RU2267620C2 - Способ повышения эффективности сгорания горючей смеси в двигателях - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением рабочей смеси от электрической искры. Технический результат заключается в возможности обеспечения быстрого и практически полного сгорания горючей смеси, что благоприятно сказывается на эксплуатационных показателях ДВС. Согласно изобретению при помощи сетчатого гомогенизатора образуют гомогенизированную горючую смесь и обеспечивают ей турбулентные завихрения. В результате горючая смесь, смешиваясь при поступлении в цилиндр ДВС с остатками отработанного газа, образует гомогенизированную рабочую смесь, в которой все топливо находится в паро- и газообразном состоянии. При этом угол зажигания, определяющий подачу искры для принудительного воспламенения рабочей смеси, располагают в диапазоне -5°...-7° у ВМТ, а при оборотах холостого хода и малых нагрузках - в диапазоне 0±3°.

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением рабочей смеси от электрической искры.

Из патента РФ №2166115, МПК F 02 M 29/00, опубл. 27.04.2001 известно о возможности применения в ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением рабочей смеси сетчатого гомогенизатора, при помощи которого образуют гомогенизированную горючую смесь и обеспечивают ей турбулентные завихрения. В результате горючая смесь, смешиваясь при поступлении в цилиндр ДВС с остатками отработанного газа, образует гомогенизированную рабочую смесь, в которой все топливо находится в паро- и газообразном состоянии и которая сгорает быстро и практически полностью (коэффициент сгорания до 98-99%). Увеличение скорости сгорания рабочей смеси с сохранением стандартного момента зажигания приводит к смещению точки достижения максимального давления цикла в сторону, обратную направлению вращения коленчатого вала. Указанное не позволяет достичь максимальной эффективности ДВС при его эксплуатации.

Целью заявленного изобретения является обеспечение быстрого и практически полного сгорания топливо-воздушной смеси, а также улучшение эксплуатационных показателей ДВС за счет достижения оптимального угла зажигания.

Указанная цель достигается тем, что на ДВС устанавливают сетчатый гомогенизатор, при помощи которого образуют гомогенизированную горючую смесь и обеспечивают ей турбулентные завихрения. В результате горючая смесь, смешиваясь при поступлении в цилиндр ДВС с остатками отработанного газа, образует гомогенизированную рабочую смесь, в которой все топливо находится в паро- и газообразном состоянии. При этом угол зажигания, определяющий подачу искры для принудительного воспламенения рабочей смеси, располагают в диапазоне -5...7° у ВМТ, а при оборотах холостого хода и малых нагрузках - в диапазоне 0±3°.

Заявленный способ реализуется в двигателях за счет изменения момента подачи искры с общепринятого для нормальной смеси на более поздний в пределах 12±2° для гомогенизированной, что определяет фактическую подачу искры в максимальном приближении к ВМТ: -5...7° при высоких оборотах двигателя или 0±3° при оборотах холостого хода и малых нагрузках. При этом максимальное давление в цилиндрах при всех нагрузках создается при повороте коленчатого вала на 15-20° после ВМТ, что обеспечивает максимальную отдачу мощности двигателя при максимальной экономичности. В соответствии с этим получаемый установочный угол зажигания является оптимальным для данного типа сгорания гомогенизированной горючей смеси. Для двигателей, находящихся в эксплуатации, данный угол определяется опытным путем после установки сетчатого гомогенизатора под карбюрирующее устройство и регулировки состава горючей смеси винтом качества на холостом ходу от обычно обогащенной с К_об=0,8-0,85 до нормальной или стехиометрической с K_об=1,0-1,03 (коэффициент избытка воздуха). При этом во время регулировки цвет пламени в цилиндре последовательно меняется с ярко-голубого, через бледно-розовый, до бесцветно-голубоватого (наблюдается с помощью свечи-индикатора с прозрачной вставкой), а содержание несгоревших веществ в выхлопных газах уменьшается в 10-20 раз при росте числа оборотов на 30-40% от первоначального (определяется с помощью электронно-цифрового тахометра). После получения максимального числа оборотов от улучшения сгорания ГС выполняется регулировка с поиском оптимального угла зажигания аналогично стандартной корретировке, но угол сдвига распределителя зажигания (по октан-корректору для обычной (нормальной) ГС последовательность регулировок обратная) значительно больше обычного. При регулировке число оборотов коленвала двигателя растет в пределах 30-35% от первоначального по мере плавного сдвига угла октан-корректора от обычного до оптимального. При достижении оптимального угла зажигания рост числа оборотов прекращается, оставаясь неизменным (определяется с помощью электронно-цифрового тахометра). С прекращением регулировки обороты холостого хода доводят до нормы. В процессе регулировки двигателя наблюдается резкое повышение стабильности оборотов холостого хода - биение снижается до 4-8 об/мин вместо 30-50 об/мин обычных, что говорит о высоком воспроизводстве процесса горения в самых неблагоприятных условиях, когда размер свежего заряда ГС самый маленький, а рабочая смесь в цилиндре максимально обеднена. Сетчатый гомогенизатор обеспечивает получение необходимого качества состава ГС и ее турбулентности, улучшающей смесеобразование в потоках, при наполнении цилиндров, а оптимальный угол зажигания позволяет использовать максимальный форсаж двигателя от полного сгорания на всех режимах нагрузок, включая холостой ход. Результаты регулировки систем двигателя проверяются испытательным пробегом. При определенных инструкцией условиях и нагрузках наблюдается слабо выраженная детонация, но ускорения на разных передачах и максимальные скорости значительно выше обычных. Отмечается снижение эксплуатационного расхода топлива - в сумме с регулировкой на полное сгорание может составить 30-33% бензина или 15-20% баллонного газа на 100 км пробега. Достигаются высокие экологические характеристики: содержание СО снижается до 0,1% вместо 1,0-1,5%, CH до 0,03%, а сажа в выхлопных газах отсутствует. Значительного роста NO_x в выхлопе не наблюдается. Значительно снижаются шумность и вибрация двигателя, что делает использование транспорта более комфортным, а запас мощности и крутящего момента в определенных условиях более безопасным, т.к. двигатель хорошо отзывается на любое изменение положения педали газа, включая торможение двигателем.

Холодный пуск двигателя производится легко, в соответствии с рекомендациями с закрытой заслонкой, но устойчивые 1000-1100 об/мин, необходимые для прогрева двигателя, держит при меньшей степени обогащения смеси, т.е. после пуска заслонка приоткрывается. По мере прогрева обороты возрастают и заслонка открывается больше, а степень обогащения снижается. При температуре двигателя ≈65°С двигатель держит устойчивые обороты холостого хода на ГС нормальной или стехиометрической концентрации. Горячий пуск производится как обычно поворотом ключа. Перегрев двигателя при нормальной и повышенной температуре окружающей среды до +35°С (в подкапотном пространстве t=70-75°С) не наблюдается. Для двигателей ВАЗ-2101, 2103, 2106 может наблюдаться при длительной эксплуатации на низшей скорости движения при жаркой погоде - режим движения в пробках (недостаточная вентиляция).

Значительное повышение скорости сгорания гомогенизированной стехиометрической горючей смеси в цилиндрах позволяет использовать углы зажигания, максимально приближенные к «верхней мертвой точке» (ВМТ), что улучшает использование тепла в процессе рабочего такта ДВС по сравнению с обычными углами зажигания для обычной горючей смеси, полученной разбрызгиванием, т.к. позволяет лучше уложить процесс сгорания на процесс движения поршня и коленвала.

Способ повышает эффективность на 15-18% двигателей внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением, имеющих близкое к полному сгорание гомогенизированной рабочей смеси, реализуется путем достижения оптимального угла зажигания, расположенного позже обычного в пределах 12°, что обеспечивает максимальный форсаж на всех режимах эксплуатации при минимальном расходе топлива.

Максимальный эффект реализуется в связи с тем, что гомогенизированная ГС в потоке очень сильно турбулизирована (турбулентные завихрения большой интенсивности) и при поступлении в цилиндр активно смешивается с остатком отработанного газа, образуя гомогенизированную рабочую смесь, где практически все топливо находится в паро- или газообразном состоянии в максимально активной фазе и сгорает значительно быстрее обычной - в слое 3-5 мм по фронту распространения пламени. Процесс догорания, известный для обычной горючей смеси, в данном случае практически отсутствует и не оказывает воздействия на работу двигателя. Поступление светящегося отработанного горючего газа с сажей в выхлопную систему не наблюдается вне зависимости от числа оборотов двигателя. С учетом скорости распространения пламени в процессе возгорания и основного горения смеси в цилиндре от 25 м/с - на холостом ходу, до 40 м/с - при максимальной нагрузке в двигателях ЗМЗ-402, ЗМЗ-406, используемых в автомобилях ГАЗ, полное сгорание заряда происходит: на холостом ходу при 600 об/мин 0,092 м:25 м/с = 0,0037 с или при повороте коленвала на 13,3°; при высоком числе оборотов - 4500 об/мин 0,092 м:40 м/с = 0,0023 с или 63,16° поворота коленвала и 33,7° при 2400 об/мин - при достижении максимальной экономичности или максимального крутящего момента (по паспортным данным). Для двигателей ВАЗ-2101, 2103, 2108, 2110 с диаметром поршней 76 мм время полного сгорания составит 0,07 в м:25 м/с = 0,00304 с или 16,6° поворота коленвала при 900 об/мин холостого хода.

При максимальных 5500 об/мин сгорание происходит 0,076:40 м/с = 0,0019 с или 63,3°. При достижении максимальной экономичности или максимального крутящего момента (по паспортным данным) при 3000 об/мин сгорание происходит за 34,5° поворота коленвала двигателя.

При управляющем воздействии систем управления зажиганием от фактической нагрузки и числа оборотов коленвала двигателя достигается на всех режимах нагрузок максимально необходимая мощность, т.к. максимальное давление в цилиндре создается в оптимальном промежутке на 15...20° после ВМТ.

Как известно, при полном сгорании стехиометрической горючей смеси с К_об=1,0±1,10 достигаются наибольшие температура и давление газов, т.к. максимальное количество тепла приходится на минимальную их массу, при этом эти низкомолекулярные газы и пары в смеси отличаются минимальной теплоемкостью (в пределах 0,3 кал/град - по воздуху).

Опыты проводились на серийных автомобилях с двигателями ВАЗ как наиболее доступными: 2101, 2103, 2106, 2108 с карбюраторами типа «Озон» и «Солекс», ГАЗ-3110 «Волга» с двигателем 402.10 с карбюраторами К-151 и «Солекс», а также «Запорожце» ЗАЗ-968М - работающих на бензинах АИ-80, АИ-92 и с газобаллонной установкой на газе пропан-бутан. Во всех случаях получены сопоставимые положительные результаты.

Наиболее полные результаты получены на автомобиле ГАЗ-3110 «Волга» с двигателем ЗМЗ 402.10 и имеющего стандартную степень сжатия 6,7 в клинообразной камере сгорания, работающего на бензинах А-76 и АИ-80, имеющего также стандартную комплектацию с пятиступенчатой коробкой переключения передач. Пробег на сгорании, близком к полному с оптимизированным углом зажигания, составил ~ 10 тыс. км в разных сезонных условиях. При последовательной регулировке двигателя коэффициенты повышения эффективности двигателя умножаются. В процессе регулировки наблюдается резкое повышение стабильности оборотов холостого хода - биение составляет не более 4-6 об/мин против нормальных 30-40 об/мин, при весьма значительном их росте от первоначального - в сумме рост составляет 70-80%. Соответственно уменьшается объем свежего заряда ГС, поступающего в цилиндр, т.е. снижается ее расход на единицу мощности. Уменьшение объема заряда при полной регулировке составляет ≈30-33%, в том числе ~18-20% при регулировке качества ГС и ~15-18% при регулировке до оптимального угла зажигания при соответствующем увеличении вакуума в питающем коллекторе.

На рабочих режимах эксплуатации значительно возрастают крутящий момент и мощность двигателя на всех режимах нагрузок, двигатель активно отзывается на самое незначительное изменение положения педали газа, способен поддерживать движение при 600 об/мин на 1-й и 2-й передачах, в движении по неровной почве не глохнет при падении числа оборотов до 500 в минуту. Значительно возрастает ускорение при наборе скорости до 100 км/ч - 15-17 с (эксплуатационное время) вместо 31 с - по паспорту. Машина легко ускоряется при маневре обгона с 80-85 км/ч до 130-135 км/ч - на 5-й передаче К=0,79 за ~12 с. Автомобиль легко преодолевает затяжные подъемы в пределах 12° на 5-й передаче без избыточного расхода мощности на 4-й передаче легко ускоряется на подъеме более 16° от скорости 50-55 км/ч (при обычном сгорании 5-я передача не тяговая, а только для поддержания скорости).

Эксплуатационный расход топлива на 100 км пробега, где 50% - город и 50% - трасса, составляет ~8,5 л при средней скорости 65-75 км/ч и ~9 л при средней скорости 50-55 км/ч. Расход топлива в «пробках» при средней скорости движения 15-20 км/ч составляет ~3 л/час или 17-18 л на 100 км.

Как видно, экономичность двигателя и эффективность использования топлива возрастают до уровня лучших образцов современных двигателей, а экологические показатели значительно выше, при этом в салоне не слышно шума прогретого двигателя при всех вышеперечисленных режимах движения - т.е. в пределах 600-4500 об/мин (у данных двигателей установлен ограничитель оборотов коленвала).

Claims (1)

1. Способ повышения эффективности сгорания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением рабочей смеси, в соответствии с которым при помощи сетчатого гомогенизатора образуют гомогенизированную горючую смесь и обеспечивают ей турбулентные завихрения, в результате чего горючая смесь, смешиваясь при поступлении в цилиндр с остатками отработанного газа, образует гомогенизированную рабочую смесь, в которой все топливо находится в паро- и газообразном состоянии, отличающийся тем, что угол зажигания, определяющий подачу искры для принудительного воспламенения рабочей смеси, располагают в диапазоне -5°÷-7° у ВМТ, а при оборотах холостого хода и малых нагрузках в диапазоне 0°±3°.