СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F02B3/06 F02B19/04 F02B19/18 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способу работы двигателя внутреннего сгорания снабженного форкамерой.

Известен способ работы (см. книгу Теория быстроходного двигателя с самовоспламенением, Т.М. Мелькумов, - М., Издательство оборонной промышленности, 1933 г., стр. 281-285) двигателя внутреннего сгорания с двумя камерами сгорания, осуществляющийся путем сжатия воздуха в основной камере сгорания с вытеснением его меньшей части через соединяющие отверстия в меньшую по объему камеру предварительного горения (форкамеру), оборудованную форсункой, подачи всего топлива в форкамеру, воспламенения и сгорания в ней части топлива, перетока через соединяющие отверстия малого диаметра смеси продуктов сгорания и несгоревшего топлива под действием возникшего при сгорании перепада давления из форкамеры в основную камеру сгорания, обеспечивающего перемешивание с воздухом, и основное сгорание оставшегося топлива, расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов.

При таком способе, для обеспечения необходимой интенсивности перемешивания смеси из форкамеры с чистым воздухом основной камеры, энергия сгоревшего в форкамере топлива теряется на создание скорости перетекания через узкие соединяющие отверстия из форкамеры в основную камеру и создание завихрений в основной камере.

Известен также форкамерный двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (Патент SU 769041), имеющий соединение объема основной камеры сгорания с форкамерой через цилиндрическую горловину с направляющими пазами, периодически перекрываемую имеющимся на поршне вытеснителем в период движения поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), причем, стенка горловины образует с вытеснителем кольцевой зазор. Объем основной камеры в таком двигателе состоит из объема между головкой цилиндра и поршнем и включает объем камеры сгорания в поршне.

В этом двигателе после выхода вытеснителя из горловины обеспечивается более свободный переток смеси продуктов сгорания и несгоревшего топлива из форкамеры в основную камеру сгорания. Однако, необходимость затраты времени на обеспечение равномерного распределения и перемешивания смеси горячих газов с несгоревшим топливом, выходящей из форкамеры, с неиспользованным кислородом воздуха основной камеры, путем использования направляющих пазов и минимизация кольцевого зазора, увеличивает продолжительность сгорания на ходе расширения и отнимает часть энергии за счет дросселирования перетока.

Кроме того, в связи с тем, что в форкамеру подается все топливо и только часть воздуха, необходимого для полного и эффективного сгорания этого топлива, а вторая часть остается в камере сгорания поршня, то это отрицательно сказывается на первоначальном воспламенении и горении в форкамере, ухудшая топливную экономичность.

Целью изобретения является улучшение топливной экономичности путем улучшения эффективности воспламенения и сгорания топлива.

Поставленная задача в способе работы форкамерного двигателя, имеющего соединение объема основной камеры сгорания, расположенной между головкой цилиндра и днищем поршня, с форкамерой, периодически перекрываемой имеющимся на поршне вытеснителем, решается следующим образом.

На ходе сжатия не часть, а практически весь воздух, необходимый для сгорания, за исключением незначительного объема в надпоршневом зазоре, вытесняется в установленную в головке 1 форкамеру 2 поршнем 3, не имеющим камеры сгорания и оснащенным вытеснителем 4. Вытеснение идет сначала через открытую горловину форкамеры, снабженной форсункой (не показана), а с момента входа вытеснителя в горловину только через узкий кольцевой зазор 5, находящийся между вытеснителем и горловиной. За несколько градусов поворота коленчатого вала (ПКВ) до ВМТ после входа вытеснителя в горловину топливо впрыскивается форсункой в направлении горловины. Поскольку в форкамеру вытеснен турбулизированный прохождением через узкий кольцевой зазор весь воздух, необходимый для полного эффективного сгорания, то это положительно сказывается на первоначальном воспламенении и горении в форкамере. Давление от сгорания в форкамере возрастает, превышая давление в цилиндре.

Поршень, после достижения ВМТ, под действием этого давления начинает совершать рабочий ход, образуя под головкой цилиндра объем 6 основной камеры сгорания, который, по мере увеличения в период выхода вытеснителя из горловины, постепенно и равномерно через кольцевой зазор заполняется уже перемешанным горящим составом из форкамеры. Узкий кольцевой зазор за счет сопротивления этому заполнению способствует уменьшению доли относительно неэффективной работы при срабатывании давления от сгорания вблизи ВМТ и снижает неблагоприятное резкое увеличение воздействия давления на всю площадь поршня после воспламенения топлива. По мере удаления поршня от ВМТ постепенный выход вытеснителя из горловины обеспечивает необходимое, из условия улучшения топливной экономичности, увеличение интенсивности воздействия давления на всю площадь поршня за счет непрерывного уменьшения сопротивления в кольцевом зазоре перетоку горящей смеси из форкамеры в основную камеру сгорания. Динамика увеличения интенсивности и продолжительность воздействия давления на основную площадь поршня в этот период обеспечивается сочетанием высоты вытеснителя, определяющей продолжительность фазы перекрытия горловины форкамеры по углу ПКВ, и площади кольцевого зазора.

После выхода вытеснителя из горловины интенсифицированный появившейся беспрепятственностью, при турбулизации заряда в пристеночных зонах с интенсивностью, зависящей от относительной скорости изменения объема цилиндра по углу ПКВ (см. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков. Изд. «Вища школа», 1980), без затрат времени и энергии на обеспечение равномерного распределения и перемешивания, переток содержимого форкамеры в основную камеру способствует ускорению окончания сгорания и увеличению полезного воздействия давления, интенсивно уравненного по всей надпоршневой площади в значимый для совершения полезной работы и улучшения экономичности период рабочего хода.

Таким образом, при предложенном способе снижение расхода топлива обеспечивается, если происходит вытеснение поршнем, не имеющим камеры сгорания, всего необходимого для сгорания воздуха из ограниченного днищем поршня и головкой цилиндра объема, в установленную в головке цилиндра форкамеру, осуществление воспламенения и горения в форкамере, осуществление поршнем рабочего хода под действием давления от сгорания, причем задаваемая высотой вытеснителя продолжительность перекрытия горловины при ходе поршня до и после ВМТ в градусах угла поворота коленчатого вала находится в диапазоне ± (20-30)°, при оптимальной величине ±25°, а площадь кольцевого зазора составляет не более 0,018% от площади поршня».

В Таблицах 1, 2 приведены варианты практического осуществления предлагаемого изобретения с различными соотношениями площади кольцевого зазора и фазы перекрытия горловины форкамеры. Оценка вариантов производилась по значению величины отношения эффективного кпд η двигателя с предложенным способом работы к эффективному кпд η_изв этого же двигателя с известным способом, использующим переток через соединяющие отверстия и применяемым в двигателе Daimler-MTU MB 873.

Как следует из таблиц, повышение эффективного кпд двигателя, обуславливающее снижение расхода топлива, обеспечивается, если задаваемая высотой вытеснителя продолжительность перекрытия горловины при ходе поршня до и после ВМТ в градусах угла ПКВ находится в диапазоне ±(20-30)° при оптимальной величине ±25°, а площадь кольцевого зазора горловины Sr составляет не более 0,018% от площади поршня Sn.

На представленной фигуре изображен двигатель с предложенным способом работы Двигатель содержит цилиндр (не показан) с размещенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения поршнем 3, головку 1 цилиндра, основную камеру сгорания 6, являющуюся объемом, ограниченным плоским днищем поршня и головкой, форкамеру 2, выполненную в головке и снабженную топливной форсункой (не показана). Форкамера имеет горловину, периодически перерываемую вытеснителем 4 при наличии между ним и стенкой горловины кольцевого зазора 5, обеспечивающего необходимое сопротивление перетоку горящей смеси из форкамеры в основную камеру сгорания.

Изобретение относится к области двигателестроения. Предложен способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащего расположенную в головке 1 цилиндров форкамеру 2 с форсункой и основную камеру сгорания 6, расположенную между головкой 1 цилиндра и днищем поршня 3, снабженного вытеснителем 4, образующим при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) кольцевой зазор 5 со стенкой горловины форкамеры 2. Способ включает вытеснение поршнем, не имеющим камеры сгорания, всего необходимого для сгорания воздуха из ограниченного днищем поршня и головкой цилиндра объема, в установленную в головке цилиндра форкамеру, осуществление воспламенения и горения в форкамере, осуществление поршнем рабочего хода под действием давления от сгорания. Задаваемая высотой вытеснителя 4 продолжительность перекрытия горловины при ходе поршня до и после ВМТ в градусах угла поворота коленчатого вала находится в диапазоне ±(20-30)°, при оптимальной величине ±25°, а площадь кольцевого зазора 5 составляет не более 0,018% от площади поршня 3. Способ позволяет улучшить топливную экономичность, воспламенение и сгорание топлива. 1 ил., 2 табл.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащего расположенную в головке цилиндров форкамеру с форсункой и основную камеру сгорания, расположенную между головкой цилиндра и днищем поршня, снабженного вытеснителем, образующим при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) кольцевой зазор со стенкой горловины форкамеры, заключающийся в вытеснении поршнем, не имеющим камеры сгорания, всего необходимого для сгорания воздуха из ограниченного днищем поршня и головкой цилиндра объема в установленную в головке цилиндра форкамеру, осуществлении воспламенения и горения в форкамере, осуществлении поршнем рабочего хода под действием давления от сгорания, причем задаваемая высотой вытеснителя продолжительность перекрытия горловины при ходе поршня до и после ВМТ в градусах угла поворота коленчатого вала находится в диапазоне ±(20-30)°, при оптимальной величине ±25°, а площадь кольцевого зазора составляет не более 0,018% от площади поршня.