RU2182981C2

RU2182981C2 - Internal combustion engine and method of its operation

Info

Publication number: RU2182981C2
Application number: RU2000121615/06A
Authority: RU
Inventors: И.В. Кузнецов; Е.Г. Пономарев; нин С.Н. Дев; С.Н. Девянин
Original assignee: ООО Научно-производственное предприятие "Агродизель"
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2002-05-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; prechamber-torch ignition engines. SUBSTANCE: proposed engine has cylinder with piston, cylinder head in which combustion chamber is made and prechamber with spark plug communicating with combustion chamber through nozzle channel. Intake manifold placed into communication with fuel metering element and throttle valve. Prechamber is connected with supply main line furnished with air fuel metering devices. Drive booster is placed in supply main line before air metering element. Booster can be mechanically coupled with shaft or driven by electric motor. It can be furnished with bypass pipe accommodating shutoff member united with air metering element of supply main line. Such design provides filling of prechamber with fresh charge at different positions of throttle valve in intake manifold and at any shaft speed. EFFECT: improved efficiency of operation over entire range of load and speed of shaft. 10 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в частности с продуваемыми форкамерами. The invention relates to the field of engineering and can be used in reciprocating internal combustion engines, in particular with purged prechambers.

Известны двигатели внутреннего сгорания, содержащие цилиндр, в котором размещен поршень, подсоединенный к коленчатому валу и совершающий возвратно-поступательное движение, головку цилиндра, в которой изготовлены камера сгорания и сообщенная с ней, по меньшей мере, через один сопловой канал форкамера со свечой зажигания, соединенная через вспомогательный клапан и впускной канал с магистралью питания, оснащенной элементами для дозирования воздуха и топлива, и впускной коллектор, соединенный через впускной патрубок и впускной клапан с камерой сгорания и оснащенный топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой, сблокированной с элементом для дозирования воздуха [1]. Known internal combustion engines containing a cylinder in which a piston is placed connected to the crankshaft and performs reciprocating motion, a cylinder head in which the combustion chamber is made and communicated with it through at least one nozzle channel of the prechamber with a spark plug, connected through an auxiliary valve and inlet to a supply line equipped with elements for dispensing air and fuel, and an inlet manifold connected through an inlet pipe and an inlet valve to a combustion measure and equipped with a fuel metering body and a throttle valve interlocked with an element for dosing air [1].

Известны также способы работы двигателя внутреннего сгорания, характеризующиеся впуском топливовоздушного заряда в цилиндр через впускной коллектор, впускной патрубок и впускной клапан, изменением количества заряда в зависимости от открытия дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала, дозированием в магистраль питания воздуха и топлива для образования богатой смеси, которую направляют в форкамеру через впускной канал и вспомогательный впускной клапан, сжатием заряда в цилиндре, зажиганием богатой смеси в форкамере и воспламенением заряда в камере сгорания продуктами сгорания богатой смеси [2]. There are also known methods of operating an internal combustion engine, characterized by the inlet of a fuel-air charge into the cylinder through the intake manifold, inlet pipe and intake valve, by changing the amount of charge depending on the opening of the throttle and the crankshaft speed, by dosing air and fuel into the fuel supply line to form a rich mixture which is sent to the prechamber through the inlet channel and the auxiliary inlet valve by compressing the charge in the cylinder, igniting the rich mixture in the prechamber and charge inflammation in the combustion chamber by the combustion products of a rich mixture [2].

В известных двигателях, работающих по известным способам, практически невозможно получить необходимую характеристику расхода воздуха, поступающего в форкамеру, что не дает возможности получить хорошую экономичность при работе двигателя на частичных нагрузках и удовлетворительную мощность при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой. Это объясняется тем, что при переходе двигателя с работы на частичных нагрузках к работе с полностью открытой дроссельной заслонкой из-за снижения разрежения в цилиндре и дросселирующего эффекта сопловых каналов форкамеры происходит резкое снижение расхода воздуха, поступающего в форкамеру, что затрудняет продувку форкамеры и получение смесей необходимого состава. Снижение продувки форкамеры происходит и при увеличении частоты вращения коленчатого вала. Эти недостатки приводят к не эффективному сгоранию в форкамере и к повышенным выбросам углеводородов с отработавшими газами при изменении режима работы двигателя. В соответствии с этим выбирают компромиссные решения, которые удовлетворяют тем или иным требованиям, но не позволяют получать оптимальные показатели двигателя для широкого изменения режимов работы. In known engines operating according to known methods, it is practically impossible to obtain the necessary characteristic of the air flow entering the prechamber, which makes it impossible to obtain good economy when the engine is operating at partial loads and a satisfactory power when working with a fully open throttle. This is due to the fact that when the engine switches from operating at partial loads to operating with a fully open throttle valve due to a decrease in vacuum in the cylinder and the throttling effect of the nozzle channels of the prechamber, there is a sharp decrease in the air flow entering the prechamber, which makes it difficult to purge the prechamber and produce mixtures the necessary composition. A decrease in the purge of the prechamber also occurs with an increase in the crankshaft speed. These shortcomings lead to inefficient combustion in the prechamber and to increased emissions of hydrocarbons with exhaust gases when the engine operating mode changes. In accordance with this, compromise solutions are selected that satisfy certain requirements, but do not allow obtaining optimal engine performance for a wide change in operating modes.

Задачей предлагаемого изобретения является получение оптимальных характеристик расхода воздуха, а, следовательно, и состава богатой смеси путем принудительного ее подвода в форкамеру во всем диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, что позволит осуществлять эффективную работу двигателя на любом из изменяющихся рабочих режимов. The objective of the invention is to obtain the optimal characteristics of air flow, and, consequently, the composition of the rich mixture by forcing it into the prechamber over the entire range of changes in load and crankshaft speed, which will allow efficient operation of the engine in any of the changing operating modes.

Согласно поставленной задаче, целью изобретения являлось улучшение экономичности и увеличение мощности двигателя при снижении выбросов углеводородов с отработавшими газами. According to the task, the aim of the invention was to improve efficiency and increase engine power while reducing emissions of hydrocarbons with exhaust gases.

Для этого в двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, в котором размещен поршень, подсоединенный к коленчатому валу и совершающий возвратно-поступательное движение, головку цилиндра, в которой изготовлены камера сгорания и сообщенная с ней, по меньшей мере, через один сопловой канал форкамера со свечой зажигания, соединенная через вспомогательный клапан и впускной канал с магистралью питания, оснащенной элементами для дозирования воздуха и топлива, и впускной коллектор, соединенный через впускной патрубок и впускной клапан с камерой сгорания и оснащенный топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой, сблокированной с элементом для дозирования воздуха, причем в магистрали питания перед элементом для дозирования воздуха размещен приводной нагнетатель; привод нагнетателя может быть кинематически соединен с коленчатым валом или выполнен в виде электродвигателя, а коленчатый вал снабжен датчиком частоты вращения, который подключен к электродвигателю через блок регулирования; дроссельная заслонка может быть снабжена датчиком ее открытия, подключенным к блоку регулирования; нагнетатель может быть снабжен байпасным трубопроводом, в котором размещен запорный орган, сблокированный с элементом для дозирования воздуха, или через блок регулирования с датчиком открытия дроссельной заслонки. For this, in an internal combustion engine containing a cylinder in which a piston is placed connected to the crankshaft and reciprocating, the cylinder head in which the combustion chamber is made and communicated with it through at least one nozzle channel of the prechamber with a candle ignition, connected through an auxiliary valve and inlet to a supply line equipped with elements for dispensing air and fuel, and an intake manifold connected through an inlet pipe and an inlet valve with a combustion chamber and equipped with a fuel injection body and a throttle valve interlocked with an element for metering air, and in the supply line in front of the element for metering air there is a drive supercharger; the supercharger drive can be kinematically connected to the crankshaft or made in the form of an electric motor, and the crankshaft is equipped with a speed sensor, which is connected to the electric motor through the control unit; the throttle can be equipped with a sensor for opening it, connected to the control unit; the supercharger can be equipped with a bypass pipe, in which a shut-off element is located, interlocked with an element for dosing air, or through a control unit with a throttle opening sensor.

В способе работы двигателя внутреннего сгорания, характеризующимся впуском топливовоздушного заряда в цилиндр через впускной коллектор, впускной патрубок и впускной клапан, изменением количества заряда в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала, дозированием в магистраль питания воздуха и топлива для образования богатой смеси, которую направляют в форкамеру через впускной канал и вспомогательный впускной клапан, сжатием заряда в цилиндре, зажиганием богатой смеси в форкамере и воспламенением заряда в камере сгорания продуктами сгорания богатой смеси, причем в магистрали питания воздух сжимают в нагнетателе и увеличивают его расход при увеличении частоты вращения коленчатого вала и при открытии дроссельной заслонки, либо путем открытия элемента для дозирования воздуха, либо путем уменьшения перепуска части сжатого воздуха на впуск нагнетателя, либо путем уменьшения перепуска части сжатого воздуха на впуск нагнетателя и открытия элемента для дозирования воздуха. In the method of operation of an internal combustion engine, characterized by the intake of air-fuel charge into the cylinder through the intake manifold, intake port and intake valve, changing the amount of charge depending on the position of the throttle and the speed of the crankshaft, dispensing air and fuel into the fuel supply line to form a rich mixture, which is sent to the prechamber through the inlet channel and the auxiliary inlet valve, compressing the charge in the cylinder, igniting the rich mixture in the prechamber and igniting charge in the combustion chamber by the combustion products of a rich mixture, and in the supply line, air is compressed in the supercharger and its flow rate increases when the crankshaft rotates and when the throttle is opened, either by opening the element for dosing air or by reducing the bypass of part of the compressed air to the inlet supercharger, or by reducing the bypass of a part of the compressed air to the inlet of the supercharger and opening the element for dosing air.

Анализ патентной документации и научно-технической литературы не выявил двигателей внутреннего сгорания и способов их работы с заявленной совокупностью существенных признаков. The analysis of patent documentation and scientific and technical literature did not reveal internal combustion engines and how they work with the claimed combination of essential features.

Сущность изобретения поясняется графически. The invention is illustrated graphically.

На фиг.1 показан форкамерный двигатель внутреннего сгорания в разрезе по камере сгорания и форкамере; на фиг.2 - схема форкамерного двигателя внутреннего сгорания с системой впуска и блоком регулирования основных параметров; на фиг.3 - схема движения воздуха в магистрали питания при работе двигателя на частичных нагрузках; на фиг.4 - схема движения воздуха в магистрали питания при работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой. Figure 1 shows a prechamber internal combustion engine in section along the combustion chamber and prechamber; figure 2 is a diagram of a prechamber internal combustion engine with an intake system and a control unit for the main parameters; figure 3 - diagram of the movement of air in the power line when the engine is at partial loads; figure 4 - diagram of the movement of air in the power line when the engine is running with a fully open throttle.

Как показано на фиг.1, двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, подсоединенный к коленчатому валу 3 и совершающий возвратно-поступательное движение. В головке 4 цилиндра 1 изготовлены камера сгорания 5 и сообщенная с ней, по меньшей мере, через один сопловой канал 6 форкамера 7 со свечой зажигания 8. Камера сгорания 5 соединена через впускной клапан 9 и впускной патрубок 10 с впускным коллектором 11, в котором размещена дроссельная заслонка 12, управляющая нагрузкой двигателя. Система впуска топливовоздушного заряда в цилиндр 1 имеет топливодозирующий орган, в качестве которого может быть использована форсунка 13, расположенная во впускном патрубке 10 и подсоединенная к топливному баку 14 через топливопровод 15. В качестве системы дозирования топливовоздушного заряда в цилиндре 1 может быть использован и карбюратор (не показан). Форкамера 7 соединена через вспомогательный клапан 16 и впускной канал 17 с магистралью 18, оснащенной элементом 19 для дозирования воздуха и элементом 20 для дозирования топлива. Элемент 19 может быть выполнен в виде дроссельной заслонки, а элементом 20 может быть форсунка, в частности общая для работы всех форкамер 7 (см. фиг.2). Существо изобретения не изменится, если в качестве элементов 19 и 20 будет использован карбюратор (не показан). Дроссельная заслонка 12 может быть соединена с элементом 19 механическим приводом, либо дроссельная заслонка 12 может быть оснащена датчиком 21 ее открытия, который через блок регулирования 22, управляет положением элемента 19 в магистрали питания 18. В качестве датчика 21 может быть использован датчик разрежения во впускном коллекторе 11. В магистрали питания 18 перед элементом 19 для дозирования воздуха размещен приводной нагнетатель 23. Привод нагнетателя 23 может быть осуществлен непосредственно от коленчатого вала 3, как это условно показано на фиг.2, а может быть осуществлен электродвигателем 24, подсоединенным к аккумулятору и управляемым датчиком 25 частоты вращения коленчатого вала 3 через блок регулирования 22. Впускной патрубок нагнетателя 23 может быть соединен с его впускным патрубком 27 через байпасный трубопровод 28, в котором размещен запорный орган 29, сблокированный либо механически с элементом 19, либо через блок регулирования 22 с датчиком 21 поворота дроссельной заслонки 12. As shown in FIG. 1, the internal combustion engine comprises a cylinder 1 in which a piston 2 is placed connected to a crankshaft 3 and reciprocating. In the cylinder head 4 of cylinder 1, a combustion chamber 5 is made and connected to it through at least one nozzle channel 6 of the prechamber 7 with the spark plug 8. The combustion chamber 5 is connected via an inlet valve 9 and an inlet pipe 10 to an intake manifold 11 in which throttle valve 12, which controls the engine load. The air-fuel charge inlet system in cylinder 1 has a fuel-injection unit, which can be used by a nozzle 13 located in the inlet pipe 10 and connected to the fuel tank 14 through the fuel pipe 15. A carburetor can also be used as a fuel-air metering system in the cylinder 1 ( not shown). The prechamber 7 is connected through an auxiliary valve 16 and the inlet channel 17 to the highway 18, equipped with an element 19 for dosing air and an element 20 for dosing fuel. Element 19 can be made in the form of a throttle valve, and element 20 can be a nozzle, in particular, common for the operation of all chamber 7 (see figure 2). The invention will not change if a carburetor (not shown) is used as elements 19 and 20. The throttle valve 12 can be connected to the element 19 by a mechanical drive, or the throttle valve 12 can be equipped with a sensor 21 for opening it, which, through the control unit 22, controls the position of the element 19 in the supply line 18. As a sensor 21, a rarefaction sensor in the inlet can be used the collector 11. In the supply line 18 in front of the air metering element 19, a drive supercharger 23 is placed. The supercharger 23 can be driven directly from the crankshaft 3, as it is conventionally shown on figure 2, but can be carried out by an electric motor 24 connected to the battery and controlled by the sensor 25 of the rotational speed of the crankshaft 3 through the control unit 22. The inlet pipe of the supercharger 23 can be connected to its inlet pipe 27 through the bypass pipe 28, in which the shut-off element is located 29, interlocked either mechanically with the element 19, or through the control unit 22 with the sensor 21 of the rotation of the throttle 12.

При работе двигателя во впускной коллектор 11 и в магистраль питания 18 поступает воздух. Расход воздуха через впускной коллектор 11 регулируется дроссельной заслонкой 12 так, что при работе двигателя на частичной нагрузке дроссельная заслонка 12 прикрыта, а при работе на полной нагрузке она полностью открывается. В зависимости от положения дроссельной заслонки 12 и частоты вращения коленчатого вала 3 на головку открытого впускного клапана 9 при помощи форсунки 13 впрыскивается топливо и образовавшийся относительно бедный топливовоздушный заряд поступает в цилиндр 1 при движении поршня 2 к нижней мертвой точке. В тоже время в магистрали питания 18 происходит сжатие воздуха в приводном нагнетателе 23. Расход сжатого воздуха в магистрали питания 18 изменяют элементом 19 в зависимости от расхода воздуха, поступающего в цилиндр 1, или при помощи механической связи (показано пунктирной линией) между дроссельной заслонкой 12 и элементом 19, или от сигнала датчика 21 через блок регулирования 22. В сжатый воздух форсункой 20 впрыскивается топливо, и образовавшаяся богатая топливовоздушная смесь через впускной канал 17 и открытый вспомогательный клапан 16 поступает в форкамеру 7. При движении поршня 2 к верхней мертвой точке происходит сжатие относительно бедного топливовоздушного заряда в цилиндре 1 и относительно богатой смеси в форкамере 7. В конце сжатия в форкамере 7 свечей зажигания 8 происходит зажигание богатой смеси. Давление в форкамере 7 возрастает и продукты сгорания богатой смеси через сопловой канал 6 воспламеняют относительно бедный топливовоздушный заряд в камере сгорания 5, который сгорает с высокой скоростью и полнотой. Поршень 1 под действием продуктов сгорания движется к нижней мертвой точке, осуществляя полезную работу. When the engine is running, air enters the intake manifold 11 and the power line 18. The air flow through the intake manifold 11 is regulated by the throttle valve 12 so that when the engine is operating at partial load, the throttle valve 12 is closed, and when operating at full load it opens completely. Depending on the position of the throttle valve 12 and the rotational speed of the crankshaft 3, fuel is injected onto the head of the open intake valve 9 using the nozzle 13 and the resulting relatively poor air-fuel charge enters the cylinder 1 when the piston 2 moves to the bottom dead center. At the same time, in the supply line 18, air is compressed in the drive supercharger 23. The flow rate of compressed air in the supply line 18 is changed by element 19 depending on the flow rate of air entering the cylinder 1, or by means of a mechanical connection (shown by a dashed line) between the throttle valve 12 and element 19, or from the signal of the sensor 21 through the control unit 22. Fuel is injected into the compressed air by the nozzle 20, and the resulting rich air-fuel mixture through the inlet channel 17 and the open auxiliary valve 16 is received a precombustion chamber 7. When the piston 2 to the top dead point of compression is relatively poor fuel-air charge in the cylinder 1 and a relatively rich mixture in the precombustion chamber 7. At the end of compression in the prechamber spark plug 7 8 ignition occurs rich mixture. The pressure in the prechamber 7 increases and the products of combustion of the rich mixture through the nozzle channel 6 ignite a relatively poor air-fuel charge in the combustion chamber 5, which burns with high speed and fullness. The piston 1 under the action of combustion products moves to the bottom dead center, carrying out useful work.

Работа двигателя может происходить и при наличии байпасного трубопровода 28 с запорным органом 29, соединяющего выпускной патрубок 27 нагнетателя 22 с его впускным патрубком 26 (см. фиг.3 и 4). На режимах холостого хода и частичных нагрузках работа двигателя происходит с частично открытым запорным органом 29, как это показано на фиг.3. При увеличении нагрузки увеличивается открытие дроссельной заслонки 12 и открытие элемента 19. При этом запорный орган 29 прикрывает байпасный канал 28, уменьшая перетекание сжатого воздуха во впускной патрубок 26 нагнетателя 23. При работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой 12 элемент 19 открывает магистраль питания 18, а запорный орган 29 закрывает байпасный трубопровод 28 и весь сжатый воздух поступает в форкамеру 7, как это показано на фиг.4. The operation of the engine can occur in the presence of a bypass pipe 28 with a shut-off element 29 connecting the exhaust pipe 27 of the supercharger 22 with its inlet pipe 26 (see Fig. 3 and 4). At idle and partial loads, the engine operates with a partially open shut-off element 29, as shown in Fig.3. When the load increases, the opening of the throttle valve 12 and the opening of the element 19 increase. At the same time, the shut-off element 29 covers the bypass channel 28, reducing the flow of compressed air into the inlet pipe 26 of the supercharger 23. When the engine is operating with the throttle valve 12 fully open, the element 19 opens the supply line 18, and the locking element 29 closes the bypass pipe 28 and all the compressed air enters the prechamber 7, as shown in Fig.4.

Источники информации
1. Патент России 2044897, кл. F 02 B 19/00, 1995.Sources of information
1. Patent of Russia 2044897, cl. F 02 B 19/00, 1995.

2. Патент Японии 50-12529, кл. 50 B1, 1975. 2. Japanese Patent 50-12529, cl. 50 B1, 1975.

Claims

1. An internal combustion engine comprising a cylinder in which a piston is placed, connected to the crankshaft and reciprocating, a cylinder head in which the combustion chamber is made and connected to it through at least one nozzle channel of the prechamber with a spark plug connected through an auxiliary valve and inlet to a supply line equipped with elements for dispensing air and fuel, and an intake manifold connected through an inlet pipe and an inlet valve to a chamber with burning out and fitted toplivodoziruyuschim body and the throttle valve interlocked with a dispensing element for air, characterized in that the supply lines to the element for dispensing air blower disposed drive.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the supercharger drive is kinematically connected to the crankshaft.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the supercharger drive is made in the form of an electric motor, and the crankshaft is equipped with a speed sensor, which is connected to the electric motor through a control unit.

4. The engine according to paragraphs. 1 and 3, characterized in that the throttle is equipped with a sensor for opening it, connected to the control unit.

5. The engine according to paragraphs. 1-4, characterized in that the supercharger is equipped with a bypass pipe, in which there is a shut-off element, interlocked with an element for dispensing air.

6. The engine according to paragraphs. 1-5, characterized in that the locking element and the element for dispensing air are blocked through the control unit with a throttle opening sensor.

7. The method of operation of the engine according to claim 1, characterized by the inlet of the air-fuel charge into the cylinder through the intake manifold, inlet pipe and intake valve, changing the amount of charge depending on the position of the throttle and the speed of the crankshaft, dispensing air and fuel to the fuel supply line to form rich mixture, which is sent to the prechamber through the inlet channel and the auxiliary inlet valve, compressing the charge in the cylinder, igniting the rich mixture in the prechamber and igniting the charge in the chamber combustion by the combustion products of a rich mixture, characterized in that the air is compressed in the supercharger in the supply line and its flow rate increases with an increase in the crankshaft speed and with the opening of the throttle valve.

8. The method according to p. 7, characterized in that the flow rate of compressed air is increased by opening the element for dispensing air.

9. The method according to PP. 7-8, characterized in that the flow rate of compressed air is changed by transferring part of it to the inlet of the supercharger.

10. The method according to PP. 7-9, characterized in that the flow rate of compressed air is increased by transferring part of it to the inlet of the supercharger and opening the element for dispensing air.