ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B19/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам организации топливовоздушной смеси и процесса сгорания ее в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания.

В настоящее время выпускаемые двигатели внутреннего сгорания организуют топливовоздушную смесь до входа ее компонентов в камеру сгорания за счет перемешивания в магистрали подвода воздуха и топлива от карбюратора к впускному клапану. Смешивание происходит за счет турбулентности воздушного потока и выпрыскиваемого в него топлива. Качество смешивания существенно влияет на интенсивность процесса сгорания. Для улучшения смешивания частиц топлива и воздуха используются специальные приспособления, в частности вводятся дополнительные усовершенствования для создания щелевого впрыска смеси в камеру сгорания, особенностью которого является впрыск на близких к сверхзвуковым скоростям с последующим многоэтапным завихрением смеси в самой камере сгорания. Однако, в виду сложности исполнения такого усовершенствования данная конструкция не получила широкого применения на сегодняшний день.

Менее эффективным, но также дающим результат в части улучшения процесса сгорания с предкамерным воспламенением, если не всей порции топливной смеси, то по крайней мере ее части, и создании на этом дополнительного завихрения основной массы смеси.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с основной камерой сгорания, в котором расположен подвижно поршень, и предкамеру, сообщенную одним каналом с основной камерой сгорания и через управляемый клапан с источником подачи топливовоздушной смеси из системы карбюратора, а также клапан впрыска топливовоздушной смеси и клапан выпуска отработавших газов, при этом во внутреннюю полость предкамеры выведены контакты электрической свечи зажигания, обеспечивающие подачу искры для воспламенения небольшой дозы топливовоздушной массы в предкамере и распространении фронта пламени в основную камеру для турбулизации находящейся в ней смеси (см. патент США N 3659564, F 02 B 3/00, F 02 M 13/04, 123-32 SP, 1972 г.)
Недостатком данного двигателя внутреннего сгорания является то, что процесс смесеобразования проходит в карбюраторе и заключается в простом естественном смешивании за счет захвата потоком воздуха распыленных капель топлива. В результате при формировании сильно обедненных смесей при искровом зажигании образуются провалы в цилиндрах, вызванные тем, что при подаче искры не происходит возгорание смеси из-за неоднородности распределения молекул топлива и молекул воздуха. Введение предкамеры не решает эту проблему, поскольку отбор смеси, подаваемый в предкамеру для первоочередного поджига производится из магистрали карбюратора до впускного клапана. Поэтому при обедненных смесях та же картина провала может наблюдаться и в предкамере. В связи с этим известный двигатель имеет хорошие характеристики на режимах, когда коэффициент избытка воздуха в смеси не превышает 1,0.

Настоящее изобретение направлено на создание повышенного смесеобразования в камере сгорания цилиндра путем распыления дозированной порции топлива давлением, созданным сгоранием обогащенной смеси предкамеры. Достигаемый при этом эффект заключается в повышении эксплуатационных качеств двигателя внутреннего сгорания за счет возможности его работы на сильно обедненных смесях без существенной переделки его конструкции.

Указанный технический эффект достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, в котором расположен поршень, и предкамеру, сообщенную по крайней мере одним каналом с основной камерой сгорания и через управляемый клапан с источником дозированной подачи сгораемого агента, а также клапана впуска и выпуска отработавших газов, при этом во внутреннюю полость предкамеры выведены контакты электрической свечи системы зажигания, впускной клапан установлен в магистрали подвода воздуха в камеру сгорания, а предкамера образована внутренней полостью стаканообразного корпуса, донная часть которого, выполненная с ванной для дозированной порции топлива, расположена напротив днища поршня в камере сгорания и выполнена с радиальными дроссельными отверстиями над уровнем дозированной порции топлива, заполняющего ванну, для выдавливания топлива через указанные отверстия в основную камеру сгорания в результате сжигания топливовоздушной смеси внутри корпуса, в противоположной торцевой части которого смонтирован указанный управляемый клапан.

При этом стаканообразный корпус с ванной в донной части, контактами электрической свечи и управляемым клапаном в торцевой части выполнен с винтовой нарезкой на внешней поверхности для вворачивания в гнездо установки электрической свечи системы зажигания.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием неразрывной совокупности существенных признаков, достаточных для получения требуемого технического эффекта.

Так, разделение потока топлива и потока воздуха в части их подачи в камеру сгорания обеспечивает, с одной стороны при начале такта впуска хорошую продувку камеры сгорания от остаточных газов, не расходуя при этом топлива, так как оно попадает в ванну корпуса, куда воздух также заходит при продувке и при сжатии воздушной массы. Это позволяет, с другой стороны, точно регулировать объем воздуха и порционность топлива, что является особенно существенным, если ставится задача полного сгорания топлива, где объемы их должны находиться в строгом соответствии. Объем воздуха в корпусе, объем которого настолько мал, что можно говорить о незначительной величине, образует с парами топлива, находящегося в ванне, сильно обогащенную смесь, но небольшого количества. Подача искры к этой мизерной порции смеси организует ее сгорание и создание повышенного давления, которое вытесняет жидкое топливо через отверстия в корпусе в основную камеру сгорания. Процесс вытеснения длится на близких к нулю промежутках времени и близких к сверхзвуковым скоростям (скорость распространения взрывной волны). Попадание топлива из зоны высокого давления в зону существенно низкого давления приводит к распылу молекул топлива и завихрению образовавшейся смеси.

В связи с этим процесс смешения топлива и воздуха проходит настолько интенсивно, что можно говорить о полном равномерном перемешивании. При этом возможно поджигание смеси искрой второй свечи или самоподжигание от фронта пламени сгорания смеси в корпусе.

Такая организация процесса смешения компонентов топлива и сгорания исключает использование карбюраторных установок, а требует, например, насоса-дозатора, в функцию которого входило бы подача топлива под заданным давлением к управляемому клапану.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения технического эффекта указанной совокупностью признаков.

На чертеже представлен продольный разрез по цилиндру двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания (см. чертеж) содержит картер, в котором выполнена проточка для установки цилиндра 1, в котором перемещается возвратно-поступательно поршень 2 от н.м.т. к в.м.т. положение поршня в которой показано штриховой линией. В верхней части двигателя установлен впускной клапан 3, расположенный в магистрали 4 поступления воздуха от впускной системы 5 подачи воздуха. В качестве впускной системы 5 подачи воздуха может быть использована стандартная система, устанавливаемая на автомобилях и связываемая с карбюратором, или это будет источник сжатого воздуха или любая другая система. Выпускной клапан 6 установлен в магистрали 7, сообщенной с коллекторами системы выхлопа 8, которая также представляет собой стандартную используемую на автомобилях систему выхлопа и глушения. Однако, может быть использована и система эжекторного отсоса отработавших газов. Оба клапана установлены с возможностью возвратно-поступательного движения с приводом от газораспределительного механизма.

В данном приведенном примере в верхней части цилиндра 1 в картере выполнено гнездо установки стаканообразного корпуса 9, на внешней поверхности которого выполнена винтовая нарезка 10, посредством которой корпус 9 вворачивается в это гнездо картера.

Стаканообразный корпус 9 организует предкамеру, ограниченную внутренними боковыми и торцевыми стенками корпуса 9. В донной нижней части корпуса выполнена ванна 11, в которую подается дозированная порция топлива от источника подачи 12 топлива. Для этого в торцовой части корпуса 9 смонтирован управляемый клапан 13, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения от привода, например, связанного с распределительным валом газораспределительного механизма (не показан). В функцию этого клапана входит в соответствие с тактностью двигателя и режима его работы открывать внутреннюю полость корпуса 9 и сообщать ее с источником подачи 12 топлива. Настройка этого клапана обеспечивает дозированную подачу топлива в ванну. В качестве источника может рассматриваться, например, насос подачи топлива из топливного бака или подачу топлива самотеком.

Корпус 9 также служит для крепления контактов электрической искровой свечи 14, связанной с системой зажигания 15 двигателя внутреннего сгорания.

В корпусе 9 на уровне верхнего слоя дозированной порции топлива выполнены радиальные отверстия 16, сообщающие предкамеру с основной камерой сгорания, ограниченной днищем поршня, стенками цилиндра и картером клапанной коробки. Корпус 9 установлен в картере так, что его донная часть с ванной и отверстиями расположена в основной камере сгорания.

Таким образом видно, что в основном двигатель внутреннего сгорания не претерпел изменений. Если выполнить корпус 9 по внешним присоединительным размерам соответствующим обычной свече зажигания, то вполне возможно корпус устанавливать в гнездо для свечи.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При открытии впускного клапана при ходе поршня вниз происходит заполнение камеры сгорания воздушной массой, осуществляя при этом в начальный момент отсос остаточных газов при открытом выпускном клапане 6 за счет инерции отходящих газов. При использовании эжекторного разряжения при выходе отработавших газов можно осуществить более глубокое очищение цилиндра от остаточных газов.

В этот момент открыт управляемый клапан 13 и дозированная порция топлива, не смешанного с воздухом, поступает в предкамеру, накапливаясь в ванне 11. Естественно из-за сообщения основной камеры сгорания с предкамерой через отверстия 16, в последней будет находиться некоторая доза воздуха, которая при поступлении смешивается с парами топлива верхнего слоя ванны, образовывая тем самым обогащенную смесь вокруг контактов свечи искрового зажигания.

При приближении поршня к в.м.т. происходит зажигание смеси в предкамере, приводящее к взрывному процессу сгорания и резкому повышению давления внутри корпуса 9. Повышение давления приводит к выбросу топлива из ванны 11 через отверстия 16 в основную камеру струями газа, осуществляя одновременно распыление топлива по камере сгорания, смешивание топлива с воздухом за счет турбулентности и поджигания смеси факелом из предкамеры. Очередность определена тем, что давление и фронт пламени распространяются на разных скоростях, чем обусловлено приоритетное распыление топлива из ванны и его смешивание с воздухом в камере сгорания и последующее за этим воспламенение. Обращается внимание, что процесс выброса топлива и смешивание происходит при скоростях сверхзвуковых, влекущих за собой завихрение потока воздуха.

Выполнение отверстий 16 определенных размеров и конфигураций обуславливает степень и направленность распыла топлива.

В виду того, что корпус испытывает значительные температурные и динамические нагрузки для его продолжительной работы целесообразно использовать материал, термостойкость которого значительно превышает по своему порогу тот уровень температур, при которых формируется процесс сгорания. Это может быть керамика, армированная металлической сеткой, как это было использовано при создании керамического двигателя внутреннего сгорания в Японии. В любом случае, данная проблема не является неразрешимой: можно организовать охлаждение, использовать термостойкие материалы, такие из которых, например, выполнена свеча зажигания.

Введение предкамеры, выполненной в виде отдельного блока, монтируемого в камеру сгорания, в которой происходит мини-процесс сгорания, приводит к созданию смеси топлива и воздуха, перемешанной на сверхзвуковых скоростях распространения и затем подожженной мощным факелом из предкамеры. При работе на обедненных смесях с целью уменьшения токсичности выхлопа это позволяет перейти к коэффициентам избытка воздуха в смеси до 1,3 1,4, существенно устраняя процесс выброса топлива в выхлопную систему при очистке камеры от остаточных газов в период, когда впускной и выпускной клапаны открыты.

Настоящее изобретение направлено на повышение экономичности двигателя внутреннего сгорания и его экологичности.

Использование: Изобретение относится к двигателестроению. Сущность изобретения: Двигатель внутреннего сгорания выполнен с цилиндром, в котором установлен подвижно поршень. С основной камерой сгорания, образованной днищем поршня и стенками цилиндра, сообщена предкамера, в которой смонтирована свеча зажигания и клапан подачи топлива от источника нагнетания. Клапан регулирует дозированную подачу топлива в соответствии с режимами работы клапанов выпуска и впуска, последний из которых установлен в магистрали подвода воздуха в основную камеру сгорания. Дозированная порция топлива попадает в ванную, выполненную в донной части стаканообразного корпуса, ввинченного в картер так, что его донная часть находится в камере сгорания. При подаче искры происходит загорание сильнообогащенной топливовоздушной смеси, организованной во внутреннем объеме стаканообразного корпуса, что приводит к взрыву и мгновенному выдавливанию в виде аэрозоли топлива из ванны в камеру сгорания с последующим завихрением смеси.1 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с основной камерой сгорания, в котором расположен поршень, и предкамеру, сообщенную по крайней мере одним каналом с основной камерой сгорания и через управляемый клапан с источником дозированной подачи горючего агента, а также клапаны впуска и выпуска отработавших газов, при этом во внутреннюю полость предкамеры выведены контакты электрической свечи зажигания, отличающийся тем, что впускной клапан установлен в магистрали подвода воздуха в основную камеру сгорания, а предкамера образована в донной части внутренней полости стаканообразного корпуса в виде ванны для дозированной порции топлива, поданного через управляемый клапан, расположенный в камере сгорания напротив днища поршня и выполненный с радиальными дроссельными отверстиями над верхней границей ванны для выдавливания в виде аэрозоли топлива из ванны в камеру сгорания в результате сжигания от электрической искры топливовоздушной смеси в предкамере, при этом указанный управляемый клапан дозированной подачи топлива смонтирован в торцевой части корпуса, противоположной его донной части. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что стаканообразный корпус с ванной в донной части, контактами электрической свечи и управляемым клапаном в торцевой части выполнен в виде единого блока с винтовой нарезкой на внешней поверхности для вворачивания в гнездо установки электрической свечи системы зажигания двигателя внутреннего сгорания.