 |  |  |
 | К&М |  |
 |  |  |
 |  |
|
| Вторник, 16.04.2024, 15:17 |
| Приветствую Вас Гость | RSS Главная | Регистрация | Вход |
 |
Двигатель внутреннего сгорания с расслоением топливовоздушного заряда и с принудительным зажиганием
Полезная модель относится к машиностроению, а именно к области двигателестроения (двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным зажиганием и непосредственным впрыскиванием топлива), имеет отношение к способам организации процессов смесеобразования и сгорания, а также к распределению топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя слоями. В настоящее время, вследствие исчерпания мировых запасов органического топлива и стабильного роста уровня его потребления, особенно жидкого, проблема его рационального и эффективного использования выходит в разряд наиболее острых и нуждающихся в неотложном решении. Основными потребителями светлых жидких топлив являются ДВС, которые вырабатывают более 80% механической энергии, потребляемой человечеством в своей деятельности. Из них очень большим классом по количеству единиц, выпускаемых в мире, являются ДВС с искровым зажиганием, как двухтактные, так и четырехтактные. При этом вредные вещества содержащиеся в отработанных газах ДВС загрязняют атмосферу, ухудшают экологическую ситуацию на планете. Поэтому снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ с отработанными газами является актуальной проблемой. Основное топливо для ДВС - бензин или дизельное топливо, полученное в результате переработки нефти, в основном состоит из углеводородов (CnHm). При полном сгорании топлива выделяется тепло, образуется углекислый газ (СО2) и водный пар (Н2ОБ). В процессе сгорания топлива образуется оксид азота (NOX) в результате реакций окисления азота (N2), который содержится как в топливе, так и в атмосферном воздухе, кислородом (О2) воздуха. Количество оксидов азота (NOX) в отработанных газах определяется в основном температурой сгорания, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания. Без специальных деталей, в чисто химическом аспекте, влияние вредных веществ, которые находятся в отработавших газах автомобиля, на живые организмы сводится к следующему. Вследствие того, что часть углеводородов бензина не окисляется до конца, образуются оксиды углерода (СО), которые вредно влияют на здоровье человека даже при низких концентрациях вследствие более активного в сравнении с кислородом взаимодействия с гемоглобином крови. В условиях высоких температур, которые развиваются в цилиндре двигателя, азот окисляется кислородом воздуха до оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2), которые вызывают общую слабость, умопомрачение и дурноту. Сера (S), содержащаяся в бензине, окисляется до оксида серы (SO2), который нарушает процессы дыхания и содействует повышению кислотности атмосферных осадков. При горении бензина в условиях недостатка кислорода и высоких температур образуются 3, 4-бензпірен (С20Н12), вещество имеющее канцерогенные свойства. На стадии воспламенения топлива, а тем более при запуске двигателя или его работе без нагрузки, т.е. в условиях излишка кислорода, происходит синтез альдегидов (RXCHO), имеющих наркотическое действие на центральную нервную систему. Вредное влияние химических соединений, образующихся при эксплуатации ДВС, оказывает влияние не только на человека, но и на всю окружающую природную среду. На ход процессов сгорания, тепловыделения а, соответственно, и на расход топлива и количество выбросов вредных веществ в отработанных газах ДВС в первую очередь влияет организация процессов смесеобразования. Перспективным способом снижения расхода топлива и выбросов вредных веществ с отработанными газами двигателей с искровым зажиганием является применение непосредственного впрыскивания топлива с расслоением топливовоздушной смеси, которое особенно актуально для двухтактных двигателей. Значительно влияет на показатели ДВС с распределением топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя слоями характер организации процессов смесеобразования и сгорания, состав топливовоздушной смеси, которые характеризуется коэффициентом излишка воздуха **** где Gпов - масса воздуха; Gпал - масса топлива; l 0 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания топлива, и размещение объема топливовоздушной смеси в объеме камеры сгорания относительно источника воспламенения - электродов свечи зажигания. На частичных режимах качественная организация процессов смесеобразования и сгорания при эффективном расслоении топливовоздушной смеси обеспечивается, когда на момент воспламенения в объеме, окружающем свечу зажигания и в межэлектродном промежутке свечи зажигания находится обогащенный легковоспламеняющийся состав топливовоздушной смеси (? =0, 8-0,9), а в других объемах камеры сгорания находится воздух /. На режимах максимальной мощности должно обеспечиваться равномерное распределение топливовоздушной смеси (? ?1) по всему объему камеры сгорания. Качество топливовоздушной смеси зависит от способа организации процессов смесеобразования. Существуют три типа внутреннего смесеобразование: объемное, объемно-пленочное и пленочное. Каждый из типов смесеобразования имеет свои преимущества и недостатки. Однако для создания качественной однородной топливовоздушной смеси, в которой возле каждой молекулы топлива расположено одинаковое количество молекул кислорода, азота и других компонентов, предпочтительно пленочное смесеобразование. Для эффективной организации пленочного смесеобразования необходимо значительную часть цикловой подачи топлива, (более 90%), подавать на поверхность камеры сгорания под острым углом, что обеспечивает растекание топлива по стенке тонкой пленкой, а возле стенки организовать направленное движение воздушного заряда так, чтобы обеспечивался интенсивный отвод паров топлива от топливной пленки и качественное смешивание паров топлива с потоком набегающего воздуха. При этом необходимо, чтобы топливная пленка не разрушалась. Реализацию пленочного смесеобразования осуществляют при организации внутреннего смесеобразования путем непосредственного впрыскивания топлива в камеру сгорания ДВС и направленного вихревого движения воздуха за счет конструктивных особенностей камеры сгорания. Организация внутреннего смесеобразования в камере сгорания зависит от формы топливного факела, среднего диаметра капель и давления впрыскивания. Форма топливного факела и ориентация топливной форсунки также обуславливают качество протекания процессов смесеобразования, формирования состава топливовоздушной смеси, интенсивности воспламенения и сгорания. При этом организация пленочного смесеобразования с использованием известных способов подачи топлива обуславливает усложнение конструкции двигателя вследствие необходимости обеспечения направленного вихревого движения воздуха, определяющего усложнение конструкции камеры сгорания. Например, использование вихревых камер сгорания затрудняется не только их формой, но и необходимостью применения специального жаропрочного материала в соединительном канале между надпоршневыми объемами. Кроме того, использование разделенных камер сгорания увеличивает тепловые потери в головку цилиндра, что снижает экономичность двигателя. Система зажигания предназначена для воспламенения топливовоздушной смеси в точно установленный момент времени. У двигателя с искровым зажиганием это достигается за счет электрической искры, т.е. электроискрового разряда, создаваемого между электродами свечи зажигания. Для возникновения искры напряжение между электродами свечки должна резко возрасти для создания электрической дуги. После возникновения искрового разряда топливовоздушная смесь, находящаяся между электродами свечи, может воспламениться в любой момент этой фазы. Важным параметром воспламенения топливовоздушной смеси является ее состав, который должен находиться в пределах воспламеняемости, отвечающей коэффициенту избытка воздуха Переобогащение топливовоздушной смеси (a <0,4), a так же попадание топлива в жидкой фазе в межэлектродный промежуток свечи зажигания свечки может шунтировать межэлектродный промежуток и привести к ухудшению параметров искрового разряда, или даже к полному прекращению искрообразования, что в свою очередь приводит к не воспламенению топливовоздушной смеси. Важным фактором обеспечения надежной, экономической работы двигателя и предотвращение повышения токсичности отработанных газов является обеспечение герметичности распылителя форсунки, так как на распылитель форсунки действуют горячие газы, что приводит к короблению его уплотняющих поверхностей. Это, в свою очередь, может привести к подтеканию топлива, нарушению процессов формирования топливного факела, снижению эффективности смесеобразования и сгорания и дальнейшему выходу распылителя из эксплуатации. Исходя из выше сказанного актуальна задача создания конструкции двигателя внутреннего сгорания с расслоением топливного заряда и принудительным зажиганием и непосредственным впрыскиванием топлива, которая обеспечила бы эффективную реализацию способа смесеобразования и сгорания в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, что, в свою очередь, обеспечило бы высокие показатели мощности и экономические и экологические показатели двигателя. Наиболее близким аналогом для предлагаемого двигателя внутреннего сгорания является двигатель внутреннего сгорания с расслоением топливовоздушного заряда и принудительным зажиганиям при непосредственном впрыскивании топлива, описанный в патенте Великобритании №2215398, который содержит цилиндр, головку цилиндра, поршень с днищем, которое образует с головкой цилиндра камеру сгорания, при этом внутренние поверхности головки цилиндра выполнены вогнутыми и образуют поверхности камеры сгорания, свечу зажигания с электродами, между которыми есть межэлектродный промежуток, топливную форсунку с распылителем, установленную в боковой стенке цилиндра. Распылитель топливной форсунки выполнен вихревым. Недостатк описанного технического решения - то, что во время впрыскивания топлива в камеру сгорания в область установки свечи зажигания, форсунка создает вихревое движение топлива в районе свечи зажигания, что приводит в начале формирования топливного факела и при его движении к интенсивному перемешиванию частиц топлива с воздушным зарядом, что способствует образованию смешанной топливовоздушной смеси по всему объему топливного факела. При этом в зоне образующей конусообразного топливного факела также происходит интенсивное перемешивание частиц топлива с окружающим воздушным зарядом, что приводит к увеличению объема топливовоздушной смеси, и на режимах частичной нагрузки в момент зажигания и дальнейшего горения объем топливовоздушной смеси увеличивается практически до объема камеры сгорания, это снижает степень расслоения топливовоздушного заряда (отношение объема воздуха без паров топлива к объему надпоршневой полости), как показано в формуле: где Vц - объем надпоршневой полости; Vс ум - объем топливовоздушной смеси; a сумм - коэффициент излишка воздуха в объеме топливовоздушной смеси; a ц - коэффициент излишка воздуха в объеме надпоршневой полости, в результате оптимальный диапазон работы двигателя по расходу топлива и минимальным выбросам вредных веществ с отработанными газами будет строго ограничен. Кроме того, в процессе следующего сгорания обеднённой топливовоздушной смеси, будет уменьшена скорость распространения фронта пламени. Кроме того обеднение топливовоздушной смеси на периферии, в отдалении от места установки свечи зажигания, содействует образованию пероксидов, которые приводят к возникновению детонационного сгорания и разрушению двигателя. Таким образом, общим недостатком известных двигателей являются реализуемые способы смесеобразования в камере сгорания ДВС, с недостаточно эффективным распределением объема и состава топливовоздушной смеси по объему камеры сгорания слоями, что снижает эффективность протекания процессов сгорания. Более конкретно, образование разделенных воздушным зарядом объемов топливовоздушной смеси на пути распространения фронта пламени, неравномерное распределение объема смеси относительно расположения электродов свечи зажигания, увеличивают максимальный путь и время прохождения фронта пламени, при этом неравномерное подведение воздуха в зону горения с разным коэффициентом излишка воздуха a так же снижает эффективность сгорания. В итоге снижается индикаторный коэффициент полезного действия ( hi ), который показывает, какая часть химической энергии топлива, поступившего в рабочий объем двигателя, при сгорании превращается в полезную работу газов, что характеризует степень совершенства организации рабочих процессов. При этом оценку и сравнение hi , двухтактного двигателя с внешним (карбюратор) и внутренним (непосредственное впрыскивание топлива) смесеобразованием необходимо осуществлять с учетом только того топлива, которое осталось в цилиндре после закрытия органов газораспределения: где Li - внутрицилиндровая индикаторная работа газов за цикл; Qнр - низшая рабочая теплота сгорания топлива; Gпал.ц - количество топлива, оставшегося в цилиндре за цикл; Gпал.тр - количество транзитного топлива, которое утрачено (например, при продувке цилиндра); Z - коэффициент, учитывающий потерю топлива (например, при продувке цилиндра), который равняется соотношению количества утраченного транзитного топлива (Gпал.тр) к количеству топлива (Gпал.ц), оставшегося в цилиндре после завершения процессов газообмена. В основу полезной модели поставленная задача создания ДВС с расслоением топливовоздушного заряда и принудительным зажиганиям при непосредственном впрыскивании топлива, который за счет своего конструктивного выполнения обеспечит эффективное смесеобразование в камере сгорания ДВС, как описано выше, с сохранением всех преимуществ такого способа. Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания с расслоением топливного заряда и принудительным зажиганием при непосредственном впрыскивании топлива, который содержит цилиндр, головку цилиндра, поршень с днищем, образующим с головкой цилиндра камеру сгорания, которая размещена симметрично относительно оси цилиндра, и вытеснителя, при этом поверхности головки цилиндра выполнены вогнутыми и образуют поверхность вытеснителя параллельную днищу поршня и внутреннюю поверхность камеры сгорания, которые разделяет горловина, свечу зажигания с электродами, между которыми есть межэлектродный промежуток, топливную форсунку с распылителем, установленную в боковой стенке цилиндра, при этом топливная форсунка выполнена с возможностью формирования топливного конусообразного факела, который состоит из тела факела в форме конуса, ограниченного его образующей и внешним углом раскрытия a , и конусообразной полости в теле факела, ограниченной ее образующей и внутренним углом раскрытия b , при этом форсунка установлена таким образом, что межэлектродный промежуток свечи зажигания находится в середине конусообразной полости факела. Такая конструкция ДВС позволяет предотвратить шунтирование межэлектродного промежутка свечи зажигания, что может привести к ухудшению параметров искрового разряда и даже полному прекращению искрообразования. Кроме того, благодаря описанному исполнению двигателя становится возможной реализация способа подачи топлива в камеру сгорания двигателя, при котором осуществляется процесс пленочного смесеобразования в области, окружающей свечу зажигания с электродами, между которыми есть межэлектродный промежуток, и исключает в процессе впрыскивания топлива шунтирование межэлектродного промежутка, вследствие нахождения его в конусообразной полости топливного факела. Это в дальнейшем позволит, в свою очередь, при испарении топлива с поверхностей камеры сгорания и смешении паров топлива с движущимся воздушным зарядом, и направленным вдоль поверхности камеры сгорания к электродам свечи зажигания образовать возле поверхности камеры сгорания и между электродами свечи зажигания гомогенную, хорошо перемешанную обогащенную топливовоздушную смесь с коэффициентом излишка воздуха a =0,8 ? 0,9, а в середине камеры сгорания - относительно чистый воздух. Такая организация рабочего процесса содействует образованию глубокого качественного расслоения топливовоздушной смеси в надпоршневом объеме на режимах частичных нагрузок двигателя. Высокое качество расслоенной топливовоздушной смеси в свою очередь позволит повысить экономические и экологические показатели двигателя, а на режимах максимальных нагрузок повысить мощность двигателя. Преимущественным является выполнение топливной форсунки с возможностью изменения внешнего угла раскрытия j топливного факела при различных режимах работы двигателя в диапазоне от 5° до 80°, что позволит обеспечить наиболее оптимальное распределение топлива по внутренним поверхностям камеры сгорания, регулировать время испарения топливной пленки, формировать величину объема и состав топливовоздушной смеси. Возможность изменения внешнего угла раскрытия j топливного факела при различных режимах работы двигателя обеспечивается изменением цикловой подачи топлива, давлением впрыскивания топлива, ходом клапана распылителя и изменением геометрии носка распылителя. Такой топливный факел может быть создан форсунками клапанного, штифтового или многосоплового типов. Если внешний угол раскрытия j топливного факела менее 5°, то электроды свечи зажигания будут шунтироваться жидким топливом и при подаче напряжения топливовоздушная смесь не воспламенится. Если внешний угол раскрытия ф топливного факела больше 80° и образующая топливного факела будет пересекать поверхность цилиндра, то топливо, попавшее на стенки цилиндра, не будет участвовать в процессе сгорания, что значительно снизит экономические и экологические показатели двигателя. Так же преимущественным на режимах частичных нагрузок при организации расслоенния топливовоздушной смеси является конструктивнее выполнение двигателя, при котором при повышении нагрузки двигателя от минимальной до 60% максимальной мощности внешний угол раскрытия j топливного факела увеличивается от j =5° до значения, при котором образующая топливного факела достигает горловины камеры сгорания, при этом топливный факел целиком проецируется на поверхность камеры сгорания двигателя. При повышении нагрузки двигателя от 60% до 100% максимальной мощности внешний угол раскрытия a топливного факела может увеличиваться до j =80° и его образующая пересекает поверхность вытеснителя камеры сгорания, при этом топливный факел частично проецируется на поверхность камеры сгорания и частично на поверхность вытиснителя, т.е. при максимальных нагрузках и максимальном раскрытии топливного факела большая часть поверхности камеры сгорания, которая находится в головке цилиндра, будет равномерно покрыта топливной пленкой. Это позволит за относительно короткое время испариться топливу с поверхности и организовать качественную топливовоздушную смесь. При этом, топливо, которое оседает на поверхность вытеснителя головки цилиндра, будет более интенсивно испаряться в связи с тем, что на такте сжатия при приближении днища поршня к вытеснителю головки цилиндра образуется интенсивное движение воздушного заряда между этими поверхностями и над топливной пленкой. Возможно выполнение ДВС, при котором топливный факел имеет постоянное значение внутреннего угла b , что не требует усложнения конструкции распылителя топливной форсунки. Также возможно выполнение топливной форсунки с возможностью изменения внутреннего угла b топливного факела при разных режимах работы двигателя в диапазоне от 3° до 45°. Минимальное значение внутреннего угла b =3° обеспечивает надежное предотвращение шунтирования межэлектродного промежутка у свечи зажигания на режимах холостого хода и при минимальных нагрузках. Увеличение внутреннего угла b до 45° с повышением мощности двигателя позволяет обеспечить постоянный состав топливовоздушной смеси ( a =0, 8-0,9) между электродами свечи зажигания и в объеме смеси для эффективного протекания процессов сгорания расслоенной топливовоздушной смеси. С увеличением внутреннего угла b от 3° до 45° увеличивается объем топливовоздушной смеси и регулируется положение объема смеси относительно электродов свечи зажигания на момент воспламенения. Для обеспечения равномерного потока воздуха вдоль поверхности камеры сгорания от периферии к ее вершине необходимо, чтобы площадь вытеснителя камеры сгорания составляла от 30% до 60% площади днища поршня. При этом поверхности вытеснителя и днища поршня расположены параллельно. Необходимо отметить, что конструкция двигателя с симметричной камерой сгорания, которая размещена в головке цилиндра симметрично оси цилиндра с форсункой, установленной в стенке цилиндра, является одной из возможных простейших конструкций, которые обеспечивают предложенный выше способ смесеобразования. Перечень графических материалов Фиг.1 - поперечный перерез двигателя и топливного факела во время впрыскивания топлива. Фиг.2 - организация расслоения топливовоздушной смеси на такте сжатия на режимах частичных нагрузок. Фиг.3 - организация расслоения топливовоздушной смеси в объеме камеры сгорания на момент зажигания на режимах частичных нагрузок. Фиг.4 - распространение фронта пламени при положении поршня в ВМТ на режимах частичных нагрузок. Фиг.5 - распространение фронта пламени на такте расширения на режимах частичных нагрузок. Фиг.6 - догорание продуктов сгорания на такте расширения до открытия выпускных органов газораспределения. Фиг.7 - организация расслоения топливовоздушной смеси на такте сжатия на режимах максимальных нагрузок. Фиг.8 - организация распределения топливовоздушной смеси и воздушного заряда в объеме камеры сгорания на момент зажигания на режимах максимальных нагрузок. Фиг.9 - распространение фронта пламени при положении поршня в ВМТ на режимах максимальных нагрузок. Фиг.10 - распространение фронта пламени на такте расширения на режимах максимальных нагрузок. На Фиг.1 представлен поперечный разрез двигателя внутреннего сгорания и топливного факела во время впрыскивания топлива. Двигатель имеет принудительное зажигание и непосредственное впрыскивание топлива и содержит цилиндр 1, головку цилиндра 2, поршень 3 с днищем, которое образует с головкой цилиндра 2 камеру сгорания 4, которая размещена симметрично относительно оси Z-Z цилиндра 1, и вытеснитель, при этом внутренние поверхности 2а и 26 головки цилиндра 2 представляют собой вогнутые поверхности и образуют поверхность вытеснителя 4а, параллельную днищу поршня 3 и поверхность камеры сгорания 4, которые разделяет горловина 46, свечу зажигания 5 с электродами 6, между которыми есть межэлектродный промежуток 7, топливную форсунку 8 с распылителем 9, установленную в боковой стенке цилиндра 1. При этом камера сгорания 4 размещена симметрично оси Z-Z цилиндра 1 и поверхность 2а камеры сгорания 4 от поверхности 26 вытеснителя 4а отделяет горловина 46. Топливная форсунка 8 выполнена с возможностью формирования топливного конусообразного факела 10, который состоит из тела 11 факела 10 в форме конуса, ограниченного его образующей и внешним углом раскрытия j , и конусообразной полости 12 в теле 11 факела 10, ограниченной ее образующей внутренним углом раскрытия (3, при этом форсунка 8 установлена таким образом, что межэлектродный промежуток свечи зажигания 5 находится в середине конусообразной полости 12 факела 10. На Фиг.2 представлен процесс организации расслоения топливовоздушной смеси на такте сжатия на режимах частичных нагрузок. На фигуре представлены топливная пленка 13, пары топлива 14, топливовоздушная смесь 15 и воздушный заряд 16, которые находятся в камере сгорания. На Фиг.3 представлен процесс организации расслоения топливовоздушной смеси в объеме камеры сгорания на момент зажигания на режимах частичных нагрузок. Все элементы обозначены теми же позициями, что и на Фиг.1 и фиг.2. На Фиг.4 представлен процесс распространения фронта пламени при положении поршня в ВМТ на режимах частичных нагрузок. На фигуре показан фронт пламени 17, который распространяется по объему камеры сгорания, и продукты сгорания 18. На Фиг.5 представлен процесс распространения фронта пламени на такте расширения на режимах частичных нагрузок. Все элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих фигурах. На Фиг.6 представлен процесс догорания продуктов сгорания на такте расширения до открытия выпускных органов газораспределения. Все элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих фигурах. На Фиг.7 представлен процесс организации расслоения топливовоздушной смеси на такте сжатия на режимах максимальных нагрузок. Все элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих фигурах. На Фиг.8 представлен процесс организации распределения топливовоздушной смеси и воздушного заряда в объеме камеры сгорания на момент зажигания на режимах максимальных нагрузок. Все элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих фигурах. На Фиг.9 представлен процесс распространения фронта пламени при положении поршня в ВМТ на режимах максимальных нагрузок. Все элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих фигурах. На Фиг.10 представлен процесс распространения фронта пламени на такте расширения на режимах максимальных нагрузок. Все элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих фигурах. ЧАСТЬ 2 РИСУНКИ | ||||||||||||||||||||||||||||
 |  |
| Кирилюк © 2024 |
