способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливный двигатель внутреннего сгорания

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 - 12^o 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 15^o поворота коленчатого (п.к.в.) топливоподачи, состава смеси в вихрекамере в пределах воспламеняемости = 0,5 - 2,5.

После начала топливоподачи все распыленное топливо попадает в вихрекамеру 6 через канал 8, расположенный тангенциально, создает вращательное движение заряда в камере, что благотворно влияет на смесеобразование топливных паров с воздухом. При завихрении заметно меньше падает температура за счет дополнительного поступления воздуха, что и объясняет более полную испаряемость.

Наличие утеплительной вставки 15 и калильной свечи 14 стимулирует улучшение испарения и сокращение периода задержки воспламенения.

Через 5 - 10^o п.к.в. топливоподачи при достижении состава смеси в вихрекамере 6 = 1,5 - 2,0 в зависимости от скоростного режима ДВС на электроды свечи зажигания 13 подается высоковольтное напряжение. После чего в ней получают развитие предпламенные реакции.

Благодаря более высокой на 150 - 250^oC температуре в вихрекамере, наличию организованного вихревого движения, утеплительной вставки и калильной свечи зажигания значительно сокращаются по отношению к однокамерным модификациям задержки воспламенения и составляют для дизтоплива 1 - 3^o, для бензина А-76 3 - 5^o.

За период задержки воспламенения состав вихрекамерного заряда несколько обогащается до = 0,8 - 1,2 и наступает фаза видимого горения, сопровождающегося резким повышением давления в вихрекамере 6 и началом обратного перетока пламенных газов в основную полость 3 камеры сгорания.

Обратный переток факела пламенных газов сталкивается в сечении 10 с топливом продолжающегося процесса топливоподачи. Большой диаметр сечения 10 благотворно влияет на ускоренное испарение, протекание предпламенных реакций и воспламенения этого топлива посредством локального уменьшения тепловых потерь в стенки и увеличения скорости пламени [1], стимулируя в дальнейшем турбулентное горение конечной части впрыска.

Всережимное регулирование повышения давления продуктов сгорания, т.е. поддержание динамики тепловыделения в заданных пределах, осуществляется созданием определенных соотношений давлений на выходе из вихрекамеры, которые изменяются пропорционально нагрузке двигателя и обеспечивают в полости сгорания вихрекамеры постоянные, заданные условия для развития процесса сгорания, а также используют сопутствующее увеличение скорости истечения продуктов сгорания для улучшения смесеобразования в основном объеме. Это осуществляется благодаря тому, что пламенные газы, а также несгоревшая часть топлива в испаренном и мелкодисперсном состоянии поступает в основную камеру сгорания 3 через сообщающееся с ней сопло Лаваля 9.

Выгорание заряда вихрекамерной полости с ускорением обратного перетока, а следовательно, и турбулизации в основной полости камеры сгорания 3 обеспечивает наряду с интенсивным протеканием смесеобразовательных процессов также и быстрое догорание заряда в этой полости вблизи от ВМТ на такте расширения с соответствующим улучшением показателей эффективности рабочего цикла.

После окончания процесса сгорания и расширения открывается выпускной клапан и цилиндр двигателя 1 очищается при движении поршня от НМТ к ВМТ от отработавших газов. Рабочий цикл заканчивается и периодически повторяется.

Для обеспечения эффективности работы двигателя на различных топливах, скоростных и нагрузочных режимах с учетом других конструкционных и эксплуатационных факторов с помощью соответственных конструктивных элементов и автоматов угол опережения начала топливоподачи изменяется в интервале 24 - 18^o п.к.в.. Внутри этого интервала изменяется угол опережения зажигания.

Для обеспечения наиболее эффективного протекания процессов смесеобразования и сгорания, бездымной работы на всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя и всех видах жидких топлив (бензин, керосин, дизтопливо, газоконденсат и т. д. ) относительный объем вихрекамерной полости а = V_к/V_с выбирается в пределах а = 0,3 - 0,6 предпочтительно сферической формы.

Расчет геометрических параметров сопла Лаваля производится на основе расчета процесса расширения и истечения продуктов сгорания в сопле [2].

Для определения скорости истечения продуктов сгорания из вихрекамеры необходимо знать температуру T_а, давление P_а и их состав в выходном сечении сопла. Эти параметры могут быть определены при тепловом расчете двигателя.

Площадь выходного сечения сопла определяется

F_а=V_а/ _a, (1)

где V_а - действительный удельный объем продуктов сгорания в выходном сечении сопла при газовой постоянной R_а продуктов сгорания и действительной температуре T_а, а также расчетном давлении сжатия P_а на выходе из сопла;

_a - скорость истечения продуктов сгорания из сопла.

Площадь наименьшего сечения сопла

F_кр=V_к/ _кр, (2)

где V_к - удельный объем продуктов сгорания при T_к температуре на выходе из вихрекамеры, P_к - давление в вихрекамере перед соплом и R_к - газовая постоянная продуктов сгорания в наименьшем сечении сопла;

_кр - скорость истечения продуктов сгорания в наименьшем сечении сопла.

Фактором, влияющим на площадь соединительного канала F_к, участки 7,8, является относительная площадь

f_к=F_к/F_кр (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 f_к<2 не дало положительных результатов, устойчивая работа наблюдалась лишь на режимах холостого хода и частичных нагрузках. В камерах с f_к = 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 F_к = 100 мм², наименьшая площадь сечения сопла F_кр = 11,6 мм², площадь выходного сечения сопла F_а = 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 F_к из исследованного диапазона V_к/F_к=8,5 -17,5; V_к/F_к=10 и для F_кр из исследованного диапазона V_к/F_к= 40 - 20; V_к/F_кр=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 25^o с возможными вариациями 20 - 40^o. 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 5^o от оси симметрии. В данном случае угол наклона плоскости передней части камеры сгорания 30^o.

Угол конуса камеры сгорания в горизонтальной плоскости поршня фиг.2 выбирается в интервале 50 - 70^o, в данном случае 60^o.

Выходное отверстие сопла выполняется в форме эллипса с большей (горизонтальной) осью (2 - 4) d_кр, меньшей (вертикальной) (1 - 2) d_кр, 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 P_ф = 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.

=G_в/15G_т, (4)

где G_в определяется как



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 N_ox 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 0,95, полностью исключая дымный выхлоп, что стимулирует вместе с повышением частоты вращения ДВС уровня литровой мощности.

Интенсивное протекание испарительных и воспламенительных процессов, устранение эффекта накопления топлива в основной полости камеры сгорания 3 за период задержки воспламенения повышает меру управляемости процессом тепловыделения и величиной нарастания давления P/ законом топливоподачи, регламентируемым профилем кулачка ТНВД, на всех видах жидкого топлива, что стимулирует также повышение моторесурса двигателя.

Слабая зависимость от температурного режима заряда в процессе сжатия и начальных стадиях воспламенения топлива в сочетании с высоким уровнем управляемости процессом сгорания, обеспечивающим мягкую бездетонационную работу двигателя, позволяет с наибольшей эффективностью сжигать все виды жидких топлив при оптимальных с термодинамической точки зрения степенях сжатия = 12 - 14.

Литература

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.