ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B23/08 F02B75/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием.

Известно, что современные ДВС достигли предела термодинамического КПД - η_т по причине достижения предела степени сжатия ε = 12, после чего наступает нарушение процесса сгорания, вызванного детонацией. Дальнейшее совершенствование двигателей с искровым зажиганием по экономичности и токсичности выхлопных газов проблематично. Однако с целью преодоления данных ограничений внедряются технические решения, связанные с изменением процесса смесеобразования посредством прямого впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания (внутрицилиндровое смесеобразование - GDI).

Известен ДВС (МКИ: F 02 B 17/00, патент РФ 1469194), в котором камера сгорания расположена как в головке, так и в поршне, однако в нем не предусматривается устройства дополнительного повышения степени сжатия. Улучшение экономичности в предложенной конструкции осуществляется за счет улучшения смесеобразования за счет кольцевого вытеснителя, образованного поршнем и головкой. Также известен ДВС (Германия 3110764, МКИ F 02 D 15/04), имеющий дополнительный поршень для создания повышенной переменной степени сжатия. Камера сгорания в этом двигателе образуется между дополнительным поршнем со сферической выемкой и полусферой, выполненной в головке цилиндров и имеющей перепускной канал, соединяющий первую предкамеру со второй, образованной плоскостью головки цилиндров и основным поршнем (аналог двигателя с форкамерой). Однако такая конструкция имеет существенный недостаток, так как большая площадь второй камеры между плоскостью головки и основным поршнем способствует интенсивной потере теплоты в процессе догорания смеси и затуханию процесса сгорания смеси и падению КПД теплового процесса и, как следствие, увеличение расхода топлива и ухудшению экологичности выхлопных газов.

Целью данного изобретения является значительное повышение экономичности двигателей с искровым зажиганием на полной нагрузке на 15-20% и в 2-2,5 раза на частичных нагрузках с максимальным уменьшением токсичности выхлопных газов.

Указанная цель достигается применением новой камеры сгорания, имеющей переменную степень сжатия, изменяемую с помощью поршня 5 (фиг.1).

С целью повышения термодинамического коэффициента полезного действия (η_т), оказывающего решающее влияние на экономичность двигателя и токсичность выхлопных газов, за счет увеличения степени сжатия ε, без увеличения максимального давления сгорания Pz, после которого возникает детонация, камера сгорания должна быть разделена по меньшей мере на два объема А и Б, при этом сгорание смеси происходит только в одном объеме, который может быть как постоянным, так и переменным. Такая камера, именуемая в дальнейшем как интегральная, предполагает разделение объемов, которые будут располагаться каждая или в головке цилиндров или в поршне, или частично в головке, а частично в поршне (фиг.1). На фиг.1 частичный объем второго объема Б обозначен как Б'. Объемы А и Б интегральной камеры сгорания соединены перепускным каналом.

Принцип работы такой головки следующий.

В конце такта сжатия при полной нагрузке основной поршень 2, перемещающийся в цилиндре 1, на фиг.1 находится в верхней ВМТ, при этом камера сгорания образуется поверхностью основного поршня 2 и поверхностью головки 3, определяющей объем А, имеющим высоту Нmах или Hmin (в зависимости на какой нагрузке работает двигатель), а в днище поршня находится объем Б. При этом в объеме Б' располагается выпускной клапан, управляемый кулачковым валом. Несколько ранее до ВМТ происходит впрыск топлива в объем А через форсунку 7, после чего происходит воспламенение смеси от свечи зажигания 6. В случае, если в двух объемах камеры сгорания находится рабочая смесь, то при ее сгорании давление сгорания Pz не должно быть более давления, вызывающего детонацию, при определенной степени сжатия ε и значения термодинамического КПД η_т Если сгорание происходит в одном объеме, общую для двух объемов степень сжатия ε можно увеличить до определенного предела без возникновения детонации с увеличением η_т. В этом случае возрастает индикаторный КПД η_i, так как в сгорании участвует воздух, находящийся в объеме Б. Процесс сгорания происходит при постоянном объеме Vconst, но давление сгорания Pz в объеме А может быть выше давления, вызывающего детонацию. Однако учитывая то, что давление сгорания распределяется на два объема А и Б, то в результате среднее давление сгорания Pz в интегральной камере сгорания не превышает величину давления, после которого возникает детонация.

Для процесса сгорания в одном объеме (коэффициент избытка воздуха α = 1, при этом коэффициент теплоиспользования ξ_max) следует учитывать два коэффициента избытка воздуха:
- α сгорания, характеризующий процесс сгорания в объеме А;
- α общий, характеризующий процесс теплоиспользования с учетом объема Б (для общего объема А+Б).

Общий коэффициент α_общ. зависит от объемов Va, Vб, и α_сг и определяется из выражений:


α_общ> α_сг.. При максимальной нагрузке α_общ= 1,5-1,3..

С уменьшением нагрузки двигателя уменьшается количество всасываемого воздуха, при этом степень сжатия ε в объеме А следует увеличивать с целью повышения давления сжатия Рс как при полной нагрузке, при этом возрастает термодинамический КПД η_т и индикаторный КПД η_i и увеличивается α_общ, для чего необходимо иметь изменяемый объем А камеры сгорания с помощью поршня 5, который будет перемещаться в объеме А на величину хода S.

При минимальной нагрузке (холостой ход) высота объема A=Hmin, при этом коэффициент избытка воздуха α_общ достигает максимальной величины α = 3 (для традиционных двигателей 0,95-1,15).

Предлагаемая конструкция позволяет значительно увеличить термодинамический КПД η_т на 20% и степень сжатия ε = 15 на полной нагрузке и до ε = 20-30 на малых нагрузках (фиг.2), что позволяет уменьшить расход топлива на средних и малых нагрузках в 1,5-2 раза (фиг.3) при предельно низкой токсичности выхлопных газов при α = 3.
С увеличением степени сжатия компактность интегральной камеры сгорания (соотношение поверхность/объем) близка к оптимальной и недостижима в традиционных двигателях, что способствует уменьшению тепловых потерь и повышению значения политропы сжатия.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В двигателе камера сгорания разделена по меньшей мере на два объема, сгорание смеси происходит только в одном объеме, выполненном постоянным или переменным, объемы камеры сгорания расположены либо в головке, либо в поршне, либо комбинация обеих схем расположения, причем один из объемов разделен на два объема. Процесс сгорания протекает с коэффициентом избытка воздуха α = 1,5-3. Изобретение обеспечивает повышение экономичности двигателя и уменьшение токсичности выхлопных газов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с возвратно-поступательно движущимся в нем поршнем и приводящим в движение коленчатый вал, головку цилиндра, камеру сгорания, свечу зажигания, отличающийся тем, что камера сгорания разделена по меньшей мере на два объема, при этом сгорание смеси происходит только в одном объеме, который выполнен постоянным или переменным, а объемы камеры сгорания расположены либо в головке, либо в поршне, либо комбинация обоих схем расположения, причем один из объемов разделен на два объема и они также расположены либо в головке цилиндров, либо в поршне, при этом процесс сгорания протекает с коэффициентом избытка воздуха α = 1,5-3.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в головке цилиндров выполнено отверстие для размещения форсунки для впрыска топлива в объем, в котором происходит сгорание смеси, а выпускной клапан для отработавших газов расположен в другом объеме.