La presente invenzione riguarda il campo delle precamere, e più in particolare quelle aperte all'estremità che sfocia nel o nei cilindri di un motore alternativo a combustione interna preferibilmente di tipo lineare. Tali precamere sono state descritte dallo stesso richiedente in domande precedenti nelle quali veniva spiegato che, per determinare il loro funzionamento occorreva iniettarvi il carburante necessario a saturare con ricchezza prefissata la massa di aria in esse contenuta.
La combustione della miscela, proiettando i gas combusti nell'aria rimanente contenuta nei cilindri, nei quali non viene iniettato carburante, avviene a temperature notevolmente basse ed in presenza di un tale rilevante eccesso d'aria ( lambda = 4 DEG 10) da garantire l'assenza di composti tossici quali CO ed NOx nei gas di scarico.
Benchè il principio si sia dimostrato valido, prove condotte su dei prototipi hanno posto in evidenza un inconveniente che rende molto arduo il raggiungimento di una percentuale di prodotti tossici e di incombusti nello scarico effettivamente uguale a zero.
Ciò è dovuto al fatto che, dopo la fase di combustione "primaria" nella precamera, la massa dei residui incombusti in essa contenuti si raffredda, per effetto della contemporanea espansione dovuta alla corrispondente corsa del pistone, fino a temperature inferiori al loro limite di accensione, senza che nessuna forza li abbia potuti eiettare nei cilindri, e quindi, in definitiva, senza aver potuto subire la "combustione secondaria" caratteristica del tipo di motori di cui si tratta, che offre i risultati esposti prima.
In altre parole, con un procedimento generico di saturazione della precamera si ottengono dei risultati nella composizione dei gas di scarico migliori rispetto ai motori tradizionali, ma che non raggiungono lo zero effettivo per quanto riguarda la percentuale totale di composti non desiderati.
L'inventore del presente trovato ha ideato un procedimento per effettuare la saturazione di una precamera e l'accensione della miscela che evita gli inconvenienti sopradescritti e garantisce una percentuale di composti tossici nei gas di scarico effettivamente uguale ad un sostanziale zero.
Egli ha infatti ideato un procedimento in cui, iniettando con modalità particolari un carburante liquido o gassoso, si crea una stratificazione della miscela a ricchezze variabili lungo l'asse della precamera con una parte del volume d'aria in essa contenuta che sostanzialmente non si mescola con il carburante e che, espandendosi nella corsa di ritorno del pistone, proietta i gas combusti contenuti nella precamera stessa verso i cilindri prima che la temperatura in questi ultimi sia discesa al di sotto del loro limite di accensione.
In particolare, l'oggetto della presente invenzione consiste in un procedimento per effettuare la miscelazione di una prefissata quantità di carburante secondo le modalità descritte nel preambolo della rivendicazione 1, caratterizzato dalla parte caratterizzante della medesima rivendicazione.
Il procedimento suddetto verrà ora descritto meglio, facendo anche riferimento ai disegni allegati che rappresentano:
in fig. 1 la sezione longitudinale di una precamera accoppiata ad un diagramma della ricchezza di miscela lungo il suo asse ottenuto secondo il procedimento dell'invenzione; (R = ricchezza ed Rst = ricchezza stechiometrica);
in fig. 2 la vista frontale dell'estremità aperta della precamera di fig. 1 con applicato su di essa un dispositivo di accensione atto ad ottimizzare i risultati del procedimento oggetto dell'invenzione.
Si consideri la fig. 1: il carburante viene iniettato lungo l'asse h-h della precamera 1, che nel caso raffigurato è tronco-conica con un'estremità aperta 1a circolare sfociante nei cilindri 6, da un iniettore 2, azionato da una prevalenza di pressione DELTA p rispetto alle pressioni esistenti in precamera durante l'iniezione, che è fissato sull'altra estremità chiusa 1c della precamera 1 stessa.
Detto carburante forma un getto 5 anch'esso tronco-conico o conico, a seconda del tipo di iniettore.
Per realizzare il procedimento dell'invenzione occorre dimensionare il o gli ugelli dell'iniettore 2, e calcolare la prevalenza DELTA p di iniezione in modo che, iniettando durante la fase terminale del semiciclo di compressione del motore a c.i., la dimensione delle goccioline di carburante che si formano (nel caso di carburante liquido), nonchè la loro energia cinetica e la loro distribuzione su sezioni rette della precamera 1 siano tali da garantire la totale evaporazione del getto 5 immediatamente prima dell'istante in cui esso raggiunge il centro C dell'apertura della precamera 1, e da provocare una miscelazione dei vapori di carburante con l'aria contenuta nella precamera presentante ricchezze crescenti dal punto di iniezione A in direzione del detto centro C dell'apertura 1a della precamera stessa.
Nei casi in cui il carburante sia gassoso (metano o simili) occorre eseguire i calcoli ed il dimensionamento suddetti in modo che il gas iniettato 5, quando raggiunge il detto centro C, si sia mescolato con modalità analoghe con l'aria contenuta nella parte di precamera posta a valle dell'iniettore 2.
Le citate ricchezze devono pertanto essere rappresentabili con una linea all'incirca simile alla curva 7 disegnata in fig. 1 parallelamente alla precamera 1.
Procedendo in tal modo si ottiene infatti che un prefissato volume V1 dell'aria contenuta nella precamera a ridosso della sua estremità chiusa 1c ove è installato l'iniettore 2 presenti una ricchezza media molto bassa, con una parte di esso che sostanzialmente non si miscela al carburante.
Se si ha cura di far si che questo volume abbia un valore uguale al, od ancora più convenientemente, maggiore in prefissata misura del volume totale della precamera diviso per il rapporto di compressione raggiunto in un determinato ciclo nel motore a c.i., si ottiene che tale volume d'aria, che fra l'altro viene riscaldato prevalentemente per irraggiamento dalla combustione che avviene in precamera, si espanda in determinata misura durante la fase di espansione del motore stesso, "lavando" i gas combusti presenti in essa, con i quali peraltro si mescola parzialmente aumentando il rapporto ossigeno/CO + incombusti prima che essi si raffreddino, e proiettandoli nei cilindri, ove i gas combusti stessi possono subire una combustione secondaria di durata prefissata (ad es.
3 DEG 4 ms.) per la temperatura regnante nei cilindri medesimi, la quale non deve essere scesa nel frattempo al di sotto dei limiti di accensione.
Il "lavaggio" in questione rimuove oltretutto gli HC incombusti eventualmente ristagnanti contro le pareti della precamera 1, pareti che, per meglio ottenere questo scopo, è bene che siano rese "lucide" mediante ad esempio cromatura, levigatura o altri procedimenti dai risultati analoghi.
Per ottenere dei valori di ricchezza media nel detto volume V1 convenientemente bassi anche quando il carburante sia gassoso, l'inventore suggerisce di inserire l'iniettore 2 entro la precamera 1 per una prefissata lunghezza L, delimitando così tale volume V1, a monte dell'ugello, fra le pareti esterne dell'iniettore e la superficie interna 3 della precamera 1 in prossimità della sua estremità chiusa 1c.
Un altro accorgimento eventuale previsto è quello di fornire, nei casi in cui fosse necessario, una data quantità di calore, ad esempio mediante un resistore 10, all'aria contenuta nel detto volume V1, in modo da facilitare la combustione della miscela povera con la quale si mescola espandendosi.
Durante il corso dei test già menzionati si è pure rilevato come, utilizzando un solo punto di accensione sul centro C dell'apertura 1a, si generi l'inconveniente dell'espulsione iniziale di una certa percentuale di miscela non ancora combusta verso i cilindri 6, nei quali la temperatura è ancora leggermente inferiore alla temperatura necessaria alla sua accensione.
Ciò è dovuto all'azione del fronte del globo di fiamma iniziale che, espandendosi radialmente dal detto centro C, esercita una pressione sulla miscela in precamera ancora incombusta, raggiungendo le pareti della precamera 1 stessa con una velocità insufficiente a garantire la tempestiva copertura di tutta la sezione di quest'ultima in modo da evitare la fuoruscita di incombusti.
Una certa percentuale di miscela incombusta, favorita in ciò anche dalla sua espansione dovuta al moto del pistone, raggiunge perciò il cilindro 6 senza bruciare, e deve venire combusta nel corso della combustione secondaria che avviene all'interno del cilindro stesso per l'immissione dei gas caldi già combusti nelle precamere 1.
Ciò comporta un reale seppur limitato aumento delle probabilità di esistenza di CO e di HC incombusti nei gas di scarico.
Per evitare tale inconveniente, I'inventore del presente procedimento prevede di usare una pluralità di punti di innesco di accensione 8 disposti su di un piano perpendicolare all'asse della precamera 1 (v. fig. 2) e disposto in corrispondenza della sua estremità aperta 1a, meglio se passante per il suo già citato centro C.
L'esistenza di una pluralità di punti di innesco 8 riduce notevolmente il tempo (pochi decimi di millisecondo) necessario per la formazione di un fronte di fiamma sufficientemente regolare e di dimensioni sufficienti a coprire tutta la sezione della precamera 1, "otturandola" con una sovrappressione ed impedendo così la fuoruscita di miscela incombusta.
Una soluzione suggerita è quella (fig. 2) di utilizzare un elettrodo con quattro punte disposte a croce, fissato sulla apertura la della precamera 1 mediante un braccio 9 in materiale conduttore collegato ad una polarità di un generatore di scariche in corrente continua. A ciascuna punta viene opposto un terminale appuntito 8 collegato all'altra polarità, come rappresentato per uno solo di essi nel disegno. (Le necessarie parti isolanti non sono state rappresentate.) Generando delle scariche secondo i ben noti procedimenti di accensione mediante bobine o dispositivi elettronici si generano così quattro punti di innesco simultaneo.
Ovviamente le coppie di punte e terminali possono essere più di quattro, ma il richiedente ha constatato che una soluzione soddisfacente consiste nell'utilizzare anche solo quattro punti di innesco come prima descritti disposti lungo una circonferenza beta concentrica all'apertura 1a ed avente un diametro d uguale alla metà del diametro D di quest'ultima.
Onde realizzare convenientemente il procedimento dell'invenzione, I'inventore suggerisce inoltre di dimensionare la precamera 1 in modo che il suo volume sia compreso fra 1/5 ed 1/3 del volume dello spazio morto lasciato dal pistone del motore nel cilindro 6 relativo quando ha raggiunto il punto morto corrispondente alla massima compressione.
Si ottiene così un lambda globale (= aria totale/aria stechiometrica) compreso fra 6 e 4, con delle temperature medie del ciclo termodinamico intorno ai 300 DEG C che non comportano nè la lubrificazione, nè il raffreddamento del motore.
L'inventore prevede anche che la quantità di carburante iniettata in un ciclo sia tale che il calore prodotto dalla sua combustione nella precamera 1 sia sufficiente ad inalzare la temperatura dell'intera massa d'aria contenuta nel o nei cilindri 6 e nella precamera 1 in misura tale da garantire che, durante la corsa di ritorno e di espansione che il pistone esegue dopo l'accensione secondo una data curva di velocità, tale temperatura si mantenga superiore alla temperatura di accensione del carburante per un prefissato tempo (ad es. >/= 6 DEG 10 ms).
L'esempio descritto e raffigurato non è limitativo nè vincolativo nei confronti di altre realizzazioni diverse del procedimento basate sui concetti espressi nelle allegate rivendicazioni. I valori orientativi indicati possono fra l'altro venire cambiati a seconda delle esigenze, ad esempio a seconda del tipo di carburante impiegato (benzine, alcooli, gasolio, gas ecc.
Le citate realizzazioni così ottenute rientreranno comunque nell'ambito della protezione conferita dalla presente domanda di brevetto.
È bene che, nel procedimento secondo la presente invenzione, l'istante di fine compressione nella corsa del pistone coincida con l'istante di fine iniezione, ma lievi scostamenti da tale condizione non comportano inconvenienti significativi.
Analogamente si può apportare un lieve anticipo all'istante di accensione rispetto all'istante di inversione della direzione del moto del pistone al fine di ottenere secondo criteri ben noti un miglior rendimento del ciclo termodinamico.
Si ritiene utile fornire un esempio numerico di dimensionamento di una precamera 1 e del relativo volume V1 atto a realizzare il procedimento descritto in precedenza.
Si supponga che il volume della parte "attiva" di precamera contenente l'aria che deve venir mescolata al carburante sia di 5 cm<3>, che la pressione assoluta di picco durante la combustione sia uguale a 25 bar, e che la temperatura nei cilindri 6 si mantenga superiore alla temperatura minima di combustione (ca. 400 DEG C) per 7 ms successivi a tale picco. Se si vuole che anche i gas combusti contenuti nella precamera subiscano una combustione secondaria di 4 ms occorre rilevare la pressione nei cilindri 4 millisecondi prima del momento in cui si raggiunge il detto limite oltre il quale non avviene più la combustione.
Ammettendo che, data la curva delle velocità di espansione del pistone nel caso in esame, questa pressione sia di 10 bar, ciò significa che il descritto volume V1, per eseguire il desiderato lavaggio della precamera in tempo utile, deve essere tale da avere occupato l'intera precamera (cioè parte "attiva" più V1) dopo essersi espanso adiabaticamente 1,9 volte. Occorre cioè che si verifichi l'equazione:
Volume totale della precamera = volume "attivo" + V1 = 1,9 V1 ovvero: V1 + 5 cm<3> = 1,9 V1, o ancora:
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Se il rapporto di compressione rho nel ciclo in questione è 8,5:1, e, come si è visto, il volume totale della precamera (parte attiva + V1) è uguale a (5 + 5,6) = 10,6 cm<3>, si può stabilire un coefficiente epsilon uguale al rapporto fra il volume totale della precamera e rho , che in questo caso è
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Come si può rilevare il volume V1 è 4,5 volte maggiore del suddetto valore di epsilon .
Nei calcoli orientativi di massima di cui sopra non si è tenuto conto della limitata compressione che subisce il volume V1 per l'aumento della pressione fra il punto morto di massima compressione ed il detto picco di pressione dovuto alla combustione. Nei calcoli definitivi più precisi occorre tenere conto di questo fatto, sovradimensionando di conseguenza il volume V1.
Sempre effettuando il sopradescritto lavaggio intrinseco della precamera 1, l'inventore suggerisce di ricercare una realizzazione del procedimento nella quale il fronte di fiamma che si forma poco dopo l'accensione in prossimità dell'apertura 1a della precamera 1 permanga sostanzialmente in tale posizione per tutta la durata della combustione, in modo che i gas combusti fuoriescano immediatamente dalla precamera durante la loro stessa combustione, mescolandosi con l'aria rimanente dei cilindri, senza poter raggiungere in nessun punto dello spazio da sssi occupato la temperatura (di ca. 1500 DEG K) di attivazione della reazione di ossidazione dell'azoto.
A tal fine occorre che la precamera 1 sia dimensionata e sagomata in modo che, durante l'intervallo di tempo in cui avviene in essa la combustione primaria, il detto volume V1 contenente aria non miscelata a carburante si espanda per effetto del moto di allontanamento del pistone fino ad occupare sostanzialmente tutto il suo volume. Ciò comporta un arretramento del fronte della combustione con velocità relativa rispetto alla precamera uguale e contraria alla velocità di avanzamento della combustione, con il risultato che il detto fronte rimane praticamente fisso, per tutta la durata della combustione primaria, in una desiderata posizione posta in corrispondenza od in prossimità del punto (la zona vicina agli elettrodi 8) ove il fronte di fiamma della combustione si é formato.
Per ottenere ciò basta ad esempio che il rapporto fra il volume totale della precamera 1 ed il detto volume V1 contenente aria non miscelata a carburante sia sostanzialmente uguale al rapporto di compressione che genererebbe l'aumento di pressione a volume costante che si verificherebbe nel ciclo in questione per effetto della combustione se il ciclo stesso fosse di tipo Otto.
Così facendo, il volume V1, per effetto dell'espansione dovuta al moto di arretramento del pistone, occupa gradualmente tutto il volume della precamera, mantenendo fisso il fronte di fiamma ed espellendo, alla fine della combustione primaria, gli eventuali incombusti. Si ottiene così un ciclo Diesel dal buon rendimento termodinamico con combustione a pressione costante.
Perchè quanto descritto avvenga occorre naturalmente che, in qualsiasi ciclo, la durata della combustione primaria sia uguale al tempo impiegato dal pistone per effettuare la suddetta espansione, pertanto vanno regolati i parametri di tempo e pressione di iniezione, e vanno opportunamente dimensionati sia la massa del pistone che che le misure della precamera (che può essere anche cilindrica) e della sua apertura 1a, che può essere anche ristretta nella sua sezione finale per ridurre lo spazio morto e per aumentare la velocità di efflusso dei gas combusti nella combustione primaria aumentando la turbolenza da essi prodotta.
La citata riduzione della sezione finale di efflusso della precamera può venire ottenuta aumentando l'ingombro degli elettrodi che generano i punti di innesco: così facendo (si vedano ad esempio le linee tratteggiate di fig. 2) si diminuisce lo spessore massimo della fiamma, riducendo in voluta misura le temperature al suo interno, e si dispone altresì di un volano termico che assorbe per irraggiamento e convezione le "punte" di innalzamento termico della fiamma in formazione.
The present invention relates to the field of pre-chambers, and more particularly those open at the end which flows into the cylinder or cylinders of an internal combustion engine, preferably of a linear type. These pre-chambers were described by the same applicant in previous questions in which it was explained that, in order to determine their operation, it was necessary to inject the fuel necessary to saturate the mass of air contained in them with predetermined richness.
The combustion of the mixture, by projecting the combustion gases into the remaining air contained in the cylinders, in which fuel is not injected, takes place at remarkably low temperatures and in the presence of such a significant excess of air (lambda = 4 DEG 10) to guarantee the absence of toxic compounds such as CO and NOx in the exhaust gases.
Although the principle has proven valid, tests conducted on prototypes have highlighted a drawback that makes it very difficult to reach a percentage of toxic products and unburnt products in the discharge actually equal to zero.
This is due to the fact that, after the "primary" combustion phase in the pre-chamber, the mass of unburnt residues contained in it cools, due to the simultaneous expansion due to the corresponding piston stroke, up to temperatures below their ignition limit , without any force being able to eject them into the cylinders, and therefore, ultimately, without having been able to undergo the "secondary combustion" characteristic of the type of engine in question, which offers the results shown above.
In other words, with a generic pre-chamber saturation procedure, results are obtained in the composition of the exhaust gases better than traditional engines, but which do not reach the actual zero with regard to the total percentage of unwanted compounds.
The inventor of the present invention has devised a method for saturating a prechamber and igniting the mixture which avoids the drawbacks described above and guarantees a percentage of toxic compounds in the exhaust gases actually equal to a substantial zero.
In fact, he devised a process in which, by injecting liquid or gaseous fuel in a particular way, a stratification of the mixture with variable richness is created along the axis of the pre-chamber with a part of the volume of air contained in it that basically does not mix with the fuel and which, expanding in the return stroke of the piston, projects the combustion gases contained in the prechamber itself towards the cylinders before the temperature in the latter has fallen below their ignition limit.
In particular, the object of the present invention consists of a process for mixing a predetermined quantity of fuel according to the methods described in the preamble of claim 1, characterized by the characterizing part of the same claim.
The above process will now be better described, also referring to the attached drawings which represent:
in fig. 1 the longitudinal section of a pre-chamber coupled to a mixture richness diagram along its axis obtained according to the process of the invention; (R = wealth and Rst = stoichiometric wealth);
in fig. 2 the front view of the open end of the prechamber of fig. 1 with applied on it an ignition device adapted to optimize the results of the process object of the invention.
Consider fig. 1: the fuel is injected along the hh axis of the pre-chamber 1, which in the case shown is truncated-cone with an open circular end 1a leading into the cylinders 6, from an injector 2, operated by a pressure prevalence DELTA p with respect to the pressures existing in the prechamber during the injection, which is fixed on the other closed end 1c of the prechamber 1 itself.
Said fuel forms a jet 5 which is also truncated or conical, depending on the type of injector.
To carry out the process of the invention, it is necessary to dimension the injector nozzle (s) 2, and calculate the injection DELTA p head so that, by injecting the size of the fuel droplets during the terminal phase of the compression half-cycle of the CI engine which are formed (in the case of liquid fuel), as well as their kinetic energy and their distribution on straight sections of the pre-chamber 1 are such as to guarantee the total evaporation of the jet 5 immediately before the instant in which it reaches the center C of the opening of the pre-chamber 1, and to cause a mixing of the fuel vapors with the air contained in the pre-chamber having increasing wealth from the injection point A in the direction of said center C of the opening 1a of the pre-chamber itself.
In cases where the fuel is gaseous (methane or the like), the aforementioned calculations and sizing must be carried out so that the injected gas 5, when it reaches the said center C, is mixed with similar methods with the air contained in the part of prechamber located downstream of the injector 2.
The aforementioned riches must therefore be represented by a line roughly similar to curve 7 drawn in fig. 1 parallel to the pre-chamber 1.
By proceeding in this way, in fact, a predetermined volume V1 of the air contained in the pre-chamber close to its closed end 1c where the injector 2 is installed has a very low average richness, with a part of it that substantially does not mix with the fuel.
If care is taken to ensure that this volume has a value equal to, or even more conveniently, greater in predetermined measure than the total volume of the pre-chamber divided by the compression ratio achieved in a given cycle in the engine at ci, it is obtained that this the volume of air, which among other things is heated mainly by radiation from combustion that occurs in the pre-chamber, expands to a certain extent during the expansion phase of the engine itself, "washing" the combustion gases present in it, with which, moreover, it mixes partially by increasing the unburnt oxygen / CO + ratio before they cool, and projecting them into the cylinders, where the combustion gases themselves can undergo a secondary combustion of a predetermined duration (e.g.
3 DEG 4 ms.) For the temperature reigning in the cylinders themselves, which must not have fallen below the ignition limits in the meantime.
The "washing" in question also removes the unburnt HC possibly stagnant against the walls of the pre-chamber 1, walls which, in order to better achieve this purpose, should be made "shiny" by means of for example chroming, sanding or other processes with similar results.
To obtain average wealth values in said volume V1 suitably low even when the fuel is gaseous, the inventor suggests inserting the injector 2 within the pre-chamber 1 for a predetermined length L, thus delimiting this volume V1, upstream of the nozzle, between the external walls of the injector and the internal surface 3 of the prechamber 1 near its closed end 1c.
Another possible provision is to provide, in cases where it is necessary, a given quantity of heat, for example by means of a resistor 10, to the air contained in said volume V1, so as to facilitate the combustion of the poor mixture with the which mixes by expanding.
During the course of the tests already mentioned it has also been observed that, by using a single ignition point on the center C of the opening 1a, the drawback of the initial expulsion of a certain percentage of mixture not yet combusted towards the cylinders 6 is generated. in which the temperature is still slightly lower than the temperature necessary for its ignition.
This is due to the action of the front of the initial flame globe which, radially expanding from said center C, exerts pressure on the mixture in the still unburnt prechamber, reaching the walls of the prechamber 1 itself with a speed insufficient to guarantee the timely coverage of the whole the section of the latter in order to avoid the release of unburnt.
A certain percentage of unburnt mixture, aided in this also by its expansion due to the movement of the piston, therefore reaches the cylinder 6 without burning, and must be combusted during the secondary combustion that takes place inside the cylinder itself for the introduction of the hot gases already burned in the prechambers 1.
This entails a real albeit limited increase in the probability of existence of CO and HC unburnt in the exhaust gases.
To avoid this drawback, the inventor of the present process envisages using a plurality of ignition trigger points 8 arranged on a plane perpendicular to the axis of the pre-chamber 1 (see fig. 2) and arranged at its open end 1a, better if passing through its already mentioned center C.
The existence of a plurality of trigger points 8 considerably reduces the time (a few tenths of a millisecond) necessary for the formation of a sufficiently regular flame front and of sufficient size to cover the whole section of the pre-chamber 1, "clogging" it with a overpressure and thus preventing the escape of unburned mixture.
A suggested solution is (fig. 2) to use an electrode with four tips arranged in a cross, fixed on the opening la of the pre-chamber 1 by means of an arm 9 in conductive material connected to a polarity of a direct current discharge generator. A pointed terminal 8 connected to the other polarity is opposed to each tip, as shown for only one of them in the drawing. (The necessary insulating parts have not been shown.) By generating discharges according to the well-known ignition procedures by means of coils or electronic devices, four simultaneous trigger points are generated.
Obviously the pairs of tips and terminals can be more than four, but the applicant has found that a satisfactory solution consists in using also only four trigger points as previously described arranged along a beta circumference concentric to the opening 1a and having a diameter d equal to half the diameter D of the latter.
In order to conveniently carry out the process of the invention, the inventor further suggests to dimension the pre-chamber 1 so that its volume is between 1/5 and 1/3 of the volume of the dead space left by the engine piston in the relative cylinder 6 when has reached the dead center corresponding to the maximum compression.
A global lambda (= total air / stoichiometric air) between 6 and 4 is thus obtained, with average temperatures of the thermodynamic cycle around 300 DEG C which do not involve lubrication or cooling of the engine.
The inventor also provides that the quantity of fuel injected in a cycle is such that the heat produced by its combustion in the prechamber 1 is sufficient to raise the temperature of the entire mass of air contained in the cylinder or cylinders 6 and in the prechamber 1 in a measure such as to ensure that, during the return and expansion stroke that the piston performs after ignition according to a given speed curve, this temperature remains higher than the ignition temperature of the fuel for a predetermined time (e.g.> / = 6 DEG 10 ms).
The example described and shown is not limiting nor binding towards other different embodiments of the process based on the concepts expressed in the attached claims. The indicative values indicated can, among other things, be changed according to requirements, for example according to the type of fuel used (petrol, alcohol, diesel oil, gas, etc.).
The cited embodiments thus obtained will in any case fall within the scope of the protection conferred by the present patent application.
It is good that, in the process according to the present invention, the moment of end of compression in the stroke of the piston coincides with the moment of end of injection, but slight deviations from this condition do not entail significant drawbacks.
Similarly, a slight advance can be made to the instant of ignition with respect to the instant of inversion of the direction of motion of the piston in order to obtain better efficiency of the thermodynamic cycle according to well-known criteria.
It is considered useful to provide a numerical example of sizing of a pre-chamber 1 and of the relative volume V1 suitable for carrying out the procedure described above.
Suppose that the volume of the "active" part of the prechamber containing the air to be mixed with the fuel is 5 cm <3>, that the absolute peak pressure during combustion is equal to 25 bar, and that the temperature in the cylinder 6 remains above the minimum combustion temperature (approx. 400 DEG C) for 7 ms following this peak. If you want the combustion gases contained in the pre-chamber to undergo a secondary combustion of 4 ms it is necessary to detect the pressure in the cylinders 4 milliseconds before the moment when the said limit is reached beyond which combustion no longer occurs.
Assuming that, given the piston expansion speed curve in the case in question, this pressure is 10 bar, this means that the described volume V1, in order to perform the desired washing of the pre-chamber in good time, must be such as to have occupied the entire pre-chamber (ie "active" part plus V1) after adiabatically expanding 1.9 times. That is, the equation must be verified:
Total volume of the pre-chamber = "active" volume + V1 = 1.9 V1 or: V1 + 5 cm <3> = 1.9 V1, or again:
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If the compression ratio rho in the cycle in question is 8.5: 1, and, as we have seen, the total volume of the pre-chamber (active part + V1) is equal to (5 + 5.6) = 10.6 cm <3>, an epsilon coefficient equal to the ratio between the total volume of the pre-chamber and rho can be established, which in this case is
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As can be seen, the volume V1 is 4.5 times greater than the above epsilon value.
In the rough general calculations above, the limited compression that volume V1 undergoes due to the increase in pressure between the dead center of maximum compression and said pressure peak due to combustion was not taken into account. In the most precise definitive calculations, this fact must be taken into account, consequently oversizing the volume V1.
Still carrying out the aforementioned intrinsic washing of the pre-chamber 1, the inventor suggests seeking an embodiment of the method in which the flame front which forms shortly after ignition near the opening 1a of the pre-chamber 1 remains substantially in this position throughout the duration of combustion, so that the burned gases immediately escape from the prechamber during their combustion, mixing with the remaining air of the cylinders, without being able to reach the temperature (approx. 1500 DEG K at any point of the space occupied) ) of activation of the nitrogen oxidation reaction.
For this purpose, the pre-chamber 1 must be sized and shaped so that, during the time interval in which primary combustion takes place in it, the said volume V1 containing air not mixed with fuel expands as a result of the movement away from the piston until it occupies substantially all its volume. This entails a withdrawal of the front of combustion with a relative speed with respect to the pre-chamber equal and opposite to the advancement speed of the combustion, with the result that said front remains practically fixed, for the entire duration of the primary combustion, in a desired position placed in correspondence or near the point (the zone near the electrodes 8) where the flame front of the combustion has formed.
To obtain this, for example, it is sufficient that the ratio between the total volume of the pre-chamber 1 and the said volume V1 containing air not mixed with fuel is substantially equal to the compression ratio that would generate the constant volume pressure increase that would occur in the cycle in question due to combustion if the cycle itself was of the Otto type.
In doing so, the volume V1, due to the expansion due to the piston's backward movement, gradually occupies the entire volume of the pre-chamber, keeping the flame front fixed and expelling any unburnt materials at the end of primary combustion. A Diesel cycle with good thermodynamic efficiency is obtained with constant pressure combustion.
In order for what is described to take place, of course, in any cycle, the duration of the primary combustion must be equal to the time taken by the piston to carry out the above expansion, therefore the injection time and pressure parameters must be adjusted, and the mass of the piston which measures the prechamber (which can also be cylindrical) and its opening 1a, which can also be restricted in its final section to reduce dead space and to increase the rate of efflux of the combustion gases in primary combustion by increasing turbulence produced by them.
The aforementioned reduction of the final outflow section of the pre-chamber can be obtained by increasing the size of the electrodes that generate the trigger points: in doing so (see for example the dotted lines in fig. 2) the maximum thickness of the flame is reduced, reducing if desired, the temperatures inside it, and there is also a thermal flywheel which absorbs the "points" of thermal rise of the flame being formed by radiation and convection.