Камера сгорания горючей смеси
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием. Камера сгорания включает крышку цилиндра со свечой зажигания, клапаны и днище поршня, при этом поверхность крышки цилиндра камеры сгорания выполнена по ходу движения детонационной волны в форме сегмента сферы у свечи зажигания, в форме сужающейся трапеции в области клапанов и остроклиновидной формы в конце камеры сгорания, при этом поверхность тарелки клапана и днище вытачиваются плоскими. Изобретение обеспечивает повышение термического КПД за счет высокой степени сжатия, а также увеличение удельной мощности и экономичности двигателя. 1 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием.
Известны карбюраторные двигатели, камеры сгорания которых образованы поверхностью крышки цилиндра, частью поверхности цилиндра и поверхностью днища поршня ("Тракторы и автомобили". М.: Колос, 1971 г., с.64).
Недостаток известных камер сгорания заключается в том, что при возникновении детонационного сгорания горючей смеси происходит повышенный нагрев стенок камеры сгорания, неполнота сгорания топлива, падение мощности и экономичности двигателя, а иногда и выход из строя деталей двигателя.
Наиболее близким аналогом является клиновидной формы камера сгорания двигателя ГАЗ-53 (ЗИЛ-130) (Автомобиль ГАЗ-53-12 г. г. Горький, 1988, с.20).
Недостаток известной формы камеры сгорания заключается в том, что при увеличении степени сжатия, для повышения термического к.п.д. двигателя, возникающий режим детонационного сгорания горючей смеси приводит к перегреву двигателя и снижению его мощности и экономичности.
Причиной этих негативных последствий детонационного сгорания горючей смеси является высокая скорость (около 900 м/с) воспламенившегося газа, которую газ приобретает при прохождении детонационной волны (Г.Н.Абрамович "Прикладная газовая динамика". М.: Наука, 1969, с.204-217). Детонационная волна распространяется в камере сгорания со сверхзвуковой скоростью (2000-2500 м/с) и, хаотично отражаясь от поверхностей камеры сгорания, приводит к резонансу деталей поршневой группы (А.Н.Воинов "Сгорание в быстроходных поршневых двигателях". М.: Машиностроение, 1977), вследствие чего происходит выкрашивание кромок поршней и выход из строя коренных и шатунных подшипников.
Встречный удар волн друг об друга приводит к образованию высокоскоростных завихрений горячего газа, вследствие этого происходит повышенный нагрев поверхностей камеры сгорания, обгорание кромок клапанов, охлаждение газа, вследствие этого происходит снижение мощности и экономичности двигателя.
Задачей изобретения является создание конструкции высокоэффективной камеры сгорания карбюраторного двигателя.
Технический результат данного изобретения заключается в том, что повышается термический к.п.д. двигателя за счет использования высокой степени сжатия, а также увеличивается удельная мощность и экономичность двигателя.
Сущность изобретения в том, что камера сгорания, включающая крышку цилиндра со свечой зажигания, клапаны и днище поршня, отличается тем, что поверхность крышки цилиндра камеры сгорания выполнена по ходу движения детонационной волны в форме сегмента сферы у свечи зажигания, в форме сужающейся трапеции в области клапанов и остроклиновидной формы в конце камеры сгорания, при этом поверхность тарелки клапана и днище вытачиваются плоскими.
На чертеже (а, б) показан продольный разрез камеры сгорания и показаны обозначенные сечения объема камеры сгорания А-А; Б-Б; В-В; Г-Г. Около свечи 1 объем камеры сгорания имеет форму сегмента сферы, в области клапанов 2 сечения имеют трапецеидальную форму, а в конце 3 камера сгорания имеет остроклиновидную форму. Начало и конец камеры сгорания имеются в виду по ходу движения детонационной волны.
Несмотря на кажущиеся незначительными изменения камеры сгорания, они имеют решающее значение для повышения экономичности и удельной мощности двигателя при использовании режима детонационного сгорания горючей смеси. Воспламенение горючей смеси происходит при нахождении поршня 4 в "верхней мертвой точке".
Зная характер движения газа за детонационной волной (падение скорости газа от 900 м/с до нуля на первой половине пути, пройденного детонационной волной), в предложенной камере сгорания детонационная волна не встречает на своем пути ударно-отражающих поверхностей. Для этого свеча зажигания 1 расположена на краю камеры сгорания и при сферическом распространении детонационной волны от свечи зажигания, поверхность фронта детонационной волны все время перпендикулярна поверхностям камеры сгорания с незначительными отклонениями.
Также в предлагаемой форме камеры сгорания при прохождении детонационной волной первой половины пути основная часть горючей смеси (более 80%) является воспламенившейся. Для этого (если считать поверхность поршня основанием фронта детонационной волны) при прохождении первой четверти пути, площадь фронта детонационной волны резко увеличивается, т.е. увеличиваются величины основания и высоты фронта детонационной волны. На второй четверти пути площадь фронта детонационной волны остается максимальной и постоянной (приблизительно), т.к. величина основания увеличивается, а высота уменьшается.
На оставшейся части пути площадь фронта детонационной волны резко уменьшается, т.к. уменьшаются величины основания и высоты фронта детонационной волны до нулевых значений и это приводит к тому, что доля продуктов сгорания, обладающих высокой кинетической энергией, оказывается незначительной.
И эта незначительная часть продуктов сгорания, отразившись от той части камеры сгорания 3, которая имеет остроклиновидную форму, не сможет вызвать завихрений продуктов сгорания, а соответственно не приведет к перегреву двигателя и падению экономичности.
Для того чтобы экономичность двигателя не падала при высоких оборотах и малой нагрузке, когда в камере сгорания находится меньшее количество горючей смеси, надо, чтобы и тогда качество горючей смеси было склонно к детонационному возгоранию, а энергии в катушке зажигания должно хватать для возбуждения детонационной волны в зоне электрического разряда запальной свечи 1. И только в этом случае детонационная волна будет распространяться по заданному пути.
За счет этого возможно создание двигателя, в котором реализуются такие важные преимущества детонационного сгорания горючей смеси, как:
1. Использование высокой (оптимальной) величины степени сжатия, которая приводит к повышению термического к.п.д. двигателя.
2. Из-за высокой скорости детонационного распространения фронта пламени, увеличение максимальных оборотов двигателя в два-три раза, что приводит к увеличению удельной мощности и экономичности двигателя. К экономичности приводит то, что при высоких оборотах двигателя время соприкосновения горячих газов со стенками двигателя уменьшается, а значит, уменьшается и доля теплоты, уходящая от горячих газов в систему охлаждения двигателя во время рабочего хода.
3. Всеядность, т.е. возможность использования в качестве топлива различных сортов бензина, дизельного топлива, керосина, природного газа, водорода, т.к. горючая смесь всех перечисленных видов топлива имеет склонность к детонационному (взрывному) сгоранию.
Камера сгорания, включающая крышку цилиндра со свечой зажигания, клапаны и днище поршня, отличающаяся тем, что поверхность крышки цилиндра камеры сгорания выполнена по ходу движения детонационной волны в форме сегмента сферы у свечи зажигания, в форме сужающейся трапеции в области клапанов и остроклиновидной формы в конце камеры сгорания, при этом поверхность тарелки клапана и днище вытачиваются плоскими.
