Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению. Технический результат изобретения: повышение стабильности работы двигателя и его КПД, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, компрессорный цилиндр, с одним или несколькими устройствами для подачи топлива, и с компрессорным поршнем, кинематически связанным с рабочим поршнем, камерой сгорания, форкамерой со свечой зажигания и каналами для подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра в камеру сгорания. Двигатель дополнительно снабжен двумя или более свечами зажигания, установленными в кольцевом канале, расположенном вокруг камеры сгорания, так, чтобы электроды свечей входили в полость кольцевого канала. Наличие дополнительных свечей зажигания увеличивает количество зон, в которых одновременно образуются свободные радикалы компонентов ТВС. Количество радикалов в объеме камеры сгорания увеличивается. Это повышает стабильность зажигания и горения ТВС. Размещение электродов дополнительных свечей зажигания в полости кольцевого канала приближает образующийся фронт горения к верхней мертвой точке рабочего поршня, что способствует более полному сгоранию ТВС. 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено, например, при проектировании, изготовлении и эксплуатации автомобильных или авиационных двигателей с системой впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2278985 от 24 от 24.09.2004 г., МКИ F02B 19/10, 33/22. Известный двигатель имеет рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания и камеру сгорания, которые соединены каналами с нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра с поршнем. Каналы подачи топлива и воздуха расположены вверху компрессорного цилиндра выше верхней мертвой точки его поршня и снабжены обратными клапанами. Каналы подачи топливовоздушной смеси (ТВС) в камеру сгорания и в форкамеру выполнены в виде трубки, разделенной вдоль ее оси перегородкой, или в виде двух трубок, установленных параллельно друг другу, расположены в полости с охлаждающей жидкостью и снабжены нагревателем. В зоне расположения этих каналов установлен датчик температуры, соединенный с блоком питания нагревателя. Канал подачи ТВС в форкамеру снабжен регулировочным механизмом с приводом, связанным с датчиком числа оборотов коленчатого вала двигателя или с устройством для подачи топлива. Камера сгорания имеет цилиндрическую форму. Проекции осей участков каналов подачи ТВС, входящих в камеру сгорания и в форкамеру, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра перпендикулярны его оси. Такая конструкция обеспечивает повышение стабильности работы двигателя и увеличение его мощности, а также уменьшение расхода топлива вследствие гомогенизации топливовоздушной смеси.
Однако оказалось, что струя ТВС при входе в форкамеру и в камеру сгорания прижимается к стенкам камер и, завихряясь, образует в средней части этих камер застойную зону, не участвующую в процессе смесеобразования, что приводит к неоднородности смеси по ее качеству. В пристеночных областях камеры сгорания образуется богатая смесь, а в центре камеры сгорания смесь будет бедной. Кроме того, при сжатии топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре давление может превышать величину давления, на которое рассчитано устройство для подачи топлива (например, форсунка). Это может привести к прекращению подачи топлива, что вызовет потерю мощности и нестабильность работы двигателя. Применение форсунок и насосов высокого давления существенно увеличит стоимость двигателя. Впрыск топлива по прототипу производится после начала движения компрессорного поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, при этом газификация топлива происходит во время движения поршня на 180° вниз и на 180° вверх. Времени этого движения может оказаться недостаточно для полной газификации топлива, что также нарушит стабильность работы двигателя, повысит непроизводительный расход топлива и увеличит загрязнение окружающей среды.
Известен также двигатель по патенту РФ №2348819 от 29.12.2007 г., который принят за прототип.
Двигатель по прототипу содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую форму и каналы подачи ТВС в камеру сгорания. Нагнетатель ТВС выполнен в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабжен одним или двумя устройствами для подачи топлива, установленными вверху или вверху и внизу компрессорного цилиндра. Между каналами подачи топлива и компрессорным цилиндром установлены обратные клапаны. Форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса. Диаметр основания форкамеры равен диаметру камеры сгорания. Двигатель снабжен кольцевым каналом, расположенным вокруг камеры сгорания, и одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси, соединяющими кольцевой канал с камерой сгорания. Оси этих каналов направлены попарно навстречу друг другу.
Двигатель по прототипу обеспечивает повышение качества подготовки
ТВС в компрессорном цилиндре и более равномерное ее распределение по плотности в объеме камеры сгорания. Это повышает стабильность зажигания ТВС и. как следствие, уменьшает расход топлива и снижает токсичность отработавших газов.
В то же время точка поджигания ТВС в двигателе по прототипу расположена на значительном удалении от верхней мертвой точки рабочего цилиндра. Это не позволяет полностью использовать резервы увеличения стабильности работы двигателя, так как образование свободных радикалов компонентов ТВС происходит лишь в небольшом ее объеме в верхней части форкамеры. Скорость сгорания ТВС, даже при небольшой неравномерности ее состава и в условиях турбулентности ее движения, в объеме камеры сгорания может быть в разных циклах различной. Это также может привести к неполному сгоранию ТВС, что уменьшит стабильность работы двигателя и его КПД, увеличит расход топлива и токсичность отработавших газов.
Технический результат предлагаемого изобретения: повышение стабильности работы двигателя, повышение его КПД, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов.
Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем и компрессорный цилиндр, снабженный одним или несколькими устройствами подачи топлива. В компрессорном цилиндре помещен компрессорный поршень, кинематически связанный с рабочим поршнем. Двигатель снабжен также камерой сгорания, форкамерой со свечой зажигания и каналами для подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра в камеру сгорания. В отличие от прототипа двигатель дополнительно снабжен двумя или более свечами зажигания. Дополнительные свечи установлены в кольцевом канале, расположенном вокруг камеры сгорания. Электроды дополнительных свечей зажигания помещены внутри полости кольцевого канала. Все свечи зажигания включены в электрическую цепь зажигания параллельно.
Предлагаемая конструкция двигателя обеспечивает достижение технического результата в связи с тем, что наличие дополнительных свечей зажигания увеличивает количество зон, в которых одновременно образуются свободные радикалы компонентов ТВС, количество этих радикалов в объеме камеры сгорания увеличивается, что способствует повышению стабильности зажигания и горения ТВС. Кроме того, помещения электродов дополнительных свечей зажигания в полость кольцевого канала вокруг камеры сгорания приближает образующийся фронт горения к верхней мертвой точке рабочего поршня, что способствует более полному сгоранию ТВС.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого двигателя, а на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.
Предлагаемый двигатель размещен в корпусе 27 и содержит рабочий цилиндр 1 с рабочим поршнем 2 со штоком 3 (Фиг. 1). В рабочем цилиндре 1 предусмотрены окна 32 и 33 для забора воздуха и для отвода выхлопных газов. В головке 4 рабочего цилиндра 1 размещены камера сгорания 5 и форкамера 6 со свечой зажигания 7. Двигатель снабжен компрессорным цилиндром 13 с крышкой 18 и компрессорным поршнем 19 со штоком 28. Полость 8 компрессорного цилиндра 13 соединена с камерой сгорания 5 через клапан отсечки 21 с пружиной 20, удерживаемой крышкой 18, далее через канал подачи ТВС 31, выполненный в виде трубки 25. Обратный клапан 23, я установленный в корпусе 24 на головке 4 рабочего цилиндра 1, кольцевой канал 22, выполненный вокруг камеры сгорания 5. Двигатель содержит одну или несколько пар радиальных каналов 10, соединяющих кольцевой канал 22 с камерой сгорания 5. Оси каналов 10 направлены попарно навстречу друг другу (Фиг. 2).
Двигатель снабжен двумя или более дополнительными свечами зажигания 35, установленными в кольцевом канале 22 так, чтобы электроды 17 дополнительных свечей зажигания 35 входили в полость кольцевого канала 22. Свеча 7 и дополнительные свечи 35 включены в электрическую цепь системы зажигания двигателя параллельно.
Устройство 12 для подачи топлива установлено в головке 29 компрессорного цилиндра 13 и соединено каналом подачи топлива 14 через обратный клапан 34 с полостью 8 компрессорного цилиндра 13. По другому варианту топливо подается в компрессорный цилиндр 13 через устройство 26, установленное в основании 16 компрессорного цилиндра 13. Устройство 26 тангенциально соединено с каналом 11 подачи воздуха, в котором топливо смешивается с воздухом и далее, через канал 15 и обратный клапан 30 подается в полость 8 компрессорного цилиндра 13. В зависимости от условий работы двигателя устройства 12 и 26 могут использоваться как по отдельности, так и одновременно.
В процессе движения компрессорного поршня 19 к верхней мертвой точке ТВС в полости 8, сжимается, температура повышается, происходит ее гомогенизация. При достижении в компрессорном цилиндре давления, заданного с помощью пружины 20 клапана отсечки 21, гомогенизированная топливовоздушная смесь через канал 31 и обратный клапан 23 впрыскивается в кольцевой канал 22 и через радиальные каналы 10 поступает в камеру сгорания 5. Поскольку свечи зажигания 7 включены в электрическую цепь зажигания двигателя параллельно, при подаче на их электроды 17 напряжения на всех свечах 7 произойдут искровые разряды. Вследствие этого в приэлектродных зонах внутри канала 22 и у поверхности 9 форкамеры 6 за счет энергии этих разрядов образуются свободные радикалы компонентов ТВС. Общее количество этих радикалов по сравнению с двигателем по прототипу резко увеличивается, что увеличит фронт цепной реакции горения ТВС. Это ускорит процесс горения ТВС, который приобретет характер взрыва. Кроме того, если даже на одном из электродов 17 произойдет задержка развития искрового разряда, это практически не скажется на стабильности работы двигателя, так как компенсируется разрядами с остальных электродов 17. Размещение электродов 17 внутри кольцевого канала 22 приближает образующийся фронт горения к верхней мертвой точке рабочего поршня 2, что способствует более полному сгоранию ТВС. Все это повышает стабильность работы двигателя и его коэффициент полезного действия, снижает расход топлива и токсичности отработавших газов.
Двигатель может быть изготовлен с помощью известных в технике средств и материалов. Поскольку при его использовании достигается технический результат, то можно считать, что предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с рабочим поршнем, компрессорный цилиндр, снабженный одним или несколькими устройствами для подачи топлива, и компрессорным поршнем, кинематически связанным с рабочим поршнем, камерой сгорания, форкамерой со свечой зажигания, каналами для подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра в камеру сгорания, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен двумя или более свечами зажигания, установленными в кольцевом канале, расположенном вокруг камеры сгорания, так, чтобы электроды свечей входили в полость кольцевого канала, причем все свечи зажигания включены в электрическую цепь зажигания.
