Форкамера | АВТОСТУК.РУ
Автомобилист Двигатели Оставить комментарий
Форкамера — это специальная полость в головке блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Полость форкамеры сообщается с основной полостью камеры сгорания через один или более каналов. Бензиновый и дизельный двигатель могут быть форкамерными, то есть предкамерными.
Содержание статьи:
- Для чего нужна форкамера в ДВС ?
- Что такое и как работает система форкамерно-факельного зажигания?
- Плюсы и минусы предкамерных агрегатов.
- Видео.
Форкамера
Как мы уже описали выше, форкамерный двигатель имеет следующий принцип действия в работе:
- в предкамерную полость подается топливно-воздушная смесь;
- смесь частично воспламеняется;
- по мере сгорания смеси, давление в форкамере увеличивается;
- из-за создающегося давления, пары и газы сгоревшей смесь выталкиваются в рабочую полость цилиндров над поршнями.
Форкамера имеет объем 30% от основного объема рабочей полости камеры сгорания. Смысл применения данной конструкции в ДВС в том, чтобы улучшить наполнение цилиндров и улучшить качество образования смеси.
Форкамера имеет объем 30% от основного объема рабочей полости камеры сгорания. Смысл применения данной конструкции в ДВС в том, чтобы улучшить наполнение цилиндров и улучшить качество образования смеси.Главный плюс двигателя с форкамерой — это низкие ударные нагрузки деталей цилиндро-поршневой группы во время работы ДВС. Это обеспечивается, как раз таки, за счет плавного нарастания давления, а не скачками.
К тому же, форкамерные двигатели качественно сжигают топливо, уменьшают количество выброса вредных веществ, уменьшают расход топлива и повышают КПД силового агрегата.
Что такое и как работает система форкамерно-факельного зажигания
Если есть форкамера в моторе, значит уже понятно, что есть основная камера сгорания топлива, а есть еще дополнительная.
Во впускном коллекторе и головке блока цилиндров есть специальный канал. Такой двигатель с форкамерой устанавливают, например, на не некоторые модели автомобилей Газа «Волга».
В предкамеру подается переобогащенная смесь, которая создается в отдельной камере карбюратора. В форкамере есть еще впускной клапан. Далее свеча зажигания вырабатывает искру и происходит поджиг топливно-воздушной смеси в предкамере. После этого распределительный вал открывает впускной клапан основной камеры, после чего в основную камеру поступает уже обедненная смесь.
Полости форкамеры и основной камеры сгорания сообщаются специальными соплами — каналами. Через них в основную камеру попадает пламя, пары и газы уже успевшей сгореть части воздушно-топливной смеси. В результате этого обедненная смесь в основной камере воспламеняется.
Таким образом, форкамера — это подвпрыск, который по принципу действия похож на принцип двухступенчатой работы новых дизельных инжекторных форсунок.
Плюсы и минусы предкамерных агрегатов
С одной стороны, изменение конструкции двигателя с внедрением форкамеры не нашли широкого применения из-за значительного усложнения конструкции двигателя.
Хотя экологичность таких двигателей была выше, да и расход топлива меньше, они имели меньший ресурс эксплуатации, чем обычные ДВС.
Для дизельного двигателя форкамера подходит лучше. Она снижаем сильную задымленность из выхлопной трубы. К тому же форкамерные дизели способны работать на некачественном дизельном топливе.
Основной минус форкамерных двигателей — это трудный запуск мотора на холодную. Если нагревать предкамеру, то такой двигатель заводится без проблем.
Видео
ГБЦ форкамерных двигателей.
Форкамера Мерседес ОМ 601-603.
Как заменить форкамеры.
Автор публикации
Голова с «завихрением»
СЕРГЕЙ САМОХИН
Один из наиболее
распространенных дефектов, с которым
сталкиваются при ремонте ГБЦ вихрекамерных
дизельных двигателей, — ослабление посадки или
повреждение вихревых камер. В таких случаях
производители двигателей традиционно рекомендуют
верное «средство» — замену головки.
С ними не
согласны специалисты фирмы «Иномотор»,
предлагающие свои «ответные меры».
Вихрекамерные дизельные двигатели относятся к классу дизелей с так называемой, разделенной камерой сгорания. Напомним, что разделение камеры сгорания на основную и дополнительную, размещенную в теле головки блока, при некотором увеличении расхода топлива позволяло снизить шумность работы и токсичность выхлопа. Лишь с появлением современных систем топливоподачи, неприступные позиции таких моторов несколько потеснили двигатели с непосредственным впрыском топлива.
До недавнего времени
подавляющее большинство легковых автомобилей
различных марок оснащалось силовыми агрегатами,
в которых применялись дополнительные камеры
вихревого типа. Исключение составляли, пожалуй,
лишь дизельные двигатели Mercedes, где
использовались более сложные по конструкции,
предкамеры.
Демонтировав головку блока практически любого «легкового» дизеля, легкосплавную или чугунную, можно увидеть примерно одинаковую картину. В тело головки, в области свода камер сгорания, запрессованы цилиндрические вихревые камеры, изготовленные из жаростойкой стали. Каждая камера расположена таким образом, что примерно половина ее торца на собранном двигателе закрывается прокладкой ГБЦ. В оставшейся части размещен наклонный канал, через который внутренняя полость вихревой камеры сообщается с основной. Именно эти детали дизельной головки (на «технослэнге» их часто называют «форкамерами») доставляют немало хлопот при ремонте. В чем причина?
Причинность причины
Сняв дизельную головку, часто
обнаруживают, что натяг в соединении форкамер с
головкой ослаб. Возникшую подвижность форкамеры
в посадочном отверстии можно определить, пытаясь
аккуратно выбивать ее с обратной стороны головки
через отверстие, в которое вворачивается
форсунка.
Снижение заданного значения посадки вихревых камер может быть следствием естественных причин. Так прессовое соединение разнородных металлов реагирует на значительные тепловые и механические нагрузки, продолжительное время воздействующие на него при работе двигателя. Ведь внутри форкамеры происходит первая, наиболее динамичная фаза сгорания дизельного топлива.
км. На более свежих агрегатах натяг,
как правило, снижается при нарушении теплового
режима двигателя, перегреве.
Что делать в таком случае? Вариант первый — оставить все как есть. Это — плохая идея. Даже если вихревые камеры еще как-то держатся, нет сомнений в том, что через непродолжительное время они получат полную свободу. После этого, действуя как отбойный молоток, они быстро выбьют зажатую между ними и блоком прокладку, и примутся за посадочную поверхность блока. Процесс сопровождается изрядным стуком. Тем не менее практика показывает, что среди владельцев находятся любители громкой музыки, которые довольно долго ездят с таким рокотом, видимо, принимая его за соло ударных инструментов. Далее масса вариантов, например, разрушение форкамеры с попаданием обломков в камеру сгорания. В результате, как говорится, — «полный Сталинград».
Второй вариант, к которому
часто прибегают, — пытаются хоть как-то
закрепить форкамеры нештатным способом,
например, закернить.
Установлено, что это
абсолютно бесполезно. На работающем двигателе
они тут же приобретают прежнюю подвижность.
Далее — смотри вариант первый. Казалось бы,
единственный выход из ситуации — последовать
рекомендациям производителей и «разориться» на
новую головку.
Примерно в таком же безвыходном положении оказываются и тогда, когда у одной или нескольких форкамер обнаруживают повреждения. Это могут быть либо трещины в теле форкамеры, либо ее прогорание. Такие дефекты обычно наблюдаются в самом теплонапряженном месте, в области канала, соединяющего дополнительную камеру с основной. Распространенная причина прогорания форкамеры — нарушение работоспособности топливной форсунки и ее распылителя.
Поскольку прогорание вихревой
камеры грозит серьезным нарушением процесса
сгорания топлива, а трещины — ее механическим
разрушением, поврежденную форкамеру (или
форкамеры) при ремонте нужно обязательно
заменить.
Вопрос: на что? Известно, что для
дизелей BMW, например, вихревые камеры как
запчасти поставляются не отдельно, а только в
«комплекте» с головкой. Для продукции концерна
VAG некоторые фирмы производят и продают такие
запчасти, но только номинальных размеров. Если
даже их удалось найти, обеспечить требуемый
натяг в посадочных гнездах, геометрия которых
уже имеет отклонения от номинальной, не просто.
Справедливости ради надо сказать, что в
каталогах некоторых фирм на ряд двигателей
указаны вихревые камеры с увеличенным посадочным
диаметром. Не обольщайтесь, заказать их можно,
но сроки исполнения заказа вас скорее всего,
удивят. Причем, неприятно.
Пожалуй, «негатива» довольно.
Пора в нарисованную безрадостную картину
добавить оптимизма, тем более что основания для
него есть. Так же, как есть и способ выйти из,
казалось бы, тупиковой ситуации. Причем, не
один.
Оптимистическая трагедия
На случай столкновения с «дизельными» проблемами, аналогичными рассмотренным выше, разработан ряд ремонтно-восстановительных технологий. Они позволяют достаточно быстро полностью восстановить работоспособность дизеля, что проверено длительной практикой. Технологии, на первый взгляд, просты.
Если вихревые камеры не повреждены, для восстановления необходимого натяга в соединении с посадочными гнездами существует два пути. Первый применяется, если головка изготовлена из алюминиевого сплава. В этом случае наваривают посадочные отверстия в головке. Удалив нагар с посадочных поверхностей форкамер, измеряют их диаметр. Далее растачивают отверстия так, чтобы обеспечивался достаточный натяг (0,05-0,06 мм) при запрессовке в них форкамер.
Ремонтируя чугунную головку,
поступают иначе.
Поскольку качественная сварка
чугуна проблематична, отверстия под запрессовку
форкамер лишь обрабатывают «как чисто», и то
только тогда, когда это необходимо. Затем
наваривают посадочные поверхности вихревых камер
и протачивают их до нужной величины. Натяг
форкамеры в чугунной головке делают меньшим —
0,03-0,04 мм. Этот же способ можно применять и
для ремонта легкосплавных головок, если это
технологически оправдано.
Когда одна или несколько форкамер
повреждены и нет возможности установить новые,
идут логичным путем — изготавливают их
самостоятельно. При этом по-возможности точно
копируют геометрию внутренней полости, угол
наклона и форму выходного канала дефектного
«оригинала». Понятно, что со 100-процентной
точностью воспроизвести фасонные поверхности
методом токарной и фрезерной обработки не
удается. Это не беда, поскольку незначительное
отклонение может грозить лишь небольшим
несоответствием токсичности выхлопа европейским
нормам, о которых у нас пока «слыхом не
слыхивали».
Тем более что у дизелей «со стажем»,
обычно поступающих в ремонт, есть масса других
возможностей «отличиться» по части состава
отработавших газов. Подробнее о технологии и
стоимости ремонта вихревых камер дизелей
поговорим на примере.
На примере BMW
Пример для иллюстрации сказанного подвернулся довольно типичный. Головка принадлежит дизельному двигателю BMW марки М51 В25. Напомним, что это рядный, 6-цилиндровый двигатель с рабочим объемом 2,5 л. Такой силовой агрегат устанавливался на BMW 525 Tdi. Его же «позаимствовал» концерн GM для дизельных модификаций Opel Omega В. Если «отрезать» пару цилиндров, то из него получится 4-цилиндровый двигатель М41 В18, которым оснащалась «трешка» BMW 318 Tdi.
Неисправности, обнаруженные при
осмотре головки блока, выполненной из
алюминиевого сплава, также характерны.
Все шесть
установленных форкамер чувствуют себя в
посадочных отверстиях довольно свободно: того и
гляди, вывалятся. Одна из форкамер прогорела,
кромки канала оплавлены. Состояние других —
удовлетворительное. Вынесенный после осмотра
вердикт гласит: неповрежденные форкамеры
перепрессовать с восстановлением натяга, вместо
поврежденной изготовить и установить новую.
Напомним, что фирма BMW этому решению может
противопоставить только одну альтернативу —
установить новую головку.
Было принято решение пойти
путем наварки посадочных поверхностей форкамер.
Большой объем сварочных работ на довольно
длинной головке мог обернуться существенными
деформациями ее плоскости. Перед извлечением
вихревых камер было отмечено их угловое
положение относительно головки. В штатной
конструкции оно фиксируется приливами на боковой
кромке. Далее пути ГБЦ и форкамер временно
разошлись.
Головка переместилась на фрезерный
участок, где поверхности посадочных отверстий
были расточены до удаления видимых повреждений.
«Звено» из пяти вихревых камер отправилось на
сварочный пост.
Посадочный буртик форкамер, изготовленных из жаростойкой стали, наплавлялся ручной аргоно-дуговой сваркой с использованием высоколегированной присадочной проволоки. После наварки каждая из них была промаркирована и обработана индивидуально под размер посадочного отверстия.
Наиболее трудоемкая и тонкая часть технологии — изготовление новой форкамеры. Здесь приходится демонстрировать мастерство и токарю, и фрезеровщику. Особенно это касается операции фрезерования наклонного канала фасонного сечения. Жаростойкую сталь приходится осторожно «грызть» пятимиллиметровой пальцевой фрезой.
Далее по меткам выверяется
угловое положение подготовленных форкамер, и они
прочно занимают свои места с требуемым натягом.
Для надежности их угловое положение фиксируют.
Вместо удаленных при наварке приливов в
засверленные в прежней точке фиксации отверстия
забивают штифты. Процесс «венчает» операция
фрезерования плоскости головки, после чего за ее
работоспособность можно не беспокоиться.
При толковой организации работ
и «попутном ветре» восстановление такого дефекта
головки происходит в течение рабочей смены. Если
работа не осложнена дополнительными трудоемкими
операциями, то за изготовление новой форкамеры
клиент заплатит 50 долл. Восстановление
отверстия в головке обойдется в 10 долл., а
замена форкамеры — в 15 долл. Кстати, устранив
проблемы с вихревыми камерами, обычно забывают о
том, что необходимо «потратиться» и на
профилактику топливной аппаратуры. В противном
случае через непродолжительное время можно вновь
стать клиентом предприятия по ремонту
двигателей.
Безусловно, полное восстановление работоспособности ГБЦ дизельного двигателя не ограничивается ремонтом вихревых камер. Возможный комплекс работ определяется, с одной стороны, степенью износа деталей (клапанов, седел, направляющих, постели и т.д.), а с другой стороны, — пожеланием клиента. При ремонте дизельной ГБЦ, особенно в случае перегрева двигателя, рекомендуем «пожелать» выполнить опрессовку головки. Это позволит выявить наличие скрытых трещин, что также является характерным явлением для ГБЦ дизелей. Впрочем, это уже другая история, не имеющая непосредственного отношения к «завихрениям» в голове.
Форкамера сгорания для роторного дизельного двигателя
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системе форкамерного сгорания топлива для использования в роторном двигателе внутреннего сгорания, работающем на тяжелом топливе.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе сгорания топлива для использования в роторном двигателе внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива, которая включает в себя форкамеру и связанную с ней вспомогательную горючую смесь для начального сгорания топлива в форкамере и полного сгорания в камере сгорания. основная камера.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Были предприняты попытки усовершенствования роторного двигателя Ванкеля, позволяющего работать на тяжелом топливе. Непосредственный впрыск, послойный заряд и форкамеры использовались в роторных двигателях для обеспечения работы с тяжелым топливом. Форкамера может быть расположена в корпусе двигателя отдельно от основной камеры. Топливо, воспламененное в форкамере, затем выбрасывается в рабочую камеру для воспламенения основного топливного заряда.
Высокие степени сжатия использовались для обеспечения надлежащего функционирования дизельных двигателей внутреннего сгорания. В системах воспламенения от сжатия дизельное топливо воспламеняется только за счет теплоты сжатия, причем степень сжатия обычно составляет от примерно 14:1 до примерно 20:1.
Из-за геометрии роторного двигателя невозможно достичь высоких степеней сжатия. Хотя можно спроектировать геометрию двигателя для достижения высокой степени сжатия, роторные двигатели этого типа не имели успеха. Например, чтобы обеспечить достаточно высокую степень сжатия, геометрия изменена так, чтобы она была длинной и узкой, что приводит к небольшому рабочему объему для размера двигателя. Кроме того, высокие степени сжатия в роторных двигателях вызывают высокие механические нагрузки, требующие тяжелых компонентов. Это сводит на нет основное преимущество двигателя в размере и весе по сравнению с поршневыми двигателями.
Попытки спроектировать роторный двигатель, работающий по принципу воспламенения от сжатия, привели к созданию сложных конструкций, ни одна из которых не получила коммерческого применения. Например, в патенте США No. № 3957021 Loyd, компрессор используется для подачи отдельного заряда воздуха в форкамеру для инициирования горения. Компрессор увеличивает стоимость и сложность конструкции двигателя.
Более того, сжатый воздух должен выпускаться через определенные промежутки времени, что еще больше усложняет ситуацию. Аналогичным образом, патент США No. №4,091789 на имя Джонса раскрывает роторный двигатель с послойным зарядом, требующий двух форсунок и синхронизированного источника искрового зажигания. Этот двигатель работает при относительно низких степенях сжатия, но требует наличия двух синхронизированных форсунок на ротор и синхронизированной электрической искры.
Роторный двигатель выгоден благодаря своим размерам, весу и относительной простоте. Коммерчески осуществимый роторный двигатель, работающий на тяжелом топливе, может быть применим везде, где использование топлива с низкой летучестью является преимуществом или где работа без дросселирования дает преимущество в тепловом КПД.
Таким образом, в технике существует потребность в роторном двигателе, который обеспечивает стабильное сгорание тяжелого топлива при относительно низких степенях сжатия. Точно так же в данной области техники существует потребность в практическом роторном двигателе Ванкеля с относительно низкой степенью сжатия, который будет обеспечивать стабильное воспламенение топливно-воздушного заряда с использованием прямого впрыска топлива, не требуя сложных вспомогательных компонентов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной целью настоящего изобретения является роторный двигатель, обеспечивающий стабильное сгорание тяжелого топлива при низких степенях сжатия.
Еще одной целью настоящего изобретения является практичный роторный двигатель Ванкеля с низкой степенью сжатия, обеспечивающий постоянное воспламенение топливно-воздушного заряда с использованием прямого впрыска топлива без необходимости в сложных вспомогательных компонентах для ускорения сгорания топлива.
Еще одним объектом настоящего изобретения является роторный двигатель на тяжелом топливе, который сохраняет теплоту сгорания, чтобы способствовать воспламенению следующего цикла.
Вышеупомянутые цели достигаются согласно настоящему изобретению.
Система зажигания и сгорания с впрыском топлива для роторного двигателя внутреннего сгорания, работающего на тяжелом топливе, включает корпус трохоидальной формы и ротор треугольной формы. В корпусе имеется впускное отверстие для ввода недросселируемого воздушного заряда в камеру ротора, где движение ротора закрывает отверстие почти максимального объема.
Объем камеры уменьшается по мере того, как ротор продолжает вращаться, сжимая воздух в достаточной степени для поддержания эффективного процесса сгорания. Приблизительно к центральному положению ротора с минимальным объемом топливо впрыскивается в воздушный заряд. Горячая поверхность, свеча накаливания или поверхность форкамеры обеспечивают достаточное количество тепла для воспламенения начального количества топлива внутри форкамеры, где может быть обеспечена локальная химически правильная топливно-воздушная смесь. По мере того, как топливо продолжает впрыскиваться, наддувочная смесь выбрасывается из форкамеры в основную камеру, где добавление воздуха обеспечивает полное сгорание всего топлива. Сгорание повышает давление в камере и температуру, заставляя ротор вращаться и передавать положительный крутящий момент на коленчатый вал. Вращение ротора расширяет объем камеры до тех пор, пока не будет достигнут максимальный объем, и ротор открывает выпускное отверстие в корпусе, чтобы можно было выпустить сгоревшие газы.
Приблизительно к минимальному объему камеры впускное отверстие открывается из-за продолжающегося вращения ротора, и четырехступенчатый цикл повторяется. Одновременно с описанными камерными событиями две другие грани треугольного ротора проходят те же самые события, каждое из которых на 120° не совпадает по фазе друг с другом.
Способ сжигания топлива включает этап обеспечения роторного двигателя форкамерой, расположенной в верхнем центральном положении корпуса двигателя. Форкамера является самоочищающейся и включает в себя средства для поддержания поверхности внутри форкамеры при температуре, достаточной для воспламенения введенного в нее топлива. Воздух подается в одну из рабочих камер через воздухозаборное отверстие во время такта впуска двигателя. Воздух сжимается во время такта сжатия двигателя. Топливо вводится в конце такта сжатия двигателя в форкамеру через топливную форсунку. Сгорание топливно-воздушной смеси вызывает расширение, что приводит к скручивающей нагрузке на коленчатый вал.
Продукты сгорания выбрасываются из двигателя через выпускное отверстие во время такта выпуска двигателя.
Эти и другие цели и преимущества изобретения станут очевидными из следующего описания и чертежей указанного выше изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и новые признаки станут очевидными из подробного описания предпочтительного варианта осуществления изобретения, проиллюстрированного на прилагаемых чертежах, на которых:
РИС. 1 представляет собой поперечное сечение роторного двигателя по настоящему изобретению;
РИС. 2 представляет собой частичное поперечное сечение первого варианта осуществления форкамеры настоящего изобретения;
РИС. 3 представляет собой фрагмент поперечного сечения второго варианта осуществления форкамеры изобретения;
РИС. 4 — местный вид в поперечном сечении третьего варианта осуществления форкамеры изобретения;
РИС. 5 представляет собой частичный разрез четвертого варианта осуществления форкамеры изобретения;
РИС.
6 представляет собой частичный разрез форкамеры по фиг. 5, снятое по сечению 6-6 и если смотреть в направлении стрелок;
РИС. 7 представляет собой частичный вид в разрезе пятого варианта осуществления изобретения;
РИС. 8 представляет собой частичный разрез предпочтительного варианта осуществления изобретения; и
РИС. 9 представляет собой схематический вид двигателя согласно изобретению, соединенного со вспомогательной силовой установкой.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ВОПЛОЩЕНИЯ
Как лучше всего показано на РИС. 1, двигатель R является двигателем Ванкеля, таким как раскрытый в патенте США No. № 2,988,065, Wankel et al., раскрытие которого включено сюда в качестве ссылки. В общем, роторный двигатель R работает в четырехтактном режиме: фазы впуска, сжатия, расширения и выпуска. Сжатие и расширение рабочего тела осуществляется ротором 10, установленным эксцентрично на выходном валу двигателя 20.
Роторный двигатель R включает в себя корпус 26, который образует внешнюю границу основной камеры 30.
Корпус 26 определяет полость, имеющую две симметричные доли, которые встречаются в местах соединения эпитроихоидальных лопастей 34 и 36. Ротор 10 обычно имеет треугольное сечение и имеет три торцевые части. 40 встречаются в местах соединения А, В и С уплотнения вершины. Ротор 10 и корпус 26 образуют в камере 30 три отдельные рабочие камеры 44, 46 и 48. Объем рабочих камер последовательно расширяется и сужается хорошо известным образом, как ротор 10 вращается внутри корпуса 26. Размеры ротора 10 и рабочих камер 44, 46 и 48 обеспечивают степень сжатия от примерно 6:1 до примерно 11:1. Порты 52 впуска и 54 выпуска расположены в нижней центральной или нижней части корпуса 26 для облегчения всасывания воздуха и выпуска продуктов сгорания соответственно. В частности, порт 52 представляет собой порт впуска воздуха для подачи недросселированного воздуха в рабочую камеру 44 во время такта впуска цикла. То есть поток воздуха в двигателе R не ограничен. Порт 54 является выпускным каналом для вывода продуктов сгорания из рабочей камеры 48 во время такта выпуска.
Для сжигания тяжелого топлива предусмотрена форкамера 60. Форкамера 60 расположена, как правило, напротив портов 52 и 54, предпочтительно в пределах примерно 15° по окружности, по часовой или против часовой стрелки, от соединения лепестков 36. Форкамера 60 должна располагаться в верхнем центральном положении корпуса 26 так, чтобы она сообщалась с рабочей камерой. 46 в конце такта сжатия.
Расположение выпускного отверстия форкамеры 60 в пределах 15° от соединения лопастей 36 обеспечивает правильную работу двигателя и надлежащую продувку форкамеры 60. Форкамера 60 не должна располагаться слишком близко к выпускной части 54, поскольку необходимые перепады давления не будут сохраняется, потому что топливно-воздушная смесь будет выброшена до того, как топливо полностью сгорит. Точно так же форкамера 60 не должна располагаться слишком близко к впускному отверстию 52, потому что давление сгорания будет тормозить, а не способствовать дальнейшему вращению ротора 10.
Как лучше всего показано на фиг.
2, форкамера 60 включает верхнюю полусферическую часть 61, цилиндрическую часть 62 и нижнюю часть 63 в форме усеченного конуса. Специалистам в данной области техники понятно, что форкамера 60 может иметь другие формы. Объем форкамеры 60 предпочтительно составляет от примерно 25% до примерно 40% от общего минимального объема рабочей камеры 46. Когда ротор 10 расположен так, что лицевая часть 40 находится в центре соединения лопастей 36 в верхнем центральном положении корпуса 26, рабочий объем рабочей камеры 46 минимален. Этот объем определяется как объем зазора и включает в себя объем любых углублений в лицевой части 40.
Форкамера 60 сообщается с основной камерой 30 через цилиндрический проход 64. Канал 64 обеспечивает передачу заряда воздуха из рабочей камеры 46 в форкамеру 60 до сгорания, а также выброс несгоревшего топлива и продуктов сгорания из форкамеры 60 в рабочую камеру 46. после начала горения. Канал 64 не должен быть настолько мал, чтобы предотвратить неполное заполнение или продувку форкамеры 60.
Наоборот, проход 64 не должен быть настолько большим, чтобы превратиться по существу в открытую камеру. Форкамера сохраняет концентрированную топливно-воздушную смесь на всех уровнях мощности, чтобы обеспечить стабильное воспламенение. Неожиданно было обнаружено, что идеальное отношение диаметра цилиндрического прохода 64 к диаметру сферы, имеющей объем, эквивалентный объему форкамеры 60, составляет приблизительно от 0,20 до 0,32.
Для инициирования сгорания в форкамере 60 предусмотрены топливная форсунка 74 и свеча накаливания 70. Свеча накаливания 70 используется при запуске двигателя как горячая поверхность, на которой воспламеняется тяжелое топливо при впрыске топлива в форкамеру 60. Геометрия и степень сжатия роторного двигателя R таковы, что сгорание топлива не произойдет, если свеча накаливания 70 загорится. не работает во время запуска. Неожиданно было обнаружено, что при указанных здесь условиях роторный двигатель R будет продолжать работать, если температура поверхности в форкамере 60 поддерживается на достаточно высоком уровне: целью изобретения является легко реализуемое несложное средство поддержания эта температура.
Первый способ заключается в постоянном включении свечи накаливания 70 для поддержания горячей поверхности в форкамере 60, как лучше всего показано на ФИГ. 2. В этом случае температура поверхности свечи накаливания 70 должна поддерживаться на уровне, соответствующем достижению короткого времени реакции для сгораемого топлива. Поддержание короткого времени реакции, обычно менее 1 миллисекунды, позволяет эффективно завершить цикл сгорания. Кроме того, свеча накаливания 70 подвергается воздействию процесса сгорания, происходящего внутри форкамеры 60, и будет нагреваться, изменяя электрическую энергию, необходимую для поддержания ее температуры на достаточно высоком уровне, обеспечивающем воспламенение. Электрический контроллер С может быть использован для балансировки двух подводов тепла к свече накаливания 70. Предпочтительно контроллер С поддерживает температуру свечи накаливания 70 около 9°С.от 00°С до примерно 950°С. Хотя свеча накаливания 70 эффективна для инициирования сгорания в форкамере 60, которое затем завершается в основной камере 30 роторного двигателя R, непрерывная работа свечи накаливания 70 является относительно сложной.
Таким образом, альтернативные способы поддержания требуемой горячей поверхности в форкамере могут использоваться в сочетании со свечой накаливания 70 или отдельно.
Как лучше всего показано на РИС. 3, форкамера 60 может быть спроектирована так, чтобы удерживать тепловую энергию от цикла сгорания к циклу сгорания, тем самым уменьшая задержку воспламенения. В этом варианте осуществления нижняя часть цилиндрической части 62 форкамеры 60 и коническая часть 63 форкамеры 60 изготовлены из материала с низкой теплопроводностью. Канал 64 также изготовлен из материала с низкой теплопроводностью. Материал с низкой теплопроводностью обычно обозначается цифрой 67. Материал 67 с низкой теплопроводностью служит горячей поверхностью для удержания тепла сгорания и облегчения воспламенения будущих впрысков. Тепловая энергия сохраняется для поддержания поверхности 67 при повышенной температуре. Материал 67 с низкой теплопроводностью также должен сохранять свою прочность и форму при повышенных температурах.
Для достижения этой тепловой изоляции могут использоваться такие материалы, как нержавеющая сталь или керамика.
Было бы предпочтительно сконструировать форкамеру 60 полностью из материала с низкой теплопроводностью, чтобы максимизировать сохранение тепла, но инжектор 74 должен поддерживаться при относительно низких температурах. Таким образом, верхняя часть цилиндрической части 62 и полусферическая часть 61 форкамеры 60 предпочтительно выполнены из алюминия или другого металла, который является хорошим проводником тепла. Из-за различной проводимости верхняя часть форкамеры 60, в которой размещены свеча накаливания 70 и топливная форсунка 74, поддерживается при относительно низкой температуре, в то время как теплоизолированная нижняя часть форкамеры 60 поддерживается при относительно высокой температуре.
В варианте осуществления по фиг. 4, между корпусом 26 и материалом 67 с низкой теплопроводностью расположено воздушное пространство 80. Таким образом, канал 64 изолирован от корпуса 26 двигателя воздушным пространством или воздушным зазором 80.
Кроме того, воздушные зазоры 81 могут окружать усеченно-коническую часть 63 предкамера 60. Воздушные зазоры 80 и 81 обеспечивают хороший тепловой барьер, поскольку воздух является относительно плохим проводником тепла. Канал 64 предпочтительно консольно выходит из форкамеры 60, так что он не контактирует с корпусом 26, что приводит к относительно длинному пути для теплопроводности.
Статический уплотнительный элемент 84 предпочтительно расположен между корпусом 26 и каналом 64, чтобы сдерживать давление сгорания. Уплотнительный элемент 84 предпочтительно представляет собой медную прокладку и действует как герметизирующее уплотнение, поддерживающее необходимое давление для надлежащего функционирования роторного двигателя R.
Как лучше всего показано на фиг. 5, улучшенное сгорание и уменьшенная задержка воспламенения также могут быть достигнуты за счет размещения катализатора внутри форкамеры 60. Катализатор сокращает время задержки за счет создания поверхности, которая снижает температуру, необходимую для реакции топлива.
Катализатор или элемент с низкой теплопроводностью 90 расположен внутри форкамеры 60, предпочтительно с прессовой посадкой поперек форкамеры 60. Стержень 90 может быть изготовлен из каталитического материала или каталитический материал может быть нанесен на стержень 90. Как лучше всего показано на фиг. 6, стержень 90 расположен внутри форкамеры 60 и проходит поперек оси прохода 64. В качестве альтернативы, каталитический материал может быть нанесен на открытые поверхности форкамеры 60 любым традиционным способом, известным в данной области техники, для увеличения скорости горения топливо. Платина, например, может быть использована в качестве каталитического материала. Добавление каталитического материала в форкамеру 60 обеспечивает механизм ускоренного сгорания топлива.
Несмотря на то, что свеча накаливания 70 необходима для запуска двигателя, после этого она может использоваться дополнительно. Катализатор, если он нанесен на поверхность форкамеры 60, должен покрывать достаточную площадь поверхности, чтобы существенно способствовать процессу сгорания.
Хотя добавление каталитического материала в форкамеру 60 снижает температуру, необходимую для реакции топлива, форкамера 60 все же может терять неприемлемое количество тепла. Со ссылкой на фиг. 7, нижние части форкамеры 60 могут быть изготовлены из материала 67 с низкой теплопроводностью, предпочтительно из нержавеющей стали. Материал 67 с низкой теплопроводностью сохраняет тепло внутри форкамеры 60 для поддержания необходимой температуры. Хотя температура, необходимая для воспламенения топлива, меньше из-за катализатора, материал 67 с низкой теплопроводностью поддерживает теплоту сгорания и помогает поддерживать высокую температуру поверхности. Материал 67 с низкой теплопроводностью может быть расположен в форкамере 60 и канале 64 таким же образом, как показано на фиг. 3, и как описано ранее. Опять же, свеча 70 накаливания может необязательно работать в сочетании с вариантом осуществления, показанным на фиг. 6, но не требует никаких действий, кроме запуска.
В предпочтительном варианте, как лучше всего показано на фиг.
8, изолированные воздушные пространства 80 и 81 и материал 67 с низкой теплопроводностью могут использоваться в сочетании с катализатором 90 для поддержания требуемой температуры для сгорания внутри форкамеры 60 топлива. Воздушные пространства 80 и 81 изолируют форкамеру 60, что способствует поддержанию температуры, необходимой для сгорания. Катализатор 90 снижает температуру для реакции топлива. Катализатор 90 и воздушные пространства 80 и 81 идеально подходят для обеспечения сгорания топлива. Наконец, несмотря на то, что свеча накаливания 70 требуется для запуска двигателя, она может факультативно работать в сочетании с вариантом осуществления, показанным на фиг. 8.
Во время работы воздух всасывается в двигатель R через впускное отверстие 52 при вращении ротора 10 и эксцентрикового вала 20. Как показано на фиг. 1, ротор 10 движется против часовой стрелки вокруг осевой линии двигателя, при этом на его движение влияют эксцентриковый вал 20 и стационарная шестерня (не показана).
Эксцентриковый вал 20 вращается в три раза быстрее скорости ротора 10, поддерживаемой шестерней (не показана) в роторе 10, находящейся в зацеплении с неподвижной шестерней. Движение ротора 10 приводит к тому, что вершина соединения А полностью проходит через впускное отверстие 52. Это эффективно захватывает заряд воздуха между поверхностью 40 ротора и внутренней поверхностью основной камеры 30. Поскольку ротор 10 продолжает вращаться вокруг эксцентрикового вала 20 объем этого заряда воздуха уменьшается, вызывая повышение температуры и давления захваченного воздуха. Отношение максимального объема воздушного заряда к минимальному объему воздушного заряда обычно находится в пределах 9.5:1 и 11:1, хотя оно может варьироваться в зависимости от геометрии конкретного двигателя. Максимальное давление, максимальная температура и минимальный объем воздушного заряда достигаются, когда центр поверхности 40 ротора совмещен с малой осью корпуса в месте соединения 36 на фиг. 1, и называется верхним центральным положением.
После того, как соединение А перекрывает впускное отверстие 52, соединение В пересекает канал 64. Часть заряда воздуха поступает в форкамеру 60 через канал 64. В процессе сжатия и расширения форкамера 60 остается в сообщении с заряд воздуха через канал 64. Когда ротор 10 находится вблизи верхнего центрального положения, топливо вводится через форсунку 74, расположенную по периферии форкамеры 60. Хотя показана только одна топливная форсунка 74, следует понимать, что множество топливных форсунок форсунки могут использоваться для улучшения распределения топлива внутри роторного двигателя R. Количество впрыскиваемого топлива регулирует выходную мощность двигателя R. Время впрыска топлива относительно положения ротора 10 определяется условиями эксплуатации. двигателя. В этом изобретении топливо начинает процесс сгорания за счет давления высокотемпературных поверхностей или катализаторов, а также температуры и давления воздушного заряда. Однако при запуске, когда компоненты двигателя относительно холодные, температура наддувочного воздуха слишком низкая, чтобы инициировать сгорание топлива.
Свеча накаливания 70 расположена внутри форкамеры 60 и обеспечивает высокотемпературную поверхность, которая инициирует процесс сгорания.
При любых условиях эксплуатации температура и давление наддувочного воздуха недостаточны для инициирования сгорания топлива. Таким образом, тепловые условия внутри форкамеры 60 и топливно-воздушной смеси способствуют сгоранию топлива с воздухом, инициируя процесс горения. В частности, горячая поверхность должна находиться в непосредственной близости от химически правильной топливно-воздушной смеси, чтобы вызвать воспламенение впрыскиваемого топлива.
После начала горения высвобождение химической энергии из топлива приводит к быстрому повышению температуры и давления заряда сжатого воздуха. Расширяющийся воздушный заряд внутри форкамеры 60 должен выходить через проход 64. Это действие приводит к добавлению кинетической энергии к несгоревшему топливу, все еще находящемуся внутри форкамеры 60, и увеличивает смешивание топлива с воздушным зарядом.
Результирующее повышение давления по мере расхода топлива заставляет ротор 10 вращаться вокруг эксцентрикового вала 20. Результирующий крутящий момент может быть снят с эксцентрикового вала 20 и использован для выполнения полезной работы. По мере расходования заряда воздуха и топлива образуются продукты сгорания.
Когда ротор 10 и эксцентриковый вал 20 вращаются, вершина соединения B пересекает выпускное отверстие 54. Это приводит к падению давления заряда сгорания до относительно низкого давления в выпускном отверстии 54. Затем продукты сгорания выходят двигатель через выпускной канал 54. Давление в форкамере 60 падает до давления в выпускном канале 54, выталкивая большую часть продуктов сгорания из форкамеры 60. пересекает канал 64. Основная камера 30 больше не сообщается с форкамерой 60, а ротор 10 и эксцентриковый вал 20 продолжают вращаться. По мере уменьшения объема воздушного заряда элементы сгорания выбрасываются из двигателя через выхлопное отверстие 54.
Как лучше всего показано на фиг.
9, двигатель R согласно изобретению функционально соединен через вращающийся вал 100 с вспомогательной силовой установкой 102. Вспомогательная силовая установка 102 подает всю электроэнергию через провода 104, например, на самолет (не показан), чтобы обеспечить работу электрической систем, пока самолет находится на земле у выхода на посадку. Из-за своего небольшого размера и веса система электрического привода, показанная на фиг. 9, можно использовать с относительно небольшими воздушными судами, такими как пригородные воздушные суда, что ранее было невозможно. Естественно, двигатель R можно использовать для выработки других форм энергии, таких как гидравлическая энергия и т. д.
Таким образом, эта конструкция двигателя обеспечивает сгорание тяжелого топлива путем воспламенения топлива с непосредственным впрыском с горячей поверхностью, не требуя изменения геометрии двигателя для создания высокой степени сжатия. Таким образом, практичный двигатель роторного типа имеет степень сжатия, которая не вызывает больших механических нагрузок, но при этом воспламеняет топливно-воздушный заряд, используя собственную горячую поверхность, без добавления сложных элементов, способствующих сгоранию топлива.
Хотя это изобретение было описано как имеющее предпочтительный вариант осуществления, подразумевается, что оно допускает дальнейшие модификации, использование и/или адаптацию изобретения в соответствии с общим принципом изобретения и включая такие отступления от настоящего раскрытия, которые возникают в рамках известной или общепринятой практики в области техники, к которой относится изобретение, и которые могут быть применены к изложенным выше основным признакам, и подпадают под объем изобретения и пределы прилагаемой формулы изобретения:
Двухтопливный форкамерный дизельный двигатель с природным газом | Дж. Инж. Газовые турбины Power
Пропустить пункт назначения
Научно-исследовательские работы
С. Сонг,
П. Г. Хилл
Информация об авторе и статье
Дж.
Инж. Газовые турбины Power . Октябрь 1985 г., 107(4): 914-921 (8 страниц)
https://doi.org/10.1115/1.3239836
Опубликовано в Интернете: 1 октября 1985 г.
История статьи
Получено:
1 ноября 1984 г.
Онлайн:
15 октября 2009 г.
- Просмотры
- Содержание артикула
- Рисунки и таблицы
- Видео
- Аудио
- Дополнительные данные
- Экспертная оценка
- Делиться
- Твиттер
- MailTo
Иконка Цитировать Цитировать
Разрешения
- Поиск по сайту
Citation
Сонг С.
и Хилл П. Г. (1 октября 1985 г.). «Двойное топливо форкамерного дизельного двигателя с природным газом». КАК Я. Дж. Инж. Газовые турбины Power . октябрь 1985 г .; 107(4): 914–921. https://doi.org/10.1115/1.3239836
Скачать файл цитаты:
- Рис (Зотеро)
- Менеджер ссылок
- EasyBib
- Подставки для книг
- Менделей
- Бумаги
- Конечная примечание
- РефВоркс
- Бибтекс
- Процит
- Медларс
Расширенный поиск
Была изучена возможность двухтопливной работы на природном газе в форкамерном дизельном двигателе с особым акцентом на расход топлива и изменение давления в цилиндре. Также было исследовано влияние ограничения подачи воздуха, расхода пилотного дизельного топлива и момента впрыска.