Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания и способ его работы
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров (16), снабженный продувочными и выпускными окнами (12) и (11), поршни (8), (7), движущиеся в цилиндрах (16) в противоположных направлениях. Каждый из поршней (8), (7) управляет продувкой и выпуском соответственно. Имеется механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней (8), (7) во вращательное движение коленчатого вала (1). Выпускной поршень (7) в головке имеет тороидальную предкамеру (17), которая периодически сообщается с надпоршневым пространством посредством перепускного канала, выполненного в стенке цилиндра (16). Система топливоподачи допускает дробный впрыск топлива в предкамеру (17) и в основную камеру сгорания, образованную днищами поршней (8), (7) и стенками цилиндра (16). Раскрыт способ работы двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в увеличении интенсивности процесса сгорания. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к способам осуществления рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Уровень техники
В двигателестроении известны способы работы ДВС, в частности поршневых, предусматривающие циклическое осуществление процессов впуска воздушного заряда, сжатия, расширения (рабочий ход), выпуска отработавших газов. И только рабочий ход имеет отношение к преобразованию химической энергии топлива, в результате его окисления (сгорания), в полезную работу. Перспективными направлениями развития поршневых двигателей считают широкое применение электронных средств управления таким параметром как ход поршня, в результате чего обеспечивается оптимальная по экономичности степень сжатия при работе двигателя на любом режиме. [1]·
В ДВС, работающих на бензине, используется искровое (принудительное) зажигание, при котором топливо и воздух предварительно смешиваются, и искра инициирует пламя, которое распространяется через топливно-воздушную смесь в камере сгорания.
Дизельные двигатели представляют тип ДВС с воспламенением от сжатия, в которых воздух и топливо намеренно разделены до получения высокой температуры воздуха за счет сжатия и последующего впрыска в виде мелкодисперсных капель топлива, которое частично смешивается с воздухом и самовоспламеняется в камере сгорания.
Традиционно бензиновые ДВС имеют более высокую частоту вращения коленчатого вала (к.в.) чем дизельные ДВС, что обусловлено большой скоростью сгорания бензино-воздущных смесей. Поэтому увеличение скорости сгорания в дизельных ДВС является эффективным средством улучшения их массо-габаритных показателей до значений характерных для бензиновых ДВС.
Одним из недостатков дизельных ДВС является трудность обеспечения стабильно высокого качества смесеобразования в широком диапазоне нагрузок и частот вращения к.в. Еще в 30-х годах 20-го века эта проблема решалась по-разному [2]: с. 367 - «Малый ход плунжера насоса Юнкере особенно в условиях двухтактного двигателя с двумя насосами на каждый цилиндр не гарантирует устойчивого и равномерного впрыска всеми насосами на режиме малых оборотов. Поэтому управление насосов предусматривает на малых подачах выключение одного ряда насосов и, следовательно, работу цилиндра двигателя с одним насосом; с.379 - Насос Коатален выполнен для впрыскивающей системы, в которой между насосом и форсункой помещен аккумулятор постоянного давления. В этом случае регулировка количества и момента начала подачи топлива в цилиндр переносится при необходимости на форсунку, а задача насоса сводится к поддержанию постоянного давления в аккумуляторе на всех режимах работы двигателя.» Система топливоподачи дизеля Коатален (Coatalen) стала пробразом современной аккумуляторной топливной системы типа «коммон-рэйл» (англ. common rail - общая магистраль) [3]. Система топливоподачи типа Common Rail в современных дизелях способна создавать давления топлива выше 200 МПа и обеспечивать многократный (дробный) впрыск топлива [4].
Наряду с совершенствованием систем топливоподачи важным резервом повышения скорости сгорания топлива и экономичности ДВС является применение струйного / предкамерного зажигания (англ. jet ignition), которое обеспечивает эффективное протекание рабочего процесса на частотах вращения коленчатого вала (к.в.) до 8000 об/мин.
Известные системы струйного зажигания TJI (от англ. Turbulent Jet Ignition) ориентированы на бензиновые ДВС с искровым зажиганием и предполагают наличие дополнительной форсунки для подачи пилотной порции топлива в предкамеру [5], а иногда и дополнительной свечи зажигания в основной камере сгорания.
Известен ДВС смешанного цикла с расслоенным зарядом [6], в котором в отличие от дизельного ДВС в предкамере имеется свеча зажигания, а форсунка впрыскивает топливо не только в предкамеру, но и транзитом в основную камеру сгорания. В области свечи зажигания создается богатая топливно-воздушная смесь, а в основной камере сгорания - обедненная. Такое решение позволяет бензиновому ДВС работать с повышенными степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха.
Известен двухтактный бензиновый ДВС с струйным зажиганием и предкамерой в поршне [7]. Указанный ДВС имеет прямоточную продувку посредством выпускного клапана в головке цилиндра и продувочных окон в гильзе цилиндра, открытых полностью при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ). Основная порция топлива подается насос-форсункой, а пилотная порция - произвольной впрыскивающей системой низкого давления. Предкамера выполнена в виде выемки в поршне, входное отверстие которой может располагаться напротив вспомогательной камеры смешения при положении поршня в НМТ, либо напротив свечи зажигания при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Выходное отверстие предкамеры сообщается с надпоршневым пространством посредством канала, через который струя продуктов сгорания выбрасывается в основную камеру сгорания и иницирует сгорание бедной топливно-воздушной смеси.
Известно [8], что воспламенение бензино-воздушной смеси может производится не только от свечи зажигания, но и путем самовоспламенения, если эта смесь гомогенная. Двигатели с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия (HCCI, от англ. Homogeneous charge compression ignition) характеризуются плохой управляемостью процесса сгорания, поэтому их конструкции предполагают использование довольно сложных средств регулирования, таких как органы газообмена с переменными фазами открытия. Если в 4-тактных ДВС с впускными и выпускными клапанами такие решения вполне реализуемы, то в 2-тактных, при наличии выпускных и продувочных окон, они невозможны.
Способ управления началом сгорания в дизельном ДВС с HCCI предложен в [9]. Предлагается стратегия множественных впрысков (как минимум трех), при которой первые два, произведенные на такте сжатия, создают гомогенную смесь примерно стехиометрического состава, а третий впрыск осуществляет воспламенение смеси. Способ может быть использован с применением топливоподачи системой типа Common Rail.
Известен способ управления моментом самовоспламенения для ДВС с HCCI и с струйным зажиганием [10], названный авторами «НСЛ» (НСЛ, от англ. Homogeneous Combustion Jet Ignition). Способ предполагает наличие как минимум двух предкамер, открытие которых управляется микроклапанами (в позиции «С» на Фиг.1б «microvalve closed») с соответствующим блоком электронного управления по нагрузке двигателя. Отмечается, что объем каждой предкамеры на два порядка меньше объема цилиндра (длина/диаметр от 5 до 20 мм), а диаметр выходного отверстия от 0,5 до 3 мм. Предкамеры не имеют средств вентиляции, поэтому продукты сгорания от предыдущего цикла не могут быть полностью вытеснены и замещены свежим зарядом. В формуле изобретения отсутствует информация о том, каким образом основное топливо поступает в цилиндр, и только в описании имеется указание, что газообразное топливо вместе с воздухом подается через впускной клапан. Однако, если для газообразного топлива гомогенность смеси обеспечивается естественым образом, то в случае использования дизельного топлива указанный способ не реализуется и должен быть дополнен средствами обеспечения обедненной топливно-воздушной смеси. Также в способе не раскрывается механизм подготовки обогащенной смеси жидкого топлива и вошедшей в предкамеру топливно-воздушной смеси, особенно в условиях ограниченного объема предкамеры. В любом случае вызывает сомнение работоспособность устройства с предкамерами объемом порядка 0,1/6 см3 и температурой до 1000 K, управляемых микроклапанами.
В этой связи следует рассмотреть решения, в которых управление открытием предкамеры осуществлялось бы автоматически по положению поршня относительно ВМТ.
Одной из первых попыток применить управление зажиганием топливо-воздушной смеси в газовом двигателе с ПДП по положению поршня следует признать решение [11]. Применена зажигательная трубка, выходное отверстие которой периодически перекрывается поршнем. Эта трубка нагревается докрасна («red-hot») с помощью внешнего источника пламени и поджигает горючую смесь, попавшую внутрь, таким образом воспламеняя заряд.
Известен ДВС [12], в котором кроме основной камеры сгорания имеется дополнительная кольцевая камера, выполненная в головке поршня или в цилиндре двигателя, которая периодически отделяется/соединяется с основной камерой сгорания. Продолжительность перекрытия камер определяется высотой/толщиной козырька на головке поршня, разделяющего основную и дополнительную камеру, тогда как козырек движется вместе с поршнем относительно кругового выступа над поверхностью цилиндра. За время перекрытия камер в них происходят изменения давления, как на такте сжатия, так и на такте расширения. В любом случае, момент соединения камер сопровождается интенсивным вихреобразованием в камере сгорания, что делает сгорание более полным.
Известен 2-тактный ДВС с устойчивым рабочим ходом [13], у которого в головке поршня выполнена кольцевая воздушная камера. Воздушная камера постоянно сообщается с основной камерой сгорания посредством узкого кольцевого зазора между стенкой цилиндра и кромкой козырька на головке поршня, разделяющего основную и воздушную камеру. Утверждается, что при определенных геометрических параметрах воздушной камеры и кольцевого зазора возможно акустическое взаимодействие камер с частотой Гельмгольца, что благоприятно сказывается на процессе сгорания.
Подробно механизм влияния акустического и газодинамического взаимодействия основной и воздушной камер на процесс сгорания применительно к 4-тактному ДВС раскрыт в [14].
Известен 2-тактный поршневой ДВС с 2-мя степенями свободы и способ его работы [15]. Указанный ДВС с противоположно движущимися поршнями характеризуется тем, что геометрические ВМТ выпускного и продувочного поршней отстоят от объемной ВМТ (ВОМТ) в интервале порядка 30 град, поворота к.в. (п.к.в.), а взаимно друг от друга - на 60 град. п.к.в. Положение поршней в ВОМТ соответствует положению кривошипа по углу п.к.в. равном 180 град. Следствием этого является то, что объем надпоршневого пространства (камеры сгорания) в районе ВОМТ изменяется крайне медленно. Отмечается, что «при одинаковых давлениях начала сгорания, в предлагаемом ДВС максимальное давление сгорания выше чем в традиционном ДВС благодаря меньшей скорости изменения объема надпоршневого пространства. При этом время (в градусах п.к.в.) понижения давления до уровня давления начала сгорания в предлагаемом ДВС в 1,5 раза больше. Это означает, что при достигнутом уровне совершенства процессов смесеобразования и сгорания предлагаемый ДВС представляет возможность форсирования по частоте вращения коленчатого вала дополнительно на 50%».
В этой связи представляется актуальной разработка способа осуществления рабочих процессов в ДВС, позволяющего увеличить интенсивность процесса сгорания за счет струйного зажигания и тем самым увеличить быстроходность (частоту вращения к.в.) ДВС дизельного типа.
Следует признать продуктивным принцип инициализации самовоспламенения в предкамере за счет интенсивного втекания в нее свежего заряда, что подтверждается данными испытаний экспериментального двигателя [10] и в этой части рассматривать указанный способ как прототип заявляемого способа работы ДВС.
Указанный в [15] двухтактный ДВС дизельного типа, что не исключает возможности использования его в качестве бензинового или газового двигателя, поэтому по совокупности признаков наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения он может быть выбран в качестве прототипа устройства ДВС.
Целью изобретения является повышение эффективности преобразования тепла в работу и быстроходности ДВС за счет увеличения интенсивности процесса сгорания.
Раскрытие изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в известном двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, выпускной поршень в головке имеет тороидальную предкамеру, которая периодически сообщается с надпоршневым пространством посредством перепускного канала, выполненного в стенке цилиндра, а система топливоподачи допускает дробный впрыск топлива в предкамеру и в основную камеру сгорания, образованную днищами поршней и стенками цилиндра.
Данный двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания позволяет осуществить способ работы, включающий продувку, сжатие, рабочий ход, выпуск и повторение рабочего цикла при возвратно-поступательном противоположном движении поршней, управляющих продувкой и выпуском соответственно, преобразование движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, поршни перемещают при наличии рассогласования фаз их движения и при опережении выпускного поршня подают пилотную часть топлива в размещенную в поршне предкамеру, которую периодически сообщают с основной камерой сгорания, чем обеспечивают переток продуктов неполного сгорания пилотной части топлива и интенсивное струйное воспламенение основной части топлива, которую последовательно подают в основную камеру сгорания.
В дизельных ДВС с традиционной топливоподающей аппаратурой, состоящей из топливного насоса высокого давления и форсунок, управляемых давлением топлива, давление впрыска, а значит и закон подачи топлива, зависят от режима работы двигателя. Вместе со снижением частоты вращения к.в. с номинальной до холостого хода давление впрыска может снижаться в 3 и более раз [4]. Это обстоятельство наихудшим образом влияет на качество смесеобразования топлива с воздухом и эффективность процесса сгорания. Наиболее просто обеспечить требуемое давление впрыска и управляемый закон подачи топлива в аккумуляторных системах типа Common Rail.
Возможность использования кольцевой воздушной камеры, выполненной в головке поршня, типа изображенной на Фиг.1в, рассматривается в [13, 14]. Показано, что при условии попадания некоторого количества топлива в воздушную камеру, она может служить источником радикалов, которые ускоряют реакцию окисления топлива (сгорание) в процессе циклического газобмена между камерой сгорания и воздушной камерой. В [13] заявлено, что объем воздушной камеры, как полости резонатора Гельмгольца, составляет по меньшей мере половину объема камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. В [14] утверждается, что при малом зазоре между кромкой перегородки разделяющей камеры и стенкой цилиндра возможно реализовать принцип динамически изменяемой степени сжатия: влияние перетока газов между камерами на ходе сжатия и на ходе расширения различно при низких и высоких частотах вращения к.в. Кроме того, переток части заряда в воздушную камеру способствует снижению максимального давления сгорания и делает работу двигателя менее жесткой.
Из уровня техники не известно об использовании воздушной камеры, выполненной в головке поршня, в качестве предкамеры для реализации двух-стадийного процесса сгорания, и в частности, в качестве средства струйного воспламенения основного заряда топливно-воздушной смеси.
Наличие системы топливоподачи типа Common Rail позволяет реализовать различные комбинации подачи топлива в зависимости от частоты вращения к.в. и нагрузки двигателя. При пуске, когда продолжительность сгорания ничем не лимитирована, подача топлива может осуществляться с впрыском только в основную камеру сгорания, а в режиме средних и максимальных нагрузок и/или частоты вращения к.в. подача топлива может осуществляться форсункой раздельно по времени в предкамеру и в основную камеру сгорания.
Двухтактый ДВС с противоположно движущимися поршнями [15] не имеет головки цилиндров, что дает свободу выбора в способах размещения форсунки по отношению поверхности цилиндра, например, чтобы впрыск осуществлялся в попутном направлении и по касательной к линии тока с максимальными скоростями воздушного вихря (как на Фиг. 3).
Для позиционирования форсунки относительно положения поршней в ВОМТ необходимо иметь оценку размеров кольцевой предкамеры. Согласно [10] объем каждой предкамеры на два порядка (в 100 раз) меньше объема цилиндра, поэтому при геометрической степени сжатия 20 объем предкамеры будет относится к объему камеры сгорания как 1:5, а суммарный объем двух предкамер - как 2:5. В то же время в [13] указано, что объем кольцевой воздушной камеры составляет по меньшей мере половину (отношение 1:2) объема камеры сгорания над поршнем, т.е. объем кольцевой воздушной камеры будет относится к объему общей камеры сгорания как 1:3. Таким образом для двухтактного ДВС по типу [15] с геометрической степенью сжатия ε=18 при объеме цилиндра 1 л необходимо иметь камеру сгорания 0,06 л с долей предкамеры в ней как максимум 1/3, т.е. 0, 02 л. Если при диаметре цилиндра ДВС 80 мм предварительно оценивать предкамеру как тороидальную, то при среднем диаметре тора 70 мм площадь поперечного кругового сечения составит 20* 103/70/3,14159=90 мм2, а малый диаметр ~11 мм. С учетом объема кольцевого входного канала в предкамеру малый диаметр ее должен быть еще уменьшен до значения порядка 8 мм, т.е. 10% от диаметра цилиндра.
Газодинамическое взаимодействие основной камеры сгорания с предкамерой намного эффективней акустического взаимодействия на частоте Гельмгольца, т.к. в последнем случае взаимодействие не связано с переносом вещества. В [14] утверждается, что возможен режим «запирания» зазора, при котором устанавливается критический режим течения газа и расход его не увеличивается при дальнейшем увеличении перепада давлений между камерами. Этой ситуации должно соответствовать отношение давления в предкамере к давлению в камере сгорания менее 0,55 (например, 33/60 бар), что в районе до ВМТ означает наличие разности давлений порядка 60-33=27 бар. Но при сечениях канала предкамеры от 0,2 до 7 мм2 [10] «время, необходимое для того, чтобы давление в форкамерах поднялось до уровня давления в цилиндре, на несколько порядков меньше, чем интервал в 1 мс перед самовоспламенением». Следовательно, для создания существенного перепада давления на разделительной перегородке между камерами, суммарное сечение зазора между кромкой перегородки и стенкой цилиндра должно быть порядка целых [мм2], а величина зазора - порядка десятых долей [мм].
Для газодинамического взаимодействия основной камеры сгорания с предкамерой на стенке цилиндра, в средней его части, должна быть выполнена кольцевая проточка, с шириной равной пути проходимому поршнем в районе ВОМТ примерно за 15 град, п.к.в. Таким образом днище выпускного поршня, содержащего предкамеру, будет дважды пересекать границы кольцевой проточки: в наравлении к ВМТ и в обратном. При пересечении ближней кромки кольцевой проточки открывается канал сообщения между предкамерой и основной камерой сгорания, и сжатый воздух втекает в предкамеру, создавая в ней интенсивный воздушный вихрь. В этот же момент времени, примерно за 40 град, п.к.в. до ВОМТ, в предкамеру подается пилотная порция топлива. Выпускной поршень пересекает дальнюю кромку кольцевой проточки и предкамера запирается объемом кольцевой проточки, а еще через 5 град, п.к.в. поршень останавливается в ВМТ. Продувочный поршень продолжает сжатие воздуха в надпоршневом пространстве (в камере сгорания), а примерно за 10 град, п.к.в. до ВОМТ, или позже, может начаться подача основной порции топлива. Выпускной поршень, изменив направление движения, проходит за дальнюю кромку и открывает канал сообщения между камерой сгорания и предкамерой. Свежий заряд, втекая в предкамеру, иницирует самовоспламенение пилотной порции топлива, если оно еще не началось до этого. В результате подъема давления в предкамере происходит выброс горячих газов из предкамеры в основную камеру сгорания. Фронт пламени не распространяется через узкие щели, но в объеме предкамеры уже прошли предпламенные реакции и поток газа содержит радикалы и продукты неполного сгорания топлива. У стенок цилиндра образуется фронт пламени, который будет распространятся к центру цилиндра. Навстречу фронту пламени будет распространяться топливный факел основной порции топлива, что и предопределит высокую скорость его сгорания. Выпускной поршень, продолжая движение от ВМТ, пересекает ближнюю кромку кольцевой проточки, замыкая объем предкамеры на стенку цилиндра. Теперь взамодействие основной камеры сгорания и предкамеры осуществляется только через зазор между кромкой перегородки и стенкой цилиндра. К этому моменту давление в камере сгорания приближается к максимальному значению и переток части заряда в предкамеру способствует его снижению, а значит и жесткости работы. В ходе расширения давление в цилиндре снижается и в некоторый момент становится ниже, чем в предкамере. Горячие газы из предкамеры будут перетекать в надпоршневое пространство, увеличивая работу расширения, вплоть до достижения предкамерой кромки выпускных окон. При прохождении мимо выпускных окон предкамера очищается от продуктов сгорания, причем окончательно в последней фазе процесса продувки на ходе поршня к ВМТ, когда он пересекает верхнюю кромку выпускных окон. Описанный способ работы ДВС можно назвать как сгорание со «струйным радикальным зажиганием» или «JRI» (JRI, от англ. Jet Radicals Ignition).
Краткое описание чертежей На Фиг. 1 представлены изображения, относящиеся к схеме прототипа (Фиг.1а) как устройства [15], к схеме [10] реализации способа сгорания (Фиг. 1б) и к схеме [14] реализации способа сгорания (Фиг. 1в)
На Фиг. 2 показан продольный (через ось цилиндров) разрез предлагаемого ДВС. Вспомогательные механизмы и агрегаты не показаны. На Фиг. 3 показано увеличенное изображение поперечного сечения цилиндра в районе ВОМТ.
На Фиг. 4 показано увеличенное изображение продольного сечения цилиндра в районе ВОМТ.
На Фиг. 5 показан закон изменения суммарного хода поршней от угла п.к.в. предлагаемого ДВС.
На Фиг. 6 показано изменение фазовых координат поршней в районе ВОМТ.
На Фиг. 7 показано изменение давления в цилиндре и в предкамере.
На Фиг.8 показано влияние открытия перепускного канала на изменение давления в цилиндре и в предкамере.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено в виде устройства, изображенного на Фиг. 2. Осуществление изобретения предполагает использование противоположно движущихся поршней выпускного 7 и продувочного 8, связанных штоками 5 и 6 с коромыслами 3 и 4 соответственно. Преобразование качательных движений коромысел 3 и 4 во вращательное движение кривошипа 1 происходит за счет использования трехшарнирного шатуна 2. Дополнительная, 2-я степень свободы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 и 8 во вращательное движение шейки кривошипа 1 обеспечивается двумя шарнирами 9 и 10, состоящих из цилиндрической и призматической (ползун) частей, допускающими для коромысел 3 и 4, соответственно, два вида движения: вращательное, относительно центров вращения шарниров 9 и 10, и поступательное по плоскости скольжения ползуна. Выпускной поршень 7 имеет надстройку в виде головки поршня, содержащей тороидальную предкамеру 17. Цилиндр 16 имеет в районе ВОМТ кольцевую проточку 18, обеспечивающую периодическую коммутацию предкамеры 17 с надпоршневым пространством, ограниченным стенками цилиндра 16.
Реализацию предложенного способа работы в описанном устройстве осуществляют следующим образом.
В положении механизма за 60 град, п.к.в. до ВОМТ при вращении к.в. по часовой стрелке (как на Фиг.2) происходит процесс сжатия воздуха, поступившего в цилиндр 16 из воздушного коллектора 14 через продувочные окна 12. Через зазор между кромкой перегородки предкамеры 17 и стенкой цилиндра 16 сжатый воздух проникает в пространство предкамеры 17, что вызывает в ней рост давления. Этот рост давления отстает от роста давления в надпоршневом пространстве между днищами поршней 7 и 8 (как на Фиг.7), что приводит к появлению в ходе сжатия существенной разницы давлений между предкамерой 17 и основной камерой сгорания. Примерно за 50 град, п.к.в. до ВОМТ выпускной поршень 7 пересекает ближнюю (левую) кромку К1 (как на Фиг.6) кольцевой проточки 18, после чего происходит интенсивное втекание в предкамеру 17 воздуха из основной камеры сгорания. Примерно за 40 град, п.к.в. до ВОМТ кромка разделительной перегородки предкамеры 17 пересекает ось форсунки 15 и становится возможным впрыск пилотной порции топлива в предкамеру 17. В условиях интенсивного вихреобразования и контакта топлива с горячей поверхностью предкамеры 17 в ней проходят предпламенные реакции и создаются условия для самовоспламенения пилотной порции топлива. По мере дальнейшего движения выпускной поршень 7 пересекает дальнюю (правую) кромку К2 (как на Фиг.6) и замыкает объемы предкамеры 17 и кольцевой проточки 18, а за 30 град, п.к.в. до ВОМТ достигает своей ВМТ. При обратном движении выпускной поршень 7 вторично пересекает дальнюю кромку К2 и примерно за 20 град, п.к.в. до ВОМТ открывает канал сообщения предкамеры 17 с основной камерой сгорания через кольцевую проточку 18. Поскольку продувочный поршень 8 продолжает движение к своей ВМТ, происходит дальнейшее сжатие воздуха в основной камере сгорания. Давление воздуха в основной камере сгорания становится выше давления в предкамере 17, поэтому через открытый канал сообщения между камерами воздух с высокой температурой втекает в предкамеру 17 и иницирует в ней начало сгорания. В свою очередь, начало сгорания в предкамере 17 вызывает в ней подъем давления и последующий выброс в основную камеру сгорания порции радикалов и продуктов неполного сгорания топлива. Этот выброс происходит через кольцевую проточку 18, т.е. на периферии цилиндра 16, и способствует образованию кругового фронта пламени, направленного к центру камеры сгорания. Примерно за 10 град, п.к.в. до ВОМТ днище выпускного поршня 7 пересекает ось форсунки 15 и становится возможным впрыск основной порции топлива в камеру сгорания, поэтому его топливный факел будет взаимодействовать со встречным фронтом пламени. Такая ситуация наиболее благоприятна для быстрого и полного сгорания топлива.
После того как выпускной поршень 7 пересечет ближнюю кромку К1 кольцевой проточки 18 объем предкамеры 17 будет замкнут на стенку цилиндра 16 (см. кривую Ф_п/к на Фиг. 6) и дальнейшее взаимодействие предкамеры 17 с основной камерой сгорания будет осуществляться через малый кольцевой зазор между стенкой цилиндра 16 и разделительной перегородкой прекамеры 17. Это взаимодействие выражается в перетекании части заряда в предкамеру 17 в период активной фазы сгорания и роста давления. При этом рост давления происходит с меньшей скоростью (меньше «жесткость сгорания») и с меньшим максимальным давлением сгорания. Такой переток горячих газов в предкамеру 17 способствует росту давления в ней и в какой-то момент времени, на ходе расширения, это давление окажется выше, чем давление в цилиндре 16. Теперь горячие газы из предкамеры 17 будут перетекать в надпоршневое пространство, увеличивая работу расширения, вплоть до достижения предкамерой кромки выпускных окон 11. Предкамера 17 первая сообщается с выпускным коллектором 13 при минимальном противодавлении в коллекторе, что способствует ее лучшей очистке. В последней фазе продувки, когда выпускной поршень 7 подходит к верхней кромке выпускных окон 11, высокоскоростной поток продувочного воздуха в окнах близких к выпускному коллектору 13 будет создавать эжектирующий эффект, что дополнительно улучшит очистку предкамеры 17 от продуктов сгорания. После закрытия продувочных окон 12 начинается процесс сжатия, т.е новый 2-тактный цикл работы ДВС.
Пример возможной реализации предлагаемого ДВС, аналогичного [15].
Исходные данные:
1. Мощность - 2x40 кВт (2 цилиндра)
2. Частота вращения к.в. - 4000 об/мин
3. Ход поршня - 95 мм
4. Диаметр цилиндра - 80 мм
5. Радиус кривошипа - 45 мм
6. Длина шатуна - 90 мм
7. Степень сжатия (геометрическая) - 18
8. Степень сжатия (действительная) - 16
Асимметрия зависимостей хода поршней Sвып и Sпрод от угла п.к.в. относительно геометрической ВМТ и их фазовый сдвиг (60 град, п.к.в.) приводят к тому, что зависимость суммарного хода поршней Sпдп от угла п.к.в. в районе ВОМТ является достаточно пологой, как показано на Фиг. 5. Это означает, что процесс выделения тепла (горение) протекает с максимальным приближением к изохорному (V=const), который характеризуется наибольшим термическим к.п.д., при прочих равных условиях.
Головка выпускного поршня выполнена составной и должна быть изготовлена из жаропрочного материала, т.к. разделительная перегородка предкамеры (козырек) находится под воздействием высоких температур.
Для того, чтобы использовать значительное фазовое опережение выпускного поршня в целях управления перепускным каналом, его местоположение должно быть максимально смещено в сторону продувочного поршня, при этом сам перепускной канал не должен полностью перекрываться продувочным поршнем. Срединная плоскость (симметрии) кольцевого перепускного канала должна касаться днища продувочного поршня в положении его геометрической ВМТ, т.е. должна быть смещена относительно плоскости («плоскость ВОМТ») проходящей через ось вращения коленчатого вала и равноотстоящей от поршней в положении ВОМТ. Таким образом головка выпускного поршня должна проходить через плоскость ВОМТ и дважды пересекать кромки К1 и К2 перепускного канала: первый раз - К1(125 град.), К2(140 град.); второй раз - К2(160 град.), К1(175 град.). Если первое открытие перепускного канала способствует выравниванию давлений в предкамере и основной камере сгорания, интенсивному вихреобразованию в предкамере (см. Фиг. 3), то второе открытие перепускного канала используется для непосредственного воздействия на процесс сгорания.
В срединной плоскости кольцевого перепускного канала должна находиться ось форсунки, коллинеарная (в положении поршня примерно 140 град, п.к.в.), с осью тангенциального канала, выполненного в головке выпускного поршня, как на Фиг. 3 и 4.
Полость предкамеры имеет постоянный сток газов в виде их утечки через поршневые кольца. Утечка моделировалась как истечение через отверстие постоянного сечения в докритическом/надкритическом режиме. При значении условной площади сечения отверстия 0,2 мм2 расход картерных газов в расчете на один цилиндр (два поршня) составил примерно 3 м3/час.
Если предположить, что профиль кольцевого перепускного канала представляет собой полуокружность с радиусом 2 мм, то площадь сечения канала будет превосходить площадь кольцевого зазора головка поршня-цилиндр (0,1 мм) более чем в 20 раз, что обеспечит интенсивный газообмен между предкамерой и основной камерой сгорания. При указанной глубине канала 2 мм его максимальное сечение в срединной плоскости составит порядка 500 мм2. Однако с учетом высоких потерь на трение и вихреобразование в канале следует применить коэффициент расхода не более 0,5, что уменьшает эффективное сечение канала до 250 мм2.
Принят объем предкамеры 0,01 л и минимальный объем камеры сгорания 0,05 л. Доля пилотной подачи топлива в предкамеру принята как 0,1 от общей подачи топлива. Модель сгорания в предкамере принята по кинетическому механизму, а в основной камере сгорания - по диффузионному.
Из Фиг. 7 и Фиг. 8 видно, что процесс тепло-массообмена между основной камерой сгорания и предкамерой имеет колебательный характер.
Таким образом предлагаемый двигатель и способ его работы обеспечивают достижение технического эффекта, заключающегося в повышении топливной экономичности, снижении жесткости работы, улучшении удельных массо-габаритных показателей. Двигатель и способ его работы могут быть осуществлены с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель и способ его работы обладают промышленной применимостью.
Поскольку предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в области двигателестроения, а само изобретение допускает множество вариаций, модификаций и изменений в деталях, подразумевается, что весь материал, содержащийся в вышеприведенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как иллюстративный, а не в ограничительном смысле.
Источники информации:
1. Конструирование и расчет поршневых двигателей: учебник для вузов / Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - 536 с.
2. Теория быстроходного дизеля. Мелькумов Т.М. - М.: Гос. изд-во оборон, промышленности, 1944. - 416 с.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аккумуляторная топливная система
4. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: учебник для вузов/ Л.В. Грехов, Н.А. Ищенко, В.А. Марков; - М.: Легион-Автодата, 2004 - 344 с.
5. Pat. US 8857405, 2014.
6. Pat. US 4124000, 1978.
7. Pat. US 3937188, 1976.
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия
9. Pat. US 6668789, 2003.
10. Pat. US 7107964, 2006.
11. Pat. US 336505, 1886.
12. Pat. DE 2908756, 1980.
13. Pat. US 4370959, 1983.
14. Pat. US 4592331, 1986.
15. Пат. RU 2729562, 2020.
1. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, снабженный продувочными и выпускными окнами, поршни, движущиеся в указанных цилиндрах в противоположных направлениях, каждый из которых управляет продувкой и выпуском соответственно, механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, отличающийся тем, что выпускной поршень в головке имеет тороидальную предкамеру, которая периодически сообщается с надпоршневым пространством посредством перепускного канала, выполненного в стенке цилиндра, а система топливоподачи допускает дробный впрыск топлива в предкамеру и в основную камеру сгорания, образованную днищами поршней и стенками цилиндра.
2. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала обеспечивает рассогласование фаз движения поршней, при этом угол сдвига фаз, определяемый как количество градусов поворота коленчатого вала, необходимых для достижения верхней мертвой точки продувочным поршнем, после достижения верхней мертвой точки выпускным поршнем, составляет более примерно 10 градусов и менее примерно 60 градусов.
3. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 2, отличающийся тем, что механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала имеет 2 (две) степени свободы.
4. Способ работы двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий продувку, сжатие, рабочий ход, выпуск и повторение рабочего цикла при возвратно-поступательном противоположном движении поршней, управляющих продувкой и выпуском соответственно, преобразование движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, отличающийся тем, что поршни перемещают при наличии рассогласования фаз их движения и при опережении выпускного поршня подают пилотную часть топлива в размещенную в выпускном поршне предкамеру, которую периодически сообщают с основной камерой сгорания, чем обеспечивают переток продуктов неполного сгорания пилотной части топлива и интенсивное струйное воспламенение основной части топлива, которую последовательно подают в основную камеру сгорания.
5. Способ работы двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания по п. 4, отличающийся тем, что поршни перемещают при отсутствии жесткой кинематической связи с положением коленчатого вала за счет механизма с 2 (двумя) степенями свободы для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала и тем самым создают условия для возникновения автоколебаний поршней.
