Камера сгорания поршневого двигателя

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к разработке и проектированию камер сгорания топлива поршневых двигателей, преимущественно с искровым зажиганием. В предлагаемой камере длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении: l₀=((s/(C₀-1)-s₀)*d²)^(1/3), а максимально допустимая степень сжатия С₀ установлена эмпирическим трансцендентным уравнением 1,118((s/(C₀-1)-s₀)*d²)^1/3-a+b*С₀=0, где l₀ - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, s - величина хода поршня. С₀ - допустимая степень сжатия, s₀ - размер надпоршневого зазора, d - диаметр поршневого цилиндра; а и b - эмпирические коэффициенты, определяемые из анализа двигателей-аналогов, например, типа 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм. Применение предлагаемой камеры сгорания в карбюраторном двигателе 44 7,8/7,8 увеличивает эффективный КПД его на 9,3%, мощность и крутящий момент двигателя на 10,2%, снижает удельный расхода топлива на 8,5%. Изобретение обеспечивает минимальную поверхность охлаждения объема камеры сгорания, достижение максимальных значений коэффициента использования тепла камер и бездетонационную степень сжатия. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а конкретно - к камерам сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания преимущественно с искровым зажиганием, и может быть использовано для бензиновых двигателей при впрыске топлива.

Известны плоскоовальные и грушевидные камеры сгорания [1]. Камеры сгорания такой конструкции характеризуются достаточной площадью поверхностей вытеснителя, составляющей (20...25)% от площади торца поршня. Дальнейшее увеличение площади вытеснителя приводит к уменьшению зазоров между тарелкой клапана и стенкой камеры сгорания, а также к уменьшению размеров клапанов. Такие конструктивные особенности ухудшают наполнение поршневого цилиндра, что совершенно не допустимо для современных высокооборотных двигателей [2. С.4].

Известна клиновая камера сгорания, которая может выполняться с повышенными зазорами между тарелкой клапана и стенкой камеры без ухудшения ее компактности, что обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление при входе рабочей смеси в поршневой цилиндр [2. С.5]. Ряд важных преимуществ клиновой камеры определил широкое ее применение на автомобильных двигателях. При такой камере бездетонационная работа двигателя зависит от большого количества взаимосвязанных параметров, среди которых наиболее важным является максимальное расстояние, проходимое фронтом пламени [3. С.257]. Данное расстояние немного меньше диаметра поршневого цилиндра для значений степени сжатия до 10:1 и примерно равно половине диаметра при больших значениях степени сжатия [3. С.266]. В частности, в клиновой камере двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:

где h_к - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания; С_к - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 1).

Клиновая камера характеризуется следующими недостатками.

1. Несмотря на эффекты пульсации и образование турбулентностей, при сжатии в такой несимметричной камере, для обеспечения достаточно быстрого сгорания топлива, которое позволило бы исключить детонацию при высоких степенях сжатия смеси, требуются дополнительные меры по увеличению интенсивности турбулентности [3. С.300].

2. Потери тепла в клиновой камере сгорания приближаются к максимальным, так как отношение площади поверхности стенок к ее объему слишком велико, что недопустимо для современных двигателей с компактными камерами сгорания [4. С.62]. Увеличение отношения площади поверхности охлаждения камеры к ее объему приводит к возрастанию тепловых потерь, снижению температуры смеси на такте сжатия, ухудшению экономичности, а также вызывает большую чувствительность к вязкости масла и температуре охлаждающей воды [9. С.16].

3. Завышенная несимметричность клиновой камеры исключает минимальную удаленность точек наружной поверхности камеры от свечи зажигания [5. С.112], что не допустимо для современных двигателей с высокой степенью сжатия, для которых достижение минимального расстояния, проходимого фронтом пламени, является наиважнейшим требованием [3. С.266].

Известна камера сгорания с лучшими показателями, например, шатровая [5. С.120]. В такой камере размещаются клапаны увеличенного размера, а отношение площади поверхности камеры к ее объему не велико. Камера отличается малым расстоянием продвижения фронта пламени и обеспечивает хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, так как этому не препятствуют стенки цилиндра и камеры сгорания. Шатровая камера имеет меньший путь фронта пламени даже при рабочем объеме цилиндра, превышающем рабочий объем клиновой камеры.

В шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10 [7] бездетонационное сгорание бензина АИ-93 достигается при условиях:

где h_ш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере, С_ш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси (Приложение 2).

Шатровая камера не подходит для двигателей с повышенной степенью сжатия, так как зона горения становится узкой, пламя рано гасится, сильно увеличивается выделение углеводородов. Данная конструкция идеальна для двигателей с турбонаддувом, степень сжатия у которых может быть близкой к 9:1. [3. С.298].

Значения максимального пути фронта пламени и степени сжатия по уравнениям (1, 2) позволяют приближенно оценить взаимосвязь между ними в виде

где ι_б и С_б - длина пути условного фронта пламени и бездетонационная степень сжатия; а и b - эмпирические коэфициенты, определяемые из анализа двигателей - аналогов, например, 4Ч 7,8/7,8 и ЗМЗ - 4063, для которых а=109,54 мм, b=6,537 мм.

За прототип принимается камера сгорания поршневого двигателя с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную полость цилиндрической формы, продольная ось которой перпендикулярна к оси цилиндра [8]. Площадь поверхности такой полости, ее диаметр и длина пути пламени определяются формулами:

где F_ц, V_ц, d_ц, h_ц - соответственно, площадь охлаждения, объем, диаметр и длина пути фронта пламени. При h_ц=l_б, С_ц=С_б, V_ц=(s/(С_ц-1)-s₀)*π*d²/4 [6] из выражений (3, 5) следует трансцендентное уравнение для определения степени сжатия прототипа

где s - ход поршня, С_ц - бездетонационная степень сжатия прототипа, s₀ - надпоршневой зазор, d - диаметр поршневого цилиндра.

Значения площадей наружных поверхностей сравниваемых камер позволяет определить коэффициент использования тепла для цилиндрической камеры прототипа. Из работы [10] и принципа подобия [5. С.187] следует:

где ξ_ц, ξ_к - коэффициенты использования тепла камер прототипа и клиновой, F_k - площадь наружной поверхности клиновой камеры (Приложение 1). Для цилиндрической камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6] при ориентировочной длине l_ц=78 мм результаты расчетов по уравнениям (4, 5, 6, 7) приведены в табл.1. Видно, что камера по прототипу имеет лучшие возможности для увеличения степени сжатия и коэффициента использования тепла по сравнению с клиновой и шатровой камерами.

Камера сгорания по прототипу характеризуется следующими недостатками.

1. Торцевая поверхность поршня, обращенная к камере сгорания, снабжена выступающим вытеснителем, который увеличивает массу поршня, а следовательно, и силы инерции, что ухудшает массогабаритные показатели двигателя. Размещение камеры сгорания на данном выступе и примыкающей к нему выемке поршня повышает отдачу тепла в область расположения поршневых колец, что способствует высокооборотной детонации и последующего калильного зажигания [3. С.299]. Производство фигурных поршней сложнее и дороже производства поршней с плоским днищем. При таких поршнях возникает опасность неравномерного прогрева поршней, что уменьшает их надежность и долговечность. Фигурные поршни усложняют стыковку блока цилиндров и его головки [11. C.14].

2. Из выражения (4), определяющего площадь F_ц, видно, что при изменении длины l_ц от нуля до размера диаметра поршневого цилиндра площадь F_ц может принимать минимальное значение, например, при l_ц=l₀. Однако длина l₀ не определена, ее связь с величиной степени сжатия не установлена, поэтому определить максимально допустимую бездетонационную степень сжатия по уравнению (6) и максимальный коэффициент ξ по уравнению (7) не представляется возможным, что исключает повышение мощностных и экономических показателей путем увеличения степени сжатия топливовоздушной смеси.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальной поверхности охлаждения заданного объема камеры сгорания и минимального пути в ней условного фронта пламени, что обеспечивает достижение максимальных значений коэффициента ξ, и бездетонационной степени сжатия по уравнениям (6, 7).

Для достижения указанного технического результата в камере сгорания, содержащей образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическю полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер данной длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем соотношении:

а максимально допустимая степень сжатия С₀ установлена эмпирическим трансцендентным уравнением

где l_o - оптимальная длина основной полости цилиндрической камеры, d - диаметр поршневого цилиндра, s - величина хода поршня. С₀ - допустимая степень сжатия. s₀ - размер надпоршневого зазора. Для камеры двигателя 4Ч 7,8/7,8 [6], отличающейся равенством диаметра и длины ее цилиндрической полости, результаты расчета по уравнениям (4, 5, 7) с учетом выражений (8, 9) приведены в табл.1.

Табл.1
Камера	lц/l0, мм	dц/d0, мм	hц/h0, мм	Fц/F0, мм2	Сц/С0	ξц/ξ0
По прототипу	78	24,4341	46,0220	6925,24	9,7	0,9354
Предлагаемая	34,1930	34,1930	38,2289	5509,54	10,9	0,9486

Из табл.1 видно, что отличительный признак, выраженный равенством длины ι₀ цилиндрической полости камеры и ее диаметра d₀, обеспечивает положительный эффект в виде уменьшения поверхности F₀ охлаждения цилиндрической полости и сокращения пути в ней условного фронта пламени, что повышает коэффициент ξ₀ использования тепла на 1,4%, а бездетонационную степень сжатия С₀ на 12,4%.

На фиг.1 изображена предлагаемая цилиндрическая камера в разрезе по плоскости, перпендикулярной к оси цилиндрической полости камеры; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 при размещении поршня в верхней мертвой точке.

Камера сгорания содержит основную цилиндрическую полость 1, образованную выемками в головке блока 2 и в поршне 3, причем продольная ось цилиндрической полости расположена перпендикулярно к продольной оси 4 поршневого цилиндра 5. К основной полости 1 примыкает надпоршневой зазор 6, образованный сводом 7 головки блока 2 и торцом 8 поршня 3. В цилиндрической полости 1 установлена свеча зажигания 9 для воспламенения топливовоздушной смеси, а рядом с ней - клапана 10, например, разноименные. Цилиндрическая полость 1 (фиг.2) ограничивается длиной l₀, равной величине диаметра d₀, а площадь F₀ наружной поверхности полости и максимальная длина h₀ пути в ней условного фронта пламени, ее коэффициент ξ₀ использования тепла определяются выражениями:

Оптимальная длина l₀ предлагаемой камеры определяется путем дифференцирования функции F_ц (4) при условии l_ц=l₀, приравнивания нулю производной от функции F_ц и решения полученного алгебраического уравнения вида V/l₀ ²=(π*V/l₀)^(1/2)/2, из которого при V=(s/(С₀-1)-S₀)*π*d²/4 [6] следует

где l₀ - оптимальная длина цилиндрической полости. С₀ - оптимальная степень сжатия топливовоздушной смеси. Подставляя значение h₀ из (10) в эмпирическое уравнение (3) с применением замены l_б=h₀ получаем трансцендентное уравнение для определения бездетонационной степени сжатия С₀ предлагаемой камеры

Уравнения (10, 11, 12) позволяют по аналогу и исходным параметрам: диаметру поршня, величине его хода, надпоршневому зазору; выполнить камеру с минимальной длиной пути фронта пламени, с максимально допустимой бездетонационной степенью сжатия, с повышенным коэффициентом использования тепла.

При работе двигателя на такте сжатия топливовоздушная смесь перетекает из надпоршневого объема в объем цилиндрической полости 1. Вследствие радиальной поверхности полости 1 и тангенциального входа смеси в полости 1 образуется интенсивное ее вращение относительно продольной оси полости. Скорость вращения значительно усиливается при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке, что снижает газодинамические потери и способствует улучшению смесеобразования и увеличению скорости распространения пламени. После зажигания от свечи топливовоздушной смеси и последующего ее сгорания продукты горения топлива тангенциально выбрасываются под возросшим давлением в надпоршневой зазор 6, где они совершают полезную работу в форме преоделения сопротивления поршня своему перемещению.

Сокращение периода видимого сгорания топлива приводит к повышению антидетонационных качеств, что позволяет при заданном октановом числе топлива увеличить степень сжатия и, таким образом, повысить мощностные и экономические показатели двигателя. В табл.2 приводится сравнение аналога и двигателя с предлагаемой камерой, где эффективные показатели сравниваемых двигателей и их основные параметры определены по методике работы [6]. Из табл.1 видно, что использование предлагаемой камеры в карбюраторном двигателе [6], отличающейся минимальной площадью наружной поверхности и минимальной длиной пути фронта пламени, повышает мощность двигателя на 11,2%, снижает удельный расхода топлива на 9,2%, а эффективный КПД увеличивает на 10,2%.

Табл.2
№	Характеристика	Обозначение	Двигатель
1	Марка двигателя		4Ч 7,8/7,8	4Ч 7,8/7,8
2	Номинальные обороты коленвала, об/мин	n	5600	5600
3	Сорт бензина		АИ-93	АИ-93
4	Конструкция камеры в головке цилиндра		Клиновая	Предлагаем
5	Размер надпоршневого зазора, мм	s0	1,3	1,3
6	Бездетонационная степень сжатия	Cб	8,5	10,9
7	Максимальный путь фронта пламени, мм	h	53,98	38,23
8	Объем клиновой и цилиндрической полости, куб. мм	V	43483	31398
9	Площадь клиновой и цилиндрической полости, кв. мм	F	9655	5509
10	Коэффициент использования тепла	ξ	0,91	0,9486
11	Механические потери, МПа	pm	0,1985	0,1985
12	Среднее эффективное давление, МПа	pе	0,869	0,9662
13	Эффективный КПД	ηе	0,272	0,2998
14	Эффективный расход топлива, г/(квт*час)	ge	301	273
15	Мощность двигателя, кВт	Ne	60,42	67,22
16	Литровая мощность, кВт/л	Nл	40,55	45,09
17	Крутящий момент, Н*м	Me	103,1	114,63

Источники информации

1. Сухарева Л.С. Влияние формы камеры сгорания на склонность карбюраторного двигателя к детонации. // Автомобильная промышленность. №10, 1964, с5.

2. Дмитриевский А.В. Камеры сгорания бензиновых двигателей. НИИНавтопром. Серия: "Автомобилестроение". М., 1967, 34 с.

3. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. Под ред. Д.Хиллиарда, Дж.Спрингера. Пер. с английского. М.: Машиностроение, 1988, 509 с.

4. Дмитриевский А.В. Автомобильные двигатели. М.: Астрель. А.С.Т. 2003, 127 с.

5. Мацкерле Ю. Современный экономичный двигатель. Пер. с чешского В.Б.Иванова. М.: Машиностроение, 1987, 318 с.

6. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 2003, 496 с.

7. Баклушин А.Ф. и др. Двигатели ЗМЗ для автомобилей "ГАЗель" и "Соболь". М.: ООО "Атласы автомобилей", 2000, 224 с.

8. Описание изобретения к авт. св. №337547, кл. F02b 23/08, оп 05.05.72. Бюл. №15.

9. Семенов Б.Н., Павлов Е.П., Копцев В.П.. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности. Л.: Машиностроение, 1990, 240 с.

10. Исследование влияния различных форм камер сгорания на параметры рабочего процесса дизеля. Отчет №61. НАМИ. М., 1949, с.

11. Сухарева Л.С. Камеры сгорания автомобильных карбюраторных двигателей. НИИНАВТОсельхозмаш. Серия "Автомобилестроение". М., 1965, 30 с.

Камера сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, преимущественно с искровым зажиганием, содержащая образованную выемками головки блока и поршня основную цилиндрическую полость, продольная ось которой перпендикулярна к оси поршневого цилиндра, отличающаяся тем, что длина основной цилиндрической полости выполнена равной ее диаметру, размер длины определен в зависимости от диаметра поршневого цилиндра, хода поршня, степени сжатия, надпоршневого зазора в следующем отношении:

l₀=((s/(C₀-1)-s₀)·d²)^1/3,

а степень сжатия С₀ установлена по эмпирическому трансцендентному уравнению

1,118·((s/(C₀-1)-s₀)·d²)^(1/3)-a+b·C₀=0,

где l₀ - длина основной цилиндрической полости камеры сгорания;

s - величина хода поршня;

С₀ - максимально допустимая бездетонационная степень сжатия;

s₀ - размер надпоршневого зазора;

d - диаметр поршневого цилиндра;

а=h_k+b·C_k - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,

где h_k - длина максимального пути условного фронта пламени, равная максимальному размеру клиновой камеры от свечи зажигания;

C_k - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси для двигателя ч4 7,8/7,8;

b=(h_k-h_ш)/(С_ш-C_k) - коэффициент, определяющий бездетонационную степень сжатия,

где h_ш - длина максимального пути фронта пламени в шатровой камере карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10;

С_ш - бездетонационная степень сжатия топливовоздушной смеси карбюраторного двигателя ЗМЗ-4063.10.