RU2167316C2 - Multifuel internal combustion engine and method of its operation - Google Patents

Multifuel internal combustion engine and method of its operation Download PDF

Info

Publication number
RU2167316C2
RU2167316C2 RU99114069/06A RU99114069A RU2167316C2 RU 2167316 C2 RU2167316 C2 RU 2167316C2 RU 99114069/06 A RU99114069/06 A RU 99114069/06A RU 99114069 A RU99114069 A RU 99114069A RU 2167316 C2 RU2167316 C2 RU 2167316C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
chamber
combustion
nozzle
vortex chamber
Prior art date
Application number
RU99114069/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99114069A (en
Inventor
Д.М. Вохмин
Д.Г. Маланичев
Original Assignee
Вохмин Дмитрий Михайлович
Маланичев Дмитрий Генадьевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вохмин Дмитрий Михайлович, Маланичев Дмитрий Генадьевич filed Critical Вохмин Дмитрий Михайлович
Priority to RU99114069/06A priority Critical patent/RU2167316C2/en
Publication of RU99114069A publication Critical patent/RU99114069A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2167316C2 publication Critical patent/RU2167316C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: proposed method of operation includes air intake into cylinder, compression of air with partial bypass into swirl chamber, injection of fuel in process of compression into connecting channel with transfer of part of fuel into swirl chamber and formation of fuel-air mixture in swirl chamber, ignition of fuel-air mixture by glow plug, ejection of burning gases from swirl chamber into main space of combustion chamber, expansion of combustion products and discharge of exhaust gases. Fuel is injected into widened space of connecting channel towards flowing air. Swirl chamber has heating insert and glow plug. Connecting channel, nozzle and swirl chamber are arranged at angle to piston which is provided with wedge combustion chamber with turbolator. EFFECT: reduced consumption of fuel and toxicity of exhaust gases. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, т.е. к классу многотопливных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) двухкамерного исполнения с электроискровым способом воспламенения форкамерного заряда. The invention relates to mechanical engineering, i.e. to the class of multi-fuel internal combustion engines (ICE) of a two-chamber design with an electric spark method of ignition of a pre-chamber charge.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано как в ДВС автотракторного типа, так и больших размерностей, например тепловозной, морской в стационарном и транспортном исполнении, а также в поршневой авиации. The present invention can be implemented both in the internal combustion engine of a tractor type, and in large dimensions, for example, diesel, marine in stationary and transport performance, as well as in piston aviation.

Широко известны способы смесеобразования, основанные на использовании энергии перетока при сжатии-смесеобразовании и расширении-сгорании. Widely known methods of mixing, based on the use of energy flow during compression-mixing and expansion-combustion.

Наиболее близким техническим решением является изобретение SU 1810593 A1, 23.04.1993, F 02 В 19/10. Сущность которого: топливо впрыскивается в уширительную полость соединительного канала, причем в форкамеру перепускаемым воздухом переносят мелкодисперсную часть струи топлива, а крупнодисперсную часть струи осаждают на стенках уширительной полости в виде пленки, которую испаряют выбрасываемыми из форкамеры горящими газами. The closest technical solution is the invention SU 1810593 A1, 04/23/1993, F 02 B 19/10. The essence of which: fuel is injected into the broadening cavity of the connecting channel, moreover, the finely dispersed part of the fuel jet is transferred to the pre-chamber by the bypassed air, and the coarse part of the jet is deposited on the walls of the broadening cavity in the form of a film that is evaporated by burning gases ejected from the pre-chamber.

Недостаток прототипа заключается в том, что он не обеспечивает эффективную работу на различных скоростных режимах с одинаково высокими показателями по экономичности, мощностным и экологическим показателям. The disadvantage of the prototype is that it does not provide efficient operation at various speed modes with equally high rates in terms of efficiency, power and environmental performance.

Это объясняется тем, что отсутствует стабильность воспламенения в предкамере из-за различных условий распыливания топлива, в зависимости от скоростного режима двигателя. This is due to the fact that there is no stability of ignition in the pre-chamber due to different conditions of atomization of the fuel, depending on the speed of the engine.

Распыливание топлива при определенно-заданном значении давления впрыска форсунки регламентируется динамикой топливоподачи, т.е. законом подачи или профилем кулачка топливного насоса высокого давления, поэтому количество топлива, впрыскиваемого форсункой в начальный период топливоподачи 10 - 12o п.к.в., остается постоянным вне зависимости от скоростного режима двигателя. Вследствие преобладающего влияния пневматической составляющей в процессе распыливания топлива следует отметить, что при изменении скоростного режима двигателя с 800 до 2000 мин-1 произойдет изменение скорости перетекания смеси из основного объема в дополнительный с 98 до 247 м/с, что сопоставимо с изменением давления впрыска с 8 до 45 МН и вызовет резкое увеличение мелкости распыла.Spraying fuel at a specific set value of the injection pressure of the nozzle is regulated by the dynamics of fuel supply, i.e. the law of supply or the cam profile of the high-pressure fuel pump, so the amount of fuel injected by the nozzle during the initial fuel supply period of 10 - 12 o p.p. remains constant regardless of the speed of the engine. Due to the prevailing influence of the pneumatic component in the process of fuel atomization, it should be noted that when the engine speed is changed from 800 to 2000 min -1 , the mixture will flow from the main volume to the additional one from 98 to 247 m / s, which is comparable with the injection pressure 8 to 45 MN and will cause a sharp increase in fineness of spray.

Также следует отметить, что стенки уширительной полости (прогретого двигателя) имеет примерно ту же температуру, что и заряд, поэтому, когда фронт топливного факела достигает стенки, вся неиспарившаяся часть топлива действительно оседает и нагревается на ней. При оседании топлива на стенке образуется тонкая пленка, которая быстро прогревается от металлической стенки, так как коэффициент теплоотдачи от металла к топливной пленке очень велик и во много раз превосходит коэффициент теплоотдачи от воздуха к каплям топлива, на нагрев и испарение которых затрачивается не более 10 кал. Поэтому временем прогрева и испарения топлива на стенке практически можно пренебречь; это время неизмеримо меньше движения факела к стенке и не превосходит 0,1 мс. It should also be noted that the walls of the broadening cavity (heated engine) have approximately the same temperature as the charge, therefore, when the front of the fuel plume reaches the wall, the entire unevaporated part of the fuel actually settles and heats up on it. When fuel settles on the wall, a thin film is formed, which quickly warms up from the metal wall, since the heat transfer coefficient from metal to the fuel film is very large and many times exceeds the heat transfer coefficient from air to fuel droplets, the heating and evaporation of which takes no more than 10 cal . Therefore, the time of heating and evaporation of fuel on the wall can almost be neglected; this time is immeasurably less than the movement of the torch toward the wall and does not exceed 0.1 ms.

Эти факторы подвергают сомнению возможность существования пленки топлива в условиях соединительного канала продолжительное время и проливают свет на причины неустойчивого воспламенения топлива в форкамере. These factors question the possibility of the existence of a fuel film in the conditions of the connecting channel for a long time and shed light on the causes of unstable ignition of the fuel in the prechamber.

Различия в мелкости распыливания и отсутствие организованного движения топливовоздушной смеси в форкамере приводят к возникновению локальных очагов переобогащения ввиду неопределенности траектории движения капель топлива (независимо от их дисперсности), в том числе и возле электродов свечи зажигания. Differences in fineness of atomization and the lack of organized movement of the air-fuel mixture in the prechamber lead to the appearance of local centers of re-enrichment due to the uncertain trajectory of the droplets of fuel (regardless of their dispersion), including near the spark plug electrodes.

Плоское сопло не обеспечивает всережимного поддержания динамики тепловыделения в заданных пределах, т.е. повышения давления продуктов сгорания в форкамере и ее проточной части и является пассивным элементом, выполняющим свою функцию лишь на определенных, с точки зрения повышения давления продуктов сгорания в форкамере, режимах, что приводит к малоэффективности работы вытеснителя. A flat nozzle does not provide all-mode maintenance of the dynamics of heat generation within specified limits, i.e. increasing the pressure of the combustion products in the prechamber and its flow part is a passive element that performs its function only in certain modes, from the point of view of increasing the pressure of the combustion products in the prechamber, which leads to inefficiency of the displacer.

Задача изобретения - повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. The objective of the invention is to increase fuel efficiency and reduce exhaust emissions.

Решение поставленной задачи заключается в том, что топливо впрыскивается в расширенную полость соединительного канала навстречу перепускаемому воздуху с целью получения однородной дисперсности в процессе сгорания при обратном перетоке горячих газов из вихрекамеры, расширенная полость выполняет роль термоэнергетического аккумулятора, уменьшая тепловые потери и увеличивая скорость пламени в локальном участке поступления топлива конечной части впрыска, чем благоприятно влияет на поддержание динамики процесса сгорания. The solution to this problem lies in the fact that fuel is injected into the expanded cavity of the connecting channel towards the bypassed air in order to obtain uniform dispersion during combustion during the backflow of hot gases from the vortex chamber, the expanded cavity acts as a thermoenergy battery, reducing heat losses and increasing the flame velocity in the local plot of fuel intake of the final part of the injection, which favorably affects the maintenance of the dynamics of the combustion process.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), поперечный разрез; на фиг. 2 - вид камеры сгорания (в поршне) с турбулизатором, а также проекция сопла дополнительной камеры на плоскость поршня. In FIG. 1 shows the proposed internal combustion engine (ICE), a cross section; in FIG. 2 is a view of a combustion chamber (in a piston) with a turbulator, and also a projection of an additional chamber nozzle onto the piston plane.

Двигатель включает цилиндр 1, поршень 2 с кольцами, а также размещенную в нем основную полость камеры сгорания 3 с турбулизатором 4, цилиндровую головку 5 с размещенной в ней дополнительной вихрекамерой 6, которая сообщается с основной полостью камеры сгорания в поршне посредством составленного из ряда конструктивных элементов соединительного канала. Составной соединительный канал включает в себя размещенные на общей продольной оси, т.е. соосно последовательно, три участка канала разного поперечного сечения, т.е. двух меньших 7 и 8, первый сопряжен с выходным соплом 9, выполненным в форме сопла Лаваля, последний примыкает к вихрекамере. Между этими участками находится участок большего поперечного сечения 10. Распылитель 11 форсунки 12 расположен перпендикулярно участку большего поперечного сечения. The engine includes a cylinder 1, a piston 2 with rings, and also the main cavity of the combustion chamber 3 with turbulator 4 located therein, a cylinder head 5 with an additional vortex chamber 6 located in it, which communicates with the main cavity of the combustion chamber in the piston by means of a number of structural elements connecting channel. The composite connecting channel includes those placed on a common longitudinal axis, i.e. coaxially sequentially, three sections of the channel of different cross sections, i.e. two smaller 7 and 8, the first is paired with the output nozzle 9, made in the form of a Laval nozzle, the latter is adjacent to the vortex chamber. Between these sections is a section of a larger cross section 10. The atomizer 11 of the nozzle 12 is perpendicular to the section of a larger cross section.

В вихрекамере 6 установлены электроискровая свеча зажигания 13, калильная свеча 14, нижняя и противоположная соединительному каналу часть вихрекамеры снабжена термоизоляционной (утеплительной) вставкой 15. В цилиндровой головке установлены впускной 16 и выпускной клапаны. In the vortex chamber 6, an electric spark plug 13, a glow plug 14, and the lower and opposite part of the vortex chamber are equipped with a heat-insulating (insulating) insert 15. An inlet 16 and an outlet valve are installed in the cylinder head.

Работает двигатель следующим образом. The engine operates as follows.

При перемещении поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) на такте впуска в цилиндр двигателя через открытый впускной клапан 16 за счет образующегося разрежения поступает свежий заряд (атмосферный воздух), заполняя надпоршневое пространство, а также основную полость камеры сгорания 3. Окончание такта впуска регламентируется, как обычно, фазой наполнения. В конце этой фазы впускной клапан 16 закрывается. При дальнейшем перемещении поршня 2 от НМТ к ВМТ и закрытых клапанах в цилиндре 1 начинается такт сжатия. В основной полости камеры сгорания 3 возникает вытеснительное вихреобразование, как это показано на фиг. 1. Одновременно с этим последовательно через составной соединительный канал, включающий сопловой канал 9, каналы меньшего 7,8 и большего 10 поперечного сечение, под воздействием межкамерного перепада давлений происходит переток части цилиндрового заряда из основной 3 в вихрекамеру основной полости камеры сгорания. When the piston 2 moves from the top dead center (TDC) to the bottom dead center (BDC) at the intake stroke, the engine cylinder through the open intake valve 16 receives fresh charge (atmospheric air) due to the resulting vacuum, filling the over-piston space, as well as the main chamber cavity combustion 3. The end of the intake stroke is regulated, as usual, by the filling phase. At the end of this phase, the intake valve 16 closes. With further movement of the piston 2 from BDC to TDC and closed valves in cylinder 1, the compression stroke begins. In the main cavity of the combustion chamber 3, displacement vortex formation occurs, as shown in FIG. 1. At the same time, sequentially through a composite connecting channel, including the nozzle channel 9, channels of a smaller cross section of 7.8 and greater than 10, under the influence of an interchamber pressure drop, part of the cylinder charge flows from the main 3 into the vortex chamber of the main cavity of the combustion chamber.

Вблизи ВМТ, т. е. в фазе топливоподачи, посредством топливного насоса высокого давления (ТНВД) (на чертеже не указан) через форсунку 12 и распылитель 11 впрыскивается топливо в участок соединительного канала 10 большего сечения, навстречу перетекающему воздушному заряду. Near TDC, i.e., in the fuel supply phase, by means of a high-pressure fuel pump (high-pressure pump) (not shown) through the nozzle 12 and atomizer 11, fuel is injected into the section of the connecting channel 10 of a larger section, towards the flowing air charge.

В процессе топливоподачи происходит разделение цикловой дозы топлива в соответствии с наличием воздушного заряда в полостях камеры сгорания в момент подачи электроискрового разряда с учетом продолжающейся топливоподачи в период задержки воспламенения. In the process of fuel supply, the cyclic dose of fuel is divided in accordance with the presence of an air charge in the cavities of the combustion chamber at the time of supply of the spark discharge, taking into account the continuing fuel supply during the ignition delay period.

Это разделение осуществляется за счет того, что динамика топливоподачи регламентируется законом подачи, профилем кулачка ТНВД, к которому предъявляются требования обеспечения в первые 15o поворота коленчатого (п.к.в.) топливоподачи, состава смеси в вихрекамере в пределах воспламеняемости α = 0,5 - 2,5.This separation is due to the fact that the dynamics of fuel supply is regulated by the law of supply, the cam profile of the high-pressure fuel pump, which is required to ensure the first 15 o of cranked (p.c.v.) fuel supply, the composition of the mixture in the vortex chamber within the flammability range α = 0, 5 - 2.5.

После начала топливоподачи все распыленное топливо попадает в вихрекамеру 6 через канал 8, расположенный тангенциально, создает вращательное движение заряда в камере, что благотворно влияет на смесеобразование топливных паров с воздухом. При завихрении заметно меньше падает температура за счет дополнительного поступления воздуха, что и объясняет более полную испаряемость. After the start of fuel supply, all atomized fuel enters the vortex chamber 6 through a channel 8 located tangentially, creates a rotational movement of the charge in the chamber, which has a beneficial effect on the mixture formation of fuel vapor with air. During a vortex, the temperature drops significantly less due to the additional intake of air, which explains the more complete evaporation.

Наличие утеплительной вставки 15 и калильной свечи 14 стимулирует улучшение испарения и сокращение периода задержки воспламенения. The presence of the insulating insert 15 and the glow plug 14 stimulates an improvement in evaporation and a reduction in the ignition delay period.

Через 5 - 10o п.к.в. топливоподачи при достижении состава смеси в вихрекамере 6 α = 1,5 - 2,0 в зависимости от скоростного режима ДВС на электроды свечи зажигания 13 подается высоковольтное напряжение. После чего в ней получают развитие предпламенные реакции.After 5 - 10 o p.c. fuel supply when the composition of the mixture in the vortex chamber 6 is reached α = 1.5 - 2.0, depending on the speed mode of the internal combustion engine, high voltage voltage is applied to the electrodes of the spark plug 13. After which, pre-flame reactions develop in it.

Благодаря более высокой на 150 - 250oC температуре в вихрекамере, наличию организованного вихревого движения, утеплительной вставки и калильной свечи зажигания значительно сокращаются по отношению к однокамерным модификациям задержки воспламенения и составляют для дизтоплива 1 - 3o, для бензина А-76 3 - 5o.Due to a higher temperature in the vortex chamber by 150 - 250 o C, the presence of an organized vortex movement, a heat insulating insert and a glow plug, the ignition delay is significantly reduced with respect to single-chamber modifications of the ignition delay and amounts to 1 - 3 o for diesel fuel, for A-76 gasoline 3 - 5 o .

За период задержки воспламенения состав вихрекамерного заряда несколько обогащается до α = 0,8 - 1,2 и наступает фаза видимого горения, сопровождающегося резким повышением давления в вихрекамере 6 и началом обратного перетока пламенных газов в основную полость 3 камеры сгорания. During the ignition delay period, the composition of the vortex chamber charge is somewhat enriched to α = 0.8 - 1.2 and the phase of visible combustion begins, accompanied by a sharp increase in pressure in the vortex chamber 6 and the beginning of the backflow of flame gases into the main cavity 3 of the combustion chamber.

Обратный переток факела пламенных газов сталкивается в сечении 10 с топливом продолжающегося процесса топливоподачи. Большой диаметр сечения 10 благотворно влияет на ускоренное испарение, протекание предпламенных реакций и воспламенения этого топлива посредством локального уменьшения тепловых потерь в стенки и увеличения скорости пламени [1], стимулируя в дальнейшем турбулентное горение конечной части впрыска. The backflow of the flame of the flame gas collides in section 10 with the fuel of the ongoing fuel supply process. The large cross-sectional diameter 10 has a beneficial effect on accelerated evaporation, the occurrence of pre-flame reactions and the ignition of this fuel through a local decrease in heat loss to the walls and an increase in flame speed [1], further stimulating turbulent combustion of the final part of the injection.

Всережимное регулирование повышения давления продуктов сгорания, т.е. поддержание динамики тепловыделения в заданных пределах, осуществляется созданием определенных соотношений давлений на выходе из вихрекамеры, которые изменяются пропорционально нагрузке двигателя и обеспечивают в полости сгорания вихрекамеры постоянные, заданные условия для развития процесса сгорания, а также используют сопутствующее увеличение скорости истечения продуктов сгорания для улучшения смесеобразования в основном объеме. Это осуществляется благодаря тому, что пламенные газы, а также несгоревшая часть топлива в испаренном и мелкодисперсном состоянии поступает в основную камеру сгорания 3 через сообщающееся с ней сопло Лаваля 9. All-regime regulation of the increase in pressure of the combustion products, i.e. maintaining the dynamics of heat generation within specified limits, by creating certain pressure ratios at the outlet of the vortex chamber, which vary in proportion to the engine load and provide constant, predetermined conditions for the development of the combustion process in the combustion chamber, and also use a concomitant increase in the rate of expiration of the combustion products to improve mixture formation in main volume. This is due to the fact that the flame gases, as well as the unburned part of the fuel in the vaporized and finely dispersed state, enter the main combustion chamber 3 through the Laval nozzle 9 connected to it.

Выгорание заряда вихрекамерной полости с ускорением обратного перетока, а следовательно, и турбулизации в основной полости камеры сгорания 3 обеспечивает наряду с интенсивным протеканием смесеобразовательных процессов также и быстрое догорание заряда в этой полости вблизи от ВМТ на такте расширения с соответствующим улучшением показателей эффективности рабочего цикла. The burnout of the charge of the vortex chamber with acceleration of the backflow, and therefore turbulization in the main cavity of the combustion chamber 3, provides, along with the intensive flow of mixture-forming processes, also quick burnout of the charge in this cavity near the TDC on the expansion stroke with a corresponding improvement in the working cycle efficiency indicators.

После окончания процесса сгорания и расширения открывается выпускной клапан и цилиндр двигателя 1 очищается при движении поршня от НМТ к ВМТ от отработавших газов. Рабочий цикл заканчивается и периодически повторяется. After the combustion and expansion process is completed, the exhaust valve opens and the cylinder of the engine 1 is cleaned when the piston moves from BDC to TDC from exhaust gases. The work cycle ends and is periodically repeated.

Для обеспечения эффективности работы двигателя на различных топливах, скоростных и нагрузочных режимах с учетом других конструкционных и эксплуатационных факторов с помощью соответственных конструктивных элементов и автоматов угол опережения начала топливоподачи изменяется в интервале 24 - 18o п.к.в.. Внутри этого интервала изменяется угол опережения зажигания.To ensure the efficiency of the engine on various fuels, speed and load conditions, taking into account other structural and operational factors using appropriate structural elements and automatic machines, the lead angle of the beginning of the fuel supply varies in the range of 24 - 18 o p.p. inside. Within this interval, the angle changes ignition timing.

Для обеспечения наиболее эффективного протекания процессов смесеобразования и сгорания, бездымной работы на всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя и всех видах жидких топлив (бензин, керосин, дизтопливо, газоконденсат и т. д. ) относительный объем вихрекамерной полости а = Vк/Vс выбирается в пределах а = 0,3 - 0,6 предпочтительно сферической формы.To ensure the most efficient processes of mixture formation and combustion, smokeless work on the entire range of engine operating modes and all types of liquid fuels (gasoline, kerosene, diesel fuel, gas condensate, etc.), the relative volume of the vortex chamber a = V k / V s is selected within a = 0.3-0.6, preferably spherical in shape.

Расчет геометрических параметров сопла Лаваля производится на основе расчета процесса расширения и истечения продуктов сгорания в сопле [2]. The calculation of the geometric parameters of the Laval nozzle is based on the calculation of the expansion and expiration of combustion products in the nozzle [2].

Для определения скорости истечения продуктов сгорания из вихрекамеры необходимо знать температуру Tа, давление Pа и их состав в выходном сечении сопла. Эти параметры могут быть определены при тепловом расчете двигателя.To determine the rate of discharge of combustion products from the vortex chamber, it is necessary to know the temperature T a , pressure P a and their composition in the outlet section of the nozzle. These parameters can be determined by thermal calculation of the engine.

Площадь выходного сечения сопла определяется
Fа=Vа/ ωa, (1)
где Vа - действительный удельный объем продуктов сгорания в выходном сечении сопла при газовой постоянной Rа продуктов сгорания и действительной температуре Tа, а также расчетном давлении сжатия Pа на выходе из сопла;
ωa - скорость истечения продуктов сгорания из сопла.
The nozzle exit area is determined
F a = V a / ω a , (1)
where V a is the actual specific volume of combustion products in the outlet section of the nozzle at a gas constant R a of combustion products and the actual temperature T a , as well as the calculated compression pressure P a at the outlet of the nozzle;
ω a - the rate of flow of combustion products from the nozzle.

Площадь наименьшего сечения сопла
Fкр=Vк/ ωкр, (2)
где Vк - удельный объем продуктов сгорания при Tк температуре на выходе из вихрекамеры, Pк - давление в вихрекамере перед соплом и Rк - газовая постоянная продуктов сгорания в наименьшем сечении сопла;
ωкр - скорость истечения продуктов сгорания в наименьшем сечении сопла.
The area of the smallest section of the nozzle
F cr = V k / ω cr , (2)
where V k is the specific volume of the combustion products at T to the temperature at the outlet of the vortex chamber, P k is the pressure in the vortex chamber in front of the nozzle and R k is the gas constant of the combustion products in the smallest section of the nozzle;
ω cr - the rate of flow of combustion products in the smallest section of the nozzle.

Фактором, влияющим на площадь соединительного канала Fк, участки 7,8, является относительная площадь
fк=Fк/Fкр (3)
Определение относительной площади обуславливается рядом причин:
1. Возможность использования энергии перетока в процессе сжатия-сгорания для придания форсунке лишь дозирующих функций;
2. Оптимальный с экономической точки зрения режим расхода продуктов сгорания и в то же время поддержание динамичности процесса сгорания;
3. Наименьшее дросселирование;
4. Ограниченность конструкционных размеров.
A factor affecting the area of the connecting channel F to , sections 7.8, is the relative area
f k = F k / F cr (3)
The determination of the relative area is determined by a number of reasons:
1. The possibility of using the flow energy in the compression-combustion process to give the nozzle only dosing functions;
2. An economically optimal mode of consumption of combustion products and at the same time maintaining the dynamism of the combustion process;
3. Least throttling;
4. Limited structural dimensions.

Нужно отметить, что использование в экспериментах камер с fк<2 не дало положительных результатов, устойчивая работа наблюдалась лишь на режимах холостого хода и частичных нагрузках. В камерах с fк = 1 вообще наблюдался эффект пламягашения.It should be noted that the use of cameras with f k <2 in the experiments did not give positive results, stable operation was observed only at idle and partial loads. In chambers with f k = 1, the effect of flame suppression was generally observed.

Согласно проведенным расчетам для двигателя УД-15, конвертированного в многотопливный вариант и исходя из выбора оптимальной скорости перетока и критериев сочетания площади соединительного канала и наименьшего сечения сопла, имеем следующие значения: площадь соединительного канала Fк = 100 мм2, наименьшая площадь сечения сопла Fкр = 11,6 мм2, площадь выходного сечения сопла Fа = 30 мм2.According to the calculations for the UD-15 engine, converted to a multi-fuel version and based on the choice of the optimal flow rate and criteria for combining the area of the connecting channel and the smallest nozzle cross-section, we have the following values: connecting channel area F k = 100 mm 2 , the smallest nozzle cross-sectional area F cr = 11.6 mm 2 , the area of the output section of the nozzle F a = 30 mm 2 .

Учитывая общепринятое воззрение на то, что диаметр соединительного канала находится в прямой зависимости от объема дополнительной камеры, в пределах исследованных значений отношений объемов и диаметров соединительного канала, находим оптимальные соотношения для Fк из исследованного диапазона Vк/Fк=8,5 -17,5; Vк/Fк=10 и для Fкр из исследованного диапазона Vк/Fк= 40 - 20; Vк/Fкр=25.Given the generally accepted view that the diameter of the connecting channel is directly dependent on the volume of the additional chamber, within the studied values of the ratios of volumes and diameters of the connecting channel, we find the optimal ratios for F to from the studied range V to / F to = 8.5 -17 ,5; V k / F k = 10 and for F cr from the studied range of V k / F k = 40 - 20; V to / F cr = 25.

Практически же меньшее сечение соединительных каналов 7; 8 диаметром 8 -12 мм выбрано из условия обеспечения оптимальной скорости перетока в процессе сжатия-смесеобразования для номинального скоростного режима 2000 мин-1.In practice, a smaller section of the connecting channels 7; 8 with a diameter of 8 -12 mm is selected from the condition of ensuring the optimal flow rate during compression-mixture formation for a nominal speed mode of 2000 min -1 .

Их длины определяются традиционным отношением l/d, для участка 7 l/d = 1 - 3, для участка 8 l/d = 0,5 - 2. Their lengths are determined by the traditional l / d ratio, for section 7 l / d = 1 - 3, for section 8 l / d = 0.5 - 2.

Диаметр D участка 10 большего диаметра выбирают в интервале D = d (1,1 - 1,4), длиной D (1 - 1,5). The diameter D of section 10 of larger diameter is selected in the range D = d (1.1 - 1.4), length D (1 - 1.5).

В связи со скоротечностью протекания процесса сгорания и медлительностью процесса гомогенизации на диффузионной основе конструктивный вариант гомогенизации (равномерное распределение топлива в воздушном заряде) базируется на принципе организованного вихреобразования при взаимном согласовании форм и размеров соплового канала с соответственными конструктивными элементами турбулизатора 4 фиг.2. In connection with the transience of the combustion process and the slowness of the homogenization process on a diffusion basis, the constructive variant of homogenization (uniform distribution of fuel in the air charge) is based on the principle of organized vortex formation with mutual coordination of the shapes and sizes of the nozzle channel with the corresponding structural elements of the turbulator 4 of Fig. 2.

С учетом этого ось симметрии соединительного канала относительно плоскости поршня расположена под углом 25o с возможными вариациями 20 - 40o. Основная полость камеры сгорания в поршне клиновидной формы ограничена со стороны, противоположной соплу, большим турбулизатором 4 фиг. 2 указанной формы.With this in mind, the axis of symmetry of the connecting channel relative to the plane of the piston is located at an angle of 25 o with possible variations of 20 - 40 o . The main cavity of the combustion chamber in the wedge-shaped piston is bounded from the side opposite the nozzle by a large turbulator 4 of FIG. 2 specified forms.

Благодаря отсутствию клапанов в основной плоскости камеры сгорания турбулизатор можно сделать выступающим за центральную ось симметрии поршня, а также использовать более плавные сопряжения с поверхностью поршня. Важно, чтобы передняя часть камеры сгорания, примыкающая к соплу, была поверхностью, имеющей угол наклона, равный углу раствора сопла, линией его продолжения до пересечения с осью симметрии поршня, с плавным сопряжением, как на фиг. 1. Угол раствора сопла в вертикальной плоскости выбирается 5o от оси симметрии. В данном случае угол наклона плоскости передней части камеры сгорания 30o.Due to the absence of valves in the main plane of the combustion chamber, the turbulator can be made to protrude beyond the central axis of symmetry of the piston, as well as use smoother mates with the surface of the piston. It is important that the front of the combustion chamber adjacent to the nozzle is a surface having an inclination angle equal to the angle of the nozzle solution, a line of its extension until it intersects with the axis of symmetry of the piston, with smooth coupling, as in FIG. 1. The angle of the nozzle in the vertical plane is selected 5 o from the axis of symmetry. In this case, the angle of inclination of the plane of the front of the combustion chamber is 30 o .

Угол конуса камеры сгорания в горизонтальной плоскости поршня фиг.2 выбирается в интервале 50 - 70o, в данном случае 60o.The angle of the cone of the combustion chamber in the horizontal plane of the piston of figure 2 is selected in the range of 50 - 70 o , in this case 60 o .

Выходное отверстие сопла выполняется в форме эллипса с большей (горизонтальной) осью (2 - 4) dкр, меньшей (вертикальной) (1 - 2) dкр, длина сопла выбирается 10 - 30 мм.The nozzle exit hole is made in the form of an ellipse with a larger (horizontal) axis (2 - 4) d cr , smaller (vertical) (1 - 2) d cr , the nozzle length is selected 10 - 30 mm.

Такое устройство конструкционных элементов камеры сгорания обеспечивает не только высокий уровень гомогенизации заряда в ее основной полости 3, но также и более полное выжигание этого заряда как по отношению к аналогам, так и прототипу. Such a device of the structural elements of the combustion chamber provides not only a high level of charge homogenization in its main cavity 3, but also a more complete burning of this charge both with respect to analogues and the prototype.

При правильном выборе вышеописанных определяющих характеристик конструктивных элементов двигателя обеспечивается бездымная работа двигателя при затяжке пружины форсунки Pф = 0,1 - 0,5 МН. При этом рекомендуется применять однодырчатые или открытые форсунки с отверстием, направленным навстречу перетекающей смеси на такте сжатия.With the correct choice of the above defining characteristics of the structural elements of the engine, smokeless engine operation is ensured when the injector spring is tightened P f = 0.1 - 0.5 MN. In this case, it is recommended to use single-hole or open nozzles with an opening directed towards the flowing mixture at the compression stroke.

При столь низком уровне давления топливоподачи насос высокого давления, форсунки работают в очень облегченном режиме, и это гарантирует резкое увеличение моторесурса топливоподающей аппаратуры. Однако в этом конструктивном варианте требуется оптимальное моделирование закона подачи (профиля кулачка ТНВД), что осуществимо на основе расчета динамики изменения состава смеси в вихрекамере. With such a low level of fuel supply pressure, the high-pressure pump and nozzles operate in a very light mode, and this guarantees a sharp increase in the motor resource of the fuel supply equipment. However, in this constructive version, optimal modeling of the supply law (cam profile of the injection pump) is required, which is feasible on the basis of calculating the dynamics of changes in the composition of the mixture in the vortex chamber.

α =Gв/15Gт, (4)
где Gв определяется как

Figure 00000002

где a - объем вихрекамеры;
В - коэффициент дросселирования наименьшего сечения соединительного канала;
f(б) - функция поворота коленчатого вала.α = G in / 15G t , (4)
where G in is defined as
Figure 00000002

where a is the volume of the vortex chamber;
In - throttling coefficient of the smallest section of the connecting channel;
f (b) is the crankshaft rotation function.

Использование калильной свечи мощностью 50 - 100 Вт [3], расположенной на оси симметрии соединительного канала, а также утеплительной вставки совместно с электроискровой свечой зажигания при использовании степени сжатия 12 - 14 создает эквивалент эффекта повышения показателя политропы сжатия, что позволяет уменьшить влияние октановых и цетановых чисел используемых топлив, а также состава смеси на процесс воспламенения. The use of a 50-100 W glow plug [3] located on the symmetry axis of the connecting channel, as well as a heat insulating insert together with an electric spark plug using a compression ratio of 12-14 creates an equivalent effect of increasing the polytropic compression ratio, which reduces the effect of octane and cetane the number of fuels used, as well as the composition of the mixture on the ignition process.

Вследствие преобладающего влияния пневматической составляющей в процессе распыливания топлива достигается более высокий уровень дисперсности и гомогенизации в полостях камеры сгорания по отношению к традиционным схемам смесеобразования. Оба эти смесеобразующие фактора стимулируют резкое снижение выбросов токсичных компонентов CO и CH с отработавшими газами двигателя. Due to the prevailing influence of the pneumatic component during the atomization of the fuel, a higher level of dispersion and homogenization in the cavities of the combustion chamber is achieved in relation to traditional mixing schemes. Both of these mixture-forming factors stimulate a sharp reduction in emissions of toxic components of CO and CH with the exhaust gases of the engine.

Смещение сгорания основной массы заряда основной полости 3 к заключительным его фазам в сочетании с кратковременностью высокотемпературного воздействия обеспечивают соответственно снижение выбросор наиболее токсичного компонента Nox с отработавшими газами двигателя.The shift in the combustion of the bulk of the charge of the main cavity 3 to its final phases, combined with the short duration of the high-temperature effect, respectively provide a reduction in the emission of the most toxic component N ox with the exhaust gases of the engine.

Благодаря высокой эффективности подготовительных процессов в смесеобразующей системе вихрекамера-составной соединительный канал, обеспечивающий газификацию топливного заряда перед поступлением в основную полость камеры сгорания 3 в сочетании с управляемым высокотурбулентным процессом гомогенизации, обеспечивается приближение на мощностном номинале составов заряда в основных полостях камеры сгорания, близких к α ≈ 0,95, полностью исключая дымный выхлоп, что стимулирует вместе с повышением частоты вращения ДВС уровня литровой мощности. Due to the high efficiency of the preparatory processes in the vortex chamber-composite compound channel, which provides gasification of the fuel charge before entering the main cavity of the combustion chamber 3 in combination with a highly controlled turbulent homogenization process, an approximation of the charge composition in the main cavities of the combustion chamber close to α ≈ 0.95, completely eliminating smoky exhaust, which stimulates, together with an increase in the frequency of rotation of the internal combustion engine, the liter level ty.

Интенсивное протекание испарительных и воспламенительных процессов, устранение эффекта накопления топлива в основной полости камеры сгорания 3 за период задержки воспламенения повышает меру управляемости процессом тепловыделения и величиной нарастания давления ΔP/Δγ законом топливоподачи, регламентируемым профилем кулачка ТНВД, на всех видах жидкого топлива, что стимулирует также повышение моторесурса двигателя. The intensive course of evaporation and ignition processes, the elimination of the effect of fuel accumulation in the main cavity of the combustion chamber 3 during the ignition delay period increases the measure of controllability of the heat release process and the pressure increase ΔP / Δγ by the fuel supply law, regulated by the injection pump cam profile, on all types of liquid fuel, which also stimulates increase engine life.

Слабая зависимость от температурного режима заряда в процессе сжатия и начальных стадиях воспламенения топлива в сочетании с высоким уровнем управляемости процессом сгорания, обеспечивающим мягкую бездетонационную работу двигателя, позволяет с наибольшей эффективностью сжигать все виды жидких топлив при оптимальных с термодинамической точки зрения степенях сжатия ε = 12 - 14. A weak dependence on the temperature regime of the charge during compression and the initial stages of fuel ignition, combined with a high controllability of the combustion process, providing soft detonation-free operation of the engine, makes it possible to burn all types of liquid fuels with the most efficient thermodynamic compression ratios ε = 12 - 14.

Литература
1. Свиридов Ю. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. - Л.: Машиностроение, 1972, с. 126, 151, 164 - 168, 180 - 185, 209 - 218.
Literature
1. Sviridov Yu. B. Mixture formation and combustion in diesel engines. - L .: Engineering, 1972, p. 126, 151, 164 - 168, 180 - 185, 209 - 218.

2. Кулагин И.И. Теория жидкостных реактивных двигателей. - Министерство обороны СССР, 1972. - 518 с. 2. Kulagin I.I. Theory of liquid jet engines. - The Ministry of Defense of the USSR, 1972. - 518 p.

3. Вохмин Д. М. Применение калильной свечи зажигания в многотопливном двигателе //Тюмень, ТюмГНГУ// Труды конференции "Эксплуатация технологического транспорта и специальной техники в отраслях топливно-энергетического комплекса", 1997. 3. Vohmin D. M. The use of a glow plug in a multi-fuel engine // Tyumen, Tsogu // Proceedings of the conference "Operation of technological transport and special equipment in the sectors of the fuel and energy complex", 1997.

Claims (2)

1. Способ работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр воздуха, сжатия воздуха в цилиндре с перепуском его части в вихрекамеру, впрыска топлива во время сжатия в соединительный канал с переносом его части перепускаемым воздухом в вихрекамеру и образованием в последней топливовоздушной смеси, воспламенении смеси в вихрекамере от свечи зажигания, выброса горящих газов из вихрекамеры с переносом остальной части топлива в основную полость камеры сгорания, сгорания топлива, расширения продуктов сгорания и выброса отработавших газов, отличающийся тем, что топливо впрыскивается в расширенную полость соединительного канала навстречу перетекающему воздуху с целью получения однородной дисперсности, в процессе сгорания при обратном перетоке горящих газов из вихрекамеры расширенная полость выполняет роль термоэнергетического аккумулятора, уменьшая тепловые потери и увеличивая скорость пламени. 1. The method of operation of a multi-fuel internal combustion engine by introducing air into the cylinder, compressing the air in the cylinder with transferring part of it to the vortex chamber, injecting fuel during compression into the connecting channel with transferring part of it by the bypassed air into the vortex chamber and forming the last air-fuel mixture, igniting the mixture in the vortex chamber from the spark plug, the discharge of burning gases from the vortex chamber with the transfer of the rest of the fuel to the main cavity of the combustion chamber, combustion of fuel, expansion of the combustion products and exhaust gas discharge, characterized in that the fuel is injected into the expanded cavity of the connecting channel towards the flowing air in order to obtain uniform dispersion, in the process of combustion during the backflow of burning gases from the vortex chamber, the expanded cavity acts as a thermal energy accumulator, reducing heat loss and increasing the speed of the flame. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем с камерой сгорания в нем, головку цилиндра, вихрекамеру, имеющую свечу зажигания, размещенную в головке и сообщенную с основной полостью камеры сгорания при помощи соединительного канала, выполненного из соосных последовательно соединенных между собой участков меньшего сечения, примыкающих к вихрекамере и выходному соплу, а также участка большего сечения между ними, а также расширяющегося сопла, примыкающего к основной полости камеры сгорания, и топливную форсунку с распылителем, размещенным в соединительном канале, отличающийся тем, что в вихрекамере имеются утеплительная вставка и калильная свеча зажигания, соединительный канал, сопло и вихрекамера расположены под углом к поршню, в котором имеется клиновидная камера сгорания с турбулизатором, а расширяющееся сопло выполнено в форме сопла Лаваля. 2. An internal combustion engine comprising at least one cylinder with a piston placed therein with a combustion chamber in it, a cylinder head, a vortex chamber having a spark plug placed in the head and communicated with the main cavity of the combustion chamber using a connecting channel made of coaxial successively interconnected sections of a smaller section adjacent to the vortex chamber and the outlet nozzle, as well as a section of a larger section between them, as well as an expanding nozzle adjacent to the main cavity of the chamber with Gorania, and a fuel nozzle with a spray located in the connecting channel, characterized in that the vortex chamber has an insulating insert and a glow plug, the connecting channel, nozzle and vortex chamber are located at an angle to the piston, in which there is a wedge-shaped combustion chamber with a turbulator, and expanding the nozzle is made in the form of a Laval nozzle.
RU99114069/06A 1999-06-29 1999-06-29 Multifuel internal combustion engine and method of its operation RU2167316C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99114069/06A RU2167316C2 (en) 1999-06-29 1999-06-29 Multifuel internal combustion engine and method of its operation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99114069/06A RU2167316C2 (en) 1999-06-29 1999-06-29 Multifuel internal combustion engine and method of its operation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99114069A RU99114069A (en) 2001-04-10
RU2167316C2 true RU2167316C2 (en) 2001-05-20

Family

ID=20221973

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99114069/06A RU2167316C2 (en) 1999-06-29 1999-06-29 Multifuel internal combustion engine and method of its operation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2167316C2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610081C1 (en) * 2015-12-25 2017-02-07 Николай Николаевич Горбачев Engine
US10125676B2 (en) 2011-07-28 2018-11-13 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotary internal combustion engine with pilot subchamber
US10557407B2 (en) 2011-07-28 2020-02-11 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotary internal combustion engine with pilot subchamber
US10578012B2 (en) 2011-07-28 2020-03-03 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotary internal combustion engine with pilot subchamber
RU2804794C1 (en) * 2023-03-17 2023-10-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный аграрный университет" Method for operation of a diesel engine during the launching and post-launching periods

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10125676B2 (en) 2011-07-28 2018-11-13 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotary internal combustion engine with pilot subchamber
US10557407B2 (en) 2011-07-28 2020-02-11 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotary internal combustion engine with pilot subchamber
US10578012B2 (en) 2011-07-28 2020-03-03 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotary internal combustion engine with pilot subchamber
US10697365B2 (en) 2011-07-28 2020-06-30 Pratt & Whitney Canada Corp. Rotary internal combustion engine with pilot subchamber
RU2610081C1 (en) * 2015-12-25 2017-02-07 Николай Николаевич Горбачев Engine
RU2804794C1 (en) * 2023-03-17 2023-10-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный аграрный университет" Method for operation of a diesel engine during the launching and post-launching periods

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4424780A (en) Internal combustion engine for diverse fuels
US3508530A (en) Internal combustion engine
US4124000A (en) Mixed cycle stratified charge engine with ignition antechamber
US5119780A (en) Staged direct injection diesel engine
US3315650A (en) Internal combustion engine combustion process
US3154058A (en) Internal combustion engine operating on stratified combustion principle with explosive fuel injection
US3270722A (en) Method of conditioning liquid fuels
CN110486142A (en) Variable volume precombustion chamber for internal combustion engine
JP2704901B2 (en) Internal combustion engine
US20240044282A1 (en) Systems, apparatus, and methods for inducing enhanced radical ignition in internal combustion engines using a radical chemicals generator
US4641617A (en) Direct injection type internal combustion engine
CN211666804U (en) Pre-combustion system with air-entraining nozzle and internal combustion engine thereof
CN110953059A (en) Pre-combustion system with air entrainment nozzle, internal combustion engine and pre-combustion control method
RU2167316C2 (en) Multifuel internal combustion engine and method of its operation
US3809027A (en) Internal combustion engine
GB2186913A (en) Internal combustion engine
US11739702B2 (en) Reheated residual gas ignitor
WO1984002744A1 (en) Method of operating an engine with a high heat of vaporization fuel
GB2108581A (en) Fuel injection stratified charge internal combustion engine
US2431857A (en) Method of operating internalcombustion engines
US6263860B1 (en) Intake stratifier apparatus
US3983847A (en) Jet ignition engine with prechamber fuel injection
CN112832904A (en) Small multi-fuel triangle rotor engine and working mode
CN113417733A (en) Fuel-air separation active control type ignition chamber system
US2958314A (en) Internal combustion engine

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20030630