способ инициирования воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ инициирования воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и камерой зажигания, включающий ввод в такте сжатия в камеру зажигания топливовоздушной смеси, воспламенение ее, выброс горящего факела в начале такта расширения в основную камеру сгорания, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь вводят из основной камеры в камеру зажигания по ее центральной части, дополнительно осуществляют подачу в камеру зажигания переобогащенной смеси, формирующейся у стенок цилиндра по периферии основной камеры сгорания, а выброс горящих факелов из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по периферии камеры зажигания в виде системы пространственно ориентированных хордальных струй, образующих в основной камере по некоторой окружности центра масс заряда вращающийся поджигающий вихрь.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий основную камеру сгорания с рабочим цилиндром, камеру зажигания, выполненную симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания с кольцевым искровым промежутком и сообщенную с основной камерой сгорания выполненными в днище камеры зажигания соединительными каналами центральным большего диаметра и периферийными меньшего диаметра, отличающийся тем, что центральный канал выполнен в виде сопла с плавно закругленными кромками со стороны основной камеры сгорания, сужающегося по направлению камеры зажигания, и с острыми кромками на выходе со стороны камеры зажигания, периферийные каналы выполнены в виде сопл с плавно закругленными кромками со стороны камеры зажигания, суживающимися в сторону основной камеры сгорания, и острыми выходными кромками со стороны основной камеры сгорания, а основная камеры сгорания по ее периферии сообщена посредством дополнительных каналов с объемом камеры зажигания у кольцевого искрового промежутка.

3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что оси отверстий дополнительных каналов на входе в камеру зажигания ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности.

4. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что выходные сопла дополнительных каналов выполнены сужающимися с острыми выходными кромками, выступающими над внутренней поверхностью камеры зажигания.

5. Двигатель по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что торцевая рабочая поверхность поршня выполнена вогнутой в центральной части и плоской по периферии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, более конкретно, к поршневым двигателям внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием с улучшенными экономическими и экологическими характеристиками и используемыми в качестве приводных двигателей на транспорте и в энергетике.

Известны способы и устройства форкамерно-факельного воспламенения топливовоздушной (преимущественно, бедной) смеси в ДВС, в которых наполнение форкамеры (камеры зажигания) горючей смесью и выброс поджигающего факела производится через факельные каналы в стенке, разделяющей форкамеру и основную камеру сгорания двигателя (например, авт. св. СССР N 1151699, патенты США NN 4442807, 4513707, патент СССР N 1181558).

Указанные способы и устройства не позволяют создавать в форкамере состав смеси, отличающийся (например, более богатый) от состава смеси в цилиндре и основной камере сгорания двигателя.

Известно техническое решение (патент США N 4442807), принятое за прототип, в котором воспламенительная форкамера (камера зажигания) выполнена симметрично относительно оси цилиндра, снабжена устройством зажигания с кольцом искровым промежутком и сообщена с основной камерой сгорания сквозными соединительными каналами, расположенными вблизи оси цилиндра. Наполнение камеры зажигания горючей смесью в такте сжатия осуществляется через указанные каналы и смесь отбирается из центральной части цилиндра.

Вследствие реального несовершенства процесса смесеобразования двигателей внутреннего сгорания и попадания капель неиспарившегося топлива на стенки камеры сгорания и цилиндра через соединительные каналы в разделяющей стенке в камеру зажигания из центральной части цилиндра будет поступать обедненная смесь. При сжигании же в двигателе бедных смесей ( 1,05-1,1) местные составы смеси, поступающей в форкамеру из объема цилиндра, будут еще более бедными ( a >1,1), что существенно ухудшит поджигающие свойства факела, а вследствие этого ухудшит индикаторные показатели двигателя мощность, экономичность, надежность его работы, а вследствие недогорания топлива и экологические характеристики двигателя.

С другой стороны, известно открытое д.т.н. Гуссаком Л.А. (Институт химической физики АН СССР) явление высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой углеводородовоздушной смеси за счет образования нестабильных активных свободных радикалов и атомов (Ю.П. Конюшая. Открытия советских ученых. Московский рабочий, 1979).

Задача состоит в том, чтобы при сжигании бедной углеводородовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания найти способ и устройство для местного обогащения смеси в камере зажигания (форкамере) и получения поджигающего факела высокой химической активности.

Тогда за счет образования в поджигающем факеле сверхравновесных концентраций химически активных частиц (свободных атомов и радикалов) инициируется воспламенение и интенсифицируется горение основной части бедной топливовоздушной смеси, находящейся в основной камере сгорания двигателя, и за счет своевременного и полного сгорания смеси повысится индикаторные показатели двигателя, уменьшатся выбросы продуктов неполного окисления, снизятся требования к антидетонационным качествам топлив.

Предлагаемое изобретение по способу и устройству позволяет это делать.

Поставленная задача решается тем, что в способе инициирования, воспламенения и интенсификации горения топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и с камерой зажигания, включающем ввод в такте сжатия в камеру зажигания топливовоздушной смеси, воспламенение ее, выброс горящего факела в основную камеру сгорания в начале такта расширения, наряду с вводом топливовоздушной смеси из основной камеры в камеру зажигания по ее центральной части, дополнительно подают в камеру зажигания переобогащенную смесь, формирующуюся у стенок цилиндра по периферии основной камеры сгорания, а выброс горящих факелов из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по периферии камеры зажигания в виде системы пространственно ориентированных хордальных струй, образующих в основной камере сгорания на некоторой окружности центра масс заряда вращающийся вихрь. Кроме того, торцевая рабочая поверхность поршня выполнена вогнутой в центральной части и плоской по периферии.

В двигателе внутреннего сгорания для осуществления способа, содержащем основную камеру сгорания с рабочим цилиндром, камеру зажигания, выполненную симметрично относительно оси цилиндра, снабженную устройством зажигания с кольцевым искровым промежутком и сообщенную с основной камерой сгорания соединительными каналами, выполненными в днище камеры зажигания, центральным - большего диаметра и периферийными меньшего диаметра, центральный канал выполнен в виде сопла с плавно закругленными кромками со стороны основной камеры сгорания, сужающегося по направлению камеры зажигания и с острыми кромками на выходе со стороны камеры зажигания, периферийные камеры выполнены в виде сопел с плавно закругленными кромками со стороны камеры зажигания, сужающихся в сторону основной камеры сгорания, с острыми выходными кромками со стороны основной камеры сгорания, оси периферийных сопел ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливовоздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания, основная камера по ее периферии посредством дополнительных каналов с объемом камеры зажигания у кольцевого искрового промежутка, оси отверстий дополнительных каналов на входе в камеру зажигания ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности, а входные сопла этих каналов выполнены сужающимися с острыми выходными кромками, выступающими над внутренней поверхностью камеры зажигания.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что наряду с наполнением камеры зажигания смесью из цилиндра через соединительные каналы в днище камеры зажигания дополнительно перебрасывают в камеру зажигания естественно формирующуюся у стенок цилиндра по периферии основной камеры сгорания двигателя переобогащенную смесь (за счет оседания капель жидкого топлива на стенках цилиндра, счищения топливной пленки и пограничного слоя со стенок цилиндра поршневыми кольцами и проталкивания этого слоя вверх) через систему дополнительных периферийных каналов в камеру зажигания кольцевым пояском на донышке поршня.

Предлагаемое устройство представляет собой систему дополнительных каналов, сообщающих полость основной камеры сгорания двигателя по ее периферии с камерой зажигания у кольцевого искрового заряда, причем, оси отверстий этих каналов на входе в камеру зажигания ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности, сопла каналов выполнены суживающимися, с острыми выходными кромками, выступающими над внутренней поверхностью камеры зажигания, срыв потока с которых после воспламенения смеси и повышения давления в камере зажигания предотвращает прорыв газов через дополнительные каналы в полость цилиндра. Кроме того, торцевая рабочая поверхность поршня выполнена вогнутой в центральной части и плоской по периферии.

На фиг. 1 представлен разрез двигателя внутреннего сгорания с камерой зажигания, сообщающейся с основной камерой через систему каналов в днище и систему дополнительных каналов для подачи в камеру зажигания переобогащенной смеси, отбираемой из области вблизи стенок цилиндра; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлен процесс наполнения камеры зажигания через центральный канал с образованием вихревого течения в камере зажигания и с дополнительной подачей богатой смеси через систему периферийных каналов по касательной к внутренней поверхности камеры зажигания; на фиг. 4 представлен процесс воспламенения смеси от свечи и истечения горящей смеси через систему периферийных факельных каналов в днище камеры зажигания; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 4.

Двигатель внутреннего сгорания имеет основную камеру сгорания 1 с рабочим цилиндром 2, поршень 3, камеру зажигания 4, выполненную симметрично относительно оси цилиндра 2, снабженную устройством зажигания 5 с кольцевым искровым зазором 6 и соединенную с основной камерой сгорания 1 двумя системами каналов в днище камеры зажигания и на ее боковой цилиндрической поверхности вблизи искрового зазора.

Система каналов в днище состоит из двух типов сопел, выполненных в виде газодинамических детекторов с противоположно ориентированной пропускной способностью.

Прохождение газа в одном направлении обеспечивается выполнением каналов суживающимися с плавным входом и внезапно обрывающимся выходом с острыми выходами кромками. Такой канал свободно пропускает газ в одном направлении и дросселирует (вплоть до практически полного перекрытия) за счет срыва потока с острых выходных кромок движения газа в противоположном направлении.

Центральное сопло 7 (по меньшей мере, одно) для наполнения камеры зажигания 4 горючей смесью из центральной части цилиндра 2 выполнено в виде суживающегося канала с плавным входом со стороны цилиндра и внезапно обрывающимся выходом с острыми кромками со стороны камеры зажигания 4. Ось сопла 7 направлена по оси камеры зажигания 4.

Дополнительно камера зажигания снабжена каналами 8, сообщающими основную камеру по ее периферии с частью камеры зажигания у кольцевого искрового зазора. Оси отверстий 9 каналов 8 на входе в камеру зажигания 4 ориентированы по касательной к ее внутренней поверхности, а выходные сопла 10 каналов 8 выполнены суживающимися с острыми выходными кромками.

Периферийные сопла 11 в днище камеры зажигания 4 (по меньшей мере, два) для создания поджигающих струй также выполнены в виде сужающихся каналов, но имеющих плавные входы со стороны камеры зажигания и внезапно обрывающиеся выходы с острыми кромками со стороны основной камеры сгорания. Оси 12 периферийных сопел 11 ориентированы касательно к условной окружности центра масс топливовоздушного заряда для заданного объема основной камеры сгорания 1.

Кроме того, торцевая рабочая поверхность поршня 3 выполнена вогнутой в центральной части 13 и плоской по периферии 14. Жаростойкая сопловая вставка 15 камеры зажигания 4 выполнена съемной.

Работает двигатель внутреннего сгорания следующим образом. Наполнение основной камеры сгорания 1 и цилиндра двигателя происходит в такте наполнения при движении поршня 3 вниз, а наполнение камеры зажигания 4 смесью осуществляется в такте сжатия, когда поршень 3 движется вверх.

Основное количество бедной топливовоздушной смеси из центральной части цилиндра в камеру зажигания 4 поступает через центральное сопла 7 достаточно больших размеров с плавно профилированным входом (фиг. 3). Периферийные сопла 11 вследствие срыва потока с острых выходных кромок, выступающих в полость камеры сгорания и образования вихрей практически запираются и смесь через них в камеру зажигания не поступает.

Такое конструктивное выполнение при достаточно больших размерах периферийных сопел 11, наоборот, способствует при наполнении вытеканию части газов из камеры зажигания 4 за счет выталкивания последних поступающей через центральное сопло 7 смесью. Это улучшает очистку камеры зажигания 4 остаточных газов.

Для повышения химической активности формирующегося в камере зажигания поджигающего факела к интенсификации в последующем процессе горения бедных топливовоздушных смесей в основной камере сгорания бедных топливовоздушных смесей в основной камере сгорания в такте сжатия при движении поршня 3 вверх в верхнюю часть камеры зажигания 4 по касательной к стенкам через дополнительные каналы 8 из пристенной области цилиндра подается переобогащенная смесь.

В камере зажигания 4 формируется богатая смесь, имеющая кольцевую структуру течения с малыми скоростями и низкой степенью турбулентности, благоприятная для воспламенения искрой в кольцевом разрядном промежутке.

После воспламенения смеси и формирования начального очага горения вблизи верхней мертвой точки поршня (фиг. 4) давление газов в камере зажигания 4 становится выше давления сжатой смеси в основной камере сгорания 1.

Горящие газы из камеры зажигания 4 устремляются в основную камеру сгорания через периферийные сопла 11 (фиг. 4). Вследствие срыва потока с острых выходных кромок центрального сопла 7 и выходных сопел 10 каналов 8 они практически запираются.

Поэтому основная масса горящих газов из камеры зажигания 4 выбрасывается в основную камеру сгорания 1 через плавно суживающиеся периферийные сопла 11, равномерно расположенные по периферии днища камеры зажигания 4.

Топливовоздушный заряд в основной камере сгорания 1 при положении поршня 3 вблизи ВМТ можно условно представить сосредоточенным на некоторой "окружности масс", воспламенение смеси и распространение пламени от которой по объему основной камеры сгорания 1 протекает с минимальным временем горения, а, следовательно, максимальной полнотой. Оси периферийных сопел 1 наклонены в одну сторону под одинаковыми углами к плоскости днища поршня 3.

Вытекающие из сопел 11 горящие струи образуют систему пространственно ориентированных хордальных струй.

При передаче количества движения струй воспламеняющейся смеси в основной камере сгорания 1 создается вращающийся относительно оси цилиндра поджигающий вихревой факел (фиг. 5), ядро которого перемещается вдоль упомянутой "окружности масс" и обеспечивает быстрое сгорание смеси в камере.

Такая конфигурация вращающегося поджигающего факела позволяет также сохранять высокую полноту сгорания смеси на переменных режимах работы двигателя внутреннего сгорания.