RU2232906C1

RU2232906C1 - Method to organize stage-by-stage combustion in piston engine

Info

Publication number: RU2232906C1
Application number: RU2003101806/06A
Authority: RU
Inventors: А.В. Капустин (RU); А.В. Капустин; С.Б. Павлов (RU); С.Б. Павлов; К.И. Капустин (RU); К.И. Капустин
Original assignee: ГОУ СПО Новгородский гидромелиоративный техникум
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-07-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: according to invention, combustion chamber is temporarily divided into two or more spaces, one of which is spark plug space. Burning starts in spark plug space and continues independently until pressure of gases in spark plug and adjacent spaces reaches critical ratio, after which spaces are united. Burning gases with critical velocity ignite mixture in adjacent space. Each following space is united in turn with preceding spaces at critical ratio of gas pressures, and mixture in following space is ignited by burning gases from preceding spaces flowing at critical velocity. As a result, flame envelopes last portions of charge in adjacent and following spaces before their self-ignition.

EFFECT: improved antiknocking properties of spark-ignition internal combustion piston engines.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.The invention relates to the field of engineering, in particular to engine building.

Известен способ организации процесса сгорания путем временного разделения камеры сгорания (КС) на отдельные полости, зажигания от искры и независимого сгорания смесей в полостях до окончания активного тепловыделения, последующего объединения полостей и догорания смеси в общем объеме (см. RU 2187004 С1, МПК 7 F 02 В 23/08, 2002 - прототип).A known method of organizing the combustion process by temporarily separating the combustion chamber (KS) into separate cavities, ignition from a spark and independent combustion of mixtures in the cavities until the end of active heat generation, the subsequent integration of the cavities and afterburning of the mixture in the total volume (see RU 2187004 C1, IPC 7 F 02 B 23/08, 2002 - prototype).

В этом способе перекрытие полостей может достигать ±30° поворота коленчатого вала (ПКВ) относительно верхней мертвой точки (ВМТ). В двигателе с кривошипно-шатунным механизмом при радиусе 50 мм и отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равным 0,3, это перекрытие соответствует перемещению поршня на 8,6 мм.In this method, the overlap of the cavities can reach ± 30 ° of rotation of the crankshaft (PKV) relative to the top dead center (TDC). In an engine with a crank mechanism with a radius of 50 mm and a ratio of the radius of the crank to the length of the connecting rod equal to 0.3, this overlap corresponds to a piston movement of 8.6 mm.

Осуществить такое перекрытие полостей и при этом выдержать все конструктивные требования к компоновке КС достаточно сложно, что является недостатком данного способа.To carry out such overlapping of the cavities and at the same time to withstand all the structural requirements for the layout of the COP is quite difficult, which is the disadvantage of this method.

Задача изобретения - улучшение антидетонационных свойств поршневого двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от искры.The objective of the invention is to improve the antiknock properties of a reciprocating internal combustion engine with spark ignition.

Поставленная задача достигается тем, что в способе организации процесса постадийного сгорания в поршневом двигателе путем временного разделения камеры сгорания на свечную и бессвечные полости, зажигания от искры и временного независимого горения смеси в свечной полости, поочередного объединения полостей и зажигания смеси в бессвечных полостях горящими газами, догорания в объединенном объеме независимое горение осуществляют до критического отношения давлений газов между полостями и зажигание смеси в очередной полости осуществляют горящими газами от предыдущих полостей с критической скоростью их истечения.This object is achieved in that in a method for organizing a step-by-step combustion process in a piston engine by temporarily separating the combustion chamber into a candle and non-spark cavity, igniting from a spark and temporarily independently burning the mixture in the candle cavity, sequentially combining the cavities and igniting the mixture in the non-cavity by burning gases, After burning in the combined volume, independent combustion is carried out to a critical ratio of gas pressures between the cavities and the mixture is ignited in the next cavity oryaschimi gases from the previous cavities with a critical rate of their expiration.

Сущность способа состоит в том, что КС временно разделяется на две или более полости, одна из которых свечная. Горение начинается в свечной полости и протекает независимо до тех пор, пока перепад давлений газов в свечной и в смежной с ней полостях не достигнет критического отношения. Затем эти полости объединяются. Горящие газы из свечной полости с критической скоростью истечения зажигают смесь в смежной полости. Каждая последующая полость поочередно объединяется с предыдущими, в которых протекает горение, при достижении между ними критического отношения давлений. Зажигание смеси в очередной полости происходит горящими газами с критической скоростью истечения из предыдущей полости. Таким образом, постадийно от полости к полости протекает процесс сгорания. Догорание смеси происходит в объединенном объеме.The essence of the method is that the COP is temporarily divided into two or more cavities, one of which is suppository. Combustion begins in the suppository cavity and proceeds independently until the pressure difference in the suppository and in adjacent cavities reaches a critical ratio. Then these cavities are combined. Burning gases from a candle cavity with a critical flow rate ignite the mixture in an adjacent cavity. Each subsequent cavity is alternately combined with the previous ones, in which combustion takes place, when a critical pressure ratio is reached between them. Ignition of the mixture in the next cavity occurs with burning gases with a critical rate of flow from the previous cavity. Thus, the combustion process proceeds stepwise from cavity to cavity. The combustion of the mixture occurs in a combined volume.

Для пояснения изобретения приведены чертежи. На фиг.1 показана схематично двухполостная камера сгорания. Выступы на крышке цилиндра 1 и поршня 2 разделяют КС на свечную I и бессвечную II полости. Зазор Δ между выступами выполняется минимальным, исходя из технологических возможностей и экономической целесообразности. При положении поршня в ВМТ выступы перекрывают друг друга на величину δ.To explain the invention, the drawings. Figure 1 shows schematically a two-cavity combustion chamber. The protrusions on the cover of the cylinder 1 and piston 2 separate the COP into the candle I and the candleless II cavity. The gap Δ between the protrusions is minimal, based on technological capabilities and economic feasibility. When the piston is in the TDC, the protrusions overlap each other by a value of δ.

После зажигания от искры в свечной полости I развивается процесс сгорания, а в бессвечной полости II продолжается процесс сжатия. Вследствие этого увеличивается перепад давлений газов между полостями.After ignition from a spark, a combustion process develops in the candle cavity I, and the compression process continues in the candleless cavity II. As a result, the differential pressure of the gases between the cavities increases.

Как известно, для идеального двухатомного газа критическое отношение давлений βкр=P₂/P₁ составляет 0,528, где P₁- давление в свечной полости; Р₂- давление в бессвечной полости.As is known, for an ideal diatomic gas, the critical pressure ratio βcr = P ₂ / P ₁ is 0.528, where P ₁ is the pressure in the candle cavity; P ₂ - pressure in a non-cavity.

Если пренебречь утечками газа через зазор Δ между выступами, то для осредненного действительного цикла двигателя при оптимальном зажигании, мощностном составе смеси на режиме максимального коэффициента наполнения критическое отношение давлений наступает примерно к 5...10° ПКВ после ВМТ. При таком угле поворота коленчатого вала поршень переместится относительно ВМТ всего на 0,25...0,99 мм (при радиусе кривошипа 50 мм и отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равном 0,3). Такое перекрытие полостей не представляет конструктивной сложности.If gas leakages through the gap Δ between the protrusions are neglected, then for the averaged actual engine cycle with optimal ignition, power composition of the mixture at the maximum filling factor mode, the critical pressure ratio occurs at about 5 ... 10 ° PKV after TDC. With this angle of rotation of the crankshaft, the piston will move relative to TDC by only 0.25 ... 0.99 mm (with a crank radius of 50 mm and a ratio of the crank radius to the connecting rod length of 0.3). Such overlapping of the cavities is not a constructive difficulty.

В момент объединения полостей поток горящих газов из полости I с критической скоростью истечения зажигает смесь в полости II. Если принять среднетермодинамическую температуру горящей газовой смеси в свечной полости к моменту истечения, равной T₁=2000K, то для двухатомного идеального газа со свойствами азота (или окиси углерода) расчетная критическая скорость истечения равна 832,5 м/с. Действительная скорость несколько меньше расчетной.At the moment of the unification of the cavities, the flow of burning gases from the cavity I with a critical flow rate ignites the mixture in the cavity II. If we take the average thermodynamic temperature of the burning gas mixture in the candle cavity by the time of expiration equal to T ₁ = 2000 K, then for a diatomic ideal gas with the properties of nitrogen (or carbon monoxide), the calculated critical velocity of the outflow is 832.5 m / s. Actual speed is slightly less than estimated.

Пусть при скорости истечения 500 м/с горящие газы достигнут наиболее удаленных порций заряда несгоревшего газа в бессвечной полости за 0,1 мс (в цилиндре с диаметром 100 мм и симметрично разделенной двуполостной КС). В то же время задержки самовоспламенения в подобных условиях для изооктано-гептано-воздушных смесей с октановым числом всего 60 ед превышают 1 мс. Следовательно, при такой организации процесса сгорания горящие газы достигают последних порций несгоревшего заряда по времени на порядок (в 10 раз) быстрее, чем создаются условия для самовоспламенения и зарождения ударных волн.Suppose that, at a flow velocity of 500 m / s, the burning gases reach the most distant portions of the charge of unburned gas in an empty cavity in 0.1 ms (in a cylinder with a diameter of 100 mm and a symmetrically divided two-cavity CS). At the same time, self-ignition delays under similar conditions for isooctane-heptano-air mixtures with an octane number of only 60 units exceed 1 ms. Therefore, with this organization of the combustion process, burning gases reach the last portions of an unburned charge in time by an order (10 times) faster than the conditions for self-ignition and the generation of shock waves.

В современных двигателях на режиме максимального наполнения оптимальный угол опережения зажигания составляет примерно 25...30° ПКВ, в то время как полости будут перекрыты за 5...10° ПКВ до ВМТ. Это создает возможность заброса пламени в бессвечную полость до начала перекрытия полостей. Поэтому бессвечная полость должна быть вытесняющей полостью. То есть при подходе поршня к ВМТ в процессе сжатия газы из бессвечной полости должны вытесняться в свечную полость (см. фиг.2). Для трехполостной и более КС каждая последующая полость должна перекрываться раньше предыдущих, т.е. величина перекрытия каждой последующей полости должна увеличиваться.In modern engines at maximum filling mode, the optimum ignition timing is approximately 25 ... 30 ° PKV, while the cavities will be closed 5 ... 10 ° PKV to TDC. This creates the possibility of casting a flame into an empty cavity before the overlapping of the cavities. Therefore, the colorless cavity should be a displacing cavity. That is, when the piston approaches the TDC during compression, the gases from the non-cavity should be forced into the candle cavity (see figure 2). For three-cavity and more CS, each subsequent cavity should overlap earlier than the previous ones, i.e. the amount of overlap of each subsequent cavity should increase.

В качестве примера на фиг.3 показана условно трехполостная КС со свечной полостью I, смежной со свечной II и последующей III. Величина перекрытия между полостями I и II - δ1, а между полостями II и III - δ2.As an example, Fig. 3 shows a conventionally three-cavity CS with a candle cavity I adjacent to a candle II and subsequent III. The overlap between cavities I and II is δ1, and between cavities II and III is δ2.

Величина δ2>δ1. В такой КС процесс сгорания будет протекать в три стадии. Зарождение горения начнется в свечной полости I. В момент объединения полостей I и II горящие газы из полости I с критической скоростью истечения зажигают смесь в полости II и наступает вторая стадия сгорания. Затем открывается полость III и наступает третья стадия процесса сгорания.The quantity δ2> δ1. In such a CS, the combustion process will proceed in three stages. The initiation of combustion will begin in the candle cavity I. At the moment of the union of the cavities I and II, burning gases from the cavity I with a critical flow rate ignite the mixture in the cavity II and the second stage of combustion begins. Then cavity III opens and the third stage of the combustion process begins.

Можно несколько полостей выполнить смежно со свечной полостью. В этом случае величина перекрытия может быть для всех полостей одинаковой и процесс сгорания будет протекать в две стадии.You can perform several cavities adjacent to the candle cavity. In this case, the overlap value may be the same for all cavities and the combustion process will proceed in two stages.

Claims

A method of organizing a step-by-step combustion process in a piston engine by temporarily separating the combustion chamber into a candle and non-spark cavity, igniting from a spark and temporarily independently burning the mixture in the candle cavity, sequentially combining the cavities and igniting the mixture in the candleless cavities by burning gases, burning out in a combined volume, characterized in that independent combustion is carried out to a critical ratio of gas pressures between the cavities and the mixture is ignited in the next cavity by burning gases from previous cavities with a critical velocity of their expiration.