КАМЕРА СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B23/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно двигателестроению, и может быть использовано преимущественно для двухтактного двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, со смешанным рабочим процессом. В известном изобретении описана камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, образованная сферической выемкой головки цилиндров и цилиндрической выемкой днища поршня, причем сферическая выемка головки цилиндров снабжена торцевыми выступами, образующими завихрители заряда, вблизи которых размещен источник воспламенения.

Недостатком камеры сгорания является то, что при вытеснении заряда через завихрители часть топливо-воздушной смеси уходит в среднюю часть камеры сгорания без завихрения в радиальном направлении через зазор между выступами на головке цилиндра и днищем поршня, что снижает скорость завихрения заряда и его турбулентность и приводит к снижению топливной экономичности двигателя.

Кроме того, неизвестны геометрические элементы камеры сгорания, влияющие на организацию вихревого движения заряда и его турбулизацию: высота торцевых выступов, влияющих на начало вихревого движения, проходное сечение завихрителей заряда (суммарная площадь сечений каналов), влияющее на скорость истечения заряда и его турбулентность.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности двигателя путем усиления и оптимальной организации турбулизации заряда в камере сгорания.

Эта цель достигается тем, что известная камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению, снабжена кольцевым отражателем, выполненным на днище поршня, расположенным между цилиндрической выемкой и его центральной сферической частью и соосно с ними и частично перекрывающим внутреннюю поверхность торцевых выступов при положении поршня во внутренней (верхней) мертвой точке, кроме того, снабжена форсункой, установленной в головке, расположенной между источником воспламенения и близлежащей, образованной соседними выступами, выемкой и имеющей распылительное отверстие, ось которого совпадает с направлением вращения потока заряда. Причем высота торцевых выступов выполняется в пределах перемещения поршня на угол 20^о-35^о ( Δ ϕ ) поворота колен. вала до внутренней (верхней) мертвой точки без учета технологического зазора между днищем поршня и головкой цилиндров в зоне вытеснителя; проходное сечение завихрителей заряда определяется зависимостью
S = h·a·i = · · 1 , где S - суммарная площадь проходных сечений завихрителей заряда;
h - высота торцевых выступов без учета технологического зазора между днищем поршня и головкой цилиндров, равна перемещению поршня при повороте коленвала на угол Δ ϕ до ВМТ;
a - ширина канала завихрителей заряда;
i - количество завихрителей зарядов (не менее трех);
Δ ϕ - угол поворота коленчатого вала от момента достижения поверхности днища поршня поверхности выступов (момент начала отсечения объема в зоне вытеснителя от камеры сгорания) до положения поршня в ВМТ, угол Δ ϕ = 20^о-35^о поворота коленвала;
Р₁ и Т₁ - давление и температура в камере сгорания при положении поршня на угол Δ ϕ до ВМТ (при начале вытеснения заряда);
К - показатель политропы сжатия;
n - частота вращения вала двигателя при номинальной мощности двигателя;
V₁ - объем, вытесняемый поршнем через завихрители заряда за ход поршня равный h;
Р₂ - давление в камере сгорания в конце такта сжатия, π - 3,14;
R - универсальная газовая постоянная;
m - коэффициент, равный 0,0404 для воздуха и 0,0396 для топливовоздушной смеси.

Угол Δ ϕ выбирается в пределах 20^о-35^о поворота коленвала (п. к. в. ) для достижения термически оптимизированного цикла, в котором активное тепловыделение заканчивается при 15 ± 5^о угла п. к. в. после ВМТ в ходе расширения (при продолжительности выгорания основной массы топлива, составляющий приблизительно 30^о п. к. в. ), (см. итоги науки и техники. Двигатели внутреннего сгорания. том. 4, стр. 41).

При угле меньше 20^о не достигается достаточно интенсивная закрутка заряда в момент выгорания основной массы заряда.

При угле больше 35^о получается слишком большая высота выступов, что приведет к повышенным тепловым потерям в стенки и к высокой теплонапряженности кольцевых выступов.

Оптимальная суммарная площадь проходных сечений завихрителей заряда определяется на основании следующих обоснований.

Учитывая, что масса газа в полости вытеснения равна G = , а масса газа, проходящая через каналы завихрителей со скоростью звука, равна G = m · , где Т₂ - температура в камере сгорания в конце сжатия в точке ВМТ, m - коэффициент, равный 0,0404 для воздуха и 0,0396 для топливо-воздушной смеси. (см. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М. : Наука, 1976 г. стр. 233-235).

Масса газа G должна перетечь в центральную полость за угол п. в. к. , т. е. за время перемещения поршня в ВМТ. В этом случае G = G_cG = G_c·
Для адиабатического процесса
T₂= T₄ Из приведенных выше зависимостей следует
= m , отсюда
S = или S = · .

На фиг. 1 представлена камера сгорания, продольный разрез; на фиг. 2 - камера сгорания, размещенная в головке, вид снизу.

Устройство содержит цилиндр 1, поршень 2, головку 3 цилиндра 1, сферическую выемку 4 в головке 3 цилиндра 1 и центральную сферическую часть 5 в днище поршня 2, образующие объем камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. Вытеснитель заряда образован плоским или вогнутым участком 6 на головке 3 цилиндра 1 и сопрягаемым участком 7 на днище поршня.

Сферическая выемка 4 головки 3 цилиндра 1 снабжена торцовыми тангенциально направленными выступами 8 и выемками 9, образующими завихрители заряда. На днище поршня 2 выполнена цилиндрическая выемка 10, в которую входят выступы 8 при подходе поршня в ВМТ.

В сферической выемке 4 головки 3 цилиндра 1 размещена свеча зажигания 11 или форсунка 12. На днище поршня 2 вокруг сферической части 5 выполнен кольцевой отражатель 13, перекрывающий при положении поршня в ВМТ внутреннюю цилиндрическую поверхность выступов 8 и выемок 9.

Выемка 9 в верхней части имеют участок 14, наклонный под углом к плоскости, проходящей через торцевую поверхность кольцевого отражателя 13.

Камера сгорания работает следующим образом.

Во время сжатия при подходе поршня 2 в ВМТ торцевые выступы 8 отсекают рабочий заряд или воздух, находящийся в зоне вытеснения, от камеры сгорания. При дальнейшем движении поршня рабочий заряд вытесняется с большой энергией в камеру сгорания через тангенциальные выемки 9 и кольцевой зазор между поршнем и выступами на головке цилиндра. Кольцевой отражатель 13 перекрывает кольцевой зазор и частично перекрывает завихрители заряда, чем обеспечивает повышение скорости перетекания заряда в тангенциальном направлении и тем самым повышает макро- и микротурбулентность заряда в основном объеме камеры сгорания. В конце движения поршня перетекание заряда происходит по участку 14 кольцевых выемок 9 в направлении к основному объему камеры сгорания в головке цилиндра.

Свеча 11, размещенная в зоне вихревого движения заряда, воспламеняет заряд, имеющий турбулентную структуру, обеспечивая высокую скорость сгорания. Оптимальная высота выступов и суммарная площадь проходных сечений завихрителей обеспечивают термически оптимизированный цикл.

Техническим преимуществом предложенного устройства является обеспечение высокой скорости сгорания заряда и бездетанационного сгорания заряда при больших степенях сжатия, чем достигается повышение термического КПД и экономичности двухтактного двигателя.

Для двигателя с воспламенением от сжатия обеспечивается значительно лучшее смесеобразование и более мягкий рабочий процесс для высоких степеней сжатия.

При смешанном процессе, т. е. при наличии свечи зажигания и форсунки будет обеспечено значительное снижение расхода топлива, т. к. при продувке цилиндра не будет выброса топлива с воздухом вследствие того, что топливо будет впрыскиваться после продувки цилиндра. (56) Авторское свидетельство СССР N 1280163, кл. F 02 B 23/00, 1985.

Сущность изобретения: камера снабжена кольцевым отражателем 13, выполненным на днище поршня 2, расположенным между цилиндрической выемкой 10 и ее центральной сферической частью 5 и соосно с ними и частично перекрывающим внутреннюю поверхность торцевых выступов 8 при положении поршня 2 в верхней мертвой точке. 2 з. п. ф-лф, 2 ил.

1. КАМЕРА СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, преимущественно двухтактного, снабженного коленчатым валом, ограниченная сферической выемкой в головке цилиндра, окруженной равномерно размещенными торцевыми выступами и выемками, образующими завихрители заряда, и днищем поршня, снабженным цилиндрической выемкой, центральная часть которой выполнена сферической и к которой примыкают торцевые выступы при положении поршня в верхней мертвой точке и имеющая источник воспламенения, расположенный вблизи завихрителей, отличающаяся тем, что, с целью повышения топливной экономичности путем усиления и оптимальной организации тубулизации заряда, она снабжена кольцевым отражателем, выполненным на днище поршня, расположенным между цилиндрической выемкой и ее центральной сферической частью и соосно с ними и частично перекрывающим внутреннюю поверхность торцевых выступов при положении поршня в верхней мертвой точке. 2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена форсункой, установленной в головке, расположенной между источником воспламенения и близлежащей образованной соседними выступами выемкой и имеющей распылительное отверстие, ось которого совпадает с направлением вращения потока заряда. 3. Камера по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что торцевые выступы выполнены высотой, равной перемещению поршня при повороте коленчатого вала на угол 20 - 35^o до верхней мертвой точки.