ГОЛОВКА БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02F1/24 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в двигателе внутреннего сгорания.

Известна головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания по авторскому свидетельству СССР N503033, F 02 F 1/42, 1976, 4 с., содержащая камеру сгорания и впускной канал, связанный с камерой сгорания выходным участком, выполненным по спирали, причем отношение площадей проходных сечений выходного участка, удаленных от начального сечения на углы 75-85^o, 150-170^o и 300-340^o, к площади сечения впускного канала перед выходным участком составляет соответственно 0,7-0,8; 0,45-0,55; 0,05-0,10. Согласно графическим материалам к указанному авторскому свидетельству головка блока цилиндров имеет впускные и выпускные каналы с клапанами, выходящие на одну сторону головки, а камера сгорания головки цилиндров имеет поверхности вытеснения как со стороны каналов, так и с противоположной стороны головки.

Недостатком указанной головки блока цилиндров является снижение скорости вихревого потока смеси вследствие удара струй входящего потока топливной смеси о стенки камеры сгорания из-за несовершенства ее формы. По этой же причине головка имеет недостаточную проходную площадь между тарелками клапанов и стенками камеры сгорания, из-за чего уменьшается наполнение на полных нагрузках, мощность двигателя, возрастает токсичность выхлопных газов, увеличивается износ двигателя из-за ухудшения процесса горения. Указанная головка цилиндров не обеспечивает оптимальных площадей вытеснения, особенно на низких частотах вращения двигателя, что заставляет на практике увеличить минимальную частоту вращения двигателя, в результате чего увеличиваются эксплуатационный расход топлива, износ подвижных деталей двигателя и т.д.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение смесеобразования и сгорания в двигателе, увеличение наполнения цилиндров и в результате - повышение топливной экономичности и мощности двигателя.

Указанный результат достигается благодаря тому, что в головке блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащей выходящие на одну сторону головки впускные и выпускные каналы с клапанами и размещенную в ней камеру сгорания с поверхностями вытеснения, согласно предлагаемому изобретению камера сгорания выполнена в горизонтальном сечении в форме кардиоиды, образованной сопряженными дугами, большая ось которой больше диаметра цилиндра и смещена относительно оси цилиндра в сторону, противоположную каналам, большая ось кардиоиды проходит через точки пересечения осей клапанов с нижней плоскостью головки, равна 1,06-1,09 диаметра цилиндра, кардиоида образована в нижней плоскости головки двумя дугами, радиусы которых имеют центры на большой оси кардиоиды и равны 0,65-0,70 диаметра цилиндра, 0,63-0,66 диаметра цилиндра в зоне впускного и выпускного клапанов соответственно и сопряжены со стороны каналов дугой, образующей выступ в стенке камеры сгорания и выполненной радиусом, равным 0,45-0,47 диаметра цилиндра, а со стороны, противоположной каналам, - дугой, образующей выпуклость в камере сгорания и выполненной радиусом, равным 1,4-1,5 диаметра цилиндра, продольные боковые стенки камеры имеют наклон с шириной стенок, увеличивающейся от нуля в крайних точках большой оси кардиоиды, до максимума в зоне, близкой к оси цилиндра, так что верхняя стенка камеры сгорания ограничена двумя дугами, радиусы которых имеют центры на большой оси кардиоиды, равны 0,30-0,32 и 0,24-0,26 диаметра цилиндра в зоне впускного и выпускного клапанов соответственно и сопряжены со стороны каналов дугой, радиус которой равен 0,09-0,12 диаметра цилиндра, а с противоположной стороны - прямой.

В вариантном исполнении головка блока цилиндров имеет камеру сгорания ступенчатой формы, так что седло выпускного клапана расположено выше от нижней плоскости головки, чем седло впускного клапана.

Выполнение камеры сгорания в горизонтальном сечении в форме кардиоиды, образованной сопряженными дугами, большая ось которой больше диаметра цилиндра, смещена относительно оси цилиндра в сторону, противоположную каналам, проходит через точки пересечения осей клапанов с нижней плоскостью головки и равна 1,06-1,09 диаметра цилиндра в сочетании и размерами и расположением центров радиусов дуг, образующих форму кардиоиды, и наклоном продольных боковых стенок камеры обеспечивают минимальное гидравлическое сопротивление смеси, поступающей в цилиндр, направленное движение смеси в зону свечи зажигания без значительных потерь скорости вихревых потоков, что увеличивает наполнение цилиндров.

Размеры камеры сгорания и ее форма обеспечивают оптимальные величины площадей вытеснения и их соотношения для концентрации свежей рабочей смеси в зоне свечи зажигания, надежного воспламенения рабочей смеси и быстрого ее сжигания.

В вариантном исполнении дополнительный вытеснитель способствует лучшей очистки камеры сгорания от выхлопных газов в процессе выпуска рациональное смесеобразование в конце такта сжатия, и как следствие, улучшение процесса сгорания топлива, а это - увеличение мощности, снижение расхода топлива, уменьшение токсичности отработавших газов, повышение долговечности.

На фиг. 1 представлена головка цилиндров ДВС, вид снизу; на фиг. 2 - головка блока цилиндров, вариантное исполнение, вертикальный разрез; на фиг. 3 - головка блока цилиндров, вид снизу, вариантное исполнение.

Головка 1 блока цилиндров ДВС содержит впускные каналы 2 и выпускные каналы 3, выходящие на одну сторону головки с выпускными клапанами 4 и выпускными клапанами 5. В головке 1 цилиндров размещена камера сгорания 6, имеющая на виде снизу форму кардиоиды. Головка 1 цилиндров имеет традиционные поверхности вытеснения 7 и 8. Большая ось 9 кардиоиды выполнена равной 1,06-1,09 диаметра цилиндра и смещена относительно оси 10 цилиндра в сторону, противоположную каналам 2 и 3, и проходит через точки O₁ и O₂ пересечения осей клапанов 4 и 5 с нижней плоскостью головки 1. Кардиоида камеры сгорания 6 в нижней плоскости головки образована дугами 11, 12, выполненными радиусами R₁ и R₂, равными 0,65-0,70 и 0,63-0,66 диаметра цилиндра соответственно, центры радиусов R₁ и R₂ лежат на большой оси 9 кардиоиды. Со стороны каналов 2,3 дуги 11, 12 сопряжены с дугой 13, образующей выступ в стене камеры сгорания 6. Дуга 13 выполнена радиусом R₃, равным 0,45-0,47 диаметра цилиндра. Со стороны, противоположной каналам 2, 3, дуги 11 и 12 сопряжены дугой 14, образующей выпуклость в камере сгорания 6 и выполненной радиусом R₄, равным 1,4-1,5 диаметра цилиндра.

Продольные боковые стенки 15 и 16 камеры сгорания 6 имеют наклон, благодаря которому они являются дополнительными вытеснителями, ширина которых h равна нулю в крайних точках большой оси 9 кардиоиды, и увеличивается до мах в зоне, близкой к оси цилиндра 17. Наклоны продольных стенок 15 и 16 уменьшают площадь верхней стенки камеры сгорания 6, которая ограничена дугами 18 и 19, радиусы которых R₅ и R₆ равны 0,30 - 0,32 и 0,24 - 0,26 диаметра цилиндра в зоне впускного и выпускного клапанов соответственно. Центры радиусов R₅ и R₆ лежат в плане на большой оси кардиоиды. Дуги 18 и 19 сопряжены со стороны каналов дугой 20, выполненной радиусом R₇, равным 0,09-0,12 диаметра цилиндра, а с противоположной стороны - прямой 21.

Таким образом, радиус выступа в боковой продольной стенке 15 камеры сгорания 6 меняется от R₃ до R₇ от нижней плоскости камеры 6 (нижней плоскости 22 головки 1) до верхней плоскости камеры сгорания 6.

В вариантном исполнении камера сгорания 6 имеет ступенчатую форму за счет того, что седло выпускного клапана 5 расположено выше от нижней плоскости 22 головки цилиндра 1, чем седло 24 впускного клапана 4, за счет чего образуется дополнительный вытеснитель 25. Свеча зажигания 26 установлена в камере сгорания 6.

Головка блока цилиндров работает следующим образом. На такте впуска рабочая смесь через впускной канал 2 поступает в камеру сгорания 6, перетекая по дугам 11, 18, 13, 20, а также 11, 14 и прямой 21, образующим наклонные боковые поверхности камеры. Величины радиусов R₁, R₅, R₃, R₇, R₄, а также наклон боковых продольных стенок 15, 16 уменьшают гидравлическое сопротивление движению поступающей смеси и в то же время дают смеси направленное движение с минимальным падением скорости движения потока. На такте сжатия при закрытых впускном 4 и выпускном 5 клапанах рабочая смесь перетекает с поверхностей 15, 16 в зоне впускного клапана 4 на поверхности 15 и 16 в зоне выпускного клапана 5, образованные дугами 12, 19 и 12, 14, при этом выступ в продольной боковой поверхности 15 в зоне, близкой к оси цилиндра 17, служит рассекателем потока, тем более, что радиус R₇ выступа на верхнем торце камеры сгорания 6 меньше, чем радиус R₃ этого выступа в нижней плоскости камеры сгорания 6, совпадающей с нижней плоскостью 22 головки цилиндров. Благодаря радиусу R₇ выступ в боковой продольной стенке 15 камера сгорания 6 значительно пережимает камеру сгорания, образуя два мощных вихревых потока, сходящих с вытеснителей 15 и 16.

Рабочая смесь интенсивно турбулизируется и имеет направленное движение к свече зажигания 26. Вследствие значительной разницы площадей поверхностей вытеснения 15, 7 и 8, 16 обеспечивается эффективный "наброс" рабочей смеси на фронт пламени свечи зажигания 26, воспламенение рабочей смеси и эффективный процесс горения.

В вариантном исполнении дополнительный вытеснитель 25 на такте выпуска обеспечивает интенсивное движение выхлопных газов в зону выпускного клапана 5, улучшая очистку камеры сгорания от выхлопных газов, а на такте сжатия вытесняет рабочую смесь в зону фронта пламени, что улучшает процесс горения. Таким образом, конструкция головок цилиндров ДВС обеспечивает увеличение наполнения цилиндров, улучшение процесса смесеобразования и сгорания за счет эффективного смесеобразования и обеспечения больших скоростей вращение потоков рабочей смеси, которые достигаются оптимальной конструкцией элементов и соотношением размеров камеры сгорания, за счет чего и происходит лучшее воспламенение рабочей смеси, повышение скорости распространения пламени, появляется возможность повышения степени сжатия на 20% без признаков детонации и в результате - повышение мощности и экономичности двигателя, снижение токсичности ОГ.

Проведенные исполнения ДВС с головкой цилиндров, имеющей предлагаемую камеру сгорания, показали, что мощность двигателя увеличивается на 10-15%, а экономичность двигателя улучшается на 10-12%.

Изобретение предназначено для использования в двигателестроении. Головка содержит выходящие на одну ее сторону впускные и выпускные каналы с клапанами и камеру сгорания с поверхностями вытеснения. Камера сгорания имеет в горизонтальном сечении вид кардиоиды, выполненной сопряженными дугами. Большая ось кардиоиды проходит через точки пересечения осей клапанов с нижней плоскостью головки и равна 1,08 - 1,09 диаметра цилиндра. В нижней плоскости головки кардиоида выполнена дугами, радиусы которых имеют центры на большой оси кардиоиды и равны 0,65 - 0,70 диаметра цилиндра в зоне впускного клапана и 0,63 - 0,66 диаметра цилиндра в зоне выпускного клапана. Дуги сопряжены со стороны каналов дугой, образующей выступ в стенке камеры сгорания, а со стороны, противоположной каналам, дугой, образующей выпуклость в камере сгорания. Продольные боковые стенки камеры сгорания имеют наклон. Ширина наклонных стенок на виде снизу увеличивается от нуля в крайних точках большой оси кардиоиды до максимума в зоне, близкой к оси цилиндра. Изобретение позволяет повысить мощностные и экономические показатели двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Головка блоков цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащая выходящие на одну сторону головки впускные и выпускные каналы с клапанами, размещенную в ней камеру сгорания с поверхностями вытеснения, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена в горизонтальном сечении в форме кардиоиды, образованной сопряженными дугами, большая ось которой больше диаметра цилиндра и смещена относительно оси цилиндра в сторону, противоположную каналам, большая ось кардиоиды проходит через точки пересечения осей клапанов с нижней плоскостью головки, равна 1,06 - 1,09 диаметра цилиндра, кардиоида образована в нижней плоскости головки двумя дугами, радиусы которых имеют центры на большой оси кардиоиды и равны 0,65 - 0,70 диаметра цилиндра, 0,63 - 0,66 диаметра цилиндра в зоне впускного и выпускного клапанов соответственно и сопряжены со стороны каналов дугой, образующей выступ в стенке камеры сгорания и выполненной радиусом, равным 0,45 - 0,47 диаметра цилиндра, а со стороны, противоположной каналам, - другой, образующей выпуклость в камере сгорания и выполненной радиусом, равным 1,4 - 1,5 диаметра цилиндра, продольные боковые стенки камеры имеют наклон с шириной стенок, увеличивающейся от нуля в крайних точках большой оси кардиоиды до максимума в зоне, близкой к оси цилиндра, так, что верхняя стенка камеры сгорания ограничена двумя дугами, радиусы которых имеют центры на большой оси кардиоиды, равны 0,30 - 0,32 и 0,24 - 0,26 диаметра цилиндра в зоне впускного и выпускного клапанов соответственно и сопряжены со стороны каналов дугой, радиус которой равен 0,09 - 0,12 диаметра цилиндра, а с противоположной стороны - прямой. 2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что камера сгорания имеет ступенчатую форму, так что седло выпускного клапана расположено выше от нижней плоскости головки, чем седло впускного клапана.