ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B23/06 F02F3/26 

Изобретение относится к двигателестроению применительно к дизелям с непосредственным впрыскиванием топлива и объемно-пристеночным смесеобразованием.

В этих двигателях значительная доля цикловой порции топлива распределяется на боковой стенке и на дне камеры сгорания в поршне. Поэтому качество смесеобразования существенно зависит от конфигурации поверхности камеры сгорания и характеристик взаимодействия с ней топливных струй. Улучшению смесеобразования способствует организованное вращательное движение воздушного заряда (осевой вихрь), а также турбулизация заряда в камере сгорания.

Интенсификация смесеобразования в таких камерах сгорания становится в форсированных дизелях с повышенной температурой стенок камеры сгорания.

Известны двигатели с камерой сгорания в поршне, в боковых стенках которых выполнены местные углубления, создающие дополнительную турбулизацию вращающегося заряда.

Например, двигатель с камерой сгорания по а.с. СССР N 1100415, кл. F 02 B 23/06, 1984, в которой расположены цилиндрические выточки, равные по высоте с камерой сгорания и частично заглубленные в боковую стенку, крайние образующие цилиндрических выточек совмещены с образующими цилиндрической поверхности боковой стенки камеры. Недостатком расположения цилиндрических выточек в нижней части углубления в поршне является их малая эффективность для турбулизации заряда, поскольку тангенциальная скорость осевого вихря, используемого для турбулизации, уменьшается по высоте КС. Выточки, находящиеся против распыливающих отверстий форсунки, препятствуют свободному растеканию впрыскиваемого топлива, которое сосредотачивается в выемках и в их углубленной данной части, плохо продуваемой вихрем. Это приведет к снижению скорости испарения и выгорания топлива, попавшего в выточки.

В а. с. ЧССР N 257628, кл. F 02 B 23/06, 1989, двигатель имеет камеру сгорания с наклонными к оси поршня углублениями, поверхность которых выполнена по радиусу, составляющему 0,2 от радиуса боковой стенки камеры сгорания. Недостатком этой конструкции является то, что углубления, в которые направлены топливные струи, ограничивают возможность развития топливной струи по боковой цилиндрической поверхности камеры, но не препятствуют затеканию топлива на дно камеры, где неблагоприятные условия для интенсивного смесеобразования. Отражение топлива от наклоненных углублений навстречу топливным струям маловероятно. Кроме того, радиус углубления, не превышающий 0,2 от радиуса камеры сгорания, соизмерим с отклонением вершины топливной струи от осевого направления распыливающего отверстия под действием осевого вихря. Это приведет к нарушению описанной в а.с. организации смесеобразования при изменении частоты вращения двигателя из-за непопадания струй в углубления.

Известны двигатели с камерами сгорания по заявкам Японии N 60-17223, N 60-32928, N 60-93115, кл. F 02 B 23/06, 1985, Великобритании N 2169659, F 02 B 23/06, 1986, патентам США N 4538566, F 02 B 19/08, 1985 и N 4635597, F 02 B 23/06, 1987, а.с. N 1456622 СССР, F 02 B 23/06, 1989, в которых камера сгорания имеет боковую стенку с несколькими участками разной кривизны и расположенные на различном радиальном расстоянии от центра камеры, причем участки, на которые попадают струи топлива, чередуются с участками, обеспечивающими движение топлива вдоль стенок КС в направлении осевого вихря. В такой КС лучше условия растекания топлива и меньше диссипация кинетической энергии вращательного движения заряда по сравнению с ранее рассмотренными конструкциями.

Однако количество впадин, равное количеству топливных струй, определяет относительно большую разность удаления от центра камеры участков боковой стенки КС. Такая форма КС аналогична квадратной КС, которая характеризуется генерацией крупномасштабной турбулентности и неэффективна для интенсификации пристеночного смесеобразования. Как и в предыдущих рассмотренных конструкциях, выемки не препятствуют затеканию топлива на донную часть КС и возможно рассогласование места встречи струй с углубленной частью выемок при изменении частоты вращения и интенсивности осевого вихря.

В а.с. СССР N 1320474, F 02 B 23/06, 1987 описана конструкция КС, имеющая вставки, выполненные в виде криволинейных дефлекторных пластин, одним торцом прикрепленных к боковой стенке камеры. Эта КС имеет лучшие условия отрыва топлива от стенки и генерации турбулентности по сравнению с предыдущими. Однако существуют технологические трудности надежного крепления дефлекторных пластин. Кроме того, в объеме между пластиной и стенкой КС существенно меньше скорость воздушного потока, что приводит к неполному выгоранию топлива.

За прототип принят двигатель внутреннего сгорания по а.с. СССР N 1315630, F 02 B 23/06, 1987, в котором боковые стенки камеры сгорания выполнены в виде секций, отделенных друг от друга ребрами-выступами, число сопловых отверстий форсунки выполнено равным по числу отдельных секций боковой стенки. Угол наклона боковых стенок к днищу поршня выполнен плавно меняющимся между ребрами-выступами, а ребра-выступы выполнены по меньшей мере с частичным их усечением поверхностью конуса, и образованием на ребрах граней-лысок.

К недостаткам прототипа относятся:
- низкая эффективность турбулизации пристеночного объема камеры сгорания. Это вызвано тем, что возникновение мелкомасштабной турбулентности возможно только вблизи ребер-выступов и не распространяется на весь объем пристеночного пространства, в котором развивается струя топлива;
- некачественная организация смесеобразования, связанная с впрыском топлива на ребра-выступы и грани-лыски, так как при изменении частоты вращения двигателя и соответственно скорости вращения заряда будет изменяться величина отклонения траектории струи топлива от осевого направления соплового отверстия форсунки, что приведет к непопаданию топливных струй на ребра-выступы;
- концентрация топлива в донной части КС увеличивается в процессе впрыскивания, при отражении от граней-лысок. Это вызвано тем, что грани-лыски образованы конусом, вершина которого направлена в сторону горловины камеры сгорания. Испарение и выгорание топлива, поступившего в пристеночную зону камеры сгорания происходит со скоростью, уменьшенной по сравнению со скоростью этих процессов в объеме камеры. Снижение скорости сгорания более значительно вблизи стенок донной части камеры, так как скорость тангенциального вихря и температура стенок уменьшаются по глубине камеры. Экономичность двигателя снижается, а дымность отработавших газов увеличивается при уменьшении скорости подготовки топлива к сгоранию в период диффузионного горения. (Разлейцев Н. Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища шк., 1980. - с.121).

Целью изобретения является повышение экономичности двигателя и снижение дымности отработавших газов путем повышения интенсивности мелкомасштабной турбулентности смеси в пристенных зонах камеры сгорания.

Общими признаками для предлагаемого двигателя и прототипа являются следующие:
- в двигателе организовано вращательное движение заряда вокруг оси камеры сгорания;
- двигатель содержит камеру сгорания, размещенную в днище поршня в виде выемки с дном и боковой стенкой;
- в боковой стенке камеры выполнены углубления;
- углубления отделены друг от друга ребрами;
- двигатель содержит форсунку с распыливающими отверстиями;
- оси распыливающих отверстий направлены на боковые стенки камеры сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке;
Поставленная цель достигается следующими признаками, новыми по сравнению с прототипом:
- число углублений равно удвоенному числу распыливающих отверстий форсунки;
- углубление выполнено в виде плавно сопряженных между собой цилиндрической и торовой поверхностей;
- торовая поверхность образует с поверхностью нижней части камеры сгорания уступ с углом 90...120^о;
- соотношение радиального размера углубления и расстояния между противоположными ребрами равно 0,05...0,09;
- аналогичные углубления выполнены в боковой стенке нижней части камеры, причем оси этих углублений расположены в плоскости, проходящей через ребра верхней части и ось камеры сгорания;
- наиболее удаленная образующая углубления в нижней части камеры лежит на одной линии с ребром верхней части камеры.

Существенные отличия.

Известны двигатели с камерой сгорания в днище поршня, имеющие углубления в боковой стенке, число которых равно числу распыливающих отверстий форсунки. При этом соотношение размеров камеры сгорания и размеров углубления имеет следующие варианты. Поверхность углубления выполнена по радиусу, составляющему 0,1. ..0,2 от радиуса камеры сгорания (патент Великобритании N 2143585, F 02 В 23/06, 1985). Функциональное назначение такого углубления - увеличение длины топливной струи и турбулизация воздушного заряда для интенсификации смесеобразования. Однако радиус углубления соизмерим с изменением смещения топливной струи под действием осевого вихря, при изменении частоты вращения двигателя, что приведет к непопаданию струй в углубления. Кроме того, соотношение между радиусом поверхности углубления и боковой стенки камеры сгорания приводит к существенному нарушению и снижению интенсивности вращательного движения заряда, ухудшает перенос топлива по объему камеры и вдоль топливных струй, что приводит к образованию переобогащенных зон в углублениях.

Функциональное назначение заявляемой конструкции - интенсификация мелкомасштабной турбулентности смеси в пристенной зоне камеры за счет уменьшения нарушений организованного вращательного движения заряда и оптимальной длины струи при независимости создания этой турбулентности от места встречи струи со стенкой; за счет числа углублений в боковой стенке камеры, равном удвоенному числу распыливающих отверстий форсунки при соотношении радиального размера углубления и расстояния между противоположными ребрами равном 0,05...0,09.

Известны углубления в боковой стенке камеры сгорания, глубина которых меньше глубины камеры, описанные в заявке Японии N 60-32928, F 02 B 23/06, опубл. 3.07.85; а.с. СССР N 1315630, F 02 B 23/06, 1987. Функциональное назначение - обеспечить срыв топлива с уступа на донную часть камеры сгорания.

Функциональное назначение заявляемой конструкции - интенсификация мелко-масштабной турбулентности смеси в пристенных зонах камеры за счет уменьшения нарушений организованного вращательного движения заряда ввиду плавного движения смеси с цилиндрической на торовую поверхность углубления и отражения части топлива в межструйное пространство.

В предлагаемой конструкции топливная струя взаимодействует с двумя углублениями, в каждом из которых имеется топливоотражающая торовая поверхность, соединяющая плавно сопряженную с ней цилиндрическую поверхность углубления и поверхность нижней части камеры с образованием уступа. Причем нижняя часть имеет меньшие диаметральные размеры боковой поверхности, чем верхняя, а поперечное сечение выступа имеет форму угла величиной 90...120^о.

Известна камера сгорания, в которой выполнены углубления в нижней части боковой поверхности (а.с. СССР N 1100415, F 02 B 23/06, 1984). Функциональное назначение такой конструкции - турбулизация заряда в нижней части камеры.

Функциональное назначение заявляемой конструкции - интенсификация мелкомасштабной турбулентности смеси, попадающей в пристенную зону нижней части камеры. За счет использования более интенсивного организованного вращательного движения заряда в нижней части камеры, имеющей меньший диаметр, чем верхняя. А также за счет смещения оси углублений в нижней части в плоскость, проходящую через ребра верхней части и ось камеры сгорания.

На фиг. 1 представлен двигатель (поперечный разрез); на фиг.2 - то же, вид в плане; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - вариант камеры сгорания с дополнительными углублениями в периферийной стенке нижней части камеры сгорания; на фиг.5 - вариант камеры сгорания на фиг.4.

Двигатель содержит цилиндр 1, устройство для создания вращательного движения заряда (не показано), камеру сгорания 2, размещенную в днище 3 поршня 4 в виде выемки, состоящей из верхней части 5, образованной боковой стенкой 6, в которой выполнены углубления 7, отделенные друг от друга ребрами 8, и нижней части 9, ограниченной дном 10 и периферийной стенкой 11, форсунку 12 с распыливающими отверстиями 13, оси 14 которых направлены в сторону углублений 7 при положении поршня 4 в верхней мертвой точке, причем число углублений 7 равно удвоенному числу распыливающих отверстий 13 форсунки 12, каждое углубление 7 ограничено плавно сопряженными между собой цилиндрической 15 и торовой 16 поверхностями, из которых последняя образует с периферийной стенкой 11 нижней части 9 камеры сгорания 2 уступ 17 с углом 18, равным 90. ..120^о, при соотношении радиального размера углубления 7 и расстояния между противоположными ребрами 8, равном 0,05...0,09.

Камера сгорания 2 может быть выполнена с углублениями 19 в периферийной стенке 11 нижней части 9, аналогичными по конфигурации углублениям 7.

Двигатель работает следующим образом.

При движении поршня 4 в цилиндре 1 к форсунке 12 на такте сжатия из ее распыливающих отверстий 13, оси 14 которых направлены в сторону углублений 7 камеры сгорания 2, расположенной в днище 3 поршня 4, впрыскивается топливо во вращающийся заряд вокруг оси камеры 2, в котором интенсификация мелкомасштабной турбулентности вблизи стенки 6 обеспечивается обтеканием зарядом находящихся в ней углублений 7 и ребер 8 в количестве, равном удвоенному числу распыливающих отверстий 13, так как это количество препятствует затуханию турбулентности по всему периметру боковой стенки 6 и обеспечивает интенсивную мелкомасштабную турбу- лентность заряда во всех пристенных зонах, куда достигает топливо независимо от скорости организованного вращательного движения заряда, причем выполнение углублений 7 с отношением их радиального размера к расстоянию между противоположными ребрами 8, равным 0,05...0,09, препятствует возникновению у стенки 6 крупных вихрей, нарушающих это движение, а выполнение углублений 7 в виде плавно сопряженных цилиндрической 15 и торовой 16 поверхностей способствует продвижению топливовоздушной смеси с малым сопротивлением из верхней 5 в нижнюю 9 часть камеры 2, при этом топливо частично отражается к центру и дну 10 нижней части 9 камеры 2, частично турбулизируется благодаря обтеканию и срыву с уступа 17, образованного поровой поверхностью 16 стенки 6 и стенкой 11 нижней части 9 камеры 2 и имеющего угол 18, равный 90...120^о, а срывная часть топлива попадает в зону вращения заряда с интенсивной мелкомасштабной турбулентностью, обеспечиваемой тем, что в стенке 11 нижней части 9 камеры 2 выполнены углубления 19, аналогичные углублениям 7, причем оси углублений 19 расположены в плоскости, проходящей через ребра 8 верхней части 5 и ось камеры 2, что интенсифицирует мелкомасштабную турбулентность вращающегося заряда вследствие удвоенного по сравнению с количеством углублений 7 числа его поперечных к оси камеры 2 следующих друг за другом деформаций сжатия и расширения, поскольку такое расположение углублений 19 последовательно уменьшает и увеличивает расстояние между прилегающими к стенкам 6 и 11 цилиндрическими струйками тока организованного вращательного движения заряда. Все это в совокупности интенсифицирует мелкомасштабную турбу- лентность топливовоздушной смеси, приводит в двигателе к улучшению смесеобразования и сгорания, а следовательно, к повышению экономичности и снижению дымности отработавших газов.

Сущность изобретения: повышение экономичности дизеля и уменьшение дымности отработавших газов путем интенсификации мелкомасштабной турбулентности топливовоздушной смеси в пристенных зонах камеры сгорания 2, размещенной в днище 3 поршня 4. Для чего в боковой стенке 6 верхней части 5 камеры сгорания 2 выполнены углубления 7, отделенные друг от друга ребрами 8 в количестве, вдвое большем, чем число распыливающих отверстий 13 форсунки 12, при соотношении радиального размера углубления 7 и расстояния между противоположными ребрами 8, равном 0,05 - 0,09. Оси 14 распыливающих отверстий 13 направлены на углубления 7, ограниченные плавно сопряженными между собой цилиндрической и торовой поверхностями, из которых последняя образует с периферийной стенкой нижней части 9 камеры сгорания 2 уступ с углом, равным 90 - 120°. 5 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, головку цилиндра, камеру сгорания, расположенную в днище поршня в виде выемки, состоящей из верхней части, образованной боковой стенкой, в которой выполнены углубления, отделенные одно от другого ребрами, и нижней части, ограниченной дном и периферийной стенкой, установленную в головке форсунку с распыливающими отверстиями, оси которых направлены в сторону углублений при положении поршня в верхней мертвой точке, и устройство для создания вращательного движения заряда вокруг оси камеры сгорания, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и снижения дымности отработавших газов путем интенсификации мелкомасштабной турбулентности топливовоздушной смеси, количество углублений равно удвоенному числу распыливающих отверстий форсунки, каждое углубление ограничено плавно сопряженными между собой цилиндрической и торовой поверхностями, из которых последняя образует с периферийной стенкой нижней части камеры сгорания уступ с углом 90 - 120^o, а отношение радиального размера углубления к расстоянию между противоположными ребрами составляет 0,05 - 0,09. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в периферийной стенке нижней части камеры сгорания выполнены дополнительные углубления, оси которых расположены в плоскостях, проходящих через ребра верхней части и ось камеры сгорания. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что наиболее удаленная от оси камеры сгорания образующая каждого дополнительного углубления расположена на одной линии с соответствующим ребром верхней части.