Двигатель внутреннего сгорания для дизельного, газодизельного или газового моторного топлива с искровым зажиганием
INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR DIESEL, GAS-DIESEL OR GAS MOTOR FUEL WITH SPARK IGNITION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания как с принудительным воспламенением, так и с воспламенением от сжатия.
Известен двигатель внутреннего сгорания, который содержит 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 на днище поршня, выполненную в виде выемки от тела вращения, ось которой совпадает с осью цилиндра или располагается вблизи него, завихрители заряда в форме торцевых выступов с тангенциальными каналами располагаются вокруг камеры сгорания на днище поршня и примыкают к цилиндрической выемке в головке цилиндра и входят в нее при положении поршня в ВМТ, клапаны располагаются на выемках в головке цилиндра, глубина которых соответствует глубине выемки головки цилиндра и примерно высоте торцевых выступов, вихревое движение заряда на впуске в цилиндр совпадает по направлению с направлением тангенциальных каналов на днище поршня, и источник воспламенения, установленный в выемке головки цилиндра  (RU 2537668, 2015, 13с.).
Задачей изобретения является конвертирование дизеля в газодизельный двигатель или двигатель для сжиженного или сжатого моторного топлива искровым зажиганием и максимальная унификация деталей этих двигателей и двигателей с разной степенью сжатия для использования действующего в производстве оборудования по литью и автоматических линий механической обработки деталей, а так же модернизация их для значительного улучшения потребительских параметров и характеристик: повышение мощности и крутящего момента (производительности); снижение расхода топлива; увеличение ресурса; повышение экологических показателей; надежности; пусковых свойств; рентабельности производства.
Поставленная задача достигается тем, что двигатели для дизельного, или газодизельного, или газового моторного топлива с искровым зажиганием имеют унифицированную головку цилиндра с одинаковой глубиной цилиндрической выемки в головке цилиндра, а глубина выемки под клапаном соответствует глубине выемки в головке цилиндра и примерно высоте торцевых выступов на днище поршня, и унифицированные алюминиевые поршни с одинаковым диаметром цилиндра на днище поршня для запрессовки вставок с торцевыми выступами с достаточным натягом, вставки имеют дисковый поясок с наружным диаметром соответствующем диаметру поршня в зоне днища и выполняются из высоколегированной, коррозионностойкой и термостойкой стали, например, 10Х18Н9ТЛ, при этом разные степени сжатия двигателей для разных видов топлива определяется только разной глубиной выемки в стальной вставке. Вставки поршней высокооборотных двигателей с искровым зажиганием для газомоторного топлива могут выполняться из алюминиевого сплава
Организация вихревого движения воздуха или заряда на входе в цилиндр двигателя, совпадающая по направлению с тангенциальными каналами на днище поршня, обеспечивает эффективное охлаждение в каждом цикле торцевых выступов и днища поршня микровихрями, образующимися при огибании вихревого потока на впуске торцевых выступов на днище поршня.
В одном из случаев цилиндр на днище поршня для запрессовки вставки выполняется сквозным.
Для обеспечения высокоскоростного горения требуется генерировать микровихри в камере сгорания в конце такта сжатия, при этом истечение заряда или воздуха из зоны вытеснения в камеру сгорания должна происходить с высокой скоростью примерно 40÷60 м/сек на оборотах номинальной мощности, такая скорость обеспечивает качественное горение на всех режимах работы двигателя. Высота торцевых выступов, количество тангенциальных каналов и их ширина определяются из условия обеспечения этой скорости.
Учитывая разницу в коэффициенте теплового расширения алюминиевого сплава и стали, стальная вставка может дополнительно фиксироваться штифтом, устанавливаемом на боковой стенке вставки, или применяться другие технологии для надежного крепления стальной вставки в алюминиевом поршне.
В одном из случаев торцевые выступы на днище поршня, примыкающие к тарелкам клапанов, выполняются меньшей высоты для исключения их соприкосновения при положении в ВМТ (фиг. 3 и фиг. 4)
Двигатель может содержать один впускной и один выпускной клапан на 1 цилиндр, при этом источник воспламенения располагается на дне выемки в головке цилиндра.
Двигатель может содержать один выпускной клапан и два впускных клапана, источник воспламенения располагается на дне выемки в головке цилиндра.
Двигатель может содержать два впускных и два выпускных клапана, источник воспламенения располагается на дне выемки в головке цилиндра.
Все виды вставок на днище поршней двигателей имеют сферическую выпуклость радиусом ОR на дне вставки и радиус r перехода боковой поверхности ко дну вставки, выпуклость радиусом ОR и радиус r выполняются для обеспечения жесткости вставок и равномерного распределения топлива в камере сгорания при его впрыске в цилиндр двигателя.
На графике изображен ДВС для дизельного, газодизельного и газового моторного топлива, где фиг. 1 - поперечный разрез двигателя,
фиг. 2 - вид на головку цилиндра со стороны поршня с одним впускным и одним выпускным клапаном,
фиг. 3 - разрез поршня с алюминиевой или стальной вставкой, имеющей сферическую выпуклость OR и радиус r.
фиг. 4 - вид на поршень со стороны головки цилиндра.
Двигатель внутреннего сгорания для дизельного, газодизельного или газового моторного топлива содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, кинематически связанным с коленчатым валом (на фигурах не показан), головку 3 цилиндра с установленными в ней впускными 4 и выпускными 5 клапанами, камеру сгорания 6 в виде выемки 7 на головке цилиндра 3 и выемки 8 на днище 9 поршня 2, выемка 7 на головке цилиндра сопрягается с выемкой 8 на днище поршня при положении поршня в верхней мертвой точке.
На выемку 8 на днище 9 поршня запрессовывается вставка 10 с дисковым пояском 11. Завихрители заряда выполнены в виде торцевых выступов 12 на вставке 10 и образуют тангенциальные каналы 13.
Впускной клапан 4 и выпускной клапан 5 располагаются выемках 14 и 15 на головке цилиндра, глубина выемок 14 и 15 соответствует глубине выемки 7 на головке цилиндра и примерно высоте торцевых выступов 12 на вставке 10.
Днище вставки 10 снабжен сферической выпуклостью 16 радиусом ОR и боковая поверхность вставки сопрягается с днищем вставки радиусом r 17. Радиусы 16 и 17 обеспечивают жесткость вставки и служат для равномерного распределения топлива при впрыске его в цилиндр двигателя.
Учитывая разный коэффициент теплового расширения алюминиевого сплава и стали, стальная вставка 10 может дополнительно фиксироваться штифтом 18, запрессованным в боковую поверхность вставки и в корпус алюминиевого поршня 2, или могут применяться другие технологии для надежного крепления стальной вставки в алюминиевый поршень.
Для высокооборотных двигателей с искровым зажиганием вставка 19 выполняется из алюминиевого сплава.
В отдельных случаях вставка как стальная, так и алюминиевая может выполняться с торцевыми выступами разной высоты h и h1 - меньшой высоты в зоне клапанов (фиг. 3 и фиг. 4).
На выемке 7 головки цилиндра 3 располагается источник воспламенения 20. Для дизеля источником воспламенения является форсунка, для двигателя с газовым моторным топливом свеча зажигания.
Двигатель работает следующим образом. Во время такта сжатия при подходе поршня к ВМТ торцевые выступы 12 на вставке 10 или 19 отсекают заряд, находящийся в зоне вытеснения, от камеры сгорания. При продолжении движения поршня заряд вытесняется в камеру сгорания с большой скоростью, при этом генерируются микровихри на кромках торцевых выступов вставки. Микровихри значительно ускоряют скорость сгорания заряда и полноту сгорания. При движении поршня вниз сгорающая смесь заряда и продукты сгорания повторно подвергаются микротурбулизации. Повышение скорости тепловыделения обеспечивает повышение давления в начале движения поршня на линии расширения, что значительно увеличивает работу расширения продуктов сгорания.
Увеличение работы расширения продуктов сгорания заряда обеспечивает значительное снижение температуры выхлопных газов (на 150°÷200°С). Таки образом повышается надежность и ресурс двигателя для газодизельного и газового моторного топлива (газовое топливо горит значительно медленнее, что приводит к повышению температуры выхлопных газов, значит и температуры деталей у обычных ДВС). У дизеля повышение скорости и полноты сгорания снижает выделение твердых частиц (сажи -несгоревшего углерода), что обеспечивает существенное уменьшение износа поршня, поршневых колец, гильзы цилиндры и других деталей.
Таким образов генерирование микровихрей в камере сгорания приводит к повышению КПД (повышение крутящего момента и снижение расхода топлива на всех режимах), надежности и ресурса двигателей для всех видов топлива. Кроме того, снижается выделение СО, СН, NOx и твердых частиц при горении с высокой скоростью и улучшается запуск двигателей.
Таким образом конвертирование дизеля в газодизельное или газовое моторное топливо с модернизацией этих двигателей по предлагаемому изобретению позволит улучшить все основные потребительские качества двигателей с использованием литейного оборудования и автоматических линий изготовления поршня и головки цилиндра. Обеспечивается существенное повышение рентабельности существующего производства и конкурентоспособности двигателей для всех видов топлива.
Кроме того, предложенное изобретение позволяет уменьшить время на изготовления поршня, т.к. переналадка литейного оборудования и больших автоматических линий обработки поршня требует много время, а изготовление вставки с разным объемом камеры сгорания на днище поршня менее трудоемка для разных двигателей - дизеля с турбонаддувом и без турбонаддува, для газодизеля с турбонаддувом и без турбонаддува, для ДВС с искровым зажиганием для газомоторного топлива. Таким образом удается избежать многократной переналадки литейного оборудования, большой линии мех. обработки поршня. Одновременно предлагаемое изобретения позволяет сохранить или уменьшить массу поршня со стальной вставкой по сравнению с алюминиевым поршнем, изготавливаемым без учета этого изобретения.
Внедрение предлагаемого изобретения позволяет значительно повысить рентабельность производства дизеля и газодизеля, т.к. рабочий процесс по патенту RU 2537668 и предлагаемому изобретению обеспечивает повышение всех основных потребительских качеств дизеля и газодизеля при использовании более дешевой обычной отечественной топливной аппаратуры без применения дорогостоящего впрыска высокого давления с электронным управлением как для дизеля, так и газодизеля.