EA023968B1 - Direct-injection, spark-ignition, pre-combustion chamber engine - Google Patents
Direct-injection, spark-ignition, pre-combustion chamber engine Download PDFInfo
- Publication number
- EA023968B1 EA023968B1 EA201400220A EA201400220A EA023968B1 EA 023968 B1 EA023968 B1 EA 023968B1 EA 201400220 A EA201400220 A EA 201400220A EA 201400220 A EA201400220 A EA 201400220A EA 023968 B1 EA023968 B1 EA 023968B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- combustion chamber
- cylinder
- main combustion
- fuel
- ignition
- Prior art date
Links
Landscapes
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to engine building.
Известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием и впрыском топлива непосредственно в цилиндр, имеющий камеру сгорания, сформированную в форме углубления на верхней поверхности поршня, топливовпрыскивающую форсунку непосредственного впрыска в цилиндр, которая впрыскивает топливную струю в отмеченную камеру сгорания в течение хода сжатия поршня, свечу зажигания и средства образования вихревого потока впускаемого в камеру сгорания воздуха, конфигурацию стенок отмеченной камеры сгорания, включающую участки с различными формами стенок, направляющие распыленную струю топлива по направлению к свече зажигания [1] - аналог.Known internal combustion engine with spark ignition and fuel injection directly into the cylinder, having a combustion chamber formed in the form of a recess on the upper surface of the piston, fuel injection nozzle direct injection into the cylinder, which injects a fuel stream into the marked combustion chamber during the compression stroke of the piston, spark plug and means for generating a vortex flow of air introduced into the combustion chamber, the wall configuration of the marked combustion chamber, including sections with different ormami walls directing atomized fuel jet towards the spark plug [1] - analogue.
Недостаток этого двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и впрыском топлива непосредственно в цилиндр заключается в следующем. В результате неразделенности камеры сгорания и направления топливной струи к свече зажигания только за счет направленности потока воздуха, поступающего из впускного канала, направляемого формой впускного канала и стенок камеры сгорания в поршне (т.е. только с помощью газодинамических средств), а также значительного расстояния между впрыскивающим отверстием форсунки и электродами свечи зажигания, невозможно в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя, т.е. в широком диапазоне изменений количества и скорости поступающего в цилиндр воздуха, а также изменений цикловой дозы впрыскиваемого топлива, поддерживать состав топливовоздушной смеси в зоне электродов свечи зажигания в легковоспламеняемых пределах (со значением коэффициента избытка воздуха в пределах α=0,8-1,0). Тем самым очень трудно обеспечить надежное воспламенение рабочего заряда в широком диапазоне общего по объему камеры сгорания состава топливовоздушной смеси. Кроме того, в силу неразделенности камеры сгорания, при воспламенении рабочего заряда в зоне электродов свечи зажигания, являющейся точечным источником зажигания, в камере сгорания отсутствует направленная струя пламени, воспламеняющая оставшуюся часть рабочего заряда и интенсифицирующая турбулентность сгорания, что не улучшает условия воспламенения и сгорания смеси с бедным составом. В результате, не на всех скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя происходит надежное воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания, что, как следствие, на некоторых режимах работы, на которых используется глубоко расслоенная топливовоздушная смесь с обедненными зонами в камере сгорания, приводит к ухудшению стабильности работы двигателя, понижению топливной экономичности, уменьшению мощности и повышению количества токсичных продуктов неполного сгорания в отработавших газах двигателя.The disadvantage of this internal combustion engine with spark ignition and fuel injection directly into the cylinder is as follows. As a result of the inseparability of the combustion chamber and the direction of the fuel jet to the spark plug only due to the directivity of the air flow coming from the inlet channel guided by the shape of the inlet channel and the walls of the combustion chamber in the piston (i.e. only by gas-dynamic means), as well as a considerable distance between the injection hole of the nozzle and the electrodes of the spark plug, it is impossible in a wide range of speed and load conditions of the engine, i.e. in a wide range of changes in the quantity and speed of air entering the cylinder, as well as changes in the cyclic dose of injected fuel, maintain the composition of the air-fuel mixture in the area of the electrodes of the spark plug in flammable ranges (with the value of the coefficient of excess air in the range of α = 0.8-1.0) . Thus, it is very difficult to ensure reliable ignition of the working charge in a wide range of the total composition of the air-fuel mixture by the volume of the combustion chamber. In addition, due to the indivisibility of the combustion chamber, when the working charge is ignited in the area of the electrodes of the spark plug, which is a point source of ignition, the directional flame stream is absent in the combustion chamber, igniting the remaining part of the working charge and intensifying the combustion turbulence, which does not improve the conditions of ignition and combustion of the mixture with poor composition. As a result, not at all high-speed and load operating modes of the engine, reliable ignition and combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber occurs, which, as a result, in some operating modes that use a deeply stratified air-fuel mixture with depleted zones in the combustion chamber, leads to deterioration engine stability, lower fuel economy, reduced power and increased amount of toxic products of incomplete combustion in the exhaust gases of the engine.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому форкамерному двигателю с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием является двигатель с высокой степенью сжатия, искровым зажиганием, с дроссельным регулированием, с принудительным зажиганием и с впрыском топлива непосредственно в форкамеру [2], прототип - имеющий высокую геометрическую степень сжатия, дроссельное регулирование количества воздуха, поступающего в цилиндр, принудительное зажигание и непосредственный впрыск топлива в форкамеру, которая соединена с основной камерой сгорания с помощью соединительного канала.The closest in technical essence to the proposed prechamber engine with direct fuel injection into the cylinder and positive ignition is an engine with a high compression ratio, spark ignition, throttle control, positive ignition and fuel injection directly into the prechamber [2], the prototype is having a high geometric compression ratio, throttle control of the amount of air entering the cylinder, forced ignition and direct injection of fuel into the prechamber, which Paradise is connected to the main combustion chamber using a connecting channel.
Недостатки этого двигателя с высокой степенью сжатия, искровым зажиганием, с дроссельным регулированием, с принудительным зажиганием и с впрыском топлива непосредственно в форкамеру заключаются в том, что в результате впрыска всей цикловой дозы топлива в основную камеру сгорания через форкамеру, на режимах частичных и малых нагрузок двигателя, когда в основной камере сгорания требуется расслоенная топливовоздушная смесь с бедным составом (со значением коэффициента избытка воздуха значительно выше единицы), а в форкамере - смесь с легковоспламеняемым составом, со значением коэффициента избытка воздуха в пределах α=0,8-1,0, невозможно отдельно регулировать состав смеси в основной камере сгорания и в форкамере и поддерживать их в разных значениях. Кроме того, в конструктивном исполнении прототипа с размещением форкамеры отдельно от впускного клапана, в головке цилиндра, в результате сообщения форкамеры с основной частью камеры сгорания с помощью одного соединительного канала, форкамера является непродуваемой, в результате чего ухудшаются условия очищения объема форкамеры от остаточных газов предыдущего рабочего цикла и заполнение свежим воздухом, что, в свою очередь, ухудшает условия воспламенения и сгорания рабочего заряда в форкамере, а также стабильность процесса сгорания от цикла к циклу. При истечении струи распыленного топлива из объема форкамеры через единственный канал, соединяющий объем форкамеры с основной камерой сгорания, в результате эжектирующего действия струи топлива давление в объеме форкамеры будет понижаться ниже давления в основной камере сгорания, что будет оказывать затормаживающее действие на струю топлива, особенно на конечную часть впрыснутой струи. В результате этого нерегулируемого процесса значительная и трудно контролируемая часть впрыснутого топлива будет оставаться в объеме форкамеры, чрезмерно обогащая состав форкамерной смеси и даже смачивая контакты свечи зажигания, особенно на режимах больших нагрузок.The disadvantages of this engine with a high compression ratio, spark ignition, throttle control, positive ignition and fuel injection directly into the pre-chamber are that as a result of the injection of the entire cyclic dose of fuel into the main combustion chamber through the pre-chamber, at partial and low load modes engine, when a layered air-fuel mixture with a poor composition is required in the main combustion chamber (with a coefficient of excess air much higher than unity), and in the prechamber, a mixture with flammable composition, with a coefficient of excess air in the range of α = 0.8-1.0, it is impossible to separately control the composition of the mixture in the main combustion chamber and in the prechamber and maintain them in different values. In addition, in the design of the prototype with the placement of the prechamber separately from the inlet valve, in the cylinder head, as a result of the prechamber communicating with the main part of the combustion chamber using one connecting channel, the prechamber is not blown, as a result of which the conditions for cleaning the prechamber volume from the residual gases of the previous duty cycle and filling with fresh air, which, in turn, worsens the conditions of ignition and combustion of the working charge in the prechamber, as well as the stability of the combustion process t cycle to cycle. When the sprayed fuel stream flows out of the prechamber volume through a single channel connecting the prechamber volume to the main combustion chamber, as a result of the fuel jet ejection, the pressure in the prechamber volume will decrease below the pressure in the main combustion chamber, which will have a braking effect on the fuel jet, the final part of the injected jet. As a result of this unregulated process, a significant and difficult to control part of the injected fuel will remain in the volume of the prechamber, over-enriching the composition of the prechamber mixture and even wetting the contacts of the spark plug, especially at high load conditions.
В конструктивном исполнении прототипа с размещением форкамеры между впускным клапаном и основной камерой сгорания форкамера является продуваемой, и исключаются вышеотмеченные недостатки, связанные с непродуваемой конструкцией форкамеры. Но в этом конструктивном исполнении се- 1 023968 чение канала, соединяющего объем форкамеры с объемом основной камеры сгорания для пропускания всего количества воздуха, поступающего на такте впуска из впускного клапана в цилиндр, увеличено и превращено в горловину, отделяющую объем форкамеры от объема основной камеры сгорания периферийным выступом. В результате этого форкамера потеряла свою обособленность и, по существу, превратилась в углубление в периферии основной камеры сгорания под впускным клапаном, в результате чего утрачивается также и эффект от применения форкамерного зажигания - воспламенение внутрицилиндровой топливовоздушной смеси с бедным составом и/или с расслоением с помощью мощной струи форкамерного факела, образованной сгоранием форкамерного заряда с легковоспламеняемым составом (с требуемым значением коэффициента избытка воздуха в пределах α=0,8-1,0, независимо от состава и степени расслоенности топливовоздушной смеси в основной камере сгорания).In the design of the prototype with the placement of the prechamber between the inlet valve and the main combustion chamber, the prechamber is purged, and the aforementioned disadvantages associated with the non-purged prechamber are eliminated. But in this design, the section of the channel connecting the volume of the prechamber to the volume of the main combustion chamber to pass the entire amount of air entering the intake valve from the inlet valve into the cylinder is increased and turned into a neck that separates the volume of the prechamber from the volume of the main combustion chamber peripheral protrusion. As a result of this, the prechamber lost its isolation and, in essence, turned into a recess in the periphery of the main combustion chamber under the inlet valve, as a result of which the effect of the use of a prechamber ignition is also lost - ignition of an in-cylinder fuel-air mixture with a poor composition and / or separation by a powerful jet of a prechamber torch formed by the combustion of a prechamber charge with a flammable composition (with the required value of the coefficient of excess air in the range α = 0.8-1.0, regardless on the composition and degree of delamination of the air-fuel mixture in the main combustion chamber).
Кроме того, с целью повышения топливной экономичности двигателя на режимах частичных нагрузок степень сжатия двигателя-прототипа чрезмерно увеличена до значений от ε=15 до ε=25 (при известном оптимальном значении степени сжатия, находящегося в пределах ε=12-13). Но это, для предотвращения самопроизвольного воспламенения и детонационного сгорания, потребовало работы двигателя на режиме полной нагрузки с не полностью открытой дроссельной заслонкой, с ограничением количества поступающего в цилиндр воздуха, а следовательно, и мощности двигателя. Поэтому высокие пиковые значения крутящего момента и мощности тем самым изначально приносятся в жертву [2]. При этом даже повышение степени сжатия прототипа до ε=25 не может компенсировать понижение мощности за счет ограничения количества поступающего в цилиндр воздуха. Вместе с тем, работа двигателя на режиме полной мощности даже без детонационного сгорания, при столь высокой степени сжатия будет недопустимо жесткой для двигателя с искровым зажиганием, что отрицательно повлияет на срок службы деталей двигателя. Кроме того, повышение степени сжатия двигателя выше оптимальных значений приводит к уменьшению термического КПД рабочего цикла в результате увеличения работы, затрачиваемой на процесс сжатия газов в цилиндре, на режиме полной мощности и, как следствие, к уменьшению топливной экономичности двигателя прототипа на этом режиме.In addition, in order to increase the fuel economy of the engine under partial load conditions, the compression ratio of the prototype engine is excessively increased to values from ε = 15 to ε = 25 (with a known optimal value of the compression ratio in the range ε = 12-13). But this, in order to prevent spontaneous ignition and detonation combustion, required the engine to operate at full load with an incompletely throttle valve, with a limitation of the amount of air entering the cylinder and, consequently, engine power. Therefore, high peak values of torque and power are thereby initially sacrificed [2]. Moreover, even an increase in the compression ratio of the prototype to ε = 25 cannot compensate for the decrease in power by limiting the amount of air entering the cylinder. At the same time, operation of the engine at full power even without detonation combustion, at such a high compression ratio, will be unacceptably stiff for a spark ignition engine, which will negatively affect the service life of engine parts. In addition, increasing the compression ratio of the engine above optimal values leads to a decrease in the thermal efficiency of the duty cycle as a result of an increase in the work spent on the process of compressing gases in the cylinder at full power and, as a consequence, to a decrease in the fuel economy of the prototype engine in this mode.
Недостатком прототипа является также и то, что основную камеру сгорания двигателя составляет верхняя часть объема цилиндра, остающаяся выше днища поршня при нахождении поршня в верхней мертвой точке, т.е. верхняя часть объема цилиндра одновременно является объемом камеры сгорания объем цилиндра и объем камеры сгорания составляют единое целое. В результате этого отсутствует вытеснительная поверхность днища поршня, создающая поток газовой среды, направленный из периферии к центральной оси цилиндра в конце такта сжатия, интенсифицирующий турбулентность заряда и повышающий эффективность процесса сгорания.The disadvantage of the prototype is also that the main combustion chamber of the engine is the upper part of the volume of the cylinder, remaining above the piston bottom while the piston is at top dead center, i.e. the upper part of the volume of the cylinder is simultaneously the volume of the combustion chamber, the volume of the cylinder and the volume of the combustion chamber are a single unit. As a result of this, there is no displacing surface of the piston bottom creating a gas flow directed from the periphery to the central axis of the cylinder at the end of the compression stroke, intensifying charge turbulence and increasing the efficiency of the combustion process.
Задачей изобретения является повышение удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижение количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах.The objective of the invention is to increase the specific power and fuel efficiency of the engine, as well as reducing the amount of toxic combustion products in the exhaust gases.
Задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием форкамера дополнительно соединена с объемом цилиндра с помощью запального канала, выходящего в объем цилиндра у стенки цилиндра, в области над вытеснительной поверхностью днища поршня и имеющего конусообразное расширение у выходного сечения в объем цилиндра.The objective of the invention is solved in that in a prechamber engine with direct fuel injection into the cylinder and forced ignition, the prechamber is additionally connected to the cylinder volume by means of an ignition channel extending into the cylinder volume at the cylinder wall, in the region above the displacement surface of the piston bottom and having a cone-shaped extension at the exit section into the cylinder volume.
Кроме того, задача изобретения решена тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием распыливающее отверстие топливовпрыскивающей форсунки размещено в объеме цилиндра у выходного сечения запального канала с направлением оси распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси; основной камеры сгорания, а радиус окружности равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, выполненной в виде тела вращения в виде углубления в поршне, при этом топливовпрыскивающая форсунка выполнена с возможностью истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия в основную камеру сгорания в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.In addition, the objective of the invention is solved in that in a prechamber engine with direct injection of fuel into the cylinder and forced ignition, the spray hole of the fuel injection nozzle is placed in the cylinder volume at the exit section of the ignition channel with the axis of the spray hole in the main combustion chamber tangentially to the circle, the center of which located on the central axis; the main combustion chamber, and the radius of the circle is equal to 2/3 of the radius of curvature of the side wall of the main combustion chamber, made in the form of a body of revolution in the form of a recess in the piston, while the fuel-injecting nozzle is configured to expire a spray of sprayed fuel from the spray hole into the main combustion chamber in the direction opposite to the direction of rotation of the air flow coming from the inlet.
Задача изобретения решена также тем, что в форкамерном двигателе с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием ось соединительного канала направлена в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус окружности равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, с возможностью истечения струи газов через соединительный канал из форкамеры в основную камеру сгорания в направлении вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала.The objective of the invention is also solved by the fact that in a prechamber engine with direct fuel injection into the cylinder and forced ignition, the axis of the connecting channel is directed to the main combustion chamber tangentially to a circle, the center of which is on the central axis of the main combustion chamber, and the radius of the circle is 2/3 of the radius rounding the side wall of the main combustion chamber, with the possibility of a stream of gases flowing through the connecting channel from the prechamber to the main combustion chamber in the direction of rotation of the air stream, coming from the inlet.
В заявляемом устройстве в результате соединения форкамеры дополнительно с объемом цилиндра с помощью запального канала, форкамера является продуваемой, в результате чего улучшаются условия очищения объема форкамеры от остаточных газов предыдущего рабочего цикла и заполнения свежим воздухом. Так, на такте впуска, когда через открытый впускной клапан из впускного канала в цилиндр поступает свежий воздух, в результате размещения выходного сечения запального канала в области над вытеснительной поверхностью днища поршня, где при всасывающем движении поршня местное значение относительного расширения объема больше, чем над основной камерой сгорания и, как результат,In the inventive device, as a result of connecting the prechamber additionally to the cylinder volume using the ignition channel, the prechamber is blown, which improves the conditions for cleaning the prechamber volume from residual gases of the previous working cycle and filling it with fresh air. So, at the intake stroke, when fresh air enters the cylinder through the open intake valve from the intake channel, as a result of placing the output section of the ignition channel in the area above the displacing surface of the piston bottom, where the local value of the relative expansion of the volume is larger than the main combustion chamber and, as a result,
- 2 023968 местное значение давления газов ниже, чем в основной камере сгорания и в цилиндре, остаточные газы отсасываются через запальный канал из объема форкамеры в область объема цилиндра над вытеснительной поверхностью, а вместо них через соединительный канал из объема цилиндра поступает часть входящего из впускного клапана свежего воздуха. Таким способом на такте впуска производится продувка и заполнение объема форкамеры свежим воздухом, с одновременным очищением ее от остаточных газов- 2 023968 the local value of the gas pressure is lower than in the main combustion chamber and in the cylinder, the residual gases are sucked out through the ignition channel from the volume of the prechamber into the region of the cylinder volume above the displacing surface, and instead of them, a part of the inlet valve enters from the cylinder volume through the connecting channel fresh air. In this way, at the intake stroke, the chamber is purged and filled with fresh air, while at the same time it is cleaned of residual gases
В результате размещения распыливающего отверстия топливовпрыскивающей форсунки в объеме цилиндра предотвращается впрыск всей цикловой дозы топлива через форкамеру, тем самым, исключаются попадание не контролируемого и большого количества топлива в сравнительно малый объем форкамеры и неконтролируемый процесс формирования состава форкамерной топливовоздушной смеси. В результате размещения распыливающего отверстия топливовпрыскивающей форсунки у выходного сечения запального канала, часть второй - запальной дозы топлива, впрыскиваемой к концу такта сжатия и находящейся у выходного сечения запального канала, под действием поступательного движения и вталкивающего действия поршня вместе с воздушной средой заносится в объем форкамеры. В результате наличия конусообразного расширения у выходного сечения запального канала в объем цилиндра, запальный канал захватывает больший объем струи топлива, кроме того, вход части топливной струи вместе с воздушной средой в запальный канал становится более упорядоченным и контролируемым. Изменением количества и момента впрыска второй - запальной дозы топлива становится возможным формирование требуемого состава форкамерной топливовоздушной смеси и поддержание его значения в требуемых - легко воспламеняемых пределах с высокой точностью на всех рабочих режимах двигателя независимо от количества и момента впрыска первой - основной дозы топлива.As a result of placing the spraying hole of the fuel injection nozzle in the cylinder volume, the injection of the entire cyclic dose of fuel through the prechamber is prevented, thereby preventing the uncontrolled and large amounts of fuel from entering the relatively small volume of the prechamber and the uncontrolled process of forming the composition of the prechamber air-fuel mixture. As a result of placing the spraying hole of the fuel-injecting nozzle at the exit section of the ignition channel, part of the second is the ignition dose of fuel injected towards the end of the compression stroke and located at the exit section of the ignition channel, under the influence of translational motion and pushing action of the piston, together with the air, it is introduced into the chamber volume. As a result of the presence of a cone-shaped expansion at the exit section of the ignition channel into the cylinder volume, the ignition channel captures a larger volume of the fuel jet, in addition, the entry of a part of the fuel stream together with the air into the ignition channel becomes more ordered and controlled. By changing the amount and moment of injection of the second - ignition dose of fuel, it becomes possible to form the required composition of the pre-chamber air-fuel mixture and maintain its value in the required - easily flammable limits with high accuracy at all engine operating modes, regardless of the number and moment of injection of the first - main dose of fuel.
В результате направления оси распыливающего отверстия топливовпрыскивающей форсунки в основную камеру сгорания, по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, выполненной в виде тела вращения в виде углубления в поршне, выполнения топливовпрыскивающей форсунки с возможностью истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия в основную камеру сгорания в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала, частицы распыленного топлива попадают в воздушный поток, движущийся навстречу впрыскиваемому топливу, что интенсифицирует испарение частиц топлива и способствует их лучшему перемешиванию с воздушной средой.As a result of the direction of the axis of the spraying hole of the fuel injection nozzle into the main combustion chamber, tangentially to the circle, the center of which is located on the central axis of the main combustion chamber, made in the form of a body of revolution in the form of a recess in the piston, the execution of the fuel-spraying nozzle with the possibility of the flow of the sprayed fuel from the spraying holes in the main combustion chamber in a direction opposite to the direction of rotation of the air flow coming from the inlet channel, particles dusted fuel enters the air stream, moving towards the injected fuel, which intensifies the evaporation of fuel particles and contributes to their better mixing with the air.
Известно, что при вращении газовой среды в объеме, имеющем форму стенок в виде тела вращения, средняя - приосевая часть газовой среды вращается по закону, близкому к закону вращения твердого тела. При этом с удалением от центра вращения по радиусу окружная скорость среды увеличивается близко к линейной зависимости - пропорционально радиусу вращения. А с приближением к стенке объема, в результате трения газовой среды о стенки, эта зависимость нарушается - окружная скорость быстро уменьшается и на поверхности стенки достигает нулевого значения (фиг. 1). Считается, что примерно на окружности с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, окружные скорости газовой среды достигают достаточно больших значений. Поэтому, в результате направления оси распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, частицы впрыснутого топлива попадают в зону достаточно больших окружных скоростей вращающегося воздушного потока, вместе с тем, оставаясь на значительном удалении от боковых стенок камеры сгорания. При этом струя частиц впрыснутого топлива и их паров уносится вращающимся воздушным потоком по дуге с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки, и растягивается по окружности с упомянутым радиусом вокруг центральной оси по основной камере сгорания, образуя кольцевую зону с обогащенным составом топливовоздушной смеси. А в результате проникновения частиц топлива и их паров за счет турбулентности газовой среды и диффузии при вращательном движении воздушного потока из упомянутой кольцевой зоны в периферийную и центральную зоны, в периферийной и центральной зонах основной камеры сгорания образуется топливовоздушная смесь с обедненным составом. Таким способом по объему основной камеры сгорания формируется расслоенная топливовоздушная смесь.It is known that during the rotation of a gaseous medium in a volume having the form of walls in the form of a body of revolution, the middle — axial part of the gaseous medium rotates according to a law close to the law of rotation of a solid. In this case, with the distance from the center of rotation along the radius, the peripheral velocity of the medium increases close to the linear dependence - in proportion to the radius of rotation. And with approaching the volume wall, as a result of the friction of the gas medium against the walls, this dependence is violated - the peripheral speed decreases rapidly and reaches a zero value on the wall surface (Fig. 1). It is believed that approximately on a circle with a radius equal to 2/3 of the radius of curvature of the side wall of the main combustion chamber, the circumferential velocities of the gaseous medium reach sufficiently large values. Therefore, as a result of the direction of the axis of the spraying hole in the main combustion chamber tangentially to a circle with a radius equal to 2/3 of the radius of curvature of the side wall of the main combustion chamber, the injected fuel particles fall into the region of sufficiently high circumferential velocities of the rotating air flow, while remaining at a considerable distance from the side walls of the combustion chamber. In this case, the jet of particles of injected fuel and their vapors is carried away by a rotating air flow along an arc with a radius equal to 2/3 of the radius of curvature of the side wall, and stretches around the circle with the said radius around the central axis along the main combustion chamber, forming an annular zone with an enriched composition of the air-fuel mixture . And as a result of the penetration of fuel particles and their vapors due to turbulence of the gaseous medium and diffusion during the rotational movement of the air flow from the said annular zone to the peripheral and central zones, a depleted air-fuel mixture is formed in the peripheral and central zones of the main combustion chamber. In this way, a layered air-fuel mixture is formed by the volume of the main combustion chamber.
В результате направления оси соединительного канала в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус окружности равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания, с возможностью истечения струи газов через соединительный канал из форкамеры в основную камеру сгорания в направлении вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала, при воспламенении форкамерной топливовоздушной смеси от искры свечи зажигания факел пламени с большой скоростью истекает из соединительного канала форкамеры в основную камеру сгорания и попадает в зону окружности основной камеры сгорания с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки камеры сгорания, где ранее образовалась кольцевая зона с обогащенным составом топливовоздушной смеси, что способствует быстрому и надежному воспламенению топливовоздушной смеси с обогащенным составом в упомянутой кольцевой зоне и дальнейшему распространению процесса сгорания в зоны с обедненным составом топливовоздушной смеси в центре и периферии камеры сгорания. А в результате совпадения направления истечения форкамерного факела с на правлением вращения воздушного потока в основной камере сгорания, истечение форкамерного факела увеличивает скорость вращения заряда и интенсифицируетAs a result of the direction of the axis of the connecting channel into the main combustion chamber tangentially to a circle whose center is on the central axis of the main combustion chamber, and the radius of the circle is 2/3 of the radius of curvature of the side wall of the main combustion chamber, with the possibility of a gas stream flowing through the connecting channel from the prechamber into the main combustion chamber in the direction of rotation of the air flow coming from the inlet channel, when the prechamber air-fuel mixture ignites from the spark of the spark plug and with great speed, the prechamber flows from the connecting channel into the main combustion chamber and enters the circumference of the main combustion chamber with a radius equal to 2/3 of the radius of curvature of the side wall of the combustion chamber, where an annular zone with an enriched composition of the air-fuel mixture was previously formed, which contributes to the rapid and reliable ignition of the air-fuel mixture with an enriched composition in said annular zone and further spreading the combustion process to zones with a lean composition of the air-fuel mixture in HTPE and the combustion chamber periphery. And as a result of the coincidence of the direction of expiration of the pre-chamber torch with the direction of rotation of the air flow in the main combustion chamber, the expiration of the pre-chamber torch increases the speed of rotation of the charge and intensifies
- 3 023968 турбулентность процесса сгорания, способствуя увеличению скорости и полноты сгорания, что в свою очередь, приводит к повышению удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижению количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах. В результате расслоенного размещения топливовоздушной смеси в основной камере сгорания в виде кольцевой зоны с обогащенным зарядом и с обедненным зарядом в центральной и периферийной зонах, а также воспламенения первоначально с помощью форкамерного факела кольцевой зоны с обогащенным зарядом, происходит сгорание топливовоздушной смеси в два этапа - на первом этапе сгорает топливовоздушная смесь с обогащенным составом в кольцевой зоне, а во втором этапе - топливовоздушная смесь с обедненным составом в центральной и периферийной зонах основной камеры сгорания. В результате такого двухэтапного сгорания расслоенного заряда значительно уменьшается образование наиболее токсичного компонента продуктов сгорания - окислов азота. А в результате размещения в периферийной - пристеночной зоне топливовоздушной смеси с обедненным составом (или чистого воздуха), уменьшается содержание в продуктах сгорания токсичных несгоревших углеводородов, которые обычно образуются в относительно холодной пристеночной зоне. В результате значительного увеличения скорости сгорания, а также двухэтапного сгорания расслоенного заряда повышается детонационная стойкость рабочего процесса, что позволяет увеличить степень сжатия двигателя по сравнению с бесфоркамерными двигателями и до вести до оптимальных значений (ε=12-13) безопасности возникновения детонационного сгорания, и тем самым, еще более увеличить мощность и топливную экономичность двигателя.- 3 023968 turbulence of the combustion process, contributing to an increase in the speed and completeness of combustion, which in turn leads to an increase in the specific power and fuel efficiency of the engine, as well as a decrease in the amount of toxic combustion products in the exhaust gases. As a result of the stratified placement of the air-fuel mixture in the main combustion chamber in the form of an annular zone with an enriched charge and a depleted charge in the central and peripheral zones, as well as ignition, initially using a prechamber torch of the annular zone with an enriched charge, the air-fuel mixture is burned in two stages: the first stage burns the air-fuel mixture with an enriched composition in the annular zone, and in the second stage - the air-fuel mixture with a depleted composition in the central and peripheral zones he primary combustion chamber. As a result of such a two-stage combustion of the stratified charge, the formation of the most toxic component of the combustion products — nitrogen oxides — is significantly reduced. And as a result of placement of a fuel-air mixture with a depleted composition (or clean air) in the peripheral - wall zone, the content of toxic unburned hydrocarbons in the combustion products, which usually form in a relatively cold wall zone, is reduced. As a result of a significant increase in the combustion rate, as well as a two-stage combustion of the stratified charge, the detonation resistance of the working process is increased, which allows to increase the compression ratio of the engine compared to frameless engines and to bring to optimum values (ε = 12-13) of the safety of detonation combustion, and thereby thereby, to further increase the power and fuel efficiency of the engine.
Отмеченное показывает, что вышеприведенные признаки относятся к существенным и влияют на достигаемый технический результат, повышение удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижение количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах, т.е. они находятся с указанным результатом в причинно-следственной связи.The aforementioned shows that the above signs are significant and affect the technical result achieved, increasing the specific power and fuel efficiency of the engine, as well as reducing the amount of toxic combustion products in exhaust gases, i.e. they are with the specified result in a causal relationship.
На фиг. 2 представлена схема заявленного форкамерного двигателя с не посредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием.In FIG. 2 is a diagram of the inventive prechamber engine with direct fuel injection into the cylinder and positive ignition.
На фиг. 3 показана схема работы заявленного двигателя в начале такта всасывания.In FIG. 3 shows a diagram of the operation of the claimed engine at the beginning of the suction stroke.
На фиг. 4 представлена схема работы заявленного двигателя в середине такта сжатия, в момент впрыска первой - основной части цикловой дозы топлива.In FIG. 4 presents a diagram of the operation of the claimed engine in the middle of the compression stroke, at the time of injection of the first - the main part of the cyclic dose of fuel.
На фиг. 5 приводится схема работы заявленного двигателя к концу хода сжатия поршня, в момент впрыска запальной дозы топлива.In FIG. 5 is a diagram of the operation of the claimed engine at the end of the compression stroke of the piston at the time of injection of the ignition dose of fuel.
На фиг. 6 показана схема работы заявленного двигателя к концу хода сжатия поршня, в момент истечения форкамерного факела из форкамеры в основную камеру сгорания.In FIG. 6 shows a diagram of the operation of the claimed engine at the end of the compression stroke of the piston, at the time of the expiration of the prechamber torch from the prechamber to the main combustion chamber.
Форкамерный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и принудительным зажиганием содержит цилиндр (1) (фиг. 2), головку (2) цилиндра, поршень (3), установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре, основную камеру сгорания (4), выполненную в виде углубления в поршне и имеющую форму тела вращения, соосную с цилиндром, форкамеру (5), соединенную с объемом (6) цилиндра с помощью соединительного канала (7) и запального канала (8), свечу зажигания (9), размещенную в форкамере, топливовпрыскивающую форсунку (10), впускной (11) и выпускной (12) клапаны, впускной (13) и выпускной (14) каналы и устройство дроссельного регулирования (15) количества воздуха, поступающего в объем цилиндра. Выходное сечение (16) запального канала выходит в объем цилиндра у стенки цилиндра, в области над вытеснительной поверхностью (17) днища (18) поршня и имеет конусообразное расширение у выходного сечения в объем цилиндра.A prechamber engine with direct fuel injection into the cylinder and forced ignition comprises a cylinder (1) (Fig. 2), a cylinder head (2), a piston (3) mounted with reciprocating motion in the cylinder, a main combustion chamber (4), made in the form of a depression in the piston and having the shape of a body of revolution, coaxial with the cylinder, a prechamber (5), connected to the cylinder volume (6) by means of a connecting channel (7) and an ignition channel (8), an spark plug (9) placed in prechamber, fuel injection nozzle (10), inlet D (11) and an outlet (12) valves, the inlet (13) and an outlet (14) channels and the throttle control device (15) of the amount of air entering the cylinder volume. The output section (16) of the ignition channel extends into the cylinder volume near the cylinder wall, in the region above the displacement surface (17) of the piston bottom (18) and has a cone-shaped expansion at the output section into the cylinder volume.
Распыливающее отверстие (19) топливовпрыскивающей форсунки размещено в объеме цилиндра у выходного сечения запального канала, с на правлением оси (20) распыливающего отверстия в основную камеру сгорания по касательной к окружности (21), центр которой находится на центральной оси (22) основной камеры сгорания, а радиус окружности равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания.The spray hole (19) of the fuel injection nozzle is located in the cylinder volume at the exit section of the ignition channel, with the direction of the axis (20) of the spray hole in the main combustion chamber tangentially to the circle (21), the center of which is on the central axis (22) of the main combustion chamber and the radius of the circle is 2/3 of the radius of curvature of the side wall (23) of the main combustion chamber.
Ось (24) соединительного канала направлена в основную камеру сгорания по касательной к окружности, центр которой находится на центральной оси основной камеры сгорания, а радиус окружности равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки основной камеры сгорания.The axis (24) of the connecting channel is directed into the main combustion chamber tangentially to a circle whose center is on the central axis of the main combustion chamber, and the radius of the circle is 2/3 of the radius of curvature of the side wall of the main combustion chamber.
Двигатель работает следующим образом. В начале такта всасывания при открытом положении впускного клапана (11) поршень (3) совершает всасывающее движение от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.) - сверху вниз, по фиг. 3. При этом в результате расширения объема (6) цилиндра (1) и, как следствие, падения давления газов в объеме цилиндра и в основной камере сгорания (4) ниже давления внешней среды - атмосферного давления, атмосферный воздух, проходя через открытое сечение устройства дроссельного регулирования (15) количества воздуха, впускной канал (13) и открытую щель впускного клапана (11), поступает в объем цилиндра. В результате обычного размещения центральной оси (25) впускного клапана (11) со смещением от центральной оси (22) цилиндра (1) и направляющего действия стенки цилиндра (1) и боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4), поступающий в цилиндр воздух приобретает вращательное движение вокруг центральной оси (22) цилиндра и основной камеры сгорания (против движения часовой стрелки на фиг. 3). Расстояние от вытесни тельной поверхности (17) днища (18) поршня (3) до нижней поверхности (26) головки (2) цилиндра (1) в начале такта всасывания (при нахождении поршня в в.м.т.) близко к нулю и значительно меньше, чем расстоя- 4 023968 ние от нижней стенки (27) основной камеры сгорания (4) в углублении поршня (3) до нижней поверхности (26) головки (2) цилиндра (1) Поэтому при всасывающем движении поршня (3) местное значение относительного расширения объема над вытеснительной поверхностью (17) днища поршня (т.е. у конусообразного расширения выходного сечения запального канала в объем цилиндра) больше, чем над основной камерой сгорания (4), и, как результат, местное значение давления газов ниже, чем в объеме цилиндра (6) над основной камерой сгорания (4). В результате этого в начале всасывающего движения поршня (3) остаточные газы, оставшиеся в форкамере (5) от предыдущего рабочего цикла, отсасываются через запальный канал (8) из объема форкамеры (5) в область над вытеснительной поверхностью (17), а вместо них через соединительный канал (7) из объема цилиндра (6) в объем форкамеры (5) входит часть поступающего из впускного клапана (11) свежего воздуха. Таким способом производится продувка и заполнение объема форкамеры (5) свежим воздухом, с одновременным очищением ее от остаточных газов.The engine operates as follows. At the beginning of the suction stroke when the intake valve (11) is open, the piston (3) makes a suction movement from top dead center (bm) to bottom dead center (bm) - from top to bottom, according to FIG. 3. In this case, as a result of the expansion of the volume (6) of the cylinder (1) and, as a result, the gas pressure in the cylinder volume and in the main combustion chamber (4) falls below the pressure of the external medium — atmospheric pressure, atmospheric air passing through the open section of the device throttle regulation (15) of the amount of air, the inlet channel (13) and the open slit of the inlet valve (11), enters the cylinder volume. As a result of the usual arrangement of the central axis (25) of the intake valve (11) with an offset from the central axis (22) of the cylinder (1) and the guiding action of the cylinder wall (1) and the side wall (23) of the main combustion chamber (4) entering the cylinder air acquires a rotational movement around the central axis (22) of the cylinder and the main combustion chamber (counterclockwise in Fig. 3). The distance from the displacing surface (17) of the piston bottom (18) (3) to the lower surface (26) of the cylinder head (2) (1) at the beginning of the suction stroke (when the piston is in the bmw) is close to zero and significantly less than the distance from the bottom wall (27) of the main combustion chamber (4) in the piston recess (3) to the bottom surface (26) of the cylinder head (2) (1) Therefore, when the piston (3) is sucked in, the local the value of the relative expansion of the volume above the displacing surface (17) of the piston bottom (i.e., at a cone-shaped expansion of the outlet cross section of the channel in the cylinder volume) is greater than above the main combustion chamber (4), and, as a result, the local value of the gas pressure is lower than in the cylinder volume (6) above the main combustion chamber (4). As a result of this, at the beginning of the suction movement of the piston (3), the residual gases remaining in the prechamber (5) from the previous working cycle are sucked out through the ignition channel (8) from the volume of the prechamber (5) to the area above the displacing surface (17), and instead through the connecting channel (7) from the cylinder volume (6), a part of the fresh air coming from the inlet valve (11) enters the volume of the prechamber (5). In this way, the volume of the prechamber (5) is purged and filled with fresh air, with simultaneous purification of it from residual gases.
Доходя до н.м.т., поршень (3) останавливается и начинает обратное, поступательное движение к в.м.т., впускной клапан (11) закрывается и начинается процесс сжатия. Давление и температура газа в объеме (6) цилиндра (1) и в основной камере сгорания (4) повышаются, а поступивший на такте впуска воздух по инерции продолжает совершать вращательное движение вокруг центральной оси (22) цилиндра. В основную камеру сгорания (4) топливовпрыскивающей форсункой (10) впрыскивается первая - основная часть цикловой дозы топлива (фиг. 4). В зависимости от режима работы двигателя момент впрыска первой части цикловой дозы топлива может изменяться от конечной фазы такта впуска до середины такта сжатия. Первая часть цикловой дозы топлива на номинальном нагрузочном режиме работы двигателя может составлять от 80 до 95% от всей цикловой дозы топлива.Reaching NMT, the piston (3) stops and starts the reverse, translational movement to VMT, the intake valve (11) closes and the compression process begins. The pressure and temperature of the gas in the volume (6) of the cylinder (1) and in the main combustion chamber (4) increase, and the air received at the intake stroke continues to rotate around the central axis (22) of the cylinder by inertia. The first - the main part of the cyclic dose of fuel is injected into the main combustion chamber (4) with a fuel-injecting nozzle (10) (Fig. 4). Depending on the engine operating mode, the moment of injection of the first part of the cyclic dose of fuel can vary from the final phase of the intake stroke to the middle of the compression stroke. The first part of the cyclic dose of fuel at the rated load operating mode of the engine can be from 80 to 95% of the total cyclic dose of fuel.
В результате направления оси (20) распыливающего отверстия (19) форсунки (10) в основную камеру сгорания (4) по касательной к окружности (21), центр которой находится на центральной оси (22) основной камеры сгорания (4), а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4), и истечения струи распыленного топлива из распыливающего отверстия (19) в основную камеру сгорания (4) в направлении, противоположном направлению вращения воздушного потока, поступающего из впускного канала (13), при впрыске первой части топлива частицы распыленного топлива попадают в воздушный поток, движущийся навстречу впрыскиваемому топливу, что интенсифицирует испарение частиц топлива и способствует их лучшему перемешиванию с воздушной средой. А в результате впрыска топлива в зону окружности (21) с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4), частицы впрыснутого топлива попадают в зону высоких окружных скоростей вращающегося воздушного потока. При этом струя (28) (фиг. 4) частиц впрыснутого топлива и их паров уносится вращающимся воздушным потоком (29) по дуге (30) с упомянутым радиусом и растягивается по окружности с упомянутым радиусом вокруг центральной оси (22) по основной камере сгорания (4), образуя кольцевую зону с обогащенным составом топливовоздушной смеси. При вращательном движении воздушного потока, в результате турбулентности газовой среды и диффузии, распыленные частицы и пары топлива проникают также в периферийную (31) (фиг. 5) и центральную (32) зоны основной камеры сгорания (4), образуя в этих зонах топливовоздушную смесь с обедненным составом. Таким образом, в разных зонах основной камеры сгорания образуется топливовоздушная смесь с различающимися составами (коэффициентами избытка воздуха) - другими словами, формируется расслоенный рабочий заряд. В зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы двигателя на разных режимах требуются различные степени расслоенности рабочего заряда - различные соотношения коэффициентов избытка воздуха в обогащенных и обедненных зонах и различные соотношения объемов обогащенных и обедненных зон. А на некоторых режимах работы двигателя может потребоваться полная гомогенизация смеси. Для достижения большей гомогенизации рабочего заряда по основной камере сгорания, первая - основная часть цикловой дозы топлива впрыскивается по возможности ранее, т.е. в конечной фазе такта впуска, которая до воспламенения в течение продолжительного времени имеет возможность полностью перемешаться с воздухом и более равномерно распределиться по объему основной камеры сгорания (4), образуя однородную топливовоздушную смесь. При позднем же впрыске первой части цикловой дозы топлива (в начале или середине такта сжатия) достигается большая расслоенность смеси по объему основной камеры сгорания. Таким образом, изменяя момент впрыска первой - основной части цикловой дозы топлива можно регулировать степень расслоенности основной части цикловой дозы топлива по основной камере сгорания, а изменением ее количества - регулировать значение среднего по объему основ ной камеры сгорания коэффициента избытка воздуха - состава рабочего заряда в зависимости от нагрузочного режима работы двигателя.As a result of the direction of the axis (20) of the spray hole (19) of the nozzle (10) into the main combustion chamber (4) tangentially to a circle (21), the center of which is located on the central axis (22) of the main combustion chamber (4), and the radius is 2/3 of the radius of curvature of the side wall (23) of the main combustion chamber (4), and the flow of sprayed fuel from the spray hole (19) into the main combustion chamber (4) in the opposite direction to the rotation direction of the air stream coming from the inlet channel (13) ), when injecting the first part of the fuel particles aspylennogo fuel fall into the air flow moving toward the injected fuel that intensifies evaporation of fuel particles and promotes their better mixing with the air medium. And as a result of fuel injection into the circle zone (21) with a radius equal to 2/3 of the radius of curvature of the side wall (23) of the main combustion chamber (4), the injected fuel particles fall into the zone of high peripheral speeds of the rotating air flow. In this case, the jet (28) (Fig. 4) of the injected fuel particles and their vapors is carried away by the rotating air stream (29) along the arc (30) with the mentioned radius and is stretched around the circle with the said radius around the central axis (22) along the main combustion chamber ( 4), forming an annular zone with an enriched composition of the air-fuel mixture. During the rotational movement of the air flow, as a result of turbulence of the gaseous medium and diffusion, the atomized particles and fuel vapors also penetrate into the peripheral (31) (Fig. 5) and central (32) zones of the main combustion chamber (4), forming an air-fuel mixture in these zones with a lean composition. Thus, in different areas of the main combustion chamber, a fuel-air mixture is formed with different compositions (excess air coefficients) - in other words, a layered working charge is formed. Depending on the load and speed conditions of the engine at different modes, different degrees of stratification of the working charge are required — different ratios of the coefficients of excess air in the enriched and depleted zones and different ratios of volumes of the enriched and depleted zones. And in some engine operating modes, complete homogenization of the mixture may be required. To achieve greater homogenization of the working charge along the main combustion chamber, the first - the main part of the cyclic dose of fuel is injected as early as possible, i.e. in the final phase of the intake stroke, which until ignition for a long time has the ability to completely mix with air and more evenly distributed throughout the volume of the main combustion chamber (4), forming a homogeneous air-fuel mixture. With late injection of the first part of the cyclic dose of fuel (at the beginning or middle of the compression stroke), a greater stratification of the mixture is achieved in terms of the volume of the main combustion chamber. Thus, by changing the injection moment of the first - main part of the cyclic dose of fuel, it is possible to control the degree of stratification of the main part of the cyclic dose of fuel in the main combustion chamber, and by changing its quantity - to regulate the value of the coefficient of excess air, the composition of the working charge, average in volume of the main combustion chamber, depending from the load mode of the engine.
К концу хода сжатия поршня, немного не доходя до в.м.т., форсункой (10) впрыскивается вторая, оставшаяся часть цикловой дозы топлива - запальная доза, на номинальном нагрузочном режиме работы двигателя составляющая от 5 до 20% от всей цикловой дозы топлива (фиг. 5). Назначением впрыска запальной дозы топлива является формирование форкамерного заряда с легковоспламеняемым составом (со значением коэффициента избытка воздуха в пределах α=0,8-1,0) на всех рабочих режимах двигателя, независимо от состава и степени расслоенности топливовоздушной смеси в основной камере сгорания (4). При впрыске второй - запальной дозы топлива поршень (3) находится вблизи в.м.т. (фиг. 5), а вытес- 5 023968 нительная поверхность (17) днища (18) поршня (3) - на небольшом расстоянии от нижней поверхности (26) головки (2) цилиндра (1) и выходного сечения (16) запального канала (8) с конусообразным расширением, куда и впрыскивается топливо. Поэтому часть запальной дозы топлива под действием поступательного движения и вталкивающего действия поршня (3) вместе с воздушной средой заносится в объем форкамеры (5), образуя в форкамере топливовоздушную смесь требуемого состава. При этом часть воздуха, находящегося в объеме форкамеры (5) выталкивается через соединительный канал (7) в объем (6) цилиндра (1) и основной камеры сгорания (4) и в результате совпадения направления его истечения с направлением вращающегося потока в основной камере сгорания (4), истечение воздуха из соединительного канала (7) увеличивает скорость вращения рабочего заряда и интенсифицирует турбулентность потока в основной камере сгорания (4).Toward the end of the piston compression stroke, slightly short of bmw, the nozzle (10) injects the second, remaining part of the cyclic dose of fuel - the ignition dose, at the rated load operating mode of the engine, from 5 to 20% of the entire cyclic dose of fuel (Fig. 5). The purpose of the injection of the ignition dose of fuel is the formation of a prechamber charge with a flammable composition (with a coefficient of excess air in the range α = 0.8-1.0) at all engine operating modes, regardless of the composition and degree of separation of the air-fuel mixture in the main combustion chamber (4 ) When injecting the second - ignition dose of fuel, the piston (3) is located near the engine. (Fig. 5), and the displacement surface (17) of the piston bottom (18) (18) (3) is at a small distance from the bottom surface (26) of the cylinder head (2) (1) and the exit section (16) of the ignition channel (8) with a cone-shaped extension, where fuel is injected. Therefore, part of the ignition dose of fuel under the influence of translational motion and the pushing action of the piston (3) together with the air is entered into the chamber volume (5), forming a fuel-air mixture of the required composition in the chamber. In this case, part of the air in the volume of the prechamber (5) is pushed through the connecting channel (7) into the volume (6) of the cylinder (1) and the main combustion chamber (4) and, as a result of the coincidence of its flow direction with the direction of the rotating flow in the main combustion chamber (4), the outflow of air from the connecting channel (7) increases the speed of rotation of the working charge and intensifies the turbulence of the flow in the main combustion chamber (4).
Изменением количества и момента впрыска запальной дозы топлива осуществляется формирование требуемого состава форкамерной топливо воз душной смеси и поддержание его значения в требуемых пределах с высокой точностью на всех рабочих режимах двигателя. При изменении количества первой основной части цикловой дозы топлива в больших пределах в зависимости от нагрузочного режима работы двигателя, количество запальной дозы изменяется незначительно. На режиме холостой работы двигателя возможна работа двигателя без впрыска первой дозы топлива, только впрыскиванием несколько увеличенной запальной дозы.By changing the quantity and moment of injection of the ignition dose of fuel, the required composition of the prechamber fuel of the air mixture is formed and its value is maintained within the required limits with high accuracy at all operating modes of the engine. When changing the amount of the first main part of the cyclic dose of fuel in large limits, depending on the load conditions of the engine, the amount of the ignition dose changes slightly. At idle engine operation, the engine can operate without injection of the first dose of fuel, only by injection of a slightly increased ignition dose.
Немногим позже после завершения впрыска запальной дозы топлива, в положении поршня (3), не доходя до в.м.т., свеча зажигания (9) подает электрическую искру и воспламеняет форкамерный заряд с легковоспламеняемым составом (фиг. 6). В результате сгорания форкамерного заряда в форкамере (5) резко поднимается температура и давление газов. За счет высокого давления газов в форкамере (5), факел пламени из объема форкамеры (5) с большой скоростью истекает через соединительный (7) и запальный (8) каналы в объемы цилиндра (6) и основной камеры сгорания (4). При этом, в положении поршня (3) вблизи в.м.т., днище (18) поршня находится непосредственно у нижней поверхности (26) головки (2) цилиндра (1) и вытеснительная поверхность (17) днища (18) поршня (3) почти перекрывает выход (16) запального канала (8) в объем цилиндра (6), создавая газодинамическое сопротивление струе газов, истекающей из запального канала (8). Поэтому большая часть форкамерного пламени устремляется в объем основной камеры сгорания (4) через соединительный канал (7).A little later, after completion of the injection of the ignition dose of fuel, in the position of the piston (3), not reaching the bmw, the spark plug (9) supplies an electric spark and ignites the prechamber charge with a flammable composition (Fig. 6). As a result of the combustion of the prechamber charge in the prechamber (5), the temperature and pressure of the gases rises sharply. Due to the high gas pressure in the prechamber (5), the flame from the volume of the prechamber (5) flows out at a high speed through the connecting (7) and pilot (8) channels into the volumes of the cylinder (6) and the main combustion chamber (4). Moreover, in the position of the piston (3) near the bmw, the piston bottom (18) is located directly at the lower surface (26) of the cylinder head (2) (1) and the displacement surface (17) of the piston crown (18) ( 3) almost blocks the exit (16) of the ignition channel (8) into the volume of the cylinder (6), creating gas-dynamic resistance to the gas stream flowing from the ignition channel (8). Therefore, most of the prechamber flame rushes into the volume of the main combustion chamber (4) through the connecting channel (7).
Форкамерный факел из выхода соединительного канала (7) истекает в зону окружности (21) основной камеры сгорания (4) с радиусом, равным 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) камеры сгорания, где ранее образовалась кольцевая зона с обогащенным составом топливовоздушной смеси, что способствует быстрому и надежному воспламенению топливовоздушной смеси в упомянутой кольцевой зоне и дальнейшему распространению процесса сгорания в зоны с обедненным составом топливовоздушной смеси в центре и периферии камеры сгорания. Мощный факел форкамерного пламени, охватывая значительно больший объем рабочего заряда по сравнению с искрой, подаваемой в камеру сгорания бесфоркамерных двигателей с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива в цилиндр, способен надежно воспламенять также и гомогенную топливовоздушную смесь с очень бедным составом (α=2,5-2,7) в основной камере сгорания. А при применении расслоенного заряда, двигатель может работать при значениях среднего по камере сгорания коэффициента избытка воздуха, равных α=4,0-4,5.The prechamber torch from the outlet of the connecting channel (7) flows into the circumference (21) of the main combustion chamber (4) with a radius equal to 2/3 of the radius of curvature of the side wall (23) of the combustion chamber, where an annular zone with an enriched composition of the air-fuel mixture was previously formed, which contributes to the rapid and reliable ignition of the air-fuel mixture in the aforementioned annular zone and the further spread of the combustion process to zones with a lean composition of the air-fuel mixture in the center and periphery of the combustion chamber. The powerful torch of the pre-chamber flame, covering a much larger volume of the working charge compared to the spark supplied to the combustion chamber of frameless engines with spark ignition and direct injection of fuel into the cylinder, is also able to reliably ignite a homogeneous air-fuel mixture with a very poor composition (α = 2.5 -2.7) in the main combustion chamber. And when using a layered charge, the engine can work at values of the average coefficient of excess air in the combustion chamber equal to α = 4.0-4.5.
В результате направления оси (24) соединительного канала (7) в основную камеру сгорания (4) по касательной к окружности (21), центр которой находится на центральной оси (22) основной камеры сгорания (4), а радиус равен 2/3 радиуса закругления боковой стенки (23) основной камеры сгорания (4) и совпадения направления истечения форкамерного факела с направлением вращения рабочего заряда в основной камере сгорания (4), истечение форкамерного факела увеличивает скорость вращения заряда в основной ка мере сгорания и интенсифицирует турбулентность процесса сгорания, способствуя увеличению скорости и полноты сгорания, что в свою очередь, приводит к повышению удельной мощности и топливной экономичности работы двигателя, а также снижению количества токсичных продуктов сгорания в выхлопных газах. В результате расслоенного размещения рабочего заряда в основной камере сгорания (4) в виде кольцевой зоны с обогащенным зарядом и с обедненным зарядом в центральной и периферийной зонах, а также воспламенения первоначально с помощью форкамерного факела кольцевой зоны с обогащенным зарядом, происходит сгорание топливовоздушной смеси в два этапа - на первом этапе сгорает топливовоздушная смесь с обогащенным составом в кольцевой зоне, а на втором этапе - топливовоздушная смесь с обедненным составом в центральной и периферийной зонах основной камеры сгорания. В результате такого двухэтапного сгорания расслоенного заряда значительно уменьшается образование наиболее токсичного компонента продуктов сгорания - окислов азота. А в результате размещения в периферийной - пристеночной зоне (31) топливовоздушной смеси с обедненным со ставом (или чистого воздуха), уменьшается содержание в продуктах сгорания токсичных несгоревших углеводородов, которые обычно образуются в относительно холодной пристеночной зоне.As a result of the direction of the axis (24) of the connecting channel (7) into the main combustion chamber (4) tangentially to a circle (21), the center of which is located on the central axis (22) of the main combustion chamber (4), and the radius is 2/3 of the radius rounding of the side wall (23) of the main combustion chamber (4) and the coincidence of the direction of flow of the prechamber torch with the direction of rotation of the working charge in the main combustion chamber (4), the expiration of the prechamber torch increases the speed of rotation of the charge in the main combustion chamber and intensifies the turbulence of the process combustion, contributing to an increase in the speed and completeness of combustion, which in turn leads to an increase in specific power and fuel efficiency of the engine, as well as a decrease in the amount of toxic combustion products in exhaust gases. As a result of the stratified placement of the working charge in the main combustion chamber (4) in the form of an annular zone with an enriched charge and a depleted charge in the central and peripheral zones, as well as ignition, initially using a prechamber torch of the annular zone with an enriched charge, the air-fuel mixture burns in two stage - at the first stage, the air-fuel mixture with an enriched composition in the annular zone burns out, and at the second stage - the air-fuel mixture with a depleted composition in the central and peripheral zones of the basics th combustor. As a result of such a two-stage combustion of the stratified charge, the formation of the most toxic component of the combustion products — nitrogen oxides — is significantly reduced. And as a result of the placement in the peripheral - wall zone (31) of the air-fuel mixture with lean composition (or clean air), the content of toxic unburned hydrocarbons in the combustion products, which are usually formed in a relatively cold wall zone, is reduced.
После воспламенения рабочего заряда в основной камере сгорания (4) поршень (3) доходит до в.м.т., останавливается и начинает возвратное движение к н.м.т., начинается процесс расширения - рабочий ход поршня. Давление газов, действуя на поверхность днища поршня, совершает полезную работу. ВAfter ignition of the working charge in the main combustion chamber (4), the piston (3) reaches bmw, stops and starts returning to bmw, the expansion process begins - the stroke of the piston. The gas pressure, acting on the surface of the piston bottom, does a useful job. IN
- 6 023968 результате процесса сгорания рабочего заряда в основной камере сгорания (4) в начале процесса расширения давление и температура газов в цилиндре достигают максимального значения. При дальнейшем расширении объема (6) цилиндра (1) процесс сгорания завершается, а в результате расширения объема цилиндра давление и температура начинают снижаться. В конце хода расширения открывается выпускной клапан (12), поршень (3) доходит до н.м.т., останавливается и начинает поступательное движение к в.м.т. - начинается процесс выхлопа. Поступательным движением поршень (3) выталкивает отработавшие газы через открытую щель выпускного клапана (12) и выпускной канал (14) в атмосферу. Рабочий цикл двигателя завершается.- 6 023968 as a result of the combustion process of the working charge in the main combustion chamber (4) at the beginning of the expansion process, the pressure and temperature of the gases in the cylinder reach a maximum value. With further expansion of the volume (6) of the cylinder (1), the combustion process is completed, and as a result of the expansion of the volume of the cylinder, pressure and temperature begin to decrease. At the end of the expansion stroke, the exhaust valve (12) opens, the piston (3) reaches NMT, stops and begins to move towards VMT. - The exhaust process begins. By translational motion, the piston (3) pushes the exhaust gases through the open slit of the exhaust valve (12) and the exhaust channel (14) into the atmosphere. Engine duty cycle ends.
Последовательные рабочие циклы двигателя периодически повторяются в том же порядке.Successive engine cycles are periodically repeated in the same order.
В результате применения непосредственного впрыска топлива в цилиндр, вращательного движения и расслоенного размещения рабочего заряда в основной камере сгорания, а также воспламенения рабочего заряда в основной камере сгорания не точечным источником зажигания в виде свечи, а объемным источником в виде мощной струи форкамерного пламени и ее турбулизирующего действия, и, как результат, существенного увеличения скорости сгорания, значительно повышается детонационная стойкость рабочего процесса, что позволяет увеличить степень сжатия двигателя до оптимальных значений (ε=1213), и тем самым, еще более увеличить мощность и топливную экономичность двигателя.As a result of direct injection of fuel into the cylinder, rotational motion and layered placement of the working charge in the main combustion chamber, as well as the ignition of the working charge in the main combustion chamber, not by a point source of ignition in the form of a candle, but by a volume source in the form of a powerful jet of a pre-chamber flame and its turbulent action, and, as a result, a significant increase in the rate of combustion, significantly increases the detonation resistance of the working process, which allows to increase the compression ratio d drive to the optimal values (ε = 1213), and thereby further increase engine power and fuel efficiency.
Литература.Literature.
1. 8рагк-1дийеб Эйес! Суйибег Рие1 1п)есОоп Епщпс. ИШей §1а1е5 Ра1сп1. Ра1сп1 Νο. 5553588. Рйеб: 1и1. 17, 1995. ЭШе оГ Ра1еп1: §ер. 10, 1996 (аналог).1. 8ragk-1dieb Eyes! Suyibeg Rie1 1p) eOop ISH §1a1e5 Ra1sp1. Pa1sp1 Νο. 5553588. Ryeb: 1i1. 17, 1995. Eshe oG Ra1ep1: §er. 10, 1996 (analog).
2. Ηφΐι Сотрге551оп §рагк-1дпП1оп Епщпе \νί11ι ТНгоШе Соп1го1. Ех1ета11у §иррПеП ТдпШоп апб Оиес! Рие1 1п|ес11оп иНо а РгесотЬиШоп СНатЬег. ИШей §1а1е5 Ра1еп1. Ра1еп1 №. и§ 7370626 В2. Рйеб: Мау 10, 2005. Эа1е оГ Раΐеиΐ: Мау 13, 2008 (прототип).2. Ηφΐι Sotrge551op §ragk-1dnP1op Enchpe \ νί11ι TngoShe Sop1go1. Ех1ета11у §иррПеП ТдпСоп Апб Оиес! Rie1 1n | es11op and BUT OUR §1a1e5 Ra1ep1. Ra1ep1 No. and § 7370626 B2. Ryeb: Mau 10, 2005. Ea1e OG Raΐeiΐ: Mau 13, 2008 (prototype).
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201400220A EA023968B1 (en) | 2013-12-17 | 2013-12-17 | Direct-injection, spark-ignition, pre-combustion chamber engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201400220A EA023968B1 (en) | 2013-12-17 | 2013-12-17 | Direct-injection, spark-ignition, pre-combustion chamber engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201400220A1 EA201400220A1 (en) | 2015-06-30 |
| EA023968B1 true EA023968B1 (en) | 2016-07-29 |
Family
ID=53488031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201400220A EA023968B1 (en) | 2013-12-17 | 2013-12-17 | Direct-injection, spark-ignition, pre-combustion chamber engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA023968B1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3799140A (en) * | 1970-07-29 | 1974-03-26 | Volkswagenwerk Ag | Cylinder arrangement for combustion engines having a pre-combustion or ante-chamber and a combustion chamber |
| FR2421275A1 (en) * | 1978-03-27 | 1979-10-26 | Honda Motor Co Ltd | PERFECTED INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
| US4250852A (en) * | 1978-10-06 | 1981-02-17 | Abulkasim Ogly Kerimov Niyazi | Fuel injection internal combustion engine with prechamber torch ignition |
| SU1438621A3 (en) * | 1981-07-23 | 1988-11-15 | Хонда Гикен Когио Кабусики Кайся | Piston internal combustion engine |
| SU1463942A1 (en) * | 1987-05-11 | 1989-03-07 | Азербайджанский политехнический институт им.Ч.Ильдрыма | Internal combustion engine |
-
2013
- 2013-12-17 EA EA201400220A patent/EA023968B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3799140A (en) * | 1970-07-29 | 1974-03-26 | Volkswagenwerk Ag | Cylinder arrangement for combustion engines having a pre-combustion or ante-chamber and a combustion chamber |
| FR2421275A1 (en) * | 1978-03-27 | 1979-10-26 | Honda Motor Co Ltd | PERFECTED INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
| US4250852A (en) * | 1978-10-06 | 1981-02-17 | Abulkasim Ogly Kerimov Niyazi | Fuel injection internal combustion engine with prechamber torch ignition |
| SU1438621A3 (en) * | 1981-07-23 | 1988-11-15 | Хонда Гикен Когио Кабусики Кайся | Piston internal combustion engine |
| SU1463942A1 (en) * | 1987-05-11 | 1989-03-07 | Азербайджанский политехнический институт им.Ч.Ильдрыма | Internal combustion engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201400220A1 (en) | 2015-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108291476B (en) | Passive precombustor direct injection combustion | |
| KR20220021441A (en) | How to inject ammonia fuel into a reciprocating engine | |
| RU2011861C1 (en) | Internal combustion engine and compression ignition internal combustion engine | |
| JP2013519834A (en) | Piston arranged to reciprocate in the combustion engine cylinder | |
| US10731544B2 (en) | Internal combustion engine and method for its operation | |
| CN105264191A (en) | Internal combustion engine | |
| US20090139485A1 (en) | Direct injection two-stroke engine | |
| US11199155B2 (en) | Piston crown for a combustion system and an associated method thereof | |
| US4077368A (en) | Four-cycle reciprocating-piston internal combustion engine | |
| US20050241612A1 (en) | Two-valve high squish flow i.c. engine | |
| CN114439600A (en) | Pre-chamber assembly | |
| US2977942A (en) | Method of operating an internal combustion engine | |
| US4126106A (en) | Mixed cycle internal combustion engine | |
| CN1082664A (en) | Internal-combustion engine | |
| US20130263813A1 (en) | Cylinder head for an internal combustion engine | |
| US5505172A (en) | Process and device for a two-stroke combustion-engine | |
| GB2108581A (en) | Fuel injection stratified charge internal combustion engine | |
| EA023968B1 (en) | Direct-injection, spark-ignition, pre-combustion chamber engine | |
| US4324211A (en) | Torch ignition apparatus and method | |
| CN103470420A (en) | Fuel injection system for diesel engines with compression ignition | |
| JPH02140429A (en) | Twin piston two-cycle engine | |
| CN106523227A (en) | Multi-point ignition combustion system with double spraying devices | |
| RU2718463C1 (en) | Internal combustion engine and control method thereof | |
| RU2416726C1 (en) | Rotary engine | |
| RU2792076C1 (en) | Method of internal combustion engine operation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM KG TJ TM |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AZ BY KZ RU |