Двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, конкретно к средствам воспламенения топливовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение полноты сгорания, снижение эмиссии вредных веществ и уменьшение затрат энергии на воспламенение. Сущность изобретения заключается в том, что в ДВС, содержащем по меньшей мере один цилиндр с поршнем, головку цилиндров, прокладку между головкой и цилиндром, прокладка выполнена из диэлектрического материала, внутренняя полость головки цилиндров выполнена в виде усеченного конуса, а к цилиндрам и головке цилиндров присоединены выводы высоковольтных проводов генератора высокого напряжения. В системе впуска топливовоздушной смеси непосредственно перед клапаном может быть установлено средство закрутки потока. Двигатель может содержать форкамеру с выходными отверстиями и свечой зажигания, которая может быть выполнена лазерной, при этом ее фокус расположен в точке пересечения осей выходных отверстий. 8 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Изобретение 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 А. Св. СССР на изобретение №1059245, МПК А 02315.00, 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 свечами 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 - большое потребление мощности свечами зажигания из-за воспламенения топливовоздушной смеси по всему объему.

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 по меньшей мере одним впускным клапаном и систему выпуска с по меньшей мере одним выпускным клапаном и воспламенитель, содержащий, в свою очередь, свечу зажигания, отличающемся тем, что прокладка выполнена из диэлектрического материала, внутренняя полость головки цилиндров - в виде усеченного конуса, а к цилиндрам и головке цилиндров присоединены выводы высоковольтных проводов из генератора высокого напряжения.

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

На внутренней поверхности головки цилиндров выполнены турбулизаторы.

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.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…17, 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. 6 приведен разрез D-D, первый вариант,

- на фиг. 7 приведен разрез D-D второй вариант,

- на фиг. 8 приведен вариант устройства с нижней части форкамеры в форме части сферы,

- на фиг. 9 приведен разрез Е-Е,

- на фиг. 10 приведен вариант устройства с нижней части форкамеры в форме эллипсоида вращения,

- на фиг. 11 приведен разрез F-F,

- на фиг. 12 приведена система впуска топливовоздушной смеси,

- на фиг. 13 приведен разрез F-F, первый вариант,

- на фиг. 14 приведен разрез F-F, второй вариант,

- на фиг. 15 приведен вариант устройства с нижней частью форкамеры в форме части эллипсоида вращения и лазерной свечой зажигания,

- на фиг. 16 приведена схема электрического поля для прототипа,

- на фиг. 17 приведена схема электрического поля в предложенном ДВС.

ДВС (фиг. 1…17) 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 части 15. Во внутренней части 15 выполнена камера воспламенения 16, которая сообщается с камерой сгорания 6 выходными отверстиями 17, которые выполнены под углом к оси O1O1 воспламенителя. В системе подвода топливовоздушной смеси 6 установлена топливная форсунка 18 ,соединенная с топливопроводом 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.

Кроме того, на внутренней поверхности 25 головки цилиндров 3 выполнены турбулизаторы 26 в виде выступов или впадин для закручивания ТВС и создания вихрей в камере сгорания 5, что способствует ее более полному сгоранию. Камера сгорания 5 образована внутри цилиндра 1 между поршнем 2, точнее его торцом 27 и головкой цилиндра 3.

Конструкция воспламенителя приведена на фиг. 3…7.

Выходные отверстия 17 (все или только их часть) могут быть образованы пластинами 28 (фиг. 6) или обтекаемыми профилями 29 (фиг. 7).

В центральной части внутренней части 9 форкамеры 6 может быть выполнен обтекатель 30 (фиг. 4…7), в центре которого вдоль оси симметрии O1O1 может быть выполнено центральное осевое отверстие 31 (фиг. 8 и 9).

Внутренняя часть 15 может быть выполнена в форме части сферы (фиг. 8 и 9) или в форме части эллипсоида вращения (фиг. 10 и 11).

На фиг. 12 приведена более детально система впуска топливовоздушной смеси, при этом на фиг. 13 приведен разрез G-G, первый вариант средства закрутки потока 20 с наклонными пластинами 32, на фиг. 14 приведен разрез G-G, второй вариант с обтекаемыми профилями 33.

На фиг. 15 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. 16 приведена схема электрического поля для прототипа, а на фиг. 15 приведена схема электрического для предложенного ДВС. Из фиг. 17 видно, что линии электрического поля 37 равномерно принизывает весь объем камеры сгорания 5 внутри цилиндра 1.

РАБОТА ДВС

При работе ДВС и воспламенителя, входящего в составе ДВС (фиг. 1…17), 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 максимально количество выходных отверстий 17 большой площади при минимальном выступании форкамеры 6 внутрь цилиндра 1 ДВС.

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

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 в отличие 6 т прототипа. А это способствует интенсификации процесса горения и способствует догоранию продуктов сгорания.

Наличие турбулизаторов 26 также способствует интенсификации горения.

Наличие сильного электрического поля (до 10 тыс. В/см) активирует движение ионов в пламени и способствует повышению полноты сгорания. В отличие от прототипа электрическое поле распространяется на весь объем камеры сгорания 5 (фиг. 16 и 17).

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 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 электрода,

- уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более воздействием на ТВС в камере сгорания ДВС 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 свечи за счет очистки от копоти ее электродов и выходных отверстий.

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 по меньшей мере одним впускным клапаном и систему выпуска с по меньшей мере одним выпускным клапаном и воспламенитель, содержащий, в свою очередь, свечу зажигания, отличающийся тем, что прокладка выполнена из диэлектрического материала, внутренняя полость головки цилиндров - в виде усеченного конуса, а к цилиндрам 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 каждым впускным клапаном установлено средство закрутки потока.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности головки цилиндров выполнены турбулизаторы.

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

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

6. Двигатель внутреннего сгорания по п. 4, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена в виде части сферы.

7. Двигатель внутреннего сгорания по п. 4, отличающийся тем, что внутренняя часть корпуса форкамеры выполнена в виде части эллипсоида вращения.

8. Двигатель внутреннего сгорания по п. 4, отличающийся тем, что свеча зажигания выполнена лазерной.

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