КАМЕРА СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к дизельным двигателям с непосредственным впрыском топлива (в дальнейшем - двигателям), применяемым на легковых и малотоннажных грузовых автомобилях.
4
Известна камера сгорания дизельного двигателя с непосредственным впрыском топлива, выполненная в поршне в виде полости вращения, концентрично размещенной относительно оси поршня, содержащая конический вытеснитель, основание которого выполнено в виде горообразной поверхности, плоское кольцевое днище, боковую поверхность, выполненную из горообразной, цилиндрической диаметром D и конической поверхностей, горловину. Горловина выполнена с помощью цилиндрической диаметром d=(70-92%)D и обратной конической поверхностей. Объем над горловиной составляет 8-35% от всего объема камеры сгорания (заявка на патент Японии №60-37290, МКИ: F 02 В 23/06, дата публикации - 26.08.1985 г., фиг.9).
К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения в быстроходных двигателях, следует отнести фактическое разделение камеры сгорания на две части, расположенные по разные стороны от горловины, в которых в конце такта сжатия формируются две самостоятельные воздушные вихревые структуры, поскольку максимальный объем над горловиной составляет 35% от объема камеры сгорания.
Экспериментально установлено, что при впрыскивании дизельного топлива полный угол раскрытия топливной струи составляет 20-26 градусов, причем порядка 70-80% топлива в виде крупнодисперсных частиц с большой
кинетической энергией, движущихся в ядре топливной струи, попадает на боковую поверхность камеры сгорания и горловину, образуя топливную пленку, а 20-30% топлива в виде мелкодисперсных частиц, сосредоточенных вокруг ядра топливной струи, перемешиваются с воздухом в полости камеры сгорания.
Таким образом, в известном решении одна часть топливной пленки будет двигаться по поверхности обратного конуса в направлении к головке поршня, а другая ее часть будет двигаться в противоположном направлении - по боковой поверхности к кольцевому днищу камеры сгорания. С одной стороны, над горловиной скорость испарения топливной пленки будет меньше по сравнению со скоростью испарения под горловиной из-за существенной разницы в скорости движения соответствующих воздушных вихревых структур, а с другой стороны, при совпадающем направлении движения воздуха и топливной пленки скорость ее испарения дополнительно снижается.
л
Кроме того, острые кромки горловины увеличивают газодинамические потери при перетекании воздушного заряда в камеру сгорания на такте сжатия и горячих газов - в надпоршневое пространство на такте расширения. При уровне форсирования быстроходного двигателя N>30 кВт/л острые кромки горловины будут разрушаться (см. фиг.10 заявки на патент Японии №60-37290).
Наиболее близкой камерой сгорания того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является камера сгорания, выполненная в поршне в виде полости вращения, концентрично размещенной относительно оси поршня, содержащая конический вытеснитель, вершина которого выполнена в виде сферы, а коническая поверхность сопряжена с горообразным основанием вытеснителя, плоское кольцевое днище, боковую горообразную поверхность и цилиндрическую горловину, сопряженную с боковой поверхностью камеры сгорания и поверхностью головки поршня (Yamamoto К., Nagahiro К., Нага I. THE NEW
th
th
th
HONDA 2.2L I-CTDI DIESEL ENGINE // 16 International AVL Conference "Engine & Environment", September 9 & 10, 2004, Graz, Austria, p. 265-275, fig. 9).
Основным недостатком известного решения, принятого за прототип, является сложность определения оптимальных размеров описанных элементов камеры сгорания в зависимости от уровня форсирования двигателя. В частности, от их соотношения зависят скорость и направление движения воздуха относительно топливной пленки на боковой поверхности камеры сгорания, определяющие полноту сгорания топлива. Например, при постоянной геометрической степени сжатия уменьшение диаметра горловины может привести к изменению направления движения воздуха у боковой поверхности камеры сгорания на противоположное относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось цилиндра.
Сущность полезной модели - выполнение элементов камеры сгорания в заданных пропорциях в зависимости от диаметра поршня, обеспечивающих восходящее по направлению к горловине движение воздуха с ускорением у боковой поверхности камеры сгорания относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось поршня.
Технический результат - высокая экономичность рабочего процесса при обеспечении требуемой мощности и выполнении заданного уровня эмиссии отработавших газов.
Для достижения указанного технического результата в камере сгорания дизельного двигателя с непосредственным впрыском топлива, выполненной в поршне в виде полости вращения, концентрично размещенной относительно оси поршня, содержащей конический вытеснитель, вершина которого выполнена в виде сферы, а коническая поверхность сопряжена с горообразным основанием вытеснителя, плоское кольцевое днище, боковую горообразную поверхность и цилиндрическую горловину, сопряженную с боковой поверхностью камеры сгорания и поверхностью головки поршня,
10
особенностью является то, что при выполнении условия (Н-Н^/^А)^^'размеры основных геометрических элементов соответствуют пропорциям:
Г
B
±0,15
±0,30
Н:Н:Н =1:1,5:3,0;
B
Г
Б
±0,40
±0,50
R:R:R =1:2,0:4,0;
B
Г
П
A
±0,15
±0,30
D:D:(D-2) =1:3,0:6,0,
В
C
O
Б
Г
K
Г
К
П
D
П
±0,10
±0,10
кроме того, размеры геометрических элементов вытеснителя соответствуют пропорциям: Н/R=1 и R/R=1, кроме того, цилиндрическая горловина сопряжена радиусом 0,2Н<R<Н с поверхностью обратного усеченного конуса высотой Н<0,03 Н и диаметром 0,8D < К < D основания, размещенного на поверхности головки поршня, где:
Н - глубина полости вращения;
В
Н - высота конического вытеснителя;
А - ширина плоского кольцевого днища;
Г
Н - высота цилиндрической горловины;
B
R - радиус сопряжения конической поверхности и горообразного основания вытеснителя;
Б
R - радиус боковой горообразной поверхности камеры сгорания;
Г
R - радиус сопряжения цилиндрической горловины с боковой поверхностью камеры сгорания;
B
D - диаметр вытеснителя;
Г
D - диаметр цилиндрической горловины;
П
D - диаметр поршня;
С
R - радиус вершины вытеснителя;
О
R - радиус горообразного основания вытеснителя.
Выполнение камеры сгорания в поршне описанным выше образом с использованием всей предложенной совокупности существенных признаков позволяет обеспечить требуемый уровень по эмиссиям отработавших газов при заданных мощностных и экономических параметрах двигателя.
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации:
на фиг.1 - изображена схема камеры сгорания с геометрическими размерами элементов;
на фиг.2 - изображена расчетная схема течения воздушного заряда в конце такта сжатия при положении поршня в верхней мертвой точке в проекции на вертикальную плоскость, проходящую через ось поршня.
П
В
B
B
Б
Г
Г
Г
B
±0,10
Камера сгорания дизельного двигателя с непосредственным впрыском топлива, выполненная в поршне 1 диаметром D в виде полости вращения 2 глубиной Н, концентрично размещенной относительно оси 3 поршня 1, содержит конический вытеснитель 4 высотой Н, вершина 5 которого выполнена в виде сферы радиусом Re, а коническая поверхность сопряжена радиусом R по диаметру D с горообразным радиусом Ro основанием 6 вытеснителя, плоское кольцевое днище 7 шириной А, боковую горообразную поверхность 8 радиусом R и цилиндрическую горловину 9 высотой Н и диаметром D, сопряженную радиусом R с боковой поверхностью 8 камеры сгорания. При выполнении условия (H-H)/(2A)=1 размеры основных геометрических элементов соответствуют пропорциям:
Г
B
±0,15
±0,30
Н:Н:Н =1:1,5:3,0;
B
Г
Б
±0,40
±0,50
R:R:R =1:2,0:4,0;
B
Г
П
A
±0,15
±0,30
D:D:(D-2) =1:3,0:6,0,
В
C
O
Б
Г
K
Г
K
П
D
П
±0,10
±0,10
Размеры геометрических элементов вытеснителя соответствуют пропорциям: Н/R=1 и R/R=1. Цилиндрическая горловина 9 сопряжена радиусом 0,2Н<R<Н с поверхностью обратного усеченного конуса 10 высотой Н<0,03 Н и диаметром 0,8D < К < D основания, размещенного на поверхности головки 11 поршня 1.
Камера сгорания работает следующим образом.
Г
После окончания такта впуска при положении поршня в нижней мертвой точке воздушный заряд в надпоршневом пространстве 12 вращается вокруг оси 3 поршня 1 с угловой горизонтальной скоростью ω. При движении поршня 1 к верхней мертвой точке на такте сжатия воздух из надпоршневого пространства 12 поступает через горловину 9 в полость 2
Г
камеры сгорания, в которой формируются два пространственных горообразных вихря, вращающихся вокруг центров 13 и 14 в противоположных направлениях. Траектория центра 13 представляет собой окружность, плоскость которой расположена внутри горловины 9. Траектория центра 14 также представляет собой окружность, плоскость которой расположена вокруг конического вытеснителя 4. Воздух в центрах 13 и 14 движется в одном направлении с одинаковой угловой скоростью ω вокруг оси 3 поршня 1. Движение воздуха между горообразными вихрями с центрами 13 и 14 имеет конфузорно-диффузорный характер с максимальной скоростью в области ядра 15 и оболочки 16 топливной струи. Между верхней частью боковой поверхности 8 и горообразным вихрем с центром 13 имеет место конфузорное движение воздушного заряда с возрастающей скоростью. В процессе впрыска мелкодисперсные частицы топлива, движущиеся внутри оболочки 16 топливной струи, интенсивно испаряются, образуя топливо-воздушную смесь, которая воспламеняется первой в объеме камеры сгорания. Далее начинают выгорать пары топлива, испаряющегося с поверхности топливных пленок 17 и 18. Образующиеся газы через горловину 9 поступают в надпоршневой объем 12, перемещая поршень 1 к нижней мертвой точке.
Преимущество заявляемой полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными, рекомендуемые камеры сгорания для поршней с диаметрами от 80 до 90 мм при уровне форсирования от 30 до 40 кВт/л быстроходных дизельных двигателей, позволят автомобилям с полной массой до 3,5 т выполнять нормы Евро 2 по эмиссиям отработавших газов.