Двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием и способ его работы

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, в частности при осуществлении рабочего процесса. Техническим результатом является повышение эффективности сгорания при снижении в продуктах сгорания вредных веществ. Сущность изобретения заключается в том, что в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием образуют интенсивное движение воздушного заряда вокруг оси цилиндра, и, по меньшей мере, часть топлива впрыскивают через сопловые отверстия форсунки на стенку камеры сгорания, причем угол опережения впрыскивания топлива увеличивают при увеличении количества заряда, поступающего в цилиндр. Создают таким образом вращающийся кольцевой объем богатой топливовоздушной смеси, воспламенение которой приводит к отводу продуктов сгорания из кольцевого пристеночного объема к центру камеры и вытеснению ими относительно холодного воздуха из центра вихря к стенке. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в частности при организации рабочего процесса.

Известны двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащие цилиндр, размещенный в цилиндре поршень, соединенный через шатун с кривошипом коленчатого вала и совершающий возвратно-поступательное движение от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, головку цилиндра, стенка которой образует камеру сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке, установленные в стенку камеры сгорания форсунку с сопловыми отверстиями и свечу зажигания, тангенциальный первый впускной и первый выпускной патрубки, изготовленные в головке цилиндра и снабженные первым впускным и первым выпускным клапанами, соответственно.

Известны способы работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, характеризующиеся впуском в цилиндр воздушного заряда через тангенциальный впускной клапан, созданием направленного движения заряда вокруг оси цилиндра, сжатием заряда в цилиндре, впрыскиванием топлива в заряд до подхода поршня к верхней мертвой точке на угол опережения впрыскивания, воспламенением свечой зажигания полученной топливовоздушной смеси и ее сгоранием в камере сгорания, расширением продуктов сгорания и выпуском их из цилиндра через выпускной клапан.

В известных двигателях, работающих по известным способам, топливо впрыскивается в центр воздушного вихря, образованного в цилиндре вокруг его оси, а сгорание происходит в центре камеры сгорания и затухает по мере приближения фронта пламени к ее стенке. Это объясняется тем, что топливовоздушная смесь обедняется в направлении стенки камеры сгорания, причем присутствие инертных продуктов сгорания будет тормозить развитие процесса горения. В результате эффективность сгорания в двигателе снижается, а в его продуктах сгорания увеличивается содержание вредных веществ.

Прототипом для данного изобретения в соответствии с получаемым эффектом является совокупность признаков двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и способ его работы в соответствии с источником [1].

Задачей, поставленной в изобретении, является создание двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в котором сгорание происходило бы в кольцевом объеме возле стенки камеры сгорания при интенсивном вихревом движении заряда вокруг оси цилиндра. При такой организации процесса горячие инертные продукты сгорания, обладающие меньшей плотностью, будут отводиться из объема горения к центру образованного вихря и вытеснять относительно холодный воздух из центра камеры сгорания в кольцевой объем горения. С другой стороны, в объем горения будет поступать относительно богатая смесь, образовавшаяся при испарении топлива на горячей стенке камеры сгорания. Таким образом, инертные продукты не будут тормозить процесс горения, скорость которого возрастет при улучшении эффективности и полноты сгорания. Кроме того, при такой организации рабочего процесса уменьшается склонность к детонации топливовоздушной смеси, что дает возможность увеличить степень сжатия и, соответственно, мощность двигателя.

Согласно поставленной задаче целью изобретения является улучшение эффективности сгорания при снижении содержания в продуктах сгорания вредных веществ.

Для этого в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащем цилиндр, размещенный в цилиндре поршень, соединенный через шатун с кривошипом коленчатого вала и совершающий возвратно-поступательное движение от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, головку цилиндра, стенка которой образует камеру сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке, установленные в стенку камеры сгорания форсунку с сопловыми отверстиями и свечу зажигания, тангенциальный первый впускной и первый выпускной патрубки, изготовленные в головке цилиндра и снабженные первым впускным и первым выпускным клапанами, соответственно, причем сопловые отверстия форсунки направлены на стенку камеры сгорания; в головке цилиндра может быть расположен второй впускной патрубок, выполненный винтовым и снабженный вторым впускным клапаном, диаметр которого больше диаметра первого впускного клапана. В головке цилиндра также может быть расположен второй выпускной патрубок, снабженный вторым выпускным клапаном.

В способе работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, характеризующимся впуском в цилиндр воздушного заряда через первый тангенциальный впускной патрубок, созданием направленного движения заряда вокруг оси цилиндра, сжатием заряда в цилиндре, впрыскиванием топлива в заряд до подхода поршня к верхней мертвой точке на угол опережения впрыскивания, воспламенением свечой зажигания полученной топливовоздушной смеси и ее сгоранием в камере сгорания, расширением продуктов сгорания и выпуском их из цилиндра через выпускной клапан, причем, по меньшей мере, часть топлива впрыскивают на стенку камеры сгорания, а угол опережения впрыскивания топлива увеличивают при увеличении количества заряда в цилиндре; при среднем и большом количестве заряда, поступающего в цилиндр, впрыскивание топлива осуществляют во время впуска.

Анализ патентной и технической литературы не выявил двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием и способов их работы с заявленной совокупностью существенных признаков.

Пример выполнения двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и пояснение способа его работы иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 показан один из вариантов выполнения двигателя внутреннего сгорания в разрезе по форсунке и первому тангенциальному впускному и первому выпускному патрубкам при впрыскивании топлива; на фиг.2 - разрез по сечению А-А фиг.1; на фиг.3 - разрез по Б-Б фиг.2 со взаимным расположением форсунки и свечи зажигания; на фиг.4 - варианты изготовления распылителя форсунки; на фиг.5 - схема организации процесса сгорания.

Как показано на фиг.1, двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием содержит цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, соединенный через шатун 3 с кривошипом 4 коленчатого вала и совершающий возвратно-поступательное движение от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. В головке 5 цилиндра 1 образована камера сгорания 6, ограниченная стенкой 7 и поршнем 2 при его положении в верхней мертвой точке. В головке 5 расположены первый тангенциальный впускной патрубок 8 и первый выпускной патрубок 9, снабженные первым впускным и первым выпускным клапанами 10 и 11, соответственно, которые установлены в стенку 7 камеры сгорания 6. Существо изобретения не изменится, если в головке 5 цилиндра 1 будет установлен второй впускной патрубок 12, который выполнен винтовым и снабжен вторым впускным клапаном 13. В головке 5 может быть расположен и второй выпускной патрубок 14, снабженный вторым выпускным клапаном 15. Второй винтовой впускной патрубок 12 предназначен для работы двигателя при больших количествах заряда, поступающих в цилиндр 1, и должен быть выполнен так, чтобы направление движения заряда в цилиндре 1 от первого тангенциального впускного патрубка 8 и второго винтового впускного патрубка 12 совпадало для увеличения скорости направленного вихревого движения заряда (фиг.2). В стенку 7 камеры сгорания 6 установлены свеча зажигания 16 и форсунка 17 с сопловыми отверстиями 18, которые должны быть направлены на стенку 7 камеры сгорания 6 (фиг.3 и 4).

При впуске поршень 2 движется к нижней мертвой точке и воздушный заряд поступает в цилиндр 1 через открытый первый впускной клапан 10 первого тангенциального впускного патрубка 8, что создает интенсивное движение заряда вокруг оси цилиндра 1. При работе двигателя на средних и больших нагрузках воздушный заряд может поступать в цилиндр 1 и через второй винтовой впускной патрубок 12 при открытом втором впускном клапане 13.

При сжатии поршень 2 движется к верхней мертвой точке и сжимает вращающийся воздушный заряд в цилиндре 1. До подхода поршня 1 к верхней мертвой точке во вращающийся воздушный заряд цилиндра 1 форсункой 17 впрыскивается топливо через сопловые отверстия 18 так, что, по меньшей мере, часть топлива попадает на горячую стенку 7 камеры сгорания 6, на которой происходит его испарение. Пары топлива, соединяясь вращающимся воздушным зарядом, образуют около стенки 7 вращающийся кольцевой объем 19 богатой топливовоздушной смеси, которая будет обедняться вплоть до чистого воздуха в направлении центра камеры сгорания 6.

Воспламенение богатой топливовоздушной смеси происходит от свечи зажигания 16 возле стенки 7 камеры сгорания 6. Горение топливовоздушной смеси происходит в кольцевом объеме 20 при его интенсивном вращении (фиг.5). Горячие продукты сгорания, обладающие меньшей плотностью, будут отводиться из кольцевого объема 20 к оси вращения заряда по направлению 21 и вытеснять относительно холодный воздух из центра вихря в кольцевой объем 20 по направлению 22. При этом фронт пламени будет смещаться по богатой смеси в направлении стенки 7 камеры сгорания 6, откуда в кольцевой объем 20 будут поступать пары топлива от горячей стенки 7.

Регулирование впрыскивания топлива осуществляют при изменении количества воздушного заряда, поступающего в цилиндр 1 так, что при увеличении количества воздушного заряда угол опережения впрыскивания топлива φ увеличивают (см. фиг.1). Это обусловлено тем, что для испарения большей массы топлива на стенке 7 требуется большее время.

Такая организация рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием позволит улучшить топливную экономичность более чем на 10% и снизить содержание в продуктах сгорания оксида углерода и углеводородов более чем на 50%.

Источники информации

1. Патент США №2002/0195079 А1 по кл. 123/295 за 2002 г.

1. Двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащий цилиндр, размещенный в цилиндре поршень, соединенный через шатун с кривошипом коленчатого вала и совершающий возвратно-поступательное движение от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, головку цилиндра, стенка которой образует камеру сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке, установленные в стенку камеры сгорания форсунку с сопловыми отверстиями и свечу зажигания, первый тангенциальный впускной и первый выпускной патрубки, изготовленные в головке цилиндра и снабженные первым впускным и первым выпускным клапанами, соответственно, отличающийся тем, что сопловые отверстия форсунки направлены на стенку камеры сгорания с возможностью образования около стенки вращающегося кольцевого объема богатой топливовоздушной смеси.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в головке цилиндра расположен второй впускной патрубок, который выполнен винтовым и снабжен вторым впускным клапаном.

3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что диаметр второго впускного клапана больше диаметра первого впускного клапана.

4. Двигатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в головке цилиндра расположен второй выпускной патрубок, снабженный вторым выпускным клапаном.

5. Способ работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, характеризующийся впуском в цилиндр воздушного заряда через первый тангенциальный впускной патрубок, созданием направленного движения заряда вокруг оси цилиндра, сжатием заряда в цилиндре, впрыскиванием топлива в заряд до подхода поршня к верхней мертвой точке на угол опережения впрыскивания, воспламенением свечой зажигания полученной топливовоздушной смеси и ее сгоранием в камере сгорания, расширением продуктов сгорания и выпуском их из цилиндра через выпускной клапан, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть топлива впрыскивают на стенку камеры сгорания, образуя около стенки вращающийся кольцевой объем богатой топливовоздушной смеси.

6. Способ работы по п. 5, отличающийся тем, что угол опережения впрыскивания топлива увеличивают при увеличении количества заряда, поступающего в цилиндр.

7. Способ работы по любому из пп. 5 и 6, отличающийся тем, что при среднем и большом количестве заряда, поступающего в цилиндр, впрыскивание топлива осуществляют во время впуска.