ФОРКАМЕРА ГАЗОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к форкамерам для газопоршневых двигателей внутреннего сгорания.
Известна форкамера двигателя 10ГД 20,7/(2×25,4) (11ГД-100), содержащая корпус с вертикальной цилиндрической камерой зажигания, свечу зажигания, размещенную в верхней части корпуса соосно с камерой зажигания, автоматический газовый клапан, размещенный рядом со свечой зажигания под острым углом, и комбинированное сопло, выполненное в нижней части камеры зажигания. После открытия автоматического клапана газ через вертикальное отверстие поступает в верхнюю часть цилиндрической камеры зажигания, минуя электрод свечи зажигания. После воспламенения газа в верхней части цилиндрической камеры зажигания процесс горения газа распространяется на весь объем камеры зажигания, что приводит к резкому увеличению давления и температуры. В коническом сужающемся участке комбинированного сопла скорость перемещения горящего газа возрастает и достигает максимального значения в цилиндрическом участке комбинированного сопла. Далее, факел горящих газов из форкамеры поступает в камеру сгорания двигателя, поджигая основную часть газового топлива. Внутренняя конфигурация форкамеры должна способствовать наиболее полной ее продувке газом. С этой целью размеры элементов форкамеры уточняют для каждого двигателя при доводке рабочего процесса, (см., например, Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под общей редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985, стр. 228 и рис. 207 6 на стр. 229).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения в двигателе, следует отнести:
- возможность преждевременного воспламенения и детонации сгорания обогащенной смеси внутри форкамеры из-за отсутствия дополнительного охлаждения электродов свечи зажигания струей газа, поступающего из автоматического клапана на впуске;
- минимальную начальную поверхность фронта пламени при вертикальном выходе факела из форкамеры через одно сопловое отверстие в камеру сгорания двигателя, что приводит к увеличению времени полного сгорания основной массы газового топлива в цилиндре двигателя на такте рабочего хода, ограничивает цикловую подачу газового топлива в цилиндр двигателя на такте впуска из-за увеличения выбросов в атмосферу количества несгоревшего газа и, соответственно, ограничивает уровень максимальной мощности двигателя.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является форкамера газового двигателя внутреннего сгорания, установленная на место форсунки в крышке цилиндра дизеля, содержащая корпус с рабочей полостью, соединенный с распылителем, свечу зажигания и узел форкамерного клапана, установленный в сверлении корпуса форкамеры, в зоне, омываемой охлаждающей жидкостью, при этом в сверлении корпуса форкамеры, перед узлом форкамерного клапана, установлен дроссель, закрытый со стороны подвода газа фильтрующей сеткой, кроме этого корпус форкамеры выполнен из материала с высокой теплопроводностью и прочностью, например из латуни и содержит выточку, соединяющую сверление корпуса форкамеры, в котором установлен узел форкамерного клапана, с каналом крышки цилиндра дизеля, предназначенным для отвода просочившегося через форсунку топлива, и последний соединен с магистралью подачи форкамерного газа (см. патент на изобретение RU 2240429, дата публикации от 20.11.2004, МПК F02B 19/16 (2000.01)).
К причинам препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, в газопоршневом двигателе внутреннего сгорания следует отнести:
- возможность преждевременного воспламенения и детонации сгорания обогащенной смеси внутри форкамеры из-за отсутствия дополнительного охлаждения электродов свечи зажигания струей газа, поступающей внутрь форкамеры при открытии тарельчатого клапана;
- ограниченную начальную поверхность фронта пламени факелов, выходящих из сопловых отверстий с углом шатра раскрытия меньше 90° в центральную часть камеры сгорания газопоршневого двигателя, что также ограничивает цикловую подачу газового топлива в цилиндр газопоршневого двигателя из-за увеличения выбросов в атмосферу количества несгоревшего газового топлива и, соответственно, ограничивает уровень максимальной мощности газопоршневого двигателя;
- низкую надежность уплотнения резьбового соединения газового стыка факельного распределителя с корпусом форкамеры, предотвращающего попадание охлаждающей жидкости внутрь корпуса форкамеры.
Сущность полезной модели заключается в обеспечении оптимального охлаждения электрода свечи зажигания струей газа, поступающего из канала подвода газа в камеру зажигания за счет выполнения углубления в месте выхода электрода свечи зажигания, соединенного отверстием с коническим участком канала подвода газа.
Технический результат - повышение эффективности и надежности работы форкамеры.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в форкамере газопоршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащей корпус, в нижней части которого выполнена цилиндрическая камера зажигания, свечу зажигания, размещенную в нижней части ступенчатого канала, клапанный узел, размещенный в канале подвода газа к камере зажигания, факельный распределитель с сопловыми отверстиями для выхода горящих газов в камеру сгорания двигателя, особенностью является то, что:
1
1
1
1
1
2
1
- для исключения преждевременного воспламенения и детонации сгорания обогащенной смеси, повышающих эффективность работы, в камере зажигания в месте выхода электрода свечи зажигания выполнено углубление, соединенное отверстием подвода газа, диаметром d, с коническим участком канала подвода газа, причем диаметр d соединительного отверстия подвода газа и внутренний диаметр D основания факельного распределителя находятся в соотношении, равном d=(0,06…0,10)D, при этом внутренний диаметр средней части факельного распределителя равен D=(0,65…0,70)D;
2
2
2
3
3
2
- для обеспечения максимально-возможной начальной поверхности фронта пламени факелов, выходящих из сопловых отверстий в камеру сгорания двигателя, носок факельного распределителя выполнен в виде усеченного конуса высотой h, на конической поверхности которого размещены сопловые отверстия диаметром d, равным d=(0,2…0,5)h, при этом оси сопловых отверстий диаметром d образуют шатер с углом раскрытия не менее ≥125°, причем на днище носка факельного распределителя выполнено сопловое отверстие диаметром d, равным d=(1,0…1,8)d;
- для повышения надежности работы в верхней части канала подвода газа закреплен клапанный узел, выполненный в виде последовательно расположенных клапанов с шариковыми запирающими элементами, кроме того, корпус форкамеры и факельный распределитель выполнены в виде единой сварной детали.
Выполнение конструкции форкамеры газопоршневого двигателя описанным выше образом, с использованием всей предложенной совокупности существенных признаков, влияет на реализацию общего технического результата, а именно, позволяет повысить эффективность и надежность работы форкамеры.
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации:
на фиг. 1 - продольный разрез форкамеры;
на фиг. 2 - схема обозначения основных размеров камеры зажигания и факельного распределителя на фиг. 1.
Пример конкретного исполнения.
1
1
2
2
3
Форкамера газопоршневого двигателя внутреннего сгорания, содержит корпус 1, в нижней части которого выполнена цилиндрическая камера зажигания 2, свечу зажигания 3, размещенную в нижней части ступенчатого канала 4, клапанный узел 5, закрепленный в верхней части канала 6 подвода газа к форкамере, факельный распределитель 7. В камере зажигания 2 в месте выхода электрода свечи зажигания 3 выполнено углубление 8, соединенное отверстием 9, диаметром d, с коническим участком 10 канала 6 подвода газа. Клапанный узел 5 выполнен в виде последовательно расположенных клапанов 11, 12 и 13 с запирающими элементами в виде шариков. Корпус 1 форкамеры и факельный распределитель 7 выполнены в виде единой сварной детали. Основание и средняя часть факельного распределителя 7 выполнены цилиндрическими с внутренними диаметрами, соответственно, равными D и D. Носок 14 факельного распределителя 7 выполнен в виде усеченного конуса высотой h, на конической поверхности которого размещены сопловые отверстия 15 диаметром d, оси которых образуют шатер с углом раскрытия β≥125°. На днище носка 14 факельного распределителя 7 выполнено сопловое отверстие 16 диаметром d (фиг. 1, 2).
Форкамера устанавливается в крышке цилиндра газопоршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающей основное охлаждение корпуса 1.
Форкамера газопоршевого двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
На такте впуска из общей магистрали подачи газа в газопоршневой двигатель часть холодного газа под давлением поступает через клапаны 11, 12 и 13 клапанного узла 5 в конический участок 10 канала 6 подвода газа. Далее, через соединительное отверстие подвода газа 9 струя холодного газа на большой скорости поступает в углубление 8, дополнительно охлаждая электрод свечи зажигания 3, размещенной в нижней части ступенчатого канала 4. При этом повышается концентрация горючего газа в цилиндрической камере зажигания 2 за счет вытеснения остаточных газов от предыдущего цикла в носок 14 факельного распределителя 7 и, далее, в цилиндр двигателя. В начале такта сжатия при ускоренном движении поршня в направлении крышки цилиндра возникает волна нарастающего давления, под действием которой клапаны 11 и 12 закрываются, а смесь горючего газа и воздуха из цилиндра двигателя поступает внутрь факельного распределителя 7 через сопловое отверстие 16 в днище носка 14, обеспечивая удаление остаточных газов из форкамеры через сопловые отверстия 15. В конце такта сжатия при замедленном движении поршня в направлении крышки цилиндра под действием нарастающего давления смесь горючего газа и воздуха из камеры сгорания двигателя поступает через сопловые отверстия 15 и 16 внутрь факельного распределителя 7 и, далее, в камеру зажигания 2 корпуса 1. После подачи напряжения на электрод свечи зажигания 3 и воспламенения газа в углублении 8 процесс горения распространяется на весь объем камеры зажигания 2, что приводит к резкому увеличению давления и температуры внутри факельного распределителя 7. В сопловых отверстиях 15 носка 14 факельного распределителя 7 скорости перемещения горящего газа достигают наибольших значений. Далее, факелы горящих газов из сопловых отверстий 15 и 16 форкамеры поступают по всем направлениям объема камеры сгорания двигателя, поджигая основную часть газового топлива.
Преимущество заявляемой полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными конструкциями форкамер исключается преждевременное воспламенение и детонация при сгорания обогащенной смеси газа в камере зажигания, обеспечивается максимально-возможная начальная поверхность фронта пламени факелов, выходящих из сопловых отверстий в камеру сгорания двигателя.
По заявленному техническому решению форкамеры для газопоршневого двигателя внутреннего сгорания РУМО-502 (8ЧГН 22/28 по ГОСТ 10150-2014) в АО «РУМО» разработана конструкторская документация.