Двигатель внутреннего сгорания - RU2348819C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при производстве и эксплуатации двигателей с системой впрыска топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр.

Известен двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2230202 от 8.01.2003 г., МКИ7 F02B 19/10. Он содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, нагнетатель топливовоздушной смеси и головку цилиндра, в которой размещена сферическая или коническая камера сгорания и цилиндрическая форкамера. Камера сгорания и форкамера соединены с нагнетателем топливовоздушной смеси одним или несколькими каналами. Проекции участков осей каналов, входящих в камеру сгорания и в форкамеру, на плоскость 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.

Однако при работе известного двигателя топливовоздушная смесь, проходя по каналам от нагнетателя до форкамеры и камеры сгорания, может охлаждаться, что приведет к образованию в составе топливовоздушной смеси жидкой капельной фазы, обедняя смесь топливом сверх допустимого предела. Кроме того, часть топливовоздушной смеси, скользя по стенкам камеры сгорания под действием вертикальной составляющей центробежных сил, может преждевременно выбрасываться в надпоршневое пространство, обедняя остающуюся в камере смесь. В результате нарушится стабильность работы двигателя, снизится его мощность и повысится расход топлива.

Известен также двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2278985 от 24.09.2004 г., МКИ7 F02B 19/10, 33/22, который принят за прототип. Двигатель по прототипу имеет рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания и камеру сгорания, которые соединены с нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра с поршнем. Каналы подачи топлива и воздуха расположены вверху компрессорного цилиндра выше верхней мертвой точки его поршня и снабжены обратными клапанами. Каналы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания и в форкамеру выполнены в виде трубки, разделенной вдоль ее оси перегородкой, или в виде двух трубок, установленных параллельно друг другу, расположены в полости с охлаждающей жидкостью и снабжены нагревателем. В зоне расположения этих каналов установлен датчик температуры, соединенный с блоком питания нагревателя. Канал подачи топливовоздушной смеси в форкамеру снабжен регулировочным механизмом с приводом, связанным с датчиком числа оборотов коленчатого вала двигателя или с устройством для подачи топлива. Камера сгорания имеет цилиндрическую форму. Проекции осей участков каналов подачи топливовоздушной смеси, входящих в камеру сгорания и в форкамеру, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра перпендикулярны его оси. Такая конструкция обеспечивает повышение стабильности работы двигателя и увеличение его мощности, а также уменьшение расхода топлива вследствие гомогенизации топливовоздушной смеси.

Однако эксперименты по отработке двигателя по прототипу показали, что струя топливовоздушной смеси при входе в форкамеру и в камеру сгорания прижимается к стенкам камер и, завихряясь, образует в средней части этих камер застойную зону, не участвующую в процессе смесеобразования, что приводит к неоднородности смеси по ее качеству. В пристеночных областях камеры сгорания образуется богатая смесь, а в центре камеры сгорания смесь будет бедной. Кроме того, при сжатии топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре давление может превышать величину давления, на которое рассчитано устройство для подачи топлива (например, форсунка). Это может привести к прекращению подачи топлива, что вызовет потерю мощности и нестабильность работы двигателя. Применение форсунок и насосов высокого давления существенно увеличит стоимость двигателя. Впрыск топлива по прототипу производится после начала движения компрессорного поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, при этом газификация топлива происходит во время движения поршня на 180° вниз и на 180° вверх. Времени этого движения может оказаться недостаточно для полной газификации топлива, что также нарушит стабильность работы двигателя, повысит непроизводительный расход топлива и увеличит загрязнение окружающей среды.

Технический результат предлагаемого двигателя - повышение стабильности работы двигателя и его коэффициента полезного действия (КПД), уменьшение расхода топлива и снижение токсичности отработанных газов путем повышения однородности топливовоздушной смеси.

Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую форму и каналы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, нагнетатель топливовоздушной смеси, выполненный в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабженный устройством для подачи топлива. В отличие от прототипа между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан. Форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса. Диаметр основания форкамеры равен диаметру камеры сгорания. Двигатель снабжен одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Оси этих каналов направлены попарно навстречу друг другу. Угол между осями этих каналов и осью камеры сгорания выбран в интервале между точкой пересечения осей этих каналов на центральном электроде свечи зажигания и точкой пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего цилиндра при его положении в верхней мертвой точке.

По второму варианту устройство для подачи топлива установлено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха. По третьему варианту компрессорный цилиндр снабжен двумя устройствами для подачи топлива, одно из которых расположено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха, а другое - в его верхней части выше верхней мертвой точки компрессорного поршня.

Между каналами подачи топлива и компрессорным цилиндром установлены обратные клапаны. Канал подачи топлива тангенциально соединен с каналом подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха. В канале подачи воздуха установлена дроссельная заслонка. Между дроссельной заслонкой и устройством для подачи топлива установлен датчик массового расхода воздуха, соединенный с контроллером, который соединен с устройством для подачи топлива.

Предлагаемая конструкция двигателя и способ управления им обеспечивают достижение технического результата, поскольку устраняют недостатки прототипа. Это обеспечивается тем, что изменение формы форкамеры, направление каналов ввода топливовоздушной смеси в камеру сгорания навстречу друг другу и предлагаемое ограничение угла между осями этих каналов и осью камеры сгорания обеспечит более равномерное распределение топливовоздушной смеси в объеме форкамеры и камеры сгорания. Наличие обратного клапана между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром предупредит выброс топливовоздушной смеси через форсунку и исключит необходимость применения дорогостоящего оборудования высокого давления. Тангенциальное соединение канала подачи топлива с каналом подачи воздуха в направлении по ходу движения воздуха обеспечит более полное перемешивание топлива с воздухом, что сделает топливовоздушную смесь более однородной. Расположение устройства для подачи топлива в нижней части компрессорного цилиндра обеспечит возможность подачи топлива в начале движения компрессорного поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Это на 50% увеличит время газификации топлива. Газификация в этом случае будет происходить в течение времени поворота коленчатого вала двигателя на 540°. Это повысит качество подготовки топливовоздушной смеси, что приведет к более полному сгоранию топлива в камере сгорания, уменьшит токсичность отработанных газов и увеличит мощность двигателя. Наличие в предлагаемом двигателе двух устройств для подачи топлива, одно из которых расположено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха, а второе расположено в верхней части компрессорного цилиндра выше верхней мертвой точки компрессорного поршня, позволит в два раза уменьшить продолжительность впрыска топлива, что соответственно увеличит продолжительность процесса газификации топлива и также улучшит качество подготовки топливовоздушной смеси.

Наличие в канале подачи воздуха в компрессорный цилиндр дроссельной заслонки и связанного с ней датчика массового расхода воздуха, который соединен с контроллером, управляющим устройством для подачи топлива, позволит поддерживать постоянство заданного соотношения топлива и воздуха в топливовоздушной смеси в объеме компрессорного цилиндра, что обеспечит стабильность работы двигателя на всех режимах. Начало подачи топлива в канал подачи воздуха в момент начала перемещения компрессорного поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке на 50% увеличивает время, в течение которого происходит газификация топлива, что также способствует образованию более однородной топливовоздушной смеси. В результате повышается стабильность работы двигателя и уменьшается расход топлива.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана общая конструктивная схема предлагаемого двигателя, на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1 в случае, когда оси каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания наклонены в сторону точки пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего цилиндра, на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1 в случае, когда оси каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания наклонены в сторону центрального электрода свечи зажигания, на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.5 - сечение В-В на фиг.1.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр 1 с поршнем 2, соединенным со штоком 3. В рабочем цилиндре 1 предусмотрены окна 37 и 38 для забора воздуха и для отвода выхлопных газов. В головке 4 рабочего цилиндра 1 размещены камера сгорания 5 и форкамера 6 со свечей зажигания 7. Камера сгорания 5 имеет форму цилиндра, а форкамера 6 выполнена в форме полусферы, как это показано на фиг.1, или в форме усеченного конуса. Диаметр основания форкамеры 6 равен диаметру камеры сгорания 5. Двигатель снабжен нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра 13, состоящего из корпуса 17 и крышки 33. Полость 8 компрессорного цилиндра 13 соединена с камерой сгорания через клапан отсечки 21 с пружиной 20, удерживаемой пластиной 18, канал подачи топливовоздушной смеси 36, выполненный в виде трубки 26, снабженной нагревателем 25, обратный клапан 28, установленный в корпусе 24, кольцевой канал 22 и через каналы 10, соединяющие камеру сгорания 5 с кольцевым каналом 22. Нагреватель 25 соединен проводами 29 с источником электрического тока 30, к которому подключен датчик температуры, установленный в крышке двигателя 31. Угол α между осями каналов 10 и осью камеры сгорания 5 выбран в интервале между точкой пересечения осей каналов 10 на центральном электроде свечи зажигания 7 (α₁ на фиг.2) и точкой пересечения оси камеры сгорания 5 с днищем рабочего цилиндра 2 при его положении в верхней мертвой точке (α₂ на фиг.3). Двигатель содержит одну или несколько пар каналов 10 подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания 5. Оси каналов 10 направлены попарно навстречу друг другу (фиг.4).

Двигатель снабжен устройством 12 для подачи топлива, которое установлено в крышке 33 компрессорного цилиндра 13 в его верхней части и соединено с каналом подачи топлива 14 (фиг.1). Между этим каналом и полостью 8 компрессорного цилиндра 13 установлен обратный клапан 42. При расположении в нижней части компрессорного цилиндра 13 устройство 27 подачи топлива установлено в канале 35 подачи топлива, который тангенциально соединен с каналом 11 подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха (фиг.5). Каналы 15 подачи топливовоздушной смеси в полость 8 компрессорного цилиндра 13 снабжены обратными клапанами 34.

В канале 11 подачи воздуха установлена дроссельная заслонка 39. Между ней и устройством 27 подачи топлива установлен датчик 40 массового расхода воздуха, соединенный с контроллером 41, который соединен с устройствами подачи топлива 12 и 27.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

После начала движения от верхней мертвой точки (ВМТ) компрессорного поршня 19, шток 32 которого кинематически связан через коленчатый вал со штоком 3 рабочего поршня 2, в полость 8 компрессорного цилиндра 13 через устройство 12 и канал 14 подают топливо. При движении компрессорного поршня 19 вниз над ним создается разряжение, клапаны 34 (фиг.5) под действием разности давлений откроются и в полость 8 компрессорного цилиндра 13 через каналы 11 и 15 поступит чистый воздух из атмосферы. Внутри полости 8 образуется топливовоздушная смесь, которая в результате движения компрессорного поршня 19 к нижней мертвой точке (НМТ) интенсивно перемешивается. После достижения НМТ компрессорный поршень 19 начнет движение вверх к ВМТ, начнется сжатие топливовоздушной смеси. При этом давление в полости 8 может превысить значение давления, на которое рассчитано устройство 12 для подачи топлива. В этом случае в двигателе по прототипу произойдет выброс топливовоздушной смеси через устройство 12 для подачи топлива, что повысит расход топлива и понизит КПД двигателя. Применение в качестве устройства 12 форсунок высокого давления резко повысит стоимость двигателя. Поэтому в предлагаемой конструкции двигателя предусмотрен обратный клапан 42, установленный между каналом 14 подачи топлива и полостью 8 компрессорного цилиндра 13.

По другому варианту предусмотрено расположение устройства для подачи топлива 27 в нижней части компрессорного цилиндра 13. При этом устройство 27 расположено в канале 35 подачи топлива, который тангенциально соединен с каналом 11 подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха в канале 11 (фиг.1 и 5). Через устройство 27 и канал 35 впрыск топлива в канал 11 начинают в момент начала движения компрессорного поршня 19 вверх от НМТ к ВМТ и продолжают до окончания этого движения. При этом происходит частичная газификация топлива, образуется топливовоздушная смесь. При последующем движении компрессорного поршня 19 от ВМТ к НМТ топливовоздушная смесь из канала 11 через каналы 15 всасывается в полость 8 компрессорного цилиндра 13 в течение времени поворота коленчатого вала двигателя, с которым кинематически соединен шток 32, на 180°. При начале последующего движения компрессорного поршня 19 от НМТ к ВМТ клапаны 34 вновь закроются. В это время вновь осуществляют впрыск топлива в канал 11 подачи воздуха. Топливовоздушная смесь в объеме полости 8 компрессорного цилиндра 13 при ходе компрессорного поршня 19 от НМТ к ВМТ, сжимаясь, нагревается, обеспечивая дальнейшую газификацию топлива. Таким образом, в двигателе по прототипу и в предлагаемом двигателе при расположении устройства 12 для подачи топлива в верхней части компрессорного цилиндра 13 топливовоздушная смесь газифицируется в течение времени поворота коленчатого вала двигателя на 360°, тогда как при предлагаемом варианте расположения устройства 27 для подачи топлива в нижней части компрессорного цилиндра 13, в канале 35 подачи топлива, тангенциально соединенном с каналом 11 подачи воздуха, газификация топлива будет происходить в течение времени поворота коленчатого вала двигателя на 540°. Это обеспечит получение более гомогенной топливовоздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания 5 и форкамеру 6, и, следовательно, более полное сгорание топлива, что уменьшит его расход, повысит мощность и КПД двигателя, снизит токсичность отработанных газов.

Еще один вариант предлагаемой конструкции двигателя предусматривает наличие одновременно двух устройств для подачи топлива 12 и 27. Устройство 12 расположено в верхней части компрессорного цилиндра 13 в канале 14 подачи топлива, снабженном обратным клапаном 42, а устройство 27 расположено в нижней части компрессорного цилиндра 13 в канале 35 подачи топлива, который тангенциально соединен с каналом 11 подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха. При этом варианте возможна одновременная работа устройств 12 и 27 подачи топлива, что в два раза сократит время, необходимое для впрыска заданного количества топлива, в результате увеличится время газификации топлива, что улучшит качество подготовки топливовоздушной смеси и приведет к дополнительному снижению расхода топлива, повышению мощности и КПД двигателя и уменьшению токсичности выхлопных газов. Особенно существенным будет эффект от одновременной работы двух устройств 12 и 27 подачи топлива в случаях, когда двигатель должен работать с большой нагрузкой, требующей повышенной мощности и увеличения объема расходуемого топлива (при работе двигателя на богатой смеси). При низкой температуре воздуха, когда испарение топлива затруднено, включают только одно устройство 12, которое подает топливо через канал 14 и обратный клапан 42 непосредственно в полость 8 компрессорного цилиндра 13. Это обеспечивает достаточное количество топливовоздушной смеси в объеме компрессорного цилиндра 13 и в камере сгорания 5, что позволяет осуществить запуск холодного двигателя. После прогрева двигателя до заданной температуры, при которой топливо в канале 11 подачи воздуха может газифицироваться, включают устройство 27 подачи топлива и двигатель продолжает работать в наиболее эффективном режиме.

При достижении в полости 8 компрессорного цилиндра 13 давления, на которое тарирована пружина 20, клапан отсечки 21 поднимется вверх и откроет вход в канал 36. Через лепестковый обратный клапан 23 топливовоздушная смесь впрыснется в кольцевой канал 22, из которого через попарно расположенные навстречу друг другу каналы 10 (фиг.1 и 4) попадет в камеру сгорания 5 и форкамеру 6. Попарное встречное расположение каналов 10 обеспечивает направление потоков топливовоздушной смеси навстречу друг другу. Вблизи оси камеры сгорания 5 встречные потоки топливовоздушной смеси, соударяясь, равномерно распылятся в объемах камеры сгорания 5 и форкамеры 6, что позволит избежать образования застойных зон в этих объемах и расслоений топливовоздушной смеси, как это может происходить в двигателе по прототипу. Отсутствие застойных зон приведет к более полному сгоранию топлива, что повысит мощность двигателя, его КПД и стабильность работы, снизит токсичность выхлопных газов.

Этот же технический результат обеспечит предлагаемое ограничение угла α между осями каналов 10 ввода топливовоздушной смеси и осью камеры сгорания 5. Если угол α будет больше угла α₂ (фиг.2) между осью канала 10, проходящей через точку пересечения оси камеры сгорания 5 с днищем рабочего поршня 2 при его положении в верхней мертвой точке, и осью камеры сгорания 5, или меньше угла α₁ (фиг.3), образованного осью канала 10 при прохождении этой оси через точку пересечения оси камеры сгорания 5 с поверхностью центрального электрода свечи зажигания 7 и осью камеры сгорания 5, то потоки топливовоздушной смеси, выходящие из каналов 10, не встретятся, а ударятся о поверхность поршня 2 либо о поверхность форкамеры 6. В этих случаях произойдет завихрение этих потоков, что может привести к расслоению заряда топливовоздушной смеси и к пропускам зажигания топливовоздушной смеси. В результате сгорание топливовоздушной смеси будет неполным, увеличится непроизводительный расход топлива и токсичность выхлопных газов, снизится мощность двигателя и его КПД.

Выполнение форкамеры 6 в форме полусферы или конуса с основанием, диаметр которого равен диаметру цилиндрической камеры сгорания 5, обеспечивает плавные очертания внутренней поверхности форкамеры 6 и камеры сгорания 5, что практически исключает возможность образования застойных зон в объемах форкамеры 6 и камеры сгорания 5. Это также предупреждает расслоение топливовоздушной смеси и, способствуя более полному сгоранию топлива, повышает мощность двигателя, его КПД и стабильность работы, снижает токсичность выхлопных газов.

В предлагаемом двигателе в канале 11 подачи воздуха установлена дроссельная заслонка 39, а между ней и устройством 27 подачи топлива в канале 11 установлен датчик 40 массового расхода воздуха, связанный с контроллером 41, который соединен с устройствами 12 и 27 подачи топлива. С помощью этих элементов обеспечивается стабильная работа двигателя на всех режимах. При необходимости изменения мощности двигателя дроссельную заслонку 39 открывают или закрывают, изменяя подачу воздуха через каналы 11 и 15 и обратные клапаны 34 в полость 8 компрессорного цилиндра 13. С помощью датчика 40 определяют изменение расхода воздуха и передают сигнал об этом изменении с датчика 40 на контроллер 41, определяющий необходимое количество топлива, которое нужно подать в канал 11 или 14, чтобы обеспечить постоянство состава топливовоздушной смеси при изменившемся расходе воздуха. Контроллер 41 подает команду на устройства 12 и 27 об изменении количества подаваемого топлива. Таким образом постоянно поддерживают заданное соотношение топлива и воздуха в топливовоздушной смеси, что обеспечивает стабильную работу двигателя на всех режимах.

Предлагаемый двигатель может быть изготовлен с помощью известных и применяемых в технике средств: литья, токарной, фрезерной и других видов механической обработки, а также укомплектован известными устройствами, применяющимися в двигателестроении. Например, в качестве устройств 12 и 27 для подачи топлива могут быть применены форсунки, в качестве датчика 40 массового расхода воздуха - известные расходомеры. Подтверждением возможности изготовления предлагаемого двигателя может служить опытный образец, изготовленный заявителем для испытаний.

Опытный образец предлагаемого двигателя был испытан в сравнении с двигателем по прототипу. При испытаниях двигатель работал в двухтактном режиме на бензине АИ 95 производства Башнефть при степени сжатия ε=14. В двигателе по прототипу форкамера и камера сгорания имели цилиндрическую форму и объемы соответственно 5 и 36 мл. Предлагаемый двигатель имел цилиндрическую камеру сгорания 5 объемом 34 мл и форкамеру 6 в форме полусферы объемом 10 мл.

Испытания проводили на прогретых двигателях при частоте вращения коленчатого вала n=1000 об/мин. В процессе испытаний определяли газоанализатором «Инфракар М» состав выхлопных газов. Результаты испытаний показали (см. таблицу), что в выхлопных газах предлагаемого двигателя по сравнению с прототипом содержание СО уменьшилось в 2,3 раза, СН - в 4,13 раза, O₂ - в 1,04 раза, а содержание CO₂ увеличилось в 1,04 раза. Коэффициент избытка воздуха в топливовоздушной смеси составил в предлагаемом двигателе 2,9 против 2,3 в двигателе по прототипу.

Полученные данные свидетельствуют о том, что заявляемое изобретение обеспечивает технический эффект, причиной которого является более полное сгорание топлива в предлагаемом двигателе по сравнению с прототипом. В результате применение предлагаемого двигателя повысит его мощность и КПД, увеличит стабильность работы, снизит токсичность выхлопных газов. Таким образом, поскольку предлагаемый двигатель может быть изготовлен с помощью известных в технике средств и обеспечивает достижение технического эффекта, то заявляемое изобретение обладает промышленной применимостью.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую форму, нагнетатель топливовоздушной смеси, выполненный в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабженный устройством для подачи топлива и каналами подачи топлива и воздуха, а также каналами подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, при этом между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан, а форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса, диаметр основания форкамеры равен диаметру камеры сгорания, двигатель снабжен одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, оси которых направлены попарно навстречу друг другу, причем угол между осями этих каналов и осью камеры сгорания выбран в интервале между точкой пересечения осей этих каналов на центральном электроде свечи зажигания и точкой пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего поршня при его положении в верхней мертвой точке. Изобретение обеспечивает повышение стабильности и КПД работы двигателя, снижение расхода топлива и токсичности отработанных газов. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Формула