СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR OPERATION OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при производстве бензиновых моторов и дизелей.
Прототипом является способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие топливовоздушной смеси в камере сгорания и в форкамере, зажигание смеси в форкамере, подачу из последней продуктов горения в камеру сгорания и воспламенение от них смеси в камере сгорания [Пат. РФ 2210677 МПК F02B 19/18, 2003].
Недостатками прототипа являются:
- неполное сгорание топливной смеси, обусловленное тем, что в камеру сгорания из форкамеры вместе с горящими частицами топлива поступают и продукты горения, которые ухудшают сгорание основной порции смеси;
- относительно затрудненное зажигание смеси в форкамере из-за ее недостаточной вентиляции от продуктов горения, в результате чего последние являются инертной добавкой к свежей порции смеси в форкамере. Наличие инертной добавки смещает влево верхнюю концентрационную границу зажигания, при этом область воспламенения сужается;
- снижение скорости горения смеси (особенно в конце) из-за забалластрирования ее продуктами горения.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, повышение КПД двигателя за счет увеличения скорости и полноты сгорания смеси, а так улучшение эксплуатационных характеристик двигателя.
Задача решается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем воспламенение топливовоздушной смеси в форкамере, подачу из последней продуктов горения в камеру сгорания и воспламенение от них смеси в камере сгорания, форкамеру выполняют, по крайней мере из одной трубки, которую размещают внутри камеры сгорания, при этом воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания осуществляют до выхода продуктов горения из форкамеры.
Трубку размещают в нижней части камеры сгорания. В трубке выполняют радиальные отверстия диаметром не менее 1 мм. Трубку размещают осью неперпендикулярно к внутренней поверхности камеры сгорания. Торец трубки выполняют неперпендикуляно к ее оси. Длину трубки выполняют более 10 ее диаметров. Часть тела трубки используют в виде теплоотвода. По крайней мере часть трубки выполняют в виде нагревателя.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Выполнение форкамеры, по крайней мере из одной трубки, которую размещают внутри камеры сгорания, и осуществление воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания до выхода продуктов горения из форкамеры, позволяют увеличить скорость сгорания смеси в трубке, поскольку в результате горения смеси и расширения продуктов горения, в ней возникает движение фронта пламени, при котором совершается действие подобное движению поршня. Во время движения пламени происходит увеличение поверхности фронта горения за счет меньшей скорости движения смеси у стенок трубки и большей - в центре ее. Пламя принимает форму конуса, вершина которого направлена в сторону движения смеси в трубке. Такое изменение поверхности пламени приводит к увеличению количества сгораемой смеси в единицу времени и вызывает еще более ускоренное движение смеси. В результате такого прогрессивного растягивания фронта пламени и ускорения горения смесь в трубке сгорает быстрее. Выбравшись за края трубки, пламя поджигает топливовоздушную смесь в камере сгорания одновременно в нескольких местах, при этом пламя выходит из трубки вперед продуктов горения которые не мешают воспламенению смеси в камере сгорания у концов трубки. Кроме того, воспламенение смеси в камере сгорания до выхода продуктов горения из форкамеры способствует уменьшению времени сгорания всей смеси и позволяет уменьшить угол опережения зажигания, т.е. увеличить КПД двигателя.
Размещение трубки в нижней части камеры сгорания позволяет увеличить начальную скорость распространения пламени в трубке при использовании обедненных смесей, поскольку вблизи поршня за счет инерционных сил смесь уплотняется и становится более обогащенной по сравнению со смесью в верхней части камеры сгорания. Увеличение начальной скорости уменьшает время горения смеси и повышает, в конечном счете, КПД двигателя.
Выполнение в трубке радиальных отверстий диаметром не менее 1 мм позволяет в процессе движения пламени по трубке вырываться ему из радиальных отверстий и осуществлять поджигание смеси в камере сгорания во многих местах практически одновременно. Как известно, при диаметре отверстия около 1 мм пламя не может пройти через него, что было использовано при изобретении безопасной шахтерской лампы (1816 г.), медная сетка с мелкими отверстиями которой препятствовала перескоку пламени во взрывоопасную окружающую среду.
Размещение трубки осью неперпендикулярно к внутренней поверхности камеры сгорания способствует при выходе пламени из трубки отражению (отскоку, разлету в разные стороны) горящих частиц от поверхности камеры и поджиганию смеси в стороне от трубки. В противном случае горящие частицы отражались бы обратно в трубку, наполненную продуктами горения, и не поджигали бы смесь. Разлет горящих частиц топлива в разные стороны обеспечивает поджигание смеси в камере сгорания почти одновременно, что уменьшает время сгорания и угол опережения зажигания, повышая, тем самым, КПД двигателя и улучшая его эксплуатационные характеристики.
Выполнение торца трубки неперпендикуляно к ее оси уменьшает давление у торцов трубки при обтекании ее выступающей части потоком, например продуктами сгорания на такте выпуска. Это улучшает вентиляцию трубки от продуктов сгорания, остатки которых в ней могли бы ухудшить поджигание очередной порции свежей топливной смеси.
Выполнение длины трубки более 10 ее диаметров позволяет сгорать смеси в конце трубки в детонационном режиме. Известно, что при горении газовых смесей в коротких трубках фронт пламени распространяется с постоянной нормальной скоростью горения. При горении смесей в длинных трубках вначале распространение пламени происходит так же, как и в коротких, но вскоре (на длине, равной примерно 10 диаметрам трубки) скорость распространения пламени становится очень высокой, присущей режиму детонации. Это основано на адиабатическом сжатии впереди лежащих слоев смеси, в результате чего происходит воспламенение слоя за слоем в виде взрывной волны. Следует заметить, что в данном случае детонационная волна не будет обладать большой разрушительной силой, поскольку к моменту ее образования одна часть топливной смеси сгорит в трубке, а другая часть сгорит в камере сгорания будучи подожженной в нескольких местах маленькими факелами, вырывающимися из радиальных отверстий трубки. Поэтому за счет детонационной волны (детонационного сжатия) должна сгореть только оставшаяся в камере часть топливной смеси, забалластированная продуктами горения, а также находящаяся у холодных стенок камеры и испытывающая большие теплопотери, в результате которых или снижается скорость нормального распространения пламени, или распространение его становится совсем невозможным. Известно, что несгоревшее в камере топливо составляет величину порядка 25%, поэтому догорание в детонационном режиме остатков топливной смеси увеличит полноту сгорания и КПД двигателя, при этом общее горение всей смеси в целом практически не увеличится и, следовательно, угол опережения зажигания останется прежним.
Использование части тела трубки в виде теплоотвода предохраняет трубку от перегрева и возможного самовоспламенения смеси от нее, что повышает надежность двигателя и его эксплуатационные характеристики.
Выполнение, по крайней мере части трубки в виде нагревателя улучшает воспламенение в ней холодной смеси и препятствует снижению скорости распространения пламени в трубке (при низких температура окружающей среды), что улучшает эксплуатационные характеристики двигателя.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображена схема двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. На фиг. 2  изображена схема дизеля. На фиг. 3 изображен вид А варианта форкамеры в виде нескольких трубок. На фиг. 4 вариант выполнения торца трубки форкамеры.
Двигатель содержит рабочий цилиндр 1 с поршнем 2, соединенный с камерой 3 сгорания, имеющей выпускной 4, впускной 5 клапаны и форкамеру, выполненную в виде трубки 6 с радиальными отверстиями 7, в которой могут быть размещены электроды свечи 8 технического зажигания или часть форсунки 9, подающей топливо 10. Торец трубки может быть неперпендикулярным к ее оси.
Способ реализуют следующим образом.
При движении поршня 2 вверх клапан 4 открыт, и продукты сгорания покидают рабочий цилиндр 1, камеру 3 сгорания и трубку 6 (фиг. 1). После этого поршень движется вниз, засасывая через открытый клапан 5 топливную смесь. Затем оба клапана оказываются закрытыми, и движущийся вверх поршень сжимает топливную смесь в камере сгорании, причем часть этой сжатой смеси оказывается в трубке 6. При подходе поршня к точке, соответствующей моменту зажигания, производят техническое зажигание посредством свечи 8, в результате чего топливная смесь поджигается внутри трубки 6. В результате горения смеси и расширения продуктов горения происходит движение фронта пламени влево и вправо от свечи 8. Во время движения пламени в каждую сторону происходит увеличение поверхности фронта горения и формирование из пламени конусов с противоположно направленными вершинами. При достижении вершинами конусов соответствующих торцов трубки 6 происходит поджигание и последующее сгорание смеси в камере 3, после чего осуществляется рабочий ход поршня. Заметим, если зазор между свечой и отверстием, через которое она проходит в трубку, достаточно большой, то топливная смесь в камере сгорания начинает гореть одновременно со смесью в трубке.
Если трубка 6 выполнена с радиальными отверстиями 7, то топливная смесь поджигается через последние факелами, образующимися в процессе движения пламени по трубке. Для увеличения численности указанных факелов, позволяющих практически одновременно поджигать смесь в различных точках камеры 3 сгорания, форкамера может быть выполнена из нескольких трубок (фиг. 3). При этом необязательно, чтобы все трубки были прямолинейными.
В дизеле топливо из форсунки 9 одновременно впрыскивается в камеру 3 сгорания и форкамеру (трубку) 6, в которых находится предварительно сжатый поршнем воздух (фиг. 2). В результате этого смесь сгорает в разделенных объемах и меньше балластируется продуктами горения. Кроме того, выходящие из радиальных отверстий (при их наличии) продукты горения турбулизируют смесь в камере сгорания.
В случае выполнения торца трубки неперпендикуляно к ее оси обтекающий удлиненную часть конца трубки поток продуктов горения создает разрежение у торца, которое способствует более полному удалению (высасыванию) ее содержимого (фиг. 4).
Если ось трубки расположена неперпендикулярно к поверхности камеры 3, то вылетающие из торцевой части трубки 6 горящие частицы смеси разлетаются в стороны, поджигая смесь в разных точках объема камеры.
При выполнении форкамеры в виде длинной трубки поджигаемая в ней топливовоздушная смесь детонирует в ее конце, и выходящая из трубки ударная (взрывная) волна, распространяясь по камере 3, вызывает детонацию находящихся в последней остатков смеси. Поскольку начальная температура смеси практически не влияет на скорость детонации, то сгорание остатков должно происходить и при холодном двигателе.
Если трубка выполнена в виде нагревателя, то при запуске двигателя при низких температура предварительно нагревают трубку, после чего запускают двигатель обычным образом. Попадая в трубку, холодная смесь (или воздух в дизеле) нагревается и легко воспламеняется.
Внедрение изобретения позволит без существенных конструктивных изменений получить двигатель с более высоким КПД и повышенными эксплуатационными характеристиками.