Двигатель внутреннего сгорания и воспламенитель

Группа изобретений относится к двигателестроению, конкретно к средствам воспламенения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение полноты сгорания, улучшение удельных характеристик и уменьшение эмиссии вредных веществ. Сущность изобретений заключается в том, что ДВС содержит цилиндр с поршнем, головку цилиндров, прокладку между головкой цилиндров и цилиндрами, воспламенитель со свечой зажигания. Прокладка выполнена из диэлектрического материала, а к каждому цилиндру и головке присоединены выводы высоковольтных проводов. Выходные отверстия форкамеры выполнены под углом к оси воспламенителя, а часть выходных отверстий выполнена в форме щелей. В течение всех циклов работы двигателя на топливовоздушную смесь и продукты сгорания воздействуют электрическим полем. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Группа изобретений относится к энергетике и двигателестроению, конкретно к средствам воспламенения топливовоздушной смеси преимущественно в двигателях внутреннего сгорания - ДВС.

Известна свеча зажигания по патенту РФ №2212559, МПК F02P 23/04, опубл. 20.09.2003 г.

Устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания содержит блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазера, связанный с датчиком состава рабочей смеси и блоком синхронизации, полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра. Кроме того, устройство снабжено источником воспламенения, выполненным в виде лазерно-искровой свечи, которая установлена в головке блока цилиндров двигателя и связана с искровой системой зажигания, формирователем импульсов лазерного подогрева, связанным с усилителем мощности накачки лазера и блоком синхронизации, и датчиком состава смеси, соединенным с усилителем мощности накачки лазера.

Способ лазерного зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что рабочую смесь в пространстве цилиндра двигателя нагревают энергией лазерного источника излучения. Причем рабочую смесь нагревают в межэлектродном пространстве свечи зажигания в конце такта сжатия, дополнительно поджигают искровым разрядом и регулируют интенсивность излучения лазера в соответствии с режимом работы двигателя.

Недостаток - сложность конструкции.

Известна свеча зажигания по патенту РФ №2309288, МПК F02P 23/04, опубл. 27.10.2007.

Сущность изобретения заключается в том, что горючую смесь нагревают и поджигают энергией двух лазерных источников, при этом первым (полупроводниковым) лазерным источником в горючей смеси камеры сгорания предварительно создают локальный разогретый участок в виде цилиндрического объема путем колебательного перемещения фокального пятна вдоль оси лазерного луча, а вторым (твердотельным) лазерным источником в момент зажигания горючей смеси подают энергетический импульс, причем фокусирование луча производят в центр продольной оси разогретого цилиндрического объема горючей смеси, при этом длину волны лазерных источников устанавливают в спектральном диапазоне 0,5…4,7 мкм в зависимости от вида горючей смеси.

Система для реализации способа содержит блок синхронизации, усилитель мощности накачки лазеров, связанный с датчиком состава горючей смеси и с блоком синхронизации, лазерные источники, связанные трактом передачи энергии с камерой сгорания двигателя, устройством формирования цилиндрического разогретого объема, оптически связанного посредством подвижной оптической линзы с первым (полупроводниковым) лазерным источником и через электрический разъем соединенного с задатчиком частоты и амплитуды колебаний фокального пятна, который связан с датчиком состава горючей смеси. Кроме того, оба лазерных источника и устройство формирования цилиндрического разогретого объема оформлены в виде автономного блока с оптическим устройством формирования лучей лазерных источников. Воспламеняющий разогретый цилиндрический объем играет роль мощного запального элемента.

Недостаток - сложность конструкции и высокая стоимость из-за наличия двух лазеров.

Известна свеча зажигания по патенту РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 20.12.2011.

Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, для его интенсификации лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя. Устройство для осуществления способа содержит лазер с оптическим световодом и с фокусирующей линзой. Блок синхронизации связан с усилителем мощности накачки лазера и с датчиком положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку, к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя. Усилитель мощности накачки лазера представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.

Недостаток - большая потребная мощность для блока накачки.

Известна система воспламенения топливовоздушной смеси по патенту РФ на изобретение №2126094, F02M 27/04, опубл. 10.02.1999 г.

Способ применим для двигателей внутреннего сгорания и состоит в совмещении операций впрыска, воспламенения смеси, интенсификации процесса горения топлива и операции интенсификации преобразования тепловой энергии рабочего тела в его избыточное давление и механическую энергию движения рабочего органа, например поршней в двигателях внутреннего сгорания путем введения электрического(их) поля(ей) внутрь камер сгорания через электроизолированные от корпуса двигателя одноэлектродные электросвечи-форсунки.

Недостаток - большое потребление мощности свечами зажигания из-за воспламенения топливовоздушной смеси по всему объему.

Известна система воспламенения топливовоздушной смеси по авт. св. СССР на изобретение №1059245, МПК А02P 15/00, опубл. 07.12.1983 г.

Этот способ воспламенения и зажигания горючей смеси в ДВС реализуется путем подачи высокочастотного импульсного напряжения на центральный электрод свечи и образования при этом искрового разряда между свечой и днищем поршня во время рабочего такта цилиндра.

Недостаток - большое потребление мощности свечами зажигания из-за воспламенения топливовоздушной смеси по всему объему камеры цилиндра.

Известна система воспламенения топливовоздушной смеси по патенту РФ на изобретение №2019728, МПК F02P 15/00, опубл. 15.09.1994 г.

Сущность изобретения: способ заключается в подаче высоковольтного импульсного высокочастотного напряжения на электрод свечи постоянно на все время работы цилиндра, искрообразование между электродом свечи и днищем поршня осуществляют на период двойного угла опережения зажигания. Система зажигания содержит источник постоянного тока, регулируемый стабилизатор напряжения, генератор импульсов, электронный ключ, конденсатор, катушку зажигания, распределительную коробку, одноэлектродную свечу. Особенностью изобретения является введение стабилизатора.

Недостаток - высокая мощность, потребляемая свечей для воспламенения топливовоздушной смеси во всем объеме цилиндра.

Известна система воспламенения топливовоздушной смеси по патенту РФ на изобретение №2126094, F02M 27/04, опубл. 10.02.1999 г., прототип.

Способ применим для двигателей внутреннего сгорания и состоит в совмещении операций впрыска, воспламенения смеси, интенсификации процесса горения топлива и операции интенсификации преобразования тепловой энергии рабочего тела в его избыточное давление и механическую энергию движения рабочего органа, например поршней в двигателях внутреннего сгорания путем введения электрического(их) поля(ей) внутрь камер сгорания через электроизолированные от корпуса двигателя одноэлектродные электросвечи-форсунки.

Недостаток - неравномерное распределение электрического поля по объему камеры сгорания и, как следствие, снижение полноты сгорания и увеличение эмиссии вредных веществ в атмосферу с выхлопом.

Задачи создания группы изобретений - повышение полноты сгорания топлива и снижение эмиссии вредных веществ.

Решение указанных задач достигнуто в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, головку цилиндров, прокладку между головкой цилиндров и цилиндрами, систему впуска топливовоздушной смеси с впускным клапаном и систему выпуска с выпускным клапаном и воспламенитель, содержащий в свою очередь, свечу зажигания, тем, что прокладка выполнена из диэлектрического материала, внутренняя полость головки цилиндров - в виде криволинейной выпуклой в сторону, противоположную от поршня, полости, продольные оси клапанов и воспламенителя выполнены пересекающимися на оси цилиндра, а к каждому цилиндру и головке цилиндров присоединены выводы высоковольтных проводов из генератора высокого напряжения.

В системе впуска топливовоздушной смеси непосредственно перед впускным клапаном может быть установлено средство закрутки потока.

Воспламенитель может содержать форкамеру, выходные отверстия которой выполнены под углом к оси воспламенителя.

Внутренняя часть корпуса форкамеры может быть выполнена цилиндрической формы. Внутренняя часть корпуса форкамеры может быть выполнена в виде части сферы.

Внутренняя часть корпуса форкамеры может быть выполнена в виде части эллипсоида вращения.

Свеча зажигания может быть выполнена лазерной. Фокус лазерной свечи зажигания может быть выполнен в точке пересечения осей выходных отверстий.

Решение указанных задач достигнуто в воспламенителе, содержащем свечу зажигания и форкамеру, имеющую корпус с внутренней частью с выходными отверстиями во внутренней части, тем, что выходные отверстия выполнены под углом к оси воспламенителя и, по меньшей мере, часть выходных отверстий выполнена в форме щелей.

Внутренняя часть корпуса форкамеры может быть выполнена цилиндрической формы.

Внутренняя часть корпуса форкамеры может быть выполнена в виде части сферы. Внутренняя часть корпуса форкамеры может быть выполнена в виде части эллипсоида вращения.

Площадь выходных отверстий может быть выполнена больше площади поперечного сечения внутренней полости форкамеры.

Щели могут быть образованы прямоугольными пластинами.

Щели могут быть образованы обтекаемыми профилями.

Щели могут быть выполнены в нижней части внутренней части корпуса.

Щели могут быть выполнены радиальными.

В центральной части внутренней части корпуса может быть выполнен центральный обтекатель.

Свеча зажигания может быть выполнена лазерной.

Фокус лазерной свечи зажигания может быть выполнен в точке пересечения осей выходных отверстий.

Фокус лазерной свечи может совпадать с вершиной центрального обтекателя.

Сущность группы изобретений поясняется на фиг. 1…18, где:

- на фиг. 1 представлен ДВС в сборе,

- на фиг. 2 приведен разрез А-А,

- на фиг. 3 приведен воспламенитель в сборе,

- на фиг. 4 приведен разрез В-В,

- на фиг. 5 приведен разрез С-С,

- на фиг. 7 приведен разрез С-С,

- на фиг. 8 приведен разрез С-С,

- на фиг. 9 приведен вариант компоновки форкамеры,

- на фиг. 10 приведен разрез D-D,

- на фиг. 11 приведена система впуска топливовоздушной смеси,

- на фиг. 12 приведен разрез Е-Е, первый вариант,

- на фиг. 13 приведен разрез Е-Е, второй вариант,

- на фиг. 14 приведен вариант устройства с нижней частью форкамеры в форме части эллипсоида вращения и лазерной свечой зажигания,

- на фиг. 15 приведена схема электрического поля для прототипа,

- на фиг. 16 приведена схема электрического поля в предложенном ДВС,

- на фиг. 17 приведена схема активации ТВС,

- на фиг. 18 приведена схема активации воздуха.

ДВС (фиг. 1…18) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1 с поршнем 2, головку цилиндров 3, прокладку 4. Прокладка 4 выполнена из диэлектрического материала. Между головкой цилиндров 3 и поршнем 2 выполнена камера сгорания 5. Головка цилиндров 3 выполнена в виде усеченного конуса.

На головке цилиндров 3 выполнены системы подвода топливовоздушной смеси 6 и система выхлопа 7. Также на головке цилиндров 3 установлен, по меньшей мере, один впускной клапан 8 во впускном окне 9 и, по меньшей мере, один выпускной клапан 10 в выпускном окне 11.

Кроме того, в головке цилиндров 3 установлен воспламенитель, содержащий свечу зажигания 12 и форкамеру 13, которая состоит из двух частей - переходной 14 и внутренней частей 15. Во внутренней части 15 выполнена камера воспламенения 16, которая сообщается с камерой сгорания 5 выходными отверстиями 17, которые выполнены под углом к оси O2O2 воспламенителя. В системе подвода топливовоздушной смеси 6 установлена топливная форсунка 18, к которой присоединен топливопровод 19. В системе впуска топливовоздушной смеси 6 непосредственно перед впускным (впускными) клапаном (нами) 8 установлено средство закрутки потока 20.

ДВС содержит блок высокого напряжения 21, выход которого высоковольтными проводами 22 и 23 соединен соответственно с цилиндром (цилиндрами) 1 и с головкой цилиндров 3. Высоковольтный провод 22 соединен с заземлением 24.

Камера сгорания 5 образована внутри цилиндра 1 между поршнем 2, точнее между внутренней стенкой 25 головки цилиндров 3 и рабочим торцом 26 поршня 3.

В системе подачи топливовоздушной смеси 6 установлен электрод-активатор 27, который может быть установлен в изоляторе 28 перед форсункой 18 или после нее. К электроду-активатору 27 присоединен высоковольтный провод 29, другой конец которого соединен с высоковольтным проводом 23.

На фиг. 2 приведен вид на головку цилиндров 3 со стороны камеры сгорания 5. При этом клапаны 8 и 10 и внутренняя часть 15 форкамеры 13 размещены относительно друг друга со сдвигом на 180°.

На фиг. 3 приведен воспламенитель, который содержит в полости воспламенения 16 центральный обтекатель 30, установленный вдоль оси O2O2 воспламенителя (и свечи зажигания) 12 между выходными отверстиями 17, которые в свою очередь выполнены под углом к оси O2O2 (веером). Центральный обтекатель 30 выполнен в виде пирамиды, вершина которой Ф находится на оси воспламенителя O2O2 и обращена к свече зажигания 12.

Выходные отверстия 17 (все или только их часть) могут быть образованы пластинами 31 (фиг. 7) или обтекаемыми профилями 32 (фиг. 8).

Внутренняя часть 15 форкамеры 13 может быть выполнена в форме цилиндра (фиг. 6…8), части сферы (фиг. 9 и 10) или в форме части эллипсоида вращения (фиг. 11).

На фиг. 11 приведена более детально система впуска топливовоздушной смеси, при этом на фиг. 12 приведен разрез Е-Е, первый вариант средства закрутки потока 20 с наклонными пластинами 33, на фиг. 13 приведен разрез Е-Е, второй вариант с обтекаемыми профилями 34.

На фиг. 14 приведен вариант устройства с нижней частью форкамеры 6 в форме части эллипсоида вращения и лазерной свечой зажигания 12. Лазерная свеча зажигания 12 содержит оптическое волокно 34 и фокусирующую линзу 35 на ее нижнем торце. Оптическое волокно 34 соединено с блоком накачки 36.

Фокус Ф выполнен таким образом, что он находится в точке пересечения осей O2O2 выходных отверстий 17. Это уменьшает газодинамическое сопротивление выходных отверстий 17 при выходе продуктов сгорания из камеры воспламенения 16 в камеру сгорания 5 цилиндра 1. В результате мощность воспламеняющих факелов форкамеры 13 увеличивается при тех же ее габаритах и мощности свечи зажигания 12.

На фиг. 15 приведена схема электрического поля для прототипа, а на фиг. 15 приведена схема электрического поля для предложенного ДВС. Из фиг. 16 видно, что линии электрического поля 37 равномерно принизывает весь объем камеры сгорания 5 внутри цилиндра 1.

На фиг. 17 приведена схема активации топливовоздушной смеси, на фиг. 18 приведена схема активации воздуха. К системе подачи ТВС 6 присоединена через диэлектрическую 38 прокладку система подачи воздуха 39. В системе подачи воздуха 39 на изоляторе 28 установлен электрод-активатор 27.

РАБОТА ДВС

При работе ДВС и воспламенителя, входящего в составе ДВС (фиг. 1…18), в состав которого входит воспламенитель, после впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) большая ее часть попадает в камеру сгорания 5, ее меньшая часть (от 1% до 10%) через выходные отверстия 17 попадает в камеру воспламенения 16.

В цикле «рабочий ход» продукты сгорания предварительно воспламеняются свечой зажигания 12 в камере воспламенения 16, потом продукты неполного сгорания, имеющие очень высокую температуру, проходят через выходные отверстия 17 в камеру сгорания 5 цилиндра 1 ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней. При этом, за счет того, что общая площадь выходных отверстий 17 больше, чем площадь поперечного камеры воспламенения 16, выходные отверстия 17 не дросселируют поток ТВС при его поступлении в камеру сгорания 5. Вследствие этого объем заряда ТВС в этих камерах возрастает. В цикле рабочий ход из-за большей общей площади выходных отверстий 17 по сравнению с прототипом мощность воспламеняющего факела (факелов) возрастает. Большие поперечные габариты внутренней части 15 позволяют разместить на ней максимальное количество выходных отверстий 17 большой площади при минимальном выступании форкамеры 6 внутрь цилиндра 1 ДВС.

Удаление свечи зажигания 12 от камеры сгорания предотвращает отложение копоти на их электродах.

Наличие обтекателя 30 способствует уменьшению аэродинамических потерь. Выполнение фокуса Ф лазерной свечи 12 в точке пересечения осей выходных отверстий 17 также улучшает аэродинамику воспламеняющих факелов (фиг. 14).

Фокусировка лазерного луча на центральном обтекателе 30, использование его как мишени ускоряет прогрев верхней точки Ф обтекателя и улучшает запуск ДВС особенно при отрицательных температурах.

Удаление фокусирующей линзы 35 от камеры сгорания 5 предотвращает отложение на ней частиц углерода.

Выполнение выходных отверстий 17 в форме щелей позволит произвести закрутку большей массы ТВС в камере сгорания 5.

Кроме того, во всех циклах работы каждого цилиндра ДВС на топливовоздушную смесь или на продукты сгорания действует сильное электрическое поле по всему объему камеры сгорания 5, и в отличие от прототипа, это способствует интенсификации процесса горения и способствует догоранию продуктов сгорания.

Наличие сильного электрического поля (до 10 тыс. В/см) активизирует движение ионов в пламени и способствует повышению полноты сгорания. В отличие от прототипа электрическое поле распространяется на весь объем камеры сгорания 5 (фиг. 15 и 16).

Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности. Также этот подход может быть применен на двигателях, работающих на криогенных топливах: водороде и сжиженном природном газе. Для воспламенения криогенного топлива, имеющего очень низкую температуру, не понадобится значительно увеличивать мощность свечи зажигания. Особенно хорошо этот эффект будет проявляться на двигателях большой мощности.

Форкамера 13 устанавливается на головке цилиндров 3 до ее сборки с цилиндром(ами) 1. Реализовать эти принципы в любых других форкамерах 13 невозможно, так как имея большие поперечные габариты нижней части 15 форкамеры 13 нельзя осуществить сборку ДВС.

В итоге применение группы изобретений позволит:

- при увеличении объема ее камеры воспламенения 16 уменьшить осевые габаритные размеры форкамеры за счет увеличения ее поперечных габаритов,

- упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении свечи зажигания и форкамеры,

- повысить мощность воспламеняющего факела и тем самым улучшить воспламенение ТВС, при этом мощность воспламеняющего факела увеличивается в случае применения лазерной свечи зажигания и выполнения ее фокуса в точке пересечения осей выходных отверстий форкамеры,

- улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет подогрева центрального обтекателя,

- уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного воздействием на ТВС в камере сгорания ДВС более мощным электрическим полем, которое пронизывает весь объем камеры сгорания, закрутки ТВС и применения турбулизаторов потока.

- снизить эмиссию вредных веществ вследствие полного сгорания топлива,

- увеличить ресурс работы электрической свечи зажигания за счет исключения попадания обогащенной смеси в район ее электродов, а для свечи лазерного зажигания удалить фокусирующую линзу от камеры сгорания и исключить отложение на ней частиц углерода.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, головку цилиндров, прокладку между головкой цилиндров и цилиндрами, систему впуска топливовоздушной смеси с впускным клапаном и систему выпуска с выпускным клапаном и воспламенитель, содержащий в свою очередь свечу зажигания, отличающийся тем, что прокладка выполнена из диэлектрического материала, внутренняя полость головки цилиндров - в виде криволинейной выпуклой в сторону, противоположную от поршня, полости, продольные оси клапанов и воспламенителя выполнены пересекающимися на оси цилиндра, а к каждому цилиндру и головке цилиндров присоединены выводы высоковольтных проводов из генератора высокого напряжения.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что в системе впуска топливовоздушной смеси непосредственно перед впускным клапаном установлено средство закрутки потока.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что воспламенитель содержит форкамеру, выходные отверстия которой выполнены под углом к оси воспламенителя.

4. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена цилиндрической формы.

5. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена в виде части сферы.

6. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена в виде части эллипсоида вращения.

7. Двигатель внутреннего сгорания по п. 3, отличающийся тем, что свеча зажигания выполнена лазерной.

8. Двигатель внутреннего сгорания по п. 7, отличающийся тем, что фокус лазерной свечи зажигания выполнен в точке пересечения осей выходных отверстий.

9. Воспламенитель, содержащий свечу зажигания и форкамеру, имеющую корпус с внутренней частью с выходными отверстиями во внутренней части, отличающийся тем, что выходные отверстия выполнены под углом к оси воспламенителя, и, по меньшей мере, часть выходных отверстий выполнена в форме щелей.

10. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена цилиндрической формы.

11. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена в виде части сферы.

12. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена в виде части эллипсоида вращения.

13. Воспламенитель двигателя внутреннего сгорания по п. 9, отличающийся тем, что площадь выходных отверстий выполнена больше площади поперечного сечения внутренней полости форкамеры.

14. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что щели образованы прямоугольными пластинами.

15. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что щели образованы обтекаемыми профилями.

16. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что щели выполнены во внутренней части корпуса.

17. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что щели выполнены радиальными.

18. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что в центральной части внутренней части корпуса выполнен центральный обтекатель.

19. Воспламенитель по п. 18, отличающийся тем, что вдоль оси центрального обтекателя выполнено осевое отверстие.

20. Воспламенитель по п. 9, отличающийся тем, что свеча зажигания выполнена лазерной.

21. Воспламенитель по п. 20, отличающийся тем, что фокус лазерной свечи зажигания выполнен в точке пересечения осей выходных отверстий.

22. Воспламенитель по п. 21, отличающийся тем, что фокус лазерной свечи совпадает с вершиной центрального обтекателя.