RU2210677C2

RU2210677C2 - Precumbustion chamber of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2210677C2
Application number: RU2001114439/06A
Authority: RU
Inventors: В.С. Барышников
Original assignee: Барышников Виктор Сергеевич
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2003-08-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: proposed precombustion chamber has space accommodating spark plug and communicating with main combustion chamber through bypass channel made in form of profiled de Laval nozzle whose inlet section has generatrix of outline defined by Vitoshinsky relation, and inlet section is made in form of paraboloid. EFFECT: reduced fuel consumption and toxicity of exhaust gases. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а конкретно к двигателям внутреннего сгорания, и предназначено для улучшения технико-экономических и экологических характеристик. The invention relates to engine building, and specifically to internal combustion engines, and is intended to improve technical, economic and environmental characteristics.

Известны форкамеры двигателей внутреннего сгорания, выполненные в головке блока цилиндров симметрично оси цилиндра, снабженные устройством зажигания и сообщенные с основной камерой сгорания соединительными каналами (см. , например, патент США 4442807, кл. F 02 B 19/18, 1984; патент РФ 2099550, F 02 B 19/18, 1995). Known pre-chambers of internal combustion engines made in the cylinder head symmetrically to the cylinder axis, equipped with an ignition device and connected to the main combustion chamber by connecting channels (see, for example, US patent 4442807, CL F 02 B 19/18, 1984; RF patent 2099550 F 02 B 19/18, 1995).

Недостатками таких форкамер являются высокая трудоемкость производства и технического обслуживания, а также невозможность использования на действующем и производимом парке автотехники, так как неизбежные изменения в конструкции двигателя потребуют затрат на дополнительное оборудование и корректировку технологии производства. Размещение известных форкамер в нижней части головки блока цилиндров затрудняет их техническое обслуживание и при необходимости демонтаж, так как потребуют разборку двигателя автомобиля. Указанные недостатки затрудняют внедрение известных форкамер на выпускающихся автомобилях и решение в реальном времени экологических проблем в крупных городах и на автотрассах. The disadvantages of such prechambers are the high complexity of production and maintenance, as well as the inability to use automotive equipment at the existing and manufactured fleet, as inevitable changes in the engine design will require additional equipment costs and production technology adjustments. Placing well-known prechambers in the lower part of the cylinder head complicates their maintenance and, if necessary, dismantling, as they will require disassembling the car engine. These shortcomings make it difficult to introduce well-known prechambers on cars and real-time environmental problems in large cities and highways.

Эти недостатки устранены в формкамере, описанной в патенте РФ 2032819, F 02 B 19/18, 1991, содержащей полость, имеющую свечу зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи цилиндрического перепускного канала с двумя коническими участками, первый из которых размещен между полостью и перепускным каналом, а второй размещен между перепускным каналом и основной камерой сгорания. Аналогичная форкамера описана в заявке Великобритании 1261176, кл. F 02 В 19/12, 1972. These disadvantages are eliminated in the form chamber described in RF patent 2032819, F 02 B 19/18, 1991, containing a cavity having a spark plug and in communication with the main combustion chamber of the engine using a cylindrical bypass channel with two conical sections, the first of which is located between the cavity and a bypass channel, and the second is located between the bypass channel and the main combustion chamber. A similar prechamber is described in UK application 1261176, cl. F 02 B 19/12, 1972.

Однако эти форкамеры имеют существенные недостатки, снижающие эффективность их функционирования. В перепускном канале, образованном двумя коническими и цилиндрическим участком, на линиях сопряжения конических и цилиндрической поверхностей вследствие мгновенного изменения кривизны обтекаемого профиля происходит соответствующее (скачкообразное) изменение газодинамических параметров (скорости течения, давления, температуры и др.) продуктов сгорания, что вызывает появление ряда (по длине канала) скачков уплотнения, резко снижающих эффективность преобразования потенциальной энергии продуктов предварительного сгорания в кинетическую энергию истекающей из канала струи. Дополнительное гидродинамическое сопротивление в таком канале имеет место в его цилиндрической части из-за пульсаций скорости истечения. В результате проявления этих процессов на выходе из перепускного канала образуется ударная волна, а длина струи и скорость истечения продуктов предварительного сгорания резко уменьшаются, что в свою очередь снижает эффективность воспламенения горючей смеси в основной камере сгорания и, как следствие, приводит к неполному сгоранию топлива и повышенной токсичности отработавших газов. However, these prechambers have significant drawbacks that reduce the efficiency of their functioning. In the bypass channel formed by two conical and cylindrical sections, on the mating lines of the conical and cylindrical surfaces, due to an instant change in the curvature of the streamlined profile, a corresponding (jump-like) change in the gas-dynamic parameters (flow velocity, pressure, temperature, etc.) of the combustion products occurs, which causes the appearance of a number (along the length of the channel) shock waves, sharply reducing the efficiency of the conversion of the potential energy of the products of preliminary combustion into kinetic energy of the jet flowing from the channel. Additional hydrodynamic resistance in such a channel takes place in its cylindrical part due to pulsations of the outflow velocity. As a result of the manifestation of these processes, a shock wave is formed at the outlet of the bypass channel, and the jet length and the rate of expiration of the preliminary combustion products decrease sharply, which in turn reduces the efficiency of ignition of the combustible mixture in the main combustion chamber and, as a result, leads to incomplete combustion of the fuel and increased exhaust emissions.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание компактной, простой конструкции форкамеры, обеспечивающей высокоэффективное сгорание топлива в цилиндре двигателя, простоту технического обслуживания и эксплуатации. The problem to which the present invention is directed, is to create a compact, simple design of the prechamber, providing highly efficient combustion of fuel in the engine cylinder, ease of maintenance and operation.

Требуемый технический результат достигается тем, что в форкамере двигателя внутреннего сгорания, содержащей полость, имеющую свечу зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного канала, согласно изобретению перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, входной участок которого имеет образующую, форма которой определена соотношением Витошинского, а выходной участок выполнен в форме параболоида. The required technical result is achieved by the fact that in the prechamber of the internal combustion engine containing a cavity having a spark plug and in communication with the main combustion chamber of the engine using the bypass channel, according to the invention the bypass channel is made in the form of a profiled Laval nozzle, the input section of which has a generatrix, the shape of which determined by the Vitoshinsky ratio, and the output section is made in the form of a paraboloid.

Выполнение перепускного канала в виде профилированного сопла Лаваля обеспечивает исключение гидродинамических потерь на скачки уплотнения и достижение на (в) выходном сечении максимального значения скорости истечения продуктов предварительного сгорания, необходимого для наиболее эффективного перемешивания, воспламенения и сгорания горючей смеси в основной камере сгорания. The implementation of the bypass channel in the form of a profiled Laval nozzle ensures the elimination of hydrodynamic losses due to shock waves and the attainment at the (in) output section of the maximum value of the rate of expiration of the preliminary combustion products necessary for the most efficient mixing, ignition and combustion of the combustible mixture in the main combustion chamber.

Построение входного (сужающегося) участка сопла по соотношению Витошинского обеспечивает его минимальную длину при минимальных потерях на трение при истечении, т.к. формула Витошинского представляет собой одну гладкую функцию без сопряжения между собой различных функционально не связанных кусочно-гладких кривых, что в свою очередь дает возможность обеспечить минимальную длину самого перепускного канала, ограниченную длиной резьбовой части свечи и малой поверхностью теплоотвода в головке блока цилиндров. The construction of the inlet (tapering) section of the nozzle according to the Vitoshinsky ratio ensures its minimum length with minimal friction losses during expiration, because Vitoshinsky’s formula represents one smooth function without pairing various functionally unconnected piecewise smooth curves, which in turn makes it possible to ensure the minimum length of the bypass channel itself, limited by the length of the threaded part of the candle and the small surface of the heat sink in the cylinder head.

Выполнение выходного (расширяющегося) участка сопла в виде параболоида вращения дополнительно минимизирует длину перепускного канала и обеспечивает оптимальную фокусировку истекающей струи продуктов предварительного сгорания за счет уменьшения потерь на расширение для увеличения длины истекающей струи, что необходимо для эффективного перемешивания и воспламенения горючей смеси в основной камере сгорания. The execution of the output (expanding) section of the nozzle in the form of a paraboloid of rotation additionally minimizes the length of the bypass channel and ensures optimal focusing of the effluent of the preliminary combustion products by reducing expansion losses to increase the length of the effluent jet, which is necessary for efficient mixing and ignition of the combustible mixture in the main combustion chamber .

Компактная, легко и быстро монтируемая и демонтируемая конструкция форкамеры обеспечивает простоту ее технического обслуживания, эксплуатации, производства и низкую себестоимость. The compact, easily and quickly assembled and disassembled design of the prechamber ensures ease of maintenance, operation, production and low cost.

Предложенное техническое решение не известно из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста-двигателестроителя, и промышленно применимо для производства форкамерно-факельных систем ДВС, то есть соответствует критериям патентоспособности. The proposed technical solution is not known from the available sources of information of the prior art, from which it does not explicitly follow for a specialist engine builder, and is industrially applicable for the production of front-chamber-flare ICE systems, that is, it meets the criteria of patentability.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который имеет иллюстративное значение и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения, где изображены: форкамера 1, смонтированная в резьбовом отверстии головки 2 блока цилиндров на месте свечи зажигания, содержащая полость 3, перепускной канал 4, выполненный в виде профилированного сопла Лаваля с контуром, образованным плавной кривой, и состоящий из входного 5 и выходного 6 участков. В верхней части полости 3 установлена свеча зажигания 7. The invention is illustrated by the drawing, which is illustrative and does not limit the scope of rights of the set of essential features of the claims, which depict: prechamber 1 mounted in the threaded hole of the cylinder head 2 in place of the spark plug, containing the cavity 3, the bypass channel 4, made in the form profiled Laval nozzle with a contour formed by a smooth curve, and consisting of input 5 and output 6 sections. In the upper part of the cavity 3, a spark plug 7 is installed.

По совокупности конструктивных признаков форкамера представляет собой импульсный реактивный двигатель, работающий в заторможенном (обращенном) режиме, в котором компоненты горючей смеси подаются через реактивное сопло. According to the set of design features, the prechamber is a pulsed jet engine operating in a braked (reverse) mode, in which the components of the combustible mixture are fed through a jet nozzle.

Входной участок 5 перепускного канала 4 имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой может быть определена, например, по известному соотношению Витошинского, а выходной участок 6 может быть построен в форме параболоида вращения. Сопряжение образующих двух участков можно выполнить по дуге окружности. The input section 5 of the bypass channel 4 has a generatrix in the form of a smooth curve, the shape of which can be determined, for example, by the well-known Vitoshinsky relation, and the output section 6 can be constructed in the form of a paraboloid of revolution. The conjugation of the generators of the two sections can be performed along an arc of a circle.

Устройство функционирует следующим образом. На такте сжатия ДВС топливно-воздушная смесь из основной камеры сгорания через перепускной канал 4 поступает в полость 3, где интенсивно перемешивается, так как температура в полости 3 достигает несколько сотен ^oС, что способствует интенсивной диффузии паров топлива и воздуха в малом объеме. При срабатывании свечи зажигания 7 горючая смесь быстро воспламеняется и сгорает, а давление и температура в полости 3 резко возрастают. Раскаленные до температуры Т=2500-3000^oС продукты сгорания под давлением около 100 ат истекают через перепускной канал 4, разгоняясь в нем до сверхзвуковой скорости. Попадая в основную камеру сгорания, раскаленная струя газов интенсивно перемешивает и поджигает находящуюся в ней топливно-воздушную смесь во всем ее объеме за счет конвективных, вихревых процессов. Дополнительная энергия топливно-воздушной смеси передается в виде тепла за счет внутреннего трения при торможении струи продуктов предварительного сгорания в топливно-воздушной смеси аналогично тому, как это происходит при вспрыске топлива в дизельных двигателях. Так в основной камере сгорания создаются практически идеальные условия для эффективных смесеобразования, воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси, что обеспечивает наивысшую скорость сгорания свежего заряда, полноту сгорания топлива и минимальную токсичность выхлопных газов ДВС.The device operates as follows. At the compression stroke of the internal combustion engine, the air-fuel mixture from the main combustion chamber through the bypass channel 4 enters the cavity 3, where it is intensively mixed, since the temperature in the cavity 3 reaches several hundred ^o C, which contributes to the intense diffusion of fuel and air vapors in a small volume. When the spark plug 7 is activated, the combustible mixture quickly ignites and burns, and the pressure and temperature in the cavity 3 increase sharply. Incandescent to a temperature T = 2500-3000 ^o С, the combustion products under a pressure of about 100 atm expire through the bypass channel 4, accelerating in it to supersonic speed. Once in the main combustion chamber, the hot gas stream intensively mixes and sets fire to the air-fuel mixture in it in its entirety due to convective, vortex processes. The additional energy of the fuel-air mixture is transferred in the form of heat due to internal friction during braking of the jet of pre-combustion products in the fuel-air mixture in the same way as it occurs when fuel is sprayed in diesel engines. So in the main combustion chamber almost ideal conditions are created for effective mixture formation, ignition and combustion of the fuel-air mixture, which ensures the highest rate of fresh charge combustion, the completeness of fuel combustion and the minimum toxicity of ICE exhaust gases.

Использование настоящего изобретения обеспечивает устойчивость работы ДВС на бедных смесях и низкооктановом топливе при снижении токсичности выхлопных газов в десятки раз. The use of the present invention ensures the stability of the internal combustion engine on lean mixtures and low-octane fuel while reducing exhaust emissions by tens of times.

Испытание предложенной форкамеры дало положительные результаты на автомобилях ВАЗ 2109, М 2140, ГАЗ 3110 и УАЗ-3303. Testing of the proposed prechamber gave positive results on VAZ 2109, M 2140, GAZ 3110 and UAZ-3303 vehicles.

Claims

A prechamber of an internal combustion engine containing a cavity having a spark plug and communicated with the main combustion chamber of the engine using a bypass channel, characterized in that the bypass channel is made in the form of a profiled Laval nozzle, the input section of which has a generatrix, the shape of which is determined by the Vitoshinsky ratio, and the output the site is made in the form of a paraboloid.