ПРЕДКАМЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B19/16 F02B23/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, как к поршневым, так и комбинированным, конкретнее к двигателям с разделенной камерой сгорания. Изобретение может быть использовано при проектировании и производстве более экономичных и экологически чистых бензиновых двигателей для легковых машин, а также для улучшения характеристик предкамерных дизелей.

Известны дизельные двигатели с разделенной камерой сгорания, которые по типу смесеобразования подразделяются на предкамерные, вихрекамерные и воздушнокамерные. В таких двигателях общий объем камеры сгорания состоит из двух частей, сообщающихся между собой. Одна часть, в которую впрыскивается топливо, размещается обычно в головке цилиндра в виде дополнительной камеры, другая - в пространстве над днищем поршня.

Разделенные камеры сгорания в дизельных двигателях обеспечивают лучшее распыливание и перемешивание топлива с воздухом за счет турбулентных и вихревых потоков воздуха в камере, а значит и более полное сгорание, чем в дизелях с неразделенной камерой сгорания [1, с.67]. В последние годы аналогичные разделенные камеры сгорания были разработаны и для бензиновых двигателей. Основной задачей таких камер сгорания было обеспечить работу бензинового двигателя на бедных смесях, в которых коэффициент избытка воздуха α >1.

Известен бензиновый двигатель с разделенными камерами сгорания, который содержит основную камеру сгорания, расположенную над поршнем, и вспомогательную камеру сгорания в головке цилиндра, причем по объему 1-5% от основной камеры, которые соединены каналом с клапаном. В конце сжатия клапан открывается и сжатая топливовоздушная смесь заполняет объем вспомогательной камеры сгорания, которая имеет теплоизолированные стенки. Воспламенение происходит от свечи и в результате нагрева смеси от раскаленных теплоизолированных стенок вспомогательной камеры сгорания [2].

Известен двигатель внутреннего сгорания, который имеет основную камеру сгорания и предкамеру. В обеих камерах установлены форсунки. Бензин впрыскивается сначала в основную камеру, потом в предкамеру. Свеча зажигает богатую смесь в предкамере, смесь выбрасывается в основную камеру сгорания и поджигает в ней бедную смесь [3].

Представлена конструкция золотникового клапана автоматически распределяющего подачу бензина между камерами в зависимости от режима работы двигателя.

Недостатком списанных выше двигателей является невозможность устойчивой работы на ультрабедных смесях, при α≥1,5.

Известна система подачи топлива в двигатель с впрыскиванием бензина, работающего на бедной смеси. Для того чтобы увеличить скорость распространения фронта пламени до значений, при которых достигается устойчивое сгорание топливовоздушной смеси, в камере сгорания двигателя установлена предкамера, расположенная в головке цилиндра. Топливо и продукты сгорания выбрасываются из предкамеры в основную камеру сгорания со скоростью, превышающей скорость звука. Предложенная конструкция ускоряет процесс воспламенения и повышает полноту сгорания топливовоздушной смеси [4].

Недостатком этой камеры сгорания является принципиальная невозможность устойчивой работы двигателя на ультрабедных смесях, при α≥1,5.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является предкамерный двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива непосредственно в предкамеру, содержащий камеру сгорания, размещенную большей своей частью в головке цилиндра, подвижную разделительную перегородку, установленную в камере сгорания и разделяющую камеру сгорания на предкамеру и основную камеру (см. патент США 5560326, МПК С 2 В 75/04, опубл. 01.10.1996). В нем описывается двигатель, имеющий два цилиндра, большой, с расположенным в нем поршнем и малый, расположенный в головке большого цилиндра, в котором имеется малый поршень в виде диска на штоке, с приводом от кулачка, связанного с большим поршнем. Малый цилиндр используется как камера сгорания, имеет топливную форсунку и свечу зажигания. За каждые 4 хода большого поршня, малый поршень совершает 2 хода "всасывание" и "сжатие" смеси, за счет чего достигается хорошее испарение топлива. При подходе большого поршня к BМТ, в конце такта "сжатие", малый поршень также подходит к торцевой стенке малого цилиндра и выжимает пары топлива в камеру сгорания, где собирается весь воздух из большого цилиндра. Пары топлива смешиваются с воздухом и поджигаются с помощью свечи зажигания.

Но такой двигатель в бензиновом варианте малоэффективен, т.к. пары топлива, поданные в камеру сгорания в конце такта "сжатие", имеют мало времени на образование качественной топливовоздушной смеси, кроме того, такой двигатель принципиально не может обеспечить устойчивую работу на ультрабедных смесях, т.к. исследования показали, что бензовоздушные смеси с коэффициентом избытка воздуха α≥1,5 обладают неустойчивостью горения [5].

Поставлена задача обеспечить оптимальный состав топливовоздушной смеси в предкамере на всех режимах подачи топлива.

Поставленная задача достигается за счет того, что рычаг привода подвижной разделительной перегородки связан с педалью управления подачей топлива, причем при повороте или перемещении подвижной разделительной перегородки объем предкамеры изменяется за счет основной камеры, при этом общий объем камеры сгорания остается без изменений. Кроме того, подвижная разделительная перегородка закреплена на поворотном валике или подвижном штоке. На внутренней стороне головки цилиндра, примыкающей к впускному клапану, установлена воздухоотражательная изогнутая пластина, а в стенке камеры сгорания, примыкающей к впускному клапану, выполнена вентиляционная выемка, подвижная разделительная перегородка имеет сквозные отверстия, а ее края выполнены прямой или зубчатой формы, на рычаге привода подвижной разделительной перегородки установлен демпфирующий груз, а рычаг привода связан с педалью управления через резиновую втулку.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании оптимального состава топливовоздушной смеси в предкамере разделенной камеры сгорания путем регулирования объема предкамеры. Для предкамерного бензинового двигателя оптимальной является стехиометрическая смесь, т.е. α=1.

Устойчивое и быстрое сгорание оптимальной смеси в предкамере позволяет улучшить экономичность и экологичность предкамерного дизеля, а также обеспечить устойчивую работу предкамерного бензинового двигателя на всех режимах подачи топлива, и особенно на ультрабедных смесях, при α≥1,5.

При этом лишний воздух остается в основной камере и не влияет на состав смеси в предкамере. Он способствует только догоранию смеси в основной камере.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение экономичности и экологичности предкамерного двигателя внутреннего сгорания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показана верхняя часть предкамерного бензинового двигателя внутреннего сгорания, разделительная перегородка находится в крайнем верхнем положении;
на фиг. 2 - сечение в плоскостях АВСD, разделительная перегородка находится в крайнем нижнем положении;
на фиг.3 - верхняя часть предкамерного дизельного двигателя внутреннего сгорания в разрезе.

Предкамерный бензиновый двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра 1, внутри которого расположен поршень 2. Цилиндр герметично закрыт головкой цилиндра 3 (фиг.1). В головке цилиндра 3 имеется впускной клапан 4 и выпускной клапан 5 (фиг.2), а также расположена камера сгорания 6, 7, разделенная на предкамеру 6 и основную камеру 7 с помощью разделительной перегородки 8 с отверстиями 9 (фиг.2) и зубцами на краях 10.

Подвижная разделительная перегородка 8 жестко закреплена на поворотном валике 11, который свободно вставлен в отверстие головки цилиндра 3 и удерживается от осевого перемещения фиксатором 12. В канавках поворотного валика 11 расположены уплотнительные кольца 13. На одном конце поворотного валика 11 жестко закреплен рычаг 14, к которому присоединена возвратная пружина 15 и трос 16 (фиг.1).

Трос 16 присоединен к рычагу 14 с помощью хомута 17 и штифта 18, который вставлен в отверстие резиновой втулки 19, которая в свою очередь установлена в отверстии рычага 14. На конце рычага жестко закреплен груз 20 (например с помощью сварки). На внутренней стороне головки цилиндра 3 рядом с впускным клапаном 4 закреплена воздухоотражательная пластина 25. В резьбовых отверстиях головки цилиндра 3 герметично закреплены топливная форсунка 22 и свеча зажигания 23.

На внутренней стороне сферической стенки камеры сгорания 6, 7 имеется вентиляционная выемка 24. Предкамерный дизельный двигатель внутреннего сгорания, изображенный на фиг.3 содержит те же детали, что и в рассмотренном выше бензиновом двигателе, за исключением воздухоотражательной пластины 25, свечи зажигания 23 и вентиляционной выемки 24, которые в конструкции отсутствуют за ненадобностью. Кроме того, предкамерный дизель, изображенный на фиг. 3 имеет дополнительно: ось 21, на которой свободно посажен рычаг 14 и тарелку штока 26, жестко посаженную на подвижный шток 11a.

При движении поршня 2 вниз (фиг.1) на такте "всасывание", открывается впускной клапан 4 (фиг. 2) и полость цилиндра заполняется новой порцией воздуха. При этом воздушная струя, выходя из зазора клапана 4, частично отражается от воздухоотражательной пластины 25 и заходит в основную камеру 7, а также через вентиляционную выемку 24 воздух заходит и в предкамеру 6, снижая температуру остаточных газов в этих камерах до 400-500^oС. Дойдя до нижней мертвой точки, поршень 2 начинает двигаться вверх и сжимать порцию свежего воздуха, впускной клапан 4 при этом закрыт.

Происходит 2-й такт - "сжатие", во время которого в предкамеру 6 через форсунку 22 впрыскивается бензин (фиг.1).

В предкамере 6 поддерживается температура 400-500^oС и бензин интенсивно испаряется. Одновременно в предкамеру 6 поступает свежий воздух через зазоры между стенками камеры, разделительной перегородкой 8 и через сквозные отверстия 9, При этом воздух интенсивно завихряется за счет зубцов 10 (фиг.2). Пары бензина смешиваются с поступающим воздухом и образуют топливовоздушную смесь, которая не может покинуть пределы предкамеры, т.к. воздушные потоки в зазорах препятствуют этому. При подходе поршня 2 к верхней мертвой точке, с определенным опережением на свечу зажигания 23 подается электрический разряд, при этом топливовоздушная смесь в предкамере 6 воспламеняется и сгорает. Образующиеся при этом газы через отверстия 9 и боковые зазоры выбрасываются в основную камеру 7, где перемешиваются с находящимся там воздухом и догорают.

Поршень 2 в это время, дойдя до верхней мертвой точки, начинает двигаться вниз, совершая рабочий ход, после которого открывается выпускной клапан 5 и поршень 2, двигаясь вверх, выталкивает отработанные газы из полости цилиндра 1. Затем эти четыре такта повторяются, обеспечивая непрерывную работу двигателя.

Положение подвижной разделительной перегородки 8 рассчитано таким образом, что объем воздуха в предкамере 6 соответствует количеству бензина, подаваемого в предкамеру в соотношении примерно 1:14,7, т.е. в предкамере поддерживается стехиометрическая смесь с коэффициентом α=1. Такая смесь для бензинового двигателя является наиболее оптимальной, хорошо воспламеняется и полностью сгорает.

При увеличении подачи бензина трос 16, связанный с педалью управления подачи топлива (связь на чертеже не показана), движется по стрелке М и через хомутик 17, штифт 18 и резиновую втулку 19, тянет за собой рычаг 14, который поворачивает поворотный валик 11 вместе с закрепленной на нем подвижной разделительной перегородкой 8, которая движется по стрелке N и увеличивает объем предкамеры 6, а следовательно, и объем воздуха. При этом объем основной камеры 7 уменьшается (фиг.1), а общий объем камеры сгорания остается постоянным и составляет для бензинового двигателя примерно 1/9 часть рабочего объема цилиндра.

При уменьшении подачи топлива все происходит в обратном порядке. Педаль управления подачи топлива отдается назад, связанный с ней трос 16 освобождается, и возвратная пружина 15 через рычаг 14 и поворотный валик 11 поворачивает разделительную перегородку 8 назад, уменьшая объем предкамеры 6. Усилие возвратной пружины 15 должно превышать динамические нагрузки на подвижную разделительную перегородку при работе двигателя. Величина этих сил регулируется подбором боковых зазоров между краями перегородки и стенками камеры сгорания. Опытным путем подбирают оптимальные конструктивные параметры.

Для гашения вибрации на рычаге 14 закреплен демпфирующий груз 20, вес которого также определяют опытным путем.

Чтобы вибрация не воздействовала на педаль управления подачи топлива, в отверстии рычага 14 вставлена резиновая втулка 19.

Чтобы показать универсальность заявляемого технического решения рассмотрим работу дизельного двигателя внутреннего сгорания на примере (фиг.3).

Работа такого двигателя происходит в основном так же, как и бензинового, но имеет и некоторые особенности. Общий объем камеры сгорания 6, 7 здесь меньше и составляет примерно 1/18 часть от рабочего объема цилиндра. Здесь нет вентиляции основной камеры 7 и предкамеры 6.

Топливо впрыскивается в предкамеру в конце такта "сжатие" и самовоспламеняется.

На фиг.3 показан другой вариант установки подвижной разделительной перегородки 8 в камере сгорания. Здесь разделительная перегородка 8 закреплена на подвижном штоке 11а и движется вдоль оси цилиндрической камеры сгорания.

Положение подвижной разделительной перегородки рассчитано таким образом, что объем предкамеры соответствует количеству подаваемого топлива и обеспечивает оптимальный коэффициент избытка воздуха в предкамере. Для дизельного двигателя α может составлять примерно 1,5, а в каждом конкретном случае отрабатывается опытным путем.

При увеличении подачи топлива трос 16, связанный с педалью подачи топлива (связь на чертеже не показана), движется по стрелке М и тянет за собой рычаг 14, который, поворачиваясь на оси 21, нажимает на тарелку штока 22, тарелка вместе с подвижным штоком 11а движется вниз. Подвижная разделительная перегородка, закрепленная на штоке, также движется вниз, увеличивая объем предкамеры.

При крайнем нижнем положении подвижной разделительной перегородки объем предкамеры может составлять до 70% и более от общего объема камеры сгорания.

Таким образом, установка подвижной разделительной перегородки позволяет поддерживать оптимальный состав топливовоздушной смеси в предкамере при различных режимах подачи топлива за счет регулирования объема предкамеры. При этом общий коэффициент избытка воздуха α в цилиндре двигателя может изменяться в широких пределах, от нормальных смесей до ультрабедных с α≥1,5, т.е. полностью выполняется поставленная перед изобретением задача.

Заявляемое изобретение является "новым", т.к. не известны подобные решения из отечественных и зарубежных источников информации. По имеющимся у заявителя данным, в известных решениях отсутствуют признаки, сходные с признаками, которые присущи предлагаемому техническому решению, что позволяет сделать вывод о его соответствии признаку "изобретательский уровень".

Источники информации
1. А. В. Кузнецов. Устр-во и эксплуатация двигателей внутреннего сгорания. Высшая школа, 1984, с. 65-67.

2. Патент США 5067458, F 02 В 19/02, заявл. 20.11.1989, опубл. в реферативном журнале "Двигатели внутреннего сгорания", 1993, 3, с.45.

3. Патент США 5090378, F 02 В 19/10, заявл. 22.02.1991, опубл. в реферативном журнале "Двигатели внутреннего сгорания", 1993, 5, с.38.

4. Патент США 5024193, F 02 В 19/18, заявл. в 1990, опубл. в реферативном журнале "Двигатели внутреннего сгорания", 1992, 10, с.41.

5. Исследование сгорания ультрабедных топливовоздушных смесей. Опубл. в реферативном журнале ВИНИТИ "Двигатели внутреннего сгорания", 1993, 3, с.45.

Изобретение предназначено для использования как в поршневых, так и в комбинированных двигателях внутреннего сгорания с разделенной камерой сгораниях. Предкамерный двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива непосредственно в предкамеру содержит камеру сгорания, размещенную своей частью в головке цилиндра, и подвижную разделительную перегородку, установленную в камере сгорания и разделяющую камеру сгорания на предкамеру и основную камеру. Рычаг привода подвижной разделительной перегородки связан с педалью управления. При повороте или перемещении подвижной разделительной перегородки объем предкамеры изменяется за счет объема основной камеры, при этом общий объем камеры сгорания остается без изменений. Подвижная разделительная перегородка закреплена на поворотном валике или подвижном штоке. На внутренней стороне головки цилиндра, примыкающей к впускному клапану, установлена воздухоотражательная пластина. В стенке камеры сгорания, примыкающей к впускному клапану, выполнена вентиляционная выемка. Подвижная разделительная перегородка имеет сквозные отверстия, края подвижной разделительной перегородки выполнены прямой или зубчатой формы. Технический результат заключается в обеспечении оптимального состава топливовоздушной смеси в предкамере на всех режимах подачи топлива. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Предкамерный двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива непосредственно в предкамеру, содержащий камеру сгорания, размещенную своей частью в головке цилиндра, подвижную разделительную перегородку, установленную в камере сгорания и разделяющую камеру сгорания на предкамеру и основную камеру, отличающийся тем, что рычаг привода подвижной разделительной перегородки связан с педалью управления, причем при повороте или перемещении подвижной разделительной перегородки объем предкамеры изменяется за счет объема основной камеры, при этом общий объем камеры сгорания остается без изменений. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что подвижная разделительная перегородка закреплена на поворотном валике или подвижном штоке. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней стороне головки цилиндра, примыкающей к впускному клапану, установлена воздухоотражательная пластина. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в стенке камеры сгорания, примыкающей к впускному клапану, выполнена вентиляционная выемка. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что подвижная разделительная перегородка имеет сквозные отверстия. 6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что края подвижной разделительной перегородки выполнены прямой или зубчатой формы. 7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на рычаге привода подвижной разделительной перегородки установлен демпфирующий груз. 8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рычаг привода подвижной разделительной перегородки связан с педалью управления через резиновую втулку.