Двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием Советский патент 1986 года по МПК F02B23/08 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к четырехтактным бензиновым двигателям внутреннего сгорания с принудительным зажиганием. Известен двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, содержащий цилиндр с поршнем, камеру сгорания, образованную выпуклым днищем поршня, в котором выполнено углубление, и вогнутой поверхностью в головке цилиндра, в которой размещены свеча зажигания, впускной канал со средством закрутки потока горючей смеси вокруг оси цилиндра и нЬ)1пускной канал. При положении поршня в верхней мертвой точке между вогнутой поверхностью в головке цилиндра и выпуклой поверхностью днища поршня, расположенной вокруг углубления в нем, образован кольцевой щелевой вытеснитель с постоянной высотой щели 1. Недостатком известной конструкции является ограничение возможности развития поверхностей вытеснителя вследствие возникающего в щелевом объеме гащения пламени, что уменьшает полноту сгорания и ухудшает топливную экономичность и увеличивает токсичность отработавших газов двигателя. Для достижения требуемых антидетонационных качеств в известном двигателе необходимо применение винтовых впускных каналов, создающих чрезмерно высокую интенсивность закрутки заряда смеси на такте впуска. Это вызывает потери наполнения из-за повышенного гидравлического сопротивления таких впускных кан-алов и увеличивает теплопотери в стенки камеры сгорания в период сгорания и, как следствие, ухудшение топливной экономичности и снижение мощности двигателя. Целью изобретения является повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов двигателя путем повышения полноты сгорания. Указанная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с принудительным зажиганием вогнутая поверхность головки цилиндра и выпуклая поверхность днища порщня выполнены сферическими с различными радиусами сфер и образуют серповидную камеру так, что соотношение радиусов сфер составляет 0,75-0,9, причем соотношение диаметра углубления в днище поршня к диаметру цилиндра составляет 0,5-0,7, кроме того, соотношение объема углубления в днище поршня к объему серповидной камеры составляет 0,25-0,45. На фиг. изображен двигатель, поперечный разрез по осям впускного и выпускного клапанов; на фиг. 2 - конструктивная схема относительно расположения свечи зажигания, углубления в днище поршня, впусккого и выпускного каналов с указанием направления движения топливовоздушной смеси и отработавших газов, вид сверху; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2. Двигатель содержит цилиндр 1 (фиг. 1 и 2) с поршнем 2, камеру 3 сгорания, образованную выпуклым сферическим днищем 4 поршня, в котором выполнено центрально расположенное углубление 5, и вогнутой сферической поверхностью 6 в головке 7 цилиндра. В последней размещены свеча 8 зажигания, впускной канал 9 со средством закрутки потока горючей смеси вокруг оси цилиндра 1, выпускной канал 10, а также впускной и выпускной клапаны 11 и 12 соответственно. Поверхность камеры сгорания, выполненной в головке 7 цилиндра, и поверхность выступающей выпуклой части поршня 2 геометрически образуют объем в виде сферического сегмента с радиусами образующих сфер RI и R2 соответственно. При положении порщня 2 в верхней мертвой точке (ВМТ) упомянутыми сферическими поверхностями образуется серповидная камера 13 сгорания. Соотношение величины радиусов RI/RQ составляет в пределах 0,75-0,90, что позволяет определить оптимальные параметры камеры 13. При положении поршня 2 в ВМТ между вогнутой 6 и выпуклой 4 сферическими поверхностями вокруг углубления 5 образуется кольцевой вытеснитель 14 с переменной высотой клинообразной щели, увеличивающейся по направлению к углублению. Ширина кольцевого вытеснителя 14, а следовательно, и объем пространства между указанными сферическими поверхностями 4 и 6 при положении поршня 2 в ВМТ определяются соотношением величины диаметра углубления к диаметру цилиндра, равным оптимально 0,5-0,7. Углубление 5 в центре дниuia поршня образовано поверхностью, приближающейся по форме к поверхности тора, вдавленного в тело днища поршня на глубину не более, чем 0,5-0,8 радиуса г торовой поверхности. Соотношение объема VKH углубления 5 к объему VKC. серповидной камеры 13 0,25-0,45. Свеча 8 зажигания установлена в головке цилиндра так, что электроды ее незначительно выступают над сферической поверхностью 6 головки цилиндра напротив края углубления 5 в днище поршня 2. Указанные соотношения подобраны эмпирически из условий расхода топлива, параметров токсичности и значений оптимальной мощности. Двигатель работает следующим образом. На такте впуска под действием разрежения,- создаваемого движением поршня 2 от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан 11 в камеру 3 и цилиндр 1 поступает топливовоздушвая смесь. Впускной канал 9 со средством закрутки потока сообщает этой смеси вращательное движение вокруг оси цилиндра 1 (фиг. 3). В этот период цикла смесь преобретает сложное ускоренное вихревое движение. Внешние слои потока, вращаясь, продвигают ся в осевом направлении от впускного клапана 11 к днищу поршня 2, в то время как внутренние, вращаясь в ту же сторону, что и внешние, движутся в осевом направлении в противоположную сторону от поверхности 4 днища поршня 2 к клапану 11. После достижения потоком смеси максимальной скорости движения вращение устанавливается симметричным относительно оси цилиндра 1. Благодаря выбранной форме углубления 5 в днище поршня и наличию сферических поверхностей 4 и 6 происходит обтекание симметричных относительно оси цилиндра 1 поверхностей углубления 5, а также поверхностей 4 и 6. Режим течения смеси из ускоренного переходит в замедленное. Однако скорость торможения вихря еще небольщая и благодаря форме углубления 5 он сохраняет свою устойчивость при умеренной интенсивности закрутки потока во время такта впуска. На такте сжатия в начальный период симметричное относительно оси цилиндра вихревое движение продолжает, вследствие трения о стенки цилиндра 1 и турбулентного обмена, тормозиться в тангенциальном направлении, обратное движение внутренних слоев практически отсутствует. Во второй половине такта сжатия периферийные слои смеси все больше приобретают радиальное движение вдоль поверхности 6 головки цилиндра из-за вытеснительного действия кольцевого вытеснителя 14. Внутренние слои с.меси совершают движение в центральной зоне цилиндра 1 и камеры 3 сгорания над углублением 5. В конце такта сжатия внешние слои, встречаясь в верхней части камеры 3, сталкиваются и под действием существующего перепада давлений между периферийной и центральной зонами потока приобретают вращательное движение в форме кольцевого вихря с сохранением вращения вокруг оси цилиндра 1 (и камеры 3) Вследствие вытеснения большей части заряда смеси в углубление 5 и центральную зону камеры 3 при выбранном соотношении интенсивность врашения возрастает. Внешние слои смеси, двигаясь вдоль поверхности 6, продувают межэлектродное пространство свечи 8 от остаточных газов практически независимо от режима работы двигателя, поскольку они размещены над краем углубления 5 в днище поршня 2, где скорости вытесненного потока наибольшие. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от искрового разряда между электродами свечи 8. При принятом расположении электродов свечи зажигания, напротив края углубления 5 в днише поршня 2 достигается направленное распространение пламени по объему камеры сгорания. На первой стадии процесса горения, когда Поршень еще не доходит до верхней мертвой точки, кривизна фронта пламени вокруг электродов свечи максимальна и он устойчив по отношению к возмущениям в тангенциальном направлении. При приближении поршня к верхней мертвой точке действием радиального движения вытесняемого потока на увеличившийся в размерах фронт пламени распространение пламени переносится в центрально расположенное углубление 5. Такой характер движения рабочей смеси в период сгорания обеспечивает высокую скорость процессов тепломассопереноса, что повышает скорость и полноту сгорания, а также ограничивает развитие предпламенных реакций, обуславливающих детонационное сгорание последней части заряда смеси. Кольцевой вытеснитель 14 с переменной увеличивающейся по направлению высотой к углублению 5 днища поршня 2 ограничивает влияние гашения пламени, возникающее обычно из-за охлаждения пламени в объемах вытеснения камеры сгорания с развитой поверхностью вытеснения и в больших по площади шелях с постоянной высотой. Наилучшие показатели двигателя получают при соотношениях Ri/R2 0,75-0,9 и 0,5--0,6, а также 0,25-0,45, найденных опытным путем. Выполнение вогнутой поверхности головки цилиндра и выпуклой поверхности днища поршня между углублением в нем и цилиндром в виде сферических сегментов, образующих при положении поршня в верхней мертвой точке серповидную камеру, в которой соотношение радиусов указанных поверхностей составляет 0,75-0,9 и выбор соотношения диаметра углубления в .днише поршня к диаметру цилиндра в пределах 0,5-0,7, обеспечивает оптимальные параметры вихревого движения заряда смеси в период такта сжатия и перед воспламенением без чрезмерных теплопотерь и понижения наполнения, и, как следствие, повышение полноты сгорания топлива для улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов. Выбор величины соотношения объема углубления в днище поршня к объему серповидной камеры в пределах 0,25-0,45 и выполнение его в форме торовой поверхности, вдавленной в Tevio днища поршня на глубину не более чем 0,5-0,8 радиуса г торовой поверхности улучшают антидетонационные качества двигателя и позволяют дополнительно повысить топливную экономичность двигателя.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ, содержащий головку цилиндра со свечой зажигания, впускным каналом, снабженным устройством закрутки потока горючей смеси вокруг оси цилиндра, и выпускным каналом, цилиндр, поршень с ко,1ьцевым углублением и камеру сгорения, образованную выпуклой поверхностью днища поршня и вогнутой новер.хностью головки цилиндра, отличающийся тем, что, с целью повышения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов путем повын ения полноты сгорания топлива, вогнутая поверхность головки цилиндра и выпуклая поверхность днища выполнены сферическими с различными радиусами сфер и образуют серповидную камеру так, что соотношение радиусов сфер состав, 0,75-0,9, причем соотношение диаметра уг,лубления в днище поршня к диаметру цилиндра составляет 0,5-0,7. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся . ф что соотношение объема углубления в днин1е (Л поршня к объему серповидной камеры составляет 0,25-0,45. ьо Ot) с О5