СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО БЕДНЫХ, СМЕСЕЙ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B19/18 

Изобретение относится к двигателестроению, более конкретно, к поршневым двигателям внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием с улучшенными экономическими и экологическими характеристиками и используемыми в качестве приводных двигателей на транспорте и в энергетике.

Известны способы и устройства форкамерно-факельного воспламенения топливовоздушной (преимущественно, бедной) смеси в ДВС, в которых наполнение форкамеры (камеры зажигания) горючей смесью и выброс поджигающего факела производится через факельные каналы в стенке, разделяющей форкамеру и основную камеру сгорания двигателя (например, авт. св. СССР N 1151699, патенты США NN 4442807, 4513707, патент СССР N 1181558).

Указанные способы и устройства не позволяют создавать в форкамере состав смеси, отличающийся (например, более богатый) от состава смеси в цилиндре и основной камере сгорания двигателя.

Известно техническое решение (патент США N 4442807), принятое за прототип, в котором воспламенительная форкамера (камера зажигания) выполнена симметрично относительно оси цилиндра, снабжена устройством зажигания с кольцом искровым промежутком и сообщена с основной камерой сгорания сквозными соединительными каналами, расположенными вблизи оси цилиндра. Наполнение камеры зажигания горючей смесью в такте сжатия осуществляется через указанные каналы и смесь отбирается из центральной части цилиндра.

Вследствие реального несовершенства процесса смесеобразования двигателей внутреннего сгорания и попадания капель неиспарившегося топлива на стенки камеры сгорания и цилиндра через соединительные каналы в разделяющей стенке в камеру зажигания из центральной части цилиндра будет поступать обедненная смесь. При сжигании же в двигателе бедных смесей ( α 1,05-1,1) местные составы смеси, поступающей в форкамеру из объема цилиндра, будут еще более бедными ( a >1,1), что существенно ухудшит поджигающие свойства факела, а вследствие этого ухудшит индикаторные показатели двигателя мощность, экономичность, надежность его работы, а вследствие недогорания топлива и экологические характеристики двигателя.

С другой стороны, известно открытое д.т.н. Гуссаком Л.А. (Институт химической физики АН СССР) явление высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой углеводородовоздушной смеси за счет образования нестабильных активных свободных радикалов и атомов (Ю.П. Конюшая. Открытия советских ученых. Московский рабочий, 1979).

Задача состоит в том, чтобы при сжигании бедной углеводородовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания найти способ и устройство для местного обогащения смеси в камере зажигания (форкамере) и получения поджигающего факела высокой химической активности.

Тогда за счет образования в поджигающем факеле сверхравновесных концентраций химически активных частиц (свободных атомов и радикалов) инициируется воспламенение и интенсифицируется горение основной части бедной топливовоздушной смеси, находящейся в основной камере сгорания двигателя, и за счет своевременного и полного сгорания смеси повысится индикаторные показатели двигателя, уменьшатся выбросы продуктов неполного окисления, снизятся требования к антидетонационным качествам топлив.

Предлагаемое изобретение по способу и устройству позволяет это делать.

Поставленная задача решается тем, что в способе инициирования, воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и с камерой зажигания, включающем ввод в такте сжатия в камеру зажигания топливовоздушной смеси, воспламенение ее, выброс горящего факела в основную камеру сгорания в начале такта расширения, наряду с вводом топливовоздушной смеси из основной камеры в камеру зажигания по ее центральной части, дополнительно подают в камеру зажигания переобогащенную смесь, формирующуюся у стенок цилиндра по периферии основной камеры сгорания, а выброс горящих факелов из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по периферии камеры зажигания в виде системы пространственно ориентированных хордальных струй, образующих в основной камере сгорания на некоторой окружности центра масс заряда вращающийся вихрь. Кроме того, торцевая рабочая поверхность поршня выполнена вогнутой в центральной части и плоской по периферии.

В двигателе внутреннего сгорания для осуществления способа, содержащем основную камеру сгорания с рабочим цилиндром, камеру зажигания, выполненную симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания с кольцевым искровым промежутком и сообщенную с основной камерой сгорания соединительными каналами, выполненными в днище камеры зажигания, центральным - большего диаметра и периферийными меньшего диаметра, центральный канал выполнен в виде сопла с плавно закругленными кромками со стороны основной камеры сгорания, сужающегося по направлению камеры зажигания и с острыми кромками на выходе со стороны камеры зажигания, периферийные камеры выполнены в виде сопел с плавно закругленными кромками со стороны камеры зажигания, сужающихся в сторону основной камеры сгорания, с острыми выходными кромками со стороны основной камеры сгорания, оси периферийных сопел ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливовоздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания, основная камера по ее периферии посредством дополнительных каналов с объемом камеры зажигания у кольцевого искрового промежутка, оси отверстий дополнительных каналов на входе в камеру зажигания ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности, а входные сопла этих каналов выполнены сужающимися с острыми выходными кромками, выступающими над внутренней поверхностью камеры зажигания.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что наряду с наполнением камеры зажигания смесью из цилиндра через соединительные каналы в днище камеры зажигания дополнительно перебрасывают в камеру зажигания естественно формирующуюся у стенок цилиндра по периферии основной камеры сгорания двигателя переобогащенную смесь (за счет оседания капель жидкого топлива на стенках цилиндра, счищения топливной пленки и пограничного слоя со стенок цилиндра поршневыми кольцами и проталкивания этого слоя вверх) через систему дополнительных периферийных каналов в камеру зажигания кольцевым пояском на донышке поршня.

Предлагаемое устройство представляет собой систему дополнительных каналов, сообщающих полость основной камеры сгорания двигателя по ее периферии с камерой зажигания у кольцевого искрового заряда, причем, оси отверстий этих каналов на входе в камеру зажигания ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности, сопла каналов выполнены суживающимися, с острыми выходными кромками, выступающими над внутренней поверхностью камеры зажигания, срыв потока с которых после воспламенения смеси и повышения давления в камере зажигания предотвращает прорыв газов через дополнительные каналы в полость цилиндра. Кроме того, торцевая рабочая поверхность поршня выполнена вогнутой в центральной части и плоской по периферии.

На фиг. 1 представлен разрез двигателя внутреннего сгорания с камерой зажигания, сообщающейся с основной камерой через систему каналов в днище и систему дополнительных каналов для подачи в камеру зажигания переобогащенной смеси, отбираемой из области вблизи стенок цилиндра; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлен процесс наполнения камеры зажигания через центральный канал с образованием вихревого течения в камере зажигания и с дополнительной подачей богатой смеси через систему периферийных каналов по касательной к внутренней поверхности камеры зажигания; на фиг. 4 представлен процесс воспламенения смеси от свечи и истечения горящей смеси через систему периферийных факельных каналов в днище камеры зажигания; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 4.

Двигатель внутреннего сгорания имеет основную камеру сгорания 1 с рабочим цилиндром 2, поршень 3, камеру зажигания 4, выполненную симметрично относительно оси цилиндра 2, снабженную устройством зажигания 5 с кольцевым искровым зазором 6 и соединенную с основной камерой сгорания 1 двумя системами каналов в днище камеры зажигания и на ее боковой цилиндрической поверхности вблизи искрового зазора.

Система каналов в днище состоит из двух типов сопел, выполненных в виде газодинамических детекторов с противоположно ориентированной пропускной способностью.

Прохождение газа в одном направлении обеспечивается выполнением каналов суживающимися с плавным входом и внезапно обрывающимся выходом с острыми выходами кромками. Такой канал свободно пропускает газ в одном направлении и дросселирует (вплоть до практически полного перекрытия) за счет срыва потока с острых выходных кромок движения газа в противоположном направлении.

Центральное сопло 7 (по меньшей мере, одно) для наполнения камеры зажигания 4 горючей смесью из центральной части цилиндра 2 выполнено в виде суживающегося канала с плавным входом со стороны цилиндра и внезапно обрывающимся выходом с острыми кромками со стороны камеры зажигания 4. Ось сопла 7 направлена по оси камеры зажигания 4.

Дополнительно камера зажигания снабжена каналами 8, сообщающими основную камеру по ее периферии с частью камеры зажигания у кольцевого искрового зазора. Оси отверстий 9 каналов 8 на входе в камеру зажигания 4 ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности, а выходные сопла 10 каналов 8 выполнены суживающимися с острыми выходными кромками.

Периферийные сопла 11 в днище камеры зажигания 4 (по меньшей мере, два) для создания поджигающих струй также выполнены в виде сужающихся каналов, но имеющих плавные входы со стороны камеры зажигания и внезапно обрывающиеся выходы с острыми кромками со стороны основной камеры сгорания. Оси 12 периферийных сопел 11 ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливовоздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания 1.

Кроме того, торцевая рабочая поверхность поршня 3 выполнена вогнутой в центральной части 13 и плоской по периферии 14. Жаростойкая сопловая вставка 15 камеры зажигания 4 выполнена съемной.

Работает двигатель внутреннего сгорания следующим образом. Наполнение основной камеры сгорания 1 и цилиндра двигателя происходит в такте наполнения при движении поршня 3 вниз, а наполнение камеры зажигания 4 смесью осуществляется в такте сжатия, когда поршень 3 движется вверх.

Основное количество бедной топливовоздушной смеси из центральной части цилиндра в камеру зажигания 4 поступает через центральное сопла 7 достаточно больших размеров с плавно профилированным входом (фиг. 3). Периферийные сопла 11 вследствие срыва потока с острых выходных кромок, выступающих в полость камеры сгорания и образования вихрей практически запираются и смесь через них в камеру зажигания не поступает.

Такое конструктивное выполнение при достаточно больших размерах периферийных сопел 11, наоборот, способствует при наполнении вытеканию части газов из камеры зажигания 4 за счет выталкивания последних поступающей через центральное сопло 7 смесью. Это улучшает очистку камеры зажигания 4 остаточных газов.

Для повышения химической активности формирующегося в камере зажигания поджигающего факела к интенсификации в последующем процессе горения бедных топливовоздушных смесей в основной камере сгорания бедных топливовоздушных смесей в основной камере сгорания в такте сжатия при движении поршня 3 вверх в верхнюю часть камеры зажигания 4 по касательной к стенкам через дополнительные каналы 8 из пристенной области цилиндра подается переобогащенная смесь.

В камере зажигания 4 формируется богатая смесь, имеющая кольцевую структуру течения с малыми скоростями и низкой степенью турбулентности, благоприятная для воспламенения искрой в кольцевом разрядном промежутке.

После воспламенения смеси и формирования начального очага горения вблизи верхней мертвой точки поршня (фиг. 4) давление газов в камере зажигания 4 становится выше давления сжатой смеси в основной камере сгорания 1.

Горящие газы из камеры зажигания 4 устремляются в основную камеру сгорания через периферийные сопла 11 (фиг. 4). Вследствие срыва потока с острых выходных кромок центрального сопла 7 и выходных сопел 10 каналов 8 они практически запираются.

Поэтому основная масса горящих газов из камеры зажигания 4 выбрасывается в основную камеру сгорания 1 через плавно суживающиеся периферийные сопла 11, равномерно расположенные по периферии днища камеры зажигания 4.

Топливовоздушный заряд в основной камере сгорания 1 при положении поршня 3 вблизи ВМТ можно условно представить сосредоточенным на некоторой "окружности масс", воспламенение смеси и распространение пламени от которой по объему основной камеры сгорания 1 протекает с минимальным временем горения, а, следовательно, максимальной полнотой. Оси периферийных сопел 1 наклонены в одну сторону под одинаковыми углами к плоскости днища поршня 3.

Вытекающие из сопел 11 горящие струи образуют систему пространственно ориентированных хордальных струй.

При передаче количества движения струй воспламеняющейся смеси в основной камере сгорания 1 создается вращающийся относительно оси цилиндра поджигающий вихревой факел (фиг. 5), ядро которого перемещается вдоль упомянутой "окружности масс" и обеспечивает быстрое сгорание смеси в камере.

Такая конфигурация вращающегося поджигающего факела позволяет также сохранять высокую полноту сгорания смеси на переменных режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

Использование: изобретение относится к двигателестроению, а конкретно, к поршневым двигателям внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием с улучшенными экономическими характеристиками и используемыми в качестве приводных двигателей на транспорте и в энергетике. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания имеет основную камеру сгорания 1 с рабочим цилиндром 2, поршень 3, камеру зажигания 4, выполненную симметрично относительно оси цилиндра 2, снабженную устройством зажигания 5 с кольцевым искровым зазором 6 и соединенную с основной камерой сгорания 1 двумя системами каналов в днище камеры зажигания и на ее боковой цилиндрической поверхности вблизи искрового зазора. Центральное сопло 7 выполнено в виде суживающегося канала с плавным входом со стороны цилиндра и внезапно обрывающимся выходом с острыми кромками со стороны камеры зажигания 4. Дополнительно камера зажигания снабжена каналами 8, сообщающими основную камеру 1 по ее периферии с частью камеры зажигания у кольцевого искрового зазора. Оси отверстий 9 каналов 8 на входе в камеру зажигания 4 ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности, а выходные сопла каналов 8 выполнены суживающимися с острыми выходными кромками. Периферийные сопла 11 в днище камеры зажигания 4 для создания поджигающих струй также выполнены в виде суживающихся каналов, имеющих плавные входы со стороны камеры зажигания 4 и внезапно обрывающиеся выходы с острыми кромками со стороны основной камеры сгорания 1. Оси 12 периферийных сопел 11 ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливовоздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания 1. Изобретение позволяет повысить химическую активность поджигающего факела, повысить полноту сгорания топливовоздушной смеси, уменьшить выбросы продуктов неполного сгорания топлива. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ инициирования воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и камерой зажигания, включающий ввод в такте сжатия в камеру зажигания топливовоздушной смеси, воспламенение ее, выброс горящего факела в начале такта расширения в основную камеру сгорания, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь вводят из основной камеры в камеру зажигания по ее центральной части, дополнительно осуществляют подачу в камеру зажигания переобогащенной смеси, формирующейся у стенок цилиндра по периферии основной камеры сгорания, а выброс горящих факелов из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по периферии камеры зажигания в виде системы пространственно ориентированных хордальных струй, образующих в основной камере по некоторой окружности центра масс заряда вращающийся поджигающий вихрь. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий основную камеру сгорания с рабочим цилиндром, камеру зажигания, выполненную симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания с кольцевым искровым промежутком и сообщенную с основной камерой сгорания выполненными в днище камеры зажигания соединительными каналами центральным большего диаметра и периферийными меньшего диаметра, отличающийся тем, что центральный канал выполнен в виде сопла с плавно закругленными кромками со стороны основной камеры сгорания, сужающегося по направлению камеры зажигания, и с острыми кромками на выходе со стороны камеры зажигания, периферийные каналы выполнены в виде сопл с плавно закругленными кромками со стороны камеры зажигания, суживающимися в сторону основной камеры сгорания, и острыми выходными кромками со стороны основной камеры сгорания, а основная камеры сгорания по ее периферии сообщена посредством дополнительных каналов с объемом камеры зажигания у кольцевого искрового промежутка. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что оси отверстий дополнительных каналов на входе в камеру зажигания ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности. 4. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что выходные сопла дополнительных каналов выполнены сужающимися с острыми выходными кромками, выступающими над внутренней поверхностью камеры зажигания. 5. Двигатель по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что торцевая рабочая поверхность поршня выполнена вогнутой в центральной части и плоской по периферии.