Meeting stringent 2025 emissions and fuel efficiency regulations with an opposed-piston, light-duty diesel engine
JPH0663452B2 (ja) 2サイクル内燃機関
Mattarelli et al. 2-stroke high speed diesel engines for light aircraft
JPH06102981B2 (ja) 2サイクル内燃機関
JPS638296B2 (ru)
Milovanovic et al. Influence of variable valve timings on the gas exchange process in a controlled auto-ignition engine
Blair et al. A more complete analysis of unsteady gas flow through a high-specific-output two-cycle engine
RU2097581C1 (ru) Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания
Ailloud et al. Development and validation of a five stroke engine
Noga et al. Increase of efficiency of SI engine through the implementation of thermodynamic cycle with additional expansion
Kalebjian et al. Low emissions and rapid catalyst light-off capability for upcoming emissions regulations with an opposed-piston, two-stroke diesel engine
Sawada et al. Development of a low emission two-stroke cycle engine
JP2009191727A (ja) エンジンの過給装置
RU2097582C1 (ru) Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания
JP2007040219A (ja) 内燃機関の制御装置
US6807850B2 (en) Method for determining the torque on the crankshaft of an internal combustion engine
US12025070B2 (en) Method for heating a catalytic converter
Caton Quantification of efficiency gains for dilute IC engines due to Increases of the ratio of specific heats
US6705300B2 (en) Method for open-loop and closed-loop control of the number and sequence of strokes in the motive process of a reciprocating-piston internal combustion engine
RU2056510C1 (ru) Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания
Munyao et al. Prediction of in-cylinder Conditions for a 2-stroke Marine Diesel Engine
GB2069594A (en) A compound expansion internal combustion engine