Способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1993 года по МПК F02B19/10 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, т.е. к классу многотопливных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) двухкамерного исполнения с электроискровым способом воспламенения форкамерного заряда.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов.

На фиг.1 изображен предлагаемый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), поперечный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1 с местным разрезом (вырывом) с основной полостью камеры сгорания а) -образного профиля в плане; на фиг.З - вариант с тем же профилем камеры в плане в сочетании с другим конструктивным исполнением соплового отверстия; на фиг.4 - другой вариант устройства, т.е. сочетание камеры сгора-1 ния цилиндрической формы в плане с иным конструктивным исполнением соплового отверстия (канала).

Двигатель включает цилиндр 1 с поршнем 2 и кольцами, цилиндровую головку 3 с размещёнными в ней основной 4 И дополнительной 5 (например, типа форкамеры) полостью и сообщающихся между собой посредством составленного из ряда конструктивных элементов соединительного канала. Составной соединительный канал включает в себя размещенные на общей продольной оси, т.е. соосно последовательно два участка канала разного поперечного сечения, т.е. меньшего 6, примыкающего к форкямере, большего поперечного сечения 7 во внутреннем сопряжении которых

о°

о ел ю со

уширяющий конструктивный элемент (полость) 8, выполненный, например в виде цилиндрического углубления с осью, перпендикулярной оси соединительного канала. Распылитель 9-форсунки 10 расположен соосно уширительной полости. Таким образом общая продольная ось симметрии последних перпендикулярна продольной оси остальных конструктивных элементов соединительного канала. Канал 7 большего поперечного сечения со стороны основной полости 4 камеры сгорания сопряжен с сопловым отверстием 11, которое (сопло) выполнено плоским и расширяющимся в направлении основной полости 4 сопряженной с ней большим поперечным сечением точнее, соединительный канал большего поперечного сечения 7 в зоне сопряжения с основной полостью 4 камера сгорания переходит в плоское расширяющееся сопло 11. В форкамерной полости 5 установлена свеча зажигания 12 и герметизирована пробкой,13. Основная полость 4 камеры сгорания ограничена меньшим 14 и большим 15 вытеснителями. На.фмг.1-3 последний выполнен со -образного профиля в плане. В основной 4 полости камеры сгорания установлены впускной 16 и выпускной 17 клапаны. Как изображено на фиг.З, в сопловом канале 11 может устанавливаться рассекатель 18.

Работает двигатель следующим образом.. : .

При перемещении поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) на такте впуска в цилиндр 1 двигателя через открытый впускной клапан 16 за счет образующегося разрежения, поступает свежий заряд (атмосферный воздух), заполняя надпоршневое пространство, т.е. основную полость 4 камеры сгорания. .Окончание такта впуска регламентируется как обычно фазой наполнения. В конце этой фазы впускной клапан 16 закрывается.

При дальнейшем перемещении поршня 2 от НМТ к ВМТ и закрытых клапанах в цилиндре 1 начинается такт сжатия. В основной полости 4 камеры сгорания как обычно возникает круговое вытеснительное вихреобразо- вание, как это показано на фиг.1. Одновременно с этим последовательно через составной соединительный канал, включающий сопловой 11 канал, канал 7 большего поперечного сечения уширяющую полость 8 и канал меньшего сечения б под воздейст- вием мёжкамёрного перепада давлений происходит переток части цилиндрового заряда из основной 4 в дополнительную 5 (форкамерную) полость камеры сгорания.

Вблизи ВМТ, т.е. в фазе топливоотдачи, посредством топливного насоса высокого давления (на чертеже неуказан) через форсунку 10 (как это показано на фиг.1) и распылитель 9 впрыскивается топливо в уширенную полость 8 системы соединительного канала.

В процессе топливоподачи происходит разделение цикловой дозы топлива в соответствии с наличием воздушного заряда в полостях камеры сгорания в момент подачи электроискрового разряда с учётом продолжающейся топливоподачи в период задержки воспламенения.

Это разделение осуществляется за счёт того, что в процессе межкамерного перетока заряда в начальной фазе топливоподачи энергией перетока в форкамерную полость 5 уносится мелкодисперсная фаза, т.е. оболомка топливного факела. Крупнодисперсная (с большим диаметром капелек) фаза ядра Топливного факела осаждается на стенках конструктивных элементов соединительного канала. Точнее, за счет местного

понижения скорости перетока в канале ступенчатого сечения и в особенности в уширенном конструктивном элементе капельки топлива, достигающие стенок последнего, осаждаются на них в виде тонкой пленки.

После начала топливоподачи через рт.п. - 5-7° п.к.в,, т.е. при достижении состава смеси в форкамерной полости 5 щ, 1,8-1,6 на электроды свечи зажигания 12 подается высоковольтное напряжение. После чего в

ней получают развитие.предпламенные реакции.

Благодаря болёе.Бысокой на 150-2QO°C температуре в форкамерной полости 5 по отношению к температуре цилиндрового заряда сокращается по отношению к однока- мерным модификациям задержки воспламенения и составляет, например, для ° дизтоплива рз - 3-5° п.к.в.,

За период задержки воспламенения со- става форкамерного заряда несколько обогащается, достигая аф 1,3-1,1, что в связи с высоким уровнем гомогенизации и повышенной температурой заряда благоприятствует стабилизации развития как форкаМерной,

так и в основной пблости сгорания при дальнейшем его развитии. .

Выгорающий в ускоренном темпе заряд создает в форкамерной полости 5 прогрессирующее повышение давления, вызываю- щего соответственный обратный переток пламенных газов из последней в основную полость 4 камеры сгорания,

Благодаря высокой энергии обратного перетока в сочетании с высокой температурой пламенных газов в процессе продолжающейся топливоподачи, топливо мгновенно перегодит в парофазное состояние с завершившимися предпламенными реакциями. В начальной фазе обратного перетока испаряется также и часть гаряда, осажденного на стенкеуширительного конструктивного элемента. Суммируясь с ним и смешиваясь в таком активизированном состоянии с воз- душным зарядом основной полости 4, топливо в ней также мгновенно воспламеняется и интенсивно выгорает по мере дальнейшего поступления.

Наложение ускоряющейся поуглу пово- рота коленвала топливоподачи на прогрессирующее выгорание заряда форкамериой полости 5 с соответственным темпом ускорения обратного перетока, а следовательно, и турбулизации в основной полости 4 обес- печивает наряду с интенсивным протеканием С1 :есеобразовательных процессов также и быстрое догорание заряда в этой полости вблизи от ВМТ на такте расширения с соответственным улучшением показателей эф- фективности рабочего цикла.

После окончания процессов сгорания и расширения открывается выпускной клапан 17 и цилиндр двигателя 1 очищается при движении поршня от НМТ к ВМТ от отрабо- тавших газов. Рабочий цикл замыкается и периодически повторяется.

Для обеспечения эффективности работы двигателя на различных топливах, скоростных и нагрузочных режимах с учетом других конструктивных и эксплуатационных факторов с помощью соответственных конструктивных элементов и автоматов, угол опережения начала топливоподачи изменяется в интервале #впр. 24-18°п.к.в.. Внут- ри этого интервала изменяется угол опережения зажигания..

Традиционными методами обеспечивается также взаимное согласование характеристик автоматов опережения впрыска и зажигания, что обеспечивает нужное фазирование протекания процесса сгорания и эффективную работу на всем интерпале эксплуатационных режимов.

Для обеспечения наиболее эффектна- ного протекания процессов смесеобразования и сгорания, бездымной работы на всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя и всех видах жидких топлив (бензина,керосина,дизтопливои другие их виды и смеси) относительный объем форка- мерной полости (может также выполняться

Vk

в виде вихрекамеры) а - выбирается в пределах а 0,05-0.85.

Меньшее сечение соединительного канала 6 в см обеспечивающее нужный уровень дисперсности для всех сортов топлива в процессе межкамерного перетока на такте сжатия вычисляется по соотношению

f I

1 / /Ш + 5UЈ

см

(1)

где F - площадь поршня, см2; Cm - средняя скорость поршня, м/с; ,,5-0,8 - коэффициент истечения сопла; Ј - степень сжатия. Аналогично, поперечное сечение h большего канала 7 в см2, обеспечивающее надлежащий уровень смесеобразования при обратном перетоке пламенных газов в цилиндровую 4 полость камеры сгорания рассчитывается из соотношения

0.027Vn-Ј-a ;-n te -1)2

см

(2)

где Vn.- литраж двигателя, дм ; п - частота вращения коленвала на мощностном номинале, мин .

Попутно заметим, что как показывают результаты экспериментальных исследований, при выполнении соединительного канала постоянного поперечного сечения, даже при наличии плоского расширяющегося сопла, в связи с отсутствием разделения впрыскиваемой в начальной фазе впрыска доли цикловой дозы топлива, вследствие переобогащения форкамерного заряда мощно- стный номинал ДВС обычно не превышает 50-60% NeH от показателей аналога серийного исполнения.

Верхний предел отношения l/d, т.е. длины канала к его диаметру ограничивается приемлемыми габаритными размерами цилиндровой головки. Нижний предел - условиями смесеобразования. Для канала 6 меньшего сечения /с1 0.5-5,Ои l/d 1,0-10 соответственно, для канала 7 большего поперечного сечения.

В связи со скоротечностью протекания процесса сгорания и медлительностью процесса гомогенизации на диффузионной основе во всех конструктивных вариантах гомогенизации (равномерное распределение топлива в воздушном заряде) базируется на принципе организованного вихреобразова- ния при взаимном согласовании форм и размеров соплового канала с соответственными конструктивными элементами большего 15 вытеенителя в плане,

С учетом этого в конструктивных вариантах, изображенных на фиг,2 и 3 раствор плоского соплового отверстия 11 в сочетании с сопряженным а) -образным профилем большего вытеснителя 15 в плане, точнее продолжение образующих этого соплового отверстия должно включать (отсекать) в сумме не менее (0,,-5) Оц - длины диамет- рального сечения окружности (образующей) цилиндра 1 двигателя.

В конструктивном варианте, изображенном на фиг.З, гомогенизация заряда обеспечивается созданием идентичного вихревого движения, но с противоположным направлением вращательного движе- нил, достигаемого установкой в сопловом канале рассекателя 18.

При сохранении традиционной (цилин- дрической) формы камеры сгорания, т.е. при отсутствии выступа на большем вытесните- ле 15 в растворе плоского расширяющегося соплового канала 11, как это показано на фиг.4, для достижения должной меры гомо- генизации заряда раствор соплового канала 11 в месте пересечения с диаметральным сечением цилиндра должен включать (отсекать) по меньшей мере (0.75-1,0) Оц.

Такое устройство конструктивных эле- ментов камеры сгорания обеспечивает не только высокий уровень гомогенизации заряда в ее основной полости А, но также и более полное выжигание этого заряда как по отношению к аналогам, так и прототипу,

Камера сгорания может выполняться также и с другими вариантами сочетания (комбинаций) вышеописанных конструктивных элементов. При этом следует соблюдать условие, чтобы по возможности за полный проход (поворот) вихря пламенных газов, выбрасываемых из форкамерной полости, полностью сметалась (перекрывалась) площадь проекции основной камеры сгорания в плане.

Уширенная полость 8 может выполняться с большим разнообразием конструктивных форм. Однако из условия технологичности, как пример конструктивного исполнения, ей придана форма в виде цилиндрического уг- лубления под распылителем 9 форсунки 10.

Диаметр уширительного (промежуточной емкости) конструктивного элемента 8 выбирают в интервале (1,05-2,5) dg , т.е. большего диаметра 7 соединительного ка- нала, глубина h dg .

При правильном выборе вышеописанных определяющих характеристик конструктивных элементов двигателя обеспечивается бездымная эффективная работа двигателя при затяжке пружины форсунки Рф 0,2-0,5 МН (Рф 2,0-5,0) кГс/см . При этом представляется возможным применять наиболее простые, следовательно и дешевые форсунки

простейших типов - штифтовые и даже открытые, При столь низком уровне давления топливоподачи, насос высокого давления, форсунки работают в очень облегченном режиме и поэтому гарантирует резкое увеличение моторесурса топливоподающей аппаратуры. В этом конструктивном варианте топливный насос выполняет практически лишь функции распределения топлива по цилиндрам и его дозирования в соотве- ствии с эксплуатационным режимом.

В связи с тем, что уровень дисперсности является одним из основных факторов, оказывающих влияние на закон разделения цикловой дозы, подбором уровня затяжки пружины Рф форсунки, хотя и в узком режиме представляется возможным в определенной мере (в пределах 3-5%) воздействовать на эффективные показатели работы двигателя в направлении увеличения мощности номинала ANeH, либо трпливоэкономических показателей Дде.

Вследствие преобладающего влияния пневматической составляющей в процессе распыливания топлива достигается более высокий уровень дисперсности и гомогенизации в полостях камеры сгорания по отношению к традиционным схемам смесеобразования. Оба эти смесеобразующие факторы стимулируют резкое снижение выбросов токсичных компонентов СО и СН с отработавшими газами двигателя.

Смещение сгорания основной массы,.заряда основной полости 4 к заключительным его фазам в сочетании с кратковременностью высокотемпературного воздействия обеспечивают соответственно снижение уровня выбросов,наиболее токсичного компонента NOx с отработавшими газами двигателя. .

Благодаря высокой эффективности подготовительных процессов в смесеобразую- щей системе форкамера - составной соединительный канал, обеспечивающий газификацию топливного заряда перед поступлением в основную 4 полость в сочетании с управляемым высокотурбулентным процессом гомогенизации обеспечивается приближение на мощностном номинале составов заряда в полостях камеры сгорания,близкихк стехиометрическому соотношению, т.е. а 1,0 полностью исключая дымный выхлоп, что стимулирует вместе с повышением частоты вращения ДВС уровня метровой-мощности.

Интенсивное протекание испарительных. ивоспламенительных процессе:---., устранение эффекта накопления топлива в основной 4 полости за период задержи по р-лм нения

повышает меру управляемости процессом тепловыделения и величиной нарастания,

ДР

давления -д- практически законом топливоподачи, регламентируемым профилем кулачка топливного насоса высокого давления на всех видах жидкого топлива, что стимулирует также заметное повышение моторесурса двигателя.

Слабая зависимость от температурного режима заряда в конце сжатия и начальных стадиях воспламенения топлива в сочетании с высоким уровнем управляемости процесса сгорания, обеспечивающим мягкую бездетонационную работу двигателя позволяет с наибольшей эффективностью сжигать все виды жидких топлив при оптимальных с термодинамической точки зрения степенях сжатия в интервале е 11-16 независимости от размерности двигателя, что недостижимо в ДВС с традиционными способами смесеобразования.

Благодаря работе двигателя на всем нагрузочном интервале при а Ц 1,0 представляется возможным также достичь экстремально малых выбросов токсичных компонентов NOX, СН и СО, также и за счет введения рециркуляции отработавших газов при том без падения эффективных показателей работы двигателя.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано как в ДВС автотранспортного типа, так и больших размерностей, например, тепловозной, морской в стационарном и транспортном исполнении, а также в поршневой автации.

Цикл экспериментальных исследований выполнялся на дизельном двигателе автотракторного типа воздушного охлаждения марки Д21М.

Формула изобретения 1. Способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр воздуха, сжатия воздуха в цилиндре с перепуском его части в форкамеру, впрыска топлива во время сжатия в соединительный канал с переносом его части перепускаемым воздухом в форкамеру и образованием в последней топливно-воздушной смеси, воспламенения смеси в форкамере от свечи

зажигания, выброса горящих газов из фор- камеры с переносом остальной части топлива в камеру сгорания, сгорания топлива, расширения продуктов сгорания и выпуска 5 отработавших газов, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов, топливо впрыскивают в уширительную полость соединительного канала, причем в

0 форкамеру перепускаемым воздухом переносят мелкодисперсную часть струи топлива, а крупнодисперсную часть струи осаждают на стенках уширительной полости в виде пленки, которую испаряют выбрасываемыми из

5 форкамеры горящими газами.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра, камеру сгорания, образованную го0 ловкой и днищем поршня, форкамеру, размещенную в головке, имеющую свечу зажигания и сообщенную с камерой сгорания при помощи соединительного канала, выполненного из соосных, последовательно соеди5 ненных между собой участка меньшего сечения, примыкающего к форкамере, уширительной полости, участка большего сечения и расширяющегося сопла, примыкающего к камере сгорания, и топливную форсунку с рас0 пылителем, размещенным в соединительном канале, отличающийся тем, что, с целью повышения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов, распылитель форсунки расположен в уши5 рительной полости соединительного канала, головка выполнена с большим и малым вытеснителями, ограничивающими камеру сгорания, а расширяющееся сопло выполнено плоским.

03. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что уширительная полость выполнена цилиндрической с осью, перпендикулярной оси соединительного канала, з форсунка с распылителем расположены соосно с уши5 рительной полостью.

4. Двигатель по пп.2 и 3, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что большой вытеснитель выполнен с ш-образным выступом, направленным в сторону расширяющегося сопла.

0 5. Двигатель, по пп,2-4,отл и ч а ющий- с я тем, что сопло снабжено рассекателем.

Фиг

ФигЗ

Сущность изобретения: топливо впрыскивают в уширительную полость соединительного канала, причем в форкамеру перепускаемым воздухом переносят мелкодисперсную часть струи топлива, а крупнодисперсную часть струи осаждают на стенках уширительной полости в виде пленки, которую испаряют выбрасываемыми из форкамеры горящими газами. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 4 ил. СО