Форкамерный двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1981 года по МПК F02B19/00 

I

Изобретение относится к двигате.лям внутреннего сгорания, в частности к четырехтактным форкамерным двигателям внутреннего сгорания с принудительным зажиганием.

Известен форкамерный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем и головку цилиндра, в которой выполнены-основная камера сгорания, впускной и выпускной каналы с клапанами и дополнительная камера сгорания с установленными в ней свечой зажигания и клапаном подвода богатой смеси, причем основная камера сообщена с дополнительной посредством соплового канала.

При работе этого двигателя на такте впуска через впускной клапан в основную камеру сгорания подается топливо-воздушная смесь, обедненного состава, а через сопловой канал из дополнительной камеры (форкамеры) поступает в основную камеру богатая

.ТОПЛИВО-воздушная смесь. Расположение выходного окна соплового канала на поверхности основной камеры по отношению к впускному каналу в этом случае не оказывает влияния на ор- . ганизацию послойного распределения смеси в цилиндре, так как поступающие раздельно смеси различного состава за ход всасывания при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ)

10 образуют вдоль оси .цилиндра два газовых столба - два слоя, в соответствии с месторасположением источников подвода О.

Однако за ход поршня к верхней

15 мертвой точке (ВМТ) на такте сжатия граница между слоями нарушается вследствие турбулизации, вызываемой движением днища поршня, и к моменту воспламенения в основной камере

20 образуется топливо-воздушная смесь усредненного состава, промежуточного между заранее определенными обогащенной и бедной смесями. Это явл 5нйе требует дополнительного регулирования состава богатой смеси, пода ваемой в форкамеру, в сторону увели чения топливного компонента для эффективного поджига заряда с промежуточным составом смеси в основной камере с помощью факела пламени Таким образом, известная ..конструкция форкамерного двигателя имеет повышенный расход топлива, что в свою очередь приводит к- повышению содержания продуктов неполного сгорания в отработавших газах. , Целью изобретекия является повышение экономичное :и форкамерного дв гателя путем изменения организации послойного распределения смеси в за ряде на такте впуска и снижение ток сичности,-, т.е. снижение содержания N0;, СО и других компонентов неполного сгорания в отработавших газах двигателя. Цель достигается тем, что впускн канал на участке перед клапаном вып нен в виде спиральной камеры переменного сечения, уменьшающегося по ходу потока поступающей в камеру см си, а выходное окно соплового канала на поверхности основной камеры р мещено за линией, соединяющей центр впускного и выпускного клапанов, по направлению закрутки спирали. Причем угол между линией, соединяющей центры клапанов, и линией, соединяющей центры основной камеры и выходного окна соплового канала, составляет 190-280. При этом ось соплового канала, продолженная в основную камеру, пересекает плоскость разъема головки в зоне, ограниченной концентрически окружностями с центром, размещенным на оси цилиндра, и с диаметрами, равными 0,2-0,75 его диаметра. Кроме того, центр выходного окна соплового канала размещен в зоне, ограниченной радиусом, проведенным из центра основной камеры, и равным 0,15-0, радиуса цилиндра. При этом спиральная камера выполнена с переменным сечением, умен шающимся по ходу потока. На фиг. 1 изображен двигатель, поперечный разрез-, на фиг. 2 - вид на фиг.1} на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2,- на фиг. k - вариант выполнения двигателя. Двигатель Г содержит цилиндр 2 с поршнем 3, соединенным кривошипно. 4 шатунным механизмом с валом отбора мощности (не показано). Цилиндр 2 жестко соединен с головкой цилиндра , в которой выполнена основная камера 5 сгорания. Основная камера 5 моет быть образована телом вращения с поверхностью, например, в виде сферы и с образующей, располагающейся симметрично относительно цеитральной реи, общей с осью цилиндра. опускается незначительное смещение центра симметрии самой камеры 5 относительно оси цилиндра 2. В любом случае форма камеры 5 может быть подобрана в соответствии с другими требованиями. В основной камере 5 размещены впускной 6 и выпускной 7 клапаны с соответствующими им впускным 8 и выпускным 9 каналами. В головке цилиндра t выполнена также дополнительная камера 10 сгорания, в которой установлены свеча 11 зажигания и клапан 12 подвода богатой топливо-воздушной смеси. Основная камера 5 и дополнительная камера 10 сообщены посредством соплового канала 13, выходное окно k которого располагается на поверхности основной камеры 5 в центральной ее зоне. В впускном канале 8 на участке непосредственно примыкающем к клапану 6, выполнена спиральная камера 15 переменного сечения, уменьшающегося по потоку входящей в полость цилиндра 2 или в основную камеру 5 смеси, т.е. от некоторого сечения 16, представляющего собой начальное образующее сечение спиральной камеры,до конечного сечения 17 с которого осуществляется выход смеси в основную камеру 5. Спиральная камера 15 сужается в направлении ее закрутки 18. Начальное сечение 16 спиральной вихревой камеры 15, в которую плавно переходит впускной канал 8, расположено тангенциально относительно образующей спиральной камеры 15. Клапан 12 подвода богатой топливо-воздушной смеси в дополнительную камеру 10 сообщен с форкамерным впускным трактом 19 подвода богатой смеси, в котором предусмотрены устройства для количественного и качественного регулирования топливо-воздушной смеси (не показаны).

В системе впуска, сообщенной с впускным каналом 8, также предусмотрены средства (не показаны) для количественного и качественного регулирования топливо-воздушной смеси обедненного состава.

Направление закрутки 18 спиральной вихревой камеры 15 и положение выходного окна 1 соплового канала 13 на поверхности основной камеры сгорания 5 взаимосвязаны таким образом, что выходное окно 14 размещено за линией 20,соединяющей центры 6.1 7.1 впускного 6 и выпускного 7 клапанов, по направлению закрутки 18 спиральной вихревой камеры 15. Такая взаимосвязь местоположения выходно го окна соплового канала показываleT, что с изменением направления закоутки 18 (по часовой или против часовой стрелки) изменяется расположение выходного окна соплового канала на поверхности основной камеры относительно впускного клапана или впускного канала (фиг.),,

Выходное окно 14 соплового канала 1 3 располагается в центральной зоне основной камеры 5, ограниченной радиусом 21, проведенным из центра 22 основной камеры 5, и равным 0,,4 радиуса цилиндра. При таком расположении выходного окна соплвого канала в центральной зоне основной камеры, направление оси 23 соплового канала может быть продиктовано условием выгодного размещения дополнительной камеры в головке цилиндра, однако необходимо, чтобы ось 23 соплового канала 13 продолженная в основную камеру 5 его- . рания, пересекала плоскость 24 разъема головки в зоне, огранименной концентрическими окружностями 25, с центром, размещенным на оси 26 цилиндра и с диаметрами, равными 0,2-0,75 диаметра цилиндра. Это обеспечивает впуск богатой смеси или выброс факела пламени из соплового канала -непосредственно в центральную зону полости цилиндра или основной камеры таким образом, чтобы смесь с повышенной концентрацией топлива, или тепловая энергия факела богатой смеси сосредотачивалась над поршнем, при этом угол наклона и зону сосредоточения (или направление) оси соплового- канала можно связывать с плоскостью днища поршня 3 находящегося в ВМТ.

Угол 27, образованный пересекающимися в плоскости линиями 20 и 28. определяется необходимой турбулизацией входящего заряда, следующим образом.

Для того, чтобы обогащенная смесь, выходящая из окна 14 соплового канала 13, не захватывалась закрученной струей обедненной смеси, вытекающей

из впускного канала В, необходимо удалить выходное окно соплового канала от периферийного вихревого потока. Наиболее оптимальное для этого случая расположение центра 29 выходного окна 14 относительно впускного клапана такое, когда угол 27 линией 20, соединяющей центры 6.1 и 7.1 соответственно клапанов 6 .и 1, и линией 28, соединяющей центры 29 и 22 соответственно выходного окна 14 и основной камеры его- , рания 5, составляет 190-280 , если угол отсчитывается от линии, соединяющей центры клапанов,-в напраалении закрутки.

Двигатель работает следующим образом.

По впускному каналу 8 от отдельного карбюратора или одной секции

многокамерного карбюратора поступает смесь обедненного состава которая, проходя через участок впускного кангша, выполненный в виде спиральной вихревой камеры 15, приобретает закрутку. Закрученный поток бедной смеси по выходе с конечного минимального сечения спиральной камеры 15 ускоряется, и на такте впуска бедная смесь направляется к периферии цилиндра 2 и основной камере 5 сгорания, образуя столб вихря, располагающийся вокруг оси 26 цилиндра. Одновременно с этим из дополнительной камеры сгорания 10 через клапан 12 и сопловой канал 13 в основную камеру 5 и цилиндр 2 поступает топливо-воздушная смесь обогащенного состава.

Величина площади минимального поперечного сечения соплового канала 13 гзыбирается из условия средней расчетной скорости движения смеси в форкамерном впускном тракте 19 на (име максимальной мощности. При скорости истечения смеси 70-80 м/с

достигается наиболее эффективный

выброс в основную камеру .топливовоздушной, смеси, обеспечивающий концент:рацию обогащенной массы топлива в центральном объеме основной камеры и цилиндра, а для этого необходимо, чтобы соотношение минимальных площадей поперечных сечений соплового канала 13 и форкамерного впускНого тракта 19 составляло 1,25-2,5. Поступившие из разных источников на такте впуска две смеси под действием хода поршня 3 к НМТ и при взаимном расположении соплового кана ла 13 и спиральной камеры 15, определяемому направлением закрутки 18, образуют два концентрических объемных столба, один из которых неподвижный и размещенный внутри состоит из богатой смеси, другой - периферийный и турбулизованный - из смеси обедненного состава. В результате, к моменту воспламенения в основной камере 5 организован заряд с послойным распределением смеси, а в дополнительной ка мере 10 - богатая смесь, Смесеобразование может быть дост нуто при условии, что бедная смесь в начальный период такта впуска в основную камеру, совершая движение в направлении закрутки спиральной камеры, пройдет не менее половины оборота относительно оси 26 цилиндр до местоположения (по углу поворота выходного окна 1k соплового канала 13, что составляет в оптимальном ва рианте 190-280°. После воспламенения богатой смеси в дополнительной камере 10 от искрового разряда свечи зажигания 1 . факел пламени и продуктов неполного сгорания выбрасывается из соплового канала 13 в основную камеру 5. Так как ось 23 соплового канала 12, про долженная в основную камеру, пересекает плоскость 2k поршня 3 при н хождении его в ВМТ (или плоскость разъема головки) в зоне, ограниченной концентрическими окружностями 25 с диаметрами, равными 0,2-0,75 диаметра цилиндра, факел пламени на правляется в центральную часть осно ной камеры 5 сгорания, где собрана масса смеси с повышенной концентрацией топлива. Вследствие высокой реакционной способности смеси с повышенной концентрацией топлива осуществляется эффективное воспламе ние и наиболее полное сгорание в основной камере 5 так как фронт пламени в ней распространяется ради ально от центральной обогащенной то 0 . 8 ЛИВОМ зоны к обедненной периферийной. Такой процесс сгорания и организации смесеобразования в цилиндре на требует дополнительных затрат топлива на эффективное воспламенение заряда с послойным распределением смеси в основной камере, что приводит к экономичности данного процесса и снижению .эффективного расхода топлива, а направление оси соплового канала и расположение его выходного окна на поверхности камеры, кроме эффективной организации процесса с послойным смесеобразованием предотвращают непосредственный контакт факела с днищем поршня, что исключает его возможный местный перегрев. Экспериментально установлено, что при положении выходного окна И соплового канала 13 в центральной зоне основной камеры 5 на участке, ограниченном ,28, где г - текущий радиус, Rц - радиус цилиндра 2, топливная экономичность двигателя (gg) и выброс углеводородов (CHJ с отработавшими газами существенно зависят от расположения выходного окна Н соплового канала 13 относительно направления закрутки 18 спирального завитк спиральной вихревой камеры 15 впускног-о канала 3. Более широкие пределы обеднения, состава смеси (большие величины d, - коэффициент избытка воздуха) и соответственно меньше значения NOx, СО и СН соответствуют их взаимному расположени;, когда выходное окно 14 соплового канала 13 размещено за линией 20 центров впускного 6 и выпускного 7 клапанов в направлении закрутки 18 спирального завитка камеры 15, при котором угол 27 в горизонтальной плоскости между линиями 20 и 28 составляет f 210° т.е. больше no.iyокружности цилиндре 2 При наивыгоднейшем взаимном относительном положении выходного окна 14 соплового отверстия 13 и направления закрутки 18 спиральной вихревой камеры 15 впускного канала 8 (2lrf) показатели двигателя по топливной экономичности (gg) и выбросам с отработавшими газами углеводородов (СН) и окиси азота (NOx) зависят от положения выходного окна И соплового отверстия 13 на участке центральной зоны основной камеры 5 сгорания. Лучшие показатели двигателя обеспечиваются при положении выходного окна 1 соплового 0тверстия 13 на участке центральной зоны основной камеру 5 сгорания, ограниченном от891980 .ТО

носительным радиусом г/Кц, изменяющим ся в пределах от 0,15 до О,, Результаты сравнительных испытаний серийного и предлагаемого двига. телей приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый двигатель позволяет экономить топливо и дает возможность значител-ьно снизить загрязнение окружающей среды то сичными продуктами в отработавших газах. Формула изобретения 1.Форкамерный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем и головку цилиндра, в которо выполнены основная камера сгорания, впускной и выпускной каналы с клапа|Нами и дополнительная камера сгорани с установленными в ней свечой зажига ния и клапаном подвода богатой смеси, сообщенная с основной камерой сопловым каналом, о т л. и ч а ю щ и с я тем, что, с целью повышения эко номичности и снижения токсичности обработавших газов, впускной канал на участке перед.клапаном выполнен в виде спиральной камеры, а выходное окно соплового канала расположено на поверхности основной камеры за линией , соединяющей центры впускного и выпускного клапанов, по направлению закрутки спирали. 2.Двигатель по п,1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что угол между линиеи, соединяющей центры клапанов, и линией, соединяющей центры основной камеры и выходного окна соплового канала составляет 190-280. 3.Двигатель по пп.1 и 2, ,о т л ичающийся тем, что ось соплового канала, продолженная в основную камеру,пересекает плоскость разъема головки а зоне,ограниченной концентрическими окружностями с центром,размещенным на оси цилиндра, и с диаметрами, равными 0,2-0,75 его диаметра.. 4.Двигатель по пп. , отличающийся тем, что центр выходного окна соплового канала размещен в зоне, ограниченной радиусом, проведенным из центра основной камеры и равным 0,15-0, радиуса цилиндра. 5- Двигатель по пп. l-t, отличающийся тем, что, спиральная камера выполнена с переменным сечением, уменьшающимся по ходу потока. Источники информации принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка Японии N 9-i006, опублик. 197. 2.Акцептованная заявка Японии № 50-2508 4, кл. 51 В 2, опублик. 1975

.2 М

/Ух

3

иг.З