RU2359136C2 - Internal combustion engine and method of ice fuel combustion - Google Patents
Internal combustion engine and method of ice fuel combustion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2359136C2 RU2359136C2 RU2006146518/06A RU2006146518A RU2359136C2 RU 2359136 C2 RU2359136 C2 RU 2359136C2 RU 2006146518/06 A RU2006146518/06 A RU 2006146518/06A RU 2006146518 A RU2006146518 A RU 2006146518A RU 2359136 C2 RU2359136 C2 RU 2359136C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- combustion chamber
- piston
- insert
- internal combustion
- combustion engine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и способу сжигания топлива в таких двигателях.The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, namely to internal combustion engines with compression ignition and a method of burning fuel in such engines.
Термины и аббревиатуры, используемые в настоящем описании, имеют следующий смысл.The terms and abbreviations used in the present description have the following meaning.
Фаза быстрого сгорания - «первая» фаза сгорания [1, 3], условно определяемая от начала воспламенения впрыснутой в камеру сгорания порции топлива до максимального давления сгорания и характеризуемая активным лучистым тепловым потоком [2, 3].The fast combustion phase is the “first” phase of combustion [1, 3], conventionally determined from the start of ignition of a portion of fuel injected into the combustion chamber to the maximum combustion pressure and characterized by an active radiant heat flux [2, 3].
Диффузионная фаза сгорания - «вторая» фаза сгорания [1, 3], условно определяемая от максимального давления сгорания до конца сгорания впрыснутой порции топлива и характеризуемая, в основном, конвективным теплообменом [2].The diffusion phase of combustion is the “second” phase of combustion [1, 3], conditionally determined from the maximum pressure of combustion to the end of combustion of the injected portion of the fuel and characterized mainly by convective heat transfer [2].
ВМТ- верхняя мертвая точка поршня.TDC is the top dead center of the piston.
Известно, что в двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС), независимо от формы и расположения камеры сгорания, уменьшение относительных потерь теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами (далее ОГ) сопровождается увеличением индикаторного и эффективного КПД двигателя [1, 2]. Наименьшие потери теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами достигнуты в ДВС с непосредственным впрыском и камерой сгорания, расположенной в поршне.It is known that in internal combustion engines (hereinafter ICE), regardless of the shape and location of the combustion chamber, a decrease in the relative heat loss to the cooling system and with the exhaust gases (hereinafter referred to as EXHAUST gas) is accompanied by an increase in the indicator and effective engine efficiency [1, 2]. The smallest heat losses in the cooling system and with the exhaust gases were achieved in ICE with direct injection and a combustion chamber located in the piston.
При увеличении потерь теплоты в систему охлаждения средняя температура в объеме камеры сгорания снижается, увеличивается период задержки воспламенения топлива и его количество, участвующее в 1-й фазе «быстрого сгорания», протекающей с высокой интенсивностью тепловыделения (выраженной в виде «пика» скорости) и сопровождаемой высокой скоростью нарастания давления при сгорании, активным образованием оксидов азота NOx и шумностью работы двигателя [1, 3]. При этом последующая - 2-я фаза диффузионного сгорания протекает с малой интенсивностью, продолжительным тепловыделением, недовыгоранием дисперсных-РТ и углеродистых токсичных компонентов (углеводородов-СН, оксида углерода-СО и сажи-С) и с большими потерями теплоты в отработавшие газы [2, 3]. Отмеченное имеет место в ДВС с непосредственным впрыском без наддува.With an increase in heat losses to the cooling system, the average temperature in the volume of the combustion chamber decreases, the ignition delay period of the fuel and its quantity participating in the 1st phase of “fast combustion” proceeding with a high heat release rate (expressed as a “peak” speed) increase and accompanied by a high rate of pressure increase during combustion, the active formation of nitrogen oxides NOx and the noise of the engine [1, 3]. In this case, the second phase of diffusion combustion proceeds with low intensity, prolonged heat release, short burning of dispersed RT and toxic carbon components (hydrocarbons-CH, carbon monoxide-CO and soot-C) and with large heat losses to the exhaust gases [2 , 3]. The aforesaid takes place in ICE with direct injection without boost.
Повышение температуры в объеме камеры сгорания путем введения наддува, увеличения относительного количества топлива в объеме камеры сгорания, повышения степени сжатия и качества распыливания за счет повышения давления впрыска топлива сопровождается регулировками со смещением процесса сгорания в сторону расширения, снижением интенсивности сгорания в 1-й фазе и количества образовавшихся оксидов азота NOx, а также уменьшением шумности работы двигателя. 2-я фаза сгорания протекает с повышенной интенсивностью и меньшей продолжительностью. Активно выгорают токсичные компоненты (РТ, СН, СО, С) и уменьшаются относительные потери теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами. Отмеченное соответствует более высокому качеству организации процесса сгорания в ДВС с непосредственным впрыском, с наддувом и камерой сгорания расположенной в поршне [3]. Но и в этом случае сохраняются проблемы по дальнейшему совершенствованию процесса сгорания.An increase in temperature in the volume of the combustion chamber by introducing pressurization, an increase in the relative amount of fuel in the volume of the combustion chamber, an increase in the compression ratio and atomization quality due to an increase in the fuel injection pressure is accompanied by adjustments with a shift in the combustion process towards expansion, a decrease in the intensity of combustion in the 1st phase and the amount of formed nitrogen oxides NOx, as well as reducing the noise of the engine. The 2nd phase of combustion proceeds with increased intensity and shorter duration. Actively burn toxic components (RT, CH, CO, C) and decrease the relative heat loss to the cooling system and the exhaust gases. The aforementioned corresponds to a higher quality of organization of the combustion process in ICE with direct injection, with supercharging and a combustion chamber located in the piston [3]. But even in this case, problems persist in further improving the combustion process.
Теплоизоляция стенок в камере сгорания (в так называемом «адиабатном» ДВС) не способствует повышению качества сгорания вследствие инерционности теплопередачи от стенок камеры сгорания к ее объему.The thermal insulation of the walls in the combustion chamber (in the so-called “adiabatic” ICE) does not contribute to improving the quality of combustion due to the inertia of heat transfer from the walls of the combustion chamber to its volume.
При отсутствии альтернативы в развитии процесса сгорания предполагаемые мероприятия по дальнейшему совершенствованию основных показателей ДВС оказываются затратными. В частности, использование рециркуляции отработавших газов, фильтрации и химической обработки отработавших газов в системе выпуска ведут к снижению эффективного КПД, необходимости разработок новых систем топливоподачи с целью гомогенизации топливно-воздушной смеси и новых видов топлива (как диметилэфир) и другое [3, 4].In the absence of an alternative in the development of the combustion process, the proposed measures for the further improvement of the main ICE indicators are costly. In particular, the use of exhaust gas recirculation, filtration and chemical treatment of exhaust gases in the exhaust system leads to a decrease in effective efficiency, the need to develop new fuel supply systems with the aim of homogenizing the air-fuel mixture and new types of fuel (like dimethylether) and others [3, 4] .
Известны форкамерные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, использующие предкамеру, расположенную в головке цилиндра, которая соединяется с основной камерой сгорания, расположенной в цилиндре, отверстием-горловиной, в которое входит с зазором выступ на поршне при движении его к ВМТ [5, 6, 7, 8]. Процесс сгорания протекает в обеих частях камеры сгорания одновременно за счет подачи топлива в предкамеру и кольцевой зазор между выступом на поршне и отверстием-горловиной. Несмотря на высокую турбулентность, воздушный заряд не имеет организованного движения и используется неполно. Следствием этого является невысокий уровень эффективного КПД.Known prechamber internal combustion engines with compression ignition, using a pre-chamber located in the cylinder head, which is connected to the main combustion chamber located in the cylinder with a throat hole, with a protrusion on the piston entering with a gap when moving it to TDC [5, 6 , 7, 8]. The combustion process takes place in both parts of the combustion chamber at the same time due to the supply of fuel to the pre-chamber and the annular gap between the protrusion on the piston and the neck opening. Despite the high turbulence, the air charge has no organized movement and is used incompletely. The consequence of this is a low level of effective efficiency.
Известен также предкамерный ДВС, у которого в дополнительной камере сгорания, расположенной в головке цилиндра, размещена ступенчатая фигурная вставка с внутренним проходным каналом и конфузорным участком, обращенным к форсунке, а также малым зазором между стенкой предкамеры в ее основании и ступенчатым участком вставки, используемая для улучшения смесеобразования [9]. При такой геометрии воздушный заряд в объеме предкамеры не имеет организованного движения. В зону сгорания он «подсасывается» из объема между стенками вставки и предкамеры струей распыленного топлива, а на выходе из вставки, вследствие резкого увеличения ее сечения, топливовоздушная смесь тормозится из-за уменьшения скорости. Отмеченное не способствует активному смесеобразованию и достижению высокого эффективного КПД двигателя. При этом все форкамерные ДВС характеризуются высокими потерями теплоты в систему охлаждения.A pre-chamber ICE is also known, in which a step shaped insert with an internal passage channel and a confuser section facing the nozzle, as well as a small gap between the pre-chamber wall at its base and the step section of the insert used for improvement of mixture formation [9]. With this geometry, the air charge in the chamber volume does not have organized movement. It is “sucked” into the combustion zone from the volume between the walls of the insert and the pre-chamber by a jet of sprayed fuel, and at the exit of the insert, due to a sharp increase in its cross section, the air-fuel mixture is inhibited due to a decrease in speed. The aforementioned does not contribute to active mixture formation and the achievement of a high effective engine efficiency. Moreover, all prechamber ICEs are characterized by high heat losses in the cooling system.
За прототип принят способ сжигания топлива в ДВС, у которого теплоизолированная камера сгорания в основном расположена в головке цилиндра и поршень с выступом при входе в отверстие-горловину создает через узкие наклонные выточки на выступе и в горловине высокую турбулентность воздушного заряда в камере сгорания [10]. Однако в такой конструкции также отсутствует организованное движение воздушного заряда, а теплоизоляция не способствует активной теплопередаче теплоты в объем камеры сгорания за время сгорания.The prototype is a method of burning fuel in an internal combustion engine, in which a thermally insulated combustion chamber is mainly located in the cylinder head and a piston with a protrusion at the entrance to the neck opening creates high turbulence of the air charge in the combustion chamber through narrow inclined recesses on the protrusion and in the neck [10] . However, in this design there is also no organized movement of the air charge, and thermal insulation does not contribute to the active heat transfer of heat to the volume of the combustion chamber during the combustion.
Целью предлагаемого изобретения является разработка способа сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания и двигателя внутреннего сгорания, позволяющих повысить среднюю температуру в камере сгорания за счет уменьшения потерь теплоты в систему охлаждения и с отработавшими газами дляThe aim of the invention is to develop a method of burning fuel in an internal combustion engine and internal combustion engine, which allows to increase the average temperature in the combustion chamber by reducing heat loss to the cooling system and with exhaust gases for
- увеличения эффективного КПД и литровой мощности двигателя;- increase in effective efficiency and liter engine power;
- уменьшения вредных выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами и шумности работы двигателя;- reduction of harmful emissions of toxic components with exhaust gases and engine noise;
- расширения диапазона использования различных сортов моторных топлив, включая низкоцетановые, сжиженного газа и добавки воды к топливу;- expanding the range of use of various grades of motor fuels, including low-acetane, liquefied gas and water additives to fuel;
- снижения требований к качеству распыливания топлива, уменьшения массы подвижных и корпусных деталей, тепловой напряженности в работе поршневой группы.- reducing requirements for the quality of atomization of fuel, reducing the mass of moving and hull parts, thermal tension in the work of the piston group.
Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащий камеру сгорания в головке цилиндра, соединенную с рабочим цилиндром отверстием-горловиной, в которое входит с зазором выступ на поршне при движении его к ВМТ с образованием воздушного канала, форсунку для распыливания топлива, установленную в противоположной части отверстия-горловины для впрыска топлива в камеру сгорания, согласно изобретению характеризуется следующими новыми признаками:The problem is solved due to the fact that the internal combustion engine with compression ignition, containing a combustion chamber in the cylinder head, is connected to the working cylinder by a hole-neck, which enters with a gap a protrusion on the piston when it moves to the TDC with the formation of an air channel, nozzle for spraying fuel, mounted in the opposite part of the neck opening for injecting fuel into the combustion chamber, according to the invention is characterized by the following new features:
весь объем камеры сгорания расположен в головке цилиндра, и она не разделяется на основную и дополнительную, а в цилиндре сохраняются щелевые объемы, необходимые для кинематики поршня;the entire volume of the combustion chamber is located in the cylinder head, and it is not divided into primary and secondary, and slotted volumes necessary for the kinematics of the piston are stored in the cylinder;
в камере сгорания установлена на опорах полая сквозная тепловая вставка из жаропрочного материала без возможности активного теплового контакта с ее стенками и разделяющая объем камеры сгорания на функциональные объемы: 1-й - полость внутри полой тепловой вставки и 2-й объем, заключенный между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания;a hollow end-to-end thermal insert made of heat-resistant material without the possibility of active thermal contact with its walls and dividing the volume of the combustion chamber into functional volumes is installed on the supports in the combustion chamber: 1st — cavity inside the hollow thermal insert and 2nd volume enclosed between the walls of the hollow thermal inserts and combustion chambers;
выступ на поршне, отверстие-горловина и полая тепловая вставка обеспечивают во время такта сжатия вытеснение воздушного заряда из цилиндра через образующийся при вхождении выступа на поршне в отверстие-горловину воздушный канал во 2-й функциональный объем с образованием осевого вихря вокруг вертикальной части стенки полой тепловой вставки;the protrusion on the piston, the throat hole and the hollow thermal insert during the compression stroke displace the air charge from the cylinder through the air channel formed when the protrusion on the piston enters the throat hole into the 2nd functional volume with the formation of an axial vortex around the vertical part of the hollow thermal wall inserts;
форсунка установлена с возможностью впрыскивания топлива в 1-й функциональный объем, во внутреннюю полость и на внутренние стенки тепловой вставки.the nozzle is installed with the possibility of fuel injection into the 1st functional volume, into the internal cavity and onto the internal walls of the thermal insert.
Камера сгорания в головке цилиндра, форсунка, полая сквозная тепловая вставка, отверстие-горловина и выступ на поршне могут быть расположены на одной оси с цилиндром или смещены относительно оси цилиндра.The combustion chamber in the cylinder head, the nozzle, the hollow through heat insert, the throat and the protrusion on the piston can be located on the same axis as the cylinder or offset relative to the axis of the cylinder.
Камера сгорания в головке цилиндра, форсунка, полая сквозная тепловая вставка, отверстие-горловина и выступ на поршне могутThe combustion chamber in the cylinder head, the nozzle, the hollow through heat insert, the throat hole and the protrusion on the piston can
- иметь собственные не совпадающие оси;- have their own mismatching axis;
- располагаться взаимно эксцентрично;- be mutually eccentric;
- располагаться под углами относительно друг друга.- positioned at angles relative to each other.
Полая сквозная тепловая вставка выполнена целиковой или составной.The hollow end-to-end thermal insert is made whole or composite.
Полая сквозная тепловая вставка может быть выполнена как в виде тела вращения, так и не являться телом вращения.The hollow end-to-end thermal insert can be made in the form of a body of revolution or not be a body of revolution.
Полая сквозная тепловая вставка имеет наибольший поперечный размер или диаметр своего тела, не превышающий 0,95 от наибольшего внутреннего размера или диаметра камеры сгорания, а высота стенки тепловой вставки не более 0,92 от высоты камеры сгорания, измеряемой от наиболее удаленной верхней ее части до верхнего конца выступа на поршне при его положении в ВМТ.The hollow end-to-end thermal insert has the largest transverse dimension or diameter of its body, not exceeding 0.95 of the largest internal size or diameter of the combustion chamber, and the wall height of the thermal insert is not more than 0.92 of the height of the combustion chamber, measured from its most distant upper part to the upper end of the protrusion on the piston when it is in TDC.
Плоские опоры полой тепловой вставки выполнены под углом к ее образующей для организации вихревого движения воздушного заряда в камере сгорания вокруг ее оси дополнительно к осевому вихрю.The flat supports of the hollow thermal insert are made at an angle to its generatrix to organize the vortex movement of the air charge in the combustion chamber around its axis in addition to the axial vortex.
Суммарный воздушный объем камеры сгорания, определяемый объемом камеры сгорания в головке цилиндра и объемом, образованным отверстием-горловиной при продолжении ее до поверхности вытеснения поршня при положении его в ВМТ за исключением объемов тепловой вставки с опорами и выступа на поршне до поверхности вытеснения поршня, составляет не менее 0,65 от расчетного объема сжатия.The total air volume of the combustion chamber, determined by the volume of the combustion chamber in the cylinder head and the volume formed by the neck opening when it continues to the piston displacement surface when it is in TDC, with the exception of the volumes of the thermal insert with supports and the protrusion on the piston to the piston displacement surface, is not less than 0.65 of the estimated compression volume.
Внутри полой сквозной тепловой вставки со стороны выступа на поршне выполнены плоские или винтовые перемычки, соединяющие противоположные ее стенки, высотой не более 0,65 от высоты стенки, которые способствуют дополнительной турбулизации воздушного заряда и рабочего тела в камере сгорания и на линии расширения, а также сокращению задержки воспламенения и продолжительности сгорания топлива.Inside the hollow through heat insert on the side of the protrusion on the piston there are made flat or screw jumpers connecting its opposite walls with a height of not more than 0.65 from the wall height, which contribute to additional turbulization of the air charge and the working fluid in the combustion chamber and on the expansion line, as well as reduction in ignition delay and fuel combustion time.
Для увеличения интенсивности вращения воздушного заряда в камере сгорания впускной канал (каналы) в головке цилиндра создает(ют) при впуске закрутку воздушного заряда в цилиндре относительно его оси.In order to increase the intensity of rotation of the air charge in the combustion chamber, the inlet channel (s) in the cylinder head creates (at) the inlet swirling of the air charge in the cylinder relative to its axis.
На внутренней поверхности камеры сгорания в головке цилиндра выполнена тепловая защита.Thermal protection is made on the inner surface of the combustion chamber in the cylinder head.
В двигателе могут быть установлены электрическая свеча зажигания в боковой стенке камеры сгорания, экранируемая от интенсивных тепловых потоков, и управляемая заслонка в системе впуска воздуха, необходимые на режимах пуска и прогрева двигателя при использовании низкоцетанового топлива.An electric spark plug can be installed in the engine in the side wall of the combustion chamber, shielded from intense heat fluxes, and a controlled damper in the air intake system, necessary for starting and warming up the engine when using low-acetane fuel.
В верхней части камеры сгорания может быть установлена вторая форсунка для подачи второго топлива (например, бензина, сжиженного газа, спиртов, воды) во внутреннюю полость и на стенки тепловой вставки с фазовым смещением в сторону запаздывания по отношению к основному топливу.In the upper part of the combustion chamber, a second nozzle can be installed to supply a second fuel (for example, gasoline, liquefied gas, alcohols, water) into the internal cavity and onto the walls of the thermal insert with a phase shift towards the delay in relation to the main fuel.
Основание выступа на поршне имеет плавный или ступенчатый переход к поверхности вытеснения поршня. Поверхность вытеснения поршня может быть плоской или конической.The base of the protrusion on the piston has a smooth or step transition to the displacement surface of the piston. The displacement surface of the piston may be flat or conical.
Также предложен новый способ сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания, использующего камеру сгорания, объем которой заключен в головке цилиндра и разделен на функциональные объемы установленной в ней полой сквозной тепловой вставкой из жаропрочного материала с пониженной теплоемкостью, не имеющей активного теплового контакта со стенками камеры сгорания, отверстие-горловину, соединяющую ее с рабочим цилиндром, форсунку, установленную в противоположной части отверстия-горловины для распыливания топлива, и поршень с выступом, входящим в конце сжатия в отверстие-горловину, включающий:A new method of burning fuel in an internal combustion engine using a combustion chamber, the volume of which is enclosed in the cylinder head and divided into functional volumes of a hollow through heat insert made of a heat-resistant material with a reduced heat capacity that does not have active thermal contact with the walls of the combustion chamber, is also proposed. a hole-neck connecting it to the working cylinder, a nozzle mounted in the opposite part of the hole-neck for spraying fuel, and a piston with a protrusion, entering at the end of compression in the neck opening, including:
сжатие воздушного заряда в объем камеры сгорания,compression of the air charge into the volume of the combustion chamber,
впрыскивание распыленного форсункой топлива в камеру сгорания,injection of fuel atomized by the nozzle into the combustion chamber,
процесс смесеобразования, осуществляемый распыливанием топлива и движением воздушного заряда в камере сгорания за счет его вытеснения поршнем из цилиндра при сжатии и направления через воздушный канал, образованный между выступом на поршне и отверстием-горловиной,the process of mixture formation, carried out by atomization of fuel and the movement of an air charge in the combustion chamber due to its displacement by the piston from the cylinder during compression and direction through the air channel formed between the protrusion on the piston and the neck opening,
и сгорание топлива.and fuel combustion.
Способ согласно изобретению предусматривает новое то, чтоThe method according to the invention provides new what
воздушный заряд, вытесняемый при сжатии через воздушный канал, образованный между выступом на поршне и отверстием-горловиной, направляют во второй функциональный объем - между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания, с образованием осевого вихря вокруг вертикальной части (образующих частей) стенок полой тепловой вставки;the air charge displaced during compression through the air channel formed between the protrusion on the piston and the throat hole is directed into the second functional volume - between the walls of the hollow thermal insert and the combustion chamber, with the formation of an axial vortex around the vertical part (forming parts) of the walls of the hollow thermal insert ;
впрыскивание форсункой распыленного топлива производят в первый функциональный объем - во внутреннюю полость тепловой вставки и на внутренние стенки тепловой вставки, где протекают процессы смесеобразования, воспламенения и первой фазы сгорания;sprayed fuel is injected by the nozzle into the first functional volume — into the internal cavity of the thermal insert and onto the internal walls of the thermal insert, where the processes of mixture formation, ignition and the first phase of combustion occur;
лучистый тепловой поток экранируют стенками полой тепловой вставки, способствующими уменьшению потерь теплоты в систему охлаждения и повышению температуры в функциональных объемах камеры сгорания;the radiant heat flux is shielded by the walls of the hollow thermal insert, which contribute to the reduction of heat loss in the cooling system and to increase the temperature in the functional volumes of the combustion chamber;
диффузионная стадия сгорания протекает в основном во 2-м функциональном объеме, заключенном между стенками камеры сгорания и полой тепловой вставки.The diffusion combustion stage proceeds mainly in the 2nd functional volume enclosed between the walls of the combustion chamber and the hollow thermal insert.
Также осевому вихрю воздушного заряда дополнительно сообщается вращательное движение относительно оси камеры сгорания для формирования турбулентного движения воздушного заряда в функциональных объемах камеры сгорания с одинаковой интенсивностью.Also, the axial vortex of the air charge is additionally informed of the rotational movement relative to the axis of the combustion chamber to form a turbulent movement of the air charge in the functional volumes of the combustion chamber with the same intensity.
Внутренняя поверхность камеры сгорания в головке цилиндра снабжена тепловой защитой.The inner surface of the combustion chamber in the cylinder head is provided with thermal protection.
При использовании в качестве рабочего топлива низкоцетанового (например, бензина, спиртов, сжиженного газа) воспламенение его на время пуска и прогрева двигателя осуществляют от электрической искры с управлением расхода воздуха на впуске.When using low-acetane fuel (for example, gasoline, alcohols, liquefied gas) as a working fuel, it is ignited during the start-up and warm-up period of the engine from an electric spark with inlet air flow control.
Если в качестве рабочего топлива используют основное высокоцетановое (например, дизельное, керосин, газовый конденсат), то для облегчения пуска и прогрева холодного двигателя при этом в качестве пускового топлива могут использовать низкоцетановое с воспламенением его от электрической искры и управлением расхода воздуха на впуске.If the main high-cetane (for example, diesel, kerosene, gas condensate) is used as the working fuel, then to facilitate the starting and warming up of the cold engine, low-cetane can be used as starting fuel with igniting it from an electric spark and controlling the intake air flow rate.
В первый функциональный объем - во внутреннюю полость тепловой вставки с фазовым смещением в сторону запаздывания по отношению к основному топливу может впрыскиваться второй форсункой второе топливо, преимущественно низкоцетановое (например, бензин, сжиженный газ, спирты, вода).In the first functional volume — in the internal cavity of the thermal insert with a phase shift in the direction of delay relative to the main fuel, the second fuel, mainly low-acetane (for example, gasoline, liquefied gas, alcohols, water) can be injected with the second nozzle.
На фиг.1 показана для двигателя, работающего по предложенному способу сжигания топлива, схема камеры сгорания в головке цилиндра, полой тепловой вставки, отверстия-горловины и выступа на поршне, расположенных на одной оси с осью цилиндра, а также направления движения распыленного топлива и воздушного заряда.Figure 1 shows for an engine operating according to the proposed method of burning fuel, a diagram of a combustion chamber in the cylinder head, a hollow thermal insert, a throat hole and a protrusion on the piston located on the same axis as the cylinder axis, as well as the direction of movement of the atomized fuel and air charge.
На фиг.2 показан вид сверху варианта тепловой вставки с опорами, формирующими осевой вихрь.Figure 2 shows a top view of a variant of the thermal insert with supports forming an axial vortex.
На фиг.3 показан вариант расположения камеры сгорания, тепловой вставки, выступа на поршне с отверстием-горловиной и форсунки, использующих собственные оси, а также вариант камеры сгорания с установленной второй форсункой.Figure 3 shows a variant of the location of the combustion chamber, thermal insertion, a protrusion on the piston with a throat and nozzle using its own axis, as well as a variant of the combustion chamber with a second nozzle installed.
На фиг.4 показан вариант с наклонными опорами тепловой вставки, формирующими вращательное движение воздушного заряда.Figure 4 shows a variant with the inclined supports of the thermal insert forming the rotational movement of the air charge.
На фиг.5 показан вариант сопряжения выступа на поршне с конической поверхностью вытеснения поршня.Figure 5 shows a variant of pairing a protrusion on the piston with a conical piston displacement surface.
На фиг.6 и 7 показаны варианты плоской и винтовой перемычки внутри полости тепловой вставки.6 and 7 show options for a flat and screw jumpers inside the cavity of the thermal insert.
Двигатель содержит камеру сгорания 1 (фиг.1), выполненную в виде тела вращения и расположенную в головке цилиндра. С одной стороны камеры сгорания устанавливается форсунка 2, а с другой отверстие-горловина 3, в которое с зазором входит выступ 4 на поршне 5 при движении поршня к ВМТ. Выступ на поршне плавно сопрягается с плоской поверхностью вытеснения поршня 6. Весь расчетный объем камеры сгорания располагается в головке цилиндра. В цилиндре сохраняются щелевые объемы, необходимые для кинематики поршня. В камере сгорания 1 на опорах 7 устанавливается полая сквозная тепловая вставка 8 (целиковая или составная) (фиг.2), выполненная из жаропрочного материала с относительно не высокой теплоемкостью, которая разделяет камеру сгорания на два функциональных объема: 1-й функциональный объем - внутреннюю полость тепловой вставки и 2-й функциональный объем - между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания. Камера сгорания в головке цилиндра, отверстие- горловина, выступ на поршне, полая тепловая вставка и форсунка располагаются на одной оси с осью цилиндра. Распыленное топливо 9 подается форсункой 2 во внутреннюю полость и на стенки тепловой вставки 8. Выступ на поршне 4 вместе с отверстием-горловиной 3 образуют воздушный канал 10, который при движении поршня к ВМТ направляет вытесняемый из цилиндра воздушный заряд 11 во 2-й функциональный объем - кольцевое пространство 12 между стенками камеры сгорания 1 и тепловой вставки 8 - с образованием проходящего через внутреннюю полость тепловой вставки осевого (параллельно оси камеры сгорания) вихря 13.The engine contains a combustion chamber 1 (Fig. 1), made in the form of a body of revolution and located in the cylinder head. On one side of the combustion chamber, a
Осевой (параллельно оси камеры сгорания) вихрь 13, за счет которого обеспечивается активное движение воздушного заряда в процессе смесеобразования, формируется из расчета достижения примерно одинаковой интенсивности его движения в функциональных объемах камеры сгорания. За время подачи порции топлива осевой вихрь должен совершить как минимум один оборот вокруг стенки тепловой вставки. Факел распыленного топлива направляется форсункой 2 в 1-й функциональный объем - во внутреннюю полость тепловой вставки по направлению движения воздушного потока. Здесь протекают процессы смесеобразования, воспламенения и фаза быстрого сгорания, характеризуемая активным лучистым тепловым потоком. Лучистый тепловой поток, поглощаемый топливовоздушной смесью и стенками тепловой вставки, способствует испарению и распаду молекул топлива с образованием химически активных частиц, а также повышению температуры внутри тепловой вставки и в объеме камеры сгорания. Отмеченное создает дополнительный тепловой эффект и ведет (при регулировке начала сгорания в сторону расширения) к активному уменьшению периода задержки воспламенения, скорости тепловыделения в фазе быстрого сгорания и скорости нарастания давления при сгорании, способствующих снижению образования оксидов азота - NOx и шумности работы двигателя. Таким образом перегретая внутренняя полость тепловой вставки резко интенсифицирует предпламенные физико-химические реакции с образованием химически активных частиц и формирует фазу быстрого сгорания. При этом снижаются потери теплоты в систему охлаждения двигателя за счет частичного экранирования лучистого теплового потока стенками тепловой вставки.An axial (parallel to the axis of the combustion chamber) vortex 13, due to which the active movement of the air charge during the mixture formation is ensured, is formed on the basis of achieving approximately the same intensity of its movement in the functional volumes of the combustion chamber. During the supply of a portion of fuel, the axial vortex must make at least one revolution around the wall of the thermal insert. The sprayed fuel torch is directed by the
Во 2-м функциональном объеме 12 камеры сгорания, расположенном между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания, протекает при высоких средних температурах диффузионная фаза сгорания, характеризуемая, в основном, конвективным теплообменом. Здесь происходит догорание химически активных частиц.In the 2nd
Таким образом при помощи полой тепловой вставки объем камеры сгорания делится на два функциональных объема, а процесс выгорания впрыскиваемого топлива на два периода (фазы). Первая фаза - фаза быстрого сгорания, протекающая в 1-м функциональном объеме - внутри полой тепловой вставки, характеризуется высокими «лучистыми» тепловыми потоками в топливовоздушную смесь и в ее стенки, которые частично возвращаются в рабочее тело. Вторая фаза - диффузионная фаза сгорания, протекающая в основном во 2-м функциональном объеме, характеризуется, в основном, конвективными потерями теплоты в стенки камеры сгорания, имеющими меньшую долю и интенсивность, а также возможностями конструктивного их снижения за счет теплоизоляции.Thus, with the help of a hollow thermal insert, the volume of the combustion chamber is divided into two functional volumes, and the process of burning of injected fuel into two periods (phases). The first phase is the rapid combustion phase, which proceeds in the 1st functional volume — inside the hollow thermal insert, and is characterized by high “radiant” heat fluxes into the air-fuel mixture and into its walls, which partially return to the working fluid. The second phase - the diffusion phase of combustion, which proceeds mainly in the 2nd functional volume, is characterized mainly by convective heat losses to the walls of the combustion chamber, which have a smaller fraction and intensity, as well as the possibility of their structural reduction due to thermal insulation.
Камера сгорания в головке цилиндра, полая тепловая вставка, отверстие-горловина, выступ на поршне и форсунка могут быть смещены с оси цилиндра, могут иметь собственные несовпадающие оси, могут быть расположены взаимно эксцентрично, а также расположены под углами относительно друг друга (фиг.3).The combustion chamber in the cylinder head, the hollow thermal insert, the neck opening, the protrusion on the piston and the nozzle can be offset from the axis of the cylinder, can have their own mismatched axes, can be mutually eccentric, and also angled relative to each other (Fig. 3 )
Высота стенок полой тепловой вставки hст не превышает 0,92 от высоты камеры сгорания hкс, измеряемой от наиболее удаленной верхней ее части до верхнего конца выступа на поршне при положении его при ВМТ (фиг.1), а наибольший поперечный размер (или диаметр) стенки полой тепловой вставки dст не должен превышать 0,95 от наибольшего внутреннего диаметра (или поперечного размера) камеры сгорания в головке dкс max (фиг.3).The height of the walls of the hollow thermal insert h st does not exceed 0.92 of the height of the combustion chamber h ks , measured from its farthest upper part to the upper end of the protrusion on the piston when it is at TDC (figure 1), and the largest transverse dimension (or diameter ) the walls of the hollow thermal insert d article should not exceed 0.95 of the largest internal diameter (or transverse dimension) of the combustion chamber in the head d cc max (figure 3).
Для повышения качества смесеобразования, увеличения полноты использования воздушного заряда и сокращения продолжительности сгорания:To improve the quality of mixing, increase the completeness of the use of air charge and reduce the duration of combustion:
- плоские опоры тепловой вставки могут выполняться под углом к ее образующей (фиг.4), для сообщения осевому движению воздушного заряда между стенками полой тепловой вставки и камеры сгорания дополнительно вращательного движения 14, которое сохраняется во внутренней полости тепловой вставки в момент подачи топлива. Дополнением в организации вращательного движения воздушного заряда в камере сгорания и тепловой вставке может использоваться впускной канал в момент входа воздуха в цилиндр [2];- the flat supports of the thermal insert can be made at an angle to its generatrix (Fig. 4), for communicating to the axial movement of the air charge between the walls of the hollow thermal insert and the combustion chamber an additional rotational movement 14, which is stored in the internal cavity of the thermal insert at the time of fuel supply. In addition to the organization of the rotational movement of the air charge in the combustion chamber and the thermal insert, an inlet channel can be used at the moment air enters the cylinder [2];
- суммарный воздушный объем камеры сгорания, определяемый объемом камеры сгорания в головке цилиндра и объемом, образованным отверстием-горловиной при продолжении ее до поверхности вытеснения поршня при положении его в ВМТ за исключением объемов тепловой вставки с опорами и выступа на поршне до поверхности вытеснения поршня, должен составлять не менее 0,65 от расчетного объема сжатия;- the total air volume of the combustion chamber, determined by the volume of the combustion chamber in the cylinder head and the volume formed by the neck opening when extending it to the piston displacement surface when it is in TDC, with the exception of the volumes of the thermal insert with supports and protrusion on the piston to the piston displacement surface, be at least 0.65 of the estimated compression volume;
- внутренняя поверхность полой тепловой вставки может отличаться от цилиндрической (фиг.1 и 3) и может не являться поверхностью вращения, способствующей турбулизации в зоне сгорания;- the inner surface of the hollow thermal insert may differ from the cylindrical (figure 1 and 3) and may not be a surface of rotation, contributing to turbulization in the combustion zone;
- основание выступа на поршне 4 может иметь плавный или ступенчатый переход к поверхности вытеснения поршня 6, которая также может быть плоской или конической (фиг.1 и 5).- the base of the protrusion on the piston 4 may have a smooth or stepped transition to the displacement surface of the
Для ускорения воспламеняемости основного и второго (преимущественно низкоцетанового) топлив от перегретой полой тепловой вставки, а также при использовании добавок воды к топливу в качестве рабочего тела или для снижения вредных выбросов с ОГ (при подаче ее на впуске или в камеру сгорания дополнительной форсункой 16, фиг.3) внутри полой тепловой вставки со стороны выступа на поршне на расстоянии, не превышающем 0,65 от высоты ее стенки, используются плоские или винтовые (в направлении вращения потока) перемычки 17, соединяющие противоположные ее стенки (фиг.6 и 7), которые в совокупности с использованием наклонных опор 7 полой тепловой вставки 8 и организацией вращения воздушного заряда при впуске усиливают вращательное движение воздушного заряда в камере сгорания и рабочего тела при расширении и способствуют сокращению продолжительности сгорания и снижению дожигаемых токсичных компонентов.To accelerate the flammability of the main and second (mainly low acetane) fuels from an overheated hollow thermal insert, as well as when using water additives to the fuel as a working fluid or to reduce harmful emissions from exhaust gas (when it is supplied to the inlet or into the combustion chamber with an
При использовании сжиженного газа он подается во внутреннюю полость тепловой вставки в качестве второго топлива второй форсункой 16, установленной в верхней части камеры сгорания (фиг.3) при фазовом смещении процессов впрыска с запозданием для сжиженного газа по отношению к основному топливу. В зависимости от необходимого теплового состояния внутренней полости тепловой вставки и режимов работы ДВС может подаваться только газовое топливо без основного.When using liquefied gas, it is fed into the internal cavity of the thermal insert as a second fuel by a
Для улучшения пусковых качеств двигателя при использовании низкоцетанового пускового топлива в боковой стенке камеры сгорания устанавливается электрическая свеча зажигания 18, экранируемая от тепловых потоков ее конструкцией и частично стенкой тепловой вставки (фиг.1), а также используется управляемая заслонка в системе впуска. Работа свечи зажигания и заслонки осуществляется на период пуска и прогрева двигателя.To improve the starting qualities of the engine when using low-cetane starting fuel, an electric spark plug 18 is installed in the side wall of the combustion chamber, which is shielded from heat fluxes by its structure and partially by the wall of the heat insert (Fig. 1), and a controlled damper in the intake system is also used. The operation of the spark plug and damper is carried out for the period of starting and warming up the engine.
Для уменьшения потерь теплоты в систему охлаждения стенки камеры сгорания в головке цилиндра могут использовать тепловую защиту, например, на основе керамической вставки 19 (фиг.1).To reduce heat loss to the cooling system of the wall of the combustion chamber in the cylinder head, thermal protection can be used, for example, based on a ceramic insert 19 (Fig. 1).
Таким образом, предлагаемые способ сжигания топлива и конструкция двигателя позволяют разделить процесс сгорания в ДВС на периоды, характеризуемые различными физико-химическими процессами, протекание которых осуществляется в разных функциональных объемах одной камеры сгорания, образованных полой тепловой вставкой. Вследствие этого процесс сжигания топлива в ДВС характеризуется малыми потерями теплоты в систему охлаждения и повышенными средними температурами в объеме камеры сгорания, при которых формируют более позднее (относительно ВМТ) начало топливоподачи и начало сгорания, протекающее при малом периоде задержки воспламенения с меньшими интенсивностью и колебаниями локальных температур, способствующих снижению оксидов азота - NOx и шумности от процесса сгорания, а также интенсивным сгоранием в диффузионной области, сопровождаемым сближением 1-й и 2-й фаз сгорания и сокращением общей продолжительности сгорания, а также выгоранием дисперсных частиц - РТ и углеродосодержащих токсичных компонентов (СН, СО, С) и увеличением эффективного КПД и литровой мощности ДВС. Изобретение создает возможность и сближает эффективность использования различных видов моторных топлив, снижает требования к их качеству, а также к качеству их распыливания. Преимущества его по отношению к традиционному способу сжигания топлива в ДВС с непосредственным впрыском и камерой сгорания, расположенной в поршне, в отношении увеличения эффективного КПД и литровой мощности, снижения вредных выбросов и уровня шума увеличиваются при уменьшении рабочего объема цилиндра. Снижается тепловая напряженность в работе головки цилиндра и поршневой группы, а также масса подвижных и корпусных деталей и металлоемкость ДВС.Thus, the proposed method of fuel combustion and engine design allow dividing the combustion process in the internal combustion engine into periods characterized by various physicochemical processes that occur in different functional volumes of one combustion chamber formed by a hollow thermal insert. As a result of this, the process of burning fuel in an internal combustion engine is characterized by low heat loss to the cooling system and increased average temperatures in the volume of the combustion chamber, at which a fuel supply start and a combustion start occur later (relative to TDC) and occur during a short ignition delay period with lower intensity and local oscillations temperatures that contribute to the reduction of nitrogen oxides - NOx and noise from the combustion process, as well as intense combustion in the diffusion region, accompanied by the approach 1st and 2nd phases of combustion and a reduction in the total duration of combustion, as well as the burning out of dispersed particles - RT and carbon-containing toxic components (CH, CO, C) and an increase in the effective efficiency and liter power of ICE. The invention creates the opportunity and brings together the efficiency of using various types of motor fuels, reduces the requirements for their quality, as well as the quality of their atomization. Its advantages in relation to the traditional method of burning fuel in internal combustion engines with direct injection and a combustion chamber located in the piston with respect to increasing effective efficiency and liter capacity, reducing harmful emissions and noise level increase with decreasing cylinder displacement. The thermal tension in the operation of the cylinder head and piston group is reduced, as well as the mass of moving and hull parts and the metal consumption of the internal combustion engine.
Claims (27)
15 Двигатель внутреннего сгорания по п.13, отличающийся тем, что перемычки внутри полой сквозной тепловой вставки со стороны выступа на поршне выполнены винтовыми.14. The internal combustion engine according to item 13, wherein the jumpers inside the hollow through heat insert on the side of the protrusion on the piston are made flat.
15 The internal combustion engine according to item 13, wherein the jumpers inside the hollow through heat insert on the side of the protrusion on the piston are made screw.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006146518/06A RU2359136C2 (en) | 2006-12-25 | 2006-12-25 | Internal combustion engine and method of ice fuel combustion |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006146518/06A RU2359136C2 (en) | 2006-12-25 | 2006-12-25 | Internal combustion engine and method of ice fuel combustion |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006146518A RU2006146518A (en) | 2008-06-27 |
| RU2359136C2 true RU2359136C2 (en) | 2009-06-20 |
Family
ID=39679821
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006146518/06A RU2359136C2 (en) | 2006-12-25 | 2006-12-25 | Internal combustion engine and method of ice fuel combustion |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2359136C2 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530980C2 (en) * | 2012-05-22 | 2014-10-20 | Андрей Валерьевич Паевский | Rotor compressor internal combustion engine |
| RU2557816C1 (en) * | 2014-07-09 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянский государственный технический университет" | Internal combustion engine |
| WO2017196208A1 (en) * | 2016-05-10 | 2017-11-16 | Юрий Дмитриевич НЕТЕСА | Device and methods for converting fuel combustion energy |
| RU2636953C1 (en) * | 2016-12-20 | 2017-11-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method of thermal power plant operation with regenerative rankine cycle |
| RU2700966C2 (en) * | 2016-06-01 | 2019-09-24 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Controlled suction pipe for diesel engines |
| RU199209U1 (en) * | 2020-08-09 | 2020-08-21 | Андрей Алексеевич Спиридонов | INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
| RU199203U1 (en) * | 2020-08-09 | 2020-08-21 | Андрей Алексеевич Спиридонов | Reciprocating internal combustion engine |
-
2006
- 2006-12-25 RU RU2006146518/06A patent/RU2359136C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530980C2 (en) * | 2012-05-22 | 2014-10-20 | Андрей Валерьевич Паевский | Rotor compressor internal combustion engine |
| RU2557816C1 (en) * | 2014-07-09 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянский государственный технический университет" | Internal combustion engine |
| WO2017196208A1 (en) * | 2016-05-10 | 2017-11-16 | Юрий Дмитриевич НЕТЕСА | Device and methods for converting fuel combustion energy |
| RU2700966C2 (en) * | 2016-06-01 | 2019-09-24 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Controlled suction pipe for diesel engines |
| RU2636953C1 (en) * | 2016-12-20 | 2017-11-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method of thermal power plant operation with regenerative rankine cycle |
| RU199209U1 (en) * | 2020-08-09 | 2020-08-21 | Андрей Алексеевич Спиридонов | INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
| RU199203U1 (en) * | 2020-08-09 | 2020-08-21 | Андрей Алексеевич Спиридонов | Reciprocating internal combustion engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006146518A (en) | 2008-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6845746B2 (en) | Internal combustion engine with injection of gaseous fuel | |
| RU2359136C2 (en) | Internal combustion engine and method of ice fuel combustion | |
| US5322042A (en) | Combustion chamber for internal combustion engine and process of combustion using fuel radical species | |
| JP3181908B2 (en) | Piston for controlling ignition combustion of hydrocarbon fuel in internal combustion engine by controlling generation of nuclei of fuel particles and method therefor | |
| RU2342543C2 (en) | Internal combustion engine with gas fuel injection | |
| JP4370586B2 (en) | Dual operation mode engine system | |
| CN111226032B (en) | Feeding and ignition device for gas engine and operation method thereof | |
| US20240044282A1 (en) | Systems, apparatus, and methods for inducing enhanced radical ignition in internal combustion engines using a radical chemicals generator | |
| JP4242773B2 (en) | Valve controlled split chamber internal combustion engine | |
| US6098588A (en) | Injection device and combustion process for an internal combustion engine | |
| CN1107791C (en) | Combustion chamber for direct injected reciprocating piston internal combustion engine | |
| CN203146098U (en) | Combustion chamber suitable for low-temperature premixing combustion technology | |
| CN110821638B (en) | Ignition chamber type engine with high-energy ignition fuel and control method thereof | |
| JP2004308449A (en) | Diesel engine | |
| CN115306595A (en) | Ammonia engine combustion system based on jet ignition and combustion control method thereof | |
| JP2641551B2 (en) | Combustion system for internal combustion engine and combustion device | |
| JP2005232987A (en) | Subsidiary chamber type engine | |
| CN110821641A (en) | Ignition chamber type engine with high-energy ignition fuel and control method thereof | |
| CN115306540B (en) | Jet combustion system of hydrogen-ammonia internal combustion engine and combustion control method thereof | |
| CN217270458U (en) | Combustion chamber device | |
| CN110821643B (en) | Ignition chamber type engine with high-energy ignition fuel | |
| WO2023164632A1 (en) | Apparatus for inducing enhanced radical ignition in internal combustion engines using a radical chemicals generator | |
| CN115387898A (en) | Internal combustion engine and ignition control method thereof | |
| CN110821640A (en) | Ignition chamber type engine with high-energy ignition fuel and control method thereof | |
| CN110821642A (en) | Ignition chamber type engine with high-energy ignition fuel and control method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141226 |