Способ зажигания топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Использование: в двигателестроении, а конкретно, в поршневых двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от электрической искры. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания имеет основную камеру сгорания 1 с рабочим цилиндром 2, поршень 3, камеру зажигания 4, выполненную симметрично относительно оси цилиндра 2, снабженную устройством зажигания 4 с кольцевым искровым зазором 6 и соединенную с основной камерой сгорания 1 двумя типами сопел, выполненными в виде газодинамических детекторов с противоположно ориентированной пропускной способностью. Центральное сопло 7 выполнено в виде сужающегося канала с плавным входом со стороны основной камеры сгорания 1 и цилиндра 2 и внезапно обрывающимся выходом с острыми кромками со стороны камеры зажигания 4. Периферийные сопла 8 также выполнены в виде сужающихся каналов, но имеющих плавные входы со стороны камеры зажигания 4 и внезапно обрывающиеся выходы с острыми кромками со стороны основной камеры сгорания 1. Оси периферийных сопел 8 камеры зажигания 4 ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливо-воздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания 1. Изобретение обеспечивает повышение надежности и эффективности при сжигании в нем топливо-воздушных, преимущественно, бедных смесей, и улучшение экономических и экологических характеристик. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, более конкретно, к поршневым двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от электрической искры, с улучшенными экономическими и экологическими характеристиками и используемыми, прежде всего, на автомобильном транспорте.

Одним из методов повышения экономичности и одновременно экологичности поршневых двигателей с искровым зажиганием является применение бедных горючих смесей.

Так, переход на бедные смеси с коэффициентами избытка воздуха α 1,05-1,10 позволит получить наименьшие удельные расходы топлива двигателя (Масленников М.М. Рапипорт М.С. Авиационные поршневые двигатели, Оборонгиз. 1951, с. 146).

Обеднение топливо-воздушной смеси до a 1,15 приводит к снижению до минимума содержания в выхлопных газах вредных, выбрасываемых в атмосферу, загрязняющих веществ продуктов частичного разложения и неполного сгорания топлива и окислов азота (Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина. М.Г. Круглова. М. Машиностроение. 1983, с. 141).

Однако работа поршневого двигателя с обычным искровым зажиганием, когда свеча расположена в головке камеры сгорания цилиндра двигателя, на бедных смесях затруднена из-за затяжного и нестабильного горения бедных смесей. Двигатель работает неустойчиво, перегревается, а иногда возникает детонация.

Одним из наиболее рациональных путей обеспечения устойчивой работы двигателя на бедных смесях является переход от искрового зажигания к форкамерно-факельному зажиганию, разработанному еще в конце 30-х годов А.С. Соколиком, А.Н. Воиновым, Л.А. Гуссаком (А.Н. Воинов. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях М. Маш. 1977, с. 254).

Применение такой системы зажигания дает возможность получать за счет своевременного и полного сжигания бедных смесей вблизи ВМТ высокую экономичность и значительный антидетонационный эффект, составляющий 8-10 пунктов верхней части октановой шкалы (Исследование факельной системы зажигания применительно к авиационным двигателям под ред. С.В. Румянцева. Труды КАИ, вып. 39. М. Изд. обор. пром. 1958).

Запальный факел, обладающий достаточной пробивной и поджигающей способностью, создается в специальной форкамере (камере зажигания), расположенной в головке цилиндра отдельно от основной камеры сгорания, путем поджигания поданной в форкамеру горючий смеси, расположенной здесь электрической свечей, и выброса горящей смеси через специальное факельное сопло в основную камеру сгорания.

Наполнение форкамеры горячей смесью производят через отдельные впускные клапаны форкамеры с механическим или пневматическим приводом (например, Исследование факельной системы зажигания применительно к авиационным двигателям. Под ред. С.В. Румянцева. Труды КАИ, вып. 39, 1958).

Однако конструктивное оформление системы наполнения форкамеры с такими приводами получается сложным.

Другой путь наполнение форкамеры (камеры зажигания) горячей смесью производят через одно или чаще несколько факельных каналов, соединяющих форкамеру (камеру зажигания) с основной камерой сгорания двигателя (например, авт. св. СССР N 1151699, патент ФРГ заявка N 3300945, патент США N 4465031, N 4509476).

Конструктивно это наиболее простое решение.

Однако использование одних и тех же каналов, соединяющих форкамеру с основной камерой сгорания и для наполнения форкамеры горючей смесью, и для формирования в форкамере структуры течения, благоприятной для образования начального очага горения, и, для создания достаточно мощного, определенной конфигурации поджигающего факела, и для последующей очистки форкамеры от остаточных газов представляет собой сложную газодинамическую проблему, неразрешимую без проведения специальных мероприятий. (Очевидно, этим можно объяснить неудачи создания ДВС с форкамерной системой зажигания, питаемой через цилиндрические соединительные каналы от основной камеры, а также неудачные попытки замены свечой в ДВС ввертными форкамерами со свечами зажигания).

К таким мероприятиям следует отнести изменение расположения и размеров соединительных каналов в стенке между основной камерой сгорания и форкамерой.

В способе и системе зажигания бедной топливо-воздушной горючей смеси (патент США N 4442807), принятом за прототип, осесимметричное воспламенительная форкамера (камера зажигания), выполненная в виде двух цилиндрических объемов, разделенных кольцевым искровым промежутком, образованным центрально-расположенным электродом и корпусом форкамеры, сообщается с основной камерой сгорания ДВС через систему каналов, включающих центральных канал большого диаметра и несколько симметрично расположенных периферийных каналов меньшего диаметра.

Ось центрального канала направлена по оси форкамеры, оси периферийных каналов, направлены по касательным к внутренней цилиндрической поверхности форкамеры.

Такое конструктивное оформление обеспечивает достаточно хорошее наполнение форкамеры горючей смесью, перетекающей в такте сжатия из основной камеры сгорания в форкамеру, и благоприятные условия воспламенения смеси электрической искрой в конце такта сжатия.

В техническом решении, принятым за прототип, внимание сосредоточено на создании условий формирования первоначального очага горения в форкамере (камере зажигания), что необходимо, но недостаточно для реализации эффективного сжигания топливо-воздушных, преимущественно бедных, смесей в ДВС при форкамерно-факельном зажигании.

Дополнительно к образованию первоначального пламени в форкамере нужно сформировать и выбросить через те же каналы в основную камеру сгорания воспламеняющей факел такой формы и дальнобойности, который бы обеспечил быстрое воспламенение и полное сгорание горючей смеси в основном камере вблизи ВМТ, Но принятая в прототипе, судя по чертежу, цилиндрическая форма каналов в стенке между форкамерой и основной камерой сгорания, подобных по размерам и направлению для наилучшего наполнения, надежного воспламенения и стабилизации горения в форкамере, не обеспечивает одновременно также хорошую другую, не менее важную сторону процесса в двигателе надежное воспламенение поджигающим факелом горячей смеси в основной камере сгорания двигателя и полное выгорание заряда.

Существенный недостаток прототипа состоит также в том, что все соединительные каналы между форкамерой и основной камерой сгорания участвуют в выполнении всего комплекса процессов форкамерно-факельного зажигания, повторяющихся в каждом цикле двигателя: очистка форкамеры от остаточных газов в такте наполнения цилиндра двигателя горючей смесью, наполнение форкамеры горючей смесью из цилиндра в такте сжатия выброс горячего факела в основную камеру сгорания в начале такта расширения заполнение форкамеры продуктами сгорания и продувка в такте выхлопа.

При этом в каждом канале газовый поток изменяет направление движения от максимума скорости в одном направлении до максимума скорости в другом, противоположном, направлении с частотой до 100 и более раз в секунду, что с учетом инерции движущегося газа и небольших размеров каналов, вообще, мало реально.

Выполнение всех процедур каждым каналом не способствует эффективной работе форкамерно-факельной системы зажигания ДВС в целом.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением повышение надежности и эффективности форкамерно-факельной системы зажигания двигателя внутреннего сгорания при сжигании в нем топливо-воздушных, преимущественно, бедных смесей.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе зажигания топливо-воздушных (преимущественно бедных) смесей, в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и с камерой зажигания, включающем ввод в такт сжатие в камеру зажигания топливо-воздушной смеси из основной камеры сгорания, зажигание топливо-воздушной смеси, выброс горящего факела в основную камеру сгорания в начале такта расширения, ввод в камеру зажигания топливо-воздушной смеси из основной камеры сгорания осуществляются по ее центральной оси через газодинамические детекторы с направленной пропускной способностью (по меньшей мере, один) в сторону камеры зажигания, а выброс горящих струй из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по ее периферии через газодинамические детекторы с направленной пропускной способностью в сторону основной камеры сгорания.

При этом воспламеняющие струи направляют на условную окружность центра масс заряда для заданного объема основной камеры сгорания, воспламенение смеси и распространение пламени от которой по объему основной камеры сгорания протекает с минимальным временем горения, а, следовательно, максимальной полнотой.

В двигателе внутреннего сгорания для осуществления способа, содержащем основную камеру сгорания с рабочим цилиндром, впускным и выпускным клапанами и камерой зажигания, выполненной симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания с кольцевым искровым промежутком и сообщенную с основной камерой сгорания соединительными каналами центральным большего диаметра и периферийными меньшего диаметра, центральный канал выполнен в виде сопла с плавно закругленными кромками со стороны основной камеры сгорания, сужающегося по направлению камеры зажигания и острыми кромками на выходе со стороны камеры зажигания, периферийные каналы выполнены в виде сопел с плавно закругленными кромками со стороны камеры зажигания, сужающимися в сторону основной камеры сгорания и острыми выходными кромками со стороны основной камеры сгорания. Оси периферийных сопел пространственно ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливо-воздушного заряда, занимающего заданный объем основной камеры сгорания.

В предлагаемом изобретении вводится новая "направленная", схема газообмена между форкамерой (камерой зажигания) и основной камерой сгорания двигателя.

Открытые с обоих концов соединительные каналы прототипа заменены на две группы специальных газодинамических детекторов, выполненных в виде сужающихся каналов с плавным входом и внезапно обрывающимся выходом с острыми выходными кромками. Такие каналы свободно пропускают газ в одном направлении и дросселируют (вплоть до практически полного перекрытия за счет срыва потока с острых выходных кромок) движение газа в противоположном направлении.

Через одну группу каналов центральную (по меньшей мере, один канал) в такте сжатия горючая смесь пульсациями поступает в форкамеру. Через другую группу каналов периферийную воспламененная смесь в начале такта расширения также пульсациями выбрасывается из форкамеры в основную камеры сгорания и поджигает смесь в ней. При этом формируется оптимальная форма поджигающего факела.

Газодинамические детекторы на впуске газов из форкамеры дают новые качества: увеличение проходных сечений каналов на входе и на выходе; при малых транзитах газа и соответственно малых размерах каналов это важно, так как увеличивается коэффициенты расхода, повышается пропускная способность каналов, быстрее стабилизируется течение в них; повышение коэффициента наполнения форкамеры за счет уменьшения гидравлических потерь и уменьшения подогрева смеси при установившемся пульсирующем наполнении через одни и те же впускные каналы; улучшение условий формирования и выброса поджигающих пульсирующих струй через одни и те же выпускные каналы с большими проходными сечениями для пропуска нагретых газов увеличенного объема; улучшение продувки форкамеры и очистки от остаточных газов за счет возникающего в форкамере кольцевого вихря.

В двигателе с форкамерно-факельным зажиганием форкамера (камера зажигания работает совместно с основной камерой сгорания в автоколебательном режиме, поддерживаемом движением поршня и усиленным подводом тепла в форкамере и основной камере сгорания двигателя.

Постановка газодинамических детекторов в разделительной стенке между форкамерой и основной камерой сгорания, имеющих векторное гидравлическое сопротивление при изменении направления движения газа, повышает стабильность и устойчивость работы системы.

Образно говоря, "дыхание" ("вдох" наполнение, и "выдох" выброс горящих струй) камеры зажигания становятся организованными, регулярными и полными, что повышает надежность работы двигателя, а своевременность зажигания и полнота сгорания бедных смесей повышает экономичность двигателя, улучшает его экологические характеристики.

На фиг. 1 представлен разрез двигателя внутреннего сгорания с камерой зажигания; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 процесс наполнения камеры зажигания топливо-воздушной смесью и образования вихревого течения в камере зажигания. на фиг. 4 процесс воспламенения смеси от свечи и истечение горящей смеси в основную камеру через периферийные сопла; на фиг. 5 схема истечения горящей смеси и создание периферийных факелов, образующих вращающийся вихрь, максимально охватывающий объем основной камеры сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) имеет основную камеру сгорания 1 с рабочим цилиндром 2, поршень 3, камеру зажигания 4, выполненную симметрично относительно оси цилиндра 2, снабженную устройством зажигания 4 с кольцевым искровым зазором 6 и соединенную с основной камерой сгорания 1 двумя типами сопел, выполненными в виде газодинамических детекторов с противоположно ориентированной пропускной способностью. Прохождение газа в одном направлении обеспечивается выполнением каналов сужающимися с плавным входом и внезапно обрывающимся выходом с острыми выходными кромками. Такой канал свободно пропускает газ в одном направлении и дросселирует (вплоть до практически полного перекрытия) за счет срыва потока с острых выходных кромок движение газа в противоположном направлении.

Центральное сопло 7 (по меньшей мере, одно) для наполнения камеры зажигания горючей смесью выполнено в виде сужающегося (в сторону камеры зажигания) канала с плавным входом со стороны основной камеры сгорания 1 и цилиндра 2 и внезапно обрывающимся выходом с острыми кромками со стороны камеры зажигания 4. Ось сопла 7 направлена по оси камеры зажигания 4.

Периферийные сопла 8 (по меньшей мере, два) для создания поджигающих струй, также выполнены в виде сужающихся (по направлению к основной камере 1) каналов, но имеющих плавные входы со стороны камеры зажигания 4 и внезапно обрывающиеся выходы с острыми кромками со стороны основной камеры сгорания 1. Оси периферийных сопел 8 камеры зажигания 4 ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливо-воздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания 1.

Надежность функционирования в предлагаемом изобретении газодинамических дросселей-детекторов зависит от сохранности специальных конструктивных форм сопел и, прежде всего, острых кромок сопел в выходных сечениях, что обеспечивается применение для изготовления соплового блока (фиг. 1) камеры зажигания специальных жаростойких спекающихся материалов, а сам сопловой блок выполняется в виде вставки съемным.

Для удобства доводки, эксплуатации и осмотра камеры зажигания может быть выполнено также съемной (например, на резьбе).

Работает двигатель внутреннего сгорания следующим образом.

Наполнение основной камеры сгорания 1 происходит в такте наполнения при движении поршня 3 вниз, а наполнение камеры зажигания 4 смесью осуществляется в такте сжатия, когда поршень 3 движется вверх.

Основное количество топливо-воздушной смеси в камеру зажигания 4 поступает через центральное сопло 7 достаточно больших размеров с плавно профилированным входом (фиг. 3). Периферийные сопла 8, вследствие срыва потока с острых выходных кромок, выступающих в полость камеры сгорания, и образования срывных вихрей, практически запираются и смесь через них в камеру зажигания 4 не поступает. Такое конструктивное выполнение при достаточно больших размерах периферийных сопел 8, наоборот, способствует при наполнении вытеканию части газов из камеры зажигания 4 за счет выталкивания последних поступающей через центральное сопло 7 смесью Это улучшает очистку камеры зажигания 4 от остаточных газов.

В камере зажигания 4 формируется кольцевая структура течения с малой скоростью и низкой степенью турбулентности, благоприятная для воспламенения искрой в кольцевом разрядном промежутке (фиг. 3).

После воспламенения смеси и формирования начального очага горения вблизи верхней мертвой точки поршня 3 (фиг. 4) давления газов в камере зажигания 4 становится выше давления сжатой смеси в основном камере сгорания.

Горящие газы из камеры зажигания 4 устремляются в основную камеру сгорания 1 через периферийные сопла 8 (фиг. 5). Вследствие срыва потока с выходных кромок центрального сопла 7, оно практически запирается. Поэтому основная масса горящих газов из камеры зажигания 4 в основную камеру сгорания выбрасывается через плавно сужающиеся периферийные сопла 8, равномерно расположенные по периферии днища камеры зажигания 4.

Топливо-воздушный заряд в основной камере сгорания при положении поршня 3 вблизи ВМТ можно условно представить сосредоточеннным на некоторой "окружности масс", воспламенение смеси и распространение пламени от которой по объему камеры сгорания протекает с минимальным временем горения, а следовательно, максимальной полнотой. Оси периферийных сопел наклонены в одну сторону под одинаковыми углами к плотности днища поршня.

Вытекающие из сопла горящие струи образуют систему пространственно ориентированных хордальных струй (фиг. 5). При передаче количества движения струй воспламеняющейся смеси в камере создается вращающийся относительно оси цилиндра 2 поджигающий вихревой факел (фиг. 5), ядро которого перемещается вдоль упомянутой "окружности масс" и обеспечивает быстрое сгорание смеси в камере. Такая конфигурация вращающегося поджигающегося факела позволяет также сохранять высокую полноту сгорания смеси на переменных режимах работы двигателя.

Таким образом, предлагаемое техническое решение решает задачу повышения надежности и эффективности системы зажигания ДВС при сжигании в нем топливо-воздушных (преимущественно бедных) горючих смесей за счет организации вихревого сечения в камере зажигания и создания в основной камере периферийных факелов, образующих вращающийся вихрь, максимально охватывающий объем основной камеры сгорания.

Формула изобретения

1. Способ зажигания топливовоздушной, преимущественно бедной, смеси в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и с камерой зажигания, включающий ввод в такт сжатия в камеру зажигания топливовоздушной смеси из основной камеры сгорания, зажигание топливовоздушной смеси, выброс горящего факела в основную камеру сгорания в начале такта расширения, отличающийся тем, что ввод топливовоздушной смеси из основной камеры сгорания в камеру зажигания осуществляют по ее центральной оси через газодинамические детекторы по меньшей мере один с направленной в сторону камеры зажигания пропускной способностью, а выброс горящего факела из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по ее периферии через газодинамические детекторы, по меньшей мере два с направленной пропускной способностью в сторону основной камеры сгорания, при этом горящие струи направляют на условную окружность центра масс для заданного объема основной камеры сгорания.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий основную камеру сгорания с рабочим цилиндром, камеру зажигания, выполненную симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания с кольцевым искровым промежутком и сообщенную с основной камерой сгорания соединительными каналами, центральным большего диаметра и периферийными меньшего диаметра, отличающийся тем, что центральный канал выполнен в виде сопла с плавно закругленными кромками со стороны основной камеры сгорания, сужающегося по направлению камеры зажигания и острыми кромками на выходе со стороны камеры зажигания, периферийные каналы выполнены в виде сопл с плавно закругленными кромками со стороны камеры зажигания, сужающимися в сторону основной камеры сгорания и острыми выходными кромками со стороны основной камеры сгорания, оси периферийных сопл ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливовоздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5