Форкамерный двигатель внутреннего сгорания

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (iu891980

4 а (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (53)M. Кл. (22) За я влено 21, О 7 ° 76 (21) 238866 7/25-06 с присоединением заявки №F 02 В 19/00

Гоеудврстееиный комитет (23 } Приоритет во делам изобретений н отирытий

Опубликовано 23 ° 12 ° 81. Бюллетень № 47

Дата опубликования описания 23. 12,81 (53) УДК,621.434. ., ° 043-224.3 ,(088,8) Л.И.Вахошин, С.В.Коробченко, Н.Н.Цапов, Я;В.Горячий, Л.Я.Литвин, И.И.Окунев и 10.М.Пташкин

1 (72) Авторы изобретения а бремени научнооторный институт о о Знаиени

Центральный ордена Трудового Красного исследовательский автомобильный и авт и Автомобильный ордена Трудового Крас завод им. Ленинского комсомола (71) Заявители (54) ФОРКАМЕРНЫй ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

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 выпуск1Î ной каналы с клапанами и дополнительная камера сгорания с установленными в ней свечой зажигания и клапаном подвода богатой смеси, причем основная камера сообщена с допол" нительной 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, Расположе" ние выходного окна соплового канала на поверхности основной камеры по отношению к впускному каналу в этом случае не оказывает влияния на органиэацию послойного распределения смеси в цилиндре,,так как поступающие раздельно смеси различного сос" тава эа ход всасывания при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) образуют вдоль оси .цилиндра два ra" зовых столба - два слоя, в соответствии с месторасположением источни" ков подвода 1 .

Однако за ход поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) на такте сжатия граница между слоями нарушается вследствие турбулизации, вызываемой движением днища поршня, и к моменту воспламенения в основной камере образуется топливо-воздушная смесь усредненного состава, промежуточно" го между заранее определенными обогащенной и бедной смесями. Это явле3

89 ние требует дополнительного регулирования состава богатой смеси, пода- ваемой в форкамеру, в сторону увеличения 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 изобретения является повышение экономичнос.-и форкамерного двигателя путем изменения организации послойного распределения смеси в заряде на такте впуска и снижение токсичности,.т.е. снижение содержания

N0, СО и других компонентов неполного сгорания в отработавших газах двигателя.

Цель достигается тем, что впускной канал на участке перед клапаном выполнен s виде спиральной камеры переменного сечения, уменьшающегося по ходу потока поступающей в камеру смеси, а выходное окно соплового канала на поверхности основной камеры размещено за линией, соединяющей центры 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

Р

При этом ось соплового канала, продолженная в основную камеру, пересекает плоскость разъема головки в зоне, ограниченной концентрическими 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 0,15-0,4 радиуса цилиндра.

При этом спиральная камера выполнена с переменным сечением, уменьшающимся по ходу потока.

На фиг, 1 изображен двигатель, поперечный разрез; на фиг, 2 - вид В на фиг.1; на фиг. 3. - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - вариант выполнения двигателя.

Двигатель 1 содержит цилиндр 2 с поршнем 3, соединенным кривошипно1980 ф

3S

55 шатунным механизмом с валом отбора мощности (не показано). Цилиндр 2 жестко соединен с головкой цилиндра

4, в которой выполнена основная камера 5 сгорания. Основная камера 5 может быть образована телом вращения с поверхностью, например, в виде сферы и с образующей, располагающейся симметрично относительно центральной оси, общей с осью цилиндра.

Допускается 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 4 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 14 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), 5

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 спираль ной вихревой камеры 15 и положение выходного окна 14 соплового канала I3 на поверхности основной камеры сгорания 5 взаимосвязаны таким образом, что выходное окно 14 размещено за линией 20, соединяющей центры 6.1 впускного 6 и выпускного 7 клапа нов, по направлению закрутки 18 спиральной вихревой камеры 15. Такая взаимосвязь местоположения выходного окна соплового канала показыва1ет, что с изменением направления заквутки 18 (по часовой или против часовой стрелки) изменяется расположение выходного окна соплового канала на поверхности основной камеры от носительно впускного клапана или впускного канала (фиг.4), Выходное окно 14 соплового канала 13 располагается в центральной зоне основной камеры 5, ограниченной радиусом 21, проведенным из цент ра 22 основной камеры 5, и равным

0,15-0,4 радиуса цилиндра. При таком расположении выходного окна сопл вого канала s центральной зоне основ ной камеры, направление оси 23 соплового канала может быть продиктовано условием выгодного размещения дополнительной камеры в головке цилиндра, однако необходима, чтобы ось 23 соплового канала 13, продолженная в основную камеру 5 сгорания, пересекала плоскость 24 разьема головки в зоне, ограниченной концентрическими окружностями 25, с центром, размещенным на оси 26 цилиндра и с диаметрами, равными

0,2-0,75 диаметра цилиндра, Это обес печивает 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 порш" нем, при этом угол наклона и зону сосредоточения (или направление) оси соплового канала можно связывать с плоскостью днища поршня 3, находящегося в ВИТ.

891980 6

Угол 27, образованный пересекающи мися в плоскости линиями 20 и 28

1 определяется необходимой турбулизацией входящего заряда, следующим образом.

Для того, чтобы обогащенная смесь, выходящая из окна 14 соплового канала !3, не захватывалась закрученной струей обедненной смеси, вытекающей

>0 из впускного канала 8, необходимо удалить выходное окно соплового канала от периферийного вихревого потои ка. Наиболее оптимальное для этого случая расположение центра 29 выходного окна 14 относительно впускного клапана такое, когда угол 27 между линией 20, соединяющей центры 6.1 и 7.1 соответственно клапанов 6 .и и линией 28, соединяющей цент"

?0 ры 29 и 22 соответственно выходного окна 14 и основной камеры сгорания 5, составляет 190-280, если угол отсчитывается от линии, соеди- няющей центры клапанов, в направ2s ленин закрутки, Двигатель работает следующим образом.

По впускному каналу 8 от отдельного карбюратора или одной секции многокамерного карбюратора поступает смесь обедненного состава котоо" рая, проходя через участок впускного канала, выполненный в виде спиральной вихревой камеры 15, приобретает закрутку. Закрученный поток бедной смеси по выходе с конечного минимального сечения спиральной ка" меры 15 ускоряется, и на такте впуска бедная смесь направляется к

QQ периферии цилиндра 2 и основной камере 5 сгорания, образуя столб вихря, располагающийся вокруг оси 26 цилиндра. Одновременно с этим из дополнительной камеры сгорания 10

45 через клапан 12 и сопловой канал в основную камеру 5 и,цилиндр 2 поступает топливо-воздушная смесь обогащенного состава.

Величина площади минимального поперечного сечения соплового канала 13

50 выбирается из условия средней расчетной скорости движения смеси в форкамерном впускном тракте 19 на режиме максимальной мощности. При скорости истечения смеси 70-80 м/с достигается наиболее эффективный выброс в основную камеру топливовоз" душной. смеси, обеспечивающий концентрацию обогащенной массы топлива в

891980

° гО г5

35 ю

55 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 НИТ и при взаимном расположении соплового канала 13 и спиральной камеры 15, определяемому направлением закрутки 18, образуют два концентрических объемных столба, один из которых неподвижный и размещенный внутри состо" ит 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 камере 10 - богатая смесь.

Смесеобразование может быть достиг 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 цилиндра до местоположения (по углу поворота) выходного окна 14 соплового канала

13, что составляет в оптимальном варианте 190-280

После воспламенения богатой сме" си в дополнительной камере 10 от искрового разряда свечи зажигания 11 факел пламени и продуктов неполного сгорания выбрасывается из соплового канала 13 в основную камеру 5. Так как ось 23 соплового канала 12, продолженная в основную камеру, пересекает плоскость 24 поршня 3 при нахождении его в ВМТ (или плоскость разъема головки) в зоне, ограниченной концентрическими окружностями

25 с диаметрами, равными 0,2-0,75 диаметра цилиндра, факел пламени направляется в центральную часть основной камеры 5 сгорания, где собрана масса смеси с повышенной концентрацией топлива. Вследствие высокой реакционной способности смеси с повышенной концентрацией топлива осуществляется эффективное воспламене

we и наиболее полное сгорание в основной камере 5, так как фронт пламени в ней распространяется радиально от центральной обогащенной топливом эоны к обедненной периферийной.

Такой процесс сгорания и органиэации смесеобразования в цилиндре не 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 14 соплового канала 13 в центральной зоне основной камеры 5 на участке, ограниченном г/Вц=0,28, где r - текущий радиус, кц - радиус цилиндра 2, топливная экономичность двигателя (g ) и выброс углеводородов (СН) с отработавшими газами существенно зависят от расположения выходного окна

14 соплового канала 13 относительно направления закрутки 18 спирального завитк спиральной вихревой камеры 15 впускно о канала 3. Более широкие пределы обеднения. состава смеси (большие величины d. - коэффициент избытка воздуха) и соответственно меньше значения NO CO и СН соответствуют их взаимному расположени., когда выходное окно 14 соплового канала 13 размещено за линией

20 центров впускного б и выпускного 7 клапанов s направлении закрутки 18 спирального завитка камеры 15, при котором угол 27 в горизонтальной плоскости между линиями 20 и 28 составляет )" = 210О т.е. больше по. уокружности цилиндра 2.

При наивыгоднейшем взаимном относительном положении выходного окна

14 соплового о;верстия 13 и направления закрутки 18 спиральной вихревой камеры 15 впускного канала 8 (f = 21(f) показатели двигателя по топливной экономичности (яв) и Выбросам с от работавшими газами углеводородов (СН) и окиси азота (NOx) зависят от положения выходного окна 14 соплового отверстия 13 на участке центральной зоны основной камеры 5 сго980 f0 носительным радиусом t/Вц, изменяющим ся в пределах от 0,15 до 0,4.

Результаты сравнительных испытаний серийного и предлагаемого двигателей приведены в таблице.

Нагрузка

1!

Относительное повышение топливной экономичности, 3

N0x

СН

СО

30

Полная

50

Средняя

10

Холостой ход нией, соединяющей центры клапанов, и линией, соединяющей центры основной камеры и выходного окна соплово0 го канала составляет 190-280.

3. Двигатель по пп.1 и 2, .о т л ич а ю шийся тем, что ось соплового канала, продолженная в основную камеру, пересекает плоскость разъема головки в зоне, ограниченной концентрическими окружностями с центром,размещенным на оси цилиндра, и с диаметрами, равными 0,2-0,75 его диаметра.

4. Двигатель по пп. 1 "3 чающи йся тем, чтоцентр выходного окна соплового канала размещен в зоне, ограниченной радиусом, проведенным из центра основной камеры и равным 0,15-0,4 радиуса цилиндра.

5. Двигатель по пп. 1-4, о т л ич а ю шийся тем, что, спиральная камера выполнена с переменным сечением, уменьшающимся по ходу потока.

Формула изобретения

1. Форкамерный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с. поршнем и головку цилиндра, в которой выполнены основная камера сгорания, впускной и выпускной каналы с клапа- 35 ,нами и дополнительная камера сгорания . с установленными в ней свечой зажига1ния и клапаном подвода богатой смеси, сообщенная с основной камерой сопловым каналом, о т л, и ч а ю щ и Й- 4О с я тем, что, с целью повышения экономичности и снижения токсичности обработавших газов, впускной канал на участке перед клапаном выполнен в виде спиральной камеры, а вы- 45 ходное окно соплового канала расположено на поверхности основной камеры за линией, соединяющей - центры впускного и выпускного клапанов, по направлению закрутки спирали. о

2. Двигатель по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что угол между лиИсточники инФормации принятые во внимание при экспертизе

1. Заявка Японии N 49-4006, опублик. 1974.

2. Акцептованная заявка Японии

3 50-25084, кл. 51 В 2, опублик. 1975

9 891 рания. Лучшие показатели двигателя обеспечиваются при положении выходного окна 14 соплового 1этверстия 13 на участке центральной зоны основной камер 5 сгорания, ограниченном от«

Таким образом, предлагаемый двигатель позволяет экономить топливо и дает возможность значительно снизить загрязнение окружающей среды токсичными продуктами в отработавших газах.

Снижение токсичности отработавших газов, 3

891980

Составитель Г.Смирнова

1ехред,Л. Пекарь .

Редактор Н.Джуган

КоРРектоР Г Назарова

Тираж 584 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Н-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 11180/ч9 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, Й