Форкамерный двигатель внутреннего сгорания

Союз СоветсиииСоциалистически иРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ц 891980(23) Приоритет оо делам изобретений н отирытий(72) Авторы изобретения с:;1 вмени научно"оторный институтоо Знаиени Центральный ордена Трудового Красногоисследовательский автомобильный и авти Автомобильный ордена Трудового Красзавод им, Ленинского комсомола(51) ФОРКАМЕРНЫй ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Изобретение относится к двигате,лям внутреннего сгорания, в частнос. ти 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 выпуск 1 О 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 поступаю" щие раздельно смеси различного сос" тава эа ход всасывания при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) образуют вдоль оси .цилиндра два га" зовых столба - два слоя, в соответствии с месторасположением источни" ко в под вода 13 .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 явле"19804 51015 389 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 повы" шение экономичнос.-и форкамерного двигателя путем изменения организации послойного распределения смеси в заряде на такте впуска и снижение токсичности,.т,е. снижение содержания ЙО, СО и других компонентов неполного сгорания в отработавших газах двигателя.Цель достигается тем, что впускной канал на участке перед клапаном выполнен в 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 190-280При 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 0,15-0,11 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 кривошипно 20 ЭО З 5 45 50 55 шатунным механизмом с валом отборамощности (не показано). Цилиндр 2жестко соединен с головкой цилиндра4, в которой выполнена основная камера 5 сгорания. Основная камера 5 может быть образована телом вращенияс поверхностью, например, в видесферы и с образующей, располагающейся симметрично относительно центральной оси, общей с осью цилиндра.Допускается незначительное смещениецентра симметрии самой камеры 5 относительно оси цилиндра 2. В любомслучае форма камеры 5 может бытьподобрана в соответствии с другимитребованиями. В основной камере 5 размещенывпускной 6 и выпускной 7 клапаныс соответствующими им впускным 8и выпускным 9 каналами.В головке цилиндра 4 выполненатакже дополнительная камера 10 сгорания, в которой установлены свеча 11 зажигания и клапан 12 подвода богатой топливо-воздушной смеси,Основная камера 5 и дополнительнаякамера 10 сообщены посредством соплового канала 13, выходное окно 111которого располагается на поверхности основной камеры 5 в центральнойее зоне.В впускном канале 8 на участкенепосредственно примыкающем к клапа"ну 6, выполнена спиральная камера 15переменного сечения, уменьшающегосяпо потоку входящей в полость цилинд"ра 2 или в основную камеру 5 смеси,т.е. от некоторого сечения 16, представляющего собой начальное образующее сечение спиральной камеры,доконечного сечения 17, с которогоосуществляется выход смеси в основную камеру 5. Спиральная камера 15сужается в направлении ее закрутки 18. Начальное сечение 16 спиральной вихревой камеры 15, в которуюплавно переходит впускной канал8, расположено тангенциально относительно образующей спиральной камеры 15Клапан 12 подвода богатой топливо-воздушной смеси в дополнительнуюкамеру 10 сообщен с форкамерным впускным трактом 19 подвода богатойсмеси, в котором предусмотрены устройства для количественного и качественного регулирования топливо-воздушной смеси (не показаны),5В системе впуска, сообщенной свпускным каналом 8, также предус"матрены средства (не показаны) дляколичественного и качественного регулирования топливо-воздушной смесиобедненного состава.Направление закрутки 18 спиральной вихревой камеры 15 и положениевыходного окна 14 соплового канала13 на поверхности основной камерысгорания 5 взаимосвязаны таким образом, что выходное окно 14 размещено за линией 20, соединяющей центры 6.17,1 впускного 6 и выпускного 7 клапанов, по направлению закрутки 18 спиральной вихревой камеры 15. Такаявзаимосвязь местоположения выходного окна соплового канала показыва 1 ет, что с изменением направлениязаквутки 18 (по часовой или противчасовой стрелки) изменяется расположение выходного окна соплового кана"ла на поверхности основной камеры относительно впускного клапана иливпускного канала (Фиг.4),Выходное окно 14 соплового канала 13 располагается в центральнойзоне основной камеры 5, ограниченной радиусом 21, проведенным из центра 22 основной камеры 5, и равным0,15-0,4 радиуса цилиндра. При таком расположении выходного окна соплвого канала в центральной зоне основной камеры, направление оси 23соплового канала может быть продик"товано условием выгодного размеще"ния 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, ограниченнойконцентрическими окружностями 25,с центром, размещенныи на оси 26цилиндра и с диаметрами, равными0,2-0,75 диаметра цилиндра, Это обеспечивает впуск богатой смеси иливыброс Факела пламени из сопловогоканала непосредственно в центральнуюзону полости цилиндра или основнойкамеры таким образом, цтобы смесьс повышенной концентрацией топлива,или тепловая энергия Факела богатойсмеси сосредотачивалась над порш"нем, при этом угол наклона и зонусосредоточения (или направление)оси соплового канала можно связыватьс плоскостью днища поршня 3, находящегося в ВИТ,891980 6Угол 27, образованный пересекающимися в плоскости линиями 20 и 28определяется необходимой турбулизацией входящего заряда, следующим5 образом.Для того, цтобы обогащенная смесь,выходящая из окна 14 соплового канала 3, не захватывалась закрученнойструей обедненной смеси, вытекающейО из впускного канала 8, необходимоудалить выходное окно соплового канала от периферийного вихревого потои ка. Наиболее оптимальное для этогослучая расположение центра 29 выход 5 ного окна 14 относительно впускногоклапана такое, когда угол 27 междулинией 20, соединяющей центры 6.1и 7.1 соответственно клапанов 6 и 7,и линией 28, соединяющей цент"О ры 29 и 22 соответственно выходного окна 14 и основной камеры сгорания 5, составляет 190"280 , еслиугол отсчитывается от линии, соеди-няющей центры клапанов, в направ 25 ленин закрутки,Двигатель работает следующим образом.По впускному каналу 8 от отдельного карбюратора или одной секциимногокамерного карбюратора поступа"ет смесь обедненного состава котоо" рая, проходя через участок впускного канала, выполненный в видеспиральной вихревой камеры 15, приобретает закрутку. Закрученный потокбедной смеси по выходе с конечногоминимального сечения спиральной ка"меры 15 ускоряется, и на тактевпуска бедная смесь направляется к4 Опериферии цилиндра 2 и основной камере 5 сгорания, образуя столб вихря,располагающийся вокруг оси 26 цилиндра. Одновременно с этим из до"полнительной камеры сгорания 1045через клапан 12 и сопловой канал 13в основную камеру 5 и цилиндр 2 поступает топливо-воздушная смесьобогащенного состава.Величина площади минимального поперечного сечения соплового канала 1350выбирается из условия среднейрасчетной скорости движения смесив форкамерном впускном тракте 19 нарежиме максимальной мощности. Прискорости истечения смеси 70-80 м/сдостигается наиболее эффективныйвыброс в основную камеру топливовоз"душной смеси, обеспечивающий концентрацию обогащенной массы топлива вцентральном объеме основной камеры и цилиндра, а для этого необходимо, цтобы соотношение минимальных площадей поперечных сечений сопловогоканала 13 и форкамерного впускНоготракта 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 органи"зован заряд с послойным распределением смеси, а в дополнительной камере 10 - богатая смесь.Смесеобразование может быть достигнуто при условии, что бедная смесьв начальный период такта впуска восновную камеру совершая движениев направлении закрутки спиральнойкамеры, пройдет не менее половиныоборота относительно оси 26 цилиндрадо местоположения (по углу поворота)выходного окна 14 соплового канала13, что составляет в оптимальном ва рианте 190-280 .После воспламенения богатой сме"си в дополнительной камере 10 отискрового разряда свечи зажигания 11факел пламени и продуктов неполногосгорания выбрасывается из сопловогоканала 13 в основную камеру 5. Таккак ось 23 соплового канала 12, продолженная в основную камеру, пересекает плоскость 24 поршня 3 при нахождении его в ВМТ (или плоскостьразъема головки) в зоне, ограниченной концентрическими окружностями25 с диаметрами, равными 0,2-0,75диаметра цилиндра, факел пламени направляется в центральную часть основной камеры 5 сгорания, где собранамасса смеси с повышенной концентрацией топлива. Вследствие высокой реакционной способности смеси с повышенной концентрацией топлива осуществляется эффективное воспламен ние и наиболее полное сгорание восновной 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 цилиндрене требует дополнительных затрат топлива на эффективное воспламенениезаряда с послойным распределением смеси в основной камере, что приводитк экономичности данного процесса иснижению эффективного расхода топлива, а направление оси сопловогоканала и расположение его выходного окна на поверхности камеры, кроме эффективной организации процессас послойным смесеобразованием предотвращают непосредственный контакт факела с днищем поршня, чтоисключает его возможный местный перегрев.Экспериментально установлено, чтопри положении выходного окна 14 соплового канала 13 в центральной зонеосновной камеры 5 на участке, ограниченном г/бац=0,28, где г - текущийрадиус, кц - радиус цилиндра 2, топливная экономичность двигателя (р )и выброс углеводородов (СН) с отработавшими газами существенно зависят от расположения выходного окна14 соплового канала 13 относительнонаправления закрутки 18 спиральногозавитк спиральной вихревой камеры 15впускного канала 3, Более широкиепределы обеднения. состава смеси(большие величины ф - коэффициентизбытка воздуха) и соответственно меньше значения ИО, СО и СНсоответствуют их взаимному расположени., когда выходное окно 14 соплового канала 13 размещено за линией20 центров впускного б и выпускного 7 клапанов в направлении закрутки 18 спирального завитка камеры 15,при котором угол 27 в горизонтальной плоскости между линиями 20 и 28составляет " = 210 т.е. больше полуокружности цилиндра 2.При наивыгоднейшем взаимном относительном положении выходного окна14 соплового о; верстия 13 и направления закрутки 18 спиральной вихревойкамеры 15 впускного канала 8 (у = 210показатели двигателя по топливнойэкономичности (9 в) и выбросам с отработавшими газами углеводородов(СН) и окиси азота (МО) зависятот положения выходного окна 14 соплового отверстия 13 на участке центральной зоны основной камеры 5 сго980 10носительным радиусом г/Вц, изменяющимся в пределах от 0,15 до 0,4.Результаты сравнительных испытаний серийного и предлагаемого двигателей приведены в таблице, Относительное повышение топливной экоичностиф 3 Нагрузка МОХ СН СО 10 Полная 40 50 Средняя 80 10 12 Холостой ход нией, соединяющей центры клапанов, и линией, соединяющей центры основной камеры и выходного окна соплового канала составляет 190-280.3. Двигатель по пп.1 и 2, .о т л ич а ю щ и й с я тем, что ось сопло" вого 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, о т л ич а ю щ и й с я тем, что центр выходного окна соплового канала размещен в зоне, ограниченной радиусом, проведенным из центра основной камеры и равным 0,15-0,4 радиуса цилиндра.5Двигатель по пп. 1-4, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, спиральная камера выполнена с переменным сечением, уменьшающимся по ходу потока. Формула изобретения зо 1. Форкамерный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем и головку цилиндра, в которой выполнены основная камера сгорания, впускной и выпускной каналы с клапа ,нами и дополнительная камера сгорания, с установленными в ней свечой зажига 1 ния и клапаном подвода богатой смеси, сообщенная с основной камерой сопловым каналом, о т л, и ч а ю щ и Й О 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 ходное окно соплового канала распо" ложено на поверхности основной камеры за линией , соединяющей . центры впускного и выпускного клапанов, по направлению закрутки спирали. о2. Двигатель по п.1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что угол между лиИсточники инФормациипринятые во внимание при экспертизе1. Заявка Японии М 49"4006,опублик, 1974.2. Акцептованная заявка Японии11 50-25084, кл. 51 В 2, опублик. 1975 9 891 рания. Лучшие показатели двигателя обеспечиваются при положении выход" ного окна 14 соплового 1 этверстия 13 на участке центральной зоны основной камер 5 сгорания, ограниченном отТаким образом, предлагаемый двигатель позволяет экономить топливо и дает возможность значительно снизить загрязнение окружающей среды токсичными продуктами в отработавших газах. Снижение токсичности отработавших газов,891980 ова КоРРектоР Г,Назаро ставит хред, д ктор Н.Джуган каз 11180/4 Тираж 581НИИПИ Государственного комитетапо делам изобретений и открытий13035, Москва, Н"35, Раушская наб