ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B31/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, у которых во впускных каналах головки цилиндров установлены лопатки для завихривания проходящего через них воздуха (лопатки-завихрители).

Для создания организованного кругового относительно оси цилиндра движения воздушного заряда в камере сгорания ДВС используются лопатки-завихрители, установленные в каналах впуска головок цилиндров, на выходе из которых образуется вихревой шнур с осью, совпадающей с осью патрубка. После втекания в цилиндр через впускной клапан движение воздуха в вихревом шнуре преобразуется во вращательное движение воздушного заряда относительно оси цилиндра.

Эффективность таких лопаток-завихрителей характеризуется величиной гидравлических потерь на лопатках-завихрителях, величиной отношения продуцируемого момента количества движения к расходу воздуха при заданном перепаде давления на лопатках-завихрителях (удельным моментом количества движения) по результатам аэродинамических исследований на стендах статической продувки.

Известна конструкция лопаточного завихрителя [1] выполненного в виде винтовой лопасти, образованной вращением и перемещением вдоль оси завихрителя прямолинейной образующей, пересекающей внутренний диаметр патрубка завихрителя таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью патрубка образует винтовую линию, которая на развертке патрубка является прямой линией, проходящей под углом β к боковой стороне развертки. Таким образом, угол наклона лопасти к оси патрубка переменный, при этом на диаметре патрубка он равен β^o, а на оси 0^о. Величина продуцируемого момента количества движения при безотрывном обтекании лопасти пропорциональна β^o и отношению длины лопаточного завихрителя к его диаметру (по данным экспериментальных исследований завода).

При осевом входе воздуха в патрубок лопаточного завихрителя при указанных параметрах на входе в лопасточный завихритель происходит срыв потока с лопатки с образованием паразитного вихря (величина срыва возрастает от оси завихрителя к периферии). При увеличении угла β^o срыв увеличивается. По экспериментальным данным завода при увеличении β^o величина момента количества движения вследствие срыва потока на выходе из лопаток-завихрителей не увеличивается, а быстро снижается. Увеличение l/d такого завихрителя приводит к еще большему снижению удельного момента количества движения. Таким образом, лопаточный завихритель (ЛЗ), указанный выше, вследствие низкой эффективности не может быть использован в разрабатываемых дизелях.

Известны также лопаточные завихрители, в которых лопатка состоит из двух поверхностей, одна из которых проходит через ось патрубка и образует вход в лопаточный завихритель, а вторая, примыкающая к первой, пересекает цилиндрическую поверхность патрубка, при этом угол линии пересечения на развертке равен углу β [2] Указанная конструкция принята за прототип.

В этом завихрителе угол набегания потока на часть лопатки, проходящей через ось патрубка, равен нулю, что обеспечивает безотрывное истечение на входе в ЛЗ. Однако в связи с отсутствием плавного перехода от первой части лопатки ко второй, наклонной на участке перехода, происходит отрыв потока, образование паразитных вихрей.

При небольших значениях β (до 30^о) ухудшение эффективности не превышает положительного эффекта. При β > 30^о удельный момент количества движения быстро уменьшается. Опыт показывает, что на таких завихрителях не может быть достигнута заданная величина момента количества движения, а при увеличении β > 30^о эта величина уменьшается.

Целью изобретения является существенное уменьшение гидравлического сопротивления лопаточного завихрителя, увеличение удельного момента количества движения и обеспечение величины момента количества движения воздушного заряда, необходимого для обеспечения эффективного сгорания топлива.

Это достигается тем, что в головке цилиндров ДВС со впускным каналом, в котором размещены винтовая лопатка, поверхность которой образована вращением относительно оси канала и перемещением вдоль нее прямолинейной образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, винтовая линия на развертке канала выполнена в виде плавной кривой линии, в соответствии с зависимостью вида у K˙ x^m, где у координата линии вдоль развертки; x координата вдоль оси канала, K,m постоянные величины, которые определяются по заданным осевой протяженности завихрителя, углов установки лопатки на входе и выходе из завихрителя, а для обеспечения больших моментов количества движения при ограниченных осевых габаритных завихрителя линия на развертке выполнена сопряженными участками кривых, заданных функцией yK _i x^mi (где К_i, m_i постоянные для каждого участка кривых).

Новыми существенными признаками предлагаемой головки цилиндров ДВС является то, что винтовая линия на развертке канала выполнена в виде плановой кривой линии, заданной степенной функцией yK˙ x^m (где у координата линии вдоль развертки; Х координата вдоль оси канала, К и m постоянные коэффициенты, которые определяются по заданным осевой протяженности завихрителя угла установки лопатки на входе и заданного значения), винтовая линия на развертке канала выполнена сопряженными участками кривых, заданных функцией y K_ix^mi (где K_i и m_i являются постоянными для каждого участка).

Наличие новых существенных признаков в предлагаемой головке цилиндров ДВС позволяют существенно уменьшить гидравлические потери в канале завихрителя в заданных осевых размерах канала, увеличить удельный момент количества движения и обеспечить величины момента количества движения воздушного заряда, необходимого для обеспечения эффективного сгорания топлива.

Новые существенные признаки предлагаемой головки цилиндров ДВС не присущи известным решениям (аналогу и прототипу) той же задачи.

В итоге цель, поставленная изобретением, минимизация гидравлических потерь в канале завихрителя в заданных осевых размерах канала, обеспечение больших величин тангенциальной компоненты скорости вращающегося потока на выходе из винтовой лопатки, при ограничении осевых габаритов винтовой лопатки не решается ни прототипом, ни другими известными техническими решениями.

В связи с тем, что у заявляемого решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, а также есть отличия в существенных признаках, предлагаемая головка цилиндров ДВС обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображено сечение головки цилиндров по впускному каналу с установленным в его входном сечении лопаточным завихрителем; на фиг. 2 развертка боковой поверхности патрубка лопаточного завихрителя с линией пересечения поверхностей лопатки и патрубка, описанной функцией y K ˙x^m, где K, m const; на фиг. 3 развертка боковой поверхности патрубка лопаточного завихрителя с линией пересечения поверхностей лопатки и патрубка, описанной сопряженными кусками функций y Kix^mi, где K_i, m_i для каждого куска являются постоянными.

Головка 1 цилиндров 1 имеет впускной канал 2, в который установлен патрубок 3 завихрителя 2 с винтовой лопаткой 4, патрубок 3 имеет длину 5, равную L₁₃ и внутренний диаметр 6, равный d_k. Входной участок 7 впускного канала 2 сопряжен с выходным участком 8 радиусами сопряжения 9 R_вн и 10 R_внеш.

На развертке 11 патрубка 3 с линией разъема 12 протяженностью 5, равной L₁₃, и длиной развертки 13, равной π d_k, нанесена линия 14 пересечения поверхности лопатки 4 и внутренней поверхности патрубка 6, касательная 15 в точке 16, лежащей на входе в лопаточный завихритель, расположена под углом 17, равным β_вх, к линии разъема (параллельной оси патрубка), касательная 18 в точке 19, лежащей на выходе из лопаточного завихрителя под углом 20, равном β^o, при этом линия 14 отсекает от нижней грани развертки 13 участок 21, равный Z˙ d_k (Z > 1).

На развертке 22 патрубка с линией разъема 23 осевой протяженности 5, равной L_лз, нанесена линия 24 пересечения поверхности лопатки 4 и внутренней поверхности патрубка 6, касательная 25 в точке 26, лежащей на входе в лопаточный завихритель, расположенная под углом 27, равным В_вх, к линии разъема (параллельной оси патрубка), касательная 28 в точке 29, лежащей на выходе из лопаточного завихрителя, под углом 30^о к линии разъема, при этом линия 24 пересекает нижнюю линию развертки на расстоянии 31 от линии разъема Z ˙πd_k (Z > 1).

Линия 24 состоит из кусков 32, 33, 34, сопряженных функцией
y K_ix^mi.

Оси координат, отнесенные к начальным точкам 16 и 26, обозначены 35 ось Х и 36 ось Y.

Для определения коэффициентов K и m в функциональной зависимости y K˙ x^m линии пересечения поверхности лопатки и внутренней поверхности патрубка используются граничные условия.

Параметры, входящие в указанную функциональную зависимость, определяются из системы уравнений, отражающей условия безударного входа β_вх^o≅< 7^о и выхода с заданным углом лопатки на выходе β_вых
где L_лз задается из конструктивных соображений;
β_вх^o задается из условий безударного входа;
β_вых^o определяется из аэродинамического расчета завихрителя для обеспечения потребного момента количества движения в цилиндре.

Для определения параметров линии пересечения, показанной на фиг. 3 и состоящей из кусков функции, система уравнений, приведенная выше, составляется для каждого куска кривой (32, 33, 34), описанного функцией у Kix^mi; при этом в системе для каждого куска задаются.

L_0-1; L_1-2; L_2-3, при этом L_0-1 + L_1-2 + L_2-3 + L_лз. В точках сопряжения кусков углы для соседних кусков равны, т.е. общая система уравнений имеет вид



Решение этой системы позволит определить параметры входящих постоянных K_i и m_i.

Головка цилиндров работает следующим образом.

Поток воздуха, втекающий в канал головки цилиндра из впускного коллектора (не показан) соосно оси патрубка 3, безотрывно обтекает входную кромку лопатки 4 и, двигаясь вдоль лопатки, приобретает вращательное движение, при этом его тангенциальная компонента плавно возрастает от нулевого значения на входе до конечного значения на выходе. При этом вследствие плавного изменения угла между линией 14 пересечения поверхности лопатки 4 с поверхностью патрубка 3 и соответственно плавного изменения кривизны лопатки течение воздуха безотрывно.

В случае, когда линия 24 пересечения поверхности лопатки составлена из кусков функции y Ki ˙X^mi, сопряженных друг с другом, обтекание лопатки воздухом также безотрывно, так как сопряжение указанных линий пересечения с поверхностью патрубка и соответственно поверхностей лопатки определяет одинаковые углы входа-выхода для каждого участка.

В ходе отработки нового дизеля на заводе были спроектированы, изготовлены и испытаны лопаточные завихрители в соответствии с изобретением. Экспериментальные исследования показали их существенные преимущества в сравнении с завихрителями, имеющими постоянный угол между линией пересечения винтовой лопасти с поверхностью патрубка на его развертке и образующей цилиндрической поверхности патрубка (при постоянном перепаде давления):
удельный момент количества движения больше на 35-40%
расход воздуха больше на ≈7.8%
Экономический эффект изобретения заключается в существенном уменьшении гидравлического сопротивления лопаточного завихрителя, увеличении удельного момента количества движения и обеспечении величины момента количества движения воздушного заряда, необходимого для обеспечения эффективного сгорания топлива, что обеспечивает получение значительного эффекта в народном хозяйстве.

Сущность изобретения: головка цилиндров 1 содержит впускной канал 2, в который установлен патрубок 3 завихрителя с винтовой лопаткой 4, патрубок 3 имеет длину 5, равную L_л3 и внутренний диаметр 6, равный d_к Входной участок впускного канала 2 сопряжен с выходным участком 8 радиусами сопряжения R_вн, R_внеш 9 и 10 соответственно. Предлагаемая конструкция головки позволяет снизить гидравлические потери в канале завихрителя в заданных осевых размерах канала. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая впускной канал, в котором размещена винтовая лопатка, поверхность которой образована вращением относительно оси канала и перемещением вдоль нее прямолинейной образующей, пересекающей внутренний диаметр канала так, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, отличающаяся тем, что, с целью снижения гидравлических потерь в канале завихрителя в заданных осевых размерах канала, винтовая линия на развертке канала выполнена в виде плавной кривой линии, в соответствии с зависимостью
Y=K · X^m,
где Y координата линии вдоль развертки;
X координата вдоль оси каната;
K, m постоянные величины. 2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что с целью обеспечения больших величин тангенциальной компоненты скорости вращающегося потока на выходе из винтовой лопатки при ограничении осевых габаритов винтовой лопатки, винтовая линия на развертке канала выполнена сопряженными участками кривых, каждый из которых определен выражением
Y=K_i · X^mi,
где K_i и m_i постоянные величины для каждого участка.