СПОСОБ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF ICE MIX FORMATION AND IGNITION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве способа работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Известен способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси, осуществляемый в двигателях внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и воспламенением от электрического разряда высокого напряжения, включающий впуск в цилиндр воздуха, сжатие воздуха в цилиндре, подачу жидкого топлива в цилиндр под высоким давлением, образование рабочей смеси топлива, перемешанного с воздухом, пропускание электрического разряда высокого напряжения, воздействующего на рабочую смесь, в конце сжатия (см. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов / А.И.Колчин, В.П.Демидов. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2002, С.12-13).
Недостатками такого способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси являются низкий термический коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания вследствие ограничения степени сжатия из-за возможности детонации рабочей смеси, а также необходимость подачи в цилиндр жидкого топлива под высоким давлением.
7
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск воздуха в цилиндр, сжатие воздуха в цилиндре, подачу через канал под давлением от топливоподающего насоса в резервуар для накопления жидкого топлива, занимая при этом пространство цилиндра между резервуаром и электродом. В конце сжатия на объем накопившегося топлива воздействуют электрическим разрядом от источника высокого напряжения повышенной мощности с получением электрогидравлического эффекта. Вследствие электрогидравлического эффекта одновременно происходят распыление топлива в окружающем воздухе в камере сгорания, образование рабочей смеси путем перемешивания распыляемого топлива и воздуха и ее воспламенение. Последующие расширение рабочей смеси и выпуск отработавших газов происходят обычным образом (патент RU 2267015 С1, МПК F02В 3/02, Н01Т 13/54, F02N 17/00).
Однако применение данного способа не обеспечивает высокое качество смесеобразования распыляемого топлива и воздуха из-за недостаточного времени, отведенного на смесеобразование, вследствие одновременного распыления топлива в окружающем воздухе в камере сгорания и воспламенения образовавшейся рабочей смеси топлива и воздуха.
Предлагаемым изобретением решается задача улучшения смесеобразования распыляемого топлива и воздуха.
Поставленная задача достигается тем, что в способе смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания, включающем впуск в цилиндр воздуха, сжатие воздуха в цилиндре, подачу жидкого топлива под давлением в пространство цилиндра между резервуаром и электродом, воздействие электрического разряда высокого напряжения на объем топлива с образованием рабочей смеси топлива и воздуха, согласно изобретению воздействие электрического разряда высокого напряжения на объем топлива производят в два этапа до прихода поршня в верхнюю мертвую точку путем подачи электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для распыла топлива, в промежутке между углом поворота коленчатого вала (УПКВ), соответствующим закрытию выпускных клапанов, и УПКВ, составляющим 340°, считая за 0° положение поршня в верхней мертвой точке в начале впуска в цилиндр воздуха, и электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для воспламенения рабочей смеси топлива и воздуха, в промежутке, составляющем 345-355° УПКВ.
Улучшение смесеобразования распыляемого топлива и воздуха, и, следовательно, повышение термического коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания, обусловлены тем, что при реализации предложенного способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания для перемешивания распыляемого топлива и воздуха до момента воспламенения отводится значительно больший период времени, соответствующего промежутку между УПКВ, соответствующим закрытию выпускных клапанов, и УПКВ, составляющим 340°, вместо периода времени, соответствующего нескольким градусам поворота УПКВ при реализации способа, выбранного в качестве прототипа.
Подача электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для распыла топлива, в промежутке между углом поворота коленчатого вала, соответствующим закрытию выпускных клапанов, и углом поворота коленчатого вала, составляющим 340°, считая за 0° положение поршня в верхней мертвой точке в начале впуска в цилиндр воздуха, является оптимальной, так как при подаче электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для распыла топлива, до закрытия выпускных клапанов будет потеря топливовоздушной смеси через выпускные клапаны, а при УПКВ более 340° будет недостаточное количество времени, отведенного на смесеобразование.
Подача электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для воспламенения рабочей смеси топлива и воздуха, в промежутке, составляющем 345-355° угла поворота коленчатого вала, является оптимальной, так как при подаче электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для воспламенения рабочей смеси топлива и воздуха, в промежутке, составляющем менее 345° угла поворота коленчатого вала, будет большой угол опережения воспламенения, что приводит к снижению коэффициента полезного действия двигателя, а при подаче электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для воспламенения рабочей смеси топлива и воздуха, в промежутке, составляющем более 355° угла поворота коленчатого вала, будет малый угол опережения воспламенения, что также приводит к снижению коэффициента полезного действия двигателя.
Способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображена схема устройства для реализации способа в момент подачи топлива; на фиг.2 - схема устройства для реализации способа в момент распыла топлива; на фиг.3 - схема устройства для реализации способа в момент воспламенения рабочей смеси топлива и воздуха.
Дополнительно на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 стрелками обозначено направление подачи жидкого топлива; на фиг.2 кружками обозначено распыляемое топливо; на фиг.3 кружками и пунктирными линиями обозначена воспламененная рабочая смесь топлива и воздуха.
Устройство для реализации способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания содержит корпус 1, установленный на головке цилиндра 2 двигателя внутреннего сгорания. В корпусе 1 размещен высоковольтный электрод 3 для создания электрического разряда высокого напряжения, изолированный от корпуса 1 изолятором 4 и соединенный с источником высокого напряжения 5, а также выполнен канал 6 для подачи топлива от топливоподающего насоса 7 к цилиндру двигателя. На корпусе 1 установлен открытый токопроводящий резервуар 8, в который поступает жидкое топливо 9 через канал 6. В цилиндре 2 двигателя внутреннего сгорания установлен поршень 10, а высоковольтный электрод 3 размещен внутри резервуара 8 с образованием зазора относительно него (фиг.1, фиг.2, фиг.3).
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания производится в течение четырех тактов: впуск в цилиндр воздуха, сжатие воздуха в цилиндре, воспламенение и расширение рабочей смеси топлива и воздуха, выпуск отработавших газов.
Способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания осуществляют следующим образом. Предварительно за 0° УПКВ принимают положение поршня 10 в верхней мертвой точке в начале такта впуска в цилиндр 2 воздуха. Вблизи верхней мертвой точки, то есть при 0° УПКВ, после закрытия выпускных клапанов производят всасывание воздуха в цилиндр 2 при опускании поршня 10 к нижней мертвой точке. После прохождения поршнем 10 нижней мертвой точки, то есть при 180° УПКВ, производят сжатие воздуха в цилиндре 2 при подъеме поршня 10 к верхней мертвой точке.
В необходимый момент времени, в промежутке между углом поворота коленчатого вала, соответствующим закрытию выпускных клапанов, и углом поворота коленчатого вала, составляющим 340°, производят подачу через канал 6 под давлением от топливоподающего насоса 7 в резервуар 8 для накопления жидкого топлива 9, занимая при этом жидким топливом 9 пространство цилиндра 2 между резервуаром 8 и электродом 3 (фиг.1). После наполнения резервуара 8 жидким топливом 9 на объем накопившегося топлива 9 воздействуют электрическим разрядом высокого напряжения от источника высокого напряжения 5. Воздействие электрического разряда высокого напряжения на объем топлива 9 производят в два этапа до прихода поршня 10 в верхнюю мертвую точку.
На первом этапе подают электрический разряд высокого напряжения от источника высокого напряжения 5, предназначенный для распыла топлива, с образованием распыленного топлива 11, в промежутке между УПКВ, соответствующим закрытию выпускных клапанов, и УПКВ, составляющим 340°, считая за 0° положение поршня 10 в верхней мертвой точке в начале впуска в цилиндр 2 воздуха (фиг.2). Таким образом, на первом этапе вследствие воздействия электрического разряда высокого напряжения на объем накопившегося жидкого топлива 9 происходит распыление данного объема в окружающем воздухе в камере сгорания и образование рабочей смеси топлива и воздуха.
На втором этапе через образовавшуюся смесь топлива и воздуха подают электрический разряд высокого напряжения от источника высокого напряжения 5, предназначенный для воспламенения рабочей смеси топлива и воздуха, при создании воспламененной рабочей смеси 12 топлива и воздуха, в промежутке, составляющем 345-355° УПКВ (фиг.3). Таким образом, вследствие воздействия этого электрического разряда высокого напряжения на образовавшуюся рабочую смесь топлива и воздуха производят воспламенение данной смеси.
Расширение рабочей смеси топлива и воздуха производят при 360° УПКВ. то есть при положении поршня 10 вблизи верхней мертвой точки, а начало выпуска отработавших газов - при 540° УПКВ вблизи нижней мертвой точки. Выпуск отработавших газов завершают при 720° УПКВ с достижением поршнем 10 верхней мертвой точки.
Определение моментов подачи электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для распыла топлива, и электрического разряда высокого напряжения, предназначенного для воспламенения рабочей смеси топлива и воздуха, осуществляется в зависимости от вида используемого топлива, типа двигателя внутреннего сгорания и режима его работы.
Таким образом, предлагаемый способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания позволяет улучшить смесеобразование распыляемого топлива и воздуха за счет большей длительности для повышения полноты сгорания топлива, обеспечивающей увеличение термического коэффициента полезного действия, снижение расхода топлива, уменьшение токсичности отработавших газов.