RU2187004C1

RU2187004C1 - Method of organizing combustion and combustion chamber of carburetor engine

Info

Publication number: RU2187004C1
Application number: RU2001109691/06A
Authority: RU
Inventors: А.В. Капустин
Original assignee: Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-08-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; spark ignition piston internal combustion engines. SUBSTANCE: method comes to the following: with piston moving near top dead center entire volume of combustion chamber is divided into small volumes, and ignition and combustion in small volumes occur independently till the end of active heat liberation while danger of appearance of detonation exists. Then small volumes of mixture are united and combustion takes place in entire volume. To organize such combustion, special projections with mated surfaces are made on cylinder cover and piston crown. These projections move relative to each other when piston moves near top dead center and divide combustion chamber into two or several spaces, each space being furnished with displacer, spark plug, intake and discharge valves. EFFECT: improved antiknocking characteristics of carburetor engines. 15 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от искры. The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to piston internal combustion engines with spark ignition.

Задача изобретения - улучшение антидетонационных свойств двигателя. The objective of the invention is the improvement of antiknock properties of the engine.

Известно, чем больше диаметр цилиндра, тем выше требования двигателя к детонационной стойкости топлива. Например, увеличение диаметра цилиндра в два раза, с 60 до 120 мм, требует повышения октанового числа топлива в среднем на 12...14 ед. It is known that the larger the diameter of the cylinder, the higher the engine requirements for the detonation resistance of the fuel. For example, doubling the cylinder diameter, from 60 to 120 mm, requires increasing the octane number of fuel by an average of 12 ... 14 units.

Это объясняется особенностями развития и возникновения первичных очагов самовоспламенения в последней (несгоревшей) части заряда. Размеры этих очагов пропорциональны масштабу турбулентных пульсаций, а последние - линейным размерам камеры сгорания (КС). В процессе воспламенения таких очагов возрастает вероятность возникновения ударных волн с амплитудой, достаточной для инициирования воспламенения смежных объемов горючей смеси и, таким образом, зарождения детонационной волны. This is due to the features of the development and occurrence of primary foci of self-ignition in the last (unburned) part of the charge. The sizes of these foci are proportional to the scale of turbulent pulsations, and the latter to the linear dimensions of the combustion chamber (CS). In the process of ignition of such foci, the probability of occurrence of shock waves with an amplitude sufficient to initiate ignition of adjacent volumes of the combustible mixture and, thus, the generation of a detonation wave increases.

Самовоспламенение может вызвать детонацию, если к моменту его возникновения в последней части заряда осталось не менее 10% цикловой дозы топлива. В период активного тепловыделения процесса сгорания, который в современных двигателях при работе на режимах вероятного возникновения детонации составляет порядка 40...50^o поворота коленчатого вала (ПКВ), выгорает 90... 95 процентов цикловой дозы топлива.Self-ignition can cause detonation if, by the time it occurs, at least 10% of the cyclic dose of fuel is left in the last part of the charge. During the period of active heat emission of the combustion process, which in modern engines when operating under conditions of probable occurrence of detonation is about 40 ... 50 ^o rotation of the crankshaft (PCV), 90 ... 95 percent of the cyclic dose of fuel burns out.

Из изложенного следует, если разделить весь объем КС временно, при положении поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) (примерно ±30^o ПКВ относительно ВМТ), на более мелкие объемы и организовать в них независимое горение смеси на период активного тепловыделения, то склонность двигателя к детонации снизится.From the above it follows that if you divide the entire volume of the COP temporarily, with the piston near the top dead center (TDC) (approximately ± 30 ^° PKV relative to TDC), into smaller volumes and organize the independent combustion of the mixture in them for the period of active heat generation, then the propensity of the engine to detonation will decrease.

Известные способы организации процесса сгорания путем разделения всего объема КС на две или более частей можно отнести к постоянному или мгновенному разделению объема. Known methods of organizing the combustion process by dividing the entire volume of the COP into two or more parts can be attributed to the constant or instantaneous separation of the volume.

В первом случае весь объем КС делится на объемы основной камеры и дополнительной (предкамера или форкамера), соединенной с основной камерой каналами. Процесс сгорания в этих КС существенно отличается от предлагаемого способа, и, кроме того, двигатели с такими КС не получили широкого распространения в силу органически присущих им недостатков. In the first case, the entire volume of the CS is divided into the volumes of the main camera and the additional (pre-chamber or prechamber) connected to the main camera by channels. The combustion process in these CSs differs significantly from the proposed method, and, in addition, engines with such CSs are not widely used due to their inherent disadvantages.

Во втором случае разделение всего объема КС происходит на мгновение при положении поршня в ВМТ, и только начальная стадия процесса сгорания, когда нет опасности появления детонации, протекает в одном небольшом объеме. Основное же горение протекает во всем объеме КС, как и в однополостной КС при одинаковых степени сжатия и размерах цилиндра. Это камера с двухстадийным процессом сгорания, являющаяся прототипом данного изобретения (с. 48, Итоги науки и техники (двигатели внутреннего сгорания): Пути повышения экономичности автотракторных двигателей/ В. А.Лунье, В.А.Мангушев, И.В.Маркова. - ВИНИТИ, 1982, т.3, 232 с.)
Отличие предлагаемого способа организации сгорания состоит в том, что разделение всего объема КС на более мелкие происходит временно. Зажигание и последующее горение малых объемов смеси протекает независимо друг от друга в течение времени, пока существует опасность возникновения детонации, то есть до окончания активного тепловыделения. Затем малые объемы соединяются и в завершающей стадии процесса сгорания - фазе догорания горение протекает во всем объеме. При соединении объемов смесь дополнительно турбулизируется, что способствует более интенсивному горению. В результате увеличения как объема, так и интенсивности горения увеличивается полнота догорания топлива.In the second case, the separation of the entire volume of the SC occurs for an instant when the piston is in TDC, and only the initial stage of the combustion process, when there is no danger of detonation, proceeds in one small volume. The main combustion proceeds in the entire volume of the CS, as in a single-cavity CS with the same compression ratio and cylinder size. This is a chamber with a two-stage combustion process, which is the prototype of this invention (p. 48, Results of science and technology (internal combustion engines): Ways to increase the efficiency of automotive engines / V.A. Lunye, V.A. Mangushev, I.V. Markova. - VINITI, 1982, v. 3, 232 p.)
The difference of the proposed method of organizing combustion is that the separation of the entire volume of the COP into smaller ones occurs temporarily. The ignition and subsequent combustion of small volumes of the mixture proceeds independently of each other over time, while there is a risk of detonation, that is, until the end of active heat generation. Then, small volumes are combined and in the final stage of the combustion process - the afterburning phase, combustion takes place in the entire volume. When connecting volumes, the mixture is additionally turbulized, which contributes to more intense combustion. As a result of an increase in both the volume and the intensity of combustion, the completeness of burning of fuel increases.

Реализация такого способа организации сгорания показана на примере двухполостной камеры сгорания, схематично изображенной на фиг.1. Камера сгорания образована поверхностями крышки цилиндра 1, цилиндра 2 и поршня 3. На крышке цилиндра выполнен выступ 4, а на днище поршня - выступ 5. При движении поршня возле ВМТ выступы перемещаются друг относительно друга сопряженными поверхностями с зазором "а". Форма сопряженных поверхностей произвольная, вплоть до цилиндрической поверхности. Величина зазора "а" минимальна, исходя из конструктивных и технологических возможностей. The implementation of such a method of organizing combustion is shown by the example of a two-cavity combustion chamber, schematically depicted in figure 1. The combustion chamber is formed by the surfaces of the cylinder cover 1, cylinder 2 and piston 3. A protrusion 4 is made on the cylinder cover, and a protrusion 5 is made on the piston bottom. When the piston moves near TDC, the protrusions move relative to each other by mating surfaces with a clearance "a". The shape of the mating surfaces is arbitrary, up to a cylindrical surface. The size of the gap "a" is minimal, based on the design and technological capabilities.

Сопряженные поверхности выступов разделяют вблизи ВМТ весь объем КС на два объема, образуя полости I и II. Каждая полость имеет впускной 6, выпускной 7 клапаны, свечу зажигания 8 и вытеснители 9 и 10. Геометрической формой и расположением вытеснителей можно придать любую форму полостям как самостоятельным камерам сгорания. Аналогичным образом выступами, выполненными попарно на днище поршня и крышке цилиндра, можно разделить камеру сгорания на три и более полости. The conjugate surfaces of the protrusions near the TDC divide the entire volume of the CS into two volumes, forming cavities I and II. Each cavity has an inlet 6, an outlet 7 valves, a spark plug 8 and displacers 9 and 10. The geometrical shape and location of the displacers can give any shape to the cavities as independent combustion chambers. Similarly, the protrusions made in pairs on the piston bottom and the cylinder cover, you can divide the combustion chamber into three or more cavities.

Ввиду малости зазора "а" горение смеси в нем физически невозможно, поэтому в полостях I и II будет протекать независимое горение, пока поршень не переместится к нижней мертвой точке (НМТ) на величину перекрытия сопряженных поверхностей ΔS (см. фиг.2). В зависимости от степени сжатия, геометрической формы поверхностей, размеров вытеснителей и применяемого топлива величина перекрытия ΔS будет иметь оптимальное значение для каждой конкретной КС, и определить это значение можно только опытным путем. Due to the small gap “a”, burning of the mixture in it is physically impossible, therefore, independent combustion will proceed in cavities I and II until the piston moves to the bottom dead center (BDC) by the amount of overlap of the mating surfaces ΔS (see Fig. 2). Depending on the degree of compression, the geometric shape of the surfaces, the size of the propellants and the fuel used, the overlap value ΔS will have an optimal value for each specific compressor, and this value can only be determined empirically.

На основе вышеизложенного значение перекрытия, оцениваемое в градусах поворота коленчатого вала, можно принять в первом приближении равным ±30^o ПКВ относительно ВМТ. При компоновке конкретной КС величину перекрытия можно менять за счет зазоров "в" и "с". Для большинства КС, вплоть до степени сжатия 10, этого будет достаточно. В случае необходимости перекрытие ΔS можно увеличить путем выполнения канавок 11 и 12 в крышке и днище поршня и увеличения длины соответствующих выступов 4 и 5 (фиг.2).Based on the foregoing, the overlap value, estimated in degrees of rotation of the crankshaft, can be taken to a first approximation equal to ± 30 ^o PKV relative to TDC. When arranging a particular CS, the overlap value can be changed due to the gaps "b" and "c". For most CS, up to a compression ratio of 10, this will be enough. If necessary, the overlap ΔS can be increased by making the grooves 11 and 12 in the cap and the bottom of the piston and increasing the length of the corresponding protrusions 4 and 5 (figure 2).

Claims

1. The method of organizing the combustion process by dividing the entire volume of the combustion chamber into two or more parts, characterized in that the separation of the entire volume into small volumes, ignition and independent combustion of the mixture of small volumes is carried out temporarily until active heat is released, after which the volumes are connected and the burning of the mixture is carried out in its entirety.

2. The combustion chamber of the carburetor engine, formed by the surfaces of the cylinder cover, cylinder and piston, divided into two or more cavities, characterized in that on the cover and piston are made pairwise protrusions having mating surfaces of arbitrary shape that overlap each other when moving the piston near the upper dead center and temporarily divide the combustion chamber into two or more cavities, each cavity having a displacer of any shape, inlet, exhaust valves and spark plug.

3. The chamber according to claim 2, characterized in that the grooves for the corresponding protrusions are made in the cylinder cover and the piston bottom.