Патент на изобретение №2343296

(54) КАМЕРА СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеет дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, при этом дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания, при этом объем дополнительной камеры-аккумулятора воздуха составляет 20-30% объема камеры сгорания, причем она выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например, из никелевой стали или керамических материалов. Рассмотрены варианты, когда дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в крышке цилиндра, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания к центру поршня, а также когда дополнительная камера-аккумулятор воздуха выполнена отдельно от крышки цилиндра, а ось сопла направлена поперек цилиндра и камеры сгорания. Изобретение направлено на повышение интенсивности перемешивания топлива с воздухом во время процесса горения топлива, обеспечение полноты сгорания топлива, повышение экономичности и моторесурса двигателя, снижение токсичности и дымности выхлопных газов на всех режимах работы двигателя. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания, а именно к двигателям с камерой сгорания, разделенной на две части, и может найти применение в карбюраторных и дизельных двигателях внутреннего сгорания.

Получить качественную смесь топлива с воздухом существующими приборами смесеобразования практически невозможно. В камеру сгорания топливо попадает, в лучшем случае, в виде капель размером в один микрон, причем в этой капле находятся миллионы молекул углерода и водорода. Эти капли нужно испарить, термически разложить на отдельные атомы и перемешать с воздухом. Капля топлива в это время представляет из себя сферу с повышенным давлением внутри сферы, состоящей из газообразного водорода и атомарного негазообразного углерода. При этом внутри сферы создаются идеальные условия для образования сажи-графита и возможно очень мелких алмазов, которые частично приклеиваются к масляной пленке на стенке цилиндра и превращают постепенно масло в картере двигателя в темную протирочную пасту на основе графита и очень мелких алмазов. При хорошем перемешивании и некотором избытке воздуха все это на последнем этапе горения топлива может сгореть и двигатель при этом покажет высокую экономичность. Однако топливо в объеме камеры сгорания дизеля распределяется с большой неравномерностью, поэтому для качественного процесса сгорания приходится применять высокие коэффициенты избытка воздуха, равные 4,70-2,20 (Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990 г., стр.108).

Для дизелей с диаметром поршня менее 150 мм используют полуразделенные и разделенные камеры сгорания, которые обеспечивают хорошее перемешивание топлива с воздухом при коэффициенте избытка воздуха 1,5-1,7 для полуразделенных камер сгорания и 1,25-1,35 для разделенных камер сгорания (Лебедев О.Н., Сотов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990 г., стр.114, 116, 117). Однако двигатели с этими камерами сгорания имеют повышенный расход топлива, вследствие дополнительных тепловых и аэродинамических потерь (при перетекании воздуха и газов из одной полости в другую), а также увеличенных тепловых потерь из-за большой теплоперепадающей поверхности.

Наиболее близким аналогом является камера сгорания с предкамерным смесеобразованием (Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990 г., стр.117), в которой объем сжатия разделен на основную камеру и предкамеру, которая размещена в крышке цилиндра. Камеры соединены между собой несколькими каналами. Предкамера имеет сравнительно небольшой объем 25-40% камеры сгорания. Рабочий процесс предкамерного дизеля протекает следующим образом. В процессе сжатия воздух из надпоршневого пространства через соединительные каналы поступает в предкамеру. Это перетекание происходит при значительных перепадах давления (300-600 кПа) и с высокими скоростями, вследствие чего в предкамере возникает интенсивное неупорядоченное движение воздушного заряда. Топливо впрыскивается навстречу воздушному потоку, при этом топливо хорошо перемешивается с воздухом, воспламеняется и частично сгорает. Давление в предкамере резко повышается и смесь топлива, продуктов сгорания и воздуха начинает выбрасываться в основную камеру, при этом давление в предкамере резко падает. В основной камере в это время происходит интенсивное струйное смешение истекающей из предкамеры среды с воздухом и сгорание основной части топлива.

Недостатки двигателей с разделенными камерами сгорания сводятся к следующему:

– низкие пусковые свойства;

– повышенный расход топлива;

– усложнена конструкция крышки цилиндра, что связано с размещением в ней дополнительной камеры.

По этой причине смесеобразование в разделенных камерах сгорания нашло применение в малоразмерных высокооборотных 4-х тактных дизелях. В 2-х тактных дизелях эти способы смесеобразования не используются ввиду трудности очистки дополнительных камер от отработанных газов.

Поставлена задача повысить интенсивность перемешивания топлива с воздухом во время сгорания с тем, чтобы обеспечить полноту сгорания топлива и соответственно повысить экономичность и моторесурс двигателя, повысить среднее индикаторное давление цикла, снизить дымность выхлопа на режиме максимальной мощности.

Эта задача решена следующим образом.

В соответствии с прототипом камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршня, имеет дополнительную камеру-аккумулятор воздуха.

Согласно изобретению:

– по первому варианту – камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне двигателя и соединена с камерой сгорания соплом, причем ось сопла направлена через центр камеры сгорания, а объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, при этом камера-аккумулятор воздуха выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелированной стали или керамических материалов;

– по второму варианту – камера-аккумулятор размещена в крышке цилиндра и соединена соплом с камерой сгорания, причем ось сопла направлена через центр камеры сгорания, а объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, при этом камера-аккумулятор воздуха выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелированной стали или керамических материалов;

– по третьему варианту – камера-аккумулятор воздуха размещена отдельно от крышки цилиндра и соединена соплом с камерой сгорания, причем ось сопла направлена поперек цилиндра и камеры сгорания, а объем камеры-аккумулятора воздуха 20-30% объема камеры сгорания, при этом камера-аккумулятор воздуха выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелированной стали или керамических материалов.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

– на Фиг.1 – камера сгорания с поршнем в верхней мертвой точке с дополнительной камерой-аккумулятором воздуха, размещенной в поршне;

– на Фиг.2 поясняется, как дополнительная камера-аккумулятор воздуха по первому варианту создает вихрь, перемешивающий топливо с воздухом во время начала рабочего хода;

– на Фиг.3 – размещение дополнительной камеры-аккумулятора воздуха в крышке цилиндра 2-х тактного двигателя с петлевой продувкой;

– на Фиг.4 – размещение дополнительной камеры-аккумулятора воздуха отдельно от крышки цилиндра 4-х тактного двигателя.

Устройство и работа камеры сгорания

В цилиндре 1 надпоршневое пространство соединено с дополнительной камерой-аккумулятором воздуха 2 соплом 3. Камера сгорания 4 размещена в крышке цилиндра 5. Дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне 6 (Фиг.1, 2).

Камера сгорания работает следующим образом:

когда поршень 6 находится в нижней мертвой точке и в цилиндре 1 заканчивается такт продувки цилиндра 1 свежим зарядом воздуха, давления воздуха в надпоршневом пространстве и в дополнительной камере-аккумуляторе воздуха равны.

В процессе сжатия воздух из надпоршневого пространства через сопло 3 перетекает в дополнительную камеру 2, где и накапливается. В конце сжатия в камеру сгорания 4 впрыскивается топливо, где оно воспламеняется и в камере сгорания 4 резко повышаются давление и температура газов, при этом в дополнительную камеру 2 будут перетекать сгоревшие продукты топлива. Под действием высокого давления газов поршень 6 пойдет вниз и начнется такт рабочего хода. Камера сгорания 4 увеличится в объеме, давление в камере сгорания уменьшится и наступит момент, когда давления газов в камере сгорания 4 и давление воздуха в дополнительной камере-аккумуляторе воздуха сравняются. Вскоре давление в дополнительной камере 2 будет выше и воздух, аккумулированной в дополнительной камере 2, через сопло 3 пойдет через центр камеры сгорания 4, упрется в центр крышки цилиндра 5, разойдется по краям камеры сгорания 4 и свободной части цилиндра 1. При этом образуется вихревой тор (Фиг.2) из газов, нагретых в камере сгорания 4, и воздуха из дополнительной камеры 2. Перемешивание газов будет весьма интенсивным и будет способствовать полному сгоранию топлива при малом избытке воздуха. Подача воздуха из дополнительной камеры-аккумулятора воздуха 2 начнется, когда процесс горения еще не завершен, и будет продолжаться на протяжении всего рабочего хода. Однако основная часть воздуха покинет дополнительную камеру 2 до прихода поршня в среднее положение, обеспечив при этом полное сжигание топлива.

Работа камеры сгорания по Фиг.3 отличается от вышеописанной работы камеры по Фиг.1 тем, что воздух из дополнительной камеры 7, размещенной в крышке цилиндра 8, через сопло 9 пойдет к центру поршня 10, потом к стенке цилиндра 11 и в камеру сгорания 12, создав вихрь газов в виде тора с направлением вращения, указанным стрелками.

Работа камеры сгорания по Фиг.4 отличается от вышеописанных работ камер сгорания по Фиг.1 и Фиг.3 тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха 13 размещена отдельно от крышки цилиндра 14 как самостоятельная деталь. В камеру сгорания 15 входит сопло 16, которое и во время начала рабочего хода создает струю воздуха поперек цилиндра 17, образуя два вихря в камере сгорания 15. Эти два вихря вращаются от струи воздуха: один – влево, а другой – вправо, обеспечивая перемешивание топлива и воздуха во время процесса сгорания.

Размещение дополнительной камеры в поршне вызывает повышение термического напряжения в поршне, поэтому можно предположить, что дополнительную камеру нужно изготавливать из никелевой стали, имеющей низкую теплопроводность, или из керамических материалов. Некоторые фирмы имеют опыт применения керамики в двигателях внутреннего сгорания.

Технический результат изобретения:

– повышение интенсивности перемешивания топлива с воздухом во время сгорания;

– обеспечение полноты сгорания топлива;

– повышение экономичности двигателя;

– повышение моторесурса двигателя;

– снижение токсичности и дымности выхлопных газов на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

Формула изобретения

1. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеющая дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, отличающаяся тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания, при этом объем дополнительной камеры-аккумулятора воздуха составляет 20-30% объема камеры сгорания, причем она выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелевой стали или керамических материалов.

2. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеющая дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, отличающаяся тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в крышке цилиндра, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания к центру поршня, при этом объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, причем выполнена она из материала с низкой теплопроводностью, например из никелевой стали или керамических материалов.

3. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеющая дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, отличающаяся тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха выполнена отдельно от крышки цилиндра, а ось сопла направлена поперек цилиндра и камеры сгорания, при этом объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, причем она выполнена из высокопрочного материала с низкой теплопроводностью, например из никелевой стали или керамических материалов.

РИСУНКИ