RU2816179C1

RU2816179C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2816179C1
Application number: RU2023107068A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Сергеев
Original assignee: Александр Николаевич Сергеев
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2024-03-26

Abstract

FIELD: engine building.

SUBSTANCE: engine comprises working cylinder 1 with working piston 2, combustion chamber 5, prechamber 6, annular channel 22 located around combustion chamber 5, compressor cylinder 13, with one or more fuel feed devices 12, 26, and with compressor piston 19 kinematically connected to working piston 2. Spark plugs 7 are installed with possibility to adjust depth of electrodes, in through cavities of cylindrical shape 35 made in head of working cylinder 1. Spark plugs 7 are arranged evenly along the circumference of annular channel 22 so that the axis of each of these cavities 35 passes through the middle of the distance between two adjacent radial channels 10, wherein in each cavity 35 there is ignition plug 7 so that from the outer part of annular channel 22 to the end of spark plug 7 there is a free volume of the cavity selected in range of 0.1 to 3 cm³. On the edges of cylindrical cavities 35, on the side of annular channel 10, bevels 36 can be made.

EFFECT: arrangement of electrodes of the plug in cavities will increase the ignition speed, which promotes more complete combustion of fuel assemblies, higher stability of engine operation and its efficiency, reduces fuel consumption and toxicity of exhaust gases.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено, например, при проектировании, изготовлении и эксплуатации автомобильных или авиационных двигателей с системой впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания.The invention relates to engine building and can be used, for example, in the design, manufacture and operation of automobile or aircraft engines with an air-fuel mixture injection system into the combustion chamber.

Известен двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2348819 от 29.12.2007 г.An internal combustion engine is known, protected by RF patent No. 2348819 dated December 29, 2007.

Известный двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую форму и каналы подачи ТВС в камеру сгорания. Нагнетатель ТВС выполнен в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабжен одним или двумя устройствами для подачи топлива, установленными вверху или вверху и внизу компрессорного цилиндра. Между каналами подачи топлива и компрессорным цилиндром установлены обратные клапаны. Форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса. Диаметр основания форкамеры равен диаметру камеры сгорания. Двигатель снабжен кольцевым каналом, расположенным вокруг камеры сгорания, и одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси, соединяющими кольцевой канал с камерой сгорания. Оси них каналов направлены попарно навстречу друг другу.The known engine contains a working cylinder with a working piston, a pre-chamber with a spark plug, a combustion chamber having a cylindrical shape and channels for supplying fuel assemblies to the combustion chamber. The fuel assembly supercharger is made in the form of a compressor cylinder with a piston and is equipped with one or two fuel supply devices installed at the top or at the top and bottom of the compressor cylinder. Check valves are installed between the fuel supply channels and the compressor cylinder. The prechamber is made in the shape of a hemisphere or a truncated cone. The diameter of the prechamber base is equal to the diameter of the combustion chamber. The engine is equipped with an annular channel located around the combustion chamber and one or more pairs of air-fuel mixture supply channels connecting the annular channel with the combustion chamber. The axes of their channels are directed in pairs towards each other.

Двигатель обеспечивает повышение качества подготовки ТВС в компрессорном цилиндре и более равномерное ее распределение по плотности в объеме камеры сгорания. Это повышает стабильность зажигания ТВС и. как следствие, уменьшает расход топлива и снижает токсичность отработавших газов.The engine ensures improved quality of fuel assembly preparation in the compressor cylinder and a more uniform distribution of its density throughout the combustion chamber. This increases the ignition stability of fuel assemblies and... as a result, it reduces fuel consumption and reduces the toxicity of exhaust gases.

В то же время точка поджигания ТВС в известном двигателе расположена на значительном удалении от верхней мертвой точки рабочего цилиндра. Это не позволяет полностью использовать резервы увеличения стабильности работы двигателя, так как образование свободных радикалов компонентов ТВС происходит лишь в небольшом ее объеме в верхней части форкамеры. Скорость сгорания ТВС, даже при небольшой неравномерности ее состава и в условиях турбулентности ее движения, в объеме камеры сгорания может быть в разных циклах различной. Это также может привести к неполному сгоранию ТВС, что уменьшит стабильность работы двигателя и его КПД. увеличит расход топлива и токсичность отработавших газов.At the same time, the fuel assembly ignition point in the known engine is located at a considerable distance from the top dead center of the working cylinder. This does not allow the full use of reserves for increasing engine stability, since the formation of free radicals of fuel assembly components occurs only in a small volume in the upper part of the prechamber. The rate of combustion of a fuel assembly, even with slight unevenness of its composition and in conditions of turbulence of its movement, in the volume of the combustion chamber can be different in different cycles. This can also lead to incomplete combustion of the fuel assemblies, which will reduce the stability of the engine and its efficiency. will increase fuel consumption and exhaust toxicity.

Известен также двигатель по патенту РФ №2717201 от 18.03.2020 г., который принят за прототип.The engine is also known according to RF patent No. 2717201 dated March 18, 2020, which is adopted as a prototype.

Двигатель по прототипу содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем и компрессорный цилиндр, снабженный одним или несколькими устройствами подачи топлива. В компрессорном цилиндре помещен компрессорный поршень, кинематически связанный с рабочим поршнем. Двигатель снабжен также камерой сгорания, форкамерой со свечой зажигания и каналами для подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра в камеру сгорания. Так же двигатель дополнительно снабжен двумя или более свечами зажигания. Дополнительные свечи установлены в кольцевом канале, расположенном вокруг камеры сгорания. Электроды дополнительных свечей зажигания помещены внутри полости кольцевого канала. Все свечи зажигания включены в электрическую цепь зажигания. Такая конструкция повышает стабильность работы двигателя, повышает его КПД, а так же снижает расход топлива и токсичность отработавших газов.The prototype engine contains a working cylinder with a working piston and a compressor cylinder equipped with one or more fuel supply devices. A compressor piston is placed in the compressor cylinder, kinematically connected to the working piston. The engine is also equipped with a combustion chamber, a pre-chamber with a spark plug and channels for supplying the air-fuel mixture from the compressor cylinder to the combustion chamber. The engine is also additionally equipped with two or more spark plugs. Additional spark plugs are installed in an annular channel located around the combustion chamber. The electrodes of additional spark plugs are placed inside the cavity of the annular channel. All spark plugs are included in the electrical ignition circuit. This design increases the stability of the engine, increases its efficiency, and also reduces fuel consumption and exhaust gas toxicity.

Однако при расположении электродов свечей зажигания в кольцевом канале, расстояние между внутренней стенкой кольцевого канала и торцом свечи зажигания может быть не достаточным для своевременного зажигания ТВС. Это может привести к неполному сгоранию ТВС, что уменьшит стабильность работы двигателя и его КПД. увеличит расход топлива и токсичность отработавших газов.However, when the spark plug electrodes are located in the annular channel, the distance between the inner wall of the annular channel and the end of the spark plug may not be sufficient for timely ignition of the fuel assembly. This can lead to incomplete combustion of the fuel assemblies, which will reduce the stability of the engine and its efficiency. will increase fuel consumption and exhaust toxicity.

Технический результат предлагаемого изобретения: повышение стабильности работы двигателя, повышение его КПД, снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов.The technical result of the proposed invention: increasing the stability of the engine, increasing its efficiency, reducing fuel consumption and exhaust gas toxicity.

Предлагаемый двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем и компрессорный цилиндр, снабженный одним или несколькими устройствами подачи топлива. В компрессорном цилиндре помещен компрессорный поршень, кинематически связанный с рабочим поршнем. Двигатель снабжен также камерой сгорания, форкамерой, кольцевым каналом, расположенным вокруг камеры сгорания и снабженным двумя или более свечами зажигания, и каналами для подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра в камеру сгорания. Кольцевой канал соединен с камерой сгорания радиальными каналами, равномерно расположенными но окружности кольцевого канала. В отличие от прототипа, свечи зажигания установлены с возможностью регулировки глубины расположения электродов в сквозных полостях цилиндрической формы, выполненных в головке рабочею цилиндра и расположенных равномерно по окружности кольцевого канала. Оси полостей цилиндрической формы расположены так. что проходят через середину расстояния между двумя соседними радиальными каналами, при этом в каждой полости установлена свеча зажигания гак. чтобы от внешней части кольцевого канала до торца свечи зажигания оставался свободный объем полости, выбранный в приделах от 0,1 до 3 см³. Эти полости цилиндрической формы, совместно с кольцевым каналом, используются в качестве форкамеры. На кромках этих полостей, со стороны кольцевого канала могут быть выполнены скосы, обеспечивающие дополнительные возможности регулирования объема полостей в зависимости от характеристик конкретного двигателя.The proposed engine contains a working cylinder with a working piston and a compressor cylinder equipped with one or more fuel supply devices. A compressor piston is placed in the compressor cylinder, kinematically connected to the working piston. The engine is also equipped with a combustion chamber, a prechamber, an annular channel located around the combustion chamber and equipped with two or more spark plugs, and channels for supplying the air-fuel mixture from the compressor cylinder to the combustion chamber. The annular channel is connected to the combustion chamber by radial channels evenly spaced around the circumference of the annular channel. Unlike the prototype, the spark plugs are installed with the ability to adjust the depth of the electrodes in through cylindrical cavities made in the head of the working cylinder and located evenly around the circumference of the annular channel. The axes of the cylindrical cavities are located like this. that pass through the middle of the distance between two adjacent radial channels, while a spark plug is installed in each cavity. so that from the outer part of the annular channel to the end of the spark plug there remains a free volume of the cavity, selected in the range from 0.1 to 3 cm ³ . These cylindrical cavities, together with the annular channel, are used as a pre-chamber. On the edges of these cavities, from the side of the annular channel, bevels can be made, providing additional possibilities for regulating the volume of the cavities depending on the characteristics of a particular engine.

Предлагаемая конструкция двигателя обеспечивает достижение технического результата в связи с тем, что полости цилиндрической формы увеличивают пространство вокруг электрода свечи зажигания, для своевременного поджигания ТВС. Расположение полостей между двумя соседними радиальными каналами позволяет пламени равномерно и с одинаковой скоростью распространяться в обе стороны но кольцевому каналу. Объем каждой из полостей цилиндрической формы выбран в пределах от 0,1 до 3 см³, так как в данных пределах осуществляется своевременное воспламенение ТВС и стабильная работ двигателя. Так же для дополнительной регулировки стабильности работы двигателя, свечи устанавливаются с возможностью регулировки глубины расположения электродов, тем самым изменяя объем полостей цилиндрической формы, не выходя из заданных пределов. На кромках этих полостей, со стороны кольцевого канала, могут быть выполнены скосы, которые позволяют улучшить распространение фронта горения ТВС.The proposed engine design ensures the achievement of a technical result due to the fact that the cylindrical cavities increase the space around the spark plug electrode for timely ignition of the fuel assembly. The arrangement of the cavities between two adjacent radial channels allows the flame to spread evenly and at the same speed in both directions along the annular channel. The volume of each of the cylindrical cavities is selected in the range from 0.1 to 3 cm ³ , since within these limits timely ignition of the fuel assemblies and stable engine operation are achieved. Also, to further adjust the stability of the engine, spark plugs are installed with the ability to adjust the depth of the electrodes, thereby changing the volume of cylindrical cavities without leaving the specified limits. On the edges of these cavities, from the side of the annular channel, bevels can be made, which make it possible to improve the propagation of the fuel assembly combustion front.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого двигателя, а на фиг. 2 - форкамера с полостью цилиндрической формы, сечение А-А на фиг. 1, а на фиг. 3 - форкамера с полостью цилиндрической формы со скошенными кромками, сечение А-А на фиг. 1.The invention is illustrated by drawings, where in FIGS. 1 shows a longitudinal section of the proposed engine, and FIG. 2 - pre-chamber with a cylindrical cavity, section A-A in Fig. 1, and in Fig. 3 - pre-chamber with a cylindrical cavity with beveled edges, section A-A in Fig. 1.

Предлагаемый двигатель размещен в корпусе 27 и содержит рабочий цилиндр 1 с рабочим поршнем 2 со штоком 3 (фиг. 1). В рабочем цилиндре 1 предусмотрены окна 32 и 33 для забора воздуха и для отвода выхлопных газов. В головке 4 рабочего цилиндра 1 размещены камера сгорания 5 и форкамера 6 со свечами зажигания 7. Двигатель снабжен компрессорным цилиндром 13 с крышкой 18 и компрессорным поршнем 19 со штоком 28. Полость 8 компрессорного цилиндра 13 соединена с камерой сгорания 5 через клапан отсечки 21 с пружиной 20, удерживаемой крышкой 18. далее через канал подачи ТВС 31, выполненный в виде трубки 25, обратный клапан 23, установленный в корпусе 24 на головке 4 рабочего цилиндра 1, кольцевой канал 22, выполненный вокруг камеры сгорания 5. Двигатель содержит одну или несколько пар радиальных каналов 10 расположенных равномерно по окружности кольцевого канала 22 и соединяющих кольцевой канал 22 с камерой сгорания 5. Оси каналов 10 направлены попарно навстречу друг другу (фиг. 2).The proposed engine is housed in a housing 27 and contains a working cylinder 1 with a working piston 2 with a rod 3 (Fig. 1). Working cylinder 1 has windows 32 and 33 for air intake and exhaust gas removal. In the head 4 of the working cylinder 1 there is a combustion chamber 5 and a pre-chamber 6 with spark plugs 7. The engine is equipped with a compressor cylinder 13 with a cover 18 and a compressor piston 19 with a rod 28. The cavity 8 of the compressor cylinder 13 is connected to the combustion chamber 5 through a shut-off valve 21 with a spring 20, held by the cover 18. Then through the fuel assembly supply channel 31, made in the form of a tube 25, a check valve 23 installed in the housing 24 on the head 4 of the working cylinder 1, an annular channel 22 made around the combustion chamber 5. The engine contains one or more pairs radial channels 10 located evenly around the circumference of the annular channel 22 and connecting the annular channel 22 with the combustion chamber 5. The axes of the channels 10 are directed in pairs towards each other (Fig. 2).

Двигатель снабжен двумя или более дополнительными свечами зажигания 7, расположенными в головке цилиндра 4 Свечи зажигания установлены в полостях цилиндрической формы 35, в головке рабочего цилиндра 4. с возможностью регулировки глубины расположения электродов 17. Оси полостей цилиндрической формы 35 проходят через середину расстояния между двумя соседними радиальными каналами 10. В каждой полости 35 установлена свеча зажигания 7 так, чтобы от внешней части кольцевого канала 10 до торца свечи зажигания 7 оставался свободный объем полости 35, выбранный в приделах от 0,1 до 3 см³.The engine is equipped with two or more additional spark plugs 7 located in the cylinder head 4. The spark plugs are installed in cylindrical cavities 35, in the head of the working cylinder 4. With the ability to adjust the depth of the electrodes 17. The axes of the cylindrical cavities 35 pass through the middle of the distance between two adjacent radial channels 10. In each cavity 35, a spark plug 7 is installed so that from the outer part of the annular channel 10 to the end of the spark plug 7 there remains a free volume of the cavity 35, selected in the range from 0.1 to 3 cm ³ .

По второму варианту на кромках цилиндрических полостей 35, со стороны кольцевого канала 10 выполнены скосы 36.According to the second option, bevels 36 are made on the edges of the cylindrical cavities 35, from the side of the annular channel 10.

Устройство 12 для подачи топлива установлено в головке 29 компрессорного цилиндра 13 и соединено каналом подачи топлива 14 через обратный клапан 34 с полостью 8 компрессорного цилиндра 13. Топливо может подаваться в компрессорный цилиндр 13 через устройство 26, установленное в основании 16 компрессорного цилиндра 13. Устройство 26 тангенциально соединено с каналом 11 подачи воздуха, в котором топливо смешивается с воздухом и далее, через канал 15 и обратный клапан 30 подается в полость 8 компрессорного цилиндра 13. В зависимости от условий работы двигателя устройства 12 и 26 могут использоваться как по отдельности, так и одновременно.The fuel supply device 12 is installed in the head 29 of the compressor cylinder 13 and is connected by a fuel supply channel 14 through a check valve 34 to the cavity 8 of the compressor cylinder 13. Fuel can be supplied to the compressor cylinder 13 through a device 26 installed in the base 16 of the compressor cylinder 13. Device 26 tangentially connected to channel 11 of the air supply, in which fuel is mixed with air and then, through channel 15 and check valve 30, it is supplied to cavity 8 of the compressor cylinder 13. Depending on the operating conditions of the engine, devices 12 and 26 can be used either separately or simultaneously.

В процессе движения компрессорного поршня 19 к верхней мертвой точке ТВС в полости 8, сжимается, температура повышается, происходит ее гомогенизация. При достижении в компрессорном цилиндре давления, заданного с помощью пружины 20 клапана отсечки 21, гомогенизированная топливовоздушная смесь через канал 31 и обратный клапан 23 впрыскивается в кольцевой канал 22 и через радиальные каналы 10 поступает в камеру сгорания 5. При подаче на их электроды 17 напряжения на всех свечах зажигания 7 произойдут искровые разряды. Вследствие этого в приэлектродных зонах в полостях 35, объем каждой из которых выбран в пределах от 0,1 до 3 см³, а также внутри канала 22 и у поверхности 9 форкамеры 6 за счет энергии этих разрядов образуются свободные радикалы компонентов ТВС. Общее количество этих радикалов но сравнению с двигателем но прототипу резко увеличивается, что увеличит фронт ценной реакции горения ТВС. Это ускорит процесс горения ТВС, который приобретет характер взрыва. А по второму варианту скосы 36, позволяют дополнительно облегчить распространения фронта трения. Кроме того, если даже на одном из электродов 17 произойдет задержка развития искрового разряда, это практически не скажется на стабильности работы двигателя, так как компенсируется разрядами с остальных электродов 17. Размещение электродов свечи 17 в полостях 35 увеличит скорость воспламенения, что способствует более полному сгоранию ТВС. А но второму варианту скосы 36, позволяют дополнительно облегчить распространения фронта горения. Все это повышает стабильность работы двигателя и его коэффициент полезного действия, снижает расход топлива и токсичность отработавших газов.During the movement of the compressor piston 19 to the top dead center, the fuel assembly in the cavity 8 is compressed, the temperature rises, and its homogenization occurs. When the compressor cylinder reaches the pressure set by the spring 20 of the cut-off valve 21, the homogenized air-fuel mixture is injected through channel 31 and check valve 23 into the annular channel 22 and through the radial channels 10 enters the combustion chamber 5. When voltage is applied to their electrodes 17 spark discharges will occur in all spark plugs 7. As a result, in the near-electrode zones in the cavities 35, the volume of each of which is selected in the range from 0.1 to 3 cm ³ , as well as inside the channel 22 and at the surface 9 of the prechamber 6, due to the energy of these discharges, free radicals of fuel assembly components are formed. The total number of these radicals, compared to the prototype engine, increases sharply, which will increase the front of the valuable combustion reaction of the fuel assembly. This will accelerate the combustion process of the fuel assembly, which will take on the character of an explosion. And according to the second option, bevels 36 make it possible to further facilitate the propagation of the friction front. In addition, if even on one of the electrodes 17 there is a delay in the development of the spark discharge, this will have virtually no effect on the stability of the engine, since it is compensated by discharges from the remaining electrodes 17. Placing the electrodes of the spark plug 17 in the cavities 35 will increase the ignition rate, which promotes more complete combustion TVS. But in the second option, bevels 36 make it possible to further facilitate the spread of the combustion front. All this increases the stability of the engine and its efficiency, reduces fuel consumption and exhaust gas toxicity.

Двигатель может быть изготовлен с помощью известных в технике средств и материалов. Поскольку при его использовании достигается технический результат, то можно считать, что предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.The engine can be manufactured using means and materials known in the art. Since its use achieves a technical result, we can assume that the proposed engine has industrial applicability.

Claims

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с рабочим поршнем, компрессорный цилиндр, снабженный одним или несколькими устройствами для подачи топлива, и компрессорный поршень, кинематически связанный с рабочим поршнем, камеру сгорания и форкамеру, каналы для подачи топливовоздушной смеси из компрессорного цилиндра в камеру сгорания, и кольцевой канал, расположенный вокруг камеры сгорания, снабженный двумя или более свечами зажигания и соединенный с камерой сгорания несколькими, равномерно расположенными по окружности радиальными каналами, отличающийся тем, что свечи зажигания установлены, с возможностью регулировки глубины расположения электродов, в сквозных полостях цилиндрической формы, выполненных в головке рабочего цилиндра и расположенных равномерно по окружности кольцевого канала так, чтобы ось каждой из этих полостей проходила через середину расстояния между двумя соседними радиальными каналами, при этом в каждой полости установлена свеча зажигания так, чтобы от внешней части кольцевого канала до торца свечи зажигания оставался свободный объем полости, выбранный в пределах от 0,1 до 3 см³.1. An internal combustion engine comprising a working cylinder with a working piston, a compressor cylinder equipped with one or more devices for supplying fuel, and a compressor piston kinematically connected to the working piston, a combustion chamber and a prechamber, channels for supplying the air-fuel mixture from the compressor cylinder to the chamber combustion chamber, and an annular channel located around the combustion chamber, equipped with two or more spark plugs and connected to the combustion chamber by several radial channels evenly spaced around the circumference, characterized in that the spark plugs are installed, with the ability to adjust the depth of the electrodes, in the through cavities of the cylindrical shapes made in the head of the working cylinder and located evenly around the circumference of the annular channel so that the axis of each of these cavities passes through the middle of the distance between two adjacent radial channels, while a spark plug is installed in each cavity so that from the outer part of the annular channel to the end the spark plug remained free volume of the cavity, selected in the range from 0.1 to 3 cm ³ .

2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что на кромках цилиндрических полостей, со стороны кольцевого канала, выполнены скосы.2. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that bevels are made on the edges of the cylindrical cavities, on the side of the annular channel.