ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B23/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и может быть использовано для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания как с воспламенением от сжатия, так и с принудительным зажиганием.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания, выполненную в виде выемки в головке под одним из клапанов и сопрягаемой при положении поршня в верхней мертвой точке выемки в его днище, завихрители заряда, выполненные в виде торцевых выступов, охватывающих одну из выемок камеры сгорания, примыкающих к другой выемке камеры сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и образующих тангенциально направленные каналы, и источник воспламенения, установленный в выемке в головке напротив одного из каналов и вблизи него.

Однако выполнение выступов в известном двигателе по всему периметру выемки на головке цилиндра ограничивает проходные сечения клапанов, что вызывает уменьшение наполнения цилиндра двигателя и ухудшает его очистку.

Цель изобретения улучшение наполнения и очистки цилиндра двигателя.

Цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания, выполненную в виде выемки в головке под одним из клапанов и сопрягаемой при положении поршня в верхней мертвой точке выемки в его днище, завихрители заряда, выполненные в виде торцовых выступов, охватывающих одну из выемок камеры сгорания, примыкающих к другой выемке камеры сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке и образующих тангенциально направленные каналы, и источник воспламенения, установленный в выемке в головке напротив одного из каналов и вблизи него, выемка в головке выполнена овальной формы, торцовые выступы охватывают одну из выемок камеры сгорания на части ее периметра до стенки цилиндра, а каналы расположены неравномерно с увеличением их числа вблизи оси цилиндра.

При таком выполнении удается сохранить межцентровое расстояние между осями клапанов и проходные сечения клапанов. Кроме того, в этом случае уменьшается площадь торцовых выступов и потери тепла в стенки камеры сгорания.

Для организации оптимизированного цикла, при котором активное тепловыделение заканчивается при температуре 15 ± 5^о угла поворота коленвала после верхней мертвой точки (при продолжительности выгорания основной массы топлива, составляющей приблизительно 30^о поворота коленвала), необходимо иметь интенсивную макро- и микротурбулизацию заряда в камере сгорания за 10-15^о поворота коленвала до верхней мертвой точки. Для достижения интенсивного истечения заряда в камеру сгорания за 10-15^о поворота до верхней мертвой точки, объем в зоне вытеснения должен уменьшиться в 3-4 раза больше, чем в камере сгорания за 10-15^о до ВМТ, что достигается при выполнении высоты выступов, равной 0,1-0,15 радиуса кривошипа коленвала.

Для исключения воздействия торцовых выступов на процесс истечения заряда при впуске или выпуске торцовые выступы могут охватывать выемку в днище поршня и примыкают к выемке в головке при положении поршня в верхней мертвой точке. Для исключения повышенной теплопередачи на поршень в этом случае целесообразно днище поршня покрывать термостойким теплоизолирующим материалом (например, двуокисью циркония).

Для достижения высокой экономичности и существенного снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами в атмосферу требуется достигнуть в двигателях внутреннего сгорания устойчивого воспламенения и быстрого сгорания сильно обедненной смеси. Для этого необходимо обеспечить не только повышение энергии источника воспламенения и увеличение длительности его воздействия на смесь, но и создания большого числа очагов начального воспламенения путем создания условий, обеспечивающих перемещение возможно большей части заряда между электродами свечи. Поэтому в предлагаемом двигателе с принудительным зажиганием источник воспламенения располагается на боковой поверхности выемки в головке цилиндра со стороны его стенки.

Для организации эффективного смешивания топлива с воздухом на двигателе с воспламенением от сжатия форсунку целесообразно расположить на дне выемки в головке цилиндра напротив выемки в днище поршня.

Кроме того, торцовые выступы со стороны камеры сгорания могут быть выполнены скругленными по радиусу, на дне выемки в днище поршня может быть выполнен уступ, частично перекрывающий каналы при положении поршня в верхней мертвой точке и скругленный по радиусу, сопрягаемому с радиусом скругления торцевых выступов, а выемка в головке и сопрягаемая выемка в днище поршня могут быть выполнены в форме тела вращения со смещением их оси относительно оси клапана в сторону удаления от оси цилиндра.

На фиг. 1 представлен двигатель в поперечном разрезе с расположением выемки под выпускным клапаном; на фиг. 2 вид на головку цилиндра со стороны поршня; на фиг. 3 вид на поршень со стороны головки цилиндра; на фиг. 4 двигатель с выемкой под впускным клапаном с торцовыми выступами по периметру выемки на днище поршня, поперечный разрез; на фиг. 5 вид на днище поршня со стороны головки цилиндра.

Предлагаемый двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, кинематически связанным с коленчатым валом (не показан), головку 3 цилиндра 1 с установленными в ней впускным и выпускным клапанами 4 и 5, камеру сгорания, выполненную в виде выемки 6 овальной формы в головке 3 под одним из клапанов 4 и 5 и сопрягаемой при положении поршня 2 в ВМТ выемки 7 в его днище 8, и завихрители заряда, выполненные в виде торцевых выступов 9, охватывающих выемку 6 (фиг. 1) и выемку 7 (фиг. 4) на части ее периметра до стенки цилиндра 1, примыкающих соответственно к выемке 7 (фиг. 1) или выемке 6 (фиг. 4) при положении поршня 2 в ВМТ и образующих тангенциально направленные каналы 10, расположенные неравномерно с увеличением их числа вблизи оси цилиндра 1. Выемка 6 в головке 3 и сопрягаемая выемка 7 в днище 8 поршня 2 предпочтительно могут быть выполнены в форме тела вращения со смещением их оси относительно оси клапана 4 и 5 в сторону удаления от оси цилиндра 1. Торцовые выступы 9 выполнены высотой, равной 0,1-0,15 радиуса кривошипа коленчатого вала. При такой высоте выступов 9 заряд, интенсивно турбулизуясь, вытесняется в момент, когда сгорает его основная масса.

Для двигателя с принудительным зажиганием источником воспламенения служит свеча 11 зажигания, которая предпочтительно размещена на боковой поверхности выемки 6 в головке 3 со стороны стенки цилиндра 1, что способствует уносу очага воспламенения по всей камере вытесняемым зарядом и быстрому сгоранию последнего. Для двигателя с воспламенением от сжатия в качестве источника воспламенения используется топливная форсунка 12, которая размещается на дне выемки 6 в головке 3 напротив выемки 7 в днище 8 поршня 2. За счет отражения струй топлива от днища 8 поршня 2 обеспечивается лучшее смесеобразование.

Торцовые выступы 9 со стороны камеры сгорания выполнены скругленными по радиусу 13 для исключения перегрева кромок.

При выполнении торцевых выступов 9 в головке 3 на дне выемки 7 в днище 8 поршня 2 выполнен уступ 14, частично перекрывающий каналы 10 при положении поршня 2 в ВМТ и скругленный по радиусу 15, сопрягаемому с радиусом 13 скругления торцевых выступов 9, что способствует отражению вытесняемого заряда в сторону источника воспламенения.

Двигатель работает следующим образом.

Во время такта сжатия при подходе поршня 2 к верхней мертвой точке торцовые выступы 9 отсекают рабочий заряд или воздух, находящийся в зоне вытеснения, от камеры сгорания. Так как движение поршня 2 продолжается, то рабочий заряд вытесняется в камеру сгорания через направляющие каналы 10. Поршень 2 плотно подходит к головке 3 цилиндра 1, зазор в зоне вытеснения должен быть минимальным. В камере возникает интенсивное вихревое движение заряда. Кроме того, за счет высоких скоростей истечения заряд в камере сгорания приобретает интенсивную мелкомасштабную турбулентность. Вихревое движение заряда и его интенсивная мелкомасштабная турбулентность обеспечивают качественное смесеобразование и высокоскоростное полное сгорание заряда. Большая скорость сгорания позволяет обеспечить бездетонационное сгорание заряда при высокой степени сжатия.

Предлагаемая организация турбулизации заряда средствами внутри цилиндра улучшает его очистку и наполнение.

Сущность изобретения: двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, кинематически связанным с коленчатым валом, головку 3 цилиндра 1 с установленными в ней впускным и выпускным клапанами 4 и 5, камеру сгорания, выполненную в виде выемки 6 овальной формы в головке 3 под одним из клапанов 4 и 5 и сопрягаемой при положении поршня 2 в верхней мертвой точке (ВМТ) выемки 7 в его днище 8, завихрители заряда, выполненные в виде торцевых выступов 9, охватывающих выемку 6 на части ее периметра до стенки цилиндра 1, примыкающих к выемке 7 при положении поршня 2 в ВМТ и образующих тангенциально направленные каналы, расположенные неравномерно с увеличением их числа вблизи оси цилиндра 1, и источник воспламенения, установленный в выемке 6 в головке 3 напротив одного из каналов и вблизи него. 7 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания, выполненную в виде выемки в головке под одним из клапанов и сопрягаемой при положении поршня в верхней мертвой точке выемки в его днище, завихрители заряда, выполненные в виде торцевых выступов, охватывающих одну из выемок камеры сгорания, примыкающих к другой выемке камеры сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке и образующих тангенциально направленные каналы, и источник воспламенения, установленный в выемке в головке напротив одного из каналов и вблизи него, отличающийся тем, что выемка в головке выполнена овальной формы, торцевые выступы охватывают одну из выемок камеры сгорания на части ее периметра до стенки цилиндра, а каналы расположены неравномерно с увеличением их числа вблизи оси цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что торцевые выступы выполнены высотой, равной 0,1-0,15 радиуса кривошипа коленчатого вала. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что торцевые выступы охватывают выемку в днище поршня и примыкают к выемке в головке при положении поршня в верхней мертвой точке. 4. Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что источник воспламенения размещен на боковой поверхности выемки в головке со стороны стенки цилиндра. 5. Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что источник воспламенения размещен на дне выемки в головке напротив выемки в днище поршня. 6. Двигатель по пп.1-5, отличающийся тем, что торцевые выступы со стороны камеры сгорания выполнены скругленными по радиусу. 7. Двигатель по пп.1, 2, 4-6, отличающийся тем, что на дне выемки в днище поршня выполнен уступ, частично перекрывающий каналы при положении поршня в верхней мертвой точке и скругленный по радиусу, сопрягаемому с радиусом скругления торцевых выступов. 8. Двигатель по пп.1-7, отличающийся тем, что выемка в головке и сопрягаемая выемка в днище поршня выполнены в форме тела вращения со смещением их оси относительно оси клапана в сторону удаления от оси цилиндра.