Головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкции головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известна конструкция головки блока цилиндров ДВС (Свидетельство SU503033A1), содержащая камеру сгорания, а также впускные и выпускные каналы с клапанами, выходящими на ее одну сторону. Камера сгорания головки цилиндров имеет поверхности вытеснения как со стороны каналов, так и со стороны свечи зажигания.
Недостатком этой конструкции является снижение скорости движения потока смеси вследствие удара струй входящего потока топливной смеси о стенки камеры сгорания из-за несовершенства ее формы. Из-за большой разности расстояний от места воспламенения смеси до точек противоположной стенки камеры ухудшает процесс горения, снижается детонационная характеристика. Эти недостатки приводят к уменьшению наполнения на максимальных нагрузках, снижению максимальной мощности, возрастанию токсичности выхлопных газов, увеличению износа ДВС. Данная головка цилиндров не обеспечивает оптимальных площадей вытеснителей, что приводит к увеличению минимальных оборотов работы двигателя, в результате чего увеличиваются эксплуатационные расходы топлива, износ подвижных деталей двигателя.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения по совокупности существенных признаков является головка блока цилиндров ДВС (Патент RU2565647C1), содержащая выходящие на одну сторону головки цилиндров впускные и выпускные каналы с клапанами и размещенную в ней камеру сгорания с поверхностями вытеснителей, при этом камера сгорания на плоскости прилегания головки цилиндров к блоку имеет форму, образованную дугой радиусом, равным 0,63-0,65 диаметра цилиндра, с центром, отстоящим от центра цилиндра на расстоянии 0,28-0,30 диаметра цилиндра в сторону свечи зажигания, дуга сопряжена радиусами, равными 0,30-0,32 диаметра цилиндра, с диаметром, проведенным из центра цилиндра и равным диаметру цилиндра, а с противоположной стороны форма камеры образована диаметром, равным диаметру цилиндра, сопряженному с радиусами, равными 0,30-0,32 диаметра цилиндра, с центрами, лежащими на оси клапанов, отстоящей от оси цилиндров на расстоянии 0,06-0,08 диаметра цилиндра, радиусы сопряжения ограничены линией, отстоящей от оси цилиндров на расстоянии 0,35-0,37 диаметра цилиндра, стенки камеры сгорания наклонены к днищу камеры и имеют радиус перехода соответственно в плоскости поперечной оси цилиндра 14°…16° и радиус 12-14 мм, а в плоскости по оси клапанов 4°…6° и радиус 5-7 мм, от одного сечения к другому по контуру камеры обеспечивается плавный переход по углу и радиусу.
Недостатком указанной в патенте головки цилиндров является неточное равноудаление от центра воспламенения до наиболее удаленных поверхностей и объемов камеры сгорания, причем разница достигает 4-5 миллиметров. Кроме того, перемещение части рабочей смеси из объема над вытеснителем в сторону свечи зажигания происходит неконцентрировано, частично останавливаясь встречной струей от вытеснителя над свечой зажигания, что снижает турбулизацию рабочей смеси и не обеспечивает ее гомогенности в зоне воспламенения и начального горения. Это ведет к снижению равномерности сгорания рабочей смеси, снижению экологических, энергетических показателей двигателя.
Технической проблемой являлось устранение указанных недостатков прототипа.
Технический результат, достижение которого обеспечивает предлагаемая полезная модель, заключается в улучшении процессов смесеобразования и сгорания в двигателе внутреннего сгорания, в результате чего повышается мощность и уменьшается выбросы вредных веществ и расход топлива.
Указанный результат достигается благодаря тому, что в головке блока цилиндров ДВС, содержащей выходящие на одну сторону выпускные и впускные каналы и размещенную в ней камеру сгорания со свечой зажигания и поверхностями вытеснителей, согласно предложению, камера сгорания на плоскости прилегания головки цилиндров к блоку имеет форму на участке, противоположном свече зажигания, образованную двумя дугами, а именно: дугой, проведенной из центра цилиндра радиусом 0,35-0,39 диаметра цилиндра до пересечения с дугой радиусом 0,62-0,64 диаметра цилиндра с центром, отстоящим от центра цилиндра на расстоянии 0,28-0,30 диаметра цилиндра в сторону свечи зажигания, дуга сопряжена радиусами, равными 0,30-0,32 диаметра цилиндра с диаметром, проведенным из центра цилиндра и равным диаметру цилиндра. С противоположной стороны форма камеры сгорания образована диаметром, равным диаметру цилиндра, сопряженным с радиусами, равными 0,30-0,32 диаметра цилиндра, с центрами, лежащими на оси клапанов, отстоящей от оси цилиндров на расстоянии 0,06-0,08 диаметра цилиндра. Радиусы сопряжения ограничены линией, отстоящей от оси цилиндров на расстоянии 0,35-0,37 диаметра цилиндра. Стенки камеры сгорания наклонены к днищу камеры и имеют радиус перехода соответственно в плоскости поперечной оси цилиндра 16-18 градусов и радиус 14-16 мм, а в плоскости по осям клапанов 4-6 градусов и радиус 5-7 мм. От одного сечения к другому по контуру камеры обеспечивается плавный переход по углу и радиусу.
Выполнение камеры сгорания, образованной сопряженными дугами, со смещением относительно оси цилиндров в сторону, противоположную каналам, оптимальным наклоном стенок камеры и их сопряжением с днищем камеры увеличенным радиусом, обеспечивают минимальное гидравлическое сопротивление смеси, что увеличивает наполнение цилиндра. Равноудаленные расстояния от места воспламенения смеси до точек противоположной стенки камеры, дополнительная турбулизация смеси и ее перемещение в зону воспламенения, способствуют улучшению процесса горения, улучшению стойкости к детонации двигателя.
1
Сущность полезной модель  поясняется чертежами (Фиг.1 – вид снизу на головку блока цилиндров; Фиг. 2 – разрез А-А), где головка блока цилиндров 1 для ДВС содержит выходящие на одну сторону впускные каналы 2 и выпускные каналы 3 и установленные на нее впускные 4 и выпускные 5 клапаны. В головке цилиндров 1 размещена камера сгорания 6. Камера сгорания имеет форму, образованную на участке, противоположном свече зажигания первой дугой 7 радиусом R = (0,35-0,39) D, где D – диаметр цилиндра, и проведенной из центра цилиндра, и второй дугой 8 радиусом R1 = (0,62-0,64)D, где D – диаметр цилиндра, проведённой из центра, отстоящего от центра цилиндра на расстояние Г = (0,28-0,30)D, где D – диаметр цилиндра, в сторону свечи зажигания 9, от точек их пересечения справа и слева до сопряжения с радиусом R2 = (0,30-0,32)D, , где D – диаметр цилиндра, с диаметром D, равным диаметру цилиндра и проведенным из его центра. С противоположной стороны форма камеры образована этим же диаметром D, сопряженным с радиусом R2, центры этих радиусов лежат на оси клапанов 12, отстоящей от продольной оси цилиндров 14 на расстоянии В = (0,060,08)D, где D – диаметр цилиндра. Радиусы R2 сопряжения ограничены линией, отстоящей от продольной оси цилиндров 14 на расстояние Б = (0,35-0,37)D, где D – диаметр цилиндра. Стенки камеры сгорания наклонены к днищу камеры и имеют радиус перехода к днищу соответственно в плоскости поперечной оси цилиндров 13 – наклон β = 16-18 градусов и радиус перехода r =14-16 мм (фиг. 2), а наклон в плоскости по оси клапанов α = 4-6 градусов и радиус перехода r= 5-7 мм (фиг. 3). От одного сечения к другому по контуру камеры обеспечивается плавный переход по углу и радиусу, за возможным исключением перехода дуги 7 в дугу 8, где допускается острая кромка.
Головка блока цилиндров работает следующим образом. На такте впуска через открытый впускной клапан 4 рабочая смесь поступает в цилиндр, после чего клапан 4 закрывается. Далее на такте сжатия рабочая смесь сжимается поршнем. При этом часть рабочей смеси оказывается между поверхностями вытеснителей 10 и 11, где величина сжатия рабочей смеси оказывается значительно больше, чем в полости камеры сгорания 6. В результате в полостях над вытеснителями значительно поднимается температура и давление смеси, что ведет к следующему: мгновенный рост температуры более 200°С приводит к началу беспламенных термохимических преобразований с образованием очень активных химических соединений, способствующих лучшему воспламенению и более полному сгоранию рабочей смеси, повышенное давление в полости между вытеснителем и поршнем выталкивает активированную теплом и давлением рабочую смесь из щели в полость камеры сгорания. Процесс выталкивания или истечения струи зависит от формы щели (сопла) и ее ориентации, так как струя всегда перпендикулярна плоскости среза сопла. Таким образом, в конце такта сжатия из вытеснителей формируются три потока струй: из вытеснителя 10, имеющего прямолинейный срез – плоская струя над свечой зажигания; направленная к центру цилиндра, от дуговых участков 8 – сходящиеся к центру выхода свечи зажигания две плоские струи и сходящаяся к центру цилиндра плоская струя от участка дуги 7. Последняя струя, концентрируясь в районе центра цилиндра, ускоряется вследствие так называемого кумулятивного эффекта и около свечи встречается с противоположной, более рассеянной струей от вытеснителя 10. (В.В.Мейер «Кумулятивный эффект в простых опытах» стр.49, §4 «Формирование кумулятивной струи»).
За счет значительного перепада статического давления между полостью камеры сгорания Ркс и щелью между поршнем и плоскостью головки Рщ, возникает плоская струя со скоростью истечения, которую можно вычислить (оценочно) по разности статических давлений  , которое переходит в динамическое давление движущейся струи:
откуда
Величины Рщ, Ркс и плотность среды ρ быстро меняются, но в конце такта сжатия, когда скорость поршня стремится к нулю в верхней мертвой точке, их можно считать установившимися. В зависимости от скорости вращения и при степени сжатия около 10, скорость истечения меняется от нескольких метров в секунду до нескольких десятков метров в секунду, т.е. соизмеримо со скоростью распространения фронта пламени и может использоваться для управления сгоранием на начальном этапе. Применение кумулятивного эффекта позволяет увеличить скорость струи и ее дальнобойность, обеспечивая ее неравномерность (концентрацию) в очаге воспламенения.
За время формирования и движения струй согласно величине угла опережения зажигания на свече искра поджигает рабочую смесь, и начинается процесс воспламенения, с местным повышением температуры и давления. В этот момент к очагу воспламенения происходит доставка дополнительного количества активированной рабочей смеси – от вытеснителя 10 и высокоэнергичной кумулятивной струи от дуги 7 вытеснителя 11. Это способствует интенсивному развития очага воспламенения и повышению качества сгорания (полноты, плавности) за счет дополнительного перемешивания смеси. При этом, струя от участка вытеснителя 11 с дугой 7 областью повышенного давления центра воспламенения разделяется на две части, которые отклоняются вправо и влево от поперечной оси головки цилиндров 13, образуя соответствующие вихревые потоки правого и левого вращения под впускным и выпускным клапанами соответственно. В это вихревое движение втягиваются соответствующие струи от вытеснителя 11, сходящие с участков дуг 8. Таким образом, к концу такта сжатия в полости камеры сгорания интенсивно развивается начальный очаг воспламенения и подготовлено интенсивное внутреннее вихревое движение рабочей смеси для ее быстрого и качественного сгорания во всем объеме, без невыгоревших удаленных участков, являющихся источником детонации.
Работа головки цилиндров с происходящими в камере сгорания газодинамическими процессами особенно важна для работы на газовом топливе, процессе перемешивания и сгорания которых в обычных бензиновых двигателях затруднен, что приводит к затяжному воспламенению, сгоранию и догоранию на стадии расширения, повышению температуры отработавших газов и прогоранию выпускных клапанов и седел, и снижению индикаторного КПД за счет неоптимального процесса расширения. Предлагаемая головка цилиндров избавлена от этого недостатка. Кроме того, увеличение в среднем радиуса перехода r полости камеры сгорания уменьшают площадь поверхности, которая отводит тепло, что дополнительно повышает ее эффективность и уменьшает отвод тепла в систему охлаждения двигателя.
Технический результат заключается в улучшении процессов внутрицилиндрового смесеобразования и сгорания, особенно от момента начала воспламенения до окончания такта сжатия.