Камера сгорания поршневого двигателя

 

Сущность изобретения: двигатель имеет цилиндр 1 с крышкой 1, поршень 3, впускные 4 и выпускные 5 клапаны и камеру сгорания 6, выполненную в центральной части поршня и имеющую преимущественно цилиндрическую боковую стенку с днищем тороидальной формы. На крышке цилиндра 2 закреплен дефлектор 7, выполненный в виде экрана, имеющего форму, соответствующую конфигурации камеры 6 в поршне с возможностью погружения в последнюю при перемещении поршня 3 к верхней мертвой точке с минимальным зазором. Каналы 8 выполнены в виде спиралеобразных каналов в стенке дефлектора 7, и имеют сквозные отверстия 9 в нижней части. Каналы 8 могут иметь переменное сечение, а входные отверстия их совмещены преимущественно с прорезями для перемещения клапанов 4 и 5. Дефлектор 7 изготовлен из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью. Такое выполнение камеры сгорания позволит улучшить смесеобразование, интенсифицировать и стабилизировать процесс сгорания. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания типа 8 ДВТ с ГТН, содержащий цилиндры с поршнями, имеющими в днище камеру сгорания типа ЦНИДИ (Справочник Тракторные дизели, М. Машиностроение, 1981, с.536).

Многолетний опыт эксплуатации двигателей показал, что у таких камер в процессе эксплуатации происходит растрескивание кромок по всему контуру входного отверстия и в таких камерах происходит лишь неэффективное пленочное горение. Вследствие крекинга горючего в процессе горения топлива происходит отложение кокса на стенках камеры и распылителе форсунки, что снижает качество смесеобразования и горения. Кроме того, изменение режима работы камеры вызывает нестабильность горения и ухудшение эффективности работы двигателя.

Известно техническое решение (заявка ФРГ N OS 4302968 F 02 M 57/06, F 02 P 19\02 опубл.08.01.85.), в котором форсунка, впрыскивающая топливо в камеру сгорания двигателя снабжена корпусом накаливания, имеющим цилиндрический защитный элемент, образующий в камере облицованный концентрический узел, выполненный преимущественно в виде поперечной структуры кольцеобразной формы. Такое решение имеет те положительные свойства, что защищает элементы подающие топливо и верхнюю часть камеры от непосредственного соприкосновения с фронтом пламени и уменьшает потери теплоты в окружающую среду. Тем не менее оно практически не может сохранять температурный режим во всем объеме камеры и, тем более, при изменении ее режиму работы.

Известен (патент США N 4502430, F 02 B 9\08, F 02 P 19/02, публ. 03.05.85.) согласно которому, керамическая свеча накаливания имеет вытянутый керамический изолятор с круглым поперечным сечением и подогревающую обмотку, состоящую из двух частей. В неподвижных элементах поршневого двигателя такая керамическая защита имеет свои достоинства. Однако, тонкостенная керамика не обладает длительной прочностью при сравнительно высоких температурах стенок t_ст > 300^oС и при циклическом термическом и силовом нагружении, характерном для рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, в напряженном состоянии элементов, она не допускает упругих деформаций и является плохим фиксатором форсунки. Использование при этом подогревающей обмотки, требует непрерывного электропитания, что затрудняет установку таких устройств на транспортных двигателях.

Известно техническое решение (заявка N 2 559-837, Франция, F 02 F 3/14, 1/24 публ. 08.23.85. ), которым предусматривается в камере сгорания дизеля вставная деталь из стали в сочетании с профилированной канавкой, образующей винтообразные каналы. Наружная поверхность вставки имеет изолированное покрытие. Устройство снижает потери теплоты, а винтообразная поверхность способствует интенсификации процесса горения в камере. Существенным недостатком такого решения является недолговечность любого покрытия в пламени камеры и износ его под воздействием механических факторов в ходе рабочего процесса. Кроме того, такое устройство весьма мало способствует стабилизации процесса горения.

Известна (заявка ФРГ, N OS 3404709, F 02 M 53/04, публ. 08.14.85. Топливоподающая форсунка для двигателя внутреннего сгорания). Форсунка содержит корпус распылителя, имеющий сопловое отверстие в дне, обращенное в камере сгорания. При этом дно закрыто теплоизоляционным кольцом, которое выполнено в виде колпачка, охватывающего сопловое отверстие и надеваемого на цилиндрический участок корпуса распылителя, который ограничивает замкнутую воздушную щель со стороны дна. Наличие ограничивающих факторов изоляционного кольца и воздушного слоя значительно усложняет устройство и не может давать существенный эффект защиты форсунки от пламени камеры и вследствие этого сама камера таким путем остается практически недостаточно изолированной от потерь теплоты, что не способствует стабилизации горения в камере.

Наиболее близким по техническому результату к заявляемому техническому решению является дизельный ДВС с непосредственным впрыском топлива (Заявка Японии N 60-45737, F 02 B 23/06, опубл. 11.10.85), содержащий камеру сгорания, выполненную в центральной части днища поршня. Боковая стенка камеры имеет цилиндрическую форму. В теле поршня выполнены каналы небольшого диаметра. Один конец каждого канала заглушен, а второй выходит в камеру, причем выход канала в камеру направлен тангенциально к цилиндрической боковой поверхности камеры. В процессе расширения газ вытекает из каналов и интенсифицирует турбулизацию горящей смеси. Однако действие такого положительного фактора ограничивается временем опорожнения объема канала и не всегда является оптимальным при переменных скоростных режимах работы двигателя. Кроме того, изготовление такой камеры без применения специальных материалов снижает долговечность конструкции из-за возникновения трещин на входных кромках, а использование вставного элемента в поршне затрудняет ремонтопригодность конструкции. Существенным недостатком такой конструкции является возможность изменения параметров потока газа вследствие закоксовывания каналов.

Анализ указанных и других технических решений по подогреву топлива и сохранению теплоты в камерах при горении и его стабилизации, как уже отмечалось, показывает бесперспективность использования камер сгорания закрытого и полуоткрытого типа особенно на высокофорсированных дизелях.

Задачей изобретения является создание конструкции высокоэффективной камеры сгорания дизельного двигателя.

Техническим результатом данного изобретения является улучшение смесеобразования, интенсификации и стабилизации процесса сгорания.

Указанный технический результат достигается тем, что камера сгорания поршневого двигателя, имеющего цилиндр с крышкой, поршень, впускные и выпускные каналы, выполненная в центральной части поршня, имеющая преимущественно цилиндрическую боковую стенку с днищем тороидальной формы и каналы, выход которых направлен тангенциально к цилиндрической боковой поверхности камеры, имеет на крышке цилиндра дефлектор, выполненный в виде экрана, имеющего форму, соответствующую конфигурации камеры в поршне с возможностью погружения в последнюю при перемещении поршня к верхней мертвой точке с минимальным зазором.

Каналы выполнены в виде спиралеобразных канавок в стенке дефлектора, и имеют сквозные отверстия в нижней части.

Дополнительно каналы могут иметь переменное сечение, а входные отверстия их совмещены преимущественно с прорезями для перемещения клапанов.

Дефлектор изготовлен из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, например, из соединений на основе титана.

Установка дефлектора, имеющего форму, соответствующую конфигурации камеры в поршне, на крышке цилиндра, снабженного каналами спиралеобразной формы, позволяет организовать интенсивное вихревое движение заряда в конце такта сжатия вследствие вытеснения сжимаемого рабочего тела из надпоршневого пространства в камеру, расположенную в поршне, что способствует улучшению смесеобразования и сгорания топлива. Расположение каналов в неподвижном дефлекторе позволяет получать структуру мелко- и крупномасштабной турбулентности во всем объеме камеры сгорания за счет вытеснения части заряда из надпоршневого пространства в камеру через каналы при относительном перемещении дефлектора и поршня при подходе последнего к верхней мертвой точке, необходимую для обеспечения эффективного и полного сгорания при работе двигателя на различных скоростных и нагрузочных режимах, чему дополнительно способствует спиралеобразная форма каналов, имеющих переменное сечение, обеспечивающих сопловое течение перепускаемого рабочего тела. Кроме того, изготовление дефлектора из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью позволяет уменьшить тепловую напряженность поршня за счет перекрытия части его поверхности и, в особенности, кромок в период достижения максимальных значений температуры. Высокая теплоаккумулирующая способность дефлектора снижает склонность двигателя к нагревообразованию и улучшает полноту сгорания в особенности при работе двигателя на переходных режимах.

На чертеже приведена конструкция камеры сгорания поршневого двигателя, имеющего цилиндр 1 с крышкой 2, поршень 3, впускной 4 и выпускной 5 клапаны. Камера 6 выполнена в центральной части поршня и имеет преимущественно цилиндрическую боковую стенку с днищем тороидальной формы. На крышке цилиндра 2 установлен дефлектор 7, форма которого соответствует профилю камеры сгорания, выполненный из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, например, из соединений на основе титана, который имеет каналы 8, выполненные на боковой поверхности, ввиде спиралеобразных канавок преимущественно переменного сечения с отверстиями 9, расположенными в нижней части дефлектора. Входные отверстия каналов 8 преимущественно совмещены с прорезями для перемещения клапанов 4 и 5.

Камера работает следующим образом: в конце такта сжатия, когда нижняя кромка дефлектора 7 совмещается с верхней кромкой днища поршня 3, сжимаемое рабочее тело из надпоршневого пространства вытесняется в камеру сгорания 6 через каналы 8, выполненные в боковой стенке дефлектора 7. Каналы имеют спиралеобразную форму, преимущественно переменного сечения с выходными отверстиями 9, расположенными в нижней части, таким образом, что струи вытесняемого рабочего тела, имея сопловое течение, направляются тангенциально к боковой поверхности камеры сгорания. Это приводит к организации интенсивного осевого вихря, перемещаемого в процессе дальнейшего сжатия вдоль оси камеры, и приводит к организации мелко- и крупномасштабной турбулентности во всем объеме камеры 6, способствующей обеспечению эффективного и полного сгорания топлива при работе двигателя на различных скоростных и нагрузочных режимах. При этом дефлектор 7, изготовленный из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью предотвращает непосредственный контакт поверхности поршня 3 и, в особенности, кромок камеры сгорания 6 с высокотемпературными продуктами сгорания, что снижает тепловую напряженность материала поршня, а высокая теплоаккумулирующая способность дефлектора 7 снижает склонность камеры к нагарообразованию и улучшает полноту сгорания, в особенности, при работе двигателя на переходных режимах.

Формула изобретения

1. Камера сгорания поршневого двигателя, имеющего цилиндр с крышкой, поршень, впускные и выпускные клапаны, выполненная в центральной части поршня, имеющая преимущественно цилиндрическую боковую стенку с днищем тороидальной формы и каналы, выходы которых направлены тангенциально к цилиндрической боковой поверхности камеры, отличающаяся тем, что на крышке цилиндра закреплен дефлектор, выполненный в виде экрана, имеющего форму, соответствующую конфигурации камеры в поршне, с возможностью погружения в последнюю с минимальным зазором при перемещении поршня к верхней мертвой точке.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что каналы выполнены ввиде спиралеобразных канавок в стенке дефлектора и имеют сквозные отверстия в нижней части.

3. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что каналы имеют переменное сечение, а входные отверстия их совмещены преимущественно с прорезями для перемещения клапанов.

4. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что дефлектор изготовлен из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, например из соединений на основе титана.

РИСУНКИ

Рисунок 1