RU2215882C2

RU2215882C2 - Method of operation of internal combustion engine and device for its implementing

Info

Publication number: RU2215882C2
Application number: RU2002103685/06A
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Дорохов; С.А. Алимов; С.А. Каргин; И.В. Калинкин
Original assignee: Астраханский государственный технический университет
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: invention relates to methods of operation of internal combustion engines on heavy fuels, mainly diesel fuel, and it can be used in combination (carburetion and fuel injection) engines with forced ignition of working mixture. Engine uses carburetion and fuel injection. Carburetion is provided by introduction of part of fuel in amount of 40% of total cyclic delivery of fuel into suction duct by means of carburetor or injection is done by injecting remaining part of fuel in amount of 60% into cylinder with simultaneous forced ignition of mixture. Non-combusted fuel from precombustion chamber gets into main chamber and burns out in presence of air. Suction manifold is furnished with device to provide carburetion. Total volume of main chamber and additional chamber makes it possible to provide compression ratio ε = 9÷11. EFFECT: reduced specific fuel consumption and toxicity of exhaust gases. 3 cl, 1 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к способам работы двигателей внутреннего сгорания на тяжелом, преимущественно дизельном, топливе, с комбинированным (внешним и внутренним) смесеобразованием и принудительным воспламенением рабочей смеси. The invention relates to power engineering, in particular to methods of operating internal combustion engines on heavy, mainly diesel, fuel, with combined (external and internal) mixture formation and forced ignition of the working mixture.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем присадки легкого топлива к воздуху, подаваемому в цилиндры, с последующим впрыском дизельного топлива в сжатый заряд (см. авт. свид. СССР 769044, кл. F 02 В 49/00, 1980 г. ). Однако двигатели, реализующие известный способ, требуют сложного конструкционного обеспечения, вследствие чего надежность таких двигателей невысока. A known method of operation of an internal combustion engine by adding light fuel to the air supplied to the cylinders, followed by injection of diesel fuel into a compressed charge (see ed. Certificate of the USSR 769044, class F 02 B 49/00, 1980). However, engines implementing the known method require complex structural support, as a result of which the reliability of such engines is low.

Известен способ работы двигателей внутреннего сгорания, обладающих высокими степенями сжатия и работающих на тяжелых топливах, где в момент впрыска топлива в цилиндр оно принудительно воспламеняется от свечи зажигания, что практически исключает период задержки самовоспламенения, всегда присутствующий у двигателей с самовоспламенением и интенсифицирует процессы горения рабочей смеси и расширения продуктов сгорания (см. авт. свид. СССР 1126705, кл. F 02 В 19/00, 1980 г.). A known method of operation of internal combustion engines with high compression ratios and operating on heavy fuels, where at the time of injection of fuel into the cylinder it is forced to ignite from the spark plug, which virtually eliminates the delay period of self-ignition, always present in self-ignition engines and intensifies the combustion processes of the working mixture and expansion of combustion products (see ed. certificate of the USSR 1126705, class F 02 B 19/00, 1980).

Однако при впрыске топлива в цилиндр возле верхней мертвой точки процессы испарения топлива и смесеобразования его с воздухом не успевают развиться в полной мере, что не обеспечивает гомогенизации рабочей смеси но всему объему цилиндра и, следовательно, часть топлива не участвует в процессе сгорания, что ухудшает экономичность двигателя. However, when fuel is injected into the cylinder near the top dead center, the processes of fuel evaporation and mixture formation with air do not have time to fully develop, which does not ensure homogenization of the working mixture over the entire volume of the cylinder and, therefore, part of the fuel is not involved in the combustion process, which affects the economy engine.

Устройства для осуществления известных способов содержат основную камеру сгорания и дополнительную камеру сгорания, размещенную в головке цилиндра, снабженную форсункой и свечой зажигания. Devices for implementing the known methods comprise a main combustion chamber and an additional combustion chamber located in the cylinder head, equipped with a nozzle and spark plug.

Техническая задача - создание способа работы двигателя внутреннего сгорания с комбинированным - внешним и внутренним смесеобразованием тяжелого (дизельного) топлива с воздухом и остатками продуктов сгорания в цилиндре, при степени сжатия заряда в цилиндре в пределах ε = 9 ÷ 11, коэффициенте избытка, воздуха α = 1,0 ÷ 1,1 и принудительным воспламенением образовавшейся гомогенной рабочей смеси. The technical task is to create a method of operating an internal combustion engine with combined - external and internal mixture formation of heavy (diesel) fuel with air and the remains of combustion products in the cylinder, with the degree of compression of the charge in the cylinder within ε = 9 ÷ 11, the coefficient of excess, air α = 1,0 ÷ 1,1 and forced ignition of the resulting homogeneous working mixture.

Технический результат - усовершенствование способа, снижение удельного расхода топлива, уменьшение токсичности отработавших газов, снижение тепловой и механической напряженности элементов рабочего цилиндра, уменьшение массогабаритных показателей двигателя. Это достигается тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания включает сжатие и вытеснение воздуха из основной камеры сгорания в дополнительную камеру сгорания, впрыск топлива в дополнительную камеру сгорания, воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси от электрической искры, создаваемой устройством для зажигания, сгорание части топливовоздушной смеси, находящейся в форкамере, осуществляют комбинированное смесеобразование: внешнее и внутреннее, причем внешнее смесеобразование осуществляют введением части топлива в объеме 40% от полной цикловой подачи топлива во всасывающий коллектор, а внутреннее смесеобразование осуществляют путем впрыскивания в цилиндр оставшейся части топлива в объеме 60% от полной цикловой подачи топлива с одновременным принудительным воспламенением смеси, при этом несгоревшее топливо из форкамеры поступает в основную камеру сгорания и догорает при наличии воздуха. Работу двигателя осуществляют при степени сжатия заряда в цилиндре, находящейся в пределах ε = 9 ÷ 11 и коэффициенте воздуха α = 1,0 ÷ 1,1, угол опережения впрыскивания топлива при этом составляет 13÷17^o поворота коленчатого вала, а давление впрыскивания топлива - 11,5÷12,0 МПа.The technical result is an improvement of the method, reduction of specific fuel consumption, reduction of toxicity of exhaust gases, reduction of thermal and mechanical tension of the elements of the working cylinder, reduction of overall dimensions of the engine. This is achieved by the fact that the method of operation of the internal combustion engine includes compressing and displacing air from the main combustion chamber into the secondary combustion chamber, injecting fuel into the secondary combustion chamber, igniting the resulting air-fuel mixture from an electric spark created by the ignition device, and burning part of the air-fuel mixture located in the prechamber, they carry out combined mixture formation: external and internal, and external mixture formation is carried out by introducing part of the fuels in the amount of 40% of the total cyclic supply of fuel to the intake manifold, and internal mixture formation is carried out by injecting the remaining part of the fuel into the cylinder in the amount of 60% of the complete cyclic supply of fuel with simultaneous forced ignition of the mixture, while unburned fuel from the pre-chamber enters the main combustion chamber and burns out in the presence of air. The engine is operated at a compression ratio of the charge in the cylinder, which is in the range ε = 9 ÷ 11 and air coefficient α = 1.0 ÷ 1.1, the angle of advance of fuel injection in this case is 13 ÷ 17 ^o of crankshaft rotation, and the fuel injection pressure - 11.5 ÷ 12.0 MPa.

Устройство для осуществления способа содержит основную камеру сгорания, дополнительную камеру сгорания, свечу зажигания и форсунку, расположенные в дополнительной камере сгорания, при этом всасывающий коллектор снабжен устройством для обеспечения внешнего смесеобразования, причем основная камера сгорания и дополнительная камера сгорания имеют общий объем, позволяющий обеспечить степень сжатия в пределах значений ε = 9 ÷ 11. A device for implementing the method comprises a main combustion chamber, an additional combustion chamber, a spark plug and a nozzle located in the secondary combustion chamber, while the intake manifold is provided with a device for providing external mixture formation, the main combustion chamber and the additional combustion chamber having a total volume that allows to ensure the degree compression within the values of ε = 9 ÷ 11.

Описываемый способ осуществляется следующим образом. The described method is as follows.

Пример 1
В течение такта впуска во всасывающий коллектор двигателя подают часть топлива в объеме 40% от полной цикловой подачи топлива посредством карбюратора. Полная цикловая подача топлива должна обеспечивать коэффициент избытка воздуха α = 1,0 ÷ 1,1. Образовавшуюся при этом топливно-воздушную смесь подают в цилиндр, где топливо испаряется и перемешивается с воздухом, образуя качественную горючую смесь. В цилиндре, после закрытия всасывающего клапана, горючая смесь превращается в рабочую, смешиваясь с остатками продуктов сгорания. Затем рабочую смесь сжимают, чем еще больше улучшают качество смесеобразования, и вытесняют ее из основного объема цилиндра в дополнительную камеру сгорания, расположенную в головке цилиндра. В конце такта сжатия в дополнительную камеру сгорания впрыскивают через форсунку со штифтовым распылителем, связанную с насосом высокого давления, основную часть топлива в объеме 60% от общего объема цикловой подачи топлива. Угол опережения впрыскивания топлива при этом должен составлять 13÷17^o поворота коленчатого вала, а давление впрыскивания топлива при этом устанавливают 11,5÷12,0 MПa. Одновременно с подачей основной части топлива образовавшуюся рабочую смесь воспламеняют искрой от свечи зажигания. Подача искры при этом не должна запаздывать относительно подачи топлива более чем на 2^o поворота коленчатого вала. При этом возникают активные очаги воспламенения уже образовавшейся гомогенной смеси с добавкой вновь впрыснутого топлива, которое, попадая в возникшие очаги воспламенения, интенсивно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и активно сгорает. Образовавшееся рабочее тело расширяют.Example 1
During the intake stroke, a portion of the fuel is supplied to the intake manifold of the engine in the amount of 40% of the total cyclic supply of fuel through the carburetor. Full cyclic fuel supply should provide an excess air coefficient α = 1.0 ÷ 1.1. The resulting air-fuel mixture is fed into the cylinder, where the fuel evaporates and mixes with air, forming a high-quality combustible mixture. In the cylinder, after closing the suction valve, the combustible mixture turns into a working mixture, mixing with the remnants of the combustion products. Then the working mixture is compressed, the quality of mixture formation is further improved, and it is forced out of the main volume of the cylinder into an additional combustion chamber located in the cylinder head. At the end of the compression stroke, the main part of the fuel is injected into the additional combustion chamber through a nozzle with a pin spray associated with a high pressure pump in a volume of 60% of the total volume of the cyclic fuel supply. The lead angle of fuel injection should be 13 ÷ 17 ^{o of} rotation of the crankshaft, and the fuel injection pressure should be set to 11.5 ÷ 12.0 MPa. Simultaneously with the supply of the main part of the fuel, the resulting working mixture is ignited by a spark from the spark plug. The spark supply should not be delayed relative to the fuel supply by more than 2 ^o rotation of the crankshaft. In this case, active foci of ignition of an already formed homogeneous mixture with the addition of newly injected fuel arise, which, falling into the arising foci of ignition, intensively evaporates, mixes with excess air and actively burns. The resulting working fluid is expanded.

Пример 2
В течение такта впуска во всасывающий коллектор двигателя подают часть топлива в объеме 40% от полной цикловой подачи топлива посредством инжектора. Подача топлива инжектором производится в течение всего открытого состояния всасывающего клапана. Полная цикловая подача топлива должна обеспечивать коэффициент избытка воздуха α = 1,0 ÷ 1,1. Топливо вместе с воздухом подают в цилиндр, где топливо испаряется и перемешивается с воздухом, образуя качественную горючую смесь. В цилиндре, после закрытия всасывающего клапана, горючая смесь превращается в рабочую, смешиваясь с остатками продуктов сгорания. Затем рабочую смесь сжимают, чем еще больше улучшают качество смесеобразования и вытесняют ее из основного объема цилиндра в дополнительную камеру сгорания, расположенную в головке цилиндра. В конце такта сжатия в дополнительную камеру сгорания впрыскивают через форсунку с многодырчатым распылителем, связанную с насосом высокого давления, основную часть топлива в объеме 60% от общего объема цикловой подачи топлива. Угол опережения впрыскивания топлива при этом должен составлять 13÷17^o поворота коленчатого вала, а давление впрыскивания топлива при этом устанавливают 11,5÷12,0 МПа. Одновременно с подачей основной части топлива образовавшуюся рабочую смесь воспламеняют искрой от свечи зажигания. При этом возникают активные очаги воспламенения уже образовавшейся гомогенной смеси с добавкой вновь впрыснутого топлива, которое, попадая в возникшие очаги воспламенения, интенсивно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и активно сгорает. Образовавшееся рабочее тело расширяют.Example 2
During the intake stroke, a part of the fuel is supplied to the engine intake manifold in the amount of 40% of the total fuel cycle through the injector. The fuel is injected throughout the entire open state of the suction valve. Full cyclic fuel supply should provide an excess air coefficient α = 1.0 ÷ 1.1. Fuel together with air is fed into the cylinder, where the fuel evaporates and mixes with air, forming a high-quality combustible mixture. In the cylinder, after closing the suction valve, the combustible mixture turns into a working mixture, mixing with the remnants of the combustion products. Then the working mixture is compressed, the quality of mixture formation is further improved and it is forced out of the main volume of the cylinder into an additional combustion chamber located in the cylinder head. At the end of the compression stroke, the main part of the fuel is injected into the additional combustion chamber through a nozzle with a multi-hole sprayer associated with a high pressure pump in a volume of 60% of the total volume of the cyclic fuel supply. The angle of advance of fuel injection should be 13 ÷ 17 ^{o of} rotation of the crankshaft, and the fuel injection pressure should be set to 11.5 ÷ 12.0 MPa. Simultaneously with the supply of the main part of the fuel, the resulting working mixture is ignited by a spark from the spark plug. In this case, active foci of ignition of an already formed homogeneous mixture with the addition of newly injected fuel arise, which, falling into the arising foci of ignition, intensively evaporates, mixes with excess air and actively burns. The resulting working fluid is expanded.

Таким образом, реализация предложенного способа работы двигателя позволяет осуществлять рабочий процесс со значениями коэффициента избытка воздуха, близкими к величине α = 1,0, за счет предварительной организации хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии впуска при помощи внешнего смесеобразования, что даст возможность уменьшить габаритные размеры и массу двигателя при оптимальных значениях степени сжатия, находящихся в пределах ε = 9 ÷ 11, а также за счет принудительного воспламенения рабочей смеси в цилиндре, что позволит снизить максимальные значения давлений и температур рабочего цикла, чем будет обеспечено повышение надежности и работоспособности двигателя и снижение массогабаритных показателей двигателя. Высококачественная рабочая смесь, полученная в цилиндре за счет комбинированного смесеобразования, ее быстрое воспламенение посредством принудительного воспламенения и эффективное сгорание обеспечат высокую полноту сгорания топлива, что даст хорошую топливную экономичность и низкую токсичность отработавших продуктов сгорания. Thus, the implementation of the proposed method of engine operation allows for a workflow with excess air coefficient values close to α = 1.0, due to the preliminary organization of a well-prepared working mixture at the inlet stage using external mixture formation, which will make it possible to reduce the overall dimensions and engine mass at optimal compression ratios within ε = 9 ÷ 11, as well as due to forced ignition of the working mixture in the cylinder, which will reduce m ksimalnye values of pressures and temperatures of the working cycle, as will be provided increased reliability and efficiency and reduced engine weight and size of engine performance. The high-quality working mixture obtained in the cylinder due to the combined mixture formation, its rapid ignition by means of forced ignition, and efficient combustion ensure a high completeness of fuel combustion, which will give good fuel economy and low toxicity of the exhaust products of combustion.

В устройстве для осуществления описываемого способа всасывающий коллектор дополнительно снабжен устройством для обеспечения внешнего смесеобразования - карбюратором или инжектором. In the device for implementing the described method, the intake manifold is additionally equipped with a device for providing external mixture formation - a carburetor or an injector.

На чертеже показано устройство (в разрезе), реализующее описываемый способ работы двигателя внутреннего сгорания. The drawing shows a device (in section) that implements the described method of operation of an internal combustion engine.

Двигатель содержит основную камеру 1 сгорания, образованную поверхностями днища поршня 2 и головки цилиндра 3 и дополнительную камеру 4 сгорания, расположенную в головке цилиндра 3. В дополнительной камере 4 сгорания расположены форсунка 5 и свеча 6 зажигания. Причем основная камера 1 сгорания н дополнительная камера 4 сгорания имеют общий объем, позволяющий обеспечить степень сжатия в пределах значений ε = 9 ÷ 11. Всасывающий коллектор (не показан) снабжен устройством для обеспечения внешнего смесеобразования - карбюратором или инжектором (не показано). The engine comprises a main combustion chamber 1 formed by the surfaces of the piston bottom 2 and the cylinder head 3 and an additional combustion chamber 4 located in the cylinder head 3. In the additional combustion chamber 4, a nozzle 5 and a spark plug 6 are located. Moreover, the main combustion chamber 1 and the secondary combustion chamber 4 have a total volume that allows to provide a compression ratio in the range ε = 9 ÷ 11. An intake manifold (not shown) is equipped with a device for providing external mixture formation — a carburetor or injector (not shown).

Работа устройства для осуществления описываемого способа работы двигателя внутреннего сгорания. The operation of the device for implementing the described method of operation of an internal combustion engine.

В течение такта впуска во всасывающий коллектор посредством карбюратора или инжектора подается часть топлива, составляющая 40% от полной цикловой подачи топлива. Образовавшаяся при этом обедненная горючая смесь в течение такта сжатия вытесняется из основной камеры 1 сгорания в дополнительную камеру 4 сгорания. В конце такта сжатия в дополнительную камеру 4 сгорания посредством форсунки 5 впрыскивается основная часть топлива, составляющая 60% от полной цикловой подачи топлива. Одновременно с подачей основной части топлива рабочую смесь воспламеняют искрой от свечи 6 зажигания. При этом возникают активные очаги воспламенения уже образовавшейся гомогенной смеси с добавкой вновь впрыснутого топлива, которое, попадая в возникшие очаги воспламенения, интенсивно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и активно сгорает. Во время такта сгорания и расширения часть топливной смеси сгорает, остальное несгоревшее топливо поступает из дополнительной камеры 4 сгорания в основную камеру 1 сгорания, где полностью сгорает. During the intake stroke, a part of the fuel, comprising 40% of the total cyclic fuel supply, is supplied to the intake manifold by means of a carburetor or injector. The resulting lean fuel mixture during the compression stroke is displaced from the main combustion chamber 1 into an additional combustion chamber 4. At the end of the compression stroke, the main part of the fuel, which is 60% of the total cyclic fuel supply, is injected into the additional combustion chamber 4 by means of the nozzle 5. Simultaneously with the supply of the main part of the fuel, the working mixture is ignited by a spark from the spark plug 6. In this case, active foci of ignition of an already formed homogeneous mixture with the addition of newly injected fuel arise, which, falling into the arising foci of ignition, intensively evaporates, mixes with excess air and actively burns. During the cycle of combustion and expansion, part of the fuel mixture burns out, the remaining unburned fuel enters from the additional combustion chamber 4 into the main combustion chamber 1, where it completely burns.

Claims

1. The method of operation of the internal combustion engine, including compressing and displacing air from the main combustion chamber into the secondary combustion chamber, injecting fuel into the secondary combustion chamber, igniting the resulting fuel-air mixture from an electric spark created by the ignition device, burning part of the air-fuel mixture located in a prechamber, characterized in that the combined mixture formation is carried out: external and internal, the external mixture formation being carried out by introducing a part fuel in the amount of 40% of the total cyclic fuel supply to the intake manifold, and internal mixture formation is carried out by injecting the remaining part of the fuel into the cylinder in the amount of 60% of the total cyclic fuel supply with simultaneous forced ignition of the mixture, while unburned fuel from the prechamber enters the main chamber combustion and burns out in the presence of air.

2. The method according to p. 1, characterized in that the engine is operated at a compression ratio of the charge in the cylinder, which is in the range ε = 9 ÷ 11 and an excess air coefficient α = 1.0 ÷ 1.1, while the angle of advance of fuel injection is is 13 ÷ 17 ^o rotation of the crankshaft, and the fuel injection pressure is 11.5 ÷ 12.0 MPa.

3. A device for implementing the method according to PP. 1 and 2, containing the main combustion chamber, an additional combustion chamber, a spark plug and a nozzle located in the secondary combustion chamber, characterized in that the suction manifold is equipped with a device for providing external mixture formation, and the main combustion chamber and additional combustion chamber have a total volume that allows provide a compression ratio in the range of ε = 9 ÷ 11.