способ организации процесса постадийного сгорания в поршневом двигателе

Формула изобретения

Способ 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, отличающийся тем, что 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.

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).

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.

Осуществить такое перекрытие полостей и при этом выдержать все конструктивные требования к компоновке КС достаточно сложно, что является недостатком данного способа.

Задача изобретения - улучшение антидетонационных свойств поршневого двигателя внутреннего сгорания с зажиганием от искры.

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.

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.

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 между выступами выполняется минимальным, исходя из технологических возможностей и экономической целесообразности. При положении поршня в ВМТ выступы перекрывают друг друга на величину .

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.

Как известно, для идеального двухатомного газа критическое отношение давлений кр=P₂/P₁ составляет 0,528, где P₁ - давление в свечной полости; Р₂ - давление в бессвечной полости.

Если пренебречь утечками газа через зазор 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.

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.

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.

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.

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 - 1, а между полостями II и III - 2.

Величина 2>1. 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.

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.