[RU]

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению. Задачей изобретения является повышение удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижение количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах. Задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием форкамера с объемом цилиндра дополнительно соединена с помощью запального канала, выходящего в объем цилиндра у стенки цилиндра, в области над вытеснительной поверхностью днища поршня и имеющего конусообразное расширение у выходного сечения в объем цилиндра. Кроме того, задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием распыливающее отверстие топливовпрыскивающей форсунки размещено в объеме цилиндра у выходного сечения запального канала с направлением оси распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, выполненной в виде тела вращения в углублении поршня, с возможностью истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия в основную камеру сгорания в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала. Задача изобретения решена также тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием ось соединительного канала направлена в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, с возможностью истечения струи газов через соединительный канал из форкамеры в основную камеру сгорания в направлении вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.

(57) Реферат / Формула:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению. Задачей изобретения является повышение удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижение количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах. Задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием форкамера с объемом цилиндра дополнительно соединена с помощью запального канала, выходящего в объем цилиндра у стенки цилиндра, в области над вытеснительной поверхностью днища поршня и имеющего конусообразное расширение у выходного сечения в объем цилиндра. Кроме того, задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием распыливающее отверстие топливовпрыскивающей форсунки размещено в объеме цилиндра у выходного сечения запального канала с направлением оси распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, выполненной в виде тела вращения в углублении поршня, с возможностью истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия в основную камеру сгорания в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала. Задача изобретения решена также тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием ось соединительного канала направлена в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, с возможностью истечения струи газов через соединительный канал из форкамеры в основную камеру сгорания в направлении вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.

---

МКИ F02B 19/12; F02B 17/00
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к двигате-лестроению.
Известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием и впрыском топлива непосредственно в цилиндр, имеющий камеру сгорания, сформированную в форме углубления на верхней поверхности поршня, топ-ливовпрыскивающую форсунку непосредственного впрыска в цилиндр, которая впрыскивает топливную струю в отмеченную камеру сгорания в течение хода сжатия поршня, свечу зажигания и средства образования вихревого потока впускаемого в камеру сгорания воздуха, конфигурацию стенок отмеченной камеры сгорания, включающую участки с различными формами стенок, направляющие распыленную струю топлива по направлению к свече зажигания [1] - аналог.
Недостаток этого двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и впрыском топлива непосредственно в цилиндр заключается в следующем. В результате неразделенное(tm) камеры сгорания и направления топливной струи к свече зажигания только за счет направленности потока воздуха, поступающего из впускного канала, направляемого формой впускного канала и стенок камеры сгорания в поршне (т.е. только с помощью газодинамических средств), а также значительного расстояния между впрыскивающим отверстием форсунки и электродами свечи зажигания, невозможно в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя, т.е. в широком диапазоне изменений количества и скорости поступающего в цилиндр воздуха, а также изменений цикловой дозы впрыскиваемого топлива, поддерживать состав топливовоздушной смеси в зоне электродов свечи зажигания в легковоспламеняемых пределах (со значением коэффициента избытка воздуха в пределах сс=0,8.. .1,0). Тем самым очень трудно обеспечить надежное воспламенение рабочего заряда в широком диапазоне общего по объему камеры сгорания состава топливовоздушной смеси. Кроме того, в си
лу неразделенности камеры сгорания, при воспламенении рабочего заряда в зоне электродов свечи зажигания, являющейся точечным источником зажигания, в камере сгорания отсутствует направленная струя пламени, воспламеняющая оставшуюся часть рабочего заряда и интенсифицирующая турбулентность сгорания, что не улучшает условия воспламенения и сгорания смеси с бедным составом. В результате, не на всех скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя происходит надежное воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания, что, как следствие, на некоторых режимах работы, на которых используется глубоко расслоенная топли-вовоздушная смесь с обедненными зонами в камере сгорания, приводит к ухудшению стабильности работы двигателя, понижению топливной экономичности, уменьшению мощности и повышению количества токсичных продуктов неполного сгорания в отработавших газах двигателя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому форка-мерному двигателю с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием является "двигатель с высокой степенью сжатия, искровым зажиганием, с дроссельным регулированием, с принудительным зажиганием и с впрыском топлива непосредственно в форкамеру " [2], прототип - имеющий высокую геометрическую степень сжатия, дроссельное регулирование количества воздуха, поступающего в цилиндр, принудительное зажигание и непосредственный впрыск топлива в форкамеру, которая соединена с основной камерой сгорания с помощью соединительного канала.
Недостатки этого двигателя с высокой степенью сжатия, искровым зажиганием, с дроссельным регулированием, с принудительным зажиганием и с впрыском топлива непосредственно в форкамеру заключаются в том, что в результате впрыска всей цикловой дозы топлива в основную камеру сгорания через форкамеру, на режимах частичных и малых нагрузок двигателя, когда в основной камере сгорания требуется расслоенная топливовоздушная смесь с бедным составом (со значением коэффициента избытка воздуха значительно выше единицы), а в форкамере - смесь с легковоспламеняемым составом, со значением коэффициента избытка воздуха в пределах "=0,8... 1,0 , невозможно отдельно регулировать состав смеси в основной камере сгорания и в
форкамере и поддерживать их в разных значениях. Кроме того, в конструктивном исполнении прототипа с размещением форкамеры отдельно от впускного клапана, в головке цилиндра, в результате сообщения форкамеры с основной частью камеры сгорания с помощью одного соединительного канала, форкамера является непродуваемой, в результате чего ухудшаются условия очищения объема форкамеры от остаточных газов предыдущего рабочего цикла и заполнение свежим воздухом, что в свою очередь, ухудшает условия воспламенения и сгорания рабочего заряда в форкамере, а также стабильность процесса сгорания от цикла к циклу. При истечении струи распыленного топлива из объема форкамеры через единственный канал, соединяющий объем форкамеры с основной камерой сгорания, в результате эжектирующе-го действия струи топлива давление в объеме форкамеры будет понижаться ниже давления в основной камере сгорания, что будет оказывать затормаживающее действие на струю топлива, особенно на конечную часть впрыснутой струи. В результате этого нерегулируемого процесса значительная и трудно контролируемая часть впрыснутого топлива будет оставаться в объеме форкамеры, чрезмерно обогащая состав форкамерной смеси и даже смачивая контакты свечи зажигания, особенно на режимах больших нагрузок.
В конструктивном исполнении прототипа с размещением форкамеры между впускным клапаном и основной камерой сгорания форкамера является продуваемой и исключаются вышеотмеченные недостатки, связанные с непродуваемой конструкцией форкамеры. Но в этом конструктивном исполнении сечение канала, соединяющего объем форкамеры с объемом основной камеры сгорания для пропускания всего количества воздуха, поступающего на такте впуска из впускного клапана в цилиндр, увеличено и превращено в горловину, отделяющую объем форкамеры от объема основной камеры сгорания периферийным выступом. В результате этого форкамера потеряла свою обособленность и, по существу, превратилась в углубление в периферии основной камеры сгорания под впускным клапаном, в результате чего утрачивается также и эффект от применения форкамерного зажигания - воспламенение внутрицилиндровой топливовоздушной смеси с бедным составом и/или с расслоением с помощью мощной струи форкамерного факела, образованной сгоранием форкамерного заряда с легковоспламеняемым со-
ставом (с требуемым значением коэффициента избытка воздуха в пределах а=0,8...1,0 , независимо от состава и степени расслоенности топливовоздушной смеси в основной камере сгорания).
Кроме того, с целью повышения топливной экономичности двигателя на режимах частичных нагрузок степень сжатия двигателя-прототипа чрезмерно увеличена до значений от s=15 до s=25 (при известном оптимальном значении степени сжатия, находящегося в пределах s- 12... 13). Но это, для предотвращения самопроизвольного воспламенения и детонационного сгорания, потребовало работы двигателя на режиме полной нагрузки с неполностью открытой дроссельной заслонкой, с ограничением количества поступающего в цилиндр воздуха, а следовательно, и мощности двигателя. Поэтому "высокие пиковые значения крутящего момента и мощности тем самым изначально приносятся в жертву" [2]. При этом даже повышение степени сжатия прототипа до 8=25, не может компенсировать понижение мощности за счет ограничения количества поступающего в цилиндр воздуха. Вместе с тем, работа двигателя на режиме полной мощности даже без детонационного сгорания, при столь высокой степени сжатия будет недопустимо жесткой для двигателя с искровым зажиганием, что отрицательно повлияет на срок службы деталей двигателя. Кроме того, повышение степени сжатия двигателя выше оптимальных значений приводит к уменьшению термического коэффициента полезного действия рабочего цикла в результате увеличения работы, затрачиваемой на процесс сжатия газов в цилиндре, на режиме полной мощности и как следствие, к уменьшению топливной экономичности двигателя-прототипа на этом режиме.
Недостатком прототипа является также и то, что основную камеру сгорания двигателя составляет верхняя часть объема цилиндра, остающаяся выше днища поршня при нахождении поршня в верхней мертвой точке, т.е. верхняя часть объема цилиндра одновременно является объемом камеры сгорания - объем цилиндра и объем камеры сгорания составляют единое целое. В результате этого отсутствует вытеснительная поверхность днища поршня, создающая поток газовой среды, направленный из периферии к центральной оси цилиндра в конце такта сжатия, интенсифицирующий турбулентность заряда и повышающий эффективность процесса сгорания.
Задачей изобретения является повышение удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижение количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах.
Задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием форкамера с объемом цилиндра дополнительно соединена с помощью запального канала, выходящего в объем цилиндра у стенки цилиндра, в области над вытеснительной поверхностью днища поршня и имеющего конусообразное расширение у выходного сечения в объем цилиндра.
Кроме того, задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием распыливающее отверстие топливовпрыскивающей форсунки размещено в объеме цилиндра у выходного сечения запального канала с направлением оси распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, выполненной в виде тела вращения в углублении поршня, с возможностью истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия в основную камеру сгорания в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.
Задача изобретения решена также тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием ось соединительного канала направлена в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, с возможностью истечения струи газов через соединительный канал из форкамеры в основную камеру сгорания в направлении вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.
В заявляемом устройстве в результате соединения форкамеры с объемом цилиндра дополнительно с помощью запального канала, форкамера является
продуваемой, в результате чего улучшаются условия очищения объема форкамеры от остаточных газов предыдущего рабочего цикла и заполнения свежим воздухом. Так, на такте впуска, когда через открытый впускной клапан из впускного канала в цилиндр поступает свежий воздух, в результате размещения выходного сечения запального канала в области над вытеснитель-ной поверхностью днища поршня, где при всасывающем движении поршня местное значение относительного расширения объема больше, чем над основной камерой сгорания и, как результат, местное значение давления газов ниже, чем в основной камере сгорания и в цилиндре, остаточные газы отсасываются через запальный канал из объема форкамеры в область объема цилиндра над вытеснительной поверхностью, а вместо них через соединительный канал из объема цилиндра поступает часть входящего из впускного клапана свежего воздуха. Таким способом на такте впуска производится продувка и заполнение объема форкамеры свежим воздухом, с одновременным очищением ее от остаточных газов.
В результате размещения распыливающего отверстия топливовпрыски-вающей форсунки в объеме цилиндра предотвращается впрыск всей цикловой дозы топлива через форкамеру, тем самым, исключаются попадание неконтролируемого и большого количества топлива в сравнительно малый объем форкамеры и неконтролируемый процесс формирования состава форка-мерной топливовоздушной смеси. В результате размещения распыливающего отверстия топливовпрыскивающей форсунки у выходного сечения запального канала, часть второй - запальной дозы топлива, впрыскиваемой к концу такта сжатия и находящейся у выходного сечения запального канала, под действием поступательного движения и вталкивающего действия поршня вместе с воздушной средой заносится в объем форкамеры. В результате наличия конусообразного расширения у выходного сечения запального канала в объем цилиндра, запальный канал захватывает больший объем струи топлива, кроме того вход части топливной струи вместе с воздушной средой в запальный канал становиться более упорядоченным и контролируемым. Изменением количества и момента впрыска второй - запальной дозы топлива становится возможным формирование требуемого состава форкамерной топливовоздушной смеси и поддержание его значения в требуемых - легковос-
пламеняемых пределах с высокой точностью на всех рабочих режимах двигателя независимо от количества и момента впрыска первой - основной дозы топлива.
В результате направления оси распыливающего отверстия топливовпры-скивающей форсунки в основную камеру сгорания, по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, выполненной в виде тела вращения в углублении поршня, с возможностью истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия в основную камеру сгорания в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала, частицы распыленного топлива попадают в воздушный поток, движущийся навстречу впрыскиваемому топливу, что интенсифицирует испарение частиц топлива и способствует их лучшему перемешиванию с воздушной средой.
Известно, что при вращении газовой среды в объеме, имеющем форму стенок в виде тела вращения, средняя - приосевая часть газовой среды вращается по закону, близкому к закону вращения твердого тела. При этом с удалением от центра вращения по радиусу окружная скорость среды увеличивается близко к линейной зависимости - пропорционально радиусу вращения. А с приближением к стенке объема, в результате трения газовой среды о стенки, эта зависимость нарушается - окружная скорость быстро уменьшается и на поверхности стенки достигает нулевого значения (фиг. 1). Считается, что примерно на окружности с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, окружные скорости газовой среды достигают достаточно больших значений. Поэтому, в результате направления оси распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, частицы впрыснутого топлива попадают в зону достаточно больших окружных скоростей вращающегося воздушного потока, вместе с тем, оставаясь на значительном удалении от боковых стенок камеры сгорания. При этом струя частиц впрыснутого топлива и их паров уносится вращающимся воздушным потоком по дуге с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки и растягивается по окружности с упомянутым радиусом вокруг центральной оси по основной камере сгорания,
образуя кольцевую зону с обогащенным составом топливовоздушной смеси. А в результате проникновения частиц топлива и их паров за счет турбулентности газовой среды и диффузии при вращательном движении воздушного потока из упомянутой кольцевой зоны в периферийную и центральную зоны, в периферийной и центральной зонах основной камеры сгорания образуется топливовоздушная смесь с обедненным составом. Таким способом по объему основной камеры сгорания формируется расслоенная топливовоздушная смесь.
В результате направления оси соединительного канала в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, с возможностью истечения струи газов через соединительный канал из форкамеры в основную камеру сгорания в направлении вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала, при воспламенении форкамерной топливовоздушной смеси от искры свечи зажигания факел пламени с большой скоростью истекает из соединительного канала форкамеры в основную камеру сгорания и попадает в зону окружности основной камеры сгорания с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки камеры сгорания, где ранее образовалась кольцевая зона с обогащенным составом топливовоздушной смеси, что способствует быстрому и надежному воспламенению топливовоздушной смеси с обогащенным составом в упомянутой кольцевой зоне и дальнейшему распространению процесса сгорания в зоны с обедненным составом топливо-воздушной смеси в центре и периферии камеры сгорания. А в результате совпадения направления истечения форкамерного факела с направлением вращения воздушного потока в основной камере сгорания, истечение форкамерного факела увеличивает скорость вращения заряда и интенсифицирует турбулентность процесса сгорания, способствуя увеличению скорости и полноты сгорания, что в свою очередь, приводит к повышению удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижению количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах. В результате расслоенного размещения топливовоздушной смеси в основной камере сгорания в виде кольцевой зоны с обогащенным зарядом и с обедненным заря-
дом в центральной и периферийной зонах, а также воспламенения первоначально с помощью форкамерного факела кольцевой зоны с обогащенным зарядом, происходит сгорание топливовоздушной смеси в два этапа - на первом этапе сгорает топливовоздушная смесь с обогащенным составом в кольцевой зоне, а во втором этапе - топливовоздушная смесь с обедненным составом в центральной и периферийной зонах основной камеры сгорания. В результате такого двухэтапного сгорания расслоенного заряда значительно уменьшается образование наиболее токсичного компонента продуктов сгорания - окислов азота. А в результате размещения в периферийной - пристеночной зоне топливовоздушной смеси с обедненным составом (или чистого воздуха), уменьшается содержание в продуктах сгорания токсичных несго-ревших углеводородов, которые обычно образуются в относительно холодной пристеночной зоне. В результате значительного увеличения скорости сгорания, а также двухэтапного сгорания расслоенного заряда повышается детонационная стойкость рабочего процесса, что позволяет увеличить степень сжатия двигателя по сравнению с бесфоркамерными двигателями и довести до оптимальных значений (е=12...13) без опасности возникновения детонационного сгорания, и тем самым, еще более увеличить мощность и топливную экономичность двигателя.
Отмеченное показывает, что вышеприведенные признаки относятся к существенным и влияют на достигаемый технический результат, "повышение удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижение количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах", т.е. они находятся с указанным результатом в причинно-следственной связи.
На фиг.2 представлена схема заявленного форкамерного двигателя с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием.
На фиг. 3 показана схема работы заявленного двигателя в начале такта всасывания.
На фиг. 4 представлена схема работы заявленного двигателя в середине такта сжатия, в момент впрыска первой - основной части цикловой дозы то
плива.
На фиг. 5 приводится схема работы заявленного двигателя к концу хода сжатия поршня, в момент впрыска запальной дозы топлива.
На фиг. 6 показана схема работы заявленного двигателя к концу хода сжатия поршня, в момент истечения форкамерного факела из форкамеры в основную камеру сгорания.
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием содержит цилиндр (1) (фиг. 2), головку цилиндра (2), поршень (3), установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре, основную камеру сгорания (4), выполненную в виде углубления в поршне и имеющую форму тела вращения, соосную с цилиндром, форкамеру (5), соединенную с объемом (6) цилиндра с помощью соединительного канала (7) и запального канала (8), свечу зажигания (9), размещенную в форкамере, топливовпрыскивающую форсунку (10), впускной (11) и выпускной (12) клапаны, впускной (13) и выпускной (14) каналы и устройство дроссельного регулирования (15) количества воздуха, поступающего в объем цилиндра. Выходное сечение (16) запального канала выходит в объем цилиндра у стенки цилиндра, в области над вытеснительной поверхностью (17) днища (18) поршня и имеет конусообразное расширение у выходного сечения в объем цилиндра.
Распыливающее отверстие (19) топливовпрыскивающей форсунки размещено в объеме цилиндра у выходного сечения запального канала, с направлением оси (20) распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности (21), центр которой находится на центральной оси (22) основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания.
Ось (24) соединительного канала направлена в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания.
Двигатель работает следующим образом. В начале такта всасывания при открытом положении впускного клапана (11) поршень (3) совершает всасы-
вающее движение от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.) - сверху вниз, по фиг. 3. При этом в результате расширения объема (6) цилиндра (1) и, как следствие, падения давления газов в объеме цилиндра и в основной камере сгорания (4) ниже давления внешней среды - атмосферного давления, атмосферный воздух, проходя через открытое сечение устройства дроссельного регулирования (15) количества воздуха, впускной канал (13) и открытую щель впускного клапана (11) поступает в объем цилиндра. В результате обычного размещения центральной оси (25) впускного клапана (11) со смещением от центральной оси (22) цилиндра (1) и направляющего действия стенки цилиндра (1) и боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4), поступающий в цилиндр воздух приобретает вращательное движение вокруг центральной оси (22) цилиндра и основной камеры сгорания (против движения часовой стрелки на фиг. 3). Расстояние от вытесните л ьной поверхности (17) днища (18) поршня (3) до нижней поверхности (26) головки цилиндра (2) в начале такта всасывания (при нахождении поршня в в.м.т.) близко к нулю и значительно меньше, чем расстояние от нижней стенки (27) основной камеры сгорания (4) в углублении поршня (3) до нижней поверхности (26) головки цилиндра (2). Поэтому при всасывающем движении поршня (3) местное значение относительного расширения объема над вытеснительной поверхностью (17) днища поршня (т.е. у конусообразного расширения выходного сечения запального канала в объем цилиндра) больше, чем над основной камерой сгорания (4) и, как результат, местное значение давления газов ниже, чем в объеме цилиндра (6) над основной камерой сгорания (4). В результате этого в начале всасывающего движения поршня (3) остаточные газы, оставшиеся в форкамере (5) от предыдущего рабочего цикла, отсасываются через запальный канал (8) из объема форкамеры (5) в область над вытеснительной поверхностью (17), а вместо них через соединительный канал (7) из объема цилиндра (6) в объем форкамеры (5) входит часть поступающего из впускного клапана (11) свежего воздуха. Таким способом производится продувка и заполнение объема форкамеры (5) свежим воздухом, с одновременным очищением ее от остаточных газов.
Доходя до н.м.т., поршень (3) останавливается и начинает обратное, поступательное движение к в.м.т., впускной клапан (11) закрывается и начина-
ется процесс сжатия. Давление и температура газа в объеме (6) цилиндра (1) и в основной камере сгорания (4) повышаются, а поступивший на такте впуска воздух по инерции продолжает совершать вращательное движение вокруг центральной оси (22) цилиндра. В основную камеру сгорания (4) топливов-прыскивающей форсункой (10) впрыскивается первая - основная часть цикловой дозы топлива (фиг. 4). В зависимости от режима работы двигателя момент впрыска первой части цикловой дозы топлива может изменяться от конечной фазы такта впуска до середины такта сжатия. Первая часть цикловой дозы топлива на номинальном нагрузочном режиме работы двигателя может составлять от 80 до 95% от всей цикловой дозы топлива.
В результате направления оси (20) распыливающего отверстия (19) форсунки (10) в основную камеру сгорания (4) по касательной к окружности (21), центр которой находится на центральной оси (22) основной камеры сгорания (4), а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4) и истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия (19) в основную камеру сгорания (4) в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала (13), при впрыске первой части топлива частицы распыленного топлива попадают в воздушный поток, движущийся навстречу впрыскиваемому топливу, что интенсифицирует испарение частиц топлива и способствует их лучшему перемешиванию с воздушной средой. А в результате впрыска топлива в зону окружности (21) с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4), частицы впрыснутого топлива попадают в зону высоких окружных скоростей вращающегося воздушного потока. При этом струя (28) (фиг. 4) частиц впрыснутого топлива и их паров уносится вращающимся воздушным потоком (29) по дуге (30) с упомянутым радиусом и растягивается по окружности с упомянутым радиусом вокруг центральной оси (22) по основной камере сгорания (4), образуя кольцевую зону с обогащенным составом топливовоздушной смеси. При вращательном движении воздушного потока, в результате турбулентности газовой среды и диффузии, распыленные частицы и пары топлива проникают также в периферийную (31) (фиг. 5) и центральную (32) зоны основной камеры сгорания (4), образуя в этих зонах топливовоздушную смесь с
обедненным составом. Таким образом, в разных зонах основной камеры сгорания образуется топливовоздушная смесь с различающимися составами (коэффициентами избытка воздуха) - другими словами, формируется расслоенный рабочий заряд. В зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы двигателя на разных режимах требуются различные степени расслоенное(tm) рабочего заряда - различные соотношения коэффициентов избытка воздуха в обогащенных и обедненных зонах и различные соотношения объемов обогащенных и обедненных зон. А на некоторых режимах работы двигателя может потребоваться полная гомогенизация смеси. Для достижения большей гомогенизации рабочего заряда по основной камере сгорания, первая - основная часть цикловой дозы топлива впрыскивается по возможности ранее, т.е. в конечной фазе такта впуска, которая до воспламенения в течение продолжительного времени имеет возможность полностью перемешаться с воздухом и более равномерно распределиться по объему основной камеры сгорания (4), образуя однородную топливовоздушную смесь. При позднем же впрыске первой части цикловой дозы топлива (в начале или середине такта сжатия) достигается большая расслоенность смеси по объему основной камеры сгорания. Таким образом, изменяя момент впрыска первой - основной части цикловой дозы топлива можно регулировать степень расслоенности основной части цикловой дозы топлива по основной камере сгорания, а изменением ее количества - регулировать значение среднего по объему основной камеры сгорания коэффициента избытка воздуха - состава рабочего заряда в зависимости от нагрузочного режима работы двигателя.
К концу хода сжатия поршня, немного не доходя до в.м.т., форсункой (10) впрыскивается вторая, оставшаяся часть цикловой дозы топлива - запальная доза, на номинальном нагрузочном режиме работы двигателя составляющая от 5 до 20% от всей цикловой дозы топлива (фиг. 5). Назначением впрыска запальной дозы топлива является формирование форкамерного заряда с легковоспламеняемым составом (со значением коэффициента избытка воздуха в пределах "=0,8... 1,0) на всех рабочих режимах двигателя, независимо от состава и степени расслоенности топливовоздушной смеси в основной камере сгорания (4). При впрыске второй - запальной дозы топлива поршень (3) находится вблизи в.м.т. (фиг. 5), а вытеснительная поверхность
(17) днища (18) поршня (3) - на небольшом расстоянии от нижней поверхности (26) головки цилиндра (2) и выходного сечения (16) запального канала (8) с конусообразным расширением, куда и впрыскивается топливо. Поэтому часть запальной дозы топлива под действием поступательного движения и вталкивающего действия поршня (3) вместе с воздушной средой заносится в объем форкамеры (5), образуя в форкамере топливовоздушную смесь требуемого состава. При этом часть воздуха, находящегося в объеме форкамеры (5) выталкивается через соединительный канал (7) в объем (6) цилиндра (1) и основной камеры сгорания (4) и в результате совпадения направления его истечения с направлением вращающегося потока в основной камере сгорания (4), истечение воздуха из соединительного канала (7) увеличивает скорость вращения рабочего заряда и интенсифицирует турбулентность потока в основной камере сгорания (4).
Изменением количества и момента впрыска запальной дозы топлива осуществляется формирование требуемого состава форкамерной топливовоздушной смеси и поддержание его значения в требуемых пределах с высокой точностью на всех рабочих режимах двигателя. При изменении количества первой - основной части цикловой дозы топлива в больших пределах в зависимости от нагрузочного режима работы двигателя, количество запальной дозы изменяется незначительно. На режиме холостой работы двигателя возможна работа двигателя без впрыска первой дозы топлива, только впрыскиванием несколько увеличенной запальной дозы.
Немногим позже после завершения впрыска запальной дозы топлива, в положении поршня (3), не доходя до в.м.т., свеча зажигания (9) подает электрическую искру и воспламеняет форкамерный заряд с легковоспламеняемым составом (фиг. 6). В результате сгорания форкамерного заряда в форкамере (5) резко поднимается температура и давление газов. За счет высокого давления газов в форкамере (5), факел пламени из объема форкамеры (5) с большой скоростью истекает через соединительный (7) и запальный (8) каналы в объемы цилиндра (6) и основной камеры сгорания (4). При этом, в положении поршня (3) вблизи в.м.т., днище (18) поршня находится непосредственно у нижней поверхности (26) головки цилиндра (2) и вытеснительная поверхность (17) днища (18) поршня (3) почти перекрывает выход (16) за-
пального канала (8) в объем цилиндра (6), создавая газодинамическое сопротивление струе газов, истекающей из запального канала (8). Поэтому большая часть форкамерного пламени устремляется в объем основной камеры сгорания (4) через соединительный канал (7).
Форкамерный факел из выхода соединительного канала (7) истекает в зону окружности (21) основной камеры сгорания (4) с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) камеры сгорания, где ранее образовалась кольцевая зона с обогащенным составом топливовоздушной смеси, что способствует быстрому и надежному воспламенению топливовоздушной смеси в упомянутой кольцевой зоне и дальнейшему распространению процесса сгорания в зоны с обедненным составом топливовоздушной смеси в центре и периферии камеры сгорания. Мощный факел форкамерного пламени, охватывая значительно больший объем рабочего заряда по сравнению с искрой, подаваемой в камеру сгорания бесфоркамерных двигателей с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива в цилиндр, способен надежно воспламенять также и гомогенную топливовоздушную смесь с очень бедным составом (сс=2,5...2,7) в основной камере сгорания. А при применении расслоенного заряда, двигатель может работать при значениях среднего по камере сгорания коэффициента избытка воздуха, равных сс=4,0...4,5.
В результате направления оси (24) соединительного канала (7) в основную камеру сгорания (4) по касательной к окружности (21), центр которой находится на центральной оси (22) основной камеры сгорания (4), а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4) и совпадения направления истечения форкамерного факела с направлением вращения рабочего заряда в основной камере сгорания (4), истечение форкамерного факела увеличивает скорость вращения заряда в основной камере сгорания и интенсифицирует турбулентность процесса сгорания, способствуя увеличению скорости и полноты сгорания, что в свою очередь, приводит к повышению удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижению количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах. В результате расслоенного размещения рабочего заряда в основной камере сгорания (4) в виде кольцевой зоны с обогащенным зарядом
и с обедненным зарядом в центральной и периферийной зонах, а также воспламенения первоначально с помощью форкамерного факела кольцевой зоны с обогащенным зарядом, происходит сгорание топливовоздушной смеси в два этапа - на первом этапе сгорает топливовоздушная смесь с обогащенным составом в кольцевой зоне, а на втором этапе - топливовоздушная смесь с обедненным составом в центральной и периферийной зонах основной камеры сгорания. В результате такого двухэтапного сгорания расслоенного заряда значительно уменьшается образование наиболее токсичного компонента продуктов сгорания - окислов азота. А в результате размещения в периферийной - пристеночной зоне (31) топливовоздушной смеси с обедненным составом (или чистого воздуха), уменьшается содержание в продуктах сгорания токсичных несгоревших углеводородов, которые обычно образуются в относительно холодной пристеночной зоне.
После воспламенения рабочего заряда в основной камере сгорания (4) поршень (3) доходит до в.м.т., останавливается и начинает возвратное движение к н.м.т., начинается процесс расширения - рабочий ход поршня. Давление газов, действуя на поверхность днища поршня, совершает полезную работу. В результате процесса сгорания рабочего заряда в основной камере сгорания (4) в начале процесса расширения давление и температура газов в цилиндре достигают максимального значения. При дальнейшем расширении объема (6) цилиндра (1) процесс сгорания завершается, а в результате расширения объема цилиндра давление и температура начинают снижаться. В конце хода расширения открывается выпускной клапан (12), поршень (3) доходит до н.м.т., останавливается и начинает поступательное движение к в.м.т. -начинается процесс выхлопа. Поступательным движением поршень (3) выталкивает отработавшие газы через открытую щель выпускного клапана (12) и выпускной канал (14) в атмосферу. Рабочий цикл двигателя завершается.
Последовательные рабочие циклы двигателя периодически повторяются в том же порядке.
В результате применения непосредственного впрыска топлива в цилиндр, вращательного движения и расслоенного размещения рабочего заряда в основной камере сгорания, а также воспламенения рабочего заряда в основной камере сгорания не точечным источником зажигания в виде свечи, а
объемным источником в виде мощной струи форкамерного пламени и ее турбулизирующего действия, и, как результат, существенного увеличения скорости сгорания, значительно повышается детонационная стойкость рабочего процесса, что позволяет увеличить степень сжатия двигателя до оптимальных значений (е=12...13), и тем самым, еще более увеличить мощность и топливную экономичность двигателя.
Литература.
1. Spark-Ignited Direct Cylinder Fuel Injection Engine. United States Patent. Patent No.: 5 553 588. Filed: Jul. 17, 1995. Date of Patent: Sep. 10, 1996. (аналог).
2. High Compression Spark-Ignition Engine with Throttle Control, Externally Supplied Ignition and Direct Fuel Injection into a Precombustion Chamber. United States Patent. Patent No.: US 7 370 626 B2. Filed: May 10, 2005. Date of Patent: May 13, 2008. (прототип).
Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Формула изобретения
П. 1. Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием, содержащий цилиндр, головку цилиндра, поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре, основную камеру сгорания, форкамеру, соединенную с объемом цилиндра с помощью соединительного канала, свечу зажигания, размещенную в форкамере, топливовпрыскивающую форсунку, по крайней мере, один впускной и один выпускной клапан на каждый цилиндр, впускной и выпускной каналы и устройство дроссельного регулирования количества воздуха, поступающего в цилиндр, отличающийся тем, что форкамера с объемом цилиндра дополнительно соединена с помощью запального канала, выходящего в объем цилиндра у стенки цилиндра, в области над вытеснительной поверхностью днища поршня и имеющего конусообразное расширение у выходного сечения в объем цилиндра.
П. 2. Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием по П. 1, отличающийся тем, что распыливающее отверстие топливовпрыскивающей форсунки размещено в объеме цилиндра у выходного сечения запального канала, с направлением оси распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, выполненной в виде тела вращения в углублении поршня, с возможностью истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия в основную камеру сгорания в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.
П. 3. Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием по П. 1, отличающийся тем, что ось соединительного канала направлена в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус равен 2/3 радиуса закругления боко-
вой стенки основной камеры сгорания, с возможностью истечения струи газов через соединительный канал из форкамеры в основную камеру сгорания в направлении вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.
Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы
А I Джафарли Мирали Камран оглы
Фиг. 1.
Фиг. 2.
Фиг. 3.
Фиг. 4.
Фиг. 5.
Дата действительного завершения патентного поиска:
23 мая 2014(23.05.2014)
Наименование и адрес Международного поискового органа: Федеральный институт промышленной собственности
РФ, 123995,Москва, Г-59, ГСП-5, Бережковская наб., д. 30-1.Факс: (499) 243-3337, телетайп: 114818 ПОДАЧА
Уполномоченное лицо.:
Л. В. Андреева
Телефон № (499) 240-25-91
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы
Авторы: Керимов Зияфат Хейрулла оглы Мамедзаде Хагани Шамиль оглы Джафарли Мирали Камран оглы