двигатель внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность

Формула изобретения

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЗАЖИГАНИЕМ ОТ УДАРА О ГОРЯЧУЮ ПОВЕРХНОСТЬ, содержащий цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами и топливной форсункой, имеющей по меньшей мере одно распылительное сопло, камеру сгорания, ограниченную внутренней стенкой головки цилиндра и днищем поршня, и нагреватель, расположенный в центральной части камеры сгорания и выполненный в виде плоской металлической нагревательной пластины с несущим элементом и электронагревательного элемента для нагрева пластины, причем поверхность нагрева нагревательной пластины перпендикулярна к оси сопла форсунки, отличающийся тем, что камера сгорания снабжена полостью, выполненной в днище поршня, и нагревательная пластина расположена в полости при положении поршня в верхней мертвой точке.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что нагревательная пластина выполнена в форме диска и прикреплена через несущий элемент к головке цилиндра.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель снабжен теплоаккумулирующими ребрами, выполненными на стороне, противоположной поверхности нагрева нагревательной пластины.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что нагреватель прикреплен к центральной части дна полости камеры сгорания.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что электронагревательный элемент снабжен средством для регулирования подачи мощности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность.

Известен двигатель внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность, содержащий цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами и топливной форсункой, имеющей по меньшей мере одно распылительное сопло, камеру сгорания, ограниченную внутренней стенкой головки цилиндра и днищем поршня, и нагреватель, расположенный в центральной части камеры сгорания и выполненный в виде плоской металлической нагревательной пластины с несущим элементом и электронагревательного элемента для нагрева пластины, причем поверхность нагрева нагревательной пластины перпендикулярна оси сопла форсунки [1]

Однако известный двигатель характеризуется недостаточной эффективностью сгорания различных видов топлива.

Целью изобретения является повышение эффективности сгорания топлива.

Указанная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность, содержащем цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами и топливной форсункой, имеющей по меньшей мере одно распылительное сопло, камеру сгорания, ограниченную внутренней стенкой головки цилиндра и днищем поршня, и нагреватель, расположенный в центральной части камеры сгорания и выполненный в виде плоской металлической нагревательной пластины с несущим элементом и электронагревательного элемента для нагрева пластины, причем поверхность нагрева нагревательной пластины перпендикулярна к оси сопла форсунки, камера сгорания снабжена полостью, выполненной в днище поршня, и нагревательная пластина расположена в полости при положении поршня в верхней мертвой точке.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что нагревательная пластина выполнена в форме диска и прикреплена через несущий элемент к головке цилиндра.

Нагреватель может быть снабжен теплоаккумулирующими ребрами, выполненными на стороне, противоположной поверхности нагрева нагревательной пластины.

Нагреватель также может быть прикреплен к центральной части дна полости камеры сгорания, а электронагревательный элемент снабжен средством для регулирования подачи мощности.

На фиг. 1 показан первый вариант двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность, боковой разрез; на фиг. 2 внутренняя стенка головки цилиндра; на фиг. 3 второй вариант двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность, боковой разрез; на фиг. 4 третий вариант двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность, боковой разрез; на фиг. 5 четвертый вариант двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность, боковой разрез; на фиг. 6 пятый вариант двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от удара о горячую поверхность, боковой разрез; на фиг. 7 график зависимости заданной температуры T_o поверхности нагрева от нагрузки L двигателя; на фиг. 8 график зависимости заданной температуры Т_о поверхности нагрева от числа оборотов N вала двигателя; на фиг. 9 график зависимости заданной температуры Т_о поверхности нагрева от температуры TW воды, охлаждающей двигатель; на фиг. 10 график зависимости заданной температуры Т_о поверхности нагрева от нагрузки L двигателя, числа оборотов N вала двигателя и температуры TW воды, охлаждающей двигатель; на фиг. 11 электронный блок управления заданной температурой T_o; на фиг. 12 блок-схема первого варианта управления нагревом; на фиг. 13 блок-схема второго варианта управления нагревом; на фиг. 14 блок-схема третьего варианта управления нагревом.

Предлагаемый двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2, совершающий возвратно-поступательное движение в цилиндре 1, головку 3 цилиндра 1, камеру 4 сгорания, образованную днищем 5 поршня 2 и внутренней стенкой 6 головки 3 цилиндра 1, впускной и выпускной клапаны. В центральной части днища 5 поршня 2 выполнена полость 9. В центральной части плоской внутренней стенки 6 головки 3 цилиндра 1 размещена топливная форсунка 10. В варианте, показанном на фиг. 1, топливная форсунка 10 имеет единственное сопло 11 и иглу 12 для управления открытием и закрытием сопла 11. Когда игла 12 открывает сопло 11, топливо впрыскивается из сопла в центральную часть полости 9.

При положении поршня 2 в верхней мертвой точке в центральной части полости 9 размещен нагреватель 13, выполненный в виде нагревательной пластины 14 дисковой формы, поддерживаемой головкой 3 цилиндра 1 с помощью пары несущих элементов 15 и 16. Нагреватель 13 выполняют, например, из жаропрочного материала, такого как керамика. В нагревателе 13 размещен электронагревательный элемент 17, который нагревает поверхность 18 нагрева нагревателя 13, перпендикулярную оси сопла 11 и обращенную к нему. Кроме того, в нагревателе 13 размещен датчик 19 температуры, представляющий собой, например, термопару, которая воспринимает температуру поверхности 18 нагрева. Температуру поверхности 18 нагрева поддерживают на уровне не ниже 650^оС, например около 800^оС, что выше температуры сжатия на основе выходных сигналов датчика 19 температуры. Вместо электронагревательного элемента 17 можно использовать керамический нагреватель такой, как терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, которым можно заменить нагреватель 13 в целом. В варианте, показанном на фиг. 1, поверхность 18 нагрева выполнена в виде плоской поверхности, параллельной внутренней стенке 6 головки 3 цилиндра 1. Эта поверхность 18 нагрева может быть выполнена также в виде выпуклой или вогнутой поверхности со сравнительно большим радиусом кривизны.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

Топливо впрыскивается из сопла 11 топливной форсунки 10 на центральную часть поверхности 18 нагрева в виде сплошной струи жидкости, как показано F. В варианте, показанном на фиг. 1, впрыск топлива начинается примерно за 5-15^о до достижения верхней мертвой точки сжатия. Топливо, впрыснутое из сопла 11, ударяется о центральную часть поверхности 18 нагрева. В этот момент часть топлива распыляется немедленно за счет энергии удара. Остальное топливо растекается во всех направлениях к краям поверхности 18 нагрева в виде движущейся пленки жидкости. На краях поверхности 18 нагрева эта движущаяся пленка жидкости дробится и превращается в макрочастицы топлива, которые разлетаются в окружающее пространство, как показано стрелками на фиг. 1 Часть впрыснутого топлива распыляется немедленно после удара. Распыленное топливо отнимает теплоту у поверхности 18 нагрева и сильно нагревается, благодаря чему оно может немедленно воспламениться. Топливо, растекающееся в виде движущейся пленки жидкости на поверхности 18 нагрева, отнимает теплоту у поверхности 18 нагрева в процессе движения по ней и сильно нагревается. Поэтому макрочастицы топлива, разлетающиеся в окружающее пространство от краев поверхности 18 нагрева, также имеют высокую температуру и также могут немедленно самовоспламениться. Вследствие этого время задержки зажигания крайне мало, и топливо, впрыскиваемое из топливной форсунки 10, последовательно сжигается. В результате, давление газов растет постепенно, что обеспечивает подавление шума и снижает максимальную температуру горения, подавляя образование NO_x. Кроме того, поскольку топливо разлетается равномерно во всех направлениях от поверхности 18 нагрева, макрочастицы топлива равномерно рассеиваются в полости 9, и поэтому охватывающая макрочастицы область, бедная кислородом, почти полностью исчезает, благодаря чему можно подавить образование макрочастиц.

Важным моментом является то, что топливо впрыскивают из сопла 11 топливной форсунки 10 в виде сплошной струи жидкости и что поверхность 18 нагрева имеет площадь, которая достаточна для того, чтобы сообщить достаточное количество теплоты топливу, ударяющемуся о поверхность 18 нагрева.

Изобретение отличается от обычных дизельных двигателей, в которых из сопл топливных форсунок впрыскивается распыленное топливо, тем, то при впрыскивании топлива из сопла 11 топливной форсунки 10 основная его часть не распыляется. Распыление впрыснутого топлива обеспечивается за счет его столкновения с поверхностью 18 нагрева. Конечно полностью предотвратить распыление топлива, впрыскиваемого из сопла 11, невозможно, и поэтому в действительности о поверхность 18 нагрева ударяется в виде нераспыленной жидкости лишь часть топлива, впрыскиваемого из сопла 11. При этом в одних случаях топливо ударяется о поверхность 18 нагрева в виде сплошной струи жидкости, а в других в виде масс жидкости, разделившихся после впрыска. И в тех и в других случаях необходимо сталкивать впрыснутое топливо с поверхностью 18 нагрева, чтобы распылить его, и поэтому скорость впрыскиваемого топлива в момент его удара о поверхность 18 нагрева должна быть как можно большей. Поэтому топливо впрыскивают из сопла 11 в виде сплошной струи жидкости, т.е. скорость топлива, впрыскиваемого в виде сплошной струи жидкости, не снижается заметным образом до столкновения топлива с поверхностью 18 нагрева, поскольку оно обладает большой проникающей силой. Благодаря этому давление впрыска топлива, впрыскиваемого из топливной форсунки 10, можно установить даже на низком уровне 100 кГ/см² 150 кг/см² и таким образом обеспечить высокую скорость топлива при столкновении с поверхностью 18 нагрева.

Если топливо, распыляемое таким путем, впрыскивают из сопла топливной форсунки, проникающая сила топливного тумана невелика, и скорость частиц топлива быстро снижается до такой степени, когда они могут или не могут быть впрыснуты из сопла. Поэтому даже, если впрыск топлива скомбинирован с запальной свечой, небольшое количество частиц топлива, ударяющихся о запальную свечу, просто плавает рядом с запальной свечой, и частицы топлива, имеющие высокую температуру, не рассеиваются по большей части камеры 4 сгорания, вследствие чего эффект сокращения задержки зажигания незначителен.

В то время, как часть впрыснутого топлива распыляется немедленно после удара, топливо, ударяющееся о поверхность 18 нагрева в виде жидкости, распространяется по кольцу по поверхности 18 нагрева и затем распыляется. Поэтому, чтобы сообщить достаточную теплоту топливу, распространяющемуся по кольцу, поверхность 18 нагрева должна предпочтительно иметь такую площадь, при которой можно обеспечить нагрев топлива, распространившегося по кольцу. Чтобы нагреть топливо, текущее в виде пленки жидкости по поверхности 18 нагрева к ее краям, поверхность 18 нагрева должна иметь еще большую площадь.

В варианте, показанном на фиг. 1, основная часть топлива, впрыскиваемого из сопла 11 топливной форсунки 10, т.е. по меньшей мере 50 процентов топлива, может приводиться в столкновение с поверхностью 18 нагрева в виде жидкости. Однако даже, если с поверхностью 18 нагрева сталкивается в виде жидкости менее 50 процентов всего топлива, впрыскиваемого из топливной форсунки 10, все равно наблюдается эффект значительного сокращения задержки зажигания.

Поскольку температура поверхности 18 нагрева поддерживается на высоком уровне, на поверхности 18 нагрева не происходит образования нагара, а поскольку размеры нагревателя 13 малы, температура поверхности 18 нагрева поднимается немедленно после включения питания и поэтому можно обеспечить превосходное сгорание с крайне малым периодом задержки зажигания после запуска двигателя.

На фиг. 3 показан второй вариант изобретения. В этом варианте нагреватель 13 имеет теплоаккумулирующие ребра 20, выполненные на стороне, противоположной поверхности 18 нагрева, ребра 20 поглощают максимум теплоты сгорающего газа и передают теплоту к поверхности 18 нагрева, уменьшая мощность, потребляемую электронагревательным элементом 17, для чего она и предназначена.

На фиг. 4 показан третий вариант изобретения. В этом варианте, электронагревательный элемент 17 размещен внутри несущего элемента 15, к оконечной части которого прикреплена нагревательная пластина 14, имеющая хорошую удельную теплопроводность, например, выполненная из металлического материала. Теплота, генерируемая электронагревательным элементом 17, передается за счет теплопроводности нагревательной пластине 14, вследствие чего поверхность 18 нагрева нагревательной пластины 14 нагревается.

На фиг. 5 показан четвертый варианты изобретения. В этом варианте нагреватель 13 поддерживается с помощью трех несущих элементов 21 топливной форсункой 10, т.е. в этом варианте нагреватель 13 выполнен заодно с топливной форсункой 10.

На фиг. 6 показан пятый вариант изобретения. В этом варианте нагреватель 13 опирается на центральную часть дна полости 9 камеры 4 сгорания.

В каждом из двигателей внутреннего сгорания, показанных на фиг. 1-6, можно использовать любое топливо, пригодное для двигателя внутреннего сгорания, такое как легкое масло, а также бензин, метиловый спирт, керосин и топливо, получаемое растворением в жидкости, например воде, мелких частиц угля. Вдобавок в каждом из этих двигателей внутреннего сгорания во впускном трубопроводе нет дроссельной заслонки и нет необходимости создавать вихрь внутри камеры 4 сгорания, поэтому впускное сопротивление уменьшается и с этой точки зрения также возможно поднять тепловой КПД.

Во всех вариантах изобретения для сокращения задержки зажигания температуру поверхности 18 нагрева необходимо поддерживать на заданном уровне. Заданный уровень температуры имеет свою оптимальную величину. Это оптимальное значение составляет 650^оС или больше, предпочтительно около 800^оС, но несколько меняется в зависимости от режима работы двигателя. Далее со ссылкой на фиг. 7-10, дается объяснение оптимальной заданной температуры.

Если нагрузка L двигателя падает, количество впрыскиваемого топлива уменьшается, и температура внутри камеры 4 сгорания падает, поэтому самовоспламенение топлива становится затруднительным. Поэтому, как показано на фиг. 7, предпочтительно, чтобы снижение нагрузки L двигателя сопровождалось повышением заданной температуры Т_о поверхности 18 нагрева.

Чем ниже число оборотов N вала двигателя, тем продолжительнее такты взрыва, ниже температура внутри камеры 4 сгорания и тем затруднительнее самовоспламенение топлива. Поэтому, как показано на фиг. 8, предпочтительно, чтобы снижение числа оборотов вала двигателя сопровождалось повышением заданной температуры Т_о поверхности 18 нагрева.

Чем ниже температура ТW воды, охлаждающей двигатель, тем больше падает температура приточного воздуха и температура внутри камеры 4 сгорания и тем затруднительнее самовоспламенение топлива. Поэтому, как показано на фиг. 9, предпочтительно, чтобы снижение температуры TW воды, охлаждающей двигатель, сопровождалось повышением температуры Т_о поверхности 18 нагрева.

Таким образом, заданная температура Т_о поверхности 18 нагрева зависит от нагрузки L двигателя, числа оборотов N вала двигателя и температуры TW воды, охлаждающей двигатель, как показано на фиг. 10.

Ниже, со ссылкой на фиг. 11-14, объясняется способ управления заданной температурой Т_о.

Как показано на фиг. 11, электронный блок 22 управления представляет собой цифровой компьютер и содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 23, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 24, ЦП (микропроцессор) 25, порт 26 ввода и порт 27 вывода, соединенные между собой двунаправленной шиной 238. Датчик 29 загрузки генерирует выходное напряжение, пропорциональное нажатию на педаль акселератора (не показана), т.е. выходное напряжение, пропорциональное нагрузке L двигателя, которое подается через аналого-цифровой преобразователь 30 на порт 26 ввода. Датчик 31 числа оборотов генерирует выходные импульсы при повороте коленчатого вала двигателя на каждые, например, 30^о, которые подаются на порт 26 ввода. В микропроцессоре 25 по выходным импульсам вычисляется число N оборотов вала двигателя. Датчик 19 температуры генерирует выходное напряжение, пропорциональное температуре Т поверхности 18 нагрева, которое подается через аналого-цифровой преобразователь 32 на порт 26 ввода. Датчик 33 температуры воды генерирует выходное напряжение, пропорциональное температуры ТW водяного охлаждения двигателя, которое подается через аналого-цифровой преобразователь 34 на порт 26 ввода. Порт 27 вывода соединен через схему возбуждения 35 с электронагревательным элементом 17 нагревателя 13.

Соотношение между заданной температурой Т_о, нагрузкой L двигателя, числом N оборотов вала двигателя и температурой ТW охлаждения двигателя, показанное на фиг. 10, заранее записано в ПЗУ 23 в виде трехмерной карты. Поэтому, на основе выходных сигналов датчика 29 нагрузки, датчика 31 числа оборотов и датчика 33 температуры воды может быть найдена заданная температура Т_о. Температура Т поверхности 18 нагрева нагревателя 13 детектируется датчиком 19 температуры, и электронагревательный элемент 17 регулируется таким образом, чтобы температура Т поверхности 18 нагрева приняла значение, равное заданной температуре Т_о.

На фиг. 12 показан первый вариант программы управления нагревом электронагревательного элемента 17, которая выполняется по прерыванию через каждый фиксированный промежуток времени. Сначала на шаге 36 определяется, выше ли температура Т поверхности 18 нагрева, чем заданная температура Т_о. Если Т>Т_о, программа переходит к шагу 37, на котором электронагревательный элемент 17 включается и таким образом генерирует тепло. Таким образом температура Т поверхности 18 нагрева поддерживается на уровне заданной температуры Т_о. Заметим, что в некоторых случаях температура Т поверхности 18 нагрева остается выше заданной температуры Т_о, даже при отключенном электронагревательном элемента 17 за счет теплоты, получаемой от сгорающего газа, при работе двигателя в режиме больших нагрузок. В этом случае после шага 36 выполняется шаг 38, на котором электронагревательный элемент 17 по-прежнему остается отключенным.

На фиг. 13 показан второй вариант программы управления нагревом электронагревательного элемента 17, которая выполняется по прерыванию через каждый фиксированный промежуток времени. Сначала на шаге 39 определяется, выше ли температура Т поверхности 18 нагрева, чем заданная температура Т. Когда Т>Т_о, программа переходит к шагу 40, на котором ток I, подводимый к электронагревательному элементу 17, может быть уменьшен на фиксированную величину . Заметим, что количество теплоты, генерируемой элект- ронагревательным элементом 17, снижается при уменьшении тока I, подводимого к элементу 17, и возрастает при увеличении тока I. Затем на шаге 41 определяется, не является ли значение тока I отрицательной величиной и, если I<0, программа переходит к шагу 42, на котором I=0, и к шагу 43.

При этом, если на шаге 39 определяется, что Т Т_о, программа переходит к шагу 44, на котором ток I, подводимый к нагревательному элементу 17 может быть увеличен на фиксированную величину . Затем, на шаге 45 определяется, не больше ли величина тока I, чем максимально допустимое значение I_мах. Если I>I_мах, программа переходит к шагу 46, на котором ток I делается равным I_мах, и к шагу 43.

На шаге 43 данные, показывающие ток I, выводятся на порт 27 вывода. На основе этих данных регулируется величина тока, подводимого к элементу 17. В этом варианте, ток I, подводимый к элементу 17, регулируется таким образом, чтобы температура Т поверхности 18 нагрева приняла значение, равное заданной температуре Т_о. В этом варианте также можно отключить электронагревательный элемент 17, если температура поверхности 18 нагрева остается выше заданной температуры Т_о даже при отключенном элементе 17 за счет теплоты, получаемой от сгорающего газа.

На фиг. 14 показан третий вариант программы управления нагревом электронагревательного элемента 17, которая выполняется по прерыванию через каждый фиксированный промежуток времени. На шаге 47 данные, показывающие ток I, выводятся на порт 27 вывода. На основе этих данных регулируется величина тока, подводимого к элементу 17. В этом варианте, когда температура Т поверхности 18 нагрева ниже заданной температуры Т_о на величину Т или больше, ток I устанавливается на максимально допустимом значении I_мах, поэтому нагреватель 13 может быстро нагреться. Таким образом, можно обеспечить прекрасное сгорание сразу же после запуска двигателя. Далее, если температура Т поверхности 18 нагрева превышает заданную температуру Т_о на величину Т или больше, ток I устанавливается на нуле, и таким образом питание элемента 17 прекращается. Таким образом, можно отключить элемент 17, если температура поверхности 18 нагрева продолжает оставаться выше, чем (Т_о+ Т) даже при отключенном элемент 17 за счет теплоты, получаемой от сгорающего газа. С другой стороны, когда (Т_о+ + Т) T (Т_о- Т), величина тока I, подводимого к элементу 17, регулируется так, чтобы температура поверхности 18 нагрева стала равной заданной температуре Т_о.

Следовательно, в соответствии с изобретением, за счет столкновения топлива с поверхностью нагрева частицы топлива, получающие теплоту от поверхности нагрева, активизируются, рассеиваются в окружающем пространстве и могут немедленно воспламениться. Таким образом, при использовании любого топлива, которое может рассматриваться как пригодное для двигателя внутреннего сгорания, такого как легкое масло, а также бензин, метиловый спирт, керосин и топливо, получаемое растворением в жидкости, например воде, мелких частиц угля, можно сделать задержку зажигания крайне малой и добиться превосходного сгорания за счет самовоспламенения.