Форкамерное инжекционное устройство Российский патент 2024 года по МПК F02B19/12 F02B19/16 F02B19/18 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к системам питания двигателей внутреннего сгорания топливом с форкамерным устройством для воспламенения топливовоздушной смеси, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с форкамерным зажиганием для работы на обедненной газовоздушной смеси.

Известно форкамерное устройство газового двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с отверстием для размещения свечи зажигания, управляемый форкамерный клапан в сочетании с дросселем, свечу зажигания и сопло, обращенное в основную камеру сгорания, в которой сопло жестко закреплено на корпусе, для подвода газового топлива в корпусе имеется дополнительная проточка (см. патент РФ №2240429 по МПК 02В 19/16, опубл. 20.11.2004,).

Недостатком известного устройства является вероятность преждевременного воспламенения и детонации сгорания обогащенной смеси внутри форкамеры из-за отсутствия дополнительного охлаждения электродов свечи зажигания струей газа, поступающей внутрь форкамеры. Проточки в теле корпуса могут привести к утонению его стенок, что в итоге снизит термостойкость устройства.

Наиболее близким по технической сущности является форкамерное инжекционное устройство характеризующееся тем, что содержит состоящий из нескольких частей корпус с центральной полостью с установочной резьбой для свечи зажигания, форкамеру с инжекционными отверстиями для подачи топливного газа, сообщающуюся с сопловым наконечником, расположенные в стенке корпуса продольные газоподводящие каналы, сообщающиеся через выполненный в верхней части корпуса распределительный канал с патрубком подачи топливного газа (см. патент РФ №2096633 по МПК F02B 19/00, опубл. 20.11. 1997,).

Известное устройство имеет сложную составную конструкцию. Корпус состоит из нескольких частей, что влияет на надежность устройства и двигателя внутреннего сгорания, в котором устройство применяется. А цилиндрическая выемка, размещенная вокруг корпуса свечи зажигания, неизбежно приводит к утонению корпуса устройства, что так же негативно влияет на надежность.

Анализ конструкции известного устройства выявил, что для работы данного устройства необходимы меры по герметизации цилиндрической выемки в месте установки свечи зажигания, что может повлечь вероятную утечку газового топлива в атмосферу. И, в том числе, анализ выявил необходимость применения нестандартной, с точки зрения массового производства, свечи зажигания, что ограничивает масштабирование применения данного аналога в хозяйственной деятельности.

Недостатком данного устройства также является необходимость использования специально подготовленной головки блока цилиндров, что ограничивает его применение.

Техническим результатом является повышение надежности, эффективности смесеобразования и воспламенения, снижение вреда окружающей среде, а также расширение возможностей по модернизации и конверсии существующих поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Технический результат достигается тем, что форкамерное инжекционное устройство содержит корпус с центральной полостью с установочной резьбой для свечи зажигания, форкамеру с инжекционными отверстиями для подачи топливного газа, сообщающуюся с сопловым наконечником, расположенные в стенке корпуса продольные газоподводящие каналы к инжекционным отверстиям, сообщающиеся через выполненный в верхней части корпуса распределительный канал с патрубком подачи топливного газа, причем продольные газоподводящие каналы выполнены с дугообразным поперечным сечением, а корпус с выполненными в нем форкамерой, продольными газоподводящими каналами и распределительным каналом, патрубок подачи топливного газа и сопловой наконечник выполнены в виде монолитной цельной конструкции из тугоплавкого и прочного материала с использованием аддитивных технологий. Форкамера выполнена цилиндрической формы.

Распределительный канал выполнен тороидальной формы. Патрубок подачи топливного газа выполнен с соединительной резьбой для топливоподающего трубопровода. Сопловой наконечник выполнен с перепускным каналом, состоящим из верхней конфузорной части и нижней диффузорной части. Устройство снабжено установочными проушинами.

На фиг.1 изображено заявляемое форкамерное инжекционное устройство, общий вид;

на фиг.2 изображен продольный разрез устройства, поясняющий расположение свечи зажигания;

на фиг.3 изображен продольный разрез устройства, поясняющий расположение газоподводящих газовых каналов;

на фиг.4 изображено поперечное сечение по фиг.2 между распределительным каналом и установочной резьбой для свечи зажигания.

Форкамерное инжекционное устройство содержит корпус 1, имеющий центральную полость 2 с установочной резьбой 3 для свечи зажигания 4 и форкамеру 5 цилиндрической формы с инжекционными отверстиями для подачи топливного газа 6, сообщающуюся с сопловым наконечником 7.

В стенке корпуса 1 выполнены продольные газоподводящие каналы 8, сообщающиеся через выполненный в верхней части корпуса 1 распределительный канал 9 с подводящим каналом 10 патрубка подачи топливного газа 11, выполненного с соединительной резьбой 12 для соединения с топливоподающим трубопроводом (на чертеже не показан). Распределительный канал 9 выполнен тороидальной формы. Сопловой наконечник 7 выполнен с перепускным каналом 13, состоящим из верхней конфузорной части и нижней диффузорной части.

В верхней части корпуса 1 выполнены установочные проушины 14. В нижней части корпуса 1 выполнена канавка для уплотнительного кольца 15.

Форкамерное инжекционное устройство выполнено в виде монолитной цельной конструкции из тугоплавкого материала, изготовленной с помощью аддитивных технологий, а именно 3Д печати металлом методом селективного лазерного спекания из сферического порошка титана Ti6Al4V.

Устройство работает следующим образом на примере конкретного выполнения.

Работа устройства заключается в подаче газового топлива непосредственно в цилиндр поршневого двигателя с расчетной пропускной способностью по газовым каналам с определенными соотношениями геометрических характеристик, а также в инициации процесса горения в двигателе внутреннего сгорания посредством воспламенения топливовоздушной смеси внутри форкамеры.

Топливный газ из топливоподающего трубопровода (не показан), в результате кратковременной подачи давлением от 20 Бар до 100 Бар в пределах 20-40 миллисекунд в момент угла поворота коленчатого вала ДВС, соответствующего тактам впуска и (или) сжатия для соответствующего поршня цилиндро-поршневой группы, поступает в подводящий канал 10 патрубка подачи топливного газа 11 и далее распределяется в распределительном канале 9 по продольным газоподводящим каналам 8 с избыточным давлением к инжекционным отверстиям для подачи топливного газа 6, через которые в свою очередь попадает в форкамеру 5.

В момент воспламенения, который соответствует углу поворота коленчатого вала ДВС, когда выполняющий такт сжатия поршень находится вблизи верхней мертвой точки, посредством свечи зажигания 4 богатой топливовоздушной смеси относительно топливовоздушного заряда в объеме сжатия цилиндра цилиндро-поршневой группы ДВС в форкамере 5 образуется факельное зажигание, эффективно воспламеняющее обедненную топливовоздушную смесь в объеме сжатия цилиндра.

Форкамера 5 за счет своей геометрической формы и соотношения суммы площадей сечений инжекционных отверстий для подачи топливного газа 6 и площади сечения узкой части перепускного канала 13 обеспечивает эффективное внутреннее смесеобразование и высокую скорость движения факела, который разгоняясь в сопловом наконечнике 7 через перепускной канал 13 инициирует воспламенение в объеме сжатия цилиндра. Также форкамера 5 обеспечивает эффективное смесеобразование непосредственно в цилиндре цилиндро-поршневой группы ДВС.

Данные решения позволяют эффективнее сжигать обедненный заряд топливовоздушной смеси в камере сгорания поршневого ДВС.

Надежное крепления свечи зажигания 4 в корпусе 1 противодействует реактивному импульсу, воздействующему на корпус свечи зажигания 4 в момент воспламенения в форкамере 5. Соотношение давления подачи газа в устройстве и давления в цилиндре поршневого двигателя на тактах впуск и сжатие обеспечивают эффективное расширение топливного газа в полость форкамеры 5 и рабочего объема цилиндра, что приводит к охлаждению потока газа, направленного на электроды свечи зажигания.

Конструкция форкамерного инжекционного устройства выполнена таким образом, чтобы обеспечить необходимую пропускную способность топливного газа для заданного давления, а также эффективно охлаждать корпус устройства и электроды свечи зажигания за счет естественного физического принципа охлаждения газа при его расширении.

Форкамера предлагаемого устройства выполнена в крепкой и массивной части устройства, что обеспечивает ее устойчивость к кратковременным детонационным воздействиям и перепадам температур. Инжекционные отверстия для подачи топливного газа непосредственно соединяют газоподводящие каналы и полость форкамеры.

Форкамера обеспечивает эффективное внутреннее смесеобразование, понижает температуру, давление и повышает скорость движения факела, инициирующего воспламенение, что позволяет эффективнее сжигать обедненный заряд топливовоздушной смеси в камере сгорания цилиндра ДВС. Снижение температуры и давления факела, инициирующего воспламенение, нацелены на снижение образования оксидов азота в продуктах горения.

Предлагаемое устройство имеет повышенную надежность, которая достигается не только использованием монолитной цельной конструкции из тугоплавкого материала, изготовленной с помощью аддитивных технологий, а именно 3Д печати металлом методом селективного лазерного спекания сферического порошка титана Ti6Al4V корпуса 1, но также применением промышленно выпускаемых свечей зажигания 4 с максимально удлиненной резьбовой частью.

Путем проведения инженерных расчетов, экспериментальных исследований и испытаний были установлены формы и размеры конструктивных элементов устройства для получения заданных характеристик в соответствии с техническим заданием.

Предлагаемое форкамерное инжекционное устройство может быть адаптировано под различные поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Испытания подтвердили достижение технического результата.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с форкамерным зажиганием для работы на обедненной газовоздушной смеси. Предложенное форкамерное инжекционное устройство содержит корпус 1, имеющий центральную полость 2 с установочной резьбой 3 для свечи зажигания 4 и форкамеру 5 цилиндрической формы с инжекционными отверстиями 6 для подачи топливного газа, сообщающуюся с сопловым наконечником 7. В стенке корпуса 1 выполнены продольные газоподводящие каналы 8, сообщающиеся через распределительный канал 9 с подводящим каналом 10 патрубка подачи топливного газа 11, выполненного с соединительной резьбой 12 для соединения с топливоподающим трубопроводом. Распределительный канал 9 выполнен тороидальной формы. Форкамерное инжекционное устройство выполнено в виде монолитной цельной конструкции из тугоплавкого и прочного материала с использованием аддитивных технологий. Технический результат - повышение надежности, эффективности смесеобразования и воспламенения, снижение вреда окружающей среде, а также расширение арсенала технических средств в области конвертации двигателей внутреннего сгорания. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Форкамерное инжекционное устройство, характеризующееся тем, что содержит корпус с центральной полостью с установочной резьбой для свечи зажигания, форкамеру с инжекционными отверстиями для подачи топливного газа, сообщающуюся с сопловым наконечником, расположенные в стенке корпуса продольные газоподводящие каналы к инжекционным отверстиям, сообщающиеся через выполненный в верхней части корпуса распределительный канал с патрубком подачи топливного газа, причем продольные газоподводящие каналы выполнены с дугообразным поперечным сечением, а корпус с выполненными в нем форкамерой, продольными газоподводящими каналами и распределительным каналом, патрубок подачи топливного газа и сопловой наконечник выполнены в виде монолитной цельной конструкции из тугоплавкого и прочного материала с использованием аддитивных технологий.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что форкамера выполнена цилиндрической формы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что распределительный канал выполнен тороидальной формы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что патрубок подачи топливного газа выполнен с соединительной резьбой для топливоподающего трубопровода.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сопловой наконечник выполнен с перепускным каналом, состоящим из верхней конфузорной части и нижней диффузорной части.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено установочными проушинами.