КАМЕРА СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B23/00 F02F3/02 

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

Известна камера сгорания, у которой поверхность и дно поршня снабжены теплоизолирующим керамическим покрытием с нанесенным на ее поверхность слоем металла, обладающим высокой теплоемкостью [1].

Такое техническое решение несколько снижает количество тепловой энергии, получаемой деталями двигателя: цилиндром, головкой цилиндра, поршнем, а тепловая передача, запасенная слоем металла с высокой теплоемкостью, передается порцией свежего заряда, несколько повышая топливную экономичность, однако сколько-нибудь значительной топливной экономичности такое решение не позволяет обеспечить, т.к. интенсивность возврата тепловой энергии определяется уровнем температуры стенок, температуропроводностью материала стенок, интенсивностью теплообмена на границе рабочие газы - стенка, а материалы, обладающие высокими значениями теплоемкости, имеют низкие значения температуропроводности, следовательно, и низкой отдачи тепла свежему заряду.

Наиболее близким техническим решением является камера сгорания [2], ограниченная дном поршня, цилиндром, его головкой и снабженная теплоизолирующим керамическим покрытием, на которое нанесен наружный контактирующий с рабочими газами теплопередающий слой из высокотемпературопроводного металла.

Такое техническое решение не позволяет существенным образом повысить температуру камеры сгорания и максимальным значением отдать тепло свежему заряду, ведь интенсивность возврата тепловой энергии определяется уровнем температуры стенок, температуропроводностью материалов стенки, интенсивностью теплообмена на границе поверхность стенок - газ. В техническом решении, принятом за прототип, рабочие газы контактируют со слоем металла, обладающего высокой температуропроводностью, нагрев камеры сгорания осуществляется за счет теплового излучения горящих газов и поверхностью контактирования рабочих газов со стенками камеры сгорания. Покрытая высокотемпературопроводным материалом камеры быстро нагревается, но также быстро отдает тепло газам на такте выхлопа и не позволяет аккумулировать тепло для увеличения температуры, а поверхность такой камеры не способствует увеличению съема тепла и его отдачи свежему заряду. В целом такая камера хоть и повышает температуру, но недостаточна для существенного улучшения тепловой экономичности и не создает температурных условий для перехода на нетрадиционные виды топлива.

Новым техническим результатом является максимальное увеличение температуры стенок камеры сгорания, эффективный съем тепла свежим зарядом и возможностью использования нетрадиционных видов топлива, например воды.

Результат достигается тем, что камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная дном поршня, головкой цилиндра и снабженная теплоизолирующим керамическим слоем, на который нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой, выполненный из высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, одна поверхность которого, контактирующая с рабочими газами, выполнена с глубоким рифлением и покрыта слоем высокотемпературопроводным металлом, другая, контактирующая с теплоизолирующим керамическим слоем, снабжена теплоотражателем.

Такое выполнение позволяет значительно улучшить топливную экономичность за счет аккумулирования тепловой энергии. Эффект объясняется тем, что, по-первых, при горении топливной смеси осуществляется максимальный отбор тепловой энергии за счет интенсивного нагрева поверхностного слоя с высокой теплопроводностью и увеличенной рифленой поверхностью; во-вторых, теплоотражатель не только ограничивает теплоблок в стенки двигателя, но и аккумулирует тепловую энергию в высокотемпературном с высокой теплоемкостью слое металла, а за счет рифленой поверхности камера сгорания вследствие более интенсивного теплообмена на границе поверхность стенок - газ отдача тепловой энергии свежему заряду значительно возрастает; в-третьих, значительное повышение температуры стенок камеры сгорания позволяет перейти на нетрадиционные виды топлива; в-четвертых, слабый теплосток в стенке двигателя снижает его температуру.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом камеры сгорания в продольном разрезе.

Камера сгорания ДВС образована дном поршня 1, головкой 2 цилиндра 3 и содержит на этих деталях теплоизолирующий керамический слой 4, на который нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой 5 высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, имеющего рифленую рабочую поверхность, покрытую слоем 6 из высокотемпературопроводного металла, другая поверхность слоя 5 снабжена теплоотражателем 7.

При работе двигателя с предлагаемой камерой сгорания при нахождении поршня 1 вблизи мертвой точки на конечной стадии сжатия свежего заряда, его воспламенения и начального максимального тепловыделения высокотемпературопроводный слой 6, имея глубокорифленую поверхность, будет интенсивно нагреваться, следуя за температурой рабочего газа, и интенсивно передавать тепло в слой 5, высокотемпературный и с высокой теплоемкостью, а теплоотражатель 7 возвращает тепловую энергию в слой 5, существенным образом уменьшая тепловой сток в стенки двигателя. Тепловая энергия, таким образом, накапливается камерой сгорания за каждый цикл работы двигателя.

Естественно, что с каждым циклом будет повышаться температура камеры сгорания. Свежий заряд, попадая в камеру сгорания, интенсивно нагревается как за счет увеличенной (минимум в 1,5-2 раза) рифленой поверхности слоя 6, так и за счет высокого уровня температуры этого же слоя с высокой температуропроводностью.

При достижении камерой сгорания наивысшей температуры (порядка 950^oC) может осуществляться впрыск воды. При высокой температуре вода разлагается на кислород и водород, и этим обеспечивается наивысшая топливная экономичность и экологичность двигателя.

Наконец, в работе двигателя наступает тепловой баланс, при котором уравнивается теплоотдача горящих газов и отвод тепла стенками двигателя, ротор тепла свежим зарядом и отвод тепла газами на выхлопе.

Форма рифленой поверхности может быть пирамидальной, как наиболее технологичной в изготовлении, а камера сгорания может иметь датчик температуры (термопару) для управления и регулирования режима работы двигателя.

Использование предлагаемой камеры сгорания ДВС обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: максимальное увеличение температуры камеры сгорания за счет аккумулирования тепловой энергии и уменьшения теплостока в стенки двигателя, интенсивный объем тепловой энергии в момент тепловыделения и возврат стенками камеры сгорания предельно возможной тепловой энергии свежему заряду, переход на нетрадиционные виды топлива, например воду, снижение тепловых динамических нагрузок на двигатель.

Отмеченные преимущества позволяют в значительной степени экономить топливо, снизить и исключить выброс в атмосферу вредных газов.

К недостаткам можно отнести то, что некоторые существующие сегодня двигатели с расположенными клапанами в головке занимают в ней достаточную площадь, снижая эффективность применения предложенной камеры.

Использование: в производстве двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: камера сгорания образована дном поршня 1, головкой 2 цилиндра 3 и содержит на этих деталях теплоизолирующий керамический слой 4, на которой нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой 5 высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, имеющего рифленную рабочую поверхность, покрытую слоем 6 из высокотемпературопроводного металла, другая поверхность слоя 5 снабжена теплоотражателем 7. Изобретение обеспечивает: повышение топливной экономичности, переход на нетрадиционные виды топлива, например воду, снижение и исключение выбросов в атмосферу вредных газов. 1 ил.

Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная дном поршня, головкой цилиндра и снабженная теплоизолирующим керамическим слоем, отличающаяся тем, что на керамическое покрытие нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой, выполненный из высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, одна поверхность которого, контактирующая с рабочими газами, выполнена с глубоким рифлением и покрыта слоем высокотемпературопроводного металла, другая, контактирующая с теплоизолирующим керамическим слоем, снабжена теплоотражателем.