СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B19/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от электрической искры.

Повышение экономичности и одновременно экологичности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием является предметом повышенного коммерческого интереса.

Из предшествующего уровня техники известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (см. патент US - A - 4442807, 1984), включающий такт впуска компонентов топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания, наполнение форкамеры в такте сжатия топливовоздушной смесью, поступающей из основной камеры сгорания через каналы цилиндрической формы, зажигание топливовоздушной смеси в камере зажигания в конце такта сжатия с последующим выбросом горячих струй (запальных факелов) в основную камеру сгорания через те же каналы, такт расширения продуктов сгорания и такт выпуска отработанных газов.

Известный способ работы ДВС позволяет получить за счет достаточно быстрого и полного сжигания обедненной топливовоздушной смеси вблизи верхней мертвой точки высокую экономичность. Однако цилиндрическая форма каналов, связывающих полости основной камеры сгорания и форкамеры, не позволяет получить запальные факелы такой формы и дальнобойности, которые обеспечили бы очень быстрое воспламенение и полное сгорание обедненной топливовоздушной смеси в основной камере сгорания вблизи верхней мертвой точки.

Действительно, уменьшая суммарное сечение соединительных цилиндрических каналов, можно (за счет увеличения дальнобойности каждого запального факела) увеличить начальные размеры фронта пламени, обусловленного каждым запальным факелом. Однако скорость распространения фронтов пламени, инициируемых запальными факелами, в объеме основной камеры сгорания не зависит от начальных размеров запального факела. С другой стороны, уменьшение суммарного сечения соединительных цилиндрических каналов приведет к увеличению длительности истечения горящих газов из форкамеры, а следовательно, к увеличению времени сгорания топливовоздушной смеси в форкамере.

Одним из наиболее распространенных путей рушения технической задачи, направленной на повышение скорости сжигания топливовоздушной смеси в основной камере сгорания, является турбулизация среды в основной камере сгорания (см. например, патенты RU - A1- 2075610, 1997, RU -A1 - 2099550, 1997, EP - A1 - 0071776, 1985, заявка PCT WO 99/23376 - A1, 1999). При интенсивной турбулезации среды скорость распространения фронта пламени в основной камере сгорания определяется скоростью турбулентных пульсаций, а именно, скоростью, с которой языки пламени выбрасываются в направлении распространения фронта пламени. Однако, поскольку скорость распространения фронтов пламени не превышает единиц метров в секунду, известные технические решения не обеспечивают высокой скорости выгорания топливовоздушных смесей в основных камерах сгорания.

В качестве прототипа взят способ работы ДВС, описанный в патенте RU - C1 - 2099549, 1997, включающий такт впуска компонентов топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания, ввод в такте сжатия топливовоздушной смеси из основной камеры сгорания в камеру зажигания через газодинамический детектор, расположенный по ее центральной оси, зажигание топливовоздушной смеси в камере зажигания в конце такта сжатия с последующим вводом в основную камеру сгорания горящих газовых струй через расположенные по периферии камеры зажигания газодинамические детекторы, при этом горящие газовые струи направляют на условную окружность центра масс для заданного объема основной камеры сгорания, такт расширения продуктов сгорания топливовоздушной смеси и такт выпуска отработанных газов.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает быстрого и полного сгорания топливовоздушной смеси в основной камере сгорания вследствие недостаточно высокой скорости распространения (за счет только диффузионных процессов) фронтов пламени в основной камере сгорания. Кроме того, техническая реализация известного способа сопряжена с большими затратами на изготовление газодинамических детекторов.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению мощности поршневых ДВС с воспламенением от электрической искры за счет обеспечения быстрого и полного сгорания топлива в основной камере сгорания. При этом достигаются следующие технические результаты: повышение КПД ДВС; снижение расхода топлива; повышение экологичности при использовании не только обедненных топливовоздушных смесей.

Поставленная задача решена тем, что в способе работы ДВС, включающем такт впуска компонентов топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания и камеру зажигания, такт сжатия топливовоздушной смеси одновременно в основной камере сгорания и камере зажигания, зажигание топливовоздушной смеси в камере зажигания в конце такта сжатия с последующим вводом высокотемпературной разовой струи в основную камеру сгорания через соединительное отверстие, такт расширения продуктов сгорания топливовоздушной смеси и такт выпуска отработанных газов, согласно изобретению, перед зажиганием топливовоздушной смеси в камере зажигания ее изолируют от основной камеры сгорания путем перекрытия соединительного отверстия плоской заслонкой, а после полного сгорания топлива в камере зажигания при постоянном объеме осуществляют ввод в основную камеру сгорания высокотемпературной газовой струи путем перемещения плоской заслонки в полость основной камеры сгорания параллельно самой себе и вдоль оси соединительного отверстия на расстояние, соответствующее 0,9-1,5 радиального размера соединительного отверстия, и за время, не превышающее 0,1 мс, при этом количество вводимого в камеру зажигания топлива выбирают из условия превышения не менее чем в пять раз величины давления высокотемпературных продуктов сгорания в камере зажигания величины давления топливовоздушной смеси в основной камере сгорания в момент времени, соответствующий вводу в нее высокотемпературной газовой струи.

Кроме того, целесообразно:
- ввод высокотемпературной газовой струи в основную камеру сгорания осуществлять через соединительное отверстие кольцевой формы;
- на такте впуска камеру зажигания сообщают либо с атмосферой, либо с полостью воздухоочистителя, когда давление в ее полости меньше атмосферного;
- дополнительно осуществлять впуск компонентов топливовоздушной смеси в камеру зажигания через отдельный впускной канал от источника обогащенной топливовоздушной смеси.

Преимущество предложенного способа работы ДВС перед известным заключается в том, что в результате перемещения плоской заслонки в полость основной камеры сгорания параллельно самой себе и вдоль оси соединительного отверстия на расстояние, соответствующее 0,9-1,5 радиального размера соединительного отверстия, за время, не превышающее 0,1 мс, образуется достаточно широкая кольцевая щель, причем, истекающая из полости камеры зажигания струя, например кольцевая, высокотемпературного газа (давление в полости камеры зажигания не менее чем в 5 раз превышает давление в основной камере сгорания) после взаимодействия с плоской поверхностью заслонки формирует веерную струю, направленную под углом 55 - 75^o к оси соединительного отверстия, при этом образуется центральный скачок уплотнения, имеющий форму поверхности усеченного конуса, и связанные с центральным скачком уплотнения два висячих скачка. Из точек пересечения скачков исходят тангенциальные разрывы. Таким образом, в предложенном способе работы ДВС поджигание топлива, находящегося в основной камере сгорания, осуществляется не за счет медленных процессов переноса, а за счет перемещения высокоскоростных (порядка 10³ м/с) ударных волн генерируемых веерной струей высокотемпературного газа, поступающего из камеры зажигания. При этом геометрия фронтов ударных волн и направление их распространения выбрана таким образом, что (даже, соли не принимать во внимание возникновение, отраженных ударных волн, интенсивность которых даже больше, чем интенсивность падающих ударных волн) не менее 90% объема основной камеры сгорания (вблизи верхней мертвой точки) будет подвергнуто воздействию ударных волн, а следовательно, воспламенение топлива в основной камере сгорания будет происходить практически одновременно; по всему ее объему. В результате существенно уменьшается время горения всего, топлива в основной камере сгорания.

Если образующаяся кольцевая щель будет иметь меньшие размеры, чем указано выше, то из кольцевой щели будет истекать веерная недорасширенная струя, имеющая "бочкообразную" форму. В этом случае также возникнет ударная волна, но она будет распространяться до преграды вдоль поверхности головки цилиндра. Иными словами будет иметь место, во-первых, сильное торможение струи высокотемпературного газа о поверхность головки цилиндра, а во-вторых, только незначительное количество топлива, находящегося в основной камере сгорания, будет воспламенено за счет воздействия ударной волны. В результате увеличится время сгорания топлива в основной камере сгорания.

При более медленном перемещении заслонки (чем указано выше) образуется сначала ударная волна, распространяющаяся вдоль поверхности головки цилиндра (как показано выше). Это приведет к большим потерям энергии, запасенной в камере зажигания. Затем вслед за ударной волной будет истекать веерная струя высокотемпературного газа, в которой одновременно с радиальным перемещением в объеме основной камеру сгорания, будет происходить перемещение ее границ, а именно расширение струи у основания, связанное с перемещением заслонки, Таким образом, процесс воспламенения топлива в основной камере сгорания не будет далее, по существу, отличаться от обычного факельного воспламенения топливовоздушной смеси.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможных, но наглядно демонстрирует возможность достижения ожидаемого технического результата указанной выше совокупностью существенных признаков.

На чертеже изображен схематично ДВС, реализующий предложенный способ (разрез).

Изображенный на чертеже ДВС содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с поршнем 2, основную камеру 3 сгорания, образованную днищем поршня 2 и огневым днищем 4 головки 5 цилиндра 1, впускной клапан 6, выпускной клапан 7, впускной канал 8, выпускной канал 9, камеру 10 зажигания, выполненную в головке 5 цилиндра 1 и сообщению с основной камерой 3 сгорания посредством соединительного отверстия 11 кольцевой, например, формы и с радиальным размером h. Кроме того, ДВС содержит заслонку 12, выполненную в виде плоского диска и закрепленную на штоке 13, который связан с электромагнитным приводом 14 и пружиной 15, свечу 16 зажигания, закрепленную на стенке камеры 10 зажигания и пневматический клапан, включающий подпружиненную пластинку 17, входное отверстие 18 и выходные отверстия 19. Электромагнитный привод 14 содержит расположенную на ярме 20 катушку 21, подключенную через переключатель 22 полярности питающего напряжения и выключатель (на чертеже не показан) к бортовой сети, а также якорь, выполненный либо в виде диска из магнитомягкого материала, либо в виде постоянного магнита 23. Кроме того, на чертеже (штриховыми линиями) показана дополнительная камера 24, соединенная через дополнительный клапан 25, например, с полостью впускного канала 8, а через дополнительный канал 26 с полостью камеры 10 зажигания. Расстояние, на которое перемещается заслонка 12 относительно: огневого днища 4 головки 5 цилиндра 1, обозначено через l. Центральный и висячие скачки уплотнения, а также тангенциальные разрывы обозначены соответственно 27, 28, 28' и 29, 29'.

Осуществляется предложенный способ следующим образом. Наполнение основной камеры 3 сгорания происходит в такте наполнения при движении поршня 2 от верхней к нижней мертвой точке. При этом в начальный момент такта наполнения создается разрежение в основной камере 3 сгорания, а затем и в камере 10 зажигания, поскольку заслонка 12 находится в крайнем нижнем положении под действием пружины 15. В результате разрежения в камере 10 зажигания подпружиненная пластинка 17 пневматического клапана перемещается вниз и воздух из атмосферы или из полости воздухоочистителя, пройдя последовательно входное 18 и выходные 19 отверстия пневматического клапана поступает в камеру 10 зажигания. В результате обеспечивается эффективное удаление продуктов сгорания (остаточных газов) из камеры 10 зажигания, в период времени, когда давление в ней ниже атмосферного.

Наполнение камеры 10 зажигания смесью может осуществляться любым из числа известных способов. Во-первых, наполнение камеры 10 зажигания может осуществляться на такте сжатия, когда поршень 2 движется вверх и часть топливовоздушной смеси через соединительное отверстие 11 перетекает из основной камеры 3 сгорания в камеру 10 зажигания (RU - C1 - 2099549, 1997). Во-вторых, наполнение камеры 10 зажигания может осуществляться через дополнительную камеру 24 (показано на чертеже штриховой линией) с дополнительным клапаном 25 либо из впускного канала 8 (US - 3659564, 1972), либо из системы дополнительного карбюратора (DE - C3 - 2410470, 1978). Здесь следует отметить, что два последних варианта целесообразно использовать в случае обедненных топливовоздушных смесей. В любом случае необходимо, чтобы количество топлива в камере 10 зажигания было достаточно для создания заданного давления высокотемпературных газов при сжигании его при постоянном объеме.

В конце такта сжатия (7-4^o- до верхней мертвой точки) камеру 10 зажигания изолируют от основной камеры сгорания путем перемещения запонки 12 вверх до огневого днища 4 головки 5 цилиндра 1. В предпочтительном варианте осуществления предложенного способа перемещение заслонки 12 осуществляется кулачком распредвала (не показано) с одновременной подачей напряжения на катушку 24 такой полярности, чтобы постоянный магнит 23 притягивался к ярму 20. Дело в том, что на перемещение якоря требуется в несколько раз большая индукция магнитного поля нежели для его удержания. Вблизи верхней мертвой точки (1,5-1,0^o) на электроды свечи 16 зажигания подается высоковольтное напряжение, разряд которого поджигает топливную смесь, находящуюся в камере 10 зажигания. В результате полного сгорания заданного количества топлива давление высокотемпературных газов в катере 10 зажигания становится не менее чем в пять раз выше давления сжатой топливовоздушной смеси в основной камере 3 сгорания.

После полного сгорания топлива (что соответствует положению поршня 2 вблизи верхней мертвой точки) осуществляют ввод высокотемпературной газовой среды из камеры 10 зажигания в основную камеру 3 сгорания путем перемещения плоской заслонки 12 в полость основной камеры 3 сгорания параллельно самой себе (за счет осевого, перемещения штока 13 под действием пружины 15 и сил магнитного отталкивания постоянного магнита 23 от ярма 20) и вдоль оси соединительного отверстия 11 на расстояние l = 0,9-1,5 h за время, не превышающее 0,1 мс. Для этого с помощью переключателя 22 полярности питающего напряжения осуществляют инверсию направления тока в катушке 21. В результате на шток 13 будет действовать не только механическое усилие от предварительно сжатой пружины 15, но и сила магнитного взаимодействия (отталкивания) между ярмом 20 и постоянным магнитом 23. Это обеспечивает (как показали эксперименты) время формирования кольцевой щели требуемой ширины между плоской заслонкой 12 и огневым днищем 4 головки 5 цилиндра 1 за время (2-5)•10^-4 с.

В результате истекающая из камеры 10 зажигания кольцевая осесимметричная струя высокотемпературного газа после взаимодействия с плоской поверхностью заслонки 12 (находящейся как показано на чертеже штриховой линией) формирует веерную струю, направленную под углом Φ = 55-75^o к продольной оси кольцевого соединительного отверстия 11. При этом (как показали численные расчеты данной модели по методу С.К.Годунова) образуется центральный 27 скачок уплотнения, имеющий форму усеченного конуса, большое основание которого обращено к огневому днищу 4, а также два "висячих" скачка 28 и 28' (см. чертеж). При этом из линий пересечения скачков 27, 28 и 27', 28' исходят тангенциальные разрывы 29 и 29'. В результате возникновения в полости камеры 3 сгорания скачков уплотнения происходит при их перемещении со скоростью порядка 10³ м/с сжатие, а следовательно, и предварительный нагрев находящегося на пути их распространения топливовоздушной смеси. Таким образом, за время, не превышающее 10^-4 с, под действием истекающей в полость основной камеры 3 сгорания определенным образом сформированной веерной струи высокотемпературного газа происходит выжигание (вплоть до боковой внутренней стенки цилиндра 1) пространственной зоны, составляющей не менее 90% объема основной камеры 3 сгорания вблизи верхней мертвой точки с образованием двух фронтов пламени, распространяющихся в противоположные стороны, а именно: в направлении к днищу поршня 2 в центральной зоне и в направлении к огневому днищу 4 головки 5 цилиндра 1. Дожигание оставшегося небольшого количества топлива происходит как за счет распространения сформированных фронтов пламени, так и за счет генерации новых очагов воспламенения в результате взаимодействия вторичных ударных волн. Такт расширения продуктов сгорания топливовоздушной смеси и такт выпуска отработанных газов протекают так же, как в обычных ДВС.

Настоящее изобретение может быть использовано не только в четырехтактных ДВС, но также и в двухтактных. Способ применим как для обедненных топливовоздушных смесей, так и для обогащенных смесей.

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет при его использовании повысить мощность, КПД, экологичность поршневых ДВС с воспламенением от электрической искры. Способ работы ДВС включает такт впуска компонентов топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания и камеру зажигания, такт сжатия топливовоздушной смеси одновременно в основной камере сгорания и камере зажигания, изоляцию камеры зажигания от основной камеры сгорания путем перекрытия соединительного отверстия плоской заслонкой и последующее зажигание топливовоздушной смеси в камере зажигания в конце такта сжатия. После полного сгорания топлива в камере зажигания при постоянном объеме осуществляют ввод в основную камеру сгорания высокотемпературной газовой струи путем перемещения плоской заслонки в полость основной камеры сгорания параллельно самой себе и вдоль оси соединительного отверстия на расстояние, соответствующее 0,9-1,5 радиального размера соединительного отверстия, и за время, не превышающее 0,1 мс, при этом количество вводимого в камеру зажигания топлива выбирают из условия превышения не менее чем в 5 раз величины давления высокотемпературных продуктов сгорания в камере зажигания величины давления топливовоздушной смеси в основной камере в момент времени, соответствующий вводу в нее высокотемпературной газовой струи. После чего осуществляют такт расширения продуктов сгорания топливовоздушной смеси и такт выпуска отработанных газов. Изобретение обеспечивает повышение КПД ДВС, снижение расхода топлива, повышение экологичности при использовании не только обедненных топливовоздушных смесей. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий такт впуска компонентов топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания и камеру зажигания, такт сжатия топливовоздушной смеси одновременно в основной камере сгорания и камере зажигания, зажигание топливовоздушной смеси в камере зажигания в конце такта сжатия с последующим вводом высокотемпературной газовой струи в основную камеру сгорания через соединительное отверстие, такт расширения продуктов сгорания топливовоздушной смеси и такт выпуска отработанных газов, отличающийся тем, что перед зажиганием топливовоздушной смеси в камере зажигания ее изолируют от основной камеры сгорания путем перекрытия соединительного отверстия плоской заслонкой, а после полного сгорания топлива в камере зажигания при постоянном объеме осуществляют ввод в основную камеру сгорания высокотемпературной газовой струи путем перемещения плоской заслонки в полость основной камеры сгорания параллельно самой себе и вдоль оси соединительного отверстия на расстоянии 0,9 - 1,5 радиального размера соединительного отверстия, и за время, не превышающее 0,1 с, при этом количество вводимого в камеру зажигания топлива выбирают из условия превышения не менее чем в пять раз величины давления высокотемпературных продуктов сгорания в камере зажигания величины давления топливовоздушной смеси в основной камере сгорания в момент времени, соответствующий вводу в нее высокотемпературной газовой струи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ввод высокотемпературной газовой струи в основную камеру сгорания осуществляют через соединительное отверстие кольцевой формы. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на такте впуска камеру зажигания сообщают с атмосферой, когда давление в ее полости меньше атмосферного. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на такте впуска камеру зажигания сообщают с полостью воздухоочистителя, когда давление в ее полости меньше атмосферного. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют впуск компонентов топливовоздушной смеси в камеру зажигания через отдельный впускной канал от источника обогащенной топливовоздушной смеси.