ДВИГАТЕЛЬ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02F1/42 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к разработке дизелей с неразделенной камерой сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с впускным спиральным каналом, ограниченным на конечном участке криволинейной поверхностью различной кривизны для создания нескольких вращающихся воздушных вихрей (см. Заявку Японии 60-3024, F 02 B 31/00, опубл. 16.02.85).

Недостаток данного двигателя состоит в том, что разделение воздушного потока на несколько вихрей снижает их интенсивность, а следовательно, ухудшает процесс смесеобразования.

Известен также ДВС с впускным спиральным каналом, имеющим наклонную внутреннюю стенку, благодаря которой обеспечивается переменная интенсивность закрутки потока по высоте канала (см. патент США 4308832, F 02 B 31/00, опубл. 05.01.82).

Недостаток этого двигателя заключается в низкой интенсивности закрутки потока из-за малого угла поворота спирального канала относительно оси канала, в результате чего ухудшается процесс смесеобразования.

Наиболее близким к заявленному является ДВС, у которого впускной канал содержит входной участок и спирально-винтовой канал, разделенные ребром, а спирально-винтовой канал снабжен вытеснителем заряда, выполненным в виде цилиндрической поверхности, соосно с выходным отверстием и сопряженной с разделительным ребром конусообразной поверхностью (см. А.С. 1592546, F 02 F 1/42, опубл. 15.09.90, БИ N 34).

Данный двигатель, принятый за прототип, также имеет существенные недостатки. Цилиндрический вытеснитель создает большое сопротивление движению потока и уменьшает длину спирально-винтового канала, в котором формируется воздушный вихрь, что снижает его интенсивность и уменьшает наполнение цилиндра.

Входной участок плавно сопряжен со спирально-винтовым каналом, что не позволяет получить воздушной вихрь высокой интенсивности, особенно при ограниченных размерах головки цилиндра.

У данного двигателя отсутствуют конструктивные элементы для закрутки потока и организации направленного движения вихря при выходе из впускного канала головки в цилиндр, вследствие чего интенсивность воздушного вихря оказывается недостаточной, возрастает аэродинамическое сопротивление и теряется энергия воздушного вихря из-за его соударения со стенкой цилиндра.

Кроме того, наличие цилиндрического вытеснителя во впускном канале не позволяет из-за уменьшения его проточной части обеспечить постоянное вихревое отношение (отношение скорости вращения вихря к скорости вращения коленчатого вала) в широком скоростном диапазоне, что приводит к ухудшению процесса смесеобразования, увеличению расхода топлива и токсичности выпускных газов у двигателей с широким диапазоном изменения частоты вращения коленчатого вала.

Для увеличения интенсивности воздушного вихря в широком скоростном диапазоне необходимо использовать не только спирально-винтовой канал в сочетании с конструкцией его входного и выходного участка, но и ширмление выходного отверстия для дополнительной закрутки воздушного потока и ориентации направления его выхода из впускного канала в цилиндр.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение топливной экономичности в широком скоростном диапазоне дизеля за счет увеличения момента закрутки воздушного потока и ориентации направления его выхода из впускного канала в цилиндр.

Поставленная задача решается тем, что в известном двигателе с воспламенением от сжатия, содержащем цилиндр, головку цилиндра с впускным каналом, включающим входной участок и спирально-винтовой канал, разделенные ребром, выходной участок, впускной клапан с осью, смещенной относительно оси цилиндра, и седло клапана, ребро, разделяющее входной участок и спирально-винтовой канал, расположено в плоскости, проходящей через оси клапана и цилиндра, а выходной участок, ограниченный внутренней поверхностью седла клапана, имеет форму сопла Лаваля, при этом на днище головки цилиндра вблизи седла выполнена ширма, представляющая собой цилиндрическую поверхность, плавно переходящую к месту выхода воздушного вихря из головки цилиндра в коническую поверхность с углом наклона к оси клапана, равным углу наклона рабочей фаски тарелки клапана.

Кроме того, указанная задача решается также тем, что
- угол между осью входного участка и касательной, проведенной к оси спирально-винтового канала в ее начальной точке, составляет 90-110^o;
- спирально-винтовой канал образован внешней поверхностью переменного радиуса, плавно переходящей в поверхность седла и внутренней цилиндрической поверхностью постоянного радиуса с центром, расположенным на оси клапана, которая в верхней части клапана сопряжена по радиусу с внешней поверхностью, при этом угол поворота спирально-винтового канала вокруг оси составляет 360-280^o;
- угол охвата седла конической поверхностью, сопряженной с ширмой, составляет 180-200^o, а наибольшая ширина конической поверхности расположена на линии, проходящей через оси клапана и цилиндра.

Высокая интенсивность воздушного вихря при минимальном аэродинамическом сопротивлении впускного канала обеспечивается совместным влиянием всех указанных конструктивных признаков. Закрутка потока осуществляется за счет резкого поворота потока при входе в спирально-винтовой профиль и увеличенной его длины во впускном канале, а также при выходе из впускного канала под действием ширмы, направляющей поток в периферийную зону цилиндра касательно к его стенке. Выполнение внутренней поверхности седла в форме сопла Лаваля обеспечивает дополнительное увеличение скорости потока после спирально-винтового участка, а профилирование выходного участка после седла клапана конической поверхностью с углом наклона ее к оси клапана, равным углу наклона рабочей фаски тарелки клапана, снижает аэродинамическое сопротивление воздушному потоку.

На фиг. 1 дано сечение по оси впускного канала двигателя.

На фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.

На фиг. 3 - вид "Б" по фиг. 2.

Двигатель с воспламенением от сжатия содержит цилиндр 1, головку цилиндра 2 с впускным каналом 3, включающим входной сужающейся участок 4, спирально-винтовой канал 5, разделенные ребром 6 и выходной участок 7, впускной клапан 8 с осью 9, смещенной относительно оси цилиндра 10, и седло 11 клапана 8. Ось 12 входного участка впускного канала 3 расположена под углом к касательной, проведенной к оси 13 спирально-винтового канала 5 в его начальной точке. Спирально-винтовой канал 5 образован внешней поверхностью 14 переменного радиуса, плавно переходящей в поверхность седла 11, и внутренней цилиндрической поверхностью 15 постоянного радиуса с центром, расположенным на оси 9 клапана 8, которая в верхней части сопряжена винтообразно понижающейся поверхностью 16 с его внешней поверхностью 14. Разделительное ребро 6 расположено в плоскости, проходящей через ось 9 канала 8 и ось цилиндра 10. Выходной участок впускного канала 7, ограниченный внутренней поверхностью седла 11, имеет форму сопла Лаваля причем его входной участок 17 выполнен по радиусу.

На днище головки 18 вблизи седла 11 выполнена ширма 19, представляющая собой цилиндрическую поверхность 20, плавно переходящую в коническую поверхность 21, угол наклона которой к оси 9 клапана 8 равен углу рабочей фаски 22 клапана 8.

Двигатель с воспламенением от сжатия работает следующим образом. На такте впуска под действием разрежения в цилиндре 1 воздух через впускной канал 3 и открытый клапан 8 поступает в цилиндр 1. При этом во входном сужающимся участке 4 воздух увеличивает скорость движения, затем с резким поворотом входит в спирально-винтовой канал 5, имеющий также плавное сужение, где он с одновременным увеличением скорости приобретает вращательное движение за счет совместного действия внешней 14 и внутренней 15 поверхностей, а также винтообразно понижающейся поверхности 16, сопряженной с внешней и внутренней поверхностями по радиусу.

Благодаря переменному радиусу поверхности 14 интенсивность воздушного вихря зависит от частоты вращения коленчатого вала. При высокой частоте вращения под действием импульса разрежения воздушный поток отбрасывается по ребру 6 в верхнюю часть канала 5 с большим радиусом вращения, при этом увеличивается момент закрутки воздушного вихря и, следовательно, улучшается процесс смесеобразования.

При снижении частоты вращения импульс разрежения уменьшается и воздушный поток отбрасывается в зону канала 5 с меньшим радиусом и, следовательно, приобретает меньший момент закрутки и, таким образом, интенсивность вращения вихря согласуется с частотой вращения коленчатого вала двигателя, обеспечивая высокое качество смесеобразования на всех режимах.

После спирально-винтового канала воздушный поток поступает в выходной участок 7, где дополнительно разгоняется за счет выполнения внутренней поверхности седла 1 в виде сопла Лаваля. Затем воздушный вихрь проходит клапанную щель, ограниченную седлом 11 и тарелкой клапана 8, за счет действия ширмы 19 дополнительно закручивается и направляется в цилиндр в его периферийную зону с помощью конической поверхности 21, которая совместно с тарелкой клапана 8 образует сопло переменного сечения с увеличением его в сторону выхода потока.

Предлагаемый двигатель изготовлен и проведены его испытания, в результате которых установлено, что наименьший расход топлива обеспечивается при следующих параметрах: угол между осью 12 входного участка и касательной, проведенной к оси 13 спирально-винтового канала 5 в ее начальной точке, составляет ϕ = 90-110^o. Угол поворота спирально-винтового канала 5 вокруг оси 9 клапана 8 находится в пределах α = 360-380^o. Входная часть выполнена по радиусу r = 5-7 мм, а угол раскрытия сопла Лаваля расширяющейся выходной части сопла составляет β = 28-32^o. Угол охвата седла конической поверхностью сопряженной с ширмой, изменяется в пределах γ = 180-200^o, а наибольшая ширина конической поверхности расположена на линии, проходящей через ось 9 клапана 8 и ось 10 цилиндра 1.

При выполнении указанных условий удельный расход топлива предлагаемого двигателя уменьшается на 10-12% по сравнению с аналогом.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к разработке дизелей с неразделенной камерой сгорания. Двигатель содержит цилиндр, головку цилиндра с впускным каналом, включающим входной участок и спирально-винтовой канал, разделенные ребром, выходной участок, впускной клапан с осью, смещенной относительно оси цилиндра, и седло клапана, причем ребро, разделяющее входной участок и спирально-винтовой канал, расположено в плоскости, проходящей через оси клапана и цилиндра, а выходной участок, ограниченный внутренней поверхностью седла клапана, имеет форму сопла Лаваля, при этом на днище головки цилиндра вблизи седла выполнена ширма, представляющая собой цилиндрическую поверхность, плавно переходящую к месту выхода воздушного вихря из головки цилиндра в коническую поверхность с углом наклона к оси клапана, равным углу наклона рабочей фаски тарелки клапана. Технический результат - повышение топливной экономичности за счет увеличения момента закрутки воздушного потока и ориентации направления его выхода из впускного канала в цилиндр. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель с воспламенением от сжатия, содержащий цилиндр, головку цилиндра с впускным каналом, включающим входной участок и спирально-винтовой канал, разделенные ребром, выходной участок, впускной клапан с осью, смещенной относительно оси цилиндра, и седло клапана, отличающийся тем, что ребро, разделяющее входной участок и спирально-винтовой канал, расположено в плоскости, проходящий через оси клапана и цилиндра, а выходной участок, ограниченный внутренней поверхностью седла клапана, имеет форму сопла Лаваля, при этом на днище головки цилиндра вблизи седла выполнена ширма, представляющая собой цилиндрическую поверхность, плавно переходящую к месту выхода воздушного вихря из головки цилиндра в коническую поверхность с углом наклона к оси клапана, равным углу наклона рабочей фаски тарелки клапана. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что угол между осью входного участка и касательной, проведенной к оси спирально-винтового канала в ее начальной точке, составляет 90 - 110^o. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что спирально-винтовой канал образован внешней поверхностью переменного радиуса, плавно переходящей в поверхность седла, и внутренней цилиндрической поверхностью постоянного радиуса с центром, расположенным на оси клапана, которая в верхней части клапана сопряжена по радиусу с внешней поверхностью, при этом угол поворота спирально-винтового канала вокруг оси составляет 360 - 380^o. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что угол охвата седла конической поверхностью, сопряженной с ширмой, составляет 180 - 200^o, а наибольшая ширина конической поверхности расположена на линии, проходящей через оси клапана и цилиндра.