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

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к камерам сгорания с теплоизоляцией.

Известна камера сгорания, обеспечивающая уменьшение потерь теплоты через стенки. Для этого днище и боковые поверхности поршня над верхним поршневым кольцом имеют керамическое покрытие. В верхнюю часть гильзы цилиндра также установлена керамическая втулка, размер и положение которой совпадают с изолированной боковой поверхностью поршня при его положении в верхней мертвой точке (ВМТ). Керамическое покрытие нанесено и на огневое днище головки цилиндра. Но как показывает практика, применение в качестве теплоизолятора самых различных керамических материалов даже с очень малой теплопроводностью не позволяет достигнуть существенного снижения потерь тепловой энергии в стенки камеры сгорания. Более того, из-за увеличения температуры стенок ухудшаются условия смесеобразования и горения. В итоге, вместо снижения удельного расхода топлива зачастую наблюдается обратный эффект - ухудшение топливной экономичности.

Наиболее близким техническим решением является камера сгорания, у которой часть поверхности в днище поршня снабжается теплоизолирующим керамическим покрытием, на которое наносится слой металла, обладающего высокой теплоемкостью. Известное решение принято за прототип.

Однако такое техническое решение не позволяет снизить количество тепловой энергии, теряемой в стенки камеры сгорания, хотя несколько снижает температуру стенок камер сгорания в процессе впрыска топлива и горения топливной смеси.

Такая ситуация, заключающаяся в том, что применение теплоизолирующих материалов не приводит к существенному снижению количества тепловой энергии, передаваемого через стенки камеры сгорания, обусловлена особенностями протекания теплообменных процессов в камерах сгорания двигателей. Особенность протекания теплообменных процессов в известной камере сгорания, принятой за прототип, и подобных камерах с теплоизолированными стенками заключается в следующем: пусть поршень находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и закончился процесс тепловыделения, при этом температура рабочих газов максимальна. В этот момент интенсивность теплоотдачи на границе стенка-рабочие газы и температурный напор между стенкой и рабочими газами максимальны, и в этой связи в данный момент тепловой поток за время всего цикла максимальный. Теплопередача теплопроводностью в стенках деталей камеры сгорания даже при использовании материалов, обладающих высокой теплопроводностью, таких как алюминий и его сплавы, не говоря уже о теплоизоляторах, ограничена, и меньше поступающего от газов максимального теплового потока, что приводит к разогреву поверхностных слоев стенок, контактирующих с рабочими газами. При этом чем больше температуропроводность материала стенок (под которой понимается комплекс теплофизических свойств, равный λ/ρ c, где λ - теплопроводность, ρ - плотность, с - теплоемкость), тем более интенсивно происходит рост температуры прилегающих к газам слоев стенок. Поэтому из-за резкого уменьшения температурного напора между рабочими газами и стенками меньшее количество тепловой энергии будет отводиться от стенки. По мере движения поршня вниз на такте расширения температурный напор и интенсивность теплоотдачи между рабочими газами и стенками, образующими камеру сгорания, одновременно падают, что обусловливают резкое снижение плотности теплового потока, поступающего в стенки деталей камеры сгорания. Примерно такие же плотности теплового потока будут наблюдаться и на такте выпуска. На этих тактах будет наблюдаться картина, приближающаяся к равновесию между тепловой энергией, поступающей от рабочих газов и теплоотводом от стенок камеры сгорания за счет теплопроводности. При выполнении стенок из теплопроводных материалов теплосток со стенок камеры сгорания в систему охлаждения будет превышать теплоподвод от рабочих газов и температура стенок будет уменьшаться. На такте впуска теплоотдача от газов к стенкам мала, а температурный напор между газами и стенками камеры сгорания, особенно при применении теплоизоляционных слоев, будет иметь отрицательные значения, т. е. принципиально возможна ситуация, когда тепловой поток на стенках принимает отрицательное направление, т. е. стенки передают тепловую энергию обратно газам. Возврат тепловой энергии газам может иметь место и на начальном этапе такта сжатия. Интенсивность возврата тепловой энергии в цикл определяется уровнем температур стенок, температуропроводностью материалов стенок, интенсивностью теплообмена на границе газ-стенка. В техническом решении, принятом за прототип, рабочие газы контактируют со слоем металла, обладающего высокой теплоемкостью. Однако материалы, обладающие высокими значениями теплоемкости, имеют низкие значения температуропроводности, поэтому нанесение на теплоизоляционный слой слоя металла, обладающего высокой теплоемкостью, не позволит как уменьшить до минимальных значений тепловой поток, передаваемый в стенки при максимальных температурах рабочего газа, так и возвратить в цикл сколь-нибудь значительное количество тепла на тактах впуска и начального сжатия, т.е. в конечном итоге улучшить топливную экономичность.

Цель изобретения - повышение топливной экономичности путем уменьшения количества тепла, теряемого рабочими газами в стенки камеры сгорания за цикл.

Поставленная цель достигается тем, что камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная днищем поршня, втулкой и головкой цилиндра, поверхность которой снабжена теплоизолирующим слоем, на который нанесен дополнительный, контактирующий с рабочими газами теплопередающий слой, который выполнен из материала с высокой температуропроводностью.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с известным решением показывает, что в предлагаемой камере сгорания двигателя внутреннего сгорания дополнительный теплопередающий слой материала, нанесенный на теплоизолирующий, например, керамический слой, выполнен из высокотемпературного материала, металла с высокими значениями тепло- и электропроводности и низкой теплоемкостью (медь, серебро). Выполнение дополнительного слоя из материала с высокой температуропроводностью позволяет улучшить топливную экономичность за счет сохранения в цикле части тепловой энергии, теряемой ранее в стенки камеры сгорания. Этот эффект обусловлен тем, что, во-первых, при максимальных параметрах рабочих газов при горении топливной смеси и начального расширения из-за существенного уменьшения температурного напора между стенками и рабочими газами (вследствие интенсивного прогрева дополнительного слоя) количество тепловой энергии, воспринятого стенками, заметно уменьшится, во-вторых, из-за возврата этим слоем части тепловой энергии рабочим газам на последней стадии расширения, тактах выпуска и впуска и начальной стадии сжатия.

На чертеже представлена камера сгорания, продольный разрез.

Камера сгорания двигателя образована днищем поршня 1, цилиндром 2 и его головкой 3 и содержит на этих деталях теплоизолирующий керамический слой 4, на который нанесен наружный слой 5 высокотемпературопроводного металла (медь, серебро), который контактирует с рабочими газами.

При работе двигателя с предлагаемой камерой сгорания при нахождении поршня 1 вблизи ВМТ на конечной стадии сжатия, тепловыделения и начальной стадии расширения слой 5 на поршне 1, цилиндр 2 и головка 3 из-за высокой температуропроводности металла, из которого он выполнен, и малого теплостока с него из-за наличия теплоизолирующего слоя 4 будет интенсивно разогреваться, следуя за температурой рабочих газов. Вследствие малого температурного напора между наружным слоем 5 и рабочими газами, тепловой поток в стенки предлагаемой камеры сгорания на этих стадиях будет существенно уменьшен по сравнению с известными решениями. На конечной стадии расширения, на тактах выпуска, впуска и начальной стадии сжатия накопленная слоем 5 с высокой температуропроводностью высокопотенциальная, т.е. с высоким уровнем температур, тепловая энергия будет возвращаться рабочим газам, что обусловлено достаточно высоким уровнем температуp слоя 5 и его высокой температуропроводностью.

Предлагаемая камера сгорания применима в любом типе двигателя, но наиболее эффективна в высокофорсированных турбокомпаудных двигателях с системами утилизации тепловой энергии отработавших газов.

Использование предлагаемой камеры сгорания ДВС обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: уменьшение теплового потока от рабочих газов в стенки на стадиях тепловыделения и начального расширения, возврат стенками значительной части тепловой энергии рабочим газам в заключительной стадии расширения, на тактах выпуска и впуска и на начальной стадии сжатия. Отмеченные преимущества в итоге позволяют улучшить топливную экономичность ДВС.

Сущность изобретения: камера сгорания двигателя ограничена днищем поршня 1, цилиндром 2 и его головкой 3 и снабжена теплоизолирующим керамическим покрытием 4, на которое нанесен наружный контактирующий с рабочими газами теплопередающий слой 5 металла. В качестве слоя 5 металла использован высокотемпературопроводный металл (медь, серебро). 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. КАМЕРА СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ограниченная цилиндром, его головкой и днищем поршня и снабженная теплоизолирующим керамическим покрытием, на которое нанесен наружный теплопередающий слой металла, отличающаяся тем, что, с целью повышения топливной экономичности, в качестве металла теплопередающего слоя использован высокотемпературопроводный металл. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что в качестве высокотемпературопроводного металла использованы медь или серебро.