Способ смесеобразования, воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания на газообразном топливе и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к двигателестроению, более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, работающим на газообразном топливе (природном газе) и используемым прежде всего на автомобильном транспорте. Двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) имеет основную камеру сгорания 1 с рабочим цилиндром 2 и поршнем 3, камеру зажигания 4, выполненную симметрично относительно оси цилиндра 2, снабженную устройством зажигания 5 с кольцевым искровым зазором 6 и соединенную с основной камерой сгорания 1 двумя системами каналов: сужающе-расширяющемся каналом 7 и дополнительными каналами 8 (по меньшей мере двумя), сообщающими цилиндрическое углубление по периферии головки цилиндра 11 с частью камеры зажигания у кольцевого искрового зазора. Оси отверстий 9 каналов 8 на входе в камеру зажигания 4 ориентированы по касательной к внутренней поверхности, а выходные сопла 10 выполнены сужающимися с острыми выходными кромками. В дополнительных каналах 8 для обогащения отобранной из цилиндра смеси и дополнительно сжимаемой в цилиндрическом углублении головки 11 цилиндрическим выступом поршня 12 установлены форсунки 13 и 14 для подачи газообразного и/или жидкого топлива. Торцевая поверхность 15 головки цилиндра 11 по периферии выполнена плоской. Торцевая поверхность 16 поршня выполнена плоской по периферии и вогнутой в центре. Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении интенсивности и полноты сгорания топлива и, вследствие этого, повышении экономичности и улучшении экологических характеристик двигателя. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, работающим на газообразном топливе (природном газе) и используемым прежде всего на автомобильном транспорте.

Перевод двигателей внутреннего сгорания на газообразное топливо является частью большой народно-хозяйственной проблемы перевода энергосиловых установок страны с жидкого на газообразное топливо и диктуется как экологическими, так и экономическими соображениями.

Однако использование в качестве ДВС сжатого природного газа, состоящего в основном из метана, создает ряд трудностей в организации воспламенения и горения газовоздушных смесей, обусловленных высокими температурами воспламенения и низкими скоростями горения метановоздушных смесей.

По этой причине вместо искрового зажигания в ДВС на газообразном топливе целесообразно применять более мощное факельное зажигание, обеспечивающее воспламенение горючей смеси практически одновременно по всему объему камеры сгорания. При этом поджигающий факел формируется при оптимальных составах смеси.

Известны способы и устройства форкамерно-факельного воспламенения топливовоздушных (преимущественно бедных) смесей в ДВС, в которых наполнение форкамеры (камеры зажигания) горючей смеси и выброс поджигающего факела производится через факельные каналы в стенке, разделяющей камеру зажигания и основную камеру сгорания двигателя (см., например а.с. СССР N 1151699, патенты США N 4442807, N 4513708, патент СССР N 1181558).

Указанные способы и устройства не позволяют создавать в камерах зажигания составы смеси оптимальные (например, более богатые), отличающиеся от состава смеси в цилиндре и основной камеры сгорания двигателя, и, следовательно, не обеспечивающие эффективного поджигания смеси.

Известен способ и устройство для его осуществления (патент РФ N 2099550, МКИ F 02 B 19/18, опубликованный 20.12.97), принятый за прототип, в котором наряду с вводом в камеру зажигания топливовоздушной смеси бедного состава из основной камеры сгорания ДВС для повышения химической активности поджигающего факела дополнительно подают в камеру зажигания через систему каналов обогащенную смесь, формирующуюся у стенок цилиндров двигателя за счет попадания на них неиспарившихся капель жидкого топлива. При переходе с жидкого на газообразное топливо в ДВС, так как газ не оседает на стенках цилиндра - указанная система обогащения смеси не реализуется, и поэтому не обеспечивается эффективное поджигание смеси. Необходима специальная система обогащения дополнительно подаваемой в камеру зажигания смеси.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении интенсивности и полноты сгорания топлива и, вследствие этого, повышении экономичности и улучшении экологических характеристик двигателя.

Способ смесеобразования, воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания на газообразном топливе, содержащем основную камеру сгорания и камеру зажигания, включает ввод в тактах наполнения и сжатия топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания и камеру зажигания, воспламенение ее в камере зажигания, выброс горящего факела в начале такта расширения в основную камеру сгорания. Новым является то, что в такте сжатия часть топливовоздушной смеси отбирают, дополнительно сжимают, подают в нее дополнительное количество газообразного и/или жидкого топлива и направляют в камеру зажигания в виде вращающегося вихря, после воспламенения факел перемещают по сужающе-расширяющемуся каналу и поджигают топливовоздушную смесь по всему объему основной камеры сгорания. Кроме того, при движении поршня в ВМТ топливовоздушную смесь, находящуюся на периферии цилиндра, вытесняют из кольцевого зазора в направлении к оси цилиндра, создают дополнительные восходящие вихри в сторону камеры зажигания.

В двигателе внутреннего сгорания для осуществления способа, содержащем основную камеру с рабочим цилиндром и поршнем, камеру зажигания, выполненную симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания. Новым является то, что поршень имеет по периферии цилиндрический выступ, а в головке цилиндра выполнено цилиндрическое углубление, в которое входит выступ поршня при движении в ВМТ и которое сообщено с камерой зажигания каналами, причем каналы снабжены газовыми и/или жидкостными форсунками, а камера зажигания сообщена с основной камерой посредством плавно сужающе-расширяющемся канала. Торцевая рабочая поверхность днища поршня внутри кольцевого цилиндрического выступа, выполнена плоской по периферии и вогнутой в центральной части, причем размер плоского участка поршня соответствует размеру плоского участка головки. Камера зажигания сообщена с основной камерой сгорания системой разнонаправленных газодинамических детекторов.

При реализации способа такое конструктивное выполнение поршня и головки двигателя внутреннего сгорания обеспечивает интенсивное и полное горение обедненной топливовоздушной смеси вблизи верхней мертвой точки поршня и достижение высоких экономических и экологических характеристик двигателя по двум направлениям воздействия на процесс горения: а) за счет "химической" интенсификации процесса горения; б) за счет "газодинамической" интенсификации процесса горения.

"Химическая" интенсификация сжигания бедных топливовоздушных смесей (горючих смесей природного газа с воздухом) с α = 1,1 - 1,3 достигается за счет создания расслоенного заряда. Смесь в камере зажигания обогащается до α = 0,5 - 0,7. При таких составах смеси после воспламенения от свечи в камере зажигания образуются сверхравновесные концентрации химически активных частиц (свободных атомов и радикалов), "химически" инициирующие воспламенение и интенсифицирующие горение основной части бедной смеси с α = 1,1 -1,3 в основной камере сгорания. (Открытие д.т.н. Гуссаком Л.А. явления высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой углеводородно-воздушной смеси за счет образования нестабильных активных свободных радикалов и атомов, - Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Московский рабочий, 1979 г.).

"Газодинамическая" интенсификация сжигания бедных газовоздушных смесей в ДВС достигается за счет создания двух вихрей: одного - в камере зажигания - горящего вихря - за счет дополнительного сжатия отобранной части смеси в камеру зажигания, подачи ее в виде вращающегося вихря, создания после воспламенения горящего вихря; и второго - в основной камере сгорания - вихря, образующегося за счет вытеснения смеси с периферии поршня в центр сближающимися плоскими поверхностями поршня и головки. Соударяющиеся потоки бедной смеси в центре поршня образуют восходящий вихрь "холодной" смеси, движущейся навстречу поджигающему вихрю из камеры зажигания.

На фиг. 1 представлен разрез головки и цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 2 представлена схема процесса наполнения камеры зажигания отобранной из цилиндра, дополнительно сжатой и обогащенной топливом топливовоздушной смеси по дополнительным каналам.

На фиг.3 представлен вид камеры зажигания в сечении А - А. Показано образование в камере зажигания кольцевого вихря.

На фиг. 4 представлена схема процесса воспламенения в камере зажигания обогащенной смеси от свечи, движение воспламенившейся горящей смеси в основную камеру сгорания в виде вращающегося вихря и движение обедненной смеси в зону горения в основную камеру сгорания в виде восходящего вихря.

На фиг.5 представлена схема - процесс воспламенения от свечи обогащенной газовоздушной смеси в камере зажигания, выброс горящих газов в основную камеру сгорания через систему газодинамических детекторов, образующих направленный поджигающий вихрь.

На фиг.6 представлена схема образования направленного поджигающего вихря в основной камере сгорания двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) имеет основную камеру сгорания 1 с рабочим цилиндром 2 и поршнем 3, камеру зажигания 4, выполненную симметрично относительно оси цилиндра 2, снабженную устройством зажигания 5 с кольцевым искровым зазором 6 и соединенную с основной камерой сгорания 1 двумя системами каналов: сужающе-расрасширяющемся каналом 7 и дополнительными каналами 8 (по меньшей мере двумя), сообщающими цилиндрическое углубление по периферии головки цилиндра 11 с частью камеры зажигания у кольцевого искрового зазора. Оси отверстий 9 каналов 8 на входе в камеру зажигания 4 ориентированны по касательной к внутренней поверхности, а выходные сопла 10 выполнены сужающимися с острыми выходными кромками. В дополнительных каналах 8 для обогащения отобранной из цилиндра смеси и дополнительно сжимаемой в цилиндрическом углублении головки 11 цилиндрическим выступом поршня 12 установлены форсунки 13 и 14 для подачи газообразного и/или жидкого топлива. Торцевая поверхность 15 головки цилиндра 11 по периферии выполнена плоской. Торцевая поверхность 16 поршня выполнена плоской по периферии и вогнутой в центре.

Работает двигатель следующим образом.

Наполнение основной камеры сгорания 1, камеры зажигания 4 и рабочего цилиндра 2 обедненной газовоздушной смесью происходит в такте наполнения при движении поршня 3 вниз. В такте сжатия при движении поршня в ВМТ одна часть топливовоздушной смеси (например, смеси природного газа с воздухом) из цилиндра двигателя отбирается цилиндрическим выступом 12, направляется в цилиндрическое углубление 11, сжимается здесь и направляется через дополнительные каналы 8 в часть камеры зажигания 4, прилегающую к кольцевому искровому зазору 6, по касательной к внутренней поверхности камеры. Отобранная в каналы смесь путем подачи через форсунки 13 и 14 газообразного и/или жидкого топлива дополнительно обогащается с таким расчетом, чтобы в камере зажигания 4 сформировалась горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха α ≈ 0,6. Вблизи верхней мертвой точки поршня 3 обогащенная смесь в камере зажигания 4 воспламеняется искрой. Образуется поджигающий вихрь, обладающий высокой химической активностью. Для интенсификации горения бедной топливовоздушной смеси в основной камере сгорания 1 движущимся вверх поршнем 3 смесь, расположенная на периферии поршня 3, выжимается в центральную часть цилиндра 2, за счет чего создается восходящий вихрь, движущийся навстречу поджигающему факелу. Интенсивное смешение потоков обеспечивает полное сгорание обедненной топливовоздушной смеси вблизи верхней мертвой точки и высокие экономические и экологические характеристики двигателя.

Формула изобретения

1. Способ смесеобразования, воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания на газообразном топливе, содержащем основную камеру сгорания и камеру зажигания, включает ввод в тактах наполнения и сжатия топливовоздушной смеси в основную камеру сгорания и в камеру зажигания, воспламенение ее в камере зажигания, выброс горящего факела в начале такта расширения в основную камеру сгорания, отличающийся тем, что в такте сжатия часть топливовоздушной смеси отбирают, дополнительно сжимают, подают в нее дополнительное количество газообразного и/или жидкого топлива и направляют в камеру зажигания в виде вращающегося вихря, после воспламенения факел перемещают по сужающе-расширяющемуся каналу и поджигают топливовоздушную смесь по всему объему основной камеры сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при движении поршня в ВМТ топливовоздушную смесь, поступившую в основную камеру сгорания и находящуюся на периферии цилиндра, вытесняют из кольцевого зазора в направлении к оси цилиндра, создавая дополнительные восходящие вихри в основной камере сгорания.

3. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий основную камеру сгорания с рабочим цилиндром и поршнем, камеру зажигания, выполненную симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания и сообщающуюся с основной камерой сгорания, отличающийся тем, что поршень имеет по периферии цилиндрический выступ, а в головке цилиндра выполнено цилиндрическое углубление, в которое входит выступ поршня при движении его в ВМТ и которое сообщено с камерой зажигания каналами, каналы снабжены газовыми и/или жидкостными форсунками, а камера зажигания сообщена с основной камерой сгорания посредством плавно сужающе-расширяющимся каналом.

4. Двигатель внутреннего сгорания по п.3, отличающийся тем, что торцевая рабочая поверхность внутри кольцевого цилиндрического выступа поршня выполнена плоской по периферии и вогнутой в центральной части, причем размер плоского участка поршня соответствует размеру плоского участка головки.

5. Двигатель внутреннего сгорания по п.3, отличающийся тем, что камера зажигания сообщена с основной камерой сгорания системой разнонаправленных газодинамических детекторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6