ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND IGNITER

Группа изобретений относится к свечам зажигания, в частности к улучшенной свече зажигания, которая способна значительно улучшить эффективность распространения искры 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 приводит к поломке двигателя из-за дисбаласа роторных частей.
Во время работы ДВС из-за коррозии может 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.
Недостаток 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°C. 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.С. 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 взаимным расположением 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 малоэффективно 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-форкамеры» и при малой площади отверстия мощность факела незначительна 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 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.
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 ограничены 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 уменьшению ее дозы и, как следствие, мощности факелов воспламенения.
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, ненадежное воспламенение ТВС из-за малой мощности воспламеняющего факела.
Известны двигатель внутреннего сгорания и воспламенитель по патенту JP №2011038465, МПК F02B 19/12, опубл. 24.02.2011 г. - прототип.
Двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, головку цилиндров, с системой впуска топливовоздушной смеси с, по меньшей мере, одним впускным клапаном и систему выпуска с, по меньшей мере, одним выпускным клапаном и воспламенитель, содержащий, в свою очередь, свечу зажигания, форкамеру и средство закрутки для закрутки потока топливовоздушной смеси вдоль оси цилиндра в камере сгорания между головкой цилиндра и поршнем, при этом средство закрутки выполнено в виде форкамеры, имеющей корпус с входным отверстием, в которое ввернута свеча зажигания, и выходными отверстиями, выполненными тангенциально на внутренней части корпуса,
Задачей создания изобретения является создание простого воспламенителя малых габаритов, обеспечивающего более надежное зажигание при запуске ДВС особенно при низких температурах, более полное сгорание ТВС и надежность.
Достигнутый технический результат: увеличение мощности воспламеняющей струи и ее воспламеняющего эффекта.
Решение указанных задач достигнуто в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, головку цилиндров, с системой впуска топливовоздушной смеси, с по меньшей мере, одним впускным клапаном и систему выпуска с, по меньшей мере, одним выпускным клапаном и воспламенитель, содержащий, в свою очередь, свечу зажигания, форкамеру и средство закрутки для закрутки потока топливовоздушной смеси вдоль оси цилиндра в камере сгорания между головкой цилиндра и поршнем, при этом средство закрутки выполнено в виде форкамеры, имеющей корпус с входным отверстием, в которое ввернута свеча зажигания, и выходными отверстиями, выполненными тангенциально на внутренней части корпуса, тем, что свеча зажигания выполнена лазерной, а фокус лазерной свечи зажигания выполнен в точке пересечения осей выходных отверстий.
Решение указанных задач достигнуто в воспламенителе, содержащем свечу зажигания и форкамеру, имеющую корпус с внутренней полостью, входное отверстие для установки свечи зажигания в переходной части корпуса, внутреннюю часть корпуса с выходными отверстиями в нем, выполненными под углом к оси воспламенителя, тем, что свеча зажигания выполнена лазерной, а фокус лазерной свечи зажигания выполнен в точке пересечения осей выходных отверстий.
Площадь выходных отверстий может быть выполнена больше площади поперечного сечения внутренней полости форкамеры. По меньшей мере, часть выходных отверстий может быть выполнена в форме щелей. Щели могут быть образованы прямоугольными пластинами. Щели могут быть образованы обтекаемыми профилями. Щели могут быть выполнены радиальными. В центральной части внутренней части корпуса может быть выполнен обтекатель. Вдоль оси симметрии обтекателя может быть выполнено осевое отверстие.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…9, где
- на фиг. 1 представлен воспламенитель в сборе,
- на фиг. 2 приведен разрез А-А,
- на фиг. 3 приведен корпус форкамеры в сборе,
- на фиг. 4 приведен разрез В-В,
- на фиг. 5 приведена вторая деталь форкамеры, разрез В-В.
- на фиг. 6 приведен вариант второй детали с пластинами, разрез В-В,
- на фиг. 7 приведен вариант второй детали с обтекаемыми профилями,
- на фиг. 8 приведен разрез С-С,
- на фиг. 9 приведен вариант устройства с нижней частью форкамеры в форме части эллипсоида вращения и лазерной свечой зажигания.
ДВС (фиг. 1…9) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1 с поршнем 2, головку цилиндров 3, прокладку 4. Между головкой цилиндров 3 и поршнем 2 выполнена камера сгорания 5.
На головке цилиндров 3 выполнены системы подвода топливовоздушной смеси 6 и система выхлопа 7. Также на головке цилиндров 3 установлен, по меньшей мере, один впускной клапан 8 во впускном окне 9 и, по меньшей мере, один выпускной клапан 10 в выпускном окне 11.
Кроме того, в головке цилиндров 3 установлен воспламенитель, содержащий свечу зажигания 12 и форкамеру 13, которая состоит из двух частей - переходной 14 и внутренней части 15. Во внутренней части 15 выполнена камера воспламенения 16, которая сообщается с камерой сгорания 6 выходными отверстиями 17, которые выполнены под углом к оси О1О1 воспламенителя. В системе впуска топливовоздушной смеси 6 непосредственно перед впускным(впускными) клапаном(нами) 8 установлено средство закрутки потока 18.
Кроме того, на торце 18 поршня 2 выполнено углубление 19 для размещения в нем закручивающих ТВС в момент зажигания вихрей в камере сгорания 5. Камера сгорания 5 образована внутри цилиндра 1 между поршнем 2 и головкой цилиндра 3.
Выходные отверстия 17 (все или только их часть) могут быть образованы пластинами 20 (фиг. 5) или обтекаемыми профилями 21 (фиг.6 ).
В центральной части внутренней части 9 форкамеры 6 выполнен обтекатель 22, в центре которого вдоль оси симметрии О1О1 может быть выполнено осевое отверстие 23 (фиг. 7 и 8).
Внутренняя часть 15 может быть выполнена в форме части сферы (фиг. 6 и 7) или в форме части эллипсоида вращения (фиг. 8).
На фиг. 9 приведен вариант устройства с нижней частью форкамеры 6 в форме части эллипсоида вращения и лазерной свечой зажигания 12. Лазерная свеча зажигания 12 содержит оптическое волокно 24 и фокусирующую линзу 25 на ее нижнем торце.
Фокус А выполнен таким образом, что он находится в точке пересечения осей О2О2 выходных отверстий 16. Это уменьшает газодинамическое сопротивление выходных отверстий 17 при выходе из камеры воспламенения 16 продуктов сгорания в камеру сгорания 5.
РАБОТА ДВС
При работе ДВС и воспламенителя, входящего в состав ДВС (фиг. 1…9), куда входит воспламенитель, после впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) большая ее часть попадает в камеру сгорания 5, ее меньшая часть (от 1% до 10%) через выходные отверстия 17 попадает в камеру воспламенения 16.
В цикле «рабочий ход» продукты сгорания предварительно воспламеняются свечой зажигания 12 в камере воспламенения 16, потом продукты неполного сгорания, имеющие очень высокую температуру, проходят через выходные отверстия 17 в камеру сгорания 5 цилиндра 1 ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней. При этом, за счет того, что общая площадь выходных отверстий 17 больше, чем площадь поперечного камеры воспламенения 16, выходные отверстия 17 не дросселируют поток ТВС при его поступлении камеру сгорания 5. Вследствие этого объем заряда ТВС в этих камерах возрастает. В цикле рабочий ход из-за большей общей площади выходных отверстий 17 по сравнению с прототипом мощность воспламеняющего факела(факелов) возрастает. Большие поперечные габариты внутренней части 15 позволяют разместить на ней максимальное количество выходных отверстий 17 большой площади при минимальном выступании форкамеры 6 внутрь цилиндра 1 ДВС.
Выполнение выходных отверстий 17 в форме щелей и выемки 20 на торце 19 поршня 2 позволит произвести закрутку большей массы ТВС.
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.
Реализовать это в принципе в любых других форкамерах невозможно, так как, имея большие поперечные габариты нижней части форкамеры, нельзя осуществить сборку ДВС.
В итоге применение группы изобретений позволит:
- уменьшить осевые габаритные размеры форкамеры,
- упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении свечи зажигания и форкамеры,
- повысить мощность воспламеняющего факела и тем самым улучшить воспламенение ТВС,
- 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 очистки от копоти ее электродов,
- значительно увеличить ресурс свеч и исключить обгорание их электродов.