способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия
Классы МПК: | F02B3/08 рабочие процессы F02B23/06 с камерой сгорания, расположенной в поршне |
Автор(ы): | Олейников Владимир Иванович, Ершков Александр Васильевич |
Патентообладатель(и): | Олейников Владимир Иванович, Ершков Александр Васильевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-06-04 публикация патента:
20.09.1998 |
Изобретение относится к способам работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. На такте впуска дозированное количество подогретого добавляемого топлива, отрегулированное в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя, впрыскивают во впускной канал головки цилиндра двигателя. Сжимают образовавшуюся бедную топливовоздушную смесь в цилиндре поршнем, нагнетают топливо в распылитель и отжимают клапан распылителя от своего седла в направлении потока топлива. В камере сгорания, расположенной в поршне, создают вихревые движения бедной топливовоздушной смеси. Через зазор между клапаном и седлом впрыскивают топливо ширококонусным полым факелом в камеру сгорания. Впрыск топлива осуществляют со средней удельной скоростью более 0,0025 1/градуса поворота коленчатого вала, при этом величину скорости определяют как отношение величины цикловой подачи топлива в камеру сгорания к произведению величин циклового расхода воздуха и действительной продолжительности впрыска топлива в камеру сгорания. Способ повышает экономичность и снижает токсичность отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, заключающийся в том, что цилиндр двигателя заполняют воздухом, сжимают воздух в цилиндре поршнем, нагнетают топливо в распылитель, отжимают клапан распылителя от своего седла в направлении потока топлива, через зазор между клапаном и седлом впрыскивают топливо ширококонусным полым факелом в расположенную в поршне камеру сгорания, в которой создают вихревые движения воздуха, сжигают топливо и выпускают отработавшие газы, отличающийся тем, что в воздух, заполняющий цилиндр, добавляют топливо с образованием бедной топливо-воздушной смеси, а впрыск топлива в камеру сгорания осуществляют со средней удельной скоростью![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-16t.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-17t.gif)
где gт.ц.к. - цикловая подача топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, г/цикл,
gв.ц. - цикловой расход воздуха, г/цикл,
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретения относится к области двигателестроения и может найти применение в способах работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Известны способы работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, в которых обеспечивается равномерное распределение топлива по объему камеры сгорания (см. Предпосылки объемного смесеобразования в малоразмерных дизелях. Б.М.Борецкий. Журнал "Двигателестроение", 1989, N 5, с.54 - 57 62; Сгорание в дизеле с неразделенной камерой сгорания. Жу Янксиан и др. Журнал "SAE Technical Paper Series", 1988, N 880429, с.1 - 14. Реферат N 9.39.270 в реферативном журнале "Двигатели внутреннего сгорания", 1988, N 9, с. 33). Недостатками рассматриваемых способов работы являются недостаточно высокая экономичность и недостаточно низкий уровень токсичности выхлопных газов из-за несовершенства процесса сгорания, вызванного недостаточно высокой скоростью подачи топлива в камеру сгорания и сравнительно большим периодом задержки его воспламенения. Существенными признаками приведенных аналогов, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются следующие: заполнение цилиндра воздухом, сжатие воздуха поршнем, впрыск топлива ширококонусным факелом, сжигание топлива, выпуск отработавших газов. Недостатки указанных аналогов частично устранены в другом способе работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (см. Заявка ФРГ N 2949596, F 02 B 23/06, 1979), который является наиболее близким по технической сущности заявляемому способу. Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются следующие: заполнение цилиндра двигателя воздухом; сжатие воздуха в цилиндре поршнем; нагнетание топлива в распылитель; отжимание клапана распылителя от своего седла в направлении потока топлива; впрыск топлива через зазор между клапаном и седлом; впрыск топлива ширококонусным полым факелом в расположенную в поршне камеру сгорания; создание в камере сгорания вихревых движений воздуха; сжигание топлива; выпуск отработавших газов. Основной недостаток прототипа заключается в образовании за период задержки воспламенения в камере сгорания большого количества топливовоздушной смеси, подготовленной к самовоспламенению, что вызвано повышенной мелкостью распыливания топлива и равномерностью его распределения по камере сгорания (см. А. В. Джодж. Быстроходные дизели. М.: ОНТИ НКТП, 1938, с. 183; [1], с. 55, абзац I). Это приводит к одновременному воспламенению большого количества топливовоздушной смеси и как следствие к росту максимального давления сгорания, отрицательной работы сжатия и скорости нарастания давления в камере сгорания (см. А.Н.Воинов. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977, с. 77). Кроме этого, подавляющее большинство существующих способов работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия характеризуется недостаточно высокой скоростью подачи топлива в камеру сгорания. Более того, нет оптимального критерия для количественного выражения этой скорости, поскольку существующие методы ее оценки не учитывают одновременно самые важные параметры рабочего процесса двигателя, а именно: коэффициент избытка воздуха![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119041/945.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/951.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-2t.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-3t.gif)
где gт.ц.к. - цикловая подача топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, г/цикл;
gв.ц. - цикловой расход воздуха, г/цикл;
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-4t.gif)
где
Lo - теоретически необходимое количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива, кг/кг. Используя выражение (2), можно представить формулу (1) в следующем виде
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-5t.gif)
Как видно из соотношения (3), параметр
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-6t.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119041/945.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-7t.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-8t.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-9t.gif)
- заполнение цилиндра двигателя воздухом;
- сжатие воздуха в цилиндре поршнем;
- нагнетание топлива в распылитель;
- отжимание клапана распылителя от своего седла в направлении потока топлива;
- впрыск топлива через зазор между клапаном и седлом;
- впрыск топлива ширококонусным полым факелом в расположенную в поршне камеру сгорания;
- создание в камере сгорания вихревых движений воздуха;
- сжигание топлива;
- выпуск отработавших газов. Перечисленные существенные признаки являются общими с прототипом. Далее следует совокупность существенных признаков, отличающихся от прототипа:
- добавление топлива в воздух, заполняющий цилиндр, с образованием бедной топливовоздушной смеси;
- осуществление впрыска топлива в камеру сгорания со средней удельной скоростью
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-10t.gif)
- осуществление добавки топлива путем впрыска дозированного его количества во впускной канал головки цилиндра двигателя на такте впуска;
- регулирование цикловой подачи добавляемого топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя;
- подогрев добавляемого топлива;
- регулирование степени подогрева добавляемого топлива в зависимости от температуры головки цилиндра двигателя;
- регулирование степени подогрева добавляемого топлива в зависимости от температуры воздуха, заполняющего цилиндр;
- использование в качестве впрыскиваемого в камеру сгорания и добавляемого разных видов топлива;
- использование в качестве топлива нефти. Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом заключается в следующем:
- заполнение цилиндра двигателя на такте впуска бедной топливовоздушной смесью и сжатие ее поршнем приводит к тому, что в камере сгорания к моменту начала впрыска в нее топлива образуется среда, подготовленная к воспламенению;
- впрыск топлива с высокой удельной средней скоростью в камеру сгорания, осуществляемый в виде ширококонусного полого факела через зазор распылителя, открывающегося по потоку топлива, позволяет быстро заполнить камеру сгорания мелкораспыленным топливом, равномерно распределенным по объему;
- из-за наличия в камере сгорания подготовленной к воспламенению бедной топливовоздушной смеси, период задержки воспламенения вспрыскиваемого в камеру сгорания топлива резко сокращается (см. 9. З.А.Хандов и др. Работа судового дизеля с двухфазной подачей топлива. - Л.: Судпромгиз, 1963, с. 9 - 10);
- впрыскиваемое топливо быстро воспламеняется по мере поступления в камеру сгорания, а поскольку оно равномерно распределяется по объему камеры сгорания, то быстро и с максимальной эффективностью сгорает при положении поршня вблизи ВМТ, чему способствуют также и вихри, создаваемые в камере сгорания;
- оптимальная организация процесса смесеобразования и сгорания позволяет эффективно использовать для работы разные виды топлива, в том числе и нефть;
- дозированная подача добавляемого топлива во впускной канал головки цилиндра двигателя на такте впуска позволяет избежать потерь добавляемого топлива и хорошо смешать его с воздухом, заполняющим цилиндр;
- регулирование цикловой подачи добавляемого топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя позволяет использовать это топливо с максимальной эффективностью во всем диапазоне названных режимов работы двигателя;
- подогрев добавляемого топлива позволяет быстрее испарить его и лучше перемешать с воздухом, заполняющим цилиндр, с образованием более однородной бедной топливовоздушной смеси, которая быстрее проходит процессы подготовки к воспламенению;
- регулирование подогрева добавляемого топлива в зависимости от температур головки цилиндра и воздуха, заполняющего цилиндр, позволяет использовать это топливо с максимальной эффективностью во всем диапазоне температурных режимов работы двигателя;
- использование разных видов топлива позволяет оптимально сочетать физико-химические свойства топлив с особенностями рабочего процесса двигателя и получать при этом максимальную экономичность и минимальную токсичность отработавших газов;
- использование широкого спектра топлива, в том числе и нефти, позволяет не зависить от поставок определенного сорта топлива и резко снизить затраты на эксплуатацию двигателя. Таким образом, указанные признаки обеспечивают повышение экономичности и снижение токсичности отработавших газов двигателя. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема двигателя, работающего по заявленному способу; на фиг. 2 изображен увеличенный местный разрез двигателя по камере сгорания; на фиг. 3 изображены зависимости давления в цилиндре двигателя, скорости тепловыделения и хода клапана распылителя от угла поворота коленчатого вала двигателя при положении поршня около ВМТ такта сжатия. Двигатель, работающий по заявляемому способу, содержит цилиндр 1 (фиг. 1) и головку 2 цилиндра 1. В цилиндре 1 расположен поршень 3 с камерой сгорания 4. В головке 2 размещена форсунка 5 для впрыска топлива в камеру сгорания 4. Головка 2 снабжена впускным каналом 6, перекрываемым впускным клапаном 7. На головке 2 закреплен впускной патрубок 8 с размещенной на нем форсункой 9 для впрыска добавляемого топлива во впускной канал 6. Форсунка 5 содержит распылитель 10 (фиг. 2), клапан 11 которого открывается по потоку топлива. Клапан 11 расположен в расточке корпуса 12 распылителя 10 и вместе со своим седлом 13 на корпусе 12 образует зазор для впрыска топлива в камеру сгорания 4. Максимальная величина зазора определяется ходом nкл max клапана 11 от положения на седле 13 до положения на упоре (не показан) в корпусе 12. Двигатель работает следующим образом. На такте впуска воздух через открытый впускной клапан 7 заполняет цилиндр 1. При этом измеряют температуры воздуха и головки 2, в зависимости от величин этих температур подогревают добавляемое топливо и через форсунку 9 впрыскивают дозированное его количество во впускной канал 6 головки 2. Цикловая подача добавляемого топлива отрегулирована в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами работы двигателя. На такте сжатия поршень 3 сжимает в цилиндре 1 бедную смесь 14 (фиг. 2) добавляемого топлива с воздухом, при этом топливо равномерно перемешивается с воздухом, испаряется и подготавливается к воспламенению. При подходе поршня 3 к ВМТ топливовоздушная смесь 14 выжимается из зазора между головкой 2 и поршнем 3 в камеру сгорания 4, образуя в ней вихревые движения 15 (фиг. 2). При этом топливоподающая аппаратура (не показана) двигателя повышает давление топлива в распылителе 10 перед клапаном 11, который давлением топлива отжимается от своего седла 13 в направлении потока топлива, и через зазор между клапаном 11 и его седлом 13 начинается впрыск топлива в камеру сгорания 4 в виде ширококонусного полого факела 16 (фиг. 2). Параметры топливоподающей аппаратуры двигателя выбраны таким образом, что средняя удельная скорость впрыска топлива
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-11t.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-12t.gif)
где
a - доля суммарной цикловой подачи топлива, впрыскиваемая в камеру сгорания;
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119041/945.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-13t.gif)
- для газодизельного процесса (a=0,25;
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119041/945.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-14t.gif)
- для раздельного впрыска (a = 0,95;
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119041/945.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/981.gif)
![способ работы двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, патент № 2119067](/images/patents/352/2119067/2119067-15t.gif)
Класс F02B3/08 рабочие процессы
Класс F02B23/06 с камерой сгорания, расположенной в поршне