ФОРКАМЕРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F02B19/08 

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к двигателям внутреннего сгорания, к способам и устройствам интенсификации сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Проблема снижения токсичности выхлопных газов напрямую связана с эффективностью сгорания топливовоздушной смеси (ТВС) в камерах сгорания ДВС. Улучшение степени сгорания ТВС путем интенсификации работы двигателя приведет к снижению токсичности отходящих выхлопных газов и улучшит чистоту атмосферного воздуха.

Известны различные способы интенсификации работы ДВС, сущность которых сводится к регулировкам рабочего процесса: состава смеси, опережения зажигания, степени сжатия, перекрытия клапанов, количества свечей и т.д. Проблема заключается в том, что при проектировании современного ДВС учитываются одновременно все эти способы и тем самым дальнейшее совершенствование ДВС по повышению полноты сгорания и снижению эмиссии токсичных веществ практически исчерпано (книга В.А.Звонова. Токсичность двигателя внутреннего сгорания, М.: Машиностроение, 1981, с.80...91). Применение катализаторов в системе выхлопа может значительно уменьшить эмиссию токсичных веществ, но приводит к ухудшению его экономичности. Практически все способы по интенсификации перемешивания топливо-воздушной смеси одновременно ухудшают экономические показатели ДВС.

Наиболее распространены способы и устройства улучшения подготовки ТВС путем впрыскивания топлива через форсунку с электромагнитным клапаном в поток воздуха и смешивания определенных пропорций топлива и воздуха в форкамере перед впускным клапаном двигателя с последующим впрыском ТВС через впускной клапан в камеры двигателя (книга А.Р.Спинова "Системы впрыска бензиновых двигателей", М, 1994 г.). Благодаря наличию бортового компьютера, датчиков токсичности, расхода топлива и воздуха, температуры способ позволяет интенсифицировать работу ДВС и снизить расход топлива и токсичность отходящих выхлопных газов ДВС. Недостаток аналога состоит в несовершенстве технологии смешивания ТВС и ее воспламенения существующим электроискровым способом в камерах сгорания двигателя.

Известны способы и устройства интенсификации работы ДВС путем модернизации способов и устройств электроискрового зажигания ТВС в камерах (Статья "Из искры возгорится пламя", авторы - Ю.Соловьев, Л.Голованов, "Авторевю", N 17, 1996 г.). Сущность предложений сводится к модернизации электросвечей зажигания путем изменения их конструкций, технологии напыления на них износостойких покрытий. Достоинства новой электросвечи с одним центральным электродом, предложенной шведской фирмой SAAB, состоят в повышении срока службы таких электросвечей, улучшении процесса воспламенения ТВС в камерах сгорания двигателя. Их недостатки состоят в недостаточной интенсификации процесса воспламенения и горения ТВС в камерах при реализации известных способов электроискрового воспламенения смеси от существующих систем электрозажигания, основанных на получении высоковольтных импульсов напряжения малой длительности с использованием эффекта самоиндукции при коммутации тока в индуктивной катушке зажигания, ввиду малого времени существования искры, ограниченного электромагнитной постоянной времени существующей индуктивной катушки зажигания, и ввиду отсутствия операций по предварительному приготовлению ТВС к наилучшему сгоранию в камерах двигателя (отсутствуют операции озонирования воздуха, электростатического распыления топлива в камеры сгорания, электрополевого дожига несгоревших компонент ТВС на такте выпуска выхлопных газов).

Известны способ и устройство интенсификации работы бензинового ДВС путем впрыска топлива через специальные форсунки непосредственно в камеры сгорания ДВС в момент наивысшего сжатия воздуха в соответствующей камере сгорания с последующим электроискровым зажиганием ТВС от обычных электросвечей зажигания (Статья М. Кадакова "Новый двигатель Mitsubishi в "Авторевю" № 2, 1996 г.). Интенсификация работы ДВС достигается благодаря улучшению распыления и перемешивания топлива с воздухом, повышению степени сжатия смеси до 12:1 в связи с охлаждением воздуха при впрыскивании топлива, устранением эффекта детонации. Фактически разработан и испытан бензиновый квазидизель. Экспериментально подтверждено повышение мощности такого двигателя на 10%, снижение токсичности выхлопных газов на 30-90% по отдельным составляющим, возможность работы на обедненных ТВС, что дополнительно улучшит экологию двигателя при движении автотранспорта в городе.

Недостатки предложенного способа и устройства состоят в усложнении конструкции ДВС (трудности конструктивного размещения форсунок высокого давления в камерах ДВС, что требует изменения конструкции двигателя) и в несовершенстве способа воспламенения ТВС обычным электроискровым способом, который не обеспечивает полное сгорание смеси в камерах, особенно на высоких оборотах двигателя.

Известна система подачи топлива с электронным устройством управления для ДВС, содержащая двигатель внутреннего сгорания с камерами сгорания, поршнями, впускными и выпускными клапанами, включающий систему подготовки топливовоздушной смеси и впрыска топлива в камеры сгорания с регуляторами подачи топлива и окислителя, систему электроискрового воспламенения топливовоздушной смеси, состоящую из высоковольтного преобразователя напряжения, распределителя высоковольтных импульсов с соответствующими регулятором угла опережения электрозажигания и электросвечами по числу камер сгорания, датчики расхода топлива и окислителя, их температуры, оборотов двигателя, токсичности выхлопных газов, а также логически функциональный оптимизатор режимов, присоединенный по выходу к регуляторам подачи топлива и окислителя, их температуры, оборотов двигателя, токсичности выхлопных газов, а также логически функциональный оптимизатор режимов, присоединенный по выходу к регуляторам подачи топлива и окислителя, регулятору угла опережения зажигания смеси, а по входу - к выходам указанных датчиков по патенту США N 4596220, F02D 43/00, 1986. Из данного источника информации известен также способ интенсификации работы ДВС путем подготовки топливовоздушной смеси, впрыска топлива, воспламенения и сжигания.

Известны способ и устройство для интенсификации и управления процессом горения в ДВС по патенту РФ № 2153814, прототип, путем воздействия сильным электрическим полем на топливо-воздушную смесь в камерах сгорания цилиндров ДВС.

Недостатком этого устройства и способа является недостаточная эффективность воздействия электрического поля на горение, полноту сгорания и эмиссию токсичных веществ в продуктах сгорания. Кроме того, создание мощных полей потребует мощных источников энергии мощностью более 5 кВт и является небезопасным в эксплуатации.

Значительный интерес для потребителя представляет применение форкамер, свинчиваемых с электрическими свечами. Это позволяет использовать их в ранее выпущенных в эксплуатацию ДВС без изменения конструкции поршневой группы. При этом стоимость форкамер очень невелика.

Известна форкамера двигателя внутреннего сгорания по патенту СССР № 691102, МПК F02 В 19/18, заявитель иностранная фирма "Тойота" (Япония). Форкамера выполнена в виде местного расширения, сообщенного посредством канала с основной камерой сгорания, в этом канале установлена свеча зажигания. Недостаток: сложность конструкции двигателя и невозможность переоборудования серийного двигателя для улучшения его работы.

Известна форкамера по А.С. СССР № 259553, которая выполнена из трех деталей, образующих полость предварительного воспламенения топливо-воздушной смеси. Недостатком этой форкамеры является сложность конструкции, необходимость герметизации деталей форкамеры между собой и большие габариты устройства.

Известна форкамера двигателя внутреннего сгорания по А.С. СССР № 1370269, содержащая устанавливаемую на свечи зажигания цилиндрическую деталь, образующую между торцом свечи и торцом детали полость форкамеры. На торце детали выполнен осевой факельный канал. Недостаток этой форкамеры, его низкая эффективность, обусловлен наличием только одного осевого канала и отсутствием закрутки потока топливо-воздушной смеси.

Этот недостаток устранен в форкамере двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ на полезную модель № 23918, 2002 г. (прототип). Форкамера содержит полость, переходный канал, сообщенный с полостью соединительным участком, поверхность которого выполнена в форме тела вращения и сопряжена с поверхностями стенок полости и переходного канала, и боковые факельные каналы, выполненные в стенке переходного канала под углом к его продольной оси и тангенциально к поверхности его стенки, при этом соединительный участок выполнен радиусным.

Недостатки этой форкамеры:

1. Низкая эффективность воспламенения основного заряда топлива, которая объясняется тем, что факельные струи выходят из тангенциальных отверстий и распространяются в стороны, а распространение струй в осевом направлении ограничено из-за отсутствия осевого факельного канала. Следствием этого является низкая экономичность двигателя, оборудованного таким устройством, его перегрев, детонация и плохой запуск в зимнее время и в сырую погоду.

2. Сложность конструкции и ее нетехнологичность, обусловленные наличием переходного канала и соединительного участка сложной конфигурации.

Задачи создания изобретения: повышение полноты сгорания, снижение эмиссии вредных веществ, использование низкооктановых бензинов и повышение эффективности воспламенения, особенно при низких температурах и в сырую погоду без дополнительных затрат энергии и усложнения конструкции ДВС.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что форкамера двигателя внутреннего сгорания, содержащая полость, боковые факельные каналы, выполненные под углом к продольной оси и тангенциально к поверхности его стенки, и осевой факельный канал, отличается тем, что внутри боковых факельных каналов установлены кольцевые постоянные магниты. Боковые факельные каналы выполнены под углом от 5 до 30° к оси. Боковые факельные каналы выполнены по часовой стрелке. Количество боковых факельных каналов находится в диапазоне от 4 до 7. Диаметр осевого факельного канала выполнен равным или больше диаметра боковых факельных каналов.

Проведенные патентные исследования показали, что предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. удовлетворяет критериям изобретения.

Для реализации предложенного изобретения требуется серийное оборудование и недифицитные материалы. Возможность достижения заявленного результата подтверждена проведенными экспериментами.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1...3, где:

на фиг.1 приведен ДВС с форкамерой,

на фиг.2 приведена схема форкамеры,

на фиг.3 приведен разрез по А-А.

На простейшем примере одноцилиндрового ДВС показана схема установки форкамеры.

ДВС (двигатель внутреннего сгорания) содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с поршнем 2, который установлен на шатуне 3 и имеет поршневые кольца 4. В верхней части цилиндра установлены впускной клапан 5 и свеча зажигания 6. Свеча зажигания 6 ввернута в форкамеру ДВС 7. Форкамера ДВС 7 установлена по резьбе в головке цилиндров ДВС 8. ДВС также содержит систему подвода топливо-воздушной смеси 9. Внутри цилиндра 1 образуются вихри ТВС около впускного клапана и под форкамерой соответственно 10 и 11.

Форкамера двигателя внутреннего сгорания 7 (фиг.2) содержит стенку 12, полость «Б», боковые факельные каналы 13 и осевой факельный канал 14. В форкамеру двигателя внутреннего сгорания 7 ввернута свеча зажигания 6. Форкамера двигателя внутреннего сгорания 7 имеет наружную резьбу 15 для вворачивания в корпус головки цилиндра 8 и внутреннее резьбовое отверстие 16 для вворачивания свечи зажигания 6. Внутри всех боковых факельных каналов 13 установлены кольцевые постоянные магниты 17.

Угол наклона боковых факельных каналов 13 по отношению к оси составляет от 5 до 30°. Число боковых факельных каналов от 4 до 7. Диаметр осевого факельного канала 14 D₀ равен или больше диаметра боковых факельных каналов d₁.

При эксплуатации форкамеру ДВС 7 вворачивают в корпус головки цилиндров 8, потом в нее вворачивают свечу зажигания 6.

Для подтверждения оптимальности выбранной конструкции и соотношений размеров и углов наклона боковых факельных каналов к оси авторами-заявителями были изготовлены и испытаны несколько вариантов форкамер на двигателе ВАЗ 2106.

Обоснование выбора угла наклона к оси боковых факельных каналов приведено в табл.1.

Таблица 1Обоснование выбора угла наклона боковых факельных каналов к осип.п.Диапазон углов наклона боковых факельных каналов к осиСнижение расхода топлива в %Перегрев двигателяЗапуск двигателя10°6ДаНеуд25...30° (оптимальн)17НетХор330...45°12ДаУд445...85°0ДаУд.590°0-Не запускается

Из табл.1 видно, что оптимальный угол наклона боковых факельных каналов к оси 5...30°. При этом обеспечивается оптимальное сочетание всех характеристик.

Диаметр осевого факельного канала должен быть выполнен или равным или больше диаметра боковых факельных отверстий. Это необходимо, чтобы площадь поперечного сечения осевого факельного канала 4 была соизмерима с площадью отверстий боковых факельных каналов 3. В противном случае наличие осевого факельного канала перестает влиять на работу форкамеры.

Обоснование выбора соотношения диаметров осевого и боковых факельных каналов приведено в табл.2.

Таблица 2Обоснование выбора диаметра факельных каналов№ п.п.Соотношение диаметров факельных каналовСнижение расхода топлива, %Перегрев двигателяЗапуск двигателя1D₀=06ДаНеудовлетворительный2D₀<d₁8ДаНеудовлетворительный3D₀≥d₁12НетХороший

Из табл.2 видно, что оптимальное соотношение диаметров факельных каналов D₀≥d₁ обеспечивает оптимальное сочетание основных характеристик двигателя.

Предложенная форкамера двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

Предварительно из головки блока цилиндров выворачиваются все свечи 5. Свечи 5 вворачиваются во внутреннее фезьбовое отверстие 7 устройства. Устройство вворачивается посредством наружной резьбы 6 в головку цилиндра (на фиг.1...3 головка цилиндра не показана).

При работе, после впрыска топлива в цилиндр двигателя, его часть поступает в форкамеру и воспламеняется свечой зажигания 6. В первую очередь воспламеняется доза топливо-воздушной смеси в форкамере 7, вырабатывается мощный тепловой импульс, достаточный для воспламенения остального топливного заряда в цилиндре 1 двигателя внутреннего сгорания. Тангенциальное расположение боковых факельных каналов 13 создает вихревое движение продуктов сгорания в форкамере ДВС 7 топливо-воздушного заряда, обозначенное поз.11 на фиг.1. Наклон этих каналов под относительно небольшим углом к оси перемещает фронт факела вдоль оси цилиндра. Применение постоянных кольцевых магнитов 17 закручивает электрически заряженные частицы продуктов сгорания, тем самым дополнительно увеличивает турбулентность вихря 11. Столкнувшись, вихри 10 и 11 вызывают воспламенение всего топливного заряда, прошедшего через впускной клапан 6. Сочетание двух видов отверстий: осевого и тангенциальных создает условия эффективного осевого перемещения фронта горения в момент воспламенения, образует турбулентные зоны (микровихри), что повышает полноту сгорания. Применение постоянных магнитов в осевом факельном отверстии 14 и на свече зажигания 6 не дало результата. Кроме того, установка постоянного магнита на свече зажигания привела к потере его магнитных свойств и к эрозии магнита.

Применение изобретения позволило:

- использовать низкооктановые бензины,

- упростить конструкцию ДВС,

- повысить полноту сгорания топлива,

- снизить СО отработанных выхлопных газов,

- предотвратить перегрев двигателя в летнее время года,

- обеспечить надежный запуск двигателя в морозы и при сырой погоде,

- улучшить динамические характеристики автомобиля,

- уменьшить на 12...17% удельный расход топлива для ДВС, оборудованных предложенными форкамерами,

- применять устройство на серийно изготавливаемых ДВС без изменения их конструкции.

В результате потребитель получил возможность экономить время при запуске ДВС и затраты на эксплуатацию автомобилей и стационарных ДВС. Другие эксплуатационные характеристики ДВС не ухудшились.

Изобретение относится к производству двигателей внутреннего сгорания, конкретно - к системам топливоподачи и воспламенения топлива в цилиндрах. Форкамера двигателя внутреннего сгорания, содержащая полость, боковые факельные каналы, выполненные под углом к продольной оси и тангенциально к поверхности его стенки, и осевой факельный канал, отличается тем, что внутри боковых факельных каналов установлены кольцевые постоянные магниты. Боковые факельные каналы выполнены под углом от 5 до 30° к оси. Боковые факельные каналы выполнены по часовой стрелке. Количество боковых факельных каналов находится в диапазоне от 4 до 7. Диаметр осевого факельного канала выполнен равным или больше диаметра боковых факельных каналов. Изобретение обеспечивает использование низкооктановых бензинов, повышение эффективности зажигания, особенно при низких температурах и в сырую погоду. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Форкамера двигателя внутреннего сгорания, содержащая полость, боковые факельные каналы, выполненные под углом к продольной оси и тангенциально к поверхности его стенки, и осевой факельный канал, отличающаяся тем, что внутри боковых факельных каналов установлены кольцевые постоянные магниты.2. Форкамера двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающаяся тем, что боковые факельные каналы выполнены под углом от 5 до 30° к оси.3. Форкамера двигателя внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что боковые факельные каналы выполнены по часовой стрелке.4. Форкамера двигателя внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что количество боковых факельных каналов находится в диапазоне от 4 до 7.5. Форкамера двигателя внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что диаметр осевого факельного канала выполнен равным или больше диаметра боковых факельных каналов.