ГОЛОВКА ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE CYLINDER HEAD

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкции головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
Из описания к изобретению SU 1455001, МПК 4 F02B 31/00, F02F 1/42, опубл. 30.01.1989 г. в бюл. №4, известна система впуска для двигателя внутреннего сгорания, которая содержит по меньшей мере два впускных канала, расположенных на разной высоте под углом к надклапанной камере, и дроссельную заслонку, размещенную в верхнем впускном канале, тангенциально сопряженном с надклапанной камерой. Последняя выполнена в виде тела вращения, впускные каналы в местах сопряжения с надклапанной камерой выполнены цилиндрическими, а нижний канал сопряжен с надклапанной камерой тангенциально, причем сопряжения впусных каналов с надклапанной камерой расположены с разных сторон относительно ее оси.
Из патента к изобретению RU 2180702, МПК 7 F02B 31/08, F02M 31/13, опубл. 20.03.2002 г., известна впускная система с регулируемым вихреобразованием для автомобильного бензинового двигателя, которая включает основную (большую) и дополнительную (малую) дроссельные заслонки, воздушный ресивер с впускными патрубками для каждого цилиндра и вспомогательные каналы, подводящие вихреобразующие потоки воздуха под углом к оси впускных патрубков в зону впрыскивания топлива, а также механизм привода заслонок, регулирующий поступление воздуха в ресивер путем перемещения основной дроссельной заслонки, а во вспомогательные каналы - путем перемещения дополнительной дроссельной заслонки. Электроуправляемый регулятор холостого хода расположен в байпасном воздушном канале холостого хода. Вспомогательные каналы выполнены в виде трубок, выходящих из единой распределительной магистрали, расположенной параллельно воздушному ресиверу. Эти трубки подведены тангенциально к каждому впускному патрубку в плоскости, перпендикулярной его оси, а дополнительная дроссельная заслонка установлена на входе в распределительную магистраль, внутренний диаметр каждой из подводящих тангенциальных трубок составляет 0,15-0,5 внутреннего диаметра впускного патрубка, а площадь поперечного сечения распределительной воздушной магистрали находится в пределах 1,5-4,0 суммарной площади поперечного сечения тангенциальных трубок. На входе в распределительную воздушную магистраль после дополнительной дроссельной заслонки установлен электронагреватель воздуха. Байпасный воздушный канал холостого хода выполнен в обход дополнительной дроссельной заслонки.
Из патента к изобретению RU 2309271, МПК 6 F02B 23/00, опубл. 27.10.2005 г., бюл. №30, известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, кинематически связанный с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания, выполненную в виде выемок в головке цилиндра под одним из клапанов, и в днище поршня завихрители заряда, выполненные в виде торцевых выступов, охватывающих одну из выемок камеры сгорания, примыкающих к другой выемке при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и образующих тангенциально направленные каналы, и источник воспламенения, установленный в выемке головки цилиндра, при этом камера сгорания на днище поршня выполнена в виде выемки от тела вращения, ось которого совпадает с осью цилиндра или располагается вблизи нее, завихрители заряда в форме торцевых выступов с тангенциальными каналами располагаются вокруг камеры сгорания на днище поршня и примыкают к выемке на головке цилиндра при положении поршня ВМТ, клапаны располагаются на выемках в головке цилиндра, глубина которых соответствует глубине выемки головки цилиндра и высоте торцевых выступов на днище поршня. Для дизеля источником воспламенения является форсунка, которая размещается в выемке головки цилиндра, для многотопливного двигателя источником воспламенения является форсунка и запальная свеча, которые размещаются в выемке головки цилиндра, для двигателя с принудительным воспламенением источником воспламенения служит свеча зажигания. Торцевые выступы, примыкающие к тарелкам клапанов, выполняются меньшей высоты для исключения их соприкосновения при положении поршня в ВМТ. Камера сгорания и торцевые выступы на днище поршня или вся поверхность днища поршня имеют покрытие из теплоизоляционного материала, например двуокиси циркония. Камера сгорания и торцевые выступы на днище поршня выполнены из чугуна или стали с низкой теплопроводностью и влиты или закреплены в днище поршня из алюминиевого сплава.
Из патента к изобретению GB 1436751, МПК 2, F02B 31/02 F02M 35/10, опубл. 26.05.1976 г., известно устройство двигателя внутреннего сгорания с впускными каналами, соединенными с каждым цилиндром двигателя с внутренним смешиванием смеси, например, для дизельного двигателя. Соответственно, один из каналов располагается в основном в направлении, включающем в себя острый угол, с нормалью, пролегающей соосно оси цилиндра, и другой канал, имеющий винтовую часть, смежную клапану. Верхние оконечные участки впускных клапанов, каждый из которых расширяется в направлении проекции касательно к поверхности воображаемого цилиндра, соосны оси клапана. Воздушные потоки, проходящие через впускные клапаны, получают вращение вокруг оси цилиндра и в результате вихреобразного перемешивания поток турбулизируется. Впускные каналы могут располагаться как со стороны стенок цилиндра, так и сверху.
Из описания изобретения к авт. св. SU 937749, МПК 3 F02F 1/42, F02B 31/00, опубл. 23.06.1982 г. в бюл. №23, известна головка цилиндра ДВС, содержащая, по меньшей мере, два впускных наклонных тангенциальных канала, имеющих вход с одной боковой поверхности головки и выход на огневую поверхность так, что центры каналов смещены относительно центра огневой поверхности по разные стороны. При этом, с целью улучшения смесеобразования путем увеличения турбулентности рабочего заряда в цилиндре, средний угол наклона к огневой поверхности первого тангенциального канала составляет 15-40°, а второго 27-60°, причем смещение центра первого канала относительно центра огневой поверхности составляет 0,23-0,35 диаметра цилиндра, а второго 0,1-0,28. Кроме того, предполагается выполнение головки с огневой поверхностью с сегментными выемками, прилегающими к седлам клапанов и ориентированными по направлению соответствующих каналов.
В качестве прототипа, как наиболее близкая по технической сущности, рассматривается система впуска и выпуска для двигателей, работающих на обедненной смеси, известная из описания изобретения к патенту US 5934246, МПК F02B 31/00, опубл. 10.08.99 г. Система включает в себя камеру сгорания, снабженную, по меньшей мере, одним впускным и выпускным окнами. При этом предпочтительным является использование двух выпускных окон, расположенных на диагонально противоположных сторонах камеры сгорания. Такое местоположение впускных и выпускных окон способствует усиленному вихреобразованию топливо-воздушной смеси.
Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании оптимальных скоростей потоков газов в процессе газообмена двигателя.
Решение технической задачи достигается тем, что в головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержащей камеру сгорания, снабженную впускными и выпускными окнами, подключенными соответственно к впускным и выпускным каналам, и средства для установки источника воспламенения и топливоподачи, причем впускные и выпускные окна в месте сопряжения с камерой сгорания выполнены цилиндрическими, впускные окна расположены диагонально относительно оси цилиндра, а сечения впускных и выпускных каналов выполнены различными, причем впускные каналы выполнены в продольном сечении тангенциальными, на виде в плане плавно изогнуты таким образом, что их выходная в камеру сгорания часть сориентирована по касательной к стенке цилиндра двигателя и выпускные каналы на виде в плане выполнены изогнутыми, а их выходная в камеру сгорания часть сориентирована в сторону оси цилиндра.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 показана головка 1 цилиндра 2 (фиг.2) двигателя внутреннего сгорания, содержащая камеру сгорания 3. Камера сгорания 3 снабжена впускными 4, 5 и выпускными 6, 7 окнами, подключенными соответственно к впускным 8, 9 и выпускным 10, 11 каналам. Кроме того, головка цилиндра содержит средства для установки источника воспламенения 12 и топливоподачи 13. Впускные 4, 5 и выпускные 6, 7 окна в месте сопряжения с камерой сгорания 3 выполнены цилиндрическими, а их сечения и соответственно сечения впускных 8, 9 и выпускных 10, 11 каналов выполнены различными, отличающимися друг от друга. Кроме того, впускные 4, 5 окна расположены диагонально относительно оси цилиндра «О». Ось цилиндра «О» совпадает с точкой пересечения продольной X-Х и поперечной Y-Y осей головки 1 цилиндра 2. Также, впускной канал 8 и канал 9, показанный на фиг.2, выполнены в продольном сечении тангенциальными, на виде в плане плавно изогнуты таким образом, что их выходная в камеру сгорания 3 часть сориентирована по касательной к стенкам цилиндра 2 двигателя и выпускные 10, 11 каналы на виде в плане выполнены изогнутыми, а их выходная в камеру сгорания 3 часть сориентирована в сторону оси цилиндра.
Работает устройство следующим образом.
На режимах холостого хода и малых нагрузок подача воздуха в камеру сгорания 3 организована по впускному каналу 8 через окно 4. При этом окно 4 имеет проходное сечение, по размеру меньшее, чем впускное окно 5. Разница сечений впускных окон способствует увеличению скорости перемещения воздуха в полости камеры сгорания 3 и образованию спирального вихря 15. Приготовление топливовоздушной смеси осуществляется подачей топлива под высоким давлением через устройство топливоподачи 13. При этом топливо впрыскивается как однократно, так и многократно, например для лучшего смесеобразования в начале такта впуска и вторично, в процессе сжатия перед искрообразованием для быстрого воспламенения смеси и эффективного горения основной смеси обедненного состава. Количество подвпрысков зависит от времени, приходящегося на смесеобразование в данном режиме работы двигателя. Выпуск отработавших газов организован через окно 7 по выпускному каналу 10. Изгиб выпускного канала 10 в направлении оси цилиндра «О» позволяет осуществить такт выпуска с минимальными потерями энергии, так как поршень выталкивает отработанные газы через максимально свободное окно 7 по выпускному каналу 10, имеющему направление к центру масс отработавших газов, движущихся под воздействием поршня и образующих поток 17.
На средних нагрузках при увеличении оборотов двигателя впуск воздуха организован по каналу 9 через окно 5 и соответственно выпуск по каналу 11 через окно 6. Суммарное сечение указанных окон превышает сечение окон другой пары впускных и выпускных каналов. При этом происходит образование более мощного спирального вихря 14 и потока отработавших газов 16.
В режиме максимальной нагрузки и оборотов двигателя впуск воздуха и отвод отработавших газов организован через все окна и каналы с образованием двойных спиральных вихрей 14, 15, позволяющих улучшить очистку цилиндров при такте выпуска через окна 7 и 6 за счет остаточной энергии вихрей 14, 15 и направленных потоков 16 и 17.
Данный алгоритм работы двигателя актуален при двойном турбонаддуве с различной производительностью турбокомпрессоров и малым рабочим объемом двигателя. Причем турбокомпрессор меньшей производительности устанавливается на сторону головки цилиндров с меньшими окнами и сечениями каналов, что позволяет ликвидировать «турбояму» за счет снижения оборотов устойчивого и максимального моментов двигателя в зону низких оборотов, а турбокомпрессор большей производительности, установленный на другой стороне головки двигателя с большими окнами 5 и 6 и каналами 9 и 11, позволяет получить оптимальный крутящий момент на средних режимах работы двигателя. При максимальных нагрузках и оборотах работают обе турбины, что позволяет расширить диапазон работы двигателя в зоне высоких оборотов, а также иметь максимальную мощность двигателя в зоне выше средних оборотов, что позволяет улучшить «приспосабливаемость» двигателя.
Применение предлагаемого изобретения позволяет оптимизировать работу двигателя на всех режимах работы, повысить его мощность, снизить количество токсичных компонентов в отработавших газах.