Головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания

 

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.

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%.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3