IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В данной статье представлены способы улучшения экономичности и экологичности современных двигателей внутреннего сгорания посредством совершенствования впрыска топлива.

Современные требования к токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания заставляют их производителей не только разрабатывать и внедрять системы, позволяющие уменьшить эмиссию вредных выбросов, но и использовать принципиально новые способы организации рабочего процесса.

Один из современных способов улучшения экологических показателей и улучшения экономичности для двигателей с искровым зажиганием является обеднение топливно-воздушной смеси, но сжигание обедненной смеси происходит гораздо труднее. Решением этой проблемы является расслоение заряда в цилиндре.

При впуске поршень движется к нижней мертвой точке и воздушный заряд поступает в цилиндр через открытый первый впускной клапан первого тангенциального впускного патрубка, что создает интенсивное движение заряда вокруг оси цилиндра. При работе двигателя на средних и больших нагрузках воздушный заряд может поступать в цилиндр и через второй винтовой впускной патрубок при открытом втором впускном клапане.

При сжатии поршень движется к верхней мертвой точке и сжимает вращающийся воздушный заряд в цилиндре. До подхода поршня к верхней мертвой точке во вращающийся воздушный заряд цилиндра форсункой впрыскивается топливо через сопловые отверстия так, что, по меньшей мере, часть топлива попадает на горячую стенку камеры сгорания, на которой происходит его испарение. Пары топлива, соединяясь вращающимся воздушным зарядом, образуют около стенки вращающийся кольцевой объем богатой топливовоздушной смеси, которая будет обедняться вплоть до чистого воздуха в направлении центра камеры сгорания.

Воспламенение богатой топливовоздушной смеси происходит от свечи зажигания возле стенки камеры сгорания. Горение топливовоздушной смеси происходит в кольцевом объеме при его интенсивном вращении. Горячие продукты сгорания, обладающие меньшей плотностью, будут отводиться из кольцевого объема к оси вращения заряда по направлению и вытеснять относительно холодный воздух из центра вихря в кольцевой объем по направлению. При этом фронт пламени будет смещаться по богатой смеси в направлении стенки камеры сгорания, откуда в кольцевой объем будут поступать пары топлива от горячей стенки[1].

Регулирование впрыскивания топлива осуществляют при изменении количества воздушного заряда, поступающего в цилиндр так, что при увеличении количества воздушного заряда угол опережения впрыскивания топлива φ увеличивают. Это обусловлено тем, что для испарения большей массы топлива на стенке требуется большее время.

Такая организация рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием позволит улучшить топливную экономичность более чем на 15% и снизить содержание в продуктах сгорания оксида углерода и углеводородов более чем на 55%[1,2].

Один из способов увеличения мощности и повышения экологичности за счет улучшения впрыска топливно-воздушной смеси в цилиндр основан на эффекте Ранка

Техническая сущность изобретения состоит в том, что согласно эффекту Ранка вихревое введение любой текучей среды, в том числе и воздуха, в цилиндрическую полость дает температурный градиент по поперечному сечению полости. Так, пристеночные вихревые потоки, в частности воздуха, разогреваются до температур более 100°C, что определяется в значительной мере давлением подаваемого потока воздуха. Применительно к предлагаемому способу введения топлива в камеру сгорания, использование эффекта Ранка позволяет испарить капли топлива и получить в результате однородную топливно-воздушную смесь, так как воздух лучше смешивается с парами, чем с капельными топливными структурами[4].

Реализуется предлагаемый способ подачи топлива в поршневом ДВС следующим образом.

В поток, предпочтительно сжатого, воздуха, идущего по каналу от источника, впрыскивают топливо инжектором. Поступая в цилиндр по касательной к его внутренней поверхности топливно-воздушная смесь в камере сгорания образует вихревую структуру, в которой, согласно эффекту Ранка, на периферии поднимается температура более 100 С. Топливо в виде капель, отброшенных на периферию вихревой структуры под действием центробежных сил, в условиях повышенной температуры начнет интенсивно испаряться, образуя пары, которые, перемешиваясь с воздухом, образуют гомогенную (однородную) топливно-воздушную смесь[4,3]. Сгорание такой смеси от действия запальной свечи будет полным, что повысит КПД использования топлива и улучшит экологические характеристики продуктов сгорания. Возможно, также, уменьшение количества необходимого топлива за счет оптимизации соотношения количества пара и воздуха, что может быть достигнуто в процессе регулирования ДВС. После завершения рабочего цикла продукты сгорания выводятся из цилиндра через клапан.

Для двигателей с воспламенением от сжатия так же существуют способы повышения экологичности и экономичности

Способ смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, заключающийся в том, что, один воздушный поток, предназначенный для подачи в камеру сгорания, закручивают и вводят в него на такте сжатия топливо, отличающийся тем, что в воздушный поток на входе в камеру сгорания вводят дополнительный поток газовой среды в виде распределенных по периферии потока струй, создают в нем тороидальный вихрь, путем подачи струй под углом от 30 до 90 к вектору осевой скорости воздушного потока в направлении движения и касательно к воображаемой окружности, расположенной концентрично воздушному потоку и имеющей диаметр от около 0,3 до около 0,8 диаметра воздушного потока, при этом газовую среду образуют вне зоны ввода струй, а на участке формирования струй возбуждают в каждой струе акустические колебания.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Происходит впуск воздушного заряда через впускной клапан в камеру сгорания. Воздушный заряд при этом приобретает вращательное движение с помощью устройства для закрутки воздушного заряда, а дополнительная газовая среда (например, атмосферный воздух) вводится в закрученный воздушный заряд, образуя при этом тороидальный вихрь, циркуляция которого происходит внутри закрученного воздушного заряда. Высокая интенсивность турбулентности за счет энергии акустических колебаний давления и взаимодействия струй между собой и воздушным зарядом передается воздушному заряду, а при впрыске топлива на такте сжатия и топливным факелам, истекающим из сопел форсунки. Эта энергия идет как на улучшение тонкости распыления топлива, так и на выравнивание концентрационных полей в объеме камеры сгорания. В сочетании с этим в закрученном течении с высоким уровнем турбулентности возникают обширные зоны рециркуляции, которые имеют огромное значение в интенсификации процесса смесеобразования. Происходит воспламенение подготовленной однородно перемешанной топливовоздушной смеси в объеме камеры сгорания, при этом время, необходимое для сгорания топлива, уменьшается за счет диффузионной составляющей процесса горения

Библиографический список

1. И. В. Кузнецов, А. М. Сычев Процессы смесеобразования в двигателе с расслоением заряда в цилиндре // Автомобильная промышленность. 2015. №3.

2. Двигатель внутреннего сгорания и способ его работы // http://www.findpatent.ruURL: http://www.findpatent.ru/patent/254/2544418.html (дата обращения: 20.10.2016).

3. Росс Твег, Системы впрыска бензина, Москва, КЖИ «За рулем», 2003

4. Сущность эффекта Ранка // http://khd2.narod.ru URL: http://khd2.narod.ru/whirl/ranque.htm (дата обращения: 20.10.2016).

5. А. С. Орлина Двигатели внутреннего сгорания. Том 1. Рабочие процессы в двигателях и их агрегатах. М.: МАШГИЗ, 1957. 396 с.

Код для цитирования: Скопировать