ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE IGNITER

Изобретение относится к форкамерам, устанавливаемым на свечи зажигания, в частности к улучшенной форкамере, которая способна значительно улучшить эффективность распространения факела зажигания и эффективность сжигания топлива при использовании в двигателе внутреннего сгорания - ДВС, как карбюраторных, так и инжекторных и дизельных, а также в роторных двигателях, газопоршневых и других типах двигателей и в энергетических установках.
Предшествующий уровень техники
Обычно боковой заземленный электрод свечи зажигания изогнут и имеет L-образную форму, будучи перпендикулярным к направлению осевого центрального электрода так, чтобы поперечное сечение разрядной части, так называемой «мини-форкамеры», обращенной к осевому центральному электроду, было прямоугольным.
Когда возникает искровой разряд свечи зажигания, искра появляется между осевым центральным электродом и концевой разрядной частью заземленного электрода, расположенной ниже осевого центрального электрода. Газовая смесь в искровом промежутке, сформированном этими электродами, воспламеняется за счет искры так, что сжатая газовая смесь воспламеняется сначала в «мини-форкамере» между электродами, а потом горизонтально истекающий факел воспламеняет остальную ТВС. В обычных конструкциях высокое давление газа, вызванное воспламенением, может быть заблокировано концевой разрядной частью так, что эффект распространения горения на воздушно-топливную газовую смесь в камере сгорания является недостаточно хорошим. А запуск двигателя при отрицательных температурах вообще вызывает затруднение из-за охлаждения воспламеняющего факела от холодных металлических частей головки цилиндра.
Когда остаточный углерод (продукт неполного сгорания топливовоздушной смеси - ТВС) остается в искровом промежутке между электродами, то углерод может накапливаться и изменяться от фазы частиц до фазы соединения на поверхностях электродов так, что между электродами может возникнуть короткое замыкание. В таком состоянии, даже при подаче напряжения, искра может не возникать, что ведет к серьезным проблемам вплоть до остановки двигателя или выпуску топливовоздушной смеси через выхлопную трубу без сгорания. Когда несгоревшая газовая смесь выпускается в выхлопную трубу, часто проявляется эффект обратной вспышки, при этом проявляется аварийный эффект и снижается эффективность сгорания. Выход из строя одного из нескольких цилиндров может длительное время оставаться без внимания, что приведет к поломке двигателя из-за дисбаланса роторных частей.
Во время работы ДВС из-за коррозии могут появиться трещина на конце осевого центрального электрода, что приводит к возникновению критического повреждения. Срок службы свечи зажигания может снизиться из-за такого дефекта
Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366053, МПК Н01Т 13/20, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча зажигания содержит центральный электрод и боковой электрод цилиндрической формы, между ними образуется «мини-форкамера». Искровой разряд осуществляется на цилиндрическую стенку, а выход продуктов сгорания осуществляется в кольцевой зазор.
Недостатки этой свечи: возможное засорение кольцевого зазора из-за отложения твердых частиц продуктов сгорания на обоих электродах, особенно при работе на обогащенной смеси.
Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366052, МПК Н01Т 13/00, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча содержит центральный электрод и Г-образный боковой электрод, плоскость которого скручена по длине для создания вихревого движения продуктов сгорания.
Недостаток: плохой запуск двигателя при отрицательных температурах.
Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2360342, МПК Н01Т 13/54, опубл. 27.06.2009 г.
Эта свеча содержит центральный и боковой электроды и две форкамеры, установленные последовательно.
Недостатки: конструктивная сложность свечи, ее большие осевые габариты и высокая стоимость.
Известно, что для бесперебойной работы свечи зажигания нижняя часть изолятора (тепловой конус) должна иметь температуру примерно 500-600°С. При температуре ниже указанной на свече образуется слой нагара, и она начинает работать с перебоями. Недостаточная температура нагрева изолятора и электродов свечи особенно сильно проявляется при запуске холодного двигателя в условиях отрицательных температур, когда пары топлива частично конденсируются и надежность воспламенения смеси обусловлена не только ее ионизацией, но и нагревом прилегающего к электродам объема газа. Для повышения надежности работы системы зажигания в условиях отрицательных температур применяют свечи с принудительным электроподогревом.
Известна, например, свеча зажигания, содержащая металлический корпус, изолятор и нагревательный элемент, размещенный в кольцевой проточке, выполненной на боковой стенке изолятора, в его части, закрытой корпусом по А. Св. СССР №1802382, МПК Н01Т 13/00, опубл. 1993 г.
Недостатком такой конструкции является то, что нагревательный элемент может быть встроен в свечу только при ее изготовлении. Однако актуальной является также задача модернизации уже изготовленных свечей.
Известна свеча зажигания, содержащая «мини-форкамеру» по патенту РФ на изобретение №2356145, МПК Н01Т 13/20, опубл. 20.05.2009 г.
Эта свеча зажигания содержит осевой центральный электрод для искрового разряда и боковой заземленный электрод, находящийся напротив осевого центрального электрода относительно искрового промежутка, с круглой частью в плане, имеющей центральное круглое отверстие, выполненное на разрядном конце бокового округлого электрода. При этом свеча зажигания включает множество спиральных выступов, которые выступают из внутренней стороны круглой части в направлении центрального круглого отверстия так, чтобы сформировать турбулентный поток в газовой смеси, когда газ, сжатый во время хода сжатия, подается в искровой промежуток через центральное круглое отверстие. Техническим результатом является улучшение эффективности распространения искры за счет обеспечения лучшего смешивания в искровом промежутке между электродами, обеспечение функции генерации турбулентного потока, а также увеличение силы воспламенения.
Недостатки этого устройства: низкая эффективность искрового разряда, обусловленная несоответствием формы, размером и взаимного расположения электродов оптимальным для электрического разряда в газовом промежутке. Недостатком является то, что площадь центрального отверстия выполнена меньше площади поперечного сечения центрального электрода. Это дает несколько отрицательных результатов: закручивающее устройство мало эффективно и не выполняет своей функции по двум причинам:
- средства закрутки имеют очень маленькую высоту (из-за небольшого диаметра отверстия) и, располагаясь в пределах пограничного слоя потока, не влияют на характер движения основной массы потока, истекающего из отверстия,
- закрутка осуществляется в горизонтальной плоскости, что не способствует внедрению факела в значительный объем камеры сгорания цилиндра ДВС, который обычно располагается ниже свечи.
Кроме того, этому техническому решению присущи еще несколько недостатков:
- отверстие малого диаметра легче забивается продуктами неполного сгорания ТВС,
- отверстие выполняет роль выходного сопла «мини-форкамекры» и при малой площади отверстия мощность факела незначительная и не может обеспечить запуск ДВС при отрицательных температурах. Роль второго сопла выполняют боковые зазоры между центральным и боковым электродами, но истекающие из них вдоль головки непрогретого цилиндра продукты сгорания резко охлаждаются и не могут воспламенить весь объем камеры сгорания цилиндра. Традиционно применяемый способ запуска с обогащением ТВС приводит к перерасходу топлива, износу поршневой системы ДВС и к отложению копоти на электродах.
Известен воспламенитель по патенту РФ на изобретение №2169885, МПК F23Q 9/00, опубл. 27.06.2001 г.
Признаки, общие с предложенным техническим решением: корпус форкамеры, полость воспламенения и отверстия подачи ТВС в форкамеру и выброса факела.
Недостатки прототипа: большие габариты. Вес и конструктивная сложность из-за наличия большого количества деталей. В то же время при уменьшении габаритов форкамеры она не будет выполнять своей основной функции; надежно воспламенять ТС (топливовоздушную смесь).
Известна форкамера ДВС по патенту РФ на полезную модель №16, МПК F02B 19/16, опубл. 25.06.1994 г.
Выносная форкамера для двигателя внутреннего сгорания с движущимся потоком топлива на воздушной смеси, содержащая корпус, полость со свечой зажигания и переходной канал, отличающаяся тем, что в сопло переходного канала помещена пластина-завихритель, закрученная на угол поворота (1/2)*пи - (2/3)*пи рад (90-120°).
Недостаток: сложность конструкции.
Известна форкамера ДВС по св. РФ на полезную модель №60635, МПК F02D 19/10, опубл. 27.01.2007 г.
Вихревая форкамера двигателя внутреннего сгорания по этому патенту содержит цилиндрический корпус с наружной и внутренней резьбами, внутренней полостью, нижним отверстием и боковыми факельными каналами, при этом боковые факельные каналы имеют три угла отклонения в пространстве форкамеры. Нижнее и боковые отверстия расположены на коническом днище.
Недостаток низкая эффективность форкамеры, вследствие того что суммарная площадь отверстий меньше площади поперечного сечения камеры воспламенения. Это приводит к дросселированию при заполнении камеры ТВС и уменьшению ее дозы и мощности факелов воспламенения. Увеличение площади отверстий технически не осуществимо из-за того, что это приведет к выступанию конического днища внутрь цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Известна форкамера ДВС по патенту РФ на полезную модель №30396, МПК F02B 19/00, опубл. 27.06.2003 г., прототип.
Форкамера двигателя внутреннего сгорания содержит полость (камеру воспламенения), осевой факельный канал и боковые факельные каналы, выполненные под углом к продольной оси, боковые факельные каналы в плане выполнены под углом к радиусам, проходящим через ось форкамеры, и расположены на коническом днище. Коническое днище имеет большой угол при вершине от 60 до 90 град, т.к. при малых углах его длина будет велика и возможно задевание поршня в верхней мертвой точке. Так как длина конического днища ограничена, то ограничено и количество отверстий, и их площадь. Кроме того, углы установки всех боковых отверстий одинаковые, что ограничивает диаметр общего воспламеняющего факела. Эффект закрутки недостаточен, так как объем форкамеры составляет менее 1% от объема цилиндра ДВС и весь объем ТВС в полости цилиндра невозможно закрутить.
Недостаток этого технического решения: низкая эффективность форкамеры, вследствие того что суммарная площадь отверстий меньше площади поперечного сечения камеры воспламенения. Это приводит к дросселированию при заполнении камеры ТВС и уменьшение ее дозы и, как следствие, мощности факелов воспламенения.
Задачей создания изобретения, соответствующей достигнутому техническому результату, является создание простого воспламенителя малых габаритов, обеспечивающего более надежное зажигание при запуске ДВС, особенно при низких температурах, более полное сгорание ТВС и надежность.
Решение указанных задач достигнуто в воспламенителе двигателя внутреннего сгорания, содержащем лазерную свечу зажгания, ввернутую в форкамеру, содержащую, в свою очередь, корпус, резьбовое отверстие для установки свечи зажигания, и цилиндрический резьбовой участок для вворачивания форкамеры в головку цилиндров, камеру воспламенения цилиндрической формы, днище с выходными отверстиями в нем, тем, что днище выполнено с образованием дополнительной полости в виде части сферы с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр камеры воспламенения, внутри дополнительной полости вдоль оси форкамеры установлен центральный обтекатель, выполненный в виде конуса, при этом вершина конуса выполнена совпадающей с центром дополнительной полости, а фокус лазерной свечи зажигания совпадает с вершиной конуса.
Общая площадь выходных отверстий может быть выполнена больше площади поперечного сечения камеры воспламенения.
Дополнительная полость может быть выполнена в форме полушара. Дополнительная полость может быть выполнена в виде части шара, имеющего объем более половины геометрического объема шара.
Выходные отверстия могут быть выполнены радиальными.
Выходные отверстия могут быть выполнены цилиндрической формы. Выходные отверстия выполнены конической формы с расширением в сторону выхода.
Выходные отверстия могут быть выполнены с перекрытием.
Центральный обтекатель может быть выполнен из жаропрочного металла.
На входе в выходные отверстия могут быть выполнены фаски.
На выходе из выходных отверстий могут быть выполнены фаски. На входе в выходные отверстия могут быть выполнены радиусные скругления.
На выходе из выходных отверстий могут быть выполнены радиусные скругления.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…14, где
- на фиг. 1 представлен воспламенитель и форкамера с дополнительной полостью в виде полусферы,
- на фиг. 2 приведен порядок сборки форкамеры и свечи зажигания для форкамеры в виде полусферы,
- на фиг. 3 представлена форкамера с дополнительной полостью в виде полусферы,
- на фиг. 4 приведен порядок сборки форкамеры и свечи зажигания для форкамеры в виде полусферы,
- на фиг. 5 приведено цилиндрическое отверстие,
- на фиг. 6 приведено коническое отверстие,
- на фиг. 7 приведен вид А,
- на фиг. 8 приведен вид В,
- на фиг. 9 приведена схема установки обтекателя,
- на фиг. 10 приведена схема фокусировки лазерного луча,
- на фиг. 11 приведен вид С, первый вариант,
- на фиг. 12 приведен вид С, второй вариант,
- на фиг. 13 приведен вид С, третий вариант,
- на фиг. 14 приведен вид С, четвертый вариант.
Форкамера ДВС (фиг. 1…14) содержит лазерную свечу зажигания 1, форкамеру 2, содержащую, в свою очередь, корпус 3 с резьбовым отверстием 4 для установки свечи зажигания 1 в головку цилиндров 14, резьбовой участок 5, камеру воспламенения 6 цилиндрической формы, днище 7 сферической формы с выходными отверстиями 8 в нем и дополнительную полость 9. При этом общая площадь выходных отверстий 8 выполнена больше площади поперечного сечения камеры воспламенения 6. В дополнительной полости 9 установлен обтекатель 10.
Лазерная свеча зажигания 1 содержит корпус 11, оптическое волокно 12 и фокусирующую линзу 13.
В корпус 3 форкамеры 2 ввернута лазерная свеча зажигания 1. Сам корпус 3 ввернут в головку цилиндров 14.
Выходные отверстия 8 могут быть выполнены радиально (фиг. 1). Выходные отверстия 8 могут быть выполнены цилиндрической формы (фиг. 3). Выходные отверстия 8 могут быть выполнены конической формы с расширением в сторону выхода (фиг. 4).
Выходные отверстия 8 могут быть выполнены с перекрытием (фиг. 5 и 6) для увеличения проницаемости днища 6 (степени перфорации).
Дополнительная полость 9 может быть выполнена в виде части шара, имеющего объем более половины геометрического объема шара. Выходные отверстия 8 могут быть выполнены радиальными. Выходные отверстия 8 могут быть выполнены цилиндрической формы. Выходные отверстия 8 могут быть выполнены конической формы с расширением в сторону выхода. Выходные отверстия 8 могут быть выполнены с перекрытием. Центральный обтекатель 10 может быть выполнен в виде конуса (фиг. 9), при этом вершина конуса совпадает с геометрическим центром дополнительной полости 9, выполненной в виде полусферы или большей части сферы (более половины). Это способствует радиальному выходу продуктов сгорания из выходных отверстий 8 с минимальными потерями давления.
На фиг. 10 приведена схема фокусировки лазерного луча, на фиг. 11 приведен вид С, первый вариант с фаской 15 на входе в выходные отверстия 8, на фиг. 12 приведен вид С, второй вариант с фасками 16 на выходе из выходных отверстий 8, на фиг. 13 приведен вид С, третий вариант с радиусными скруглениями 17 на входе в выходные отверстия 8, на фиг. 14 приведен вид С, четвертый вариант с радиусными скруглениями 18 на выходе из выходных отверстий 8. Фаски 15 и 16 и радиусные скругления 17 и 18 снижают гидравлические потери факелов воспламенения при выходе из добавочной полости 9.
Работа устройства
При работе форкамеры, например в составе ДВС (фиг. 1…14), в состав которого входит воспламенитель, после впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 8 попадает в дополнительную полость 9 и в камеру воспламенения 6
В цикле «рабочий ход» продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, с огромной скоростью выбрасываются из камеры воспламенения 6 сначала в дополнительную полость 9, а потом через выходные отверстия 8 в полость камеры сгорания цилиндра ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней. При этом, за счет того что общая площадь выходных отверстий 8 больше, чем площадь поперечного сечения камеры воспламенения 6, выходные отверстия 8 не дросселируют поток ТВС при его поступлении в дополнительную полость 9 и в камеру воспламенения 6. Вследствие этого заряд ТВС в дополнительной полости 9 и в камере воспламенения 6 возрастает. В цикле рабочий ход из-за большей общей площади выходных отверстий 8 по сравнению с прототипом мощность воспламеняющего факела возрастает.
Сферическая форма днища (в виде полушара или более чем полушара) позволяет разместить на нем максимальное количество отверстий при минимальном выступании форкамеры 2 внутрь цилиндра ДВС. Кроме того, на сферической поверхности можно расположить отверстия под любым углом к оси форкамеры 2.
Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности. Также этот подход может быть применен на двигателях, работающих на криогенных топливах: водороде и сжиженном природном газе. Для воспламенения криогенного топлива, имеющего очень низкую температуру, не понадобится значительно увеличивать мощность свечи зажигания. Особенно хорошо этот эффект будет проявляться на двигателях большой мощности и на двигателях, работающих на природном газе.
В итоге применение изобретения позволит:
- уменьшить осевые габаритные размеры форкамеры,
- упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении свечи зажигания и форкамеры,
- улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет подогрева центрального электрода,
- уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом форкамеры,
- снизить эмиссию вредных веществ вследствие полного сгорания топлива,
- увеличить ресурс работы свечи за счет предотвращения отложения копоти на ее электродах,
- значительно увеличить ресурс свеч и исключить обгорание их электродов.