Способ организации процесса постадийного сгорания в поршневом двигателе

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению. Камера сгорания временно разделяется на две или более полости, одна из которых свечная. Горение начинается в свечной полости и протекает независимо до момента достижения критического отношения давлений между газами в свечной и смежной с ней полостью, после чего полости объединяются. Горящие газы с критической скоростью истечения зажигают смесь в смежной полости. Каждая последующая полость поочередно объединяется с предыдущими при критическом отношении давлений газов, и смесь в очередной полости зажигается горящими газами из предыдущих полостей с критической скоростью истечения. В результате пламя охватывает последние порции заряда в смежной и последующих полостях быстрее, чем появится возможность их самовоспламенения. Изобретение обеспечивает улучшение антидетационных свойств поршневых двигателей внутреннего сгорания с зажиганием от искры. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.

Известен способ организации процесса сгорания путем временного разделения камеры сгорания (КС) на отдельные полости, зажигания от искры и независимого сгорания смесей в полостях до окончания активного тепловыделения, последующего объединения полостей и догорания смеси в общем объеме (см. RU 2187004 С1, МПК 7 F 02 В 23/08, 2002 - прототип).

В этом способе перекрытие полостей может достигать ±30° поворота коленчатого вала (ПКВ) относительно верхней мертвой точки (ВМТ). В двигателе с кривошипно-шатунным механизмом при радиусе 50 мм и отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равным 0,3, это перекрытие соответствует перемещению поршня на 8,6 мм.

Осуществить такое перекрытие полостей и при этом выдержать все конструктивные требования к компоновке КС достаточно сложно, что является недостатком данного способа.

Задача изобретения - улучшение антидетонационных свойств поршневого двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от искры.

Поставленная задача достигается тем, что в способе организации процесса постадийного сгорания в поршневом двигателе путем временного разделения камеры сгорания на свечную и бессвечные полости, зажигания от искры и временного независимого горения смеси в свечной полости, поочередного объединения полостей и зажигания смеси в бессвечных полостях горящими газами, догорания в объединенном объеме независимое горение осуществляют до критического отношения давлений газов между полостями и зажигание смеси в очередной полости осуществляют горящими газами от предыдущих полостей с критической скоростью их истечения.

Сущность способа состоит в том, что КС временно разделяется на две или более полости, одна из которых свечная. Горение начинается в свечной полости и протекает независимо до тех пор, пока перепад давлений газов в свечной и в смежной с ней полостях не достигнет критического отношения. Затем эти полости объединяются. Горящие газы из свечной полости с критической скоростью истечения зажигают смесь в смежной полости. Каждая последующая полость поочередно объединяется с предыдущими, в которых протекает горение, при достижении между ними критического отношения давлений. Зажигание смеси в очередной полости происходит горящими газами с критической скоростью истечения из предыдущей полости. Таким образом, постадийно от полости к полости протекает процесс сгорания. Догорание смеси происходит в объединенном объеме.

Для пояснения изобретения приведены чертежи. На фиг.1 показана схематично двухполостная камера сгорания. Выступы на крышке цилиндра 1 и поршня 2 разделяют КС на свечную I и бессвечную II полости. Зазор Δ между выступами выполняется минимальным, исходя из технологических возможностей и экономической целесообразности. При положении поршня в ВМТ выступы перекрывают друг друга на величину δ.

После зажигания от искры в свечной полости I развивается процесс сгорания, а в бессвечной полости II продолжается процесс сжатия. Вследствие этого увеличивается перепад давлений газов между полостями.

Как известно, для идеального двухатомного газа критическое отношение давлений βкр=P₂/P₁ составляет 0,528, где P₁ - давление в свечной полости; Р₂ - давление в бессвечной полости.

Если пренебречь утечками газа через зазор Δ между выступами, то для осредненного действительного цикла двигателя при оптимальном зажигании, мощностном составе смеси на режиме максимального коэффициента наполнения критическое отношение давлений наступает примерно к 5...10° ПКВ после ВМТ. При таком угле поворота коленчатого вала поршень переместится относительно ВМТ всего на 0,25...0,99 мм (при радиусе кривошипа 50 мм и отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равном 0,3). Такое перекрытие полостей не представляет конструктивной сложности.

В момент объединения полостей поток горящих газов из полости I с критической скоростью истечения зажигает смесь в полости II. Если принять среднетермодинамическую температуру горящей газовой смеси в свечной полости к моменту истечения, равной T₁=2000K, то для двухатомного идеального газа со свойствами азота (или окиси углерода) расчетная критическая скорость истечения равна 832,5 м/с. Действительная скорость несколько меньше расчетной.

Пусть при скорости истечения 500 м/с горящие газы достигнут наиболее удаленных порций заряда несгоревшего газа в бессвечной полости за 0,1 мс (в цилиндре с диаметром 100 мм и симметрично разделенной двуполостной КС). В то же время задержки самовоспламенения в подобных условиях для изооктано-гептано-воздушных смесей с октановым числом всего 60 ед превышают 1 мс. Следовательно, при такой организации процесса сгорания горящие газы достигают последних порций несгоревшего заряда по времени на порядок (в 10 раз) быстрее, чем создаются условия для самовоспламенения и зарождения ударных волн.

В современных двигателях на режиме максимального наполнения оптимальный угол опережения зажигания составляет примерно 25...30° ПКВ, в то время как полости будут перекрыты за 5...10° ПКВ до ВМТ. Это создает возможность заброса пламени в бессвечную полость до начала перекрытия полостей. Поэтому бессвечная полость должна быть вытесняющей полостью. То есть при подходе поршня к ВМТ в процессе сжатия газы из бессвечной полости должны вытесняться в свечную полость (см. фиг.2). Для трехполостной и более КС каждая последующая полость должна перекрываться раньше предыдущих, т.е. величина перекрытия каждой последующей полости должна увеличиваться.

В качестве примера на фиг.3 показана условно трехполостная КС со свечной полостью I, смежной со свечной II и последующей III. Величина перекрытия между полостями I и II - δ1, а между полостями II и III - δ2.

Величина δ2>δ1. В такой КС процесс сгорания будет протекать в три стадии. Зарождение горения начнется в свечной полости I. В момент объединения полостей I и II горящие газы из полости I с критической скоростью истечения зажигают смесь в полости II и наступает вторая стадия сгорания. Затем открывается полость III и наступает третья стадия процесса сгорания.

Можно несколько полостей выполнить смежно со свечной полостью. В этом случае величина перекрытия может быть для всех полостей одинаковой и процесс сгорания будет протекать в две стадии.

Формула изобретения

Способ организации процесса постадийного сгорания в поршневом двигателе путем временного разделения камеры сгорания на свечную и бессвечные полости, зажигания от искры и временного независимого горения смеси в свечной полости, поочередного объединения полостей и зажигания смеси в бессвечных полостях горящими газами, догорания в объединенном объеме, отличающийся тем, что независимое горение осуществляют до критического отношения давлений газов между полостями и зажигание смеси в очередной полости осуществляют горящими газами от предыдущих полостей с критической скоростью их истечения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3