RU2151892C1

RU2151892C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2151892C1
Application number: RU99101657/06A
Authority: RU
Inventors: В.З. Гибадуллин
Original assignee: Курганский государственный университет
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-06-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines using hydrogen as additional fuel. SUBSTANCE: engine has at least one cylinder with piston and cylinder head forming combustion chamber. Spark plug installed in combustion chamber, and fuel feed system delivering fuel into combustion chamber, control unit, ignition system and load and crankshaft speed transmitters coupled with control unit and hydrogen source and nozzle connected with source. Nozzle installed in combustion chamber has through axial and side channels in its body to deliver hydrogen. Spring with plate and spring-loaded plunger provided with side groove are installed in axial channel. Plunger has side groove with fitted-in sealing ring, and channel through which side groove communicates with combustion chamber. Side groove is made for alignment with side channel for feeding hydrogen. Nozzle accommodates reversible motor with splined output shaft coupled with control unit. Motion thread is made in axial channel of nozzle body and over perimeter of spring plate. Plate provided with axial splined hole is installed for forming splined connection with motor shaft and for displacement along thread in axial channel of nozzle body. EFFECT: facilitated ignition of lean mixture enriched by hydrogen near spark plug. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), использующим в качестве дополнительного топлива водород. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to internal combustion engines (ICE), using hydrogen as an additional fuel.

Один из путей повышения экономичности ДВС с искровым зажиганием - перевод его на работу на обедненных смесях. Однако существенно обеднить смесь не позволяет возрастающая при обеднении нестабильность воспламенения заряда. Повышение эффективности воспламенения обедненных топливовоздушных смесей возможно за счет введения в цилиндр двигателя дополнительных порций водорода. Наличие у электродов свечи зажигания в момент создания искрового разряда повышенной концентрации водорода, обладающего высокой химической активностью и теплотой сгорания, позволяет надежно воспламенять обедненные смеси. One of the ways to increase the efficiency of spark-ignition ICEs is to transfer it to work on lean mixtures. However, the mixture ignition instability does not allow a significant depletion of charge ignition instability. An increase in the ignition efficiency of lean air-fuel mixtures is possible due to the introduction of additional portions of hydrogen into the engine cylinder. The presence of spark plugs at the electrodes at the time of creating a spark discharge with an increased concentration of hydrogen, which has high chemical activity and calorific value, allows reliable ignition of lean mixtures.

Известен двигатель внутреннего сгорания (а.с. СССР N 1004663, 1983 г.), содержащий цилиндр с поршнем и головку со впускным и выпускным каналами, образующие камеру сгорания. Ко впускному каналу подключен карбюратор для подачи бензовоздушной смеси и воздуховод со смесительной камерой водорода и воздуха. В воздуховоде установлены воздушная заслонка и форсунка для подачи водорода. На такте впуска в цилиндр по впускному каналу под действием разрежения поступает бензовоздушная смесь из карбюратора и водородовоздушная смесь из смесительной камеры воздуховода. Бензоводородовоздушная смесь равномерно распределяется по цилиндру и в конце такта сжатия поджигается искрой. Known internal combustion engine (AS USSR N 1004663, 1983), containing a cylinder with a piston and a head with inlet and outlet channels forming a combustion chamber. A carburetor for supplying a gasoline mixture and an air duct with a hydrogen and air mixing chamber are connected to the inlet channel. An air damper and a nozzle for supplying hydrogen are installed in the duct. At the intake stroke, a gasoline mixture from the carburetor and a hydrogen-air mixture from the mixing chamber of the air duct enter the cylinder through the inlet channel under the action of rarefaction. The hydrogen-gas-air mixture is evenly distributed over the cylinder and at the end of the compression stroke is ignited by a spark.

Недостатком такого двигателя является то, что для создания повышенной концентрации водорода в зоне электродов свечи к моменту воспламенения необходимо создать высокую его концентрацию во всей камере сгорания, что требует больших количеств водорода. The disadvantage of this engine is that to create an increased concentration of hydrogen in the area of the electrode of the candle by the time of ignition it is necessary to create a high concentration in the entire combustion chamber, which requires large quantities of hydrogen.

Известен ДВС (а.с. СССР N 1329273, 1985 г.), содержащий камеру сгорания с установленной в ней свечой зажигания, систему подачи в камеру сгорания углеводородного топлива, блок управления и связанные с ним систему зажигания и датчики нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, источник водорода и связанную с ним форсунку, установленную в камере сгорания в непосредственной близости от свечи зажигания. Корпус форсунки имеет осевой и боковой каналы для подачи водорода в камеру сгорания. Боковой канал сообщен с источником водорода. В осевом канале размещен подпружиненный плунжер с боковой проточкой, на которой установлено уплотнительное кольцо, и каналом, сообщающим боковую проточку с камерой сгорания. На такте сжатия плунжер под действием давления газов из камеры сгорания преодолевает усилие пружины и перемещается в осевом канале корпуса форсунки. При совмещении боковой проточки плунжера с боковым каналом корпуса форсунки открывается доступ водорода в камеру сгорания в область электродов свечи зажигания. Блок управления на основании информации от датчиков нагрузки и частоты вращения в оптимальный момент времени, зависящий от режима работы ДВС, подает сигнал на систему зажигания, которая создает на свече искровой разряд. В обогащенной водородом смеси быстро развивается очаг пламени, и происходит стабильное от цикла к циклу и эффективное воспламенение заряда. Расход водорода в таком двигателе существенно сокращается вследствие его локализации вблизи электродов свечи зажигания. Known ICE (AS USSR N 1329273, 1985), containing a combustion chamber with a spark plug installed in it, a system for supplying hydrocarbon fuel to the combustion chamber, a control unit and associated ignition system and load sensors and crankshaft rotational speed , a hydrogen source and an associated nozzle installed in the combustion chamber in the immediate vicinity of the spark plug. The nozzle body has axial and lateral channels for supplying hydrogen to the combustion chamber. The side channel is in communication with a source of hydrogen. In the axial channel there is a spring-loaded plunger with a lateral groove on which an o-ring is installed, and a channel communicating the lateral groove with the combustion chamber. On the compression stroke, the plunger under the action of gas pressure from the combustion chamber overcomes the force of the spring and moves in the axial channel of the nozzle body. When combining the lateral groove of the plunger with the side channel of the nozzle body, the access of hydrogen to the combustion chamber in the area of the electrodes of the spark plug opens. The control unit on the basis of information from the load sensors and speed at the optimal time, depending on the operating mode of the engine, sends a signal to the ignition system, which creates a spark discharge on the candle. In a hydrogen-enriched mixture, a hotbed of flame quickly develops, and a stable ignition of the charge occurs from cycle to cycle. The consumption of hydrogen in such an engine is significantly reduced due to its localization near the electrodes of the spark plug.

Недостатком такого двигателя является невозможность обеспечения согласованной работы форсунки и свечи зажигания на всех скоростных и нагрузочных режимах работы ДВС. Так, при уменьшении нагрузки наполнение цилиндра снижается, уменьшается давление в камере сгорания в конце сжатия, и усилие от давления газов на плунжер, превышающее усилие предварительного сжатия пружины, достигается позже по углу поворота коленчатого вала. Вследствие этого совмещение боковой проточки плунжера с боковым каналом корпуса форсунки, а значит и подача водорода в камеру сгорания, происходит позже. Однако известно, что с уменьшением нагрузки оптимальный угол опережения зажигания увеличивается, т. е. искрообразование происходит раньше по углу поворота коленчатого вала. В результате происходит рассогласование моментов подачи водорода и искрообразования. Обратная картина наблюдается при увеличении нагрузки: подача водорода в камеру сгорания в момент совмещения боковой проточки плунжера и бокового канала корпуса форсунки происходит раньше, а угол опережения зажигания уменьшается, т.е. искрообразование происходит позже. С изменением частоты вращения коленчатого вала при неизменной нагрузке момент искрообразования также изменяется, а момент подачи водорода, определяемый соотношением усилия сжатия пружины и силы давления газов из цилиндра на плунжер, остается неизменным, т. е. и в этом случае происходит рассогласование работы системы зажигания и системы подачи водорода. Создание же искрового разряда в смеси, где концентрация водорода уже снизилась по сравнению с оптимальной вследствие его диффузии из межэлектродного зазора после слишком ранней подачи, либо в смеси, где водород к моменту искрообразования вообще отсутствует вследствие слишком поздней его подачи, существенно снижает эффективность протекания рабочего процесса при использовании обедненных смесей. The disadvantage of this engine is the inability to ensure the coordinated operation of the nozzle and spark plug at all high-speed and load operating modes of the engine. So, with a decrease in load, the filling of the cylinder decreases, the pressure in the combustion chamber at the end of compression decreases, and the force from the gas pressure on the plunger, which exceeds the pre-compression force of the spring, is reached later in the angle of rotation of the crankshaft. As a result, the combination of the lateral groove of the plunger with the side channel of the nozzle body, and hence the supply of hydrogen to the combustion chamber, occurs later. However, it is known that with decreasing load, the optimal ignition timing increases, i.e., sparking occurs earlier in the angle of rotation of the crankshaft. As a result, there is a mismatch between the moments of hydrogen supply and sparking. The reverse picture is observed with increasing load: the supply of hydrogen to the combustion chamber at the moment of combining the lateral groove of the plunger and the side channel of the nozzle body occurs earlier, and the ignition timing decreases, i.e. sparking occurs later. With a change in the rotational speed of the crankshaft with a constant load, the moment of sparking also changes, and the moment of hydrogen supply, determined by the ratio of the compression force of the spring and the gas pressure from the cylinder to the plunger, remains unchanged, i.e., in this case, the ignition system mismatches and hydrogen supply systems. The creation of a spark discharge in a mixture where the hydrogen concentration has already decreased compared to the optimum due to its diffusion from the interelectrode gap after too early a feed, or in a mixture where hydrogen is not present at the time of sparking due to too late a flow, significantly reduces the efficiency of the working process when using lean mixtures.

Улучшение эксплуатационных характеристик путем согласования моментов искрообразования и подачи водорода достигается в предлагаемом изобретении тем, что в форсунке размещен связанный с блоком управления реверсивный электродвигатель со шлицевым выходным валом, в осевом канале корпуса форсунки и по периметру тарели пружины выполнена ходовая резьба, а тарель снабжена осевым шлицевым отверстием и установлена с образованием шлицевого соединения с валом электродвигателя и возможностью перемещения по резьбе в осевом канале корпуса форсунки. Это позволяет в процессе работы ДВС вращением тарели пружины менять ее положение относительно плунжера и таким образом изменять усилие предварительного сжатия пружины, обеспечивая тем самым возможность согласования момента трогания с места плунжера, а значит и момента совмещения боковой проточки плунжера с боковым каналом в корпусе форсунки для подачи водорода в камеру сгорания, с моментом искрообразования. Improving operational characteristics by coordinating the moments of sparking and hydrogen supply is achieved in the present invention by the fact that the nozzle contains a reversible electric motor connected to the control unit with a spline output shaft, a running thread is made in the axial channel of the nozzle body and around the perimeter of the spring plate, and the plate is equipped with an axial slotted hole and installed with the formation of a spline connection with the motor shaft and the ability to move along the threads in the axial channel of the housing force ki. This allows during the operation of the internal combustion engine by rotating the spring plate to change its position relative to the plunger and thus change the spring pre-compression force, thereby ensuring the coordination of the starting moment from the plunger place, and hence the moment when the lateral groove of the plunger is combined with the side channel in the nozzle body for feeding hydrogen into the combustion chamber, with the moment of sparking.

Существенными отличиями предлагаемого изобретения являются установка в корпусе форсунки реверсивного электродвигателя со шлицевым выходным валом с образованием шлицевого соединения с осевым шлицевым отверстием в тарели пружины, что позволяет осуществлять вращение тарели в том или ином направлении, и выполнение ходовой резьбы по периметру тарели пружины и в осевом канале корпуса форсунки, что позволяет вращением тарели изменять ее положение относительно плунжера в осевом канале корпуса форсунки, изменяя тем самым усилие предварительного сжатия пружины. Связь электродвигателя с блоком управления позволяет для любого скоростного и нагрузочного режима работы ДВС устанавливать такое положение тарели, при котором соответствующее усилие предварительного сжатия пружины обеспечивает совмещение боковой проточки плунжера с боковым каналом корпуса форсунки для подачи водорода в камеру сгорания согласованно по времени с изменяющимся от режима к режиму моментом искрообразования. Все это дает возможность для любого режима работы ДВС обеспечить оптимальное сочетание моментов подачи водорода и искрообразования с тем, чтобы максимально облегчить воспламенение бедной смеси, обогащенной водородом вблизи свечи зажигания. Significant differences of the invention are the installation in the nozzle body of a reversible electric motor with a spline output shaft with the formation of a spline connection with an axial spline hole in the spring plate, which allows the rotation of the plate in one direction or another, and the running thread along the perimeter of the spring plate and in the axial channel the nozzle body, which allows the rotation of the plate to change its position relative to the plunger in the axial channel of the nozzle body, thereby changing the pre-force spring compression. The connection of the electric motor with the control unit makes it possible to set the position of the plate for any speed and load operating mode of the internal combustion engine, in which the corresponding spring preload force ensures that the lateral groove of the plunger is combined with the side channel of the nozzle body for supplying hydrogen to the combustion chamber, coordinated in time with time changing from sparking mode. All this makes it possible for any ICE operation mode to provide the optimal combination of hydrogen supply and sparking moments in order to maximally facilitate ignition of a poor mixture enriched with hydrogen near the spark plug.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - схема описываемого двигателя;
на фиг.2 - разрез форсунки для подачи водорода;
на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.The invention is illustrated by drawings, which depict:
figure 1 - diagram of the described engine;
figure 2 is a section of a nozzle for supplying hydrogen;
figure 3 is a section aa in figure 2.

Двигатель (фиг.1) содержит цилиндр 1 с поршнем 2 и головку 3, образующие камеру 4 сгорания. В головке 3 выполнен впускной канал 5, к которому подключена система 6 подачи топлива. Для создания искрового разряда в камере 4 сгорания установлена свеча 7 зажигания, связанная с системой 8 зажигания, управление которой осуществляется блоком 9 управления по сигналам датчиков 10 и 11 нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, установленных на двигателе. В камере 4 сгорания установлена форсунка 12 для подачи водорода, расположенная на минимальном расстоянии от свечи 7 зажигания, допустимом конструктивными размерами свечи и форсунки. The engine (figure 1) contains a cylinder 1 with a piston 2 and a head 3, forming a combustion chamber 4. An inlet channel 5 is made in the head 3, to which a fuel supply system 6 is connected. To create a spark discharge in the combustion chamber 4, a spark plug 7 is installed, connected to the ignition system 8, which is controlled by the control unit 9 according to the signals of the load sensors 10 and 11 and the crankshaft speed mounted on the engine. In the combustion chamber 4, a nozzle 12 for supplying hydrogen is installed, located at a minimum distance from the spark plug 7, the permissible design dimensions of the spark plug and nozzle.

В корпусе 13 (фиг. 2) форсунки 12 выполнены сквозной осевой и боковой каналы 14 и 15 соответственно. В осевом канале 14 размещены плунжер 16 и поджимающая его пружина 17 с тарелью 18. В тарели 18 выполнено осевое шлицевое отверстие 19, а по ее периметру - ходовая резьба, сопрягающаяся с ходовой резьбой 20, выполненной в верхней части осевого канала 14. В форсунке размещен реверсивный электродвигатель 21, управление которым осуществляется блоком 9 управления по сигналам датчиков 10 нагрузки и 11 частоты вращения коленчатого вала. На выходном валу 22 электродвигателя 21 выполнены шлицы, которые в сопряжении со шлицевым отверстием 19 тарели 18 образуют шлицевое соединение. Плунжер 16 имеет боковую проточку 23, на которой установлено уплотнительное кольцо 24, и канал 25, сообщающий боковую проточку 23 с камерой 4 сгорания. Проточка 23 выполнена с возможностью совмещения с боковым каналом 15, который сообщен с источником водорода (не показан). Для предотвращения вращения плунжера 16 служат направляющие 26 (фиг. 3). In the housing 13 (Fig. 2), the nozzles 12 are made through axial and lateral channels 14 and 15, respectively. In the axial channel 14 there is a plunger 16 and a spring 17 pressing it with a plate 18. An axial spline hole 19 is made in the plate 18, and a running thread mating with a running thread 20 made in the upper part of the axial channel 14 is made along its perimeter. a reversible electric motor 21, which is controlled by the control unit 9 according to the signals of the load sensors 10 and the crankshaft speed 11. Slots are made on the output shaft 22 of the electric motor 21, which in conjunction with the spline hole 19 of the plate 18 form a spline connection. The plunger 16 has a side groove 23, on which a sealing ring 24 is installed, and a channel 25 communicating the side groove 23 with the combustion chamber 4. The groove 23 is made with the possibility of alignment with the side channel 15, which is in communication with a hydrogen source (not shown). To prevent rotation of the plunger 16 are guides 26 (Fig. 3).

Работа двигателя осуществляется следующим образом. The operation of the engine is as follows.

Блок 9 управления на основании информации о нагрузке ДВС и частоте вращения коленчатого вала от датчиков 10 и 11 подает управляющий сигнал на электродвигатель 21. Вращение выходного вала 22 электродвигателя 21 через шлицы в осевом отверстии 19 передается тарели 18, которая, перемещаясь по резьбе 20, в верхней части осевого канала 14 корпуса 13 форсунки 12 сжимает (ослабляет) пружину 17, устанавливая усилие ее предварительного сжатия в соответствии с режимом работы ДВС. The control unit 9, based on information about the ICE load and the crankshaft speed from the sensors 10 and 11, supplies a control signal to the electric motor 21. The output shaft 22 of the electric motor 21 is transmitted through the slots in the axial hole 19 to the plate 18, which, moving along the thread 20, the upper part of the axial channel 14 of the housing 13 of the nozzle 12 compresses (weakens) the spring 17, setting the force of its preliminary compression in accordance with the operating mode of the internal combustion engine.

На такте впуска обедненная топливовоздушная смесь от карбюратора 6 по впускному каналу 5 поступает в цилиндр 1 и заполняет камеру 4 сгорания. Боковой канал 15 подачи водорода перекрыт цилиндрической поверхностью плунжера 16, поджатого пружиной 17, упирающейся в тарель 18. At the intake stroke, the lean air-fuel mixture from the carburetor 6 enters the cylinder 1 through the inlet channel 5 and fills the combustion chamber 4. The side channel 15 of the hydrogen supply is blocked by the cylindrical surface of the plunger 16, pressed by a spring 17, abutting on the plate 18.

На такте сжатия под действием повышающегося в цилиндре давления плунжер 16, преодолевая усилие сжатия пружины 17, перемещается по схеме вверх. В конце сжатия перед искрообразованием проточка 23 плунжера 16 совмещается с каналом 15 и открывает доступ водорода через канал 25 в камеру 4 сгорания. Происходит подача водорода. Момент совмещения проточки 23 с каналом 15 определяется усилием предварительного сжатия пружины 17 и обеспечивает гарантированное поступление водорода в межэлектродный зазор к моменту искрообразования. On the compression stroke under the action of increasing pressure in the cylinder, the plunger 16, overcoming the compression force of the spring 17, moves upward according to the scheme. At the end of compression before sparking, the groove 23 of the plunger 16 is aligned with the channel 15 and allows hydrogen to pass through the channel 25 into the combustion chamber 4. Hydrogen is supplied. The moment of alignment of the groove 23 with the channel 15 is determined by the force of the preliminary compression of the spring 17 and provides a guaranteed flow of hydrogen into the interelectrode gap by the time of sparking.

Под действием повышающегося в камере 4 сгорания давления плунжер 16 продолжает перемещаться вверх, и каналы 15 и 25 разобщаются. На основании информации о нагрузке ДВС и частоте вращения коленчатого вала от датчиков 10 и 11 блок 9 управления в необходимый момент времени подает сигнал на систему 8 зажигания, которая создает на свече 7 искровой разряд. Смесь в камере 4 сгорания, обогащенная водородом вблизи электродов свечи 7, воспламеняется. Происходит сгорание заряда, за которым следует такт выпуска. Under the action of increasing pressure in the combustion chamber 4, the plunger 16 continues to move upward, and the channels 15 and 25 are disconnected. Based on information about the ICE load and engine speed from the sensors 10 and 11, the control unit 9 at the right time sends a signal to the ignition system 8, which creates a spark discharge on the candle 7. The mixture in the combustion chamber 4, enriched with hydrogen near the electrodes of the candle 7, ignites. Charge combustion occurs, followed by a release beat.

Непроизводительная подача водорода на такте расширения, когда давление в цилиндре вновь снижается, исключается смещением уплотнительного кольца 24 под действием его повышенного трения о корпус 13 в верхнюю часть проточки 23. В результате при возвращении плунжера 16 в исходное положение (по схеме вниз) каналы 15 и 25 разобщаются уплотнительным кольцом 24. The unproductive supply of hydrogen at the expansion stroke, when the pressure in the cylinder decreases again, is eliminated by displacing the sealing ring 24 under the action of its increased friction against the housing 13 to the upper part of the groove 23. As a result, when the plunger 16 returns to its original position (according to the diagram below), the channels 15 and 25 are disconnected by a sealing ring 24.

Указанный порядок работы двигателя циклично повторяется. The specified engine operating procedure is cyclically repeated.

Таким образом, в предлагаемом двигателе обеспечивается возможность согласованной работы форсунки для подачи водорода и свечи зажигания на всех скоростных и нагрузочных режимах работы ДВС. Это позволяет для любого режима работы ДВС обеспечить оптимальное сочетание моментов подачи водорода и искрообразования с тем, чтобы максимально облегчить воспламенение бедной смеси, обогащенной водородом вблизи свечи зажигания. Thus, the proposed engine provides the possibility of coordinated operation of the nozzle for supplying hydrogen and spark plugs at all high-speed and load operating modes of the internal combustion engine. This allows for any mode of operation of the internal combustion engine to provide the optimal combination of moments of hydrogen supply and spark formation in order to maximally facilitate ignition of a poor mixture enriched with hydrogen near the spark plug.

Claims

An internal combustion engine comprising at least one cylinder with a piston and a cylinder head forming a combustion chamber, an ignition plug installed therein, a fuel supply system to the combustion chamber, a control unit associated with the control unit of the ignition system, and load and crankshaft speed sensors , a hydrogen source and an associated nozzle installed in the combustion chamber and made with through axial and side channels in its housing for supplying hydrogen and containing a spring located in the axial channel with a plate and a spring preloaded plunger equipped with a side groove on which the sealing ring is mounted, and a channel communicating the side groove with the combustion chamber, the side groove being adapted to align with the side channel for supplying hydrogen, characterized in that the nozzle is connected with the control unit is a reversible electric motor with a splined output shaft, a running thread is made in the axial channel of the nozzle body and around the perimeter of the spring plate, and the plate is equipped with an axial splined hole and a tanovlenov with the formation of a spline connection with the motor shaft and the possibility of movement along the thread in the axial channel of the nozzle body.