RU2388916C2 - Internal combustion engine operating method, device for performing combined mixture formation - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps. ^ SUBSTANCE: internal combustion engine operating method involves introduction of some part of fuel to suction header. External mixture formation is performed by introducing some part of fuel with volume of 20% of complete cyclic fuel supply to suction header. Internal mixture formation is carried out by spraying to the cylinder of the remaining part of fuel with volume of 80% of complete cyclic supply with mixture ignition due to compression. Complete cyclic fuel supply corresponds to excess air factor =1.01.05. Device for combined mixture formation includes suction header which is equipped with mixing chamber made in the form of ellipsoid of rotation. On mixing chamber there installed is additional atomiser and supersonic magnetostriction vibrators located coaxially on both sides at an angle of 30 to major axis of mixing chamber. ^ EFFECT: reducing specific fuel consumption, reducing toxicity level of waste combustion products, increasing specific power properties of an engine. ^ 3 cl, 1 dwg

Description

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

Известен способ работы двигателей внутреннего сгорания с комбинированным смесеобразованием, обладающих умеренными степенями сжатия (ε=13÷15) и работающих на тяжелых топливах. В этих двигателях топливо, впрыснутое в цилиндр, обогащает уже сжатую обедненную топливовоздушную смесь, полученную при помощи внешнего дозирующего устройства - карбюратора. Состав этой смеси находится вне пределов самовоспламенения, а новый обогащенный состав смеси воспламеняется от сжатия, тем самым интенсифицирует процессы горения рабочей смеси и расширения продуктов сгорания [см. Расчетный и экспериментальный анализ показателей рабочего цикла при различных способах организации рабочего процесса в ДВС. Дорохов А.Ф., Каргин С.А., Исаев А.П. // IV Международная НТК «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств». Материалы научно-технической конференции. - Пенза: АДИ ПТУ АС, 2006. с.111-116]. Однако карбюрирование не обеспечивает интенсивного испарения сравнительно тяжелого дизельного топлива, что приводит к попаданию в цилиндр значительной доли воздушно-топливной эмульсии, на испарение которой затрачивается теплота и время. Это приводит к достаточно большому периоду задержки самовоспламенения и снижению уровня показателей рабочего цикла.A known method of operation of internal combustion engines with combined mixture formation, with moderate degrees of compression (ε = 13 ÷ 15) and running on heavy fuels. In these engines, the fuel injected into the cylinder enriches the already compressed lean air-fuel mixture obtained with an external metering device - a carburetor. The composition of this mixture is outside the limits of self-ignition, and the new enriched composition of the mixture ignites from compression, thereby intensifying the combustion processes of the working mixture and the expansion of combustion products [see Estimated and experimental analysis of the work cycle indicators for various ways of organizing the work process in the internal combustion engine. Dorokhov A.F., Kargin S.A., Isaev A.P. // IV International NTK "Problems of quality and operation of vehicles." Materials of the scientific and technical conference. - Penza: ADI PTU AS, 2006. p.111-116]. However, carburization does not provide intensive evaporation of relatively heavy diesel fuel, which leads to the ingress of a significant fraction of the air-fuel emulsion into the cylinder, the evaporation of which takes heat and time. This leads to a sufficiently large period of delay in self-ignition and a decrease in the level of indicators of the working cycle.

Известен способ работы двигателей внутреннего сгорания с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением (см. патент РФ №2215882, опубл. 10.11.2003). Данный способ работы реализуется при пониженной степени сжатия (ε~13) также при помощи внешнего дозирующего устройства (карбюратора) и источника принудительно воспламенения - электрической свечи. Недостатками данного технического решения являются карбюрирование дизельного топлива и необходимость системы электрического воспламенения, усложняющей конструкцию.A known method of operation of internal combustion engines with combined mixture formation and forced ignition (see RF patent No. 2215882, publ. 10.11.2003). This method of operation is implemented at a reduced compression ratio (ε ~ 13) also using an external metering device (carburetor) and a forced ignition source - an electric candle. The disadvantages of this technical solution are the carburization of diesel fuel and the need for an electric ignition system that complicates the design.

Техническая задача - создание способа организации рабочего процесса ДВС с комбинированным (внешним и внутренним) образованием смеси тяжелого (дизельного) топлива с воздухом и остатками продуктов сгорания в цилиндре при коэффициенте избытка воздуха α=1,0÷1,1 и воспламенением от сжатия образовавшейся гомогенной рабочей смеси.The technical task is to create a method of organizing the internal combustion engine workflow with combined (external and internal) formation of a mixture of heavy (diesel) fuel with air and the remains of combustion products in the cylinder with an air excess coefficient α = 1.0 ÷ 1.1 and compression-formed homogeneous compression working mixture.

Технический результат - снижение удельного расхода топлива, уменьшение токсичности отработавших продуктов сгорания, повышение удельных энергетических показателей двигателя.The technical result is a reduction in specific fuel consumption, a decrease in the toxicity of exhaust combustion products, an increase in specific energy performance of the engine.

Технический результат достигается за счет того, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем введение части топлива во всасывающий коллектор, внешнее смесеобразование осуществляют путем введения части топлива в объеме 20% от полной цикловой подачи топлива во всасывающий коллектор, а внутреннее смесеобразование осуществляют путем впрыскивания в цилиндр оставшейся части топлива в объеме 80% от полной цикловой подачи с воспламенением смеси от сжатия, полная цикловая подача топлива соответствует коэффициенту избытка воздуха α=1,0÷1,05.The technical result is achieved due to the fact that in the method of operation of the internal combustion engine, including the introduction of part of the fuel into the intake manifold, external mixture formation is carried out by introducing part of the fuel in the amount of 20% of the total cyclic fuel supply to the intake manifold, and the internal mixture formation is carried out by injection into cylinder of the remaining part of the fuel in the amount of 80% of the total cycle supply with the mixture igniting from compression, the full cycle fuel supply corresponds to spirit α = 1,0 ÷ 1,05.

На топливовоздушную смесь в смесительной камере осуществляют ультразвуковое воздействие с частотой 21÷25 кГц.The air-fuel mixture in the mixing chamber is subjected to ultrasound with a frequency of 21 ÷ 25 kHz.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для осуществления комбинированного смесеобразования всасывающий коллектор снабжен смесительной камерой, выполненной в виде эллипсоида вращения; на смесительной камере установлена дополнительная форсунка и ультразвуковые магнитострикционные вибраторы, расположенные соосно с двух сторон под углом 30° к большой оси смесительной камеры.The technical result is achieved due to the fact that in the device for implementing combined mixture formation, the intake manifold is equipped with a mixing chamber made in the form of an ellipsoid of revolution; an additional nozzle and ultrasonic magnetostrictive vibrators mounted coaxially on both sides at an angle of 30 ° to the major axis of the mixing chamber are mounted on the mixing chamber.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.The proposed method is as follows.

Пример 1Example 1

При запуске двигателя в смесительную камеру подают часть топлива в объеме 20% от полной цикловой подачи, соответствующей коэффициенту избытка воздуха α=1,0÷1,05, посредством дополнительной форсунки с помощью дополнительной секции топливного насоса высокого давления. Давление впрыскивания топлива при этом должно составлять 1,1÷1,2 от номинального давления впрыска рабочих форсунок. Для интенсификации испарения распыленного топлива и гомогенизации полученной в смесительной камере топливовоздушной смеси на нее постоянно осуществляют ультразвуковое воздействие посредством магнитострикционного вибратора. Испарившееся и хорошо перемешавшееся с воздухом топливо, образовавшее качественную горючую смесь, подают через всасывающий клапан в цилиндр, где, после его закрытия, уже рабочую смесь сжимают, чем еще более улучшают качество смесеобразования. Предварительная организация процесса образования хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования дает возможность повысить удельные энергетические показатели двигателя. В конце такта сжатия в камеру через форсунку впрыскивают основную часть топлива, объемом 80% от общего объема цикловой подачи, соответствующей коэффициенту избытка воздуха α=1,0÷1,05. Угол опережения впрыскивания топлива и давление впрыска в цилиндр при этом должны соответствовать нормативным для данного двигателя. При этом происходит обогащение уже образовавшейся гомогенной смеси вследствие добавки вновь впрыснутого топлива, которое, образуя очаги воспламенения, активно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и активно сгорает. Высококачественная рабочая смесь, полученная в цилиндре за счет комбинированного смесеобразования, ее быстрое воспламенение и эффективное сгорание обеспечивают высокую полноту сгорания топлива, что дает хорошую топливную экономичность и низкую токсичность отработавших продуктов сгорания.When the engine is started, part of the fuel is supplied to the mixing chamber in the amount of 20% of the total cyclic supply corresponding to the coefficient of excess air α = 1.0 ÷ 1.05, by means of an additional nozzle using an additional section of the high-pressure fuel pump. The fuel injection pressure should be 1.1 ÷ 1.2 of the nominal injection pressure of the working nozzles. In order to intensify the evaporation of atomized fuel and to homogenize the air-fuel mixture obtained in the mixing chamber, ultrasonic action is constantly carried out on it by means of a magnetostrictive vibrator. Evaporated and well mixed with air fuel, which formed a high-quality combustible mixture, is fed through the suction valve to the cylinder, where, after it is closed, the working mixture is compressed, which further improves the quality of the mixture formation. Preliminary organization of the formation of a well-prepared working mixture at the stage of external mixture formation makes it possible to increase the specific energy performance of the engine. At the end of the compression stroke, the main part of the fuel is injected into the chamber through the nozzle, with a volume of 80% of the total cyclic supply corresponding to the coefficient of excess air α = 1.0 ÷ 1.05. The angle of advance of fuel injection and the injection pressure into the cylinder must comply with the standard for this engine. In this case, the already formed homogeneous mixture is enriched due to the addition of newly injected fuel, which, forming foci of ignition, actively evaporates, mixes with excess air and actively burns. The high-quality working mixture obtained in the cylinder due to the combined mixture formation, its quick ignition and efficient combustion provide a high completeness of fuel combustion, which gives good fuel economy and low toxicity of exhaust combustion products.

Способ реализуется с помощью устройства для осуществления комбинированного смесеобразования. Оно имеет дизельный двигатель с топливным насосом высокого давления, содержащим дополнительную секцию сверх имеющегося количества цилиндров, при этом всасывающий коллектор снабжен смесительной камерой, выполненной в форме эллипсоида вращения, со штатной форсункой для обеспечения внешнего смесеобразования. Кроме того, на смесительной камере установлен вибратор для ультразвукового воздействия на топливовоздушную смесь.The method is implemented using a device for implementing combined mixture formation. It has a diesel engine with a high-pressure fuel pump containing an additional section in excess of the available number of cylinders, while the intake manifold is equipped with a mixing chamber made in the form of an ellipsoid of revolution, with a standard nozzle to provide external mixture formation. In addition, a vibrator is installed on the mixing chamber for ultrasonic exposure to the air-fuel mixture.

Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования схематически представлено на Фиг.1. Устройство содержит дизельный вихрекамерный двигатель 1. Камера сгорания двигателя имеет форсунку 2, работающую от основной секции 3 топливного насоса высокого давления. Всасывающий патрубок 4 соединяет дизельный двигатель 1 и приспособление для обеспечения внешнего смесеобразования - смесительную камеру 5, представляющую собой эллипсоид вращения, оснащенную штатной форсункой 6, работающей от дополнительной секции 7 топливного насоса высокого давления, и воздухоподводящим патрубком 8. Кроме того, на смесительной камере 5 установлены ультразвуковые магнитострикционные вибраторы 9.A device for implementing combined mixture formation is shown schematically in FIG. The device contains a diesel vortex chamber engine 1. The combustion chamber of the engine has a nozzle 2 operating from the main section 3 of the high pressure fuel pump. The suction pipe 4 connects the diesel engine 1 and the device for providing external mixture formation — the mixing chamber 5, which is an ellipsoid of revolution, equipped with a standard nozzle 6, operating from the additional section 7 of the high pressure fuel pump, and an air supply pipe 8. In addition, on the mixing chamber 5 installed ultrasonic magnetostrictive vibrators 9.

Устройство работает следующим образом. При запуске двигателя в смесительную камеру 5, выполненную в виде эллипсоида вращения, которая служит также для снижения уровня колебаний всасываемой в цилиндр двигателя топливовоздушной смеси, подают часть топлива в объеме 20% от полной цикловой подачи, посредством форсунки 6, установленной в верхней части смесительной камеры 5 (вертикально либо под углом к малой оси эллипсоида), с помощью дополнительной секции 7 топливного насоса высокого давления. К смесительной камере 5 в плоскости большой оси эллипсоида тангенциально крепится воздухоподводящий патрубок 8. Всасывающий патрубок 4, соединяющий смесительную камеру 5 с впускным коллектором двигателя, крепится в нижней части смесительной камеры соосно малой оси эллипсоида. Для интенсификации испарения распыленного топлива и гомогенизации полученной в смесительной камере 5 топливовоздушной смеси на нее постоянно воздействуют ультразвуковым полем, создаваемым ультразвуковыми магнитострикционными вибраторами 9, расположенными соосно с двух сторон смесительной камеры 5 под углом 30° к большой оси эллипсоида. Испарившееся и хорошо перемешавшееся с воздухом топливо подают через всасывающий клапан в камеру сгорания, где, после его закрытия, уже рабочую смесь сжимают, чем еще более улучшают качество смесеобразования. В конце такта сжатия камеру сгорания через форсунку 2, связанную с основной секцией 3 топливного насоса высокого давления, впрыскивают основную часть топлива, объемом 80% от общего объема цикловой подачи. При этом происходит обогащение уже образовавшейся гомогенной смеси вследствие добавки вновь впрыснутого топлива, которое, попадая в уже возникшие очаги воспламенения, активно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и сгорает.The device operates as follows. When the engine is started, the mixing chamber 5, made in the form of an ellipsoid of revolution, which also serves to reduce the level of oscillations of the air-fuel mixture that is sucked into the engine cylinder, is supplied with a portion of the fuel in the amount of 20% of the total cyclic supply, by means of the nozzle 6 installed in the upper part of the mixing chamber 5 (vertically or at an angle to the minor axis of the ellipsoid), using the additional section 7 of the high pressure fuel pump. An air supply pipe 8 is tangentially attached to the mixing chamber 5 in the plane of the ellipsoid’s major axis. The suction pipe 4 connecting the mixing chamber 5 to the engine intake manifold is attached to the lower part of the mixing chamber coaxially with the minor axis of the ellipsoid. To intensify the evaporation of atomized fuel and homogenize the air-fuel mixture obtained in the mixing chamber 5, it is constantly exposed to it by an ultrasonic field created by ultrasonic magnetostrictive vibrators 9 located coaxially on both sides of the mixing chamber 5 at an angle of 30 ° to the major axis of the ellipsoid. Evaporated and well mixed with air, the fuel is fed through the suction valve to the combustion chamber, where, after its closure, the working mixture is already compressed, which further improves the quality of the mixture formation. At the end of the compression stroke, the combustion chamber through the nozzle 2, connected with the main section 3 of the high pressure fuel pump, injects the bulk of the fuel, with a volume of 80% of the total volume of the cyclic supply. In this case, the already formed homogeneous mixture is enriched due to the addition of newly injected fuel, which, falling into the already existing foci of ignition, actively evaporates, mixes with excess air and burns out.

Предлагаемые способ и устройство позволяют осуществлять рабочий процесс со значениями коэффициента избытка воздуха, близкими к единице, за счет предварительной организации процесса образования хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования, что дает возможность повысить удельные энергетические показатели двигателя, получить хорошую топливную экономичность и низкую токсичность отработавших продуктов сгорания.The proposed method and device allows to carry out a work process with values of the coefficient of excess air close to unity due to the preliminary organization of the formation of a well-prepared working mixture at the stage of external mixture formation, which makes it possible to increase the specific energy performance of the engine, to obtain good fuel efficiency and low toxicity of exhaust combustion products.

Claims (3)

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий введение части топлива во всасывающий коллектор, отличающийся тем, что внешнее смесеобразование осуществляют путем введения части топлива в объеме 20% от полной цикловой подачи топлива во всасывающий коллектор, а внутреннее смесеобразование осуществляют путем впрыскивания в цилиндр оставшейся части топлива в объеме 80% от полной цикловой подачи с воспламенением смеси от сжатия, полная цикловая подача топлива соответствует коэффициенту избытка воздуха α=1,0÷1,05.1. The method of operation of the internal combustion engine, including the introduction of part of the fuel into the intake manifold, characterized in that the external mixture formation is carried out by introducing part of the fuel in the amount of 20% of the total cyclic supply of fuel to the intake manifold, and the internal mixture formation is carried out by injecting the remaining part into the cylinder fuel in the amount of 80% of the total cycle supply with the mixture igniting from compression, the full cycle fuel supply corresponds to the coefficient of excess air α = 1.0 ÷ 1.05. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на топливовоздушную смесь в смесительной камере осуществляют ультразвуковое воздействие с частотой 21÷25 кГц.2. The method according to claim 1, characterized in that the air-fuel mixture in the mixing chamber carry out ultrasonic treatment with a frequency of 21 ÷ 25 kHz. 3. Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования, отличающееся тем, что всасывающий коллектор снабжен смесительной камерой, выполненной в виде эллипсоида вращения; на смесительной камере установлена дополнительная форсунка и ультразвуковые магнитострикционные вибраторы, расположенные соосно с двух сторон под углом 30° к большой оси смесительной камеры. 3. A device for implementing combined mixing, characterized in that the suction manifold is equipped with a mixing chamber, made in the form of an ellipsoid of revolution; an additional nozzle and ultrasonic magnetostrictive vibrators mounted coaxially on both sides at an angle of 30 ° to the major axis of the mixing chamber are mounted on the mixing chamber.

Images