Форкамера двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Форкамера содержит полость, сообщенную с основной камерой сгорания перепускным каналом, смонтирован на наружной части головки блока цилиндров, имеет полость со встроенной распиливающей форсункой, а перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, причем входной участок перепускного канала имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой определяется по соотношению Витошинского, а сопряжение входного и выходного участков выполнено по дуге эллипса. Изобретение обеспечивает работу ДВС на бедных жидкотопливно-воздушных и газовоздушных смесях, экономию дизельного топлива, малую токсичность отработавших газов, простоту технического обслуживания и низкую себестоимость. 1 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, и предназначено для улучшения их технико-экономических и экологических показателей.
Известны форкамеры двигателей внутреннего сгорания, выполненные в головке блока цилиндров, сообщенные с основной камерой сгорания соединительными каналами (см., например, патент США №4442807 кл. F 02 В 19/18, 1984 г., патент РФ №2099550 F 02 В 19/18, 1995 г.)
Недостатками таких форкамер являются высокая трудоемкость производства и технического обслуживания, а также невозможность использования на действующем и производимом парке автотехники, так как неизбежные изменения в конструкции двигателя потребуют вложения капитальных затрат на разработку конструкций его новых деталей и узлов, изменение технологии производства и дополнительное оборудование и техоснастку. Размещение известных форкамер в нижней части головки блока цилиндров существенно затрудняет их технологическое обслуживание и, при необходимости, демонтаж, так как потребует разборку двигателя автомобиля. Указанные недостатки затрудняют внедрение известных форкамер на действующем автопарке и выпускающихся автомобилях и решение в реальном времени задач повышения топливной экономичности автомобилей и экологических проблем в крупных городах и на автотрассах.
Эти недостатки устранены в форкамерах по патентам Великобритании №1261176, Кл. F 02 В 19/12, 1972 г. и РФ №2210677, F 02 В 19/18, 2001 г., смонтированными на внешней (наружной) части головки блока цилиндров и содержащими полость, сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного криволинейного канала. Известные форкамеры просты по конструкции, легко и быстро монтируемы и чрезвычайно дешевы в производстве и эксплуатации, а форкамера по патенту РФ №2210677 на испытаниях показала высокие результаты топливной экономичности и экологичности автомобильных двигателей.
Однако эти форкамеры применимы на двигателях с принудительным (искровым) зажиганием и не могут быть использованы на двигателях с воспламенением от сжатия горючей смеси (дизельных ДВС).
Известны топливные насосы дизельных двигателей с повышенным давлением впрыска топлива 70-100 МПа (70-100 атм), например ЯМЗ ТА 423, ТА 444, ТА 861. Такое увеличение давления впрыска топлива необходимо для лучшего его распыления в камерах сгорания новых двигателей, чтобы сжигать дизтопливо по критериям, удовлетворяющим требованиям экологических стандартов EURO-1, EURO-2 и EURO-3.
Однако такое повышение давления впрыска вызывает повышение мощности топливного насоса и его привода, что составляет 10-15% мощности ДВС, развиваемой автомобилем на крейсерской скорости движения (˜80 км/час). Такая высокая мощность привода топливного насоса обуславливает значительный дополнительный расход топлива, что ухудшает топливную экономичность ДВС, а экологические характеристики автомобиля остаются в существенной степени зависимы от надежности и эффективности работы форсунок и качества смесеобразования в цилиндре ДВС, которые в настоящее время еще очень низкие.
Целью настоящего изобретения является существенное улучшение топливной экономичности и экологичности ДВС с воспламенением от сжатия горючей смеси на основе простого и надежного технического решения.
Для этого известный двигатель с воспламенением от сжатия горючей смеси (например, ЯМЗ-238, КамАЗ-740 дизельные) согласно изобретению оснащается форкамерой, смонтированной на внешней (наружной) части головки блока цилиндров и содержащей полость, сообщенную с основной камерой сгорания при помощи перепускного криволинейного канала, выполненного в виде профилированного сопла Лаваля, выходной участок которого выходит в основную камеру сгорания, а полость форкамеры содержит распыливающую форсунку для впрыска топлива.
Установка форкамеры дизельного ДВС на внешней (наружной) части головки блока цилиндров обуславливает простоту ее конструкции и технического обслуживания, а также высокую доступность и оперативность реализации предложенного технического решения в реальном времени на действующих и новых автодвигателях. Установка в полости форкамеры распыливающей форсунки устраняет необходимость увеличения давления впрыска топливного насоса высокого давления (ТНВД) и оставить его на уровне 300-350 атм, т.к. после впрыска давление в полости форкамеры, после предварительного сгорания топливной смеси, может достигать более 1000 атм, что обусловлено геометрическими и конструктивно-прочностными характеристиками головки блока цилиндров и форкамеры. Выполнение перепускного канала в виде профилированного сопла Лаваля обеспечит наивысшую (сверхзвуковую) скорость истечения топливно-воздушной смеси в цилиндр двигателя и ее наилучшие дисперсность и распыление, что приведет к оптимальным параметрам смесеобразования и сгорания топлива и, как следствие, к снижению расхода топлива, токсичности выхлопных газов и высокому КПД двигателя автомобиля.
Компактная, легко и быстро монтируемая и демонтируемая конструкция форкамеры обеспечит простоту ее производства, эксплуатации и технического обслуживания, низкую себестоимость и доступность широкому потребителю, решение актуальных экологических проблем автотранспорта.
Предложенное техническое решение не известно из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста-двигателестроителя и промышленно легко осуществимо для производства форкамерно-факельных систем ДВС, то есть соответствует критериям патентоспособности.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), который имеет чисто иллюстративное значение и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения, где изображены: форкамера 1, смонтированная на наружной части головки 2 блока цилиндров 3, содержащая полость 4 с установленной распыливающей форсункой 5, перепускной канал 6, выполненный в виде профилированного сопла Лаваля с контуром, образованным плавной кривой и состоящим из входного 7 и выходного 8 участков.
По совокупности конструктивных признаков форкамера представляет собой импульсный реактивый двигатель, работающий в заторможенном (обращенном) режиме, в котором окислитель (воздух) подается через реактивное сопло.
Входной участок 7 перепускного канала 6 имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой может быть определена, например, по известному соотношению Витошинского, а контур выходного участка 8 может быть построен известным методом характеристик. Сопряжение образующих этих участков можно выполнить по дуге эллипса.
Устройство функционирует следующим образом. На такте сжатия ДВС сжатый воздух при Т˜700-900°С из основной камеры сгорания через перепускной канал 6 поступает в полость 4 форкамеры и заполняет ее. В момент впрыска из распылителя форсунки 5 в полость 4 впрыскивается распыленное топливо, где воспламеняется и частично сгорает, температура в полости форкамеры повышается до 1500-2000°С, а давление поднимается до величины более 1000 атм. Раскаленные продукты предварительного сгорания за счет сильного перепада давлений на входе и выходе перепускного канала 6 истекают со сверхзвуковой скоростью в основную камеру сгорания, где интенсивно перемешиваются со сжатым воздушным зарядом и эффективно догорают при наивысшей скорости сгорания топлива и максимальной полноте окисления топлива, обеспечивая повышенное давление на поршень и минимальную токсичность продуктов сгорания в цилиндре ДВС.
Ограниченное сообщение полости форкамеры 4 с объемом цилиндра ДВС за счет малого сечения перепускного канала 6 существенно снижает возможность коррозийного запирания отверстий распылителя форсунки 5 вследствие образования пускового конденсата или их закоксовывания от пригарания масляных брызг, что повышает надежность работы топливной аппаратуры ДВС.
Использование настоящего изобретения обеспечивает надежный пуск дизельного ДВС, устойчивость и мощность его работы на бедных топливно-воздушных смесях при снижении выхлопных газов в десятки раз и снижение скорости разрушения озонового слоя Земли, так как дизельные ДВС составляют более 50% единиц автотранспортной техники всех стран мира.
Форкамера двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащая полость, сообщенную с основной камерой сгорания перепускным каналом, отличающаяся тем, что она смонтирована на наружней части головки блока цилиндров, содержит установленную в полости распыливающую форсунку и сообщена с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного канала, выполненного в виде профилированного сопла Лаваля, причем входной участок перепускного канала имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой определяется по соотношению Витошинского, а сопряжение входного и выходного участков выполнено по дуге эллипса.
