Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено в конструкциях двигателей внутреннего сгорания с системой впрыска топлива или топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр. Двигатель содержит цилиндр с поршнем, нагнетатель топливовоздушной смеси и головку цилиндра, в которой расположены сферическая или коническая камера сгорания и цилиндрическая форкамера. Объем форкамеры выбран из условия V_ф ≥ V_к/ε, где V_к - объем камеры сгорания; ε - степень сжатия топливовоздушной смеси, а высота форкамеры взята в пределах h_ф=0,1...4,0 D, где D - диаметр форкамеры. Камера сгорания и форкамера соединены с нагнетателем смеси одним или несколькими каналами. Проекции участков осей каналов, входящих в камеру сгорания и входящих в форкамеру, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра расположены под углами соответственно 90...20 и 90...140° по отношению к оси рабочего цилиндра. Входы каналов расположены тангенциально к поверхностям камер. Каналы камеры сгорания направлены навстречу каналам форкамеры. Это позволяет повысить мощность двигателя и снизить токсичность отработанных газов за счет применения бедной топливовоздушной смеси. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено в конструкциях двигателей внутреннего сгорания с системой впрыска топлива или топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр.

Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2162156 от 01.06.1999 г., МКИ 7 F 02 B 19/10. Этот двигатель содержит, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, головку цилиндра, камеру сгорания, ограниченную цилиндром, его головкой и днищем поршня, и форкамеру, выполненную в виде двух соосных стаканов с вогнутыми днищами. Один из стаканов установлен на днище поршня, а другой укреплен на головке цилиндра. На боковых поверхностях стаканов выполнены отверстия. Такая конструкция двигателя позволяет повысить стабильность его работы. Однако в двигателе по аналогу трудно обеспечить полное сгорание топливовоздушной смеси, что уменьшает мощность двигателя и увеличивает токсичность отработанных газов.

Известен также двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №2182981 от 17.08.2000 г., МКИ 7 F 02 B 9/10), который принят за прототип. Двигатель по прототипу содержит цилиндр, в котором помещен поршень, присоединенный к коленчатому валу, головку цилиндра, в которой изготовлена камера сгорания и сообщенная с ней форкамера со свечой зажигания, соединенная через вспомогательный канал и впускной канал с магистралью питания. Последняя оснащена элементами для дозирования воздуха и топлива. Двигатель содержит также впускной коллектор, соединенный через впускной патрубок и впускной клапан с камерой сгорания и оснащенный топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой, сблокированной с элементом для дозировки воздуха. В магистрали питания перед элементом дозирования воздуха помещен приводной нагнетатель.

Двигатель по прототипу позволяет повысить стабильность его работы и отдаваемую мощность, однако он не позволяет использовать бедную топливовоздушную смесь. Это ограничивает возможность полного сгорания смеси и увеличения мощности, а также понижения токсичности oтработанных газов.

Технический результат изобретения - повышение мощности двигателя и снижение токсичности отработанных газов.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр, в котором помещен поршень, кинематически связанный с коленчатым валом, и головку цилиндра, в которой расположены камера сгорания и форкамера со свечой зажигания. Форкамера соединена каналом с магистралью питания через нагнетатель топливовоздушной смеси и устройство для дозирования топлива и воздуха. В отличие от прототипа форкамера выполнена в головке цилиндра как продолжение камеры сгорания. Объем форкамеры выбран из условия V_ф ≥ V_к/ε, где V_к - объем камеры сгорания; ε - степень сжатия топливовоздушной смеси. Высота форкамеры выбрана из условия h_ф=0,1...4,0 D, где D - диаметр форкамеры. Камера сгорания имеет сферическую или коническую форму, а форкамера имеет цилиндрическую форму. Форкамера соединена с нагнетателем топливовоздушной смеси, по меньшей мере, одним соединительным каналом. Выход этого канала в форкамеру расположен в ее верхней части и направлен тангенциально к внутренней боковой поверхности форкамеры. Камера сгорания соединена с нагнетателем топливовоздушной смеси одним или несколькими соединительными каналами, выходы которых расположены в нижней части камеры сгорания и направлены тангенциально к ее внутренней поверхности последовательно друг за другом. Соединительные каналы, входящие в камеру сгорания, направлены навстречу соединительным каналам, входящим в форкамеру. Проекции участков осей соединительных каналов, входящих в камеру сгорания и входящих в форкамеру, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра расположены под углами соответственно 90...20 и 90...140° по отношению к оси рабочего цилиндра.

Такая совокупность признаков предлагаемой конструкции двигателя позволяет повысить мощность двигателя и снизить токсичность отработанных газов за счет применения бедной топливовоздушной смеси. Это становится возможным в результате подачи струи топливовоздушной смеси в верхнюю часть форкамеры, где она расслаивается, образуя богатое топливом ядро в зоне электрода свечи зажигания. Подача топливовоздушной смеси в нижнюю часть камеры сгорания встречно струе топливовоздушной смеси, подаваемой в форкамеру, обеспечивает концентрацию богатой смеси в форкамере, создавая завесу, препятствующую рассредоточению смеси.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемого двигателя, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, а на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр 1, в котором помещен поршень 2, кинематически связанный через шток 3 с коленчатым валом, и головку 4 цилиндра 1, в которой расположены камера сгорания 5 и форкамера 6 со свечой зажигания 7. Форкамера 6 выполнена в головке цилиндра 1 как продолжение камеры сгорания 5. Объем форкамеры 6 выбран из условия V_ф ≥ V_к/ε, где V_к - объем камеры сгорания 5; ε - степень сжатия топливовоздушной смеси. Высота форкамеры 6 выбрана в пределах h_ф=0,1...4,0 D, где D - диаметр форкамеры 6. Камера сгорания 5 имеет сферическую или коническую форму. Форкамера 6 имеет цилиндрическую форму. Форкамера 6 соединена с нагнетателем 8 топливовоздушной смеси, по крайней мере, одним соединительным каналом 9. Выход канала 9 в форкамеру 6 расположен в ее верхней части и направлен тангенциально к внутренней боковой поверхности форкамеры 6. Проекция оси участка соединительного канала 9, входящего в форкамеру 6, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра 1 расположена под углом β=90...140° по отношению к оси рабочего цилиндра 1. Камера сгорания 5 соединена с нагнетателем 8 топливовоздушной смеси одним или несколькими соединительными каналами 10, выходы которых в камеру сгорания 5 расположены в ее нижней части и направлены тангенциально к внутренней поверхности камеры сгорания 5 последовательно друг за другом. Проекции осей участков соединительных каналов 10, входящих в камеру сгорания 5, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра 1 расположены под углом α=90...20° по oтношению к оси рабочего цилиндра 1. Соединительные каналы 10, входящие в камеру сгорания 5, направлены навстречу соединительному каналу 9, входящему в форкамеру 6.

Расположение выхода соединительного канала 9 в верхней части форкамеры 6 тангенциально ее внутренней боковой поверхности позволяет создать внутри форкамеры 6 в зоне расположения электрода свечи зажигания 7 богатое топливом ядро горючей смеси. Струя смеси, выходящая из соединительного канала 9, завихряется, что способствует уплотнению топлива в центральной зоне верхней части форкамеры 6. В других зонах смесь будет более бедной, произойдет ее расслоение. Это облегчит зажигание подаваемой бедной смеси и обеспечит ее полное сгорание, что повысит мощность двигателя и уменьшит токсичность отработанных газов.

Подача топливовоздушной смеси через соединительные каналы 10 в нижнюю часть камеры сгорания 5 тангенциально к ее поверхности и навстречу струе топливовоздушной смеси, выходящей из канала 9 в форкамеру 6, создает завесу в виде вихря топливовоздушной смеси, направленного противоположно потоку смеси в форкамере 6. Эта завеса будет препятствовать рассредоточению топливовоздушной смеси, впрыснутой в форкамеру 6, уплотнит эту смесь, что также облегчит ее зажигание. Сферическая форма камеры сгорания 5 будет способствовать уплотнению топливовоздушной смеси в направлении форкамеры 6. Цилиндрическая фирма форкамеры 6 стабилизирует внутри нее расслоение смеси. Выбор объема форкамеры 6 из условия V_ф ≥ V_к/ε, где V_к - объем камеры сгорания 5; ε - степень сжатия топливовоздушной смеси, обусловлен тем, что при несоблюдении этого условия объем форкамеры 6 может оказаться недостаточным для того, чтобы обеспечивалось расслоение топливовоздушной смеси, и создание устойчивого ядра богатой топливом смеси в зоне электрода свечи зажигания 7. Это понизит устойчивость работы двигателя и приведет к неполному сгоранию смеси. Выбор высоты форкамеры 6 из условия h_ф=0,1...4,0 D, где D - диаметр форкамеры 6, позволяет обеспечить вихревое движение топливовоздушной смеси в форкамере 6, обуславливающее расслоение смеси и образование богатого топливом ядра в верхней части форкамеры 6. Несоблюдение этого условия может привести к беспорядочному турбулентному движению топливовоздушной смеси, что затруднит ее расслоение и ухудшит условия для зажигания смеси.

Выбор пределов углов α и β обусловлен тем, что при β>140° струя топливовоздушной смеси, подаваемая через соединительный канал 9, уйдет через камеру сгорания 5 и не образует вихря внутри форкамеры 6. При β<90° струя смеси может удариться в дно форкамеры 6, что вместо вихревого движения приведет к беспорядочному турбулентному движению смеси. Расслоения смеси с образованием богатого топливом ядра не произойдет. При α>90° струя топливовоздушной смеси, подаваемая через канал 10, выйдет за пределы камеры сгорания 5. В результате вихревой завесы в камере сгорания 5 не образуется. При α<20° струя топливовоздушной смеси из канала 10, не образуя вихревого потока в нижней части камеры сгорания 5, попадет в форкамеру 6 и разрушит образующееся там богатое топливом ядро смеси. В обоих случаях затруднится зажигание смеси в форкамере 6, может произойти неполное ее сгорание, что понизит мощность двигателя и повысит токсичность отработанных газов.

Предлагаемый двигатель, который может быть снабжен нагнетателем 8 любого типа, например, компрессором (фиг.1), работает следующим образом.

Чистый воздух и жидкое либо газообразное топливо подают соответственно через канал 11 и форсунку 12 и устройство для дозирования топливовоздушной смеси, состоящее из выточки 13 в компрессорном цилиндре 14 и окон 15 в гильзе 16. При движении вверх компрессорного поршня 17, кинематически связанного с рабочим поршнем 2, топливовоздушная смесь сжимается. При давлении, на которое тарирована пружина 18, клапан 19 откроется и топливовоздушная смесь поступит в соединительные каналы 10 и в вертикальный канал 20. Из канала 10 смесь попадет в соединительный канал 9. В соединительных каналах 9 и 10 могут быть установлены клапаны 21, блокирующие попадание продуктов сгорания топливовоздушной смеси в компрессор. Пружины 22 клапанов 21 тарированы на такое же или меньшее давление, что и пружина 18 клапана 19.

Топливовоздушная смесь из соединительного канала 9 впрыскивается в верхнюю часть форкамеры 6 тангенциально ее внутренней цилиндрической поверхности. Если объем V_ф форкамеры 6 и ее высота h_ф соответствуют условиям V_ф ≥ V_к/ε, где V_к. - объем камеры сгорания 5; ε - степень сжатия топливовоздушной смеси, и h_ф=0,1...4,0 D, где D - диаметр форкамеры 6, а угол β=90...140°, то, следуя по верхней части внутренней поверхности форкамеры 6, струя топливовоздушной смеси завихряется и пары топлива концентрируются в середине верхней части форкамеры 6 в зоне электрода свечи зажигания 7. Происходит расслоение смеси, смесь в этой зоне становится богатой. Струя топливовоздушной смеси из соединительного канала 10 попадает в нижнюю часть камеры сгорания 5 тангенциально ее внутренней поверхности. Если угол между проекцией оси участка соединительного канала 10, входящего в камеру сгорания 5, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра 1 и его осью α=90...140°, то струя топливовоздушной смеси, скользя по внутренней поверхности камеры сгорания 5, создаст в нижней части камеры сгорания 5 вихрь, который, перемещаясь вверх по сферической или конической поверхности камеры сгорания 5, создаст завесу, вращающуюся в сторону, противоположную вращению струи смеси в форкамере 6. Эта завеса будет препятствовать рассредоточению топливовоздушной смеси, впрыснутой в форкамеру 6.

Со стороны рабочего цилиндра 1 перемещение топливовоздушной смеси из нижней части камеры сгорания 5 будет ограничено дном поршня 2, который в это время будет приближаться к верхней мертвой точке.

После подачи напряжения на электрод свечи зажигания 7 богатое топливом ядро топливовоздушной смеси воспламенится и подожжет относительно бедную смесь в камере сгорания 5, произойдет рабочий ход поршня 2. Топливовоздушная смесь при этом сгорает практически полностью, что обеспечивает повышение мощности двигателя и снижение токсичности отработанных газов. Возможность применения бедной топливовоздушной смеси обеспечит экономию топлива.

Камера сгорания 5 и форкамера 6 могут быть изготовлены при отливке головки 4 цилиндра 1 с последующей токарной или фрезерной обработкой внутренних поверхностей на известном оборудовании. Соединительные каналы 9 и 10, так же, как и канал 20, могут, например, быть изготовлены из стальных трубок, которые закладывают при изготовлении головки 4 цилиндра 1 в литейную форму перед заливкой в нее металла. В этом случае легко задать углы α и β в заданных пределах. Остальные детали двигателя легко изготовить с помощью известного и применяющегося в промышленности литейного и металлообрабатывающего оборудования.

Таким образом, предлагаемый двигатель обеспечивает технический эффект, заключающийся в повышении мощности двигателя и уменьшении токсичности отработанных газов, и может быть изготовлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, в котором размещен поршень, кинематически связанный с коленчатым валом, головку цилиндра, в которой расположены камера сгорания и форкамера со свечой зажигания, причем форкамера соединена каналом с магистралью питания через нагнетатель топливовоздушной смеси, и устройство для дозирования топлива и воздуха, отличающийся тем, что форкамера выполнена в головке цилиндра как продолжение камеры сгорания, объем форкамеры выбран из условия V_ф ≥ V_к/ε, где V_к - объем камеры сгорания; ε - степень сжатия топливовоздушной смеси, а высота форкамеры взята в пределах h_ф=0,1...4,0 D, где D - диаметр форкамеры, форкамера соединена с нагнетателем топливовоздушной смеси по меньшей мере одним соединительным каналом, выход которого в форкамеру расположен в ее верхней части и направлен тангенциально к внутренней поверхности форкамеры, а камера сгорания соединена с нагнетателем топливовоздушной смеси одним или несколькими соединительными каналами, выходы которых расположены в нижней части камеры сгорания и направлены тангенциально к ее внутренней поверхности последовательно друг за другом, а проекции участков осей соединительных каналов, входящих в камеру сгорания и входящих в форкамеру на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра, расположены под углами соответственно 90...20° и 90...140° по отношению к оси рабочего цилиндра.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что форкамера имеет цилиндрическую форму, а камера сгорания имеет сферическую или коническую форму.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что соединительные каналы, входящие в камеру сгорания, направлены навстречу соединительным каналам, входящим в форкамеру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3