Форкамера – специфика, особенности и востребованность
Создание комфортного микроклимата и очистка воздуха в помещении – далеко не всегда является настолько простой задачей, как может показаться на первый взгляд.
Тип и размер помещения, окружающие его климатические условия, сложность используемой вентиляционной системы – соблюдаемых условий может оказаться много. Помещению в экологически чистой зоне достаточно установки современного кондиционера.
А вот промышленным постройкам и супермаркетам для нормального кондиционирования требуется наличие специального помещения – воздушной камеры, форкамеры.
Специфика очистки больших объёмов воздуха
Можно легко оценить тот факт, насколько необходимой является форкамера в вентиляции, рассмотрев, что это такое детальнее.
Приставка «фор» переводится «перед», что позволяет рассматривать форкамеру, как предварительное помещение, в котором производится вентиляционный газообмен.
Для мест с сильно загрязнённой атмосферой она становится отличным «фильтром» разделяющим внутреннюю систему вентиляции помещения и внешнюю.
Благодаря этой системе разделения открывается возможность надежно отсечь большинство факторов, способных ухудшать состояние воздуха в проветриваемом помещении. Или наоборот – оперативно отводить образующиеся внутри него летучие соединения наружу.
Для этих целей создается отдельное помещение – предварительная область или предкамера, в которой создается рабочий вентиляционный узел. Его техническое оснащение меняется в зависимости от скорости и качества проходящих воздушных потоков.
В некоторых случаях достаточно специального направляющего вентилятора, который разделяет входящий и выходящий воздух в предназначенные для этого каналы. Может понадобиться монтаж воздушных фильтров для очистки, обустройство шумоизоляции.
Особенности «предварительных» воздушных камер
Современные бытовые климатические системы, предназначенные для типовых помещений, как правило, не требуют обустройства форкамеры. Система кондиционирования, состоящая из внутреннего и внешнего блока, представляет собой сложное устройство.
В нем уже имеются различные очищающие воздух фильтры и другие блоки, задача которых – создание оптимальных климатических условий в помещении. Но их рабочие возможности весьма ограничены. Даже мощные бытовые кондиционеры могут не справляться с охлаждением больших помещений.
Их использование может оказаться экономически неоправданным.
Идея установки обычных кондиционеров в огромных промышленных постройках, подземных парковках, помещениях, размеры которых превышают несколько сотен квадратных метров – будет нецелесообразной.
Для них существуют отдельные мощные установки, способные обрабатывать огромную кубатуру воздушных масс за минимальное время.
Но такая вентиляция требует соблюдения нескольких условий для нормальной работы:
- Хорошая звукоизоляция. Прохождение большого количества воздуха сопровождается заметным шумом.
- Сбалансированная подача на рабочие точки. Скорость забора и передачи воздуха мощными кондиционерами способна создавать сильный поток, который не подходит для супермаркетов.
- Контроль скорости воздуха в системе. Мощный воздушный поток, предназначенный для отведения примесей, образующихся в результате производства, способен вместе с ними «захватить» и мелкие детали, используемые в работе.
- Сохранение постоянного температурного режима. При высокой скорости движения больших объёмов воздуха их температура способна серьезно влиять на микроклимат помещения.
Итог: насколько востребованы форкамеры
Основное назначение форкамер – возможность управления поступающими внутрь помещения большими объёмами воздушных масс. В этом специальном помещении происходит разделение поступающих основных масс на рабочие каналы, предварительная очистка, нормализация скорости потоков и их температуры.
В зависимости от технического оснащения воздух может подвергаться дополнительной санитарной и другой необходимой обработке. Благодаря тому, что для этих целей выделено отдельное помещение, все вышеупомянутые процессы протекают незаметно и без неудобств.
Форкамера – обязательный элемент для обеспечения качественной вентиляции современных помещений закрытого и полузакрытого типа с большой квадратурой. Обычно ее создание планируется еще на этапе проектировки, поэтому любые связанные с ней строительные вопросы не возникают.
Желание создать предварительную воздушную камеру в частном порядке требует получения разрешения, но не всегда. Оно требуется, если речь идёт о многоквартирных домах и других постройках, в которых форкамера способна повлиять на нормальное движение воздушных масс.
Помните, что обустройство форкамеры – не такое простое занятие, как может показаться на первый взгляд. Без грамотного подхода к проекту можно получить лишь пристройку сомнительной пользы.
Схема вентиляции с форкамерой
Форкамера двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к двигателям внутреннего сгорания, к способам и устройствам интенсификации сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Проблема снижения токсичности выхлопных газов напрямую связана с эффективностью сгорания топливовоздушной смеси (ТВС) в камерах сгорания ДВС.
Улучшение степени сгорания ТВС путем интенсификации работы двигателя приведет к снижению токсичности отходящих выхлопных газов и улучшит чистоту атмосферного воздуха.
Известны различные способы интенсификации работы ДВС, сущность которых сводится к регулировкам рабочего процесса: состава смеси, опережения зажигания, степени сжатия, перекрытия клапанов, количества свечей и т.д.
Проблема заключается в том, что при проектировании современного ДВС учитываются одновременно все эти способы и тем самым дальнейшее совершенствование ДВС по повышению полноты сгорания и снижению эмиссии токсичных веществ практически исчерпано (книга В.А.Звонова.
Токсичность двигателя внутреннего сгорания, М.: Машиностроение, 1981, с.80…91). Применение катализаторов в системе выхлопа может значительно уменьшить эмиссию токсичных веществ, но приводит к ухудшению его экономичности.
Практически все способы по интенсификации перемешивания топливо-воздушной смеси одновременно ухудшают экономические показатели ДВС.
Наиболее распространены способы и устройства улучшения подготовки ТВС путем впрыскивания топлива через форсунку с электромагнитным клапаном в поток воздуха и смешивания определенных пропорций топлива и воздуха в форкамере перед впускным клапаном двигателя с последующим впрыском ТВС через впускной клапан в камеры двигателя (книга А.Р.
Спинова “Системы впрыска бензиновых двигателей”, М, 1994 г.). Благодаря наличию бортового компьютера, датчиков токсичности, расхода топлива и воздуха, температуры способ позволяет интенсифицировать работу ДВС и снизить расход топлива и токсичность отходящих выхлопных газов ДВС.
Недостаток аналога состоит в несовершенстве технологии смешивания ТВС и ее воспламенения существующим электроискровым способом в камерах сгорания двигателя.
Известны способы и устройства интенсификации работы ДВС путем модернизации способов и устройств электроискрового зажигания ТВС в камерах (Статья “Из искры возгорится пламя”, авторы – Ю.Соловьев, Л.Голованов, “Авторевю”, N 17, 1996 г.).
Сущность предложений сводится к модернизации электросвечей зажигания путем изменения их конструкций, технологии напыления на них износостойких покрытий.
Достоинства новой электросвечи с одним центральным электродом, предложенной шведской фирмой SAAB, состоят в повышении срока службы таких электросвечей, улучшении процесса воспламенения ТВС в камерах сгорания двигателя.
Их недостатки состоят в недостаточной интенсификации процесса воспламенения и горения ТВС в камерах при реализации известных способов электроискрового воспламенения смеси от существующих систем электрозажигания, основанных на получении высоковольтных импульсов напряжения малой длительности с использованием эффекта самоиндукции при коммутации тока в индуктивной катушке зажигания, ввиду малого времени существования искры, ограниченного электромагнитной постоянной времени существующей индуктивной катушки зажигания, и ввиду отсутствия операций по предварительному приготовлению ТВС к наилучшему сгоранию в камерах двигателя (отсутствуют операции озонирования воздуха, электростатического распыления топлива в камеры сгорания, электрополевого дожига несгоревших компонент ТВС на такте выпуска выхлопных газов).
Известны способ и устройство интенсификации работы бензинового ДВС путем впрыска топлива через специальные форсунки непосредственно в камеры сгорания ДВС в момент наивысшего сжатия воздуха в соответствующей камере сгорания с последующим электроискровым зажиганием ТВС от обычных электросвечей зажигания (Статья М. Кадакова “Новый двигатель Mitsubishi в “Авторевю” № 2, 1996 г.). Интенсификация работы ДВС достигается благодаря улучшению распыления и перемешивания топлива с воздухом, повышению степени сжатия смеси до 12:1 в связи с охлаждением воздуха при впрыскивании топлива, устранением эффекта детонации. Фактически разработан и испытан бензиновый квазидизель. Экспериментально подтверждено повышение мощности такого двигателя на 10%, снижение токсичности выхлопных газов на 30-90% по отдельным составляющим, возможность работы на обедненных ТВС, что дополнительно улучшит экологию двигателя при движении автотранспорта в городе.
Недостатки предложенного способа и устройства состоят в усложнении конструкции ДВС (трудности конструктивного размещения форсунок высокого давления в камерах ДВС, что требует изменения конструкции двигателя) и в несовершенстве способа воспламенения ТВС обычным электроискровым способом, который не обеспечивает полное сгорание смеси в камерах, особенно на высоких оборотах двигателя.
Известна система подачи топлива с электронным устройством управления для ДВС, содержащая двигатель внутреннего сгорания с камерами сгорания, поршнями, впускными и выпускными клапанами, включающий систему подготовки топливовоздушной смеси и впрыска топлива в камеры сгорания с регуляторами подачи топлива и окислителя, систему электроискрового воспламенения топливовоздушной смеси, состоящую из высоковольтного преобразователя напряжения, распределителя высоковольтных импульсов с соответствующими регулятором угла опережения электрозажигания и электросвечами по числу камер сгорания, датчики расхода топлива и окислителя, их температуры, оборотов двигателя, токсичности выхлопных газов, а также логически функциональный оптимизатор режимов, присоединенный по выходу к регуляторам подачи топлива и окислителя, их температуры, оборотов двигателя, токсичности выхлопных газов, а также логически функциональный оптимизатор режимов, присоединенный по выходу к регуляторам подачи топлива и окислителя, регулятору угла опережения зажигания смеси, а по входу – к выходам указанных датчиков по патенту США N 4596220, F02D 43/00, 1986. Из данного источника информации известен также способ интенсификации работы ДВС путем подготовки топливовоздушной смеси, впрыска топлива, воспламенения и сжигания.
Известны способ и устройство для интенсификации и управления процессом горения в ДВС по патенту РФ № 2153814, прототип, путем воздействия сильным электрическим полем на топливо-воздушную смесь в камерах сгорания цилиндров ДВС.
Недостатком этого устройства и способа является недостаточная эффективность воздействия электрического поля на горение, полноту сгорания и эмиссию токсичных веществ в продуктах сгорания. Кроме того, создание мощных полей потребует мощных источников энергии мощностью более 5 кВт и является небезопасным в эксплуатации.
Значительный интерес для потребителя представляет применение форкамер, свинчиваемых с электрическими свечами. Это позволяет использовать их в ранее выпущенных в эксплуатацию ДВС без изменения конструкции поршневой группы. При этом стоимость форкамер очень невелика.
Известна форкамера двигателя внутреннего сгорания по патенту СССР № 691102, МПК F02 В 19/18, заявитель иностранная фирма “Тойота” (Япония).
Форкамера выполнена в виде местного расширения, сообщенного посредством канала с основной камерой сгорания, в этом канале установлена свеча зажигания.
Недостаток: сложность конструкции двигателя и невозможность переоборудования серийного двигателя для улучшения его работы.
Известна форкамера по А.С. СССР № 259553, которая выполнена из трех деталей, образующих полость предварительного воспламенения топливо-воздушной смеси. Недостатком этой форкамеры является сложность конструкции, необходимость герметизации деталей форкамеры между собой и большие габариты устройства.
Известна форкамера двигателя внутреннего сгорания по А.С. СССР № 1370269, содержащая устанавливаемую на свечи зажигания цилиндрическую деталь, образующую между торцом свечи и торцом детали полость форкамеры.
На торце детали выполнен осевой факельный канал. Недостаток этой форкамеры, его низкая эффективность, обусловлен наличием только одного осевого канала и отсутствием закрутки потока топливо-воздушной смеси.
Этот недостаток устранен в форкамере двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ на полезную модель № 23918, 2002 г. (прототип).
Форкамера содержит полость, переходный канал, сообщенный с полостью соединительным участком, поверхность которого выполнена в форме тела вращения и сопряжена с поверхностями стенок полости и переходного канала, и боковые факельные каналы, выполненные в стенке переходного канала под углом к его продольной оси и тангенциально к поверхности его стенки, при этом соединительный участок выполнен радиусным.
Недостатки этой форкамеры:
1.
Низкая эффективность воспламенения основного заряда топлива, которая объясняется тем, что факельные струи выходят из тангенциальных отверстий и распространяются в стороны, а распространение струй в осевом направлении ограничено из-за отсутствия осевого факельного канала. Следствием этого является низкая экономичность двигателя, оборудованного таким устройством, его перегрев, детонация и плохой запуск в зимнее время и в сырую погоду.
2. Сложность конструкции и ее нетехнологичность, обусловленные наличием переходного канала и соединительного участка сложной конфигурации.
Задачи создания изобретения: повышение полноты сгорания, снижение эмиссии вредных веществ, использование низкооктановых бензинов и повышение эффективности воспламенения, особенно при низких температурах и в сырую погоду без дополнительных затрат энергии и усложнения конструкции ДВС.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что форкамера двигателя внутреннего сгорания, содержащая полость, боковые факельные каналы, выполненные под углом к продольной оси и тангенциально к поверхности его стенки, и осевой факельный канал, отличается тем, что внутри боковых факельных каналов установлены кольцевые постоянные магниты. Боковые факельные каналы выполнены под углом от 5 до 30° к оси. Боковые факельные каналы выполнены по часовой стрелке. Количество боковых факельных каналов находится в диапазоне от 4 до 7. Диаметр осевого факельного канала выполнен равным или больше диаметра боковых факельных каналов.
Проведенные патентные исследования показали, что предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. удовлетворяет критериям изобретения.
Для реализации предложенного изобретения требуется серийное оборудование и недифицитные материалы. Возможность достижения заявленного результата подтверждена проведенными экспериментами.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1…3, где:
на фиг.1 приведен ДВС с форкамерой,
на фиг.2 приведена схема форкамеры,
на фиг.3 приведен разрез по А-А.
На простейшем примере одноцилиндрового ДВС показана схема установки форкамеры.
ДВС (двигатель внутреннего сгорания) содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с поршнем 2, который установлен на шатуне 3 и имеет поршневые кольца 4. В верхней части цилиндра установлены впускной клапан 5 и свеча зажигания 6.
Свеча зажигания 6 ввернута в форкамеру ДВС 7. Форкамера ДВС 7 установлена по резьбе в головке цилиндров ДВС 8. ДВС также содержит систему подвода топливо-воздушной смеси 9.
Внутри цилиндра 1 образуются вихри ТВС около впускного клапана и под форкамерой соответственно 10 и 11.
Форкамера двигателя внутреннего сгорания 7 (фиг.2) содержит стенку 12, полость «Б», боковые факельные каналы 13 и осевой факельный канал 14. В форкамеру двигателя внутреннего сгорания 7 ввернута свеча зажигания 6.
Форкамера двигателя внутреннего сгорания 7 имеет наружную резьбу 15 для вворачивания в корпус головки цилиндра 8 и внутреннее резьбовое отверстие 16 для вворачивания свечи зажигания 6.
Внутри всех боковых факельных каналов 13 установлены кольцевые постоянные магниты 17.
Угол наклона боковых факельных каналов 13 по отношению к оси составляет от 5 до 30°. Число боковых факельных каналов от 4 до 7. Диаметр осевого факельного канала 14 D0 равен или больше диаметра боковых факельных каналов d1.
При эксплуатации форкамеру ДВС 7 вворачивают в корпус головки цилиндров 8, потом в нее вворачивают свечу зажигания 6.
Для подтверждения оптимальности выбранной конструкции и соотношений размеров и углов наклона боковых факельных каналов к оси авторами-заявителями были изготовлены и испытаны несколько вариантов форкамер на двигателе ВАЗ 2106.
Обоснование выбора угла наклона к оси боковых факельных каналов приведено в табл.1.
| Таблица 1 | ||||
| Обоснование выбора угла наклона боковых факельных каналов к оси | ||||
| п.п. | Диапазон углов наклона боковых факельных каналов к оси | Снижение расхода топлива в % | Перегрев двигателя | Запуск двигателя |
| 1 | 0° | 6 | Да | Неуд |
| 2 | 5…30° (оптимальн) | 17 | Нет | Хор |
| 3 |
форкамера двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.
Форкамера содержит полость, сообщенную с основной камерой сгорания перепускным каналом, смонтирован на наружной части головки блока цилиндров, имеет полость со встроенной распиливающей форсункой, а перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, причем входной участок перепускного канала имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой определяется по соотношению Витошинского, а сопряжение входного и выходного участков выполнено по дуге эллипса. Изобретение обеспечивает работу ДВС на бедных жидкотопливно-воздушных и газовоздушных смесях, экономию дизельного топлива, малую токсичность отработавших газов, простоту технического обслуживания и низкую себестоимость. 1 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, и предназначено для улучшения их технико-экономических и экологических показателей.
Известны форкамеры двигателей внутреннего сгорания, выполненные в головке блока цилиндров, сообщенные с основной камерой сгорания соединительными каналами (см., например, патент США №4442807 кл. F 02 В 19/18, 1984 г., патент РФ №2099550 F 02 В 19/18, 1995 г.)
Недостатками таких форкамер являются высокая трудоемкость производства и технического обслуживания, а также невозможность использования на действующем и производимом парке автотехники, так как неизбежные изменения в конструкции двигателя потребуют вложения капитальных затрат на разработку конструкций его новых деталей и узлов, изменение технологии производства и дополнительное оборудование и техоснастку. Размещение известных форкамер в нижней части головки блока цилиндров существенно затрудняет их технологическое обслуживание и, при необходимости, демонтаж, так как потребует разборку двигателя автомобиля. Указанные недостатки затрудняют внедрение известных форкамер на действующем автопарке и выпускающихся автомобилях и решение в реальном времени задач повышения топливной экономичности автомобилей и экологических проблем в крупных городах и на автотрассах.
Эти недостатки устранены в форкамерах по патентам Великобритании №1261176, Кл. F 02 В 19/12, 1972 г. и РФ №2210677, F 02 В 19/18, 2001 г.
, смонтированными на внешней (наружной) части головки блока цилиндров и содержащими полость, сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного криволинейного канала.
Известные форкамеры просты по конструкции, легко и быстро монтируемы и чрезвычайно дешевы в производстве и эксплуатации, а форкамера по патенту РФ №2210677 на испытаниях показала высокие результаты топливной экономичности и экологичности автомобильных двигателей.
Однако эти форкамеры применимы на двигателях с принудительным (искровым) зажиганием и не могут быть использованы на двигателях с воспламенением от сжатия горючей смеси (дизельных ДВС).
Известны топливные насосы дизельных двигателей с повышенным давлением впрыска топлива 70-100 МПа (70-100 атм), например ЯМЗ ТА 423, ТА 444, ТА 861. Такое увеличение давления впрыска топлива необходимо для лучшего его распыления в камерах сгорания новых двигателей, чтобы сжигать дизтопливо по критериям, удовлетворяющим требованиям экологических стандартов EURO-1, EURO-2 и EURO-3.
Однако такое повышение давления впрыска вызывает повышение мощности топливного насоса и его привода, что составляет 10-15% мощности ДВС, развиваемой автомобилем на крейсерской скорости движения (˜80 км/час).
Такая высокая мощность привода топливного насоса обуславливает значительный дополнительный расход топлива, что ухудшает топливную экономичность ДВС, а экологические характеристики автомобиля остаются в существенной степени зависимы от надежности и эффективности работы форсунок и качества смесеобразования в цилиндре ДВС, которые в настоящее время еще очень низкие.
Целью настоящего изобретения является существенное улучшение топливной экономичности и экологичности ДВС с воспламенением от сжатия горючей смеси на основе простого и надежного технического решения.
Для этого известный двигатель с воспламенением от сжатия горючей смеси (например, ЯМЗ-238, КамАЗ-740 дизельные) согласно изобретению оснащается форкамерой, смонтированной на внешней (наружной) части головки блока цилиндров и содержащей полость, сообщенную с основной камерой сгорания при помощи перепускного криволинейного канала, выполненного в виде профилированного сопла Лаваля, выходной участок которого выходит в основную камеру сгорания, а полость форкамеры содержит распыливающую форсунку для впрыска топлива.
Установка форкамеры дизельного ДВС на внешней (наружной) части головки блока цилиндров обуславливает простоту ее конструкции и технического обслуживания, а также высокую доступность и оперативность реализации предложенного технического решения в реальном времени на действующих и новых автодвигателях.
Установка в полости форкамеры распыливающей форсунки устраняет необходимость увеличения давления впрыска топливного насоса высокого давления (ТНВД) и оставить его на уровне 300-350 атм, т.к.
после впрыска давление в полости форкамеры, после предварительного сгорания топливной смеси, может достигать более 1000 атм, что обусловлено геометрическими и конструктивно-прочностными характеристиками головки блока цилиндров и форкамеры.
Выполнение перепускного канала в виде профилированного сопла Лаваля обеспечит наивысшую (сверхзвуковую) скорость истечения топливно-воздушной смеси в цилиндр двигателя и ее наилучшие дисперсность и распыление, что приведет к оптимальным параметрам смесеобразования и сгорания топлива и, как следствие, к снижению расхода топлива, токсичности выхлопных газов и высокому КПД двигателя автомобиля.
Компактная, легко и быстро монтируемая и демонтируемая конструкция форкамеры обеспечит простоту ее производства, эксплуатации и технического обслуживания, низкую себестоимость и доступность широкому потребителю, решение актуальных экологических проблем автотранспорта.
Предложенное техническое решение не известно из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста-двигателестроителя и промышленно легко осуществимо для производства форкамерно-факельных систем ДВС, то есть соответствует критериям патентоспособности.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.
1), который имеет чисто иллюстративное значение и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения, где изображены: форкамера 1, смонтированная на наружной части головки 2 блока цилиндров 3, содержащая полость 4 с установленной распыливающей форсункой 5, перепускной канал 6, выполненный в виде профилированного сопла Лаваля с контуром, образованным плавной кривой и состоящим из входного 7 и выходного 8 участков.
По совокупности конструктивных признаков форкамера представляет собой импульсный реактивый двигатель, работающий в заторможенном (обращенном) режиме, в котором окислитель (воздух) подается через реактивное сопло.
Входной участок 7 перепускного канала 6 имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой может быть определена, например, по известному соотношению Витошинского, а контур выходного участка 8 может быть построен известным методом характеристик. Сопряжение образующих этих участков можно выполнить по дуге эллипса.
Устройство функционирует следующим образом. На такте сжатия ДВС сжатый воздух при Т˜700-900°С из основной камеры сгорания через перепускной канал 6 поступает в полость 4 форкамеры и заполняет ее.
В момент впрыска из распылителя форсунки 5 в полость 4 впрыскивается распыленное топливо, где воспламеняется и частично сгорает, температура в полости форкамеры повышается до 1500-2000°С, а давление поднимается до величины более 1000 атм.
Раскаленные продукты предварительного сгорания за счет сильного перепада давлений на входе и выходе перепускного канала 6 истекают со сверхзвуковой скоростью в основную камеру сгорания, где интенсивно перемешиваются со сжатым воздушным зарядом и эффективно догорают при наивысшей скорости сгорания топлива и максимальной полноте окисления топлива, обеспечивая повышенное давление на поршень и минимальную токсичность продуктов сгорания в цилиндре ДВС.
Ограниченное сообщение полости форкамеры 4 с объемом цилиндра ДВС за счет малого сечения перепускного канала 6 существенно снижает возможность коррозийного запирания отверстий распылителя форсунки 5 вследствие образования пускового конденсата или их закоксовывания от пригарания масляных брызг, что повышает надежность работы топливной аппаратуры ДВС.
Использование настоящего изобретения обеспечивает надежный пуск дизельного ДВС, устойчивость и мощность его работы на бедных топливно-воздушных смесях при снижении выхлопных газов в десятки раз и снижение скорости разрушения озонового слоя Земли, так как дизельные ДВС составляют более 50% единиц автотранспортной техники всех стран мира.
Формула изобретения
Форкамера двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащая полость, сообщенную с основной камерой сгорания перепускным каналом, отличающаяся тем, что она смонтирована на наружней части головки блока цилиндров, содержит установленную в полости распыливающую форсунку и сообщена с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного канала, выполненного в виде профилированного сопла Лаваля, причем входной участок перепускного канала имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой определяется по соотношению Витошинского, а сопряжение входного и выходного участков выполнено по дуге эллипса.
Устройство дизельного двигателя
Дизельный двигатель является самым экономичным из всех двигателей внутреннего сгорания, а всё благодаря относительно высокому КПД.
Если у бензинового двигателя КПД находится на уровне 20-30 % и не выше, то у дизеля это значение достигает 30-40% и даже выше, до 50% у турбированных моделей с предварительным охлаждением воздуха.
Благодаря более высокому КПД достигается более низкий расход топлива, чем у бензинового двигателя, отсюда и более низкий расход топлива у дизельного двигателя.
На современные автомобили устанавливают четырёхтактные дизели, хотя существуют и двухтактные. От бензиновых конструктивно дизели почти не отличаются- тот же блок цилиндров, те же поршни, коленвал и головка блока, только детали рассчитаны на бОльшие нагрузки, поэтому выглядят несколько массивнее.
Как и бензиновый двигатель, дизельный также является двигателем внутреннего сгорания и состоит из аналогичных деталей за исключением системы подачи топлива и системы зажигания- здесь это всё выполняется системой впрыска топлива.
Блок цилиндров изготавливается из чугуна, хотя в последнее время всё чаще стали появляться конструкции из алюминиевого сплава, но они пока непопулярны. Степень сжатия дизельного двигателя примерно 16-19. Поршень подходит к головке блока очень близко, практически вплотную, а камера сгорания расположена в самом поршне- в нём сделаны углубления.
Но топливо может впрыскиваться не в саму камеру сгорания, на некоторых моделях установлены предкамеры или вихрекамеры — так называемые разделённые камеры сгорания- в них происходит воспламенение топливной смеси, а уже оттуда уже горящая смесь поступала в надпоршневое пространство.
Это позволяло снизить шум работающего дизеля и сделать его работу более плавной.
Для более лёгкого пуска в дизельных двигателях предусмотрены свечи накаливания. Они вставляются внутрь камеры сгорания и подогревают воздух перед пуском двигателя. Когда заводишь двигатель, ключ зажигания сначала надо перевести в положение, включающее свечи накаливания- на приборке загорится соответствующая лампочка со спиралью, когда лампочка погаснет- можно крутить стартер.
Если заводить двигатель без свечей накала, то ему будет сложно нагнать необходимую температуру, при которой будет воспламеняться топливо. Свечами накала управляет соответствующий блок управления.
Свечи накала работают до тех пор, пока двигатель не наберёт необходимую температуру, а не выключаются сразу после пуска, хотя а некоторых моделях могут и сразу выключаться,- всё зависит от конструкции.
Принцип работы
Дизельный двигатель является классическим 4-х тактным двигателем внутреннего сгорания. Цикл работы состоит из следующих тактов:
- впуск
- сжатие
- рабочий ход
- выпуск
На впускном такте открываются впускные клапана и в цилиндр поступает воздух; поршень при этом движется вниз, что обеспечивает разрежение в цилиндре и воздух при этом свободно всасывается из-за разницы давления.
Если при этом воздух нагнетается турбокомпрессором, то эта разница становится ещё больше, а значит больше воздуха может поступить в цилиндр.
В конце такта впуска впускные клапана закрываются и воздух перестаёт поступать в цилиндры- образуется герметичная камера.
На такте сжатия поршень двигается вверх, объём камеры сгорания уменьшается, соответственно воздух сжимается, тем самым нагревается свыше температуры воспламенения дизельного топлива.
В конце такта сжатия, когда температура воздуха в цилиндре максимальная, в него впрыскивается топливо.
Впрыск топлива производится не моментально, а происходит некоторое время- поршень за это время успевает пройти ВМТ, и на рабочем ходе происходит окончание впрыска топлива.
Механические системы впрыска делают один впрыск, но современные топливные системы с электронным управлением и давлением в две тысячи бар могут производить семь впрысков за такт- предварительные, основные и пару впрысков ещё вдогонку, что позволяет сделать двигатель более тихим и эластичным.
На рабочем ходу поршень под действием силы расширяемых газов двигается вниз, передавая крутящий момент коленвалу. Это единственный полезный такт в цикле- на всех остальных тактов энергия только расходуется.
На такте выпуска выпускные клапана открываются и через них выходят отработавшие газы. Давление в камере сгорания в это время очень высокое, так что выходят выхлопные газы без проблем благодаря разнице давления в камере сгорания и в выхлопной системе.
Далее всё повторяется по новой.
Типы камер сгорания
Топливо в дизельном двигателе впрыскивается как непосредственно в камеру сгорания- на цилиндр, так и в промежуточную предкамеру- вихрекамеру или форкамеру. От этого и зависит тип камеры сгорания и геометрия днища поршня. При непосредственном впрыске топлива выемка в днище поршня большая- отсюда топливо, сгорая, равномерно распределяется по всей камере сгорания.
Если конструкцией предусмотрена предкамера, то основное горение топлива происходит именно там, а догорает оно уже в камере сгорания, вырываясь из предкамеры через связывающий их перепускной канал, соединяющий предкамеру с камерой сгорания. По причине того, что в цилиндре топливо догорает и ему не нужно никуда распределятся, углубления в поршнях делают минимальными.
Отличия форкамеры от вихрекамеры в том, что в вихрекамере топливо закручивается, чтобы лучше перемешаться с воздухом, в то время как в форкамере топливо не закручивается. Свечи накаливания располагаются в предкамере, и форсунки впрыскивают на них топливо.
Недостатком предкамер являются механические потери при перемещении газов, от этого снижается КПД двигателя, а также из-за этого двигатель сложнее заводится.
Применялись предкамеры для того, чтобы снизить шум и вибрацию двигателя, но с появлением современных топливных систем- насос-форсунок либо Common Rail- необходимость использовать предкамеры отпала, все современные двигатели работают при непосредственном впрыске, и достаточно тихо.
Системы впрыска
Механический впрыск
Самая простая система впрыска дизельного топлива- это механическая с обычным механическим ТНВД (рядным либо распределенного впрыска) и механическими форсунками, которые открываются под давлением, создаваемым топливным насосом.
Система надёжная, эффективная, но довольно устаревшая- невозможно точно дозировать топливо и момент впрыска, так как производится всего один впрыск.
Эти системы пытались модернизировать, устанавливая электронику на насос, но толку от этого было мало, разница между механической топливной системой и Common Rail, как между карбюратором и инжектором, поэтому в настоящее время применяется только на каких-нибудь дешёвых китайских грузовиках.
Насос-форсунки
Более прогрессивная система, форсунка сама нагнетает топлива, сама и впрыскивает.
Располагается под крышкой головки цилиндров и приводится в действие распредвалом- кулачок давит на плунжер, нагнетая давление топлива, а открывается форсунка с помощью электронной системы, что даёт возможность качественно дозировать количество топлива, поступаемого в цилиндр и момент впрыска, что даёт стабильную работу двигателя.
Common Rail
Эта система чем-то похожа на бензиновый инжектор- топливный насос высокого давления нагнетает дизельное топливо в аккумулирующую рейку, а оттуда топливо поступает к форсункам. Давление в рейке поддерживается постоянное и может достигать 2000 бар, а на последних моделях двигателей даже больше.
Форсунки управляются электроникой, и могут осуществлять несколько впрысков за раз- от 4-х на старых образцах, до 7-ми на последних двигателях. Топливо впрыскивается до достижения ВМТ- подготовительные впрыски, чтобы разогреть камеру, в районе ВМТ- основной впрыск и во время движения поршня вниз- небольшой пшик вдогонку.
Это обеспечивает мягкую бесшумную работу двигателя, почти как на бензиновых, отличную мощность и крутящий момент. Современные дизели не уступают своим бензиновым аналогам в мощности, но всё так же экономичны.