Podniesienie sprawności silnika spalinowego

    Japoński koncern samochodowy MAZDA wprowadził na rynek nowe jednostki napędowe o oznaczeniu SKYACTIV-G, są to silniki zasilane benzyną z zapłonem iskrowym o podniesionym stopniu sprężania (1:14 w wersji 2.0 l. i 1:13 w wersji 2.5 l.). Silniki te cechują się znacznie lepszymi parametrami mocy i redukcją spalania o około 15%. Osoby znające się na rzeczy wiedzą, że w silnikach z zapłonem iskrowym nie można stosować stopnia sprężania wyższego od około 1:10 (w zależności od konstrukcji silnika i kształtu komory spalania), gdyż powyżej takiego stopnia sprężania występuje zjawisko spalania detonacyjnego niszczącego silnik.

     W jaki sposób firma MAZDA poradziła sobie z tym problemem? – tego nie wiem, lecz wiem, że  29.03.1996r. dokonałem zgłoszenia patentowego w Urzędzie Patentowym R.P. o numerze: P-313550 pt.: „Sposób zamiany energii termicznej na energię mechaniczną w silnikach termodynamicznych”, cytuję skrót opisu: „Wysokoenergetyczny sposób zamiany energii termicznej na energię mechaniczną w silnikach termodynamicznych, polega na zastosowaniu w silniku spalinowym z zapłonem iskrowym wysokiego stopnia sprężania oraz regulacji dolotu świeżego ładunku, którego odpowiednia masa utrzymywana jest przez szeroki zakres prędkości obrotowych silnika.”, na czym ten mój pomysł polega? Otóż możliwe jest konstruowania silników z zapłonem iskrowym cechujących się wysoką sprawnością energetyczną, ażeby to osiągnąć należy stosować podwyższony stopień sprężania z regulacją masy dolotu świeżego ładunku wyrażaną współczynnikiem napełniania.

W następstwie stosowania takiego rozwiązania, mimo wysokiego stopnia sprężania zjawisko detonacyjnego zapłonu nie występuje, gdyż podczas pracy silnika ciśnienie w komorze spalania nie przekracza wartości przy których występuje spalanie detonacyjne. Z projektem tym byłem w 1996r. w jednej z firm motoryzacyjnych, lecz niestety specjaliści tej fabryki odrzucili mój projekt. Opis tego zgłoszenia patentowego, oraz potwierdzenie i odrzucającą mój wniosek decyzję Urzędu Patentowego R.P. zamieszczam poniżej. Oczywiście zgłoszenie jest sprzed 27 lat, w chwili obecnej opracowałbym je inaczej, proszę wziąć pod uwagę fakt, że mimo tego, iż miałem i mam rację, to moja znajomość zagadnień termodynamicznych w tamtym czasie stała na niższym poziomie niż w chwili obecnej.

Sposób zamiany energii termicznej na

energię mechaniczną w silnikach termodynamicznych

Kategoria, numer i data zgłoszenia:

WYN: (21) 313550, (22) 29-03-1996

 

 

Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest wysokoenergetyczny sposób zamiany energii termicznej na energię mechaniczną w silnikach termodynamicznych, umożliwiający uzyskanie sprawności energetycznej powyżej 60%.

 

Stan techniki. Znane dotychczas sposoby zamiany energii termicznej na energię mechaniczną w silnikach spalinowych z zapłonem iskrowym, jak również w silnikach z zapłonem samoczynnym, pozwalają uzyskać sprawność energetyczną wahającą się w granicy 40%.

 

Istota sposobu. Celem sposobu było opracowanie takiego przebiegu pracy silnika, który umożliwi uzyskanie sprawności energetycznej przewyższającej 60%. Rozwiązanie to uzyskuje się poprzez zastosowanie w silniku z zapłonem iskrowym wysokiego stopnia sprężania, oraz regulatora dolotu świeżego ładunku, który przez długi zakres prędkości obrotowych silnika utrzymuje stałą masę doprowadzanego do cylindra ładunku. Masa doprowadzanego do cylindra ładunku wyrażana jest współczynnikiem napełniania, który w sposobie według wynalazku, jest odwrotnie proporcjonalny do stopnia sprężania i nosi nazwę wymuszonego współczynnika napełniania. Tak też jeśli założymy, że dla silnika z zapłonem iskrowym najkorzystniejszym stopniem sprężania jest proporcja 1:9, a silnik według sposobu cechuje stopień sprężania o proporcji 1:23, to najkorzystniejszym wymuszonym współczynnikiem napełniania dla tego silnika, będzie wartość wyrażona ilorazem 9/23 f = 0,39 , co też w silniku według sposobu o stopniu sprężania 1:23 pozwoli w momencie zapłonu uzyskać ciśnienie odpowiadające ciśnieniu uzyskiwanemu w tym samym momencie w klasycznym silniku o stopniu sprężania 1:9. Zachowanie takiego ciśnienia podczas wzrastającej prędkości obrotów w wolnossącym silniku klasycznym staje się niemożliwe, gdyż rosnący wraz z obrotami naturalny opór napełniania ładunku sprawia, iż w chwili zapłonu ciśnienie mieszanki jest coraz mniejsze, a przebieg spalania coraz wolniejszy. W silniku według sposobu zachowanie takiego ciśnienia mimo wzrastających obrotów silnika, umożliwia przepustnica regulatora dolotu świeżego ładunku, której okno prześwitu zwiększa się wraz z prędkością obrotową aż do całkowitego otwarcia, kiedy to naturalne opory napełniania ładunku, związane z budową kanałów dolotowych, dają współczynnik napełniania równy, wymaganemu dla danego stopnia sprężania, wymuszonemu współczynnikowi napełniania. Należy tutaj zaznaczyć, iż przy zwiększającej się prędkości obrotowej silnika, kiedy to zwiększa się prędkość posuwisto-zwrotnych ruchów tłoka, szybsze spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej, można uzyskać poprzez wyprzedzenie kata zapłonu, jak również poprzez zwiększenie masy zasysanego ładunku, co pozwoli podnieść ciśnienie mieszanki w chwili zapłonu, przy czym ciśnienie gazów i kąt wyprzedzenia zapłonu dostosowane są do określonych obrotów tak, aby uniknąć efektu detonacyjnego spalania. W sposobie według wynalazku, cykle pracy silnika są identyczne jak w obecnie stosowanych silnikach spalinowych, a fazy rozrządu i kąt wyprzedzenia zapłonu dostosowane są do charakteru pracy silnika.

 

Zasadniczymi czynnikami wpływającymi na podniesienia sprawności energetycznej silnika według sposobu, są :

– Możliwość kontrolowania ciśnienia ładunku w szerokim zakresie prędkości obrotowych, co wpływa korzystnie na przebieg spalania.

– Możliwość całkowitego wykorzystania, podniesionego na skutek podgrzania, przyrostu ciśnienia gazów.

 

Sposób według wynalazku pozwala konstruować silniki wysokoobrotowe, charakteryzujące się następującymi cechami :

– Wysoka sprawność energetyczna.

– Niski poziom hałasu podczas pracy.

– Mała ilość ciepła odprowadzonego do czynnika chłodzącego.

– Mała ilość ciepła odprowadzonego ze spalinami.

– Niska średnia temperatura pracy, zwiększa żywotność wielu elementów, a co za tym idzie i samego silnika.

– Bardzo dobre spalenie mieszanki.

– Charakterystyczna praca silnika pozwalająca wyeliminować wielostopniowe skrzynie przekładniowe w pojazdach samochodowych.

– Możliwość pracy przy niskim ciśnieniu atmosferycznym pozwala na szerokie zastosowanie silnika w przemyśle lotniczym.

– W porównaniu z obecnie stosowanymi silnikami, dwukrotnie mniejsze zanieczyszczenie środowiska naturalnego.

– W porównaniu z obecnie stosowanymi silnikami, dwukrotnie niższy koszt eksploatacji.

 

Dynamika i sprawność energetyczna silnika według sposobu została porównawczo z silnikiem klasycznym uwidoczniana na rysunkach przedstawiających: fig. 1 – bilans cieplny silnika według sposobu i silnika klasycznego. fig. 2 – tabele z przybliżoną sprawnością energetyczną w odniesieniu do różnych stopni sprężania i odpowiadającym im wymuszonym współczynnikom napełniania. Fig. 3 – wykres z przybliżoną charakterystyka momentu obrotowego dla poszczególnych stopni sprężania z fig. 2.