СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATING METHOD, DEVICE FOR PERFORMING COMBINED MIXTURE FORMATION

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания на тяжелом, преимущественно дизельном топливе, с комбинированным (внешним и внутренним) смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси от сжатия.
Известен способ работы двигателей внутреннего сгорания с комбинированным смесеобразованием, обладающих умеренными степенями сжатия (ε=13÷15) и работающих на тяжелых топливах. В этих двигателях топливо, впрыснутое в цилиндр, обогащает уже сжатую обедненную топливовоздушную смесь, полученную при помощи внешнего дозирующего устройства - карбюратора. Состав этой смеси находится вне пределов самовоспламенения, а новый обогащенный состав смеси воспламеняется от сжатия, тем самым интенсифицирует процессы горения рабочей смеси и расширения продуктов сгорания [см. Расчетный и экспериментальный анализ показателей рабочего цикла при различных способах организации рабочего процесса в ДВС. Дорохов А.Ф., Каргин С.А., Исаев А.П. // IV Международная НТК «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств». Материалы научно-технической конференции. - Пенза: АДИ ПТУ АС, 2006. с.111-116]. Однако карбюрирование не обеспечивает интенсивного испарения сравнительно тяжелого дизельного топлива, что приводит к попаданию в цилиндр значительной доли воздушно-топливной эмульсии, на испарение которой затрачивается теплота и время. Это приводит к достаточно большому периоду задержки самовоспламенения и снижению уровня показателей рабочего цикла.
Известен способ работы двигателей внутреннего сгорания с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением (см. патент РФ №2215882, опубл. 10.11.2003). Данный способ работы реализуется при пониженной степени сжатия (ε~13) также при помощи внешнего дозирующего устройства (карбюратора) и источника принудительно воспламенения - электрической свечи. Недостатками данного технического решения являются карбюрирование дизельного топлива и необходимость системы электрического воспламенения, усложняющей конструкцию.
Техническая задача - создание способа организации рабочего процесса ДВС с комбинированным (внешним и внутренним) образованием смеси тяжелого (дизельного) топлива с воздухом и остатками продуктов сгорания в цилиндре при коэффициенте избытка воздуха α=1,0÷1,1 и воспламенением от сжатия образовавшейся гомогенной рабочей смеси.
Технический результат - снижение удельного расхода топлива, уменьшение токсичности отработавших продуктов сгорания, повышение удельных энергетических показателей двигателя.
Технический результат достигается за счет того, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем введение части топлива во всасывающий коллектор, внешнее смесеобразование осуществляют путем введения части топлива в объеме 20% от полной цикловой подачи топлива во всасывающий коллектор, а внутреннее смесеобразование осуществляют путем впрыскивания в цилиндр оставшейся части топлива в объеме 80% от полной цикловой подачи с воспламенением смеси от сжатия, полная цикловая подача топлива соответствует коэффициенту избытка воздуха α=1,0÷1,05.
На топливовоздушную смесь в смесительной камере осуществляют ультразвуковое воздействие с частотой 21÷25 кГц.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для осуществления комбинированного смесеобразования всасывающий коллектор снабжен смесительной камерой, выполненной в виде эллипсоида вращения; на смесительной камере установлена дополнительная форсунка и ультразвуковые магнитострикционные вибраторы, расположенные соосно с двух сторон под углом 30° к большой оси смесительной камеры.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Пример 1
При запуске двигателя в смесительную камеру подают часть топлива в объеме 20% от полной цикловой подачи, соответствующей коэффициенту избытка воздуха α=1,0÷1,05, посредством дополнительной форсунки с помощью дополнительной секции топливного насоса высокого давления. Давление впрыскивания топлива при этом должно составлять 1,1÷1,2 от номинального давления впрыска рабочих форсунок. Для интенсификации испарения распыленного топлива и гомогенизации полученной в смесительной камере топливовоздушной смеси на нее постоянно осуществляют ультразвуковое воздействие посредством магнитострикционного вибратора. Испарившееся и хорошо перемешавшееся с воздухом топливо, образовавшее качественную горючую смесь, подают через всасывающий клапан в цилиндр, где, после его закрытия, уже рабочую смесь сжимают, чем еще более улучшают качество смесеобразования. Предварительная организация процесса образования хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования дает возможность повысить удельные энергетические показатели двигателя. В конце такта сжатия в камеру через форсунку впрыскивают основную часть топлива, объемом 80% от общего объема цикловой подачи, соответствующей коэффициенту избытка воздуха α=1,0÷1,05. Угол опережения впрыскивания топлива и давление впрыска в цилиндр при этом должны соответствовать нормативным для данного двигателя. При этом происходит обогащение уже образовавшейся гомогенной смеси вследствие добавки вновь впрыснутого топлива, которое, образуя очаги воспламенения, активно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и активно сгорает. Высококачественная рабочая смесь, полученная в цилиндре за счет комбинированного смесеобразования, ее быстрое воспламенение и эффективное сгорание обеспечивают высокую полноту сгорания топлива, что дает хорошую топливную экономичность и низкую токсичность отработавших продуктов сгорания.
Способ реализуется с помощью устройства для осуществления комбинированного смесеобразования. Оно имеет дизельный двигатель с топливным насосом высокого давления, содержащим дополнительную секцию сверх имеющегося количества цилиндров, при этом всасывающий коллектор снабжен смесительной камерой, выполненной в форме эллипсоида вращения, со штатной форсункой для обеспечения внешнего смесеобразования. Кроме того, на смесительной камере установлен вибратор для ультразвукового воздействия на топливовоздушную смесь.
Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования схематически представлено на Фиг.1. Устройство содержит дизельный вихрекамерный двигатель 1. Камера сгорания двигателя имеет форсунку 2, работающую от основной секции 3 топливного насоса высокого давления. Всасывающий патрубок 4 соединяет дизельный двигатель 1 и приспособление для обеспечения внешнего смесеобразования - смесительную камеру 5, представляющую собой эллипсоид вращения, оснащенную штатной форсункой 6, работающей от дополнительной секции 7 топливного насоса высокого давления, и воздухоподводящим патрубком 8. Кроме того, на смесительной камере 5 установлены ультразвуковые магнитострикционные вибраторы 9.
Устройство работает следующим образом. При запуске двигателя в смесительную камеру 5, выполненную в виде эллипсоида вращения, которая служит также для снижения уровня колебаний всасываемой в цилиндр двигателя топливовоздушной смеси, подают часть топлива в объеме 20% от полной цикловой подачи, посредством форсунки 6, установленной в верхней части смесительной камеры 5 (вертикально либо под углом к малой оси эллипсоида), с помощью дополнительной секции 7 топливного насоса высокого давления. К смесительной камере 5 в плоскости большой оси эллипсоида тангенциально крепится воздухоподводящий патрубок 8. Всасывающий патрубок 4, соединяющий смесительную камеру 5 с впускным коллектором двигателя, крепится в нижней части смесительной камеры соосно малой оси эллипсоида. Для интенсификации испарения распыленного топлива и гомогенизации полученной в смесительной камере 5 топливовоздушной смеси на нее постоянно воздействуют ультразвуковым полем, создаваемым ультразвуковыми магнитострикционными вибраторами 9, расположенными соосно с двух сторон смесительной камеры 5 под углом 30° к большой оси эллипсоида. Испарившееся и хорошо перемешавшееся с воздухом топливо подают через всасывающий клапан в камеру сгорания, где, после его закрытия, уже рабочую смесь сжимают, чем еще более улучшают качество смесеобразования. В конце такта сжатия камеру сгорания через форсунку 2, связанную с основной секцией 3 топливного насоса высокого давления, впрыскивают основную часть топлива, объемом 80% от общего объема цикловой подачи. При этом происходит обогащение уже образовавшейся гомогенной смеси вследствие добавки вновь впрыснутого топлива, которое, попадая в уже возникшие очаги воспламенения, активно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и сгорает.
Предлагаемые способ и устройство позволяют осуществлять рабочий процесс со значениями коэффициента избытка воздуха, близкими к единице, за счет предварительной организации процесса образования хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования, что дает возможность повысить удельные энергетические показатели двигателя, получить хорошую топливную экономичность и низкую токсичность отработавших продуктов сгорания.