ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРЕДКАМЕРОЙ В ПОРШНЕ Российский патент 2024 года по МПК F02B19/04 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, снабженным камерой предварительного горения.

Известен способ работы (см. книгу Теория быстроходного двигателя с самовоспламенением, Т.М. Мелькумов, - М., Издательство оборонной промышленности, 1933 г., стр. 281-285) предкамерного 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 (предкамеру), оборудованную форсункой, подачи всего топлива в предкамеру, 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 предкамеры в основную камеру сгорания, в которой обеспечивается перемешивание этой смеси с воздухом, и основное сгорание оставшегося топлива, расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов.

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

Известен также предкамерный-двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с двумя камерами сгорания (Патент SU 769041), имеющий соединение объема основной камеры сгорания с предкамерой через цилиндрическую горловину с направляющими пазами, периодически перекрываемую имеющимся на поршне вытеснителем в период движения поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), при этом стенка горловины образует с вытеснителем кольцевой зазор. Объем основной камеры в таком двигателе состоит из объема между головкой цилиндра и поршнем и объема камеры сгорания в поршне. В этом двигателе после выхода вытеснителя из горловины обеспечивается более свободный переток смеси продуктов сгорания и несгоревшего топлива из предкамеры в основную камеру сгорания. Однако, необходимость обеспечения равномерного распределения и перемешивания этой смеси 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. Также, поскольку в предкамеру подается все топливо и только часть воздуха, необходимого для полного и эффективного сгорания этого топлива, а вторая часть воздуха остается в камере сгорания поршня, то это отрицательно сказывается на первоначальном воспламенении и горении в форкамере, ухудшая топливную экономичность. Кроме того, наличие двух камер сгорания, расположенных в головке двигателя и в поршне, способствует снижению доли эффективно используемого тепла на совершение работы за счет теплоотвода в обе камеры.

Целью изобретения является конструкция двигателя внутреннего сгорания с предкамерным смесеобразованием, позволяющая улучшить топливную экономичность в результате эффективного использования тепла от сгорания топлива за счет улучшения воспламенения и горения, изменения интенсивности и продолжительности воздействия рабочего давления на площадь поршня, меньшего отвода тепла в головку двигателя.

Поставленная задача решается за счет использования общей камеры предварительного сгорания 1 состоящей из объема камеры сгорания непосредственно в поршне 2 и объема специального установленного в головке 3 двигателя полого цилиндрического разделительного выступа 4, периодически разъединяющего при движении поршня надпоршневое пространство 5 и общую камеру предварительного сгорания (предкамеру). Такое размещение способствует увеличению доли эффективно используемого тепла на совершение работы за счет уменьшения теплоотвода в головку двигателя. Кроме того, в зависимости от глубины захода в камеру сгорания в поршне разделительный выступ может позволить уменьшить прямое тепловое воздействие на поверхность тела поршня при горении топлива в объеме камеры предварительного сгорания и таким образом снизить теплоотвод и в поршень.

В таком двигателе на ходе сжатия плоским днищем поршня вытесняется в предкамеру сравнительно больше воздуха, необходимого для сгорания, чем в двигателе с двумя камерами сгорания. Вытеснение идет сначала свободно через открытую цилиндрическую горловину 6 предкамеры, а с момента входа разделительного выступа в горловину - уже только через узкий кольцевой зазор 7, находящийся между цилиндрическими поверхностями разделительного выступа и горловины. За несколько градусов поворота коленчатого вала (ПКВ) до ВМТ после входа разделительного выступа в горловину топливо впрыскивается в предкамеру распылителем форсунки 8.

Поскольку в предкамеру вытеснен воздух, турбулизированный прохождением через узкий кольцевой зазор в сравнительно большем количестве, чем при наличии двух камер сгорания, расположенных в головке двигателя и в поршне, это положительно сказывается на первоначальном воспламенении и способствует более полному и эффективному сгоранию. В результате, давление в предкамере возрастает, превышая давление в цилиндре. Узкий кольцевой зазор за счет сопротивления снижает неблагоприятное резкое увеличение и абсолютную величину действия давления на всю надпоршневую площадь после воспламенения топлива, что способствует уменьшению доли неэффективной работы воздействия давления от сгорания при движении поршня к ВМТ.

Поршень, после достижения ВМТ, под действием давления сгорания начинает совершать рабочий ход, образуя под головкой цилиндра рост объема 5 надпоршневого пространства, являющегося основной камерой сгорания. Этот объем по мере увеличения в период выхода разделительного выступа из горловины постепенно и равномерно через кольцевой зазор заполняется уже перемешанным горящим составом из форкамеры. По мере удаления поршня от ВМТ постепенный выход разделительного выступа 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 предкамеры в основную камеру сгорания. Динамика увеличения интенсивности и продолжительность воздействия давления на основную площадь поршня в этот период обеспечивается сочетанием глубины захода разделительного выступа в горловину предкамеры и площади кольцевого зазора.

После выхода разделительного выступа из горловины происходит интенсифицированный беспрепятственный переток содержимого предкамеры в надпоршневое пространство. Кроме того, в этот период на ходе расширения имеет место турбулизация 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). В совокупности это способствует обеспечению равномерного распределения и перемешивания содержимого предкамеры с остатками воздуха в основной камере без специальных затрат энергии и ускорению окончания сгорания. Помимо того, в это период происходит увеличение полезного воздействия давления, интенсивно уравненного по всей надпоршневой площади в значимый для совершения полезной работы период рабочего хода. Все это способствует улучшению топливной экономичности

В таком двигателе с этим способом работы оптимальные соотношения площади кольцевого зазора и фазы перекрытия горловины предкамеры по углу ПКВ могут дополнительно улучшить топливную экономичность.

На представленной фигуре изображен двигатель с предложенным способом работы.

Двигатель содержит цилиндр (не показан) с размещенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения поршнем 2, головку 3 цилиндра, основную камеру сгорания 5, с объемом, ограниченным плоским днищем поршня и головкой, предкамеру 1, выполненную внутри поршня 2. Предкамера имеет горловину 6, периодически перекрываемую разделительным выступом 4 при наличии между ним и горловиной кольцевого зазора 7, обеспечивающего необходимое сопротивление перетоку горящей смеси из форкамеры в основную камеру сгорания. Внутри разделительного выступа для подачи топлива в предкамеру находится распылитель форсунки 8.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Предкамерный двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия содержит предкамеру (1). Предкамера (1) состоит из объема камеры сгорания непосредственно в поршне (2) и объема специального установленного в головке двигателя полого цилиндрического разделительного выступа (4). Внутри разделительного выступа (4) находится распылитель (8) форсунки. Сообщение предкамеры (1) с надпоршневым пространством (5) осуществляется через горловину (6) предкамеры. Горловина (6) предкамеры при движении поршня (2) вблизи верхней мертвой точки и вытеснении в предкамеру необходимого для сгорания воздуха перекрывается разделительным выступом (4). Имеется узкий кольцевой зазор (7), образуемый цилиндрическими поверхностями выступа (4) и горловины (6) предкамеры. Кольцевой зазор (7) сообщает предкамеру (1) и надпоршневое пространство (5). Технический результат заключается в улучшении воспламенения и горения топлива. 1 ил.

Предкамерный двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, отличающийся тем, что предкамера состоит из объема камеры сгорания непосредственно в поршне и объема специального установленного в головке двигателя полого цилиндрического разделительного выступа, внутри которого находится распылитель форсунки, причем сообщение предкамеры с надпоршневым пространством осуществляется через горловину предкамеры, которая при движении поршня вблизи верхней мертвой точки и вытеснении в предкамеру необходимого для сгорания воздуха перекрывается этим выступом при наличии сообщающего предкамеру и надпоршневое пространство узкого кольцевого зазора, образуемого цилиндрическими поверхностями выступа и горловины предкамеры.