RU2179644C2

RU2179644C2 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2179644C2
Application number: RU2000108262/06A
Authority: RU
Inventors: Евгений Владимирович Говоров
Original assignee: Евгений Владимирович Говоров
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2002-02-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; spark ignition internal combustion engines. SUBSTANCE: combustion chamber in proposed engine is divided into two spaces, minimum. Combustion of fuel mixture takes place only in one space made constant or variable. Spaces of combustion chamber are located either in head or in piston, or combination of arrangements of spaces is used, with one space being divided into two parts. Combustion process is carried out at excess air coefficient α = 1,5-3. EFFECT: reduced fuel consumption of engine and toxicity of exhaust gases. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. The invention relates to engine building, in particular to internal combustion engines (ICE) with spark ignition.

Известно, что современные ДВС достигли предела термодинамического КПД - η_т по причине достижения предела степени сжатия ε = 12, после чего наступает нарушение процесса сгорания, вызванного детонацией. Дальнейшее совершенствование двигателей с искровым зажиганием по экономичности и токсичности выхлопных газов проблематично. Однако с целью преодоления данных ограничений внедряются технические решения, связанные с изменением процесса смесеобразования посредством прямого впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания (внутрицилиндровое смесеобразование - GDI).It is known that modern ICEs have reached the limit of thermodynamic efficiency - η _t due to reaching the limit of compression ratio ε = 12, after which there is a violation of the combustion process caused by detonation. Further improvement of spark ignition engines is problematic in terms of fuel economy and toxicity. However, in order to overcome these limitations, technical solutions are introduced that are associated with a change in the process of mixture formation by direct injection of fuel directly into the combustion chamber (in-cylinder mixture formation - GDI).

Известен ДВС (МКИ: F 02 B 17/00, патент РФ 1469194), в котором камера сгорания расположена как в головке, так и в поршне, однако в нем не предусматривается устройства дополнительного повышения степени сжатия. Улучшение экономичности в предложенной конструкции осуществляется за счет улучшения смесеобразования за счет кольцевого вытеснителя, образованного поршнем и головкой. Также известен ДВС (Германия 3110764, МКИ F 02 D 15/04), имеющий дополнительный поршень для создания повышенной переменной степени сжатия. Камера сгорания в этом двигателе образуется между дополнительным поршнем со сферической выемкой и полусферой, выполненной в головке цилиндров и имеющей перепускной канал, соединяющий первую предкамеру со второй, образованной плоскостью головки цилиндров и основным поршнем (аналог двигателя с форкамерой). Однако такая конструкция имеет существенный недостаток, так как большая площадь второй камеры между плоскостью головки и основным поршнем способствует интенсивной потере теплоты в процессе догорания смеси и затуханию процесса сгорания смеси и падению КПД теплового процесса и, как следствие, увеличение расхода топлива и ухудшению экологичности выхлопных газов. Known ICE (MKI: F 02 B 17/00, RF patent 1469194), in which the combustion chamber is located both in the head and in the piston, however, it does not provide a device to further increase the degree of compression. Improving the economy in the proposed design is due to improved mixture formation due to the annular displacer formed by the piston and head. ICE (Germany 3110764, MKI F 02 D 15/04) is also known, having an additional piston to create an increased variable compression ratio. The combustion chamber in this engine is formed between an additional piston with a spherical recess and a hemisphere made in the cylinder head and having a bypass channel connecting the first chamber to the second cylinder formed by the plane of the cylinder head and the main piston (analogue of the engine with a prechamber). However, this design has a significant drawback, since the large area of the second chamber between the head plane and the main piston contributes to intense heat loss during the combustion of the mixture and the attenuation of the mixture combustion process and a decrease in the thermal process efficiency and, as a result, an increase in fuel consumption and environmental degradation of exhaust gases .

Целью данного изобретения является значительное повышение экономичности двигателей с искровым зажиганием на полной нагрузке на 15-20% и в 2-2,5 раза на частичных нагрузках с максимальным уменьшением токсичности выхлопных газов. The aim of this invention is to significantly increase the efficiency of engines with spark ignition at full load by 15-20% and 2-2.5 times at partial loads with a maximum reduction in toxicity of exhaust gases.

Указанная цель достигается применением новой камеры сгорания, имеющей переменную степень сжатия, изменяемую с помощью поршня 5 (фиг.1). This goal is achieved by the use of a new combustion chamber having a variable compression ratio, variable using the piston 5 (figure 1).

С целью повышения термодинамического коэффициента полезного действия (η_т), оказывающего решающее влияние на экономичность двигателя и токсичность выхлопных газов, за счет увеличения степени сжатия ε, без увеличения максимального давления сгорания Pz, после которого возникает детонация, камера сгорания должна быть разделена по меньшей мере на два объема А и Б, при этом сгорание смеси происходит только в одном объеме, который может быть как постоянным, так и переменным. Такая камера, именуемая в дальнейшем как интегральная, предполагает разделение объемов, которые будут располагаться каждая или в головке цилиндров или в поршне, или частично в головке, а частично в поршне (фиг.1). На фиг.1 частичный объем второго объема Б обозначен как Б'. Объемы А и Б интегральной камеры сгорания соединены перепускным каналом.In order to increase the thermodynamic efficiency (η _t ), which has a decisive influence on engine efficiency and exhaust emissions, by increasing the compression ratio ε, without increasing the maximum combustion pressure Pz, after which detonation occurs, the combustion chamber must be separated at least into two volumes A and B, while the combustion of the mixture occurs in only one volume, which can be either constant or variable. Such a camera, hereinafter referred to as an integral one, involves the separation of the volumes that will each be located either in the cylinder head or in the piston, or partially in the head, and partially in the piston (Fig. 1). 1, a partial volume of a second volume B is designated B '. Volumes A and B of the integrated combustion chamber are connected by a bypass channel.

Принцип работы такой головки следующий. The principle of operation of such a head is as follows.

В конце такта сжатия при полной нагрузке основной поршень 2, перемещающийся в цилиндре 1, на фиг.1 находится в верхней ВМТ, при этом камера сгорания образуется поверхностью основного поршня 2 и поверхностью головки 3, определяющей объем А, имеющим высоту Нmах или Hmin (в зависимости на какой нагрузке работает двигатель), а в днище поршня находится объем Б. При этом в объеме Б' располагается выпускной клапан, управляемый кулачковым валом. Несколько ранее до ВМТ происходит впрыск топлива в объем А через форсунку 7, после чего происходит воспламенение смеси от свечи зажигания 6. В случае, если в двух объемах камеры сгорания находится рабочая смесь, то при ее сгорании давление сгорания Pz не должно быть более давления, вызывающего детонацию, при определенной степени сжатия ε и значения термодинамического КПД η_т Если сгорание происходит в одном объеме, общую для двух объемов степень сжатия ε можно увеличить до определенного предела без возникновения детонации с увеличением η_т. В этом случае возрастает индикаторный КПД η_i, так как в сгорании участвует воздух, находящийся в объеме Б. Процесс сгорания происходит при постоянном объеме Vconst, но давление сгорания Pz в объеме А может быть выше давления, вызывающего детонацию. Однако учитывая то, что давление сгорания распределяется на два объема А и Б, то в результате среднее давление сгорания Pz в интегральной камере сгорания не превышает величину давления, после которого возникает детонация.At the end of the compression stroke at full load, the main piston 2, moving in the cylinder 1, in Fig. 1 is located at the upper TDC, while the combustion chamber is formed by the surface of the main piston 2 and the surface of the head 3, determining the volume A, having a height Hmax or Hmin (in depending on what load the engine is running on), and volume B is located in the piston bottom. In this case, an exhaust valve controlled by a camshaft is located in volume B '. A little earlier, before the TDC, fuel is injected into volume A through the nozzle 7, after which the mixture ignites from the spark plug 6. If there is a working mixture in two volumes of the combustion chamber, then during its combustion the combustion pressure Pz should not be higher than the pressure that causes detonation at a certain compression ratio ε and thermodynamic efficiency η _t If combustion occurs in one volume, the compression ratio ε common for two volumes can be increased to a certain limit without detonation with an increase in η _t . In this case, the indicator efficiency η _i increases, since the air in volume B is involved in the combustion. The combustion process occurs at a constant volume Vconst, but the combustion pressure Pz in volume A can be higher than the pressure causing detonation. However, given that the combustion pressure is distributed into two volumes A and B, as a result, the average combustion pressure Pz in the integral combustion chamber does not exceed the pressure value after which detonation occurs.

Для процесса сгорания в одном объеме (коэффициент избытка воздуха α = 1, при этом коэффициент теплоиспользования ξ_max) следует учитывать два коэффициента избытка воздуха:
- α сгорания, характеризующий процесс сгорания в объеме А;
- α общий, характеризующий процесс теплоиспользования с учетом объема Б (для общего объема А+Б).For the combustion process in one volume (excess air coefficient α = 1, while the heat utilization coefficient ξ _max ), two air excess factors should be taken into account:
- α combustion, characterizing the combustion process in volume A;
- α total, characterizing the process of heat use taking into account the volume B (for the total volume A + B).

Общий коэффициент α_общ. зависит от объемов Va, Vб, и α_сг и определяется из выражений:

α_общ> α_сг.. При максимальной нагрузке α_общ= 1,5-1,3..The overall coefficient α _total. depends on the volumes Va, Vb, and α _cg and is determined from the expressions:

α _total > α _sg .. At maximum load α _total = 1.5-1.3 ..

С уменьшением нагрузки двигателя уменьшается количество всасываемого воздуха, при этом степень сжатия ε в объеме А следует увеличивать с целью повышения давления сжатия Рс как при полной нагрузке, при этом возрастает термодинамический КПД η_т и индикаторный КПД η_i и увеличивается α_общ, для чего необходимо иметь изменяемый объем А камеры сгорания с помощью поршня 5, который будет перемещаться в объеме А на величину хода S.With a decrease in engine load, the amount of intake air decreases, while the compression ratio ε in volume A should be increased in order to increase the compression pressure Pc as at full load, while the thermodynamic efficiency η _t and indicator efficiency η _i increase and α _total increases, for which it is necessary have a variable volume A of the combustion chamber using a piston 5, which will move in volume A by the amount of stroke S.

При минимальной нагрузке (холостой ход) высота объема A=Hmin, при этом коэффициент избытка воздуха α_общ достигает максимальной величины α = 3 (для традиционных двигателей 0,95-1,15).At minimum load (idle), the height of the volume A = Hmin, while the coefficient of excess air α _total reaches a maximum value of α = 3 (for traditional engines 0.95-1.15).

Предлагаемая конструкция позволяет значительно увеличить термодинамический КПД η_т на 20% и степень сжатия ε = 15 на полной нагрузке и до ε = 20-30 на малых нагрузках (фиг.2), что позволяет уменьшить расход топлива на средних и малых нагрузках в 1,5-2 раза (фиг.3) при предельно низкой токсичности выхлопных газов при α = 3.
С увеличением степени сжатия компактность интегральной камеры сгорания (соотношение поверхность/объем) близка к оптимальной и недостижима в традиционных двигателях, что способствует уменьшению тепловых потерь и повышению значения политропы сжатия.The proposed design can significantly increase the thermodynamic efficiency η _t by 20% and the compression ratio ε = 15 at full load and up to ε = 20-30 at low loads (figure 2), which reduces fuel consumption at medium and low loads in 1, 5-2 times (figure 3) with extremely low exhaust emissions at α = 3.
With an increase in the compression ratio, the compactness of the integrated combustion chamber (surface / volume ratio) is close to optimal and unattainable in traditional engines, which helps to reduce heat loss and increase the value of the compression polytropic.

Claims

1. An internal combustion engine comprising at least one cylinder with a reciprocating piston moving in it and driving a crankshaft, cylinder head, combustion chamber, spark plug, characterized in that the combustion chamber is divided into at least two volumes, the combustion of the mixture occurs in only one volume, which is constant or variable, and the volumes of the combustion chamber are located either in the head or in the piston, or a combination of both layouts, and one of the volumes is divided into two volume, and they are also located either in the cylinder or in the piston, the combustion process takes place with air excess coefficient α = 1,5-3.
2. The engine according to claim 1, characterized in that a hole is made in the cylinder head to accommodate a nozzle for injecting fuel into the volume in which the mixture is combusted, and the exhaust valve for exhaust gases is located in a different volume.