СПОСОБ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЗАДАННОГО КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОГО ИЛИ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА С ВОЗДУХОМ Российский патент 2002 года по МПК F02B17/00 F02B19/12 

Изобретение относится к предкамерам, в частности к предкамерам, которые открыты у конца, выходящего в цилиндр или цилиндры конструктивного варианта двигателя внутреннего сгорания предпочтительно двигателя с расположением цилиндров в один ряд. Эти предкамеры описаны автором настоящей заявки в предыдущих заявках на патент, в которых было раскрыто, что для обеспечения работы предкамер необходимо впрыскивать в них топливо, которое требуется насыщать по меньшей мере частью массы содержащегося в них воздуха с получением заданного обогащения.

Таким образом сгорание смеси с выпуском газов, образуемых при сгорании, в остающийся воздух, находящийся в цилиндрах, в которые топливо не впрыснуто, происходит при весьма низкой температуре и при наличии достаточного избытка воздуха λ =4-10) для гарантии того, чтобы в выхлопных газах не было загрязняющих компонентов, таких как СО и NO_x.

Хотя упомянутый принцип и обоснован, испытания, проведенные на прототипах, выявили недостаток, который сильно затрудняет получение процентного содержания загрязнителей и несгоревших продуктов, фактически равного нулю.

Этот недостаток обусловлен тем, что после фазы "первичного" сгорания в предкамере масса несгоревших остатков, содержащихся в ней, охлаждается под действием одновременного расширения вследствие соответствующего перемещения поршня до температуры ниже предела их воспламенения, причем без усилия, способного вытолкнуть их в цилиндры, и поэтому без возможности в итоге подвергнуться "вторичному сгоранию", являющемуся отличительным признаком рассматриваемых здесь двигателей, которые обеспечивают обещанные выше результаты.

Другими словами, в случае характерного способа насыщения предкамеры в отношении состава выхлопных газов получают результаты, которые лучше, чем в случае обычных двигателей, однако нулевое значение полного процентного содержания нежелательных компонентов не достигается. Другие примеры известного уровня техники отличаются от того, что раскрыто в настоящем изобретении, причем в них даже не упоминаются отличительные признаки, на которых она основана, главным образом потому, что в них преследовалась иная цель. Задачи настоящего изобретения заключаются в сохранении температуры горения пламени ниже 1500^oК, а также в полной продувке предкамеры по окончании сгорания, тогда как, например, патенты США US-A-5024193 и US-A-4926818 предназначены для улучшения воспламенения смеси, остающейся внутри цилиндров, а патент Великобритании GB-A-2123482 предназначен для улучшения перемешивания топлива с полным объемом воздуха, содержащегося внутри предкамеры, с тем, чтобы усилить сгорание.

Предложенный способ позволяет устранить вышеупомянутые недостатки и обеспечивает процентное содержание загрязнителей в выхлопных газах, которое фактически равно нулю.

Предложен способ, при котором посредством воспламенения жидкого или газообразного топлива осуществляют расслоение смеси с изменяемыми уровнями ее обогащения вдоль оси предкамеры, с частью объема воздуха, содержащегося в ней, который в основном не перемешивается с топливом и который за счет расширения в течение обратного хода поршня толкает газообразные продукты сгорания, содержащиеся в предкамере, к цилиндру, перед тем как температура в последнем падает ниже их предела воспламенения.

В частности задача этого изобретения заключается в создании способа перемешивания заданного количества топлива согласно доотличительной части пункта 1 формулы изобретения, отличающегося отличительной частью этого пункта.

Ниже этот способ будет описан более подробно со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг. 1 представлено продольное сечение предкамеры совместно с диаграммой обогащения смеси вдоль ее оси, получаемого посредством способа согласно изобретению (R - обогащение и R_st - стехиометрическое обогащение);
на фиг.2 представлен вид спереди отверстия и предкамеры согласно фиг. 1, причем с установленным на ней устройством, обеспечивающим воспламенение, и способным оптимизировать результаты способа, который составляет предмет изобретения.

Обратимся к фиг.1; топливо впрыскивают вдоль оси h-h предкамеры 1, которая в представленном случае выполнена в виде усеченного конуса и имеет круглый открытый конец 1а, обеспечивающий выход к цилиндрам от форсунки 2, которая приводится в действие давлением Δp, избыточным по отношению к давлению, которое имеет место в предкамере в течение воспламенения, и которая установлена в другом, закрытом конце 1с предкамеры 1.

Упомянутое топливо формирует струю 5, которая также имеет форму конуса или усеченного конуса, что зависит от типа форсунки.

Для осуществления способа согласно изобретению необходимо обеспечить такой размер сопел форсунки 2 и так рассчитать избыточное давление Δp впрыска, чтобы при впрыске, выполняемом в течение конечной фазы полуцикла сжатия в двигателе внутреннего сгорания, размеры формируемых капель (в случае жидкого топлива), а также их кинетическая энергия и их распределение по прямым участкам предкамеры 1 были таковы, чтобы обеспечивалось полное испарение струи 5 непосредственно до того момента, когда она достигает центр С отверстия предкамеры 1, а также обеспечивалось перемешивание паров топлива с воздухом, который находится в предкамере, за счет чего обеспечиваются повышающиеся уровни обогащения от точки А впрыска в направлении упомянутого центра С отверстия предкамеры.

В том случае, когда используется газообразное топливо (метан или подобные ему газы), необходимо произвести упомянутые расчеты и обеспечить такие размеры, чтобы впрыскиваемый газ 5, когда он достигает центр С, перемешивался подобными средствами с воздухом, который находится в части предкамеры, расположенной далее по направлению от форсунки 2.

Поэтому можно представить вышеупомянутые уровни обогащения линией, приблизительно подобной кривой 7, показанной на фиг.1, и параллельной предкамере 1.

Такой подход гарантирует, что заданный объем V₁ воздуха, который содержится в предкамере и находится позади ее закрытого конца 1с, где установлена форсунка 2, имеет весьма низкий средний уровень обогащения, при этом его часть по существу не перемешивается с топливом.

Если приняты меры для гарантии того, чтобы этот объем имел значение, равное или предпочтительно большее на заданную величину, чем полный объем предкамеры, разделенный на степень сжатия, которая достигается при определенном цикле двигателя внутреннего сгорания, в результате этот объем воздуха, который помимо прочего, вначале нагревается за счет излучения при сгорании, происходящем в предкамере, в определенной степени расширяется в течение фазы расширения в самом двигателе, за счет чего обеспечивается "промывка" газов, образуемых при сгорании и присутствующих в течение этой фазы, с которыми он также перемешан, при этом происходит частичное повышение отношения кислорода/СО + несгоревшие продукты перед их охлаждением и выталкивание их в цилиндры, где сами газы, образовавшиеся при горении, могут подвергаться вторичному сгоранию заданной продолжительности (например, в течение 3-4 мсек) благодаря температуре, которая преобладает в самих цилиндрах; между тем, эта температура не должна падать ниже пределов воспламенения.

Рассматриваемая "промывка" также позволяет удалить любые несгоревшие НС, которые могут оставаться у стенок предкамеры 1, чтобы наилучшим образом добиться этой цели, желательно придать этим стенкам "глянец", например, посредством хромирования, шлифования или иных процессов, которые позволяют обеспечить подобные результаты.

Для того, чтобы достичь осредненных величин обогащения в упомянутом объеме V₁, которые подходяще низки, даже когда используется газообразное топливо, автор предлагает вставлять форсунку 2 в предкамеру 1 на заданную длину L, тем самым ограничивая упомянутый объем V₁, ближе по ходу от сопла между наружными стенками форсунки и внутренней поверхностью 3 предкамеры 1 вблизи от ее закрытого конца 1с.

Другое возможное усовершенствование заключается в том, чтобы при необходимости подавать заданное количество тепла, например, посредством резистора 10 к воздуху, который находится в упомянутом объеме V₁, причем таким образом, чтобы облегчить сгорание бедной смеси, с которой он перемешивается, расширяясь при этом.

По ходу вышеупомянутых испытаний также было замечено, что если используется одна точка воспламенения в центре С отверстия 1а, возникает отрицательное явление, заключающееся в том, что определенная часть смеси, которая еще не сгорела, в начальной стадии вытесняется к цилиндрам 6, где температура пока несколько ниже температуры, требуемой для ее воспламенения.

Это происходит из-за воздействия передней части первоначальной сферы пламени, которая, когда она расширяется в радиальном направлении от упомянутого центра С, оказывает давление на смесь в предкамере, которая еще не сгорела, тем самым вынуждая ее достигнуть стенки предкамеры 1 без скорости, достаточной для гарантии своевременного охвата всего сечения последней с тем, чтобы избежать выпуск несгоревших продуктов.

Поэтому определенная доля несгоревшей смеси, толкаемая при ее расширении вследствие перемещения поршня, достигает цилиндр 6 без ее сжигания и должна сгореть в ходе вторичного сгорания, которое происходит внутри самого цилиндра при поступлении горячих газов, уже образованных при сгорании в предкамере 1.

Это предполагает реальное, хотя и ограниченное увеличение вероятности наличия несгоревших СО и НС в выхлопных газах.

Чтобы избежать этот недостаток, автор предлагаемого способа предусматривает использование определенного количества точек воспламенения 8, которые размещены в плоскости, перпендикулярной оси предкамеры 1 (см. фиг.2) и расположенной соответственно ее открытому концу 1а, предпочтительно проходя через его вышеупомянутый центр С.

Наличие определенного количества точек воспламенения значительно уменьшает время (на несколько десятков миллисекунд), затрачиваемое на формирование фронта пламени, который достаточно постоянен и достаточно велик для охвата всего сечения предкамеры 1, тем самым "уплотняя его" избыточным давлением и следовательно предотвращая выпуск несгоревшей смеси.

Одно из предложенных решений (фиг.2) заключается в использовании электрода с четырьмя кончиками, расположенными крестом, при этом упомянутый электрод прикреплен у отверстия предкамеры 1 посредством плеча 9, которое изготовлено из электропроводного материала, крепящегося к одному полюсу генератора разрядов постоянного тока. Каждый кончик обращен к остроконечной клемме 8, которая подсоединена к другому полюсу, только один из которых показан на чертеже (необходимые изоляционные детали не показаны). Посредством генерации разрядов в соответствии со способом зажигания при использовании катушек или электронных устройств создается четыре точки одновременного воспламенения. Очевидно, что может иметь место более четырех пар кончиков и клемм, однако заявителем установлено, что удовлетворительное решение заключается в использовании только четырех точек воспламенения, как описано выше, расположенных по окружности β, которая концентрична с отверстием 1а и имеет диаметр d, равный половине диаметра D последнего.

Для надлежащего осуществления способа согласно изобретению предложено, чтобы предкамера 1 имела такой размер, при котором ее объем составляет 1/5-1/2 объема мертвого пространства, оставляемого поршнем двигателя в цилиндре 6, с которым он связан, когда поршень достигает мертвой точки, соответствующей максимальному сжатию.

Таким образом получается полная λ (полное количество воздуха/стехиометрическое количество воздуха), находящаяся между 20 и 8 при средних температурах термодинамического цикла порядка 300^oС, которые не требуют смазки или охлаждения двигателя.

Очевидно, что количество топлива, которое впрыскивается в течение цикла, будет таково, что тепло, образуемое за счет его сгорания в предкамере 1, окажется достаточным для такого повышения температуры всей массы воздуха, находящейся в цилиндре или цилиндрах 6 и в предкамере 1, чтобы в течение обратного хода и расширения, выполняемых поршнем после зажигания в соответствии с заданной кривой скорости, эта температура сохранялась выше температуры зажигания топлива за заданное время (например ≥4-10 мсек).

Описанный и показанный пример не предполагает наложение каких-либо ограничений или увязывание с другими вариантами осуществления способа, основанного на концепциях, указанных в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Приведенные ориентировочные величины наряду с другими условиями могут изменяться в соответствии с предъявляемыми требованиями, например, в зависимости от типа используемого топлива (бензин, спирт, дизельное топливо, газ и т.д. ). При этом получаемые вышеупомянутые варианты осуществления способа должны находиться в пределах объема защиты, ограничиваемого этой заявкой на патент.

Предпочтительно, если в случае способа согласно изобретению время окончания сжатия при перемещении поршня совпадает с моментом окончания зажигания, однако незначительное отклонение от этого условия не является существенным недостатком.

Подобным же образом можно обеспечить, чтобы момент зажигания слегка опережал момент изменения направления движения поршня на обратное с тем, чтобы согласно хорошо известным критериям добиться улучшения отдачи от термодинамического цикла.

Целесообразно привести цифровой пример с размерами предкамеры 1 и соответствующим объемом V₁, приемлемыми для осуществления описанного выше способа.

Предположим, что объем "активной" части предкамеры, которая содержит воздух, предназначенный для перемешивания с топливом, составляет 5 см³, пик абсолютного давления в течение сгорания равен 25 барам (25,35 кгс/см²), а температура в цилиндрах 6 удерживается выше минимальной температуры сгорания (приблизительно 400^oС) за 7 мсек после этого пика. Если также предположить, что газообразные продукты сгорания, содержащиеся в предкамере, подвергаются вторичному сгоранию, продолжающемуся 4 мсек, то проблема заключается в определении давления в цилиндре за 4 мсек до того момента, когда достигается этот предел, после чего сгорание больше не происходит.

Если допустить, что при заданной кривой скорости расширения, выполняемого поршнем в рассматриваемом случае, упомянутое давление составляет 10 бар (10,14 кгс/см²), это означает, что для обеспечения желаемой промывки предкамеры в соответствующее время упомянутый объем V₁ должен быть таким, чтобы он занимал всю предкамеру (то есть "активную часть" плюс V₁) после адиабатического расширения в 1,9 раза. Далее убеждаются в том, что подтверждается следующее уравнение:
общий объем предкамеры = "активный" объем + V₁=1,9 V₁ или V₁+5см³=1,9 V₁, или V₁=5/0,9 см³=5,6 см³
Если степень сжатия ρ в рассматриваемом цикле составляет 8,5:1, и если, как мы видим, общий объем предкамеры (активная часть + V₁) равен (5+5,6) 10,6 см, можно установить коэффициент ε, который равен соотношению между общим объемом предкамеры и ρ, и в этом случае ε =0,6/8,5=1,25.

Как мы видим, объем V₁ в 4,5 раза больше, чем вышеупомянутое значение ε.
При грубых расчетах представленного выше максимального значения не было принято во внимание ограниченное сжатие, которое объем V₁ претерпевает вследствие увеличения давления между мертвой точкой максимального сжатия и вышеупомянутым пиком давления вследствие сгорания. При выполнении окончательных, более точных расчетов необходимо принять этот факт во внимание с тем, чтобы завысить объем V₁.

Кроме того, в случае выполнения описанной выше надлежащей промывки предкамеры 1 происходит осуществление способа, при котором фронт пламени, формируемый непосредственно после воспламенения вблизи отверстия 1а предкамеры 1, по существу остается в этом положении на всем протяжении сгорания так, что в течение сгорания газы, образуемые при сгорании, немедленно уходят из предкамеры, перемешиваясь при этом с воздухом, который остается в цилиндрах, причем без возможности достижения где-либо в занимаемом пространстве температуры активации (приблизительно 1500^oК) реакции окисления азота.

Для этого необходимо выполнить предкамеру 1 с такими размерами и придать ей такую форму, чтобы в течение интервала времени, когда в ней происходит первичное сгорание, упомянутый объем V₁, содержащий воздух, который не перемешан с топливом, расширялся под действием наружного перемещения поршня до тех пор, пока он по существу не займет весь объем.

Это означает отступление фронта горения относительно предкамеры со скоростью, которая равна и противоположна скорости продвижения горения, в результате чего упомянутый фронт фактически остается постоянным на протяжении всего первичного сгорания, причем в желаемом положении, соответствующем точке или вблизи точки (зона вблизи электродов 8), где образован фронт пламени при сгорании.

Для осуществления этого достаточно, например, чтобы отношение между полным объемом предкамеры 1 и упомянутым объемом V₁, содержащим воздух, который не перемешан с топливом, фактически было равно степени сжатия, что привело бы к повышению давления при постоянном объеме, которое было бы установлено в рассматриваемом цикле благодаря воздействию сгорания, если сам цикл представляет собой цикл типа цикла Отто.

Поскольку происходит описанный выше процесс, необходимо, чтобы при любом цикле длительность первичного сгорания была равна времени, которое требуется для выполнения поршнем вышеупомянутого расширения, и поэтому такие параметры как время впрыска и давление регулируются, и чтобы масса поршня и размеры предкамеры (которая также может быть цилиндрической), а также ее отверстие 1а имели соответствующие величины, при этом упомянутое отверстие также может быть ограничено в отношении своего конечного поперечного сечения с тем, чтобы уменьшить мертвое пространство и увеличить скорость выпуска газов, которые образуются при первичном сгорании, за счет чего увеличивается турбулентность, которую создают эти газы. Вышеупомянутое уменьшение конечного выпускного поперечного сечения предкамеры может быть получено посредством увеличения размеров электродов, которые обеспечивают рабочие воспламеняющие кончики; такое выполнение (см., например, пунктирные линии на фиг.2) уменьшает максимальную толщину пламени, за счет чего температура внутри него уменьшается в желаемой степени, при этом также получается термический маховик, который за счет излучения и конвекции поглощает образуемые термические "верхушки" пламени.

В том случае, когда имеются две предкамеры, представляющие собой зеркальное отражение друг друга и выходящие в центральную камеру сгорания, которая расположена между ними, электроды двух предкамер, которые также зеркально противоположны, предпочтительно могут быть установлены с заданной степенью "смещения" относительно друг друга в угловом направлении, чем обеспечивается их поворот вокруг продольной оси соответствующей предкамеры на определенный угол.

Этим гарантируется, что плоские пучки пламени, которые выходят через свои отверстия, формируют четко выраженные вихри, когда они встречаются в этой центральной камере сгорания (этот случай не показан).

Другое обеспечивающее преимущество, усовершенствование, состоит в оснащении предкамер средствами, которые способны изменять объем V₁, когда изменяется режим работы двигателя. Это может быть выполнено посредством использования технологий, которые уже известны, и применяются для изменения, например, объема воздушных подводов, предназначенных для подачи воздуха в некоторые из более современных моделей двигателей.

Если действовать в соответствии с изложенным, что можно обеспечить улучшение управления расположением фронта пламени в любом режиме.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к предкамерам. Способ перемешивания заданного количества жидкого или газообразного топлива с воздухом, находящимся в предкамере с одним концом, который выходит к цилиндру или цилиндрам в поршневом двигателе внутреннего сгорания, а также воспламенения смеси, при этом топливо впрыскивают в осевом направлении из закрытого конца предкамеры посредством форсунки, которую приводят в действие посредством избыточного давления. При этом средняя величина обогащения смеси в определенном объеме воздуха (V₁), расположенном вблизи от закрытого конца предкамеры, по существу равна нулю, а предкамере придан такой размер, что в течение интервала времени, за который в ней происходит сгорание, объем, который содержит воздух, расширяется под действием движения отвода поршня или поршней, занимая весь ее объем, и сохраняется положение фронта сгорания, по существу, вблизи отверстия предкамеры в течение всего сгорания. Изобретение обеспечивает улучшение управления расположением фронта пламени в любом режиме. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ перемешивания заданного количества жидкого или газообразного топлива с воздухом, находящимся в предкамере с одним концом, который выходит к цилиндру или цилиндрам в поршневом двигателе внутреннего сгорания, в котором топливо не впрыскивают в упомянутый цилиндр или цилиндры, а также воспламенения смеси, получаемой таким образом, при этом топливо впрыскивают в осевом направлении из закрытого конца предкамеры посредством форсунки, которую приводят в действие посредством избыточного давления (Δp) по сравнению с давлением, которое имеет место в самой предкамере, причем воспламенение топлива осуществляют в течение полуцикла сжатия в двигателе внутреннего сгорания, а форсунка и избыток (Δp), который обеспечивает ее подачу, таковы, чтобы гарантировать, что струя топлива, которая впрыскивается, полностью испаряется и/или перемешивается с воздухом, находящимся в предкамере в момент, когда струя достигает упомянутого открытого конца самой предкамеры, при этом в течение своего поступательного движения она перемешивается с вышеупомянутым воздухом в соответствии с величинами (R) обогащения смеси, которая повышается от точки впрыска к центру упомянутого открытого конца предкамеры, отличающийся тем, что средняя величина обогащения смеси в определенном объеме воздуха (V₁), расположенном вблизи от закрытого конца предкамеры, по существу равна нулю, а предкамере придан такой размер, что в течение интервала времени, за который в ней происходит сгорание, объем (V₁), который содержит воздух, расширяется под действием движения отвода поршня или поршней, в итоге занимая весь ее объем, и сохраняется положение фронта сгорания по существу вблизи отверстия предкамеры в течение всего сгорания. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объем (V₁), в котором обогащение смеси равно нулю, изменяется при изменении режима работы двигателя. 3. Способ по одному из п. 1 или 2, отличающийся тем, что форсунку вставляют в заданную длину (L) в предкамеру таким образом, чтобы установить заданный объем воздуха (V₁), который находится между ее наружной поверхностью и внутренней поверхностью предкамеры ближе по ходу от сопла форсунки и при котором средняя величина обогащения смеси по существу равна нулю. 4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что объем (V₁) равен или больше объема предкамеры, разделенного на степень сжатия, которая достигается в двигателе внутреннего сгорания. 5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что к воздуху, находящемуся в упомянутом объеме (V₁), подводят заданное количество тепла. 6. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что воспламенение осуществляют в тот момент, когда поршень двигателя внутреннего сгорания достигает мертвую точку при максимальном сжатии. 7. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что воспламенение осуществляют посредством создания определенного количества электрических разрядов, точки воспламенения которых находятся на плоскости (γ), которая перпендикулярна оси предкамеры и расположена соответственно открытому концу предкамеры. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что открытый конец предкамеры выполняют круглым и имеются четыре точки воспламенения, которые расположены по окружности (β), которая концентрична по отношению к круглому открытому концу предкамеры и имеет диаметр, который равен половине диаметра предкамеры. 9. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что полный объем предкамеры находится между 1/5 и 1/2 объема мертвого пространства, оставляемого поршнем двигателя внутреннего сгорания и соответствующего максимальному сжатию. 10. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в течение каждого цикла впрыскивают количество топлива, так что тепло, образуемое при сгорании в предкамере, достаточно для повышения температуры всей массы воздуха, находящегося в цилиндре или цилиндрах и в самой предкамере для гарантии того, что в течение обратного хода и расширения, которые выполняет поршень согласно заданной кривой скорости, эта температура удерживается выше температуры воспламенения топлива за заданное время. 11. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что внутренние стенки предкамеры выполняют "глянцевыми" посредством хромирования, шлифовки или других способов, которые обеспечивают подобные результаты.

Приоритет по пунктам:
07.11.1996 - по пп. 1, 3-10;
03.11.1997 - по п. 2;
03.02.1997 - по п. 11.