ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Данное изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания с искровым зажиганием, способным работать в большинстве или во всех своих рабочих диапазонах без ограничения впуска воздуха при неполной загрузке.
В данном изобретении подробно описана конструкция места установки свечи зажигания в двигателях, описанных в международных заявках WO 2005/052335 и WO 2007/080366.
Согласно изобретению, предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий:
поршень, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения;
средство впуска воздуха, сообщающееся с цилиндром;
выпускное средство, сообщающееся с цилиндром;
камеру сгорания непрямого действия, сообщающуюся с цилиндром и имеющую ближний конец и дальний конец относительно поршня;
проходное отверстие, сообщающееся с цилиндром и с камерой сгорания на ее ближнем конце;
средство создания в камере сгорания спирального вихревого движения воздуха, имеющего тангенциальную составляющую скорости, направленную по окружности камеры сгорания, и осевую составляющую скорости, направленную от ближнего конца камеры к ее дальнему концу;
по меньшей мере одну топливную форсунку, сообщающуюся с камерой сгорания;
устройство управления процессом впрыска топлива и искровым зажиганием;
средство искрового зажигания, сообщающееся с камерой сгорания на ее дальнем конце;
отличающийся тем, что дальний конец камеры сгорания имеет проходящий в камеру по существу концентричный выступ, обращенный к ближнему концу и образующий с периферией камеры сгорания кольцевую канавку, при этом выступ имеет гнездо для свечи зажигания, сообщающееся с указанной канавкой через отверстие для попадания искры во вращающуюся в канавке топливно-воздушную смесь с целью непосредственного искрового зажигания смеси.
Далее изобретение описано в виде примера со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, выполненные без соблюдения пропорций и представленные только в целях иллюстрации.
На фиг.1 показана камера сгорания, являющаяся частью двигателя, описанного в WO 2005/052335 и WO 2007/080366. (На фиг.1 проходное отверстие 7 расположено с наклоном к оси камеры сгорания, как в WO 2005/052335, но настоящее изобретение также применимо к двигателю, описанному в WO 2007/080366, где проходное отверстие расположено перпендикулярно к оси камеры сгорания.)
На фиг.2 показан частичный разрез по оси камеры сгорания.
На фиг.1 показан поршень 1, движущийся в цилиндре 2 вверх во время такта сжатия. В данном варианте осуществления камера 6 сгорания выполнена цилиндрической и сообщается с цилиндром 2 через пропускное отверстие 7. Топливная форсунка 11 впрыскивает топливо поперек воздушной струи 40 по направлению к дальнему концу 10 камеры сгорания, где находится свеча 9 зажигания. На чертеже также показана траектория 14 спирального вихревого движения по периферии 22 камеры сгорания. Пропускное отверстие 7 входит в камеру сгорания вблизи ее периферии, чтобы создать в ней вихревое движение воздуха, а наклонная винтовая поверхность (не показана) на ближнем конце 8 камеры создает продольную составляющую скорости воздуха, поступающего в камеру, способствуя спиральному вихревому движению. Цилиндр 2 известным образом сообщается с впускным и выпускным клапанами (не показаны).
Путем регулировки момента начала впрыска топлива обеспечивается, что некоторая часть конуса 17 распыленного топлива достигнет дальнего конца 10 камеры сгорания на ранней стадии такта сжатия, до того как он полностью поглотится воздушной струей 40, входящей в камеру сгорания через пропускное отверстие 7, поскольку скорость воздушной струи и плотность воздуха в начале такта сжатия меньше и существенно возрастают к его концу. Когда это топливо достигает дальнего конца 10 на начальной стадии такта сжатия, оно может осаждаться там на стенке, но будет быстро испаряться, когда спиральный вихревой поток воздуха, поступившего на дальний конец, достигнет достаточной величины. Это гарантирует, что к свече 9 зажигания, расположенной у дальнего конца камеры сгорания, будет поступать способная к воспламенению топливно-воздушная смесь, независимо от распределения топлива ближе к ближнему концу 8 камеры сгорания.
Серьезная проблема, присущая устройствам согласно WO 2005/052335 и WO 2007/080366, состоит в том, что нужно избежать смачивания свечи зажигания жидким топливом на раннем этапе процесса впрыска топлива. Топливная форсунка 11 направлена прямо на свечу 9 зажигания, расположенную на дальнем конце 10, поэтому смачивание становится неизбежным. Из-за смачивания электроды свечи зажигания вскоре покрываются угольной сажей, которая проводит электричество и гасит искру.
Предпринимались попытки решить эту проблему с помощью запальной камеры, хорошо известной конструкторам двигателей. В этом случае двигатель будет работоспособным, но на практике такое решение оказалось неудовлетворительным. Запальные камеры представляют собой маленькие полости фиксированного объема, в каждой из которых находится электродный конец соответствующей свечи зажигания. Полости сообщаются с камерой сгорания через отверстие. В двигателе согласно WO 2005/052335 и WO 2007/080366 сообщающее отверстие находится на дальней торцевой поверхности 10 камеры сгорания и выполнено под углом к ее оси, чтобы через него не происходило прямого ввода распыленного топлива.
Назначение запальной камеры состоит в том, чтобы сжимать в ней газ, в данном случае топливно-воздушную смесь, во время такта сжатия. После воспламенения продукты горения выходят под давлением из полости запальной камеры в виде плазмы или огненного факела, поджигающего смесь, находящуюся снаружи. Проблема, с которой столкнулись при использовании указанного двигателя, состояла в том, что запальная камера не гарантирует зажигания в каждом цикле двигателя, в результате чего происходят пропуски зажигания, возможно, из-за того, что из запальной камеры не удаляются продукты сгорания, полученные в предыдущем цикле.
На фиг.2 показано устройство, позволяющее решить эту проблему. Очевидно, что без надежного искрового зажигания двигатели, описанные в WO 2005/052335 и WO 2007/080366, надежно работать не могут.
К дальнему концу камеры 6 сгорания болтами (не показаны) прикреплена торцевая заглушка 212, которая при желании может быть выполнена как одно целое с камерой сгорания.
В торцевой заглушке имеется резьбовое гнездо 9А для крепления свечи (не показана) зажигания, расположенное эксцентрично относительно оси камеры сгорания, чтобы оно находилось вблизи периферии камеры. Торцевая заглушка имеет цилиндрический выступ 209, по существу концентричный камере сгорания, который проходит в нее на небольшое расстояние. Этот выступ предпочтительно имеет скошенный свободный конец.
Выступ образует с периферией камеры сгорания кольцевую канавку 210. Было установлено, что радиальная ширина этой кольцевой канавки имеет важное значение для работы устройства, так как в ней происходит вихревое движение топливно-воздушной смеси, которая во время такта сжатия концентрируется по периферии камеры 22 под действием центробежной силы. Радиальная ширина кольцевой канавки зависит от интенсивности спирального вихревого потока, которая выбирается конструктором для воздействия на скорость сгорания, и должна быть оптимальной для геометрии данного двигателя.
В кольцевую канавку входит прорезь 211, через которую электроды свечи зажигания сообщаются с канавкой 210. Электроды свечи зажигания находятся по существу напротив прорези. Длина прорези по окружности цилиндрического выступа 209 может быть достаточно большой, например в четыре раза больше ее высоты, но предпочтительно она проходит по самому тонкому участку стенки между эксцентричным гнездом 9А для свечи зажигания и кольцевой канавкой 210, при условии, что удается избежать накаливания. Гнездо 9А для свечи зажигания расположено эксцентрично относительно выступа 209, чтобы уменьшить толщину стенки вокруг прорези 211.
Настоящее изобретение позволяет предотвратить непосредственное осаждение жидкого топлива на электроды свечи зажигания, поскольку в этом варианте осуществления прорезь 211 находится в стенке, параллельной оси камеры сгорания. Это также позволяет получить большое отверстие между электродами свечи зажигания и остальной камерой сгорания и тем самым минимизировать количество продуктов сгорания, которые остаются вокруг свечи зажигания после зажигания и могут привести к сбою зажигания в последующих циклах. Электроды свечи зажигания могут находиться на линии непосредственного обзора относительно топливно-воздушной смеси, вращающейся в кольцевой канавке 210.
Настоящее изобретение обеспечивает надежную работу двигателя без сбоев искрового зажигания. Это неочевидно для специалистов в данной области техники и подтверждается результатами исследований и отработки двигателей на испытательном стенде. Испытания показали, что двигатель согласно изобретению работает очень хорошо.