Двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2024 года по МПК F02M57/06 F02P13/00 H01T13/40 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в дизельных двигателях.

При снижении температуры воздуха пуск и прогрев дизельных двигателей ухудшается, особенно с газотурбинным наддувом и пониженной степенью сжатия. Температура воздушного заряда в конце такта сжатия при пуске составляет 300…370°С против 500…700°С на номинальном режиме (см. 1. Тракторные дизели: Справочник. Под общ ред. Б.А. Взорова. - М.: Машиностроение, 1981. с. 91, 388). Температура распылителя и впрыскиваемого топлива при пуске равна температуре окружающего воздуха, вместо 100…150°С на номинальном режиме, что ухудшает его распыливание, уменьшает угол конусности факелов, массу воздушного заряда в их объемах и увеличивает их дальнобойность. Массивные капли с большой кинетической энергией проблематично затормозить малой массой воздушного заряда в факеле. Малая скорость вращения воздушного заряда лишь частично разрушает факелы и не обеспечивает качественное смесеобразование. Неиспарившееся топливо попадает в моторное масло, разжижает его, что снижает ресурс двигателя. Поэтому низкая температура воздушного заряда и топлива уменьшает количество его паров, увеличивает период задержки его самовоспламенения, снижает индикаторную мощность двигателя и его ресурс, ограничивает минимальную предельную температуру его пуска, увеличивает расход топлива, загрязняет им атмосферу. При затруднении пуска, двигатели оставляют работать между сменами, строят теплые стоянки или отапливаемые гаражи, на что расходуют финансовые, трудовые и материальные ресурсы, что повышает издержки.

Для решения проблемы применяют различные устройства.

Известно изобретение (см. 2. SU №1268785 А1. Головка цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Кл. F02N 17/02//F02M 53/06. Опубл. 07.11.86. Бюл. № 11). Головка цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержит топливную форсунку с носком распылителя и электронагреватель со спиралью накаливания, установленный на нем. Электронагреватель снабжен съемным корпусом, охватывающим спираль и изолятор, заплечиками, опирающимися на головку. Корпус содержит изолированный канал соединяющий спираль электронагревателя с выводной клеммой. Сущность нагрева топлива состоит в уменьшении его вязкости, поверхностного натяжения и плотности, улучшении его распыливания, испарения, самовоспламенения, сгорания и его экономии, в снижении разжижения моторного масла, загрязнения атмосферы, предельной температуры пуска и сохранении ресурса двигателя.

Недостаток устройства состоит в размещении нагревателя на носке распылителя без зазора, что приводит к его перегреву, изменению структуры металла, термической деформации и отказу. Малая длина электрического нагревателя затрудняет попадание капель распыленного топлива на его раскаленную торцовую поверхность и их калоризаторное воспламенение, что сдерживает дальнейшее снижение предельной температуры пуска двигателя. Несгоревшей частью перерасходуют топливо, разжижают моторное масло, снижают ресурс двигателя и загрязняют атмосферу.

Техническая задача состоит в разработке устройства для увеличения температуры воздушного заряда в факелах топливно-воздушной смеси и повышения надежности их калоризаторного воспламенения.

Техническую задачу решают оснащением двигателя свечей накаливания с раскаленной предкамерой на носке распылителя форсунки, имеющей окна для прохода факелов в камеру сгорания и их надежного калоризаторного воспламенения.

Двигатель содержит свечу накаливания с нагреваемой предкамерой, установленной на носке распылителя. Стенки предкамеры, напротив каждого отверстия распылителя, содержат сквозные окна для прохода негорящей части факелов в камеру сгорания. Объем предкамеры кратно превышает объем негорящих частей факелов, формируемых во время впрыска подогретого топлива от отверстий распылителей до выхода их за пределы ее окон. Количество окон равно количеству отверстий распылителя форсунки, а их оси совмещены в пространстве. Геометрические формы, размеры окон и их боковых поверхностей относительно их осей определяют линиями пересечения конуса, вершина которого находится в устье противолежащего окну отверстия распылителя с углом равным сумме угла конусности горящего факела при работе двигателя на номинальном режиме и двух углов зазора между его видимым конусом и боковой поверхностью окон предкамеры, с поверхностями ее корпусов.

В дизельном двигателе объем факелов, формируемых струями распыленного топлива, составляет несколько процентов от общего объема воздушного заряда в камере сгорания. Объем негорящих частей факелов, формируемых струями топлива от отверстия распылителя до внешней поверхности окон предкамеры, еще меньше. Поэтому, перегревом части воздушного заряда, эжектируемого струями топлива в негорящие части факелов, имеющей в десятки раз меньшую массу, получают наибольший рост температуры в их объемах. Для эжекции перегретой части воздушного заряда в струи топлива ее перегрев осуществляют у отверстий распылителя, откуда они вылетают. Чтобы не смешивать объем перегретой части воздушного заряда с его основной массой ее перегрев осуществляют внутри раскаленной предкамеры свечи накаливания. Раскаленную предкамеру размещают вокруг отверстий распылителя.

Параметры нагревателя свечи накаливания и нагревателя предкамеры подбирают исходя из одновременного завершения нагрева в предпусковой период распылителя с топливом до температуры, рекомендованной заводом изготовителем и нагрева предкамеры до 950-1000°С. Воздушный заряд нагревают сжатием его поршнем до температуры несколько сотен градусов, а часть его в это время перегревают в раскаленной предкамере у отверстий распылителя до большей температуры. Вблизи верхней мертвой точки в такте сжатие подогретое топливо впрыскивают в объем перегретой части воздушного заряда в раскаленной предкамере. Впрыском подогретого топлива интенсифицируют процессы его распыливания, аэродинамического торможения капель ближе к отверстиям распылителя и увеличивают угол конусности факелов. Капли аэродинамически затормаживают перегретой частью воздушного заряда. Капли отдают часть своей кинетической энергии перегретой части воздушного заряда в струях топлива и заставляют его двигаться в спутном с каплями направлении к окнам предкамеры и формируют негорящие части факелов. Во время движения негорящих частей факелов в их больший объем эжектируют больший объем перегретого воздушного заряда из объема предкамеры. Его большей температурой и массой интенсифицируют процессы нагрева капель и их испарения. При движении негорящих частей факелов к раскаленным окнам предкамеры мелкие капли топлива вылетают за пределы их видимого конуса, попадают на раскаленную поверхность окон предкамеры, где их испаряют и принудительно воспламеняют. Для надежного калоризаторного воспламенения нестационарно развивающихся факелов объем предкамеры должен кратно, в 3 и более раз, превосходить их объем. Горящая часть факелов начинается от воспламенивших их окон предкамеры до их фронта, продвигающегося в камеру сгорания. Ростом температуры и давления в горящих частях факелов увеличивают угол их конусности, их интенсивнее затормаживают в камере сгорания, увеличивают в ней температуру, интенсифицируют испарение капель и сгорание паров топлива. Вращающимся воздушным зарядом закручивают горящие части факелов, разносят капли и горящие пары топлива по камере сгорания. Своевременным сгоранием большей части цикловой подачи увеличивают давление газов на поршень в такте расширение, крутящий момент и частоту вращения коленчатого вала двигателя. В такте выпуск уменьшением несгоревшей части цикловой подачи топлива снижают его расход, загрязнение атмосферы, разжижение моторного масла и сохраняют ресурс двигателя.

Увеличенной индикаторной мощностью двигателя в последующих циклах разгоняют его коленчатый вал до частоты вращения больше минимальной устойчивой частоты вращения на холостом ходу, завершают пуск при меньшей предельной температуре воздуха и приступают к его прогреву. Устанавливают подачу топлива, обеспечивающую устойчивую работу двигателя на холостом ходу и прогревают его согласно инструкции завода изготовителя. При прогреве двигателя температуру распылителя повышают, поэтому мощность его нагревателя уменьшают блоком управления. При достижении распылителем форсунки предельной температуры его подогрев прекращают. По мере прогрева двигателя сокращают период задержки самовоспламенения топлива, приближают его к периоду задержки от калоризаторного воспламенения. Обеспечив стабильную работу двигателя с самовоспламенением перегрев части воздушного заряда в предкамере и калоризаторное воспламенение факелов ее окнами прекращают. Прогрев двигатель до оптимальной температуры переводят его под внешнюю нагрузку.

Техническая реализация пояснена на примере камеры сгорания неразделенного типа дизелей ЯМЗ и АМЗ графическим материалом Фиг. 1, Фиг. 2.

где:

Фиг. 1 - Схема двигателя внутреннего сгорания с предкамерой для перегрева части воздушного заряда и калоризаторного воспламенения топлива в топливных факелах; Фиг. 2 - Схема развития топливных факелов в камере сгорания двигателя: 1 - корпус свечи накаливания внутренний; 2 -буртик; 3 - предкамера; 4 -электрический нагреватель распылителя; 5 -электрический нагреватель предкамеры; 6 - корпус свечи накаливания внешний; 7 - шов сварочный; 8 - окна; 9 - боковые поверхности окон; 10 - отверстия распылителя; 11 - распылитель; 12 - факелы; 13 - головка цилиндра; 14 - заплечики; 15 - штифт; 16 - датчик температуры распылителя; 17 - шайба уплотнительная; 18 - блок управления; 19 - указатель температуры распылителя; 20 - включатель нагревателя распылителя; 21 -включатель нагревателя предкамеры; 22 - включатель блока управления; 23 - батарея аккумуляторная; 24 - включатель массы; 25 - масса; 26 - датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; 27 - камера сгорания; 28 - поршень; β_о - угол конусности боковых поверхностей окон предкамеры, относительно оси распыливающего отверстия распылителя; β_фн - угол конусности горящего факела относительно оси распыливающего отверстия распылителя при работе двигателя на номинальном режиме, β_фп - угол конусности негорящего факела относительно оси распыливающего отверстия распылителя при пуске двигателя; β_з - угол зазора между видимой поверхностью конуса горящего факела при работе двигателя на номинальном режиме и боковой поверхности окон предкамеры; ω - угловая скорость вращения воздушного заряда.

Свеча накаливания состоит из полого внутреннего корпуса 1 с центрирующим буртиком 2, переходящего в предкамеру 3 (Фиг.1). На корпус 1 вверху установлен электрический нагреватель 4 для подогрева распылителя с топливом, а ниже нагреватель 5 для нагрева предкамеры 3. Внутренний корпус 1 с нагревателями 4 и 5 вставлен во внешний полый корпус 6. Внутренний корпус 1 и внешний корпус 6 снизу предкамеры 3, сверху и вокруг окон 8 соединены, например, сварочным швом 7. Предкамера 3 свечи накаливания содержит сквозные окна 8 для прохода негорящих факелов 12 в камеру сгорания 27. Количество окон 8 равно количеству отверстий 10 распылителя 11. Углы наклона осей окон 8 в пространстве равны соответствующим углам наклона осей в пространстве противолежащих им отверстий 10 распылителя 11 и осям негорящих частей факелов 12. Каждому окну 8 соответствует свое отверстие 10 распылителя 11 и свой факел 12. Объем предкамеры кратно превышает объемы негорящих частей факелов топливно-воздушной смеси.

Геометрическая форма, размеры окон 8 и их боковых поверхностей 9 определяют линией пересечения конуса, вершина которого находится в устье противолежащего окну 8 отверстия 10 распылителя 11 форсунки с углом β_фн у вершины горящей части факела при работе двигателя на номинальном режиме с учетом угла зазоров β_з между видимой поверхностью конуса горящих частей факелов и боковой поверхностью окон 8 предкамеры 3, c поверхностями ее корпуса 1 и корпуса 6. Угол зазора β_з подбирают исходя из сохранения топливной экономичности двигателя на номинальном режиме и надежности калоризаторного воспламенения топлива в топливных факелах при его пуске и прогреве.

Свеча накаливания опирается заплечиком 14 в гнездо головки 13 цилиндра и зафиксирована штифтом 15 так, что оси окон 8 совмещены с осями противолежащих им распыливающих отверстий 10 распылителя 11 и осям факелов 12. Нижнее отверстие предкамеры 3 обращено к камере сгорания 27 в поршне 28. Продольная ось свечи накаливания совмещена с продольной осью распылителя 11 при его проходе через отверстие центрирующего буртика 2 внутреннего корпуса 1. Датчик 16 температуры распылителя 11 установлен во внутреннее отверстие уплотнительной шайбы 17 размещенной в гнезде головки 13 и подключен к блоку управления 18. Блок управления 18 имеет указатель 19 температуры распылителя 11. Электрический нагреватель 4 включателем 20 подключен к блоку 17 управления. Электрический нагреватель 5 включателем 21 подключен к блоку управления 18. Блок управления 18 включателем 22 включен в цепь аккумуляторной батареи 23. Аккумуляторная батарея 23 включателем массы 24 соединена с массой 25 двигателя. К блоку управления 18 подключен датчик 26 частоты вращения коленчатого вала двигателя. Предкамера 3 выступает в камеру сгорания 27 поршня 28. Воздушный заряд вращается в камере сгорания 27 с угловой скоростью ω.

Работает дизельный двигатель следующим образом.

Перед пуском двигателя рычаг управления цикловой подачей топлива устанавливают в положение «Выключена» и не расходуют подогретое топливо при разгоне коленчатого вала пусковым устройством. Включателем 24 соединяют аккумуляторную батарею 23 с массой 25 двигателя (Фиг.1). Включателем 22 блок управления 18 соединяют с аккумуляторной батареей 23. Электрический ток от аккумуляторной батареи 23 подают в блок управления 18, которым считывают температуру распылителя 11 форсунки с датчика 16, а по датчику 26 считывают частоту вращения коленчатого вала двигателя. Оператор визуально контролирует температуру распылителя 11 по указателю 19 блока управления 18. Если при неподвижном коленчатом вале температура распылителя 11 меньше температуры необходимой для надежного пуска двигателя, то включателем 20 подключают нагреватель 4 к блоку управления 18, включателем 21 подключают нагреватель 5 к блоку управления 18. Блок управления 18 автоматически замыкает свои внутренние контакты и электрический ток от аккумуляторной батареи 23 направляют на нагреватель 4 распылителя 11 и нагреватель 5 предкамеры 3 свечи накаливания. Нагревателем 4 нагревают верхнюю часть свечи накаливания, а ее нагретым буртиком 2 внутреннего корпуса 1 нагревают носок распылителя 11 с находящимся в нем топливом. К этому времени нагревателем 5 свечи накаливания раскаляют стенки предкамеры 3. Двигатель готов к пуску, когда температура распылителя 11 достигнет нижнего интервала температур рекомендованного заводом изготовителем, а температура стенок предкамеры 3 достигнет 950-1000°С. Блоком управления 18 поддерживают температуру распылителя 11 и предкамеры 3 в течение времени необходимого для выполнения работ по пуску двигателя. Если пуск не проводят в течение этого времени, то блоком управления 18 автоматически отключают нагреватель 4 и нагреватель 5 от аккумуляторной батареи 23 и не расходуют запас ее электрической энергии. Когда пуск двигателя осуществляют, то пусковое устройство, например, электрический стартер включают в цепь аккумуляторной батареи 23, разгоняют им коленчатый вал до установившейся частоты вращения и перемещают рычаг подачи топлива в положение «Включена максимальная цикловая подача». При вращении коленчатого вала двигателя сигнал от датчика 26 частоты его вращения подают в блок управления 18 и блокируют отключение нагревателей 4 и 5 от аккумуляторной батареи 23.

При такте «Впуск» холодный воздух подают в цилиндр. Часть его подогревают наружной раскаленной поверхностью предкамеры 3 свечи накаливания. Другую его часть подают через окна 8 внутрь раскаленной предкамеры 3 и подогревают, пропускают через центральное отверстие предкамеры 3 в объем цилиндра. Обе части подогретого воздуха смешивают с холодным воздушным зарядом в цилиндре, чем увеличивают его температуру перед тактом «Сжатие». При такте «Сжатие» температуру воздушного заряда в цилиндре увеличивают за счет его продолжающегося подогрева наружной раскаленной поверхностью предкамеры 3 свечи накаливания.

Воздушный заряд в цилиндре двигателя нагревают сжатием его поршнем до нескольких сотен градусов, а малая его часть перетекает в объем раскаленной предкамеры 3 свечи накаливания, где ее перегревают до более высокой температуры. Перед приходом поршня 28 в верхнюю мертвую точку топливным насосом высокого давления цикловую подачу подогретого топлива впрыскивают из отверстий 10 распылителя 11 форсунки в перегретую часть воздушного заряда в раскаленной предкамере 3 свечи накаливания.

Впрыском подогретого топлива улучшают его распыливание, увеличивают количество мелких капель, количество топлива в мелких каплях, количество капель с более высокой температурой, меньшей массой, кинетической энергией и большей суммарной поверхностью. Лучшим распыливанием подогретого топлива увеличивают угол конусности β_фп топливных струй, их объем и массу перегретой части воздушного заряда находящуюся в них. Большей поверхностью капель и большей массой воздушного заряда в топливных струях интенсифицируют передачу кинетической энергии от летящих капель перегретой части воздушного заряда в объеме струй топлива. Вследствие большей массы воздушного заряда в топливных струях мелкие капли аэродинамически затормаживают ближе к распыливающим отверстиям 10 распылителя 11 форсунки. Кинетическую энергию заторможенных капель передают воздушным зарядам в объемах струй топлива в предкамере 3, заставляют их двигаться в спутном с каплями направлении к ее окнам 8 и формируют негорящие части факелов 12 топливно-воздушной смеси. Движением негорящих частей факелов 12 к окнам 8 создают разряжение в их первоначальных объемах, вследствие чего в них эжектируют следующие микрообъемы перегретой части воздушного заряда из раскаленной предкамеры 3 свечи накаливания. При приближении негорящих частей факелов 12 к окнам 8 предкамеры 3 свечи накаливания в ее внутреннем объеме, за счет эжекции воздушного заряда, создают разряжение в течение времени впрыска. Вследствие этого из камеры сгорания 27 в объем раскаленной предкамеры 3 свечи накаливания, через ее нижнее отверстие, обращенное к камере сгорания 27, перемещают равный объем воздушного заряда, где его перегревают и эжектируют в негорящие части факелов 12 в течение всего времени впрыска топлива распылителем 11 форсунки. Когда негорящие части факелов 12 достигают раскаленных поверхностей 9 окон 8 предкамеры 3 свечи накаливания, то ими дополнительно подогревают находящуюся в них топливно-воздушную смесь и эжектируют в их объем перегретый воздушный заряд.

При впрыске топлива часть мелких капель вылетают за видимую боковую поверхность конуса негорящих частей факелов 12, попадают на раскаленные поверхности 9 окон 8 предкамеры 3 и ее корпуса 1, где их испаряют и принудительно воспламеняют, чем сокращают период задержки воспламенения топлива. Ростом температуры и давления в горящих частях факелов, после выхода их фронта за пределы окон 8, увеличивают угол их конусности, чем дополнительно интенсифицируют их торможение в камере сгорания 27. Горением топлива в факелах 12 увеличивают температуру в камере сгорания 27, интенсифицируют нагрев капель, их испарение и сгорание.

Воздушным зарядом, вращающимся в камере сгорания 27 с угловой скоростью ω, закручивают горящие части факелов 12 по дуге и препятствуют оседанию капель на ее холодные стенки (Фиг. 2). Из горящих частей факелов 12 выносят взвесь капель и пары топлива в объем камеры сгорания 27, разносят их по ее объему, смешивают их с основной массой воздушного заряда, испаряют, образуют больше горючей смеси, которую раньше, быстрее и своевременно сжигают.

В такте «Расширение» возросшим давлением газов на поршень 28, увеличивают крутящий момент и частоту вращения коленчатого вала двигателя.

В такте «Выпуск» продукты сгорания выбрасывают в атмосферу. Более полным сгоранием топлива, уменьшают его расход, загрязнение им атмосферы, разжижение масла и сохраняют ресурс двигателя.

Ростом индикаторной мощности двигателя в следующих циклах увеличивают частоту вращения коленчатого вала, температуру воздушного заряда и давление впрыскивания топлива, чем улучшают смесеобразование и сгорание топлива. При частоте вращения больше минимальной устойчивой на холостом ходу пуск двигателя завершают и приступают к его прогреву.

Рычаг подачи топлива перемещают в положение, обеспечивающее устойчивую частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу, рекомендованную заводом изготовителем для прогрева двигателя. Прогревом повышают температуру двигателя, воздушного заряда, распылителя 11 и находящегося в нем топлива, чем обеспечивают его стабильную работу. Блоком управления 18 автоматически поддерживают температуру распылителя 11 в интервале заданном заводом изготовителем и, по мере ее роста, блоком управления 18 уменьшают мощность нагревателя 4. При достижении распылителем 11 предельной температуры, блоком управления 18 автоматически отключают электрический нагреватель 4 от аккумуляторной батареи 23, прекращают его подогрев и находящееся в нем топливо. По мере прогрева двигателя сокращают период задержки самовоспламенения топлива, приближая его к периоду задержки от калоризаторного воспламенения. При прогреве двигателя до температуры, обеспечивающей его надежную работу с самовоспламенением топлива, блоком управления 18 автоматически или включателем 21 вручную отключают нагреватель 5 от аккумуляторной батареи 23, прекращают нагрев предкамеры 3, перегрев в ней части воздушного заряда, калоризаторное воспламенение факелов 12 и переводят его на работу с самовоспламенением топлива. После завершения прогрева двигателя его ставят под внешнюю нагрузку.

Литература:

1. Тракторные дизели: Справочник / Под общ. ред. Б.А. Взорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 535с.

2. SU №1268785 А1. Головка цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Кл. F02N 17/02 // F02M 53/06. Опубл. 07.11.86. Бюл. № 11.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях. Двигатель внутреннего сгорания содержит установленные в камере форсунку с распылителем (11), имеющим несколько распыливающих отверстий (10) и свечу накаливания. В корпусе (1) свечи накаливания размещен нагревательный элемент (4), (5). Форсунка и свеча накаливания закреплены в гнезде головки цилиндра. Корпус (1) свечи снабжен полостью для размещения нагревательного элемента (4), (5) и центральным отверстием для соосного размещения распылителя (11) форсунки. Свеча накаливания вокруг отверстий (10) распылителя содержит предкамеру (3) с электрическим нагревательным элементом (5). Объем предкамеры (3) кратно превышает объем негорящих частей факелов формируемых от отверстий (10) распылителя (11) до наружной поверхности окон (8) предкамеры (3). Стенки предкамеры (3), напротив каждого отверстия (10) распылителя (11), содержат сквозные окна (8). Количество окон (8) равно количеству отверстий (10) распылителя форсунки, а их оси совмещены в пространстве. Размеры, геометрические формы окон (8) и их боковых поверхностей определяют линиями пересечения конуса, вершина которого находится в устье противолежащего окну отверстия (10) распылителя (11) с углом при вершине равным сумме угла при вершине горящего факела при работе двигателя на номинальном режиме и двух углов зазора между видимой боковой поверхностью конуса горящего факела и боковой поверхностью окон (8) предкамеры, с поверхностями ее корпусов. Технический результат заключается в увеличении температуры воздушного заряда в факелах топливно-воздушной смеси и повышения надежности их калоризаторного воспламенения. 2 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий установленные в камере форсунку с распылителем, имеющим несколько распыливающих отверстий и свечу накаливания, в корпусе которой размещен нагревательный элемент, причем форсунка и свеча накаливания закреплены в гнезде головки цилиндра, корпус свечи снабжен полостью для размещения нагревательного элемента, центральным отверстием для соосного размещения распылителя форсунки, отличающийся тем, что свеча накаливания вокруг отверстий распылителя содержит предкамеру с электрическим нагревательным элементом, объем предкамеры кратно превышает объем негорящих частей факелов формируемых от отверстий распылителя до наружной поверхности окон предкамеры, стенки предкамеры, напротив каждого отверстия распылителя, содержат сквозные окна, количество окон равно количеству отверстий распылителя форсунки, а их оси совмещены в пространстве, размеры, геометрические формы окон и их боковых поверхностей определяют линиями пересечения конуса, вершина которого находится в устье противолежащего окну отверстия распылителя с углом при вершине равным сумме угла при вершине горящего факела при работе двигателя на номинальном режиме и двух углов зазора между видимой боковой поверхностью конуса горящего факела и боковой поверхностью окон предкамеры, с поверхностями ее корпусов.