способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания
Классы МПК: | F02B19/10 с вводом топлива частично в форкамеру и частично в цилиндр |
Автор(ы): | Вохмин Д.М., Маланичев Д.Г. |
Патентообладатель(и): | Вохмин Дмитрий Михайлович, Маланичев Дмитрий Генадьевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-06-29 публикация патента:
20.05.2001 |
Изобретение относится к машиностроению. Способ работы включает впуск в цилиндр воздуха, его сжатие с перепуском его части в вихрекамеру, впрыск топлива во время сжатия в соединительный канал с переносом его части в вихрекамеру и образованием в ней топливовоздушной смеси, воспламенение от свечи зажигания, выброс горящих газов из вихрекамеры в основную полость камеры сгорания, расширение продуктов сгорания и выброс отработавших газов, при этом топливо впрыскивается в расширенную полость соединительного канала навстречу перетекающему воздуху. В вихрекамере имеются утеплительная вставка и калильная свеча зажигания, соединительный канал, сопло и вихрекамера расположены под углом к поршню, в котором имеется клиновидная камера сгорания с турбулизатором. Изобретение обеспечивает повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр воздуха, сжатия воздуха в цилиндре с перепуском его части в вихрекамеру, впрыска топлива во время сжатия в соединительный канал с переносом его части перепускаемым воздухом в вихрекамеру и образованием в последней топливовоздушной смеси, воспламенении смеси в вихрекамере от свечи зажигания, выброса горящих газов из вихрекамеры с переносом остальной части топлива в основную полость камеры сгорания, сгорания топлива, расширения продуктов сгорания и выброса отработавших газов, отличающийся тем, что топливо впрыскивается в расширенную полость соединительного канала навстречу перетекающему воздуху с целью получения однородной дисперсности, в процессе сгорания при обратном перетоке горящих газов из вихрекамеры расширенная полость выполняет роль термоэнергетического аккумулятора, уменьшая тепловые потери и увеличивая скорость пламени. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем с камерой сгорания в нем, головку цилиндра, вихрекамеру, имеющую свечу зажигания, размещенную в головке и сообщенную с основной полостью камеры сгорания при помощи соединительного канала, выполненного из соосных последовательно соединенных между собой участков меньшего сечения, примыкающих к вихрекамере и выходному соплу, а также участка большего сечения между ними, а также расширяющегося сопла, примыкающего к основной полости камеры сгорания, и топливную форсунку с распылителем, размещенным в соединительном канале, отличающийся тем, что в вихрекамере имеются утеплительная вставка и калильная свеча зажигания, соединительный канал, сопло и вихрекамера расположены под углом к поршню, в котором имеется клиновидная камера сгорания с турбулизатором, а расширяющееся сопло выполнено в форме сопла Лаваля.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к машиностроению, т.е. к классу многотопливных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) двухкамерного исполнения с электроискровым способом воспламенения форкамерного заряда. Предлагаемое изобретение может быть реализовано как в ДВС автотракторного типа, так и больших размерностей, например тепловозной, морской в стационарном и транспортном исполнении, а также в поршневой авиации. Широко известны способы смесеобразования, основанные на использовании энергии перетока при сжатии-смесеобразовании и расширении-сгорании. Наиболее близким техническим решением является изобретение SU 1810593 A1, 23.04.1993, F 02 В 19/10. Сущность которого: топливо впрыскивается в уширительную полость соединительного канала, причем в форкамеру перепускаемым воздухом переносят мелкодисперсную часть струи топлива, а крупнодисперсную часть струи осаждают на стенках уширительной полости в виде пленки, которую испаряют выбрасываемыми из форкамеры горящими газами. Недостаток прототипа заключается в том, что он не обеспечивает эффективную работу на различных скоростных режимах с одинаково высокими показателями по экономичности, мощностным и экологическим показателям. Это объясняется тем, что отсутствует стабильность воспламенения в предкамере из-за различных условий распыливания топлива, в зависимости от скоростного режима двигателя. Распыливание топлива при определенно-заданном значении давления впрыска форсунки регламентируется динамикой топливоподачи, т.е. законом подачи или профилем кулачка топливного насоса высокого давления, поэтому количество топлива, впрыскиваемого форсункой в начальный период топливоподачи 10 - 12o п.к.в., остается постоянным вне зависимости от скоростного режима двигателя. Вследствие преобладающего влияния пневматической составляющей в процессе распыливания топлива следует отметить, что при изменении скоростного режима двигателя с 800 до 2000 мин-1 произойдет изменение скорости перетекания смеси из основного объема в дополнительный с 98 до 247 м/с, что сопоставимо с изменением давления впрыска с 8 до 45 МН и вызовет резкое увеличение мелкости распыла. Также следует отметить, что стенки уширительной полости (прогретого двигателя) имеет примерно ту же температуру, что и заряд, поэтому, когда фронт топливного факела достигает стенки, вся неиспарившаяся часть топлива действительно оседает и нагревается на ней. При оседании топлива на стенке образуется тонкая пленка, которая быстро прогревается от металлической стенки, так как коэффициент теплоотдачи от металла к топливной пленке очень велик и во много раз превосходит коэффициент теплоотдачи от воздуха к каплям топлива, на нагрев и испарение которых затрачивается не более 10 кал. Поэтому временем прогрева и испарения топлива на стенке практически можно пренебречь; это время неизмеримо меньше движения факела к стенке и не превосходит 0,1 мс. Эти факторы подвергают сомнению возможность существования пленки топлива в условиях соединительного канала продолжительное время и проливают свет на причины неустойчивого воспламенения топлива в форкамере. Различия в мелкости распыливания и отсутствие организованного движения топливовоздушной смеси в форкамере приводят к возникновению локальных очагов переобогащения ввиду неопределенности траектории движения капель топлива (независимо от их дисперсности), в том числе и возле электродов свечи зажигания. Плоское сопло не обеспечивает всережимного поддержания динамики тепловыделения в заданных пределах, т.е. повышения давления продуктов сгорания в форкамере и ее проточной части и является пассивным элементом, выполняющим свою функцию лишь на определенных, с точки зрения повышения давления продуктов сгорания в форкамере, режимах, что приводит к малоэффективности работы вытеснителя. Задача изобретения - повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Решение поставленной задачи заключается в том, что топливо впрыскивается в расширенную полость соединительного канала навстречу перепускаемому воздуху с целью получения однородной дисперсности в процессе сгорания при обратном перетоке горячих газов из вихрекамеры, расширенная полость выполняет роль термоэнергетического аккумулятора, уменьшая тепловые потери и увеличивая скорость пламени в локальном участке поступления топлива конечной части впрыска, чем благоприятно влияет на поддержание динамики процесса сгорания. На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), поперечный разрез; на фиг. 2 - вид камеры сгорания (в поршне) с турбулизатором, а также проекция сопла дополнительной камеры на плоскость поршня. Двигатель включает цилиндр 1, поршень 2 с кольцами, а также размещенную в нем основную полость камеры сгорания 3 с турбулизатором 4, цилиндровую головку 5 с размещенной в ней дополнительной вихрекамерой 6, которая сообщается с основной полостью камеры сгорания в поршне посредством составленного из ряда конструктивных элементов соединительного канала. Составной соединительный канал включает в себя размещенные на общей продольной оси, т.е. соосно последовательно, три участка канала разного поперечного сечения, т.е. двух меньших 7 и 8, первый сопряжен с выходным соплом 9, выполненным в форме сопла Лаваля, последний примыкает к вихрекамере. Между этими участками находится участок большего поперечного сечения 10. Распылитель 11 форсунки 12 расположен перпендикулярно участку большего поперечного сечения. В вихрекамере 6 установлены электроискровая свеча зажигания 13, калильная свеча 14, нижняя и противоположная соединительному каналу часть вихрекамеры снабжена термоизоляционной (утеплительной) вставкой 15. В цилиндровой головке установлены впускной 16 и выпускной клапаны. Работает двигатель следующим образом. При перемещении поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) на такте впуска в цилиндр двигателя через открытый впускной клапан 16 за счет образующегося разрежения поступает свежий заряд (атмосферный воздух), заполняя надпоршневое пространство, а также основную полость камеры сгорания 3. Окончание такта впуска регламентируется, как обычно, фазой наполнения. В конце этой фазы впускной клапан 16 закрывается. При дальнейшем перемещении поршня 2 от НМТ к ВМТ и закрытых клапанах в цилиндре 1 начинается такт сжатия. В основной полости камеры сгорания 3 возникает вытеснительное вихреобразование, как это показано на фиг. 1. Одновременно с этим последовательно через составной соединительный канал, включающий сопловой канал 9, каналы меньшего 7,8 и большего 10 поперечного сечение, под воздействием межкамерного перепада давлений происходит переток части цилиндрового заряда из основной 3 в вихрекамеру основной полости камеры сгорания. Вблизи ВМТ, т. е. в фазе топливоподачи, посредством топливного насоса высокого давления (ТНВД) (на чертеже не указан) через форсунку 12 и распылитель 11 впрыскивается топливо в участок соединительного канала 10 большего сечения, навстречу перетекающему воздушному заряду. В процессе топливоподачи происходит разделение цикловой дозы топлива в соответствии с наличием воздушного заряда в полостях камеры сгорания в момент подачи электроискрового разряда с учетом продолжающейся топливоподачи в период задержки воспламенения. Это разделение осуществляется за счет того, что динамика топливоподачи регламентируется законом подачи, профилем кулачка ТНВД, к которому предъявляются требования обеспечения в первые 15o поворота коленчатого (п.к.в.) топливоподачи, состава смеси в вихрекамере в пределах воспламеняемости![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167007/945.gif)
Fа=Vа/
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167169/969.gif)
где Vа - действительный удельный объем продуктов сгорания в выходном сечении сопла при газовой постоянной Rа продуктов сгорания и действительной температуре Tа, а также расчетном давлении сжатия Pа на выходе из сопла;
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167169/969.gif)
Fкр=Vк/
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167169/969.gif)
где Vк - удельный объем продуктов сгорания при Tк температуре на выходе из вихрекамеры, Pк - давление в вихрекамере перед соплом и Rк - газовая постоянная продуктов сгорания в наименьшем сечении сопла;
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167169/969.gif)
fк=Fк/Fкр (3)
Определение относительной площади обуславливается рядом причин:
1. Возможность использования энергии перетока в процессе сжатия-сгорания для придания форсунке лишь дозирующих функций;
2. Оптимальный с экономической точки зрения режим расхода продуктов сгорания и в то же время поддержание динамичности процесса сгорания;
3. Наименьшее дросселирование;
4. Ограниченность конструкционных размеров. Нужно отметить, что использование в экспериментах камер с fк<2 не дало положительных результатов, устойчивая работа наблюдалась лишь на режимах холостого хода и частичных нагрузках. В камерах с fк = 1 вообще наблюдался эффект пламягашения. Согласно проведенным расчетам для двигателя УД-15, конвертированного в многотопливный вариант и исходя из выбора оптимальной скорости перетока и критериев сочетания площади соединительного канала и наименьшего сечения сопла, имеем следующие значения: площадь соединительного канала Fк = 100 мм2, наименьшая площадь сечения сопла Fкр = 11,6 мм2, площадь выходного сечения сопла Fа = 30 мм2. Учитывая общепринятое воззрение на то, что диаметр соединительного канала находится в прямой зависимости от объема дополнительной камеры, в пределах исследованных значений отношений объемов и диаметров соединительного канала, находим оптимальные соотношения для Fк из исследованного диапазона Vк/Fк=8,5 -17,5; Vк/Fк=10 и для Fкр из исследованного диапазона Vк/Fк= 40 - 20; Vк/Fкр=25. Практически же меньшее сечение соединительных каналов 7; 8 диаметром 8 -12 мм выбрано из условия обеспечения оптимальной скорости перетока в процессе сжатия-смесеобразования для номинального скоростного режима 2000 мин-1. Их длины определяются традиционным отношением l/d, для участка 7 l/d = 1 - 3, для участка 8 l/d = 0,5 - 2. Диаметр D участка 10 большего диаметра выбирают в интервале D = d (1,1 - 1,4), длиной D (1 - 1,5). В связи со скоротечностью протекания процесса сгорания и медлительностью процесса гомогенизации на диффузионной основе конструктивный вариант гомогенизации (равномерное распределение топлива в воздушном заряде) базируется на принципе организованного вихреобразования при взаимном согласовании форм и размеров соплового канала с соответственными конструктивными элементами турбулизатора 4 фиг.2. С учетом этого ось симметрии соединительного канала относительно плоскости поршня расположена под углом 25o с возможными вариациями 20 - 40o. Основная полость камеры сгорания в поршне клиновидной формы ограничена со стороны, противоположной соплу, большим турбулизатором 4 фиг. 2 указанной формы. Благодаря отсутствию клапанов в основной плоскости камеры сгорания турбулизатор можно сделать выступающим за центральную ось симметрии поршня, а также использовать более плавные сопряжения с поверхностью поршня. Важно, чтобы передняя часть камеры сгорания, примыкающая к соплу, была поверхностью, имеющей угол наклона, равный углу раствора сопла, линией его продолжения до пересечения с осью симметрии поршня, с плавным сопряжением, как на фиг. 1. Угол раствора сопла в вертикальной плоскости выбирается 5o от оси симметрии. В данном случае угол наклона плоскости передней части камеры сгорания 30o. Угол конуса камеры сгорания в горизонтальной плоскости поршня фиг.2 выбирается в интервале 50 - 70o, в данном случае 60o. Выходное отверстие сопла выполняется в форме эллипса с большей (горизонтальной) осью (2 - 4) dкр, меньшей (вертикальной) (1 - 2) dкр, длина сопла выбирается 10 - 30 мм. Такое устройство конструкционных элементов камеры сгорания обеспечивает не только высокий уровень гомогенизации заряда в ее основной полости 3, но также и более полное выжигание этого заряда как по отношению к аналогам, так и прототипу. При правильном выборе вышеописанных определяющих характеристик конструктивных элементов двигателя обеспечивается бездымная работа двигателя при затяжке пружины форсунки Pф = 0,1 - 0,5 МН. При этом рекомендуется применять однодырчатые или открытые форсунки с отверстием, направленным навстречу перетекающей смеси на такте сжатия. При столь низком уровне давления топливоподачи насос высокого давления, форсунки работают в очень облегченном режиме, и это гарантирует резкое увеличение моторесурса топливоподающей аппаратуры. Однако в этом конструктивном варианте требуется оптимальное моделирование закона подачи (профиля кулачка ТНВД), что осуществимо на основе расчета динамики изменения состава смеси в вихрекамере.
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167007/945.gif)
где Gв определяется как
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167316/2167316-2t.gif)
где a - объем вихрекамеры;
В - коэффициент дросселирования наименьшего сечения соединительного канала;
f(б) - функция поворота коленчатого вала. Использование калильной свечи мощностью 50 - 100 Вт [3], расположенной на оси симметрии соединительного канала, а также утеплительной вставки совместно с электроискровой свечой зажигания при использовании степени сжатия 12 - 14 создает эквивалент эффекта повышения показателя политропы сжатия, что позволяет уменьшить влияние октановых и цетановых чисел используемых топлив, а также состава смеси на процесс воспламенения. Вследствие преобладающего влияния пневматической составляющей в процессе распыливания топлива достигается более высокий уровень дисперсности и гомогенизации в полостях камеры сгорания по отношению к традиционным схемам смесеобразования. Оба эти смесеобразующие фактора стимулируют резкое снижение выбросов токсичных компонентов CO и CH с отработавшими газами двигателя. Смещение сгорания основной массы заряда основной полости 3 к заключительным его фазам в сочетании с кратковременностью высокотемпературного воздействия обеспечивают соответственно снижение выбросор наиболее токсичного компонента Nox с отработавшими газами двигателя. Благодаря высокой эффективности подготовительных процессов в смесеобразующей системе вихрекамера-составной соединительный канал, обеспечивающий газификацию топливного заряда перед поступлением в основную полость камеры сгорания 3 в сочетании с управляемым высокотурбулентным процессом гомогенизации, обеспечивается приближение на мощностном номинале составов заряда в основных полостях камеры сгорания, близких к
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167072/8776.gif)
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167005/916.gif)
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167005/916.gif)
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167080/947.gif)
![способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2167316](/images/patents/304/2167151/949.gif)
1. Свиридов Ю. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. - Л.: Машиностроение, 1972, с. 126, 151, 164 - 168, 180 - 185, 209 - 218. 2. Кулагин И.И. Теория жидкостных реактивных двигателей. - Министерство обороны СССР, 1972. - 518 с. 3. Вохмин Д. М. Применение калильной свечи зажигания в многотопливном двигателе //Тюмень, ТюмГНГУ// Труды конференции "Эксплуатация технологического транспорта и специальной техники в отраслях топливно-энергетического комплекса", 1997.
Класс F02B19/10 с вводом топлива частично в форкамеру и частично в цилиндр