ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF ICE FUEL COMBUSTION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и способу сжигания топлива в таких двигателях.
Термины и аббревиатуры, используемые в настоящем описании, имеют следующий смысл.
Фаза быстрого сгорания - «первая» фаза сгорания [1, 3], условно определяемая от начала воспламенения впрыснутой в камеру сгорания порции топлива до максимального давления сгорания и характеризуемая активным лучистым тепловым потоком [2, 3].
Диффузионная фаза сгорания - «вторая» фаза сгорания [1, 3], условно определяемая от максимального давления сгорания до конца сгорания впрыснутой порции топлива и характеризуемая, в основном, конвективным теплообменом [2].
ВМТ- верхняя мертвая точка поршня.
Известно, что в двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС), независимо от формы и расположения камеры сгорания, уменьшение относительных потерь теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами (далее ОГ) сопровождается увеличением индикаторного и эффективного КПД двигателя [1, 2]. Наименьшие потери теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами достигнуты в ДВС с непосредственным впрыском и камерой сгорания, расположенной в поршне.
При увеличении потерь теплоты в систему охлаждения средняя температура в объеме камеры сгорания снижается, увеличивается период задержки воспламенения топлива и его количество, участвующее в 1-й фазе «быстрого сгорания», протекающей с высокой интенсивностью тепловыделения (выраженной в виде «пика» скорости) и сопровождаемой высокой скоростью нарастания давления при сгорании, активным образованием оксидов азота NOx и шумностью работы двигателя [1, 3]. При этом последующая - 2-я фаза диффузионного сгорания протекает с малой интенсивностью, продолжительным тепловыделением, недовыгоранием дисперсных-РТ и углеродистых токсичных компонентов (углеводородов-СН, оксида углерода-СО и сажи-С) и с большими потерями теплоты в отработавшие газы [2, 3]. Отмеченное имеет место в ДВС с непосредственным впрыском без наддува.
Повышение температуры в объеме камеры сгорания путем введения наддува, увеличения относительного количества топлива в объеме камеры сгорания, повышения степени сжатия и качества распыливания за счет повышения давления впрыска топлива сопровождается регулировками со смещением процесса сгорания в сторону расширения, снижением интенсивности сгорания в 1-й фазе и количества образовавшихся оксидов азота NOx, а также уменьшением шумности работы двигателя. 2-я фаза сгорания протекает с повышенной интенсивностью и меньшей продолжительностью. Активно выгорают токсичные компоненты (РТ, СН, СО, С) и уменьшаются относительные потери теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами. Отмеченное соответствует более высокому качеству организации процесса сгорания в ДВС с непосредственным впрыском, с наддувом и камерой сгорания расположенной в поршне [3]. Но и в этом случае сохраняются проблемы по дальнейшему совершенствованию процесса сгорания.
Теплоизоляция стенок в камере сгорания (в так называемом «адиабатном» ДВС) не способствует повышению качества сгорания вследствие инерционности теплопередачи от стенок камеры сгорания к ее объему.
При отсутствии альтернативы в развитии процесса сгорания предполагаемые мероприятия по дальнейшему совершенствованию основных показателей ДВС оказываются затратными. В частности, использование рециркуляции отработавших газов, фильтрации и химической обработки отработавших газов в системе выпуска ведут к снижению эффективного КПД, необходимости разработок новых систем топливоподачи с целью гомогенизации топливно-воздушной смеси и новых видов топлива (как диметилэфир) и другое [3, 4].
Известны форкамерные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, использующие предкамеру, расположенную в головке цилиндра, которая соединяется с основной камерой сгорания, расположенной в цилиндре, отверстием-горловиной, в которое входит с зазором выступ на поршне при движении его к ВМТ [5, 6, 7, 8]. Процесс сгорания протекает в обеих частях камеры сгорания одновременно за счет подачи топлива в предкамеру и кольцевой зазор между выступом на поршне и отверстием-горловиной. Несмотря на высокую турбулентность, воздушный заряд не имеет организованного движения и используется неполно. Следствием этого является невысокий уровень эффективного КПД.
Известен также предкамерный ДВС, у которого в дополнительной камере сгорания, расположенной в головке цилиндра, размещена ступенчатая фигурная вставка с внутренним проходным каналом и конфузорным участком, обращенным к форсунке, а также малым зазором между стенкой предкамеры в ее основании и ступенчатым участком вставки, используемая для улучшения смесеобразования [9]. При такой геометрии воздушный заряд в объеме предкамеры не имеет организованного движения. В зону сгорания он «подсасывается» из объема между стенками вставки и предкамеры струей распыленного топлива, а на выходе из вставки, вследствие резкого увеличения ее сечения, топливовоздушная смесь тормозится из-за уменьшения скорости. Отмеченное не способствует активному смесеобразованию и достижению высокого эффективного КПД двигателя. При этом все форкамерные ДВС характеризуются высокими потерями теплоты в систему охлаждения.
За прототип принят способ сжигания топлива в ДВС, у которого теплоизолированная камера сгорания в основном расположена в головке цилиндра и поршень с выступом при входе в отверстие-горловину создает через узкие наклонные выточки на выступе и в горловине высокую турбулентность воздушного заряда в камере сгорания [10]. Однако в такой конструкции также отсутствует организованное движение воздушного заряда, а теплоизоляция не способствует активной теплопередаче теплоты в объем камеры сгорания за время сгорания.
Целью предлагаемого изобретения является разработка способа сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания и двигателя внутреннего сгорания, позволяющих повысить среднюю температуру в камере сгорания за счет уменьшения потерь теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами для
- увеличения эффективного КПД и литровой мощности двигателя;
- уменьшения вредных выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами и шумности работы двигателя;
- расширения диапазона использования различных сортов моторных топлив, включая низкоцетановые, сжиженного газа и добавки воды к топливу;
- снижения требований к качеству распыливания топлива, уменьшения массы подвижных и корпусных деталей, тепловой напряженности в работе поршневой группы.
Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащий камеру сгорания в головке цилиндра, соединенную с рабочим цилиндром отверстием-горловиной, в которое входит с зазором выступ на поршне при движении его к ВМТ с образованием воздушного канала, форсунку для распыливания топлива, установленную в противоположной части отверстия-горловины для впрыска топлива в камеру сгорания, согласно изобретению характеризуется следующими новыми признаками:
весь объем камеры сгорания расположен в головке цилиндра, и она не разделяется на основную и дополнительную, а в цилиндре сохраняются щелевые объемы, необходимые для кинематики поршня;
в камере сгорания установлена на опорах полая сквозная тепловая вставка из жаропрочного материала без возможности активного теплового контакта с ее стенками и разделяющая объем камеры сгорания на функциональные объемы: 1-й - полость внутри полой тепловой вставки и 2-й объем, заключенный между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания;
выступ на поршне, отверстие-горловина и полая тепловая вставка обеспечивают во время такта сжатия вытеснение воздушного заряда из цилиндра через образующийся при вхождении выступа на поршне в отверстие-горловину воздушный канал во 2-й функциональный объем с образованием осевого вихря вокруг вертикальной части стенки полой тепловой вставки;
форсунка установлена с возможностью впрыскивания топлива в 1-й функциональный объем, во внутреннюю полость и на внутренние стенки тепловой вставки.
Камера сгорания в головке цилиндра, форсунка, полая сквозная тепловая вставка, отверстие-горловина и выступ на поршне могут быть расположены на одной оси с цилиндром или смещены относительно оси цилиндра.
Камера сгорания в головке цилиндра, форсунка, полая сквозная тепловая вставка, отверстие-горловина и выступ на поршне могут
- иметь собственные не совпадающие оси;
- располагаться взаимно эксцентрично;
- располагаться под углами относительно друг друга.
Полая сквозная тепловая вставка выполнена целиковой или составной.
Полая сквозная тепловая вставка может быть выполнена как в виде тела вращения, так и не являться телом вращения.
Полая сквозная тепловая вставка имеет наибольший поперечный размер или диаметр своего тела, не превышающий 0,95 от наибольшего внутреннего размера или диаметра камеры сгорания, а высота стенки тепловой вставки не более 0,92 от высоты камеры сгорания, измеряемой от наиболее удаленной верхней ее части до верхнего конца выступа на поршне при его положении в ВМТ.
Плоские опоры полой тепловой вставки выполнены под углом к ее образующей для организации вихревого движения воздушного заряда в камере сгорания вокруг ее оси дополнительно к осевому вихрю.
Суммарный воздушный объем камеры сгорания, определяемый объемом камеры сгорания в головке цилиндра и объемом, образованным отверстием-горловиной при продолжении ее до поверхности вытеснения поршня при положении его в ВМТ за исключением объемов тепловой вставки с опорами и выступа на поршне до поверхности вытеснения поршня, составляет не менее 0,65 от расчетного объема сжатия.
Внутри полой сквозной тепловой вставки со стороны выступа на поршне выполнены плоские или винтовые перемычки, соединяющие противоположные ее стенки, высотой не более 0,65 от высоты стенки, которые способствуют дополнительной турбулизации воздушного заряда и рабочего тела в камере сгорания и на линии расширения, а также сокращению задержки воспламенения и продолжительности сгорания топлива.
Для увеличения интенсивности вращения воздушного заряда в камере сгорания впускной канал (каналы) в головке цилиндра создает(ют) при впуске закрутку воздушного заряда в цилиндре относительно его оси.
На внутренней поверхности камеры сгорания в головке цилиндра выполнена тепловая защита.
В двигателе могут быть установлены электрическая свеча зажигания в боковой стенке камеры сгорания, экранируемая от интенсивных тепловых потоков, и управляемая заслонка в системе впуска воздуха, необходимые на режимах пуска и прогрева двигателя при использовании низкоцетанового топлива.
В верхней части камеры сгорания может быть установлена вторая форсунка для подачи второго топлива (например, бензина, сжиженного газа, спиртов, воды) во внутреннюю полость и на стенки тепловой вставки с фазовым смещением в сторону запаздывания по отношению к основному топливу.
Основание выступа на поршне имеет плавный или ступенчатый переход к поверхности вытеснения поршня. Поверхность вытеснения поршня может быть плоской или конической.
Также предложен новый способ сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания, использующего камеру сгорания, объем которой заключен в головке цилиндра и разделен на функциональные объемы установленной в ней полой сквозной тепловой вставкой из жаропрочного материала с пониженной теплоемкостью, не имеющей активного теплового контакта со стенками камеры сгорания, отверстие-горловину, соединяющую ее с рабочим цилиндром, форсунку, установленную в противоположной части отверстия-горловины для распыливания топлива, и поршень с выступом, входящим в конце сжатия в отверстие-горловину, включающий:
сжатие воздушного заряда в объем камеры сгорания,
впрыскивание распыленного форсункой топлива в камеру сгорания,
процесс смесеобразования, осуществляемый распыливанием топлива и движением воздушного заряда в камере сгорания за счет его вытеснения поршнем из цилиндра при сжатии и направления через воздушный канал, образованный между выступом на поршне и отверстием-горловиной,
и сгорание топлива.
Способ согласно изобретению предусматривает новое то, что
воздушный заряд, вытесняемый при сжатии через воздушный канал, образованный между выступом на поршне и отверстием-горловиной, направляют во второй функциональный объем - между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания, с образованием осевого вихря вокруг вертикальной части (образующих частей) стенок полой тепловой вставки;
впрыскивание форсункой распыленного топлива производят в первый функциональный объем - во внутреннюю полость тепловой вставки и на внутренние стенки тепловой вставки, где протекают процессы смесеобразования, воспламенения и первой фазы сгорания;
лучистый тепловой поток экранируют стенками полой тепловой вставки, способствующими уменьшению потерь теплоты в систему охлаждения и повышению температуры в функциональных объемах камеры сгорания;
диффузионная стадия сгорания протекает в основном во 2-м функциональном объеме, заключенном между стенками камеры сгорания и полой тепловой вставки.
Также осевому вихрю воздушного заряда дополнительно сообщается вращательное движение относительно оси камеры сгорания для формирования турбулентного движения воздушного заряда в функциональных объемах камеры сгорания с одинаковой интенсивностью.
Внутренняя поверхность камеры сгорания в головке цилиндра снабжена тепловой защитой.
При использовании в качестве рабочего топлива низкоцетанового (например, бензина, спиртов, сжиженного газа) воспламенение его на время пуска и прогрева двигателя осуществляют от электрической искры с управлением расхода воздуха на впуске.
Если в качестве рабочего топлива используют основное высокоцетановое (например, дизельное, керосин, газовый конденсат), то для облегчения пуска и прогрева холодного двигателя при этом в качестве пускового топлива могут использовать низкоцетановое с воспламенением его от электрической искры и управлением расхода воздуха на впуске.
В первый функциональный объем - во внутреннюю полость тепловой вставки с фазовым смещением в сторону запаздывания по отношению к основному топливу может впрыскиваться второй форсункой второе топливо, преимущественно низкоцетановое (например, бензин, сжиженный газ, спирты, вода).
На фиг.1 показана для двигателя, работающего по предложенному способу сжигания топлива, схема камеры сгорания в головке цилиндра, полой тепловой вставки, отверстия-горловины и выступа на поршне, расположенных на одной оси с осью цилиндра, а также направления движения распыленного топлива и воздушного заряда.
На фиг.2 показан вид сверху варианта тепловой вставки с опорами, формирующими осевой вихрь.
На фиг.3 показан вариант расположения камеры сгорания, тепловой вставки, выступа на поршне с отверстием-горловиной и форсунки, использующих собственные оси, а также вариант камеры сгорания с установленной второй форсункой.
На фиг.4 показан вариант с наклонными опорами тепловой вставки, формирующими вращательное движение воздушного заряда.
На фиг.5 показан вариант сопряжения выступа на поршне с конической поверхностью вытеснения поршня.
На фиг.6 и 7 показаны варианты плоской и винтовой перемычки внутри полости тепловой вставки.
Двигатель содержит камеру сгорания 1 (фиг.1), выполненную в виде тела вращения и расположенную в головке цилиндра. С одной стороны камеры сгорания устанавливается форсунка 2, а с другой отверстие-горловина 3, в которое с зазором входит выступ 4 на поршне 5 при движении поршня к ВМТ. Выступ на поршне плавно сопрягается с плоской поверхностью вытеснения поршня 6. Весь расчетный объем камеры сгорания располагается в головке цилиндра. В цилиндре сохраняются щелевые объемы, необходимые для кинематики поршня. В камере сгорания 1 на опорах 7 устанавливается полая сквозная тепловая вставка 8 (целиковая или составная) (фиг.2), выполненная из жаропрочного материала с относительно не высокой теплоемкостью, которая разделяет камеру сгорания на два функциональных объема: 1-й функциональный объем - внутреннюю полость тепловой вставки и 2-й функциональный объем - между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания. Камера сгорания в головке цилиндра, отверстие- горловина, выступ на поршне, полая тепловая вставка и форсунка располагаются на одной оси с осью цилиндра. Распыленное топливо 9 подается форсункой 2 во внутреннюю полость и на стенки тепловой вставки 8. Выступ на поршне 4 вместе с отверстием-горловиной 3 образуют воздушный канал 10, который при движении поршня к ВМТ направляет вытесняемый из цилиндра воздушный заряд 11 во 2-й функциональный объем - кольцевое пространство 12 между стенками камеры сгорания 1 и тепловой вставки 8 - с образованием проходящего через внутреннюю полость тепловой вставки осевого (параллельно оси камеры сгорания) вихря 13.
Осевой (параллельно оси камеры сгорания) вихрь 13, за счет которого обеспечивается активное движение воздушного заряда в процессе смесеобразования, формируется из расчета достижения примерно одинаковой интенсивности его движения в функциональных объемах камеры сгорания. За время подачи порции топлива осевой вихрь должен совершить как минимум один оборот вокруг стенки тепловой вставки. Факел распыленного топлива направляется форсункой 2 в 1-й функциональный объем - во внутреннюю полость тепловой вставки по направлению движения воздушного потока. Здесь протекают процессы смесеобразования, воспламенения и фаза быстрого сгорания, характеризуемая активным лучистым тепловым потоком. Лучистый тепловой поток, поглощаемый топливовоздушной смесью и стенками тепловой вставки, способствует испарению и распаду молекул топлива с образованием химически активных частиц, а также повышению температуры внутри тепловой вставки и в объеме камеры сгорания. Отмеченное создает дополнительный тепловой эффект и ведет (при регулировке начала сгорания в сторону расширения) к активному уменьшению периода задержки воспламенения, скорости тепловыделения в фазе быстрого сгорания и скорости нарастания давления при сгорании, способствующих снижению образования оксидов азота - NOx и шумности работы двигателя. Таким образом перегретая внутренняя полость тепловой вставки резко интенсифицирует предпламенные физико-химические реакции с образованием химически активных частиц и формирует фазу быстрого сгорания. При этом снижаются потери теплоты в систему охлаждения двигателя за счет частичного экранирования лучистого теплового потока стенками тепловой вставки.
Во 2-м функциональном объеме 12 камеры сгорания, расположенном между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания, протекает при высоких средних температурах диффузионная фаза сгорания, характеризуемая, в основном, конвективным теплообменом. Здесь происходит догорание химически активных частиц.
Таким образом при помощи полой тепловой вставки объем камеры сгорания делится на два функциональных объема, а процесс выгорания впрыскиваемого топлива на два периода (фазы). Первая фаза - фаза быстрого сгорания, протекающая в 1-м функциональном объеме - внутри полой тепловой вставки, характеризуется высокими «лучистыми» тепловыми потоками в топливовоздушную смесь и в ее стенки, которые частично возвращаются в рабочее тело. Вторая фаза - диффузионная фаза сгорания, протекающая в основном во 2-м функциональном объеме, характеризуется, в основном, конвективными потерями теплоты в стенки камеры сгорания, имеющими меньшую долю и интенсивность, а также возможностями конструктивного их снижения за счет теплоизоляции.
Камера сгорания в головке цилиндра, полая тепловая вставка, отверстие-горловина, выступ на поршне и форсунка могут быть смещены с оси цилиндра, могут иметь собственные несовпадающие оси, могут быть расположены взаимно эксцентрично, а также расположены под углами относительно друг друга (фиг.3).
ст
кс
ст
кс max
Высота стенок полой тепловой вставки h не превышает 0,92 от высоты камеры сгорания h, измеряемой от наиболее удаленной верхней ее части до верхнего конца выступа на поршне при положении его при ВМТ (фиг.1), а наибольший поперечный размер (или диаметр) стенки полой тепловой вставки d не должен превышать 0,95 от наибольшего внутреннего диаметра (или поперечного размера) камеры сгорания в головке d (фиг.3).
Для повышения качества смесеобразования, увеличения полноты использования воздушного заряда и сокращения продолжительности сгорания:
- плоские опоры тепловой вставки могут выполняться под углом к ее образующей (фиг.4), для сообщения осевому движению воздушного заряда между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания дополнительно вращательного движения 14, которое сохраняется во внутренней полости тепловой вставки в момент подачи топлива. Дополнением в организации вращательного движения воздушного заряда в камере сгорания и тепловой вставке может использоваться впускной канал в момент входа воздуха в цилиндр [2];
- суммарный воздушный объем камеры сгорания, определяемый объемом камеры сгорания в головке цилиндра и объемом, образованным отверстием-горловиной при продолжении ее до поверхности вытеснения поршня при положении его в ВМТ за исключением объемов тепловой вставки с опорами и выступа на поршне до поверхности вытеснения поршня, должен составлять не менее 0,65 от расчетного объема сжатия;
- внутренняя поверхность полой тепловой вставки может отличаться от цилиндрической (фиг.1 и 3) и может не являться поверхностью вращения, способствующей турбулизации в зоне сгорания;
- основание выступа на поршне 4 может иметь плавный или ступенчатый переход к поверхности вытеснения поршня 6, которая также может быть плоской или конической (фиг.1 и 5).
Для ускорения воспламеняемости основного и второго (преимущественно низкоцетанового) топлив от перегретой полой тепловой вставки, а также при использовании добавок воды к топливу в качестве рабочего тела или для снижения вредных выбросов с ОГ (при подаче ее на впуске или в камеру сгорания дополнительной форсункой 16, фиг.3) внутри полой тепловой вставки со стороны выступа на поршне на расстоянии, не превышающем 0,65 от высоты ее стенки, используются плоские или винтовые (в направлении вращения потока) перемычки 17, соединяющие противоположные ее стенки (фиг.6 и 7), которые в совокупности с использованием наклонных опор 7 полой тепловой вставки 8 и организацией вращения воздушного заряда при впуске усиливают вращательное движение воздушного заряда в камере сгорания и рабочего тела при расширении и способствуют сокращению продолжительности сгорания и снижению дожигаемых токсичных компонентов.
При использовании сжиженного газа он подается во внутреннюю полость тепловой вставки в качестве второго топлива второй форсункой 16, установленной в верхней части камеры сгорания (фиг.3) при фазовом смещении процессов впрыска с запозданием для сжиженного газа по отношению к основному топливу. В зависимости от необходимого теплового состояния внутренней полости тепловой вставки и режимов работы ДВС может подаваться только газовое топливо без основного.
Для улучшения пусковых качеств двигателя при использовании низкоцетанового пускового топлива в боковой стенке камеры сгорания устанавливается электрическая свеча зажигания 18, экранируемая от тепловых потоков ее конструкцией и частично стенкой тепловой вставки (фиг.1), а также используется управляемая заслонка в системе впуска. Работа свечи зажигания и заслонки осуществляется на период пуска и прогрева двигателя.
Для уменьшения потерь теплоты в систему охлаждения стенки камеры сгорания в головке цилиндра могут использовать тепловую защиту, например, на основе керамической вставки 19 (фиг.1).
Таким образом, предлагаемые способ сжигания топлива и конструкция двигателя позволяют разделить процесс сгорания в ДВС на периоды, характеризуемые различными физико-химическими процессами, протекание которых осуществляется в разных функциональных объемах одной камеры сгорания, образованных полой тепловой вставкой. Вследствие этого процесс сжигания топлива в ДВС характеризуется малыми потерями теплоты в систему охлаждения и повышенными средними температурами в объеме камеры сгорания, при которых формируют более позднее (относительно ВМТ) начало топливоподачи и начало сгорания, протекающее при малом периоде задержки воспламенения с меньшими интенсивностью и колебаниями локальных температур, способствующих снижению оксидов азота - NOx и шумности от процесса сгорания, а также интенсивным сгоранием в диффузионной области, сопровождаемым сближением 1-й и 2-й фаз сгорания и сокращением общей продолжительности сгорания, а также выгоранием дисперсных частиц - РТ и углеродосодержащих токсичных компонентов (СН, СО, С) и увеличением эффективного КПД и литровой мощности ДВС. Изобретение создает возможность и сближает эффективность использования различных видов моторных топлив, снижает требования к их качеству, а также к качеству их распыливания. Преимущества его по отношению к традиционному способу сжигания топлива в ДВС с непосредственным впрыском и камерой сгорания, расположенной в поршне, в отношении увеличения эффективного КПД и литровой мощности, снижения вредных выбросов и уровня шума увеличиваются при уменьшении рабочего объема цилиндра. Снижается тепловая напряженность в работе головки цилиндра и поршневой группы, а также масса подвижных и корпусных деталей и металлоемкость ДВС.