Форкамера двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания. Форкамера содержит полость, имеющую свечу зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания при помощи перепускного канала, при этом перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, входной участок которого имеет образующую, форма которой определена соотношением Витошинского, а входной участок выполнен в форме параболоида. Изобретение обеспечивает экономичность, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов. 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а конкретно к двигателям внутреннего сгорания, и предназначено для улучшения технико-экономических и экологических характеристик.

Известны форкамеры двигателей внутреннего сгорания, выполненные в головке блока цилиндров симметрично оси цилиндра, снабженные устройством зажигания и сообщенные с основной камерой сгорания соединительными каналами (см. , например, патент США 4442807, кл. F 02 B 19/18, 1984; патент РФ 2099550, F 02 B 19/18, 1995).

Недостатками таких форкамер являются высокая трудоемкость производства и технического обслуживания, а также невозможность использования на действующем и производимом парке автотехники, так как неизбежные изменения в конструкции двигателя потребуют затрат на дополнительное оборудование и корректировку технологии производства. Размещение известных форкамер в нижней части головки блока цилиндров затрудняет их техническое обслуживание и при необходимости демонтаж, так как потребуют разборку двигателя автомобиля. Указанные недостатки затрудняют внедрение известных форкамер на выпускающихся автомобилях и решение в реальном времени экологических проблем в крупных городах и на автотрассах.

Эти недостатки устранены в формкамере, описанной в патенте РФ 2032819, F 02 B 19/18, 1991, содержащей полость, имеющую свечу зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи цилиндрического перепускного канала с двумя коническими участками, первый из которых размещен между полостью и перепускным каналом, а второй размещен между перепускным каналом и основной камерой сгорания. Аналогичная форкамера описана в заявке Великобритании 1261176, кл. F 02 В 19/12, 1972.

Однако эти форкамеры имеют существенные недостатки, снижающие эффективность их функционирования. В перепускном канале, образованном двумя коническими и цилиндрическим участком, на линиях сопряжения конических и цилиндрической поверхностей вследствие мгновенного изменения кривизны обтекаемого профиля происходит соответствующее (скачкообразное) изменение газодинамических параметров (скорости течения, давления, температуры и др.) продуктов сгорания, что вызывает появление ряда (по длине канала) скачков уплотнения, резко снижающих эффективность преобразования потенциальной энергии продуктов предварительного сгорания в кинетическую энергию истекающей из канала струи. Дополнительное гидродинамическое сопротивление в таком канале имеет место в его цилиндрической части из-за пульсаций скорости истечения. В результате проявления этих процессов на выходе из перепускного канала образуется ударная волна, а длина струи и скорость истечения продуктов предварительного сгорания резко уменьшаются, что в свою очередь снижает эффективность воспламенения горючей смеси в основной камере сгорания и, как следствие, приводит к неполному сгоранию топлива и повышенной токсичности отработавших газов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание компактной, простой конструкции форкамеры, обеспечивающей высокоэффективное сгорание топлива в цилиндре двигателя, простоту технического обслуживания и эксплуатации.

Требуемый технический результат достигается тем, что в форкамере двигателя внутреннего сгорания, содержащей полость, имеющую свечу зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного канала, согласно изобретению перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, входной участок которого имеет образующую, форма которой определена соотношением Витошинского, а выходной участок выполнен в форме параболоида.

Выполнение перепускного канала в виде профилированного сопла Лаваля обеспечивает исключение гидродинамических потерь на скачки уплотнения и достижение на (в) выходном сечении максимального значения скорости истечения продуктов предварительного сгорания, необходимого для наиболее эффективного перемешивания, воспламенения и сгорания горючей смеси в основной камере сгорания.

Построение входного (сужающегося) участка сопла по соотношению Витошинского обеспечивает его минимальную длину при минимальных потерях на трение при истечении, т.к. формула Витошинского представляет собой одну гладкую функцию без сопряжения между собой различных функционально не связанных кусочно-гладких кривых, что в свою очередь дает возможность обеспечить минимальную длину самого перепускного канала, ограниченную длиной резьбовой части свечи и малой поверхностью теплоотвода в головке блока цилиндров.

Выполнение выходного (расширяющегося) участка сопла в виде параболоида вращения дополнительно минимизирует длину перепускного канала и обеспечивает оптимальную фокусировку истекающей струи продуктов предварительного сгорания за счет уменьшения потерь на расширение для увеличения длины истекающей струи, что необходимо для эффективного перемешивания и воспламенения горючей смеси в основной камере сгорания.

Компактная, легко и быстро монтируемая и демонтируемая конструкция форкамеры обеспечивает простоту ее технического обслуживания, эксплуатации, производства и низкую себестоимость.

Предложенное техническое решение не известно из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста-двигателестроителя, и промышленно применимо для производства форкамерно-факельных систем ДВС, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который имеет иллюстративное значение и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения, где изображены: форкамера 1, смонтированная в резьбовом отверстии головки 2 блока цилиндров на месте свечи зажигания, содержащая полость 3, перепускной канал 4, выполненный в виде профилированного сопла Лаваля с контуром, образованным плавной кривой, и состоящий из входного 5 и выходного 6 участков. В верхней части полости 3 установлена свеча зажигания 7.

По совокупности конструктивных признаков форкамера представляет собой импульсный реактивный двигатель, работающий в заторможенном (обращенном) режиме, в котором компоненты горючей смеси подаются через реактивное сопло.

Входной участок 5 перепускного канала 4 имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой может быть определена, например, по известному соотношению Витошинского, а выходной участок 6 может быть построен в форме параболоида вращения. Сопряжение образующих двух участков можно выполнить по дуге окружности.

Устройство функционирует следующим образом. На такте сжатия ДВС топливно-воздушная смесь из основной камеры сгорания через перепускной канал 4 поступает в полость 3, где интенсивно перемешивается, так как температура в полости 3 достигает несколько сотен ^oС, что способствует интенсивной диффузии паров топлива и воздуха в малом объеме. При срабатывании свечи зажигания 7 горючая смесь быстро воспламеняется и сгорает, а давление и температура в полости 3 резко возрастают. Раскаленные до температуры Т=2500-3000^oС продукты сгорания под давлением около 100 ат истекают через перепускной канал 4, разгоняясь в нем до сверхзвуковой скорости. Попадая в основную камеру сгорания, раскаленная струя газов интенсивно перемешивает и поджигает находящуюся в ней топливно-воздушную смесь во всем ее объеме за счет конвективных, вихревых процессов. Дополнительная энергия топливно-воздушной смеси передается в виде тепла за счет внутреннего трения при торможении струи продуктов предварительного сгорания в топливно-воздушной смеси аналогично тому, как это происходит при вспрыске топлива в дизельных двигателях. Так в основной камере сгорания создаются практически идеальные условия для эффективных смесеобразования, воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси, что обеспечивает наивысшую скорость сгорания свежего заряда, полноту сгорания топлива и минимальную токсичность выхлопных газов ДВС.

Использование настоящего изобретения обеспечивает устойчивость работы ДВС на бедных смесях и низкооктановом топливе при снижении токсичности выхлопных газов в десятки раз.

Испытание предложенной форкамеры дало положительные результаты на автомобилях ВАЗ 2109, М 2140, ГАЗ 3110 и УАЗ-3303.

Формула изобретения

Форкамера двигателя внутреннего сгорания, содержащая полость, имеющую свечу зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного канала, отличающаяся тем, что перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, входной участок которого имеет образующую, форма которой определена соотношением Витошинского, а выходной участок выполнен в форме параболоида.

РИСУНКИ

Рисунок 1