двухфоркамерный двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

Двухкамерный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с размещенным в ним поршнем, головку цилиндра, органы впуска рабочей смеси и выпуска отработавших газов, основную камеру сгорания, образованную цилиндром, поршнем и головкой, и две форкамеры, выполненные в головке с возможностью поочередного сообщения с основной камерой сгорания через соответствующие управляемые клапаны, отличающийся тем, что каждая из форкамер выполнена с объемом, составляющим 25-45% от объема основной камеры сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано как при их проектировании, так и для модернизаций действующих.

Известна конструкция ДВС (см. а.с. СССР N 45463, М.кл. F 02 B 19/06, 1935 г.), содержащая цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра, органы впуска рабочей смеси и выпуска отработавших газов, основную камеру сгорания, образованную цилиндром, поршнем и головкой, и две форкамеры, выполненные в головке с возможностью поочередного сообщения с основной камерой сгорания через соответствующие управляемые клапаны (прототип).

Недостатком такой конструкции является низкая эффективность рабочего процесса.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка, т. е. предложение позволяет осуществить повышение эффективности рабочего процесса, за счет более полного сгорания топливной смеси.

Поставленная цель достигается подбором оптимального соотношения объема каждой из форкамер к объему основной камеры сгорания.

Чертеж показывает предлагаемую конструкцию 4-х тактного ДВС. В цилиндре 1 расположен поршень 2. Сверху цилиндр 1 закрыт головкой, которая содержит две замкнутые форкамеры 3 и 4. С полостью цилиндра 1 камеры 3 и 4 соединены с помощью управляемых клапанов 5 и 6. Привод этих клапанов условно не показан. В каждой камере имеются свечи зажигания 7 и 8. Кроме того цилиндр 1 содержит всасывающий 9 и выхлопной 10 клапаны. В верхней мертвой точке предлагаемого ДВС зазор А между днищем поршня 2 и днищем камер 3 и 4 выбирается таким образом, чтобы получался вполне определенный объем камеры сгорания 11, который также определенным образом соотносится с объемом каждой из форкамер 3 или 4.

На чертеже двигатель показан с поршнем в верхнем мертвой точке и с открытыми клапанами форкамер, что характерно для момента самовоспламенения в одной из форкамер.

Работает конструкция следующим образом.

Запуск от стартера: при ходе поршня 2 вниз через всасывающий клапан 9 цилиндр 1 заполняется горючей смесью такт всасывания. При ходе поршня 2 вверх открывается клапан 5 и горючая смесь, сжимаясь, начинает поступать в камеру 3 такт сжатия. В верхней мертвой точке хода поршня 2 только некоторая часть горючей смеси (но не вся) переместится из цилиндра в камеру 3, после этого клапан 5 закрывается и сжатая горючая смесь поджигается от свечи 7. При следующих ходах поршня 2 вниз и вверх происходит аналогичное заполнение камеры 4 и начало горения в ней горючей смеси после закрытия клапана 6.

Установившийся процесс. Рабочий ход поршня 2 происходит при открывании клапана 5 и поступлении в основную камеру сгорания 11 сгоревшей рабочей смеси из камеры 3. При этом происходит воспламенение находящейся в камере 11 горючей смеси. В процессе рабочего хода происходит очень интенсивное горение этой смеси т. к. в цилиндр 1 поступил мощный поток раскаленных продуктов сгорания из камеры 3. Поэтому по сравнению с классической схемой ДВС (без форкамер) происходит более полное сгорание рабочей смеси.

При ходе поршня 2 вверх происходит выхлоп через клапан 10. При следующем ходе поршня 2 вниз происходит заполнение цилиндра 1 горючей смесью через клапан 9. При следующем ходе поршня вверх горючая смесь, сжимаясь, частично перемещается в камеру 3 через клапан 5. В верхней мертвой точке хода поршня открывается клапан 6 и раскаленные горючие газы начинают поступать из камеры 4 в камеру 11 цилиндра 1 и через клапан 5 в камеру 3, поджигая имеющуюся в этих объемах сжатую горючую смесь. После этого клапан 5 закрывается и в замкнутом пространстве камеры 3 в течение 4-х тактов работы двигателя продолжается горение рабочей смеси.

В это время происходит рабочий ход поршня как от давления горячих газов из камеры 4, так и от горящей смеси в основной камере сгорания 11. После этого происходит выхлоп, всасывание и заполнение освободившейся камеры 4.

Перед началом следующего рабочего хода горючая смесь в камере 4 поджигается от горячих газов, истекающих из камеры 3, клапан 6 закрывается и горение в камере 4 продолжается в течение последующих 4-х тактов работы двигателя.

В результате получается, что такой 4-х тактный (в классическом понимании) двигатель работает в 8-ми тактном режиме, а каждая форкамера в 4-х тактном.

Необходимо подчеркнуть, что во время рабочего хода происходит дожигание несгоревших в форкамере остатков горючей смеси уже в цилиндре и полное горение той части рабочей смеси, которая находится в одной из форкамер происходит в течение 5-ти полных тактов.

Таким образом горение рабочей смеси, которая находилась в каждой из форкамер происходит в течение 5-ти тактов.

Сведем изложенное в таблицу.

Искровая система при установившемся рабочем процессе отключается.

Двухтактный двигатель (на чертеже не показан) работает аналогичным образом. В нем процесс горения в камерах происходит в течение полных 2-х тактов хода поршня, а кроме того, дожигание остатков несгоревшего топлива происходит и в течение рабочего хода, т.е. в течение 3-х циклов. Поджигание рабочей смеси в каждой из камер происходит аналогично, как и в 4-х тактном двигателе, при одновременно открытых клапанах камер, т.е. за счет перекрытия их открытого состояния в начале каждого рабочего хода.

Таким образом, рассматриваемая конструкция работоспособна при определенной настройке системы газораспределения, позволяет осуществить процесс самовоспламенения топливной смеси.

По части работы и настройки такой системы. Как отмечено выше, в конце цикла сжатия и после окончания заполнения одной из форкамер ее клапан некоторое время должен оставаться открытым и через него поступает пламя из второй форкамеры при начале открытия второго клапана и начале рабочего хода. После зажигания смеси клапан закрывается и горение рабочей смеси происходит при постоянном объеме. Рабочий ход осуществляется от суммарного давления сгоревших газов поступающих из одной форкамеры и давления процесса горения горючей смеси в основной камере сгорания.

Для оценки эффективности работы предложенного 8-ми тактного ДВС был произведен теоретический сравнительный анализ серийного двигателя ЗМЗ-24 без форкамер, устанавливаемый на автомобили ГАЗ-24, ГАЗ-2410 и др. с таким же, но условным двигателем, оборудованным форкамерами.

Для расчета была использована методика, освоенная кафедрой ДВС при С.Петербургском техническом университете.

Расчеты показали, что для повышения эффективности КПД необходимо ограничить количество рабочей смеси, передавливаемой из цилиндра в каждую из форкамер. При этом часть этой рабочей смеси должна оставаться в цилиндре и сжигаться во время рабочего хода. Кроме того, оказалось, что существует вполне определенная зависимость между объемом каждой из форкамер и объемом основной камеры сгорания. Расчеты показали, что объем каждой из форкамер должен быть не менее 25% и не более 45% от объема камеры сжатия. При этом расчетное повышение КПД (по сравнению с базовым двигателем) находится в пределах 20. 25% Отклонение от рассмотренного отношения объемов резко уменьшает КПД.

Таким образом, проведенные исследования позволяют выявить следующие основные преимущества двухфоркамерного ДВС:

1. Возможность существенно снижения расхода топлива (до 20.25%) двигателем на основном спектре эксплуатационных режимов, характерных, в частности, для двигателя автомобильного типа.

2. Возможность использования различных марок топлива, в том числе и с пониженным октановым числом, т.е. предложенный двигатель обладает многотопливностью.

3. Возможность снижения токсичности отработанных газов двигателя по остаточным углеводородам СН и окиси углерода СО, достигаемая путем резкого повышения скорости сгорания и, следовательно, полноты сгорания топлива.

4. Отсутствие в конструктивной схеме двигателя сложных электронных элементов управления двигателем в отличие от двигателей с впрыском топлива, при обеспечении сравнимых параметров топливной экономичности.

5. Постоянство регулировок двигателя по составу смеси, фазам газораспределения и фазам открытия управляющих клапанов во всем эксплуатационном режиме. Кроме того, отсутствует необходимость регулировок искровой системы зажигания, т.к. она используется только для запуска двигателя.

6. Возможность реализации конструкции с применением основных элементов двигателя традиционной конструкции блока цилиндров, коленчатого вала, шатуна, основного механизма газораспределения и т.п. При этом нет необходимости в кардинальном изменении технологии производства, оборудования и оснастки действующих предприятий двигателестроения. Изменяется только конструкция головки блока цилиндров, для реализации которой не требуется очень больших капитальных вложений.

Поэтому рассматриваемая конструкция является вполне перспективной и она может быть применена даже на действующих безфоркамерных двигателях путем замены головки блока цилиндров на головку содержащую форкамеры.