ВПУСКНОЙ КЛАПАН ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INLET VALVE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при конструировании поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с целью обеспечения повышения степени наполнения цилиндра двигателя на такте впуска воздухом или воздушно-топливной смесью.
Уровень техники
Из уровня техники известно решение впускного клапана ДВС, представленное в патенте GB 1569277 A. Раскрыто конструктивное выполнение впускного клапана, профиль поверхности которого не содержит углов и неровностей; канал, в котором расположен клапан, имеет криволинейные стенки; профиль поверхности галтели клапана выполнен криволинейным с тем же радиусом кривизны, что и у стенок подводящего канала; боковая поверхности седла клапана выполнена скругленной.
Однако при реализации данного технического решения затруднительным представляется выполнение криволинейными стенок впускного подводящего канала вблизи седла клапана, поскольку они в данной зоне имеют нулевой радиус кривизны, то есть выполнены прямолинейными. Кроме того, данное техническое решение заключается в обеспечении минимальных потерь завихренности воздушного потока, входящего в цилиндр через открытый клапан и не способствует повышению газонаполненности цилиндра.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является техническое решение впускного клапана, раскрытое в публикации GB 2115486 A, характеризующееся равным отношением длины галтели (криволинейного участка) к диаметру тарелки. По мнению автора данного изобретения, течение рабочей среды через открытый клапан стандартной формы с меньшей осевой длиной галтели становится турбулентным из-за резкого уступа в месте соединения стержня и тарелки. Из современной аэродинамики известно, что подобные уступы в профилях обтекаемых тел приводят к появлению отрыва пограничного слоя рабочей среды (отрывные зоны). Это не турбулентное, а ламинарное явление. Развитая отрывная зона в потоке снижает эффективную площадь кольцевого сечения, через которое идет воздух; кроме этого возрастают потери кинетической энергии газа и полного давления, связанные с вязкостью. Это снижает расход рабочей среды через открытый клапан, и, следовательно, газонаполнение цилиндра и объемный КПД двигателя.
Также известно, что спрямление таких уступов обтекаемого профиля не всегда позволяет избежать возникновения отрывной зоны, поскольку у поверхности клапана по-прежнему может возникать торможение потока газа.
На странице http://www.refsru.com/referat-22208-2.html приведен схематичный чертеж стандартного впускного клапана. Как следует из представленного изображения, форма стандартного впускного клапана не оптимальна с аэродинамической точки зрения. Галтель, которая обеспечивает переход от стержня клапана с постоянным диаметром к плоской тарелке клапана, имеет малую длину вдоль оси симметрии клапана, у поверхности клапана в области галтели клапана возникает сильное торможение потока рабочей среды (топливно-воздушной смеси). Это в свою очередь приводит к появлению отрыва пограничного слоя. В результате, резко возрастают потери на трение, часть впускного канала загромождается образовавшейся отрывной зоной, что приводит к уменьшению потока газа через открытый клапан, и, следовательно, к уменьшению количества газа, попадающего в цилиндр.
Для обеспечения безотрывности потока газа необходимо детальное рассмотрение аэродинамических свойств воздушного потока, которое описано в настоящей заявке.
Задачей настоящего изобретения является создание впускного клапана для поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего высокое газонаполнение цилиндра воздухом или топливно-воздушной смесью на такте впуска.
Техническим результатом изобретения является повышение газонаполнения цилиндра за счет подбора оптимальной с аэродинамической точки зрения формы криволинейной галтели клапана.
Поставленная задача решается тем, что впускной клапан, выполненный с возможностью установки в впускном канале двигателя внутреннего сгорания (ДВС), представляет собой единую монолитную деталь, содержащую стержень клапана, галтель клапана и тарелку, имеющую боковую и торцевую поверхности, контактную фаску, которая представляет собой усеченно-коническую поверхность с меньшим основанием, имеющим радиус R2, и обеспечивает возможность контакта с седлом клапана ДВС, при этом
стержень клапана выполнен, по крайней мере, из одного участка с постоянным радиусом, при этом радиус стержня клапана в зоне сопряжения с галтелью равен R1,
a
a
a
a
b
b
t
t
галтель клапана выполнена с увеличением диаметра от стержня клапана к тарелке, при этом профиль галтели выполнен в соответствии с кривой, точки которой определены парами координат (x; r), где х - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль оси клапана, начиная от линии сопряжения галтели и тарелки, r - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль торцевой поверхности тарелки, а - порядковый номер точки, при этом совокупность точек (x; r), образующих кривую профиля галтели расположена между двумя пограничными кривыми, каждая из которых определена совокупностью N точек (x, r) и (x, r) соответственно, где
b
b
x=d*R2,
b
b
b
r=l*R2+m*(R1-0.2*R2),
при этом для каждого N
t
t
x=d*R2,
t
t
t
r=l*R2+m*(R1-0.2*R2),
при этом для каждого N
^
Угол наклона криволинейной галтели к стержню клапана в зоне сопряжения галтели и тарелки составляет не менее 60°. Галтель может быть выполнена из криволинейного и прямолинейного участков, с обеспечением постоянной скорости потока рабочей среды вдоль криволинейного участка галтели и монотонным увеличением вплоть до звуковой скорости вдоль прямолинейного участка галтели. Кроме того, галтель выполнена с обеспечением безотрывного сверхзвукового течения рабочей среды и формирования одной звуковой поверхности в зоне зазора, образуемого при максимальном ходе впускного клапана. При этом выполняется соотношение давления рабочей среды во впускном канале цилиндра p1 к давлению вне впускного канала цилиндра р2: p1/p2>((k+1)/2)(k/(k-1)), где k - показатель адиабаты рабочей среды.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично представлены сравнительные диаграммы потоков рабочей среды вдоль стандартного известного впускного клапана и заявляемого впускного клапана.
На фиг. 2 представлен график зависимости числа Маха от длины дуги галтели вдоль поверхности заявляемого профилированного клапана.
На фиг. 3 схематично представлено сечение заявляемого клапана в размерной сетке. При этом приведенная размерная сетка не является признаком изобретения, ограничивающим габариты впускного клапана, а показывает возможный вариант реализации впускного клапана конкретного типоразмера.
На фиг. 4 представлена 3D модель заявляемого впускного клапана.
На фиг. 5 представлена схема расположения линии галтели в известном клапане и заявляемом клапане.
На фиг. 6 схематичное изображение из фиг. 5 представлено укрупненно.
На фиг. 7 схематично изображены профили галтелей клапанов, полученные с использованием расчетных формул.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - стержень,
2 - криволинейный участок галтели;
3 - прямолинейный участок галтели;
4 - тарелка клапана;
5 - седло клапана,
6 - выемка,
7 - контактная фаска,
8 - пограничные линии профиля галтели.
Впускной клапан - элемент механизма газораспределения ДВС, который отвечает за пропуск в рабочую камеру сгорания топливно-воздушной смеси или только воздуха (для дизельных ДВС или моторов с непосредственным впрыском). В общем случае впускной клапан соединяет впускной канал ДВС с цилиндром двигателя.
Для однозначной трактовки сущности заявляемого изобретения ниже приведены определения составных частей впускного клапана, используемые при составлении данной заявки.
«Стержень клапана» - часть клапана с постоянным диаметром.
«Галтель» - часть клапана с изменяющимся диаметром (от стержня до тарелки). Галтель может быть криволинейной - для формирования скругленного участка или прямолинейной - для формирования конического участка.
«Тарелка клапана» - часть клапана, сопряженная с галтелью, контактирующая с седлом клапана. Тарелка содержит плоскую (или вогнутую) торцевую поверхность, боковую поверхность и контактную фаску, форма которой соответствует форме седла клапана.
«Седло клапана» - посадочная поверхность, к которой прилегает контактная фаска тарелки клапана в закрытом состоянии. Седло клапана устанавливается во впускном канале ДВС.
В качестве изобретения заявлено техническое решение впускного клапана, характеризующегося повышенным газонаполнением цилиндра ДВС за счет подбора оптимальной аэродинамической формы поверхности галтели клапана, а также расчета соотношений основных параметров клапана.
Впускной клапан выполнен в виде единой монолитной осесимметричной детали и, с точки зрения функциональных составляющих, содержит:
- стержень клапана, который может иметь постоянный диаметр (и, соответственно, радиус R1) вдоль всей протяженности, или может быть выполнен из нескольких, например, двух протяженных участков различного диаметра. При этом зона перехода от одного диаметра к другому может быть выполнена усеченно-конической или ступенчатой. Для выполнения расчетов при выборе оптимальной аэродинамической формы в случае выполнения стержня из нескольких участков различного диаметра, в качестве R1 считают радиус того участка, который примыкает к галтели клапана.
- тарелка клапана, часть впускного клапана, имеющая наибольший диаметр. При этом тарелка имеет торцевую поверхность, которая может быть выполнена плоской или, с целью уменьшения материалоемкости, вогнутой. Закон, определяющий кривизну торцевой поверхности, не является предметом настоящего изобретения, поскольку не влияет на степень газонаполненности цилиндра ДВС. Кроме того, тарелка имеет контактную фаску, представляющую собой усеченно-коническую поверхность, контактирующую с посадочной поверхностью седла клапана при осуществлении рабочего хода; при этом при контакте двух поверхностей впускной клапан находится в положении «закрыто», а при наличии зазора между двумя указанными поверхностями впускной клапан находится в положении «открыто», максимальный зазор соответствует максимальному рабочему ходу впускного клапана.
- галтель клапана, закон кривизны которой, в основном, определяет аэродинамическую составляющую впускного клапана. Галтель может быть как криволинейной, так и выполненной из двух участков - криволинейного и прямолинейного (от стержня к тарелке). Галтель клапана выполнена с увеличением диаметра от стержня клапана к тарелке.
а
a
Профиль галтели является расчетной величиной и выполнен в соответствии с кривой, каждая точка которой может быть определена парой координат (х; r), где x - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль оси клапана, начиная от линии сопряжения галтели и тарелки, r - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль торцевой поверхности тарелки (радиус галтели), k - порядковый номер точки.
b
b
t
t
Совокупность точек, образующих кривую профиля галтели расположена между двумя пограничными кривыми (см. фиг. 5 и 6), каждая из которых определена совокупностью N точек (x, r) и (x, r) соответственно, где
b
b
t
t
Иначе говоря, пары (x, r) и (x, r) могут быть описаны при помощи формул
b
b
b
t
t
t
где коэффициенты d, l, m, d, l, m взяты из соответствующих строк приведенных выше таблиц.
Сплошной линией на фиг. 5 и 6 показана линия галтели стандартного клапана, пунктирная и штрих-пунктирная с крестиками линии образуют граничные положения линии галтели в соответствии с заявляемым изобретением.
Видно, что пограничные кривые выделяют некоторый объем, внутри которого могут быть расположены линии галтелей впускного клапана.
На фигуре 1 слева показан результат численного моделирования течения через открытый стандартный клапан. Показаны линии тока вблизи галтели клапана, демонстрирующие возникновение обширной отрывной зоны. Справа показаны линии тока в течении через открытый заявляемый клапан, при этом видно, что в течении отсутствует отрыв пограничного слоя и образуется единая звуковая поверхность (черная линия).
Форма удлиненной галтели клапана выбрана таким образом, что на первом участке галтели (А-В на фигуре 1 справа) скорость потока вдоль поверхности клапана почти постоянна, а на втором участке, прямолинейном или близком к прямолинейному, (В-С на фигуре 1 справа) скорость потока монотонно возрастает до величины скорости звука На фиг. 2 видно, как резко возрастает и стремится к 1 число Маха в зоне точки С. Число Маха представляет собой отношение скорости течения потока к скорости звука, поэтому приближение числа Маха к 1 означает достижение скорости звука потоком. Из аэродинамики известно, что отсутствие торможения потока обеспечивает отсутствие отрыва пограничного слоя. Кроме того, при такой структуре течения, расход газа близок к максимально возможному, т.к. он определяется расходом через звуковую поверхность.
Ряд модельных экспериментов по продувке клапанов показал, что специально спрофилированные таким образом клапаны обеспечивают увеличение расхода рабочей среды (газонаполнение) через открытый клапан по сравнению со стандартным известным клапаном при различных величинах хода клапана - вертикального смещения относительно состояния, когда клапан закрывает впускной канал. Результаты измерений для разных величин рабочего хода клапан приведены в Таблице 1. В качестве стандартного клапана использовалась модель, близкая к впускному клапану №406-1007010, изготавливаемому Челябинским автомеханическим заводом. Модель-1, Модель-2 представляют собой спрофилированные клапаны с углом наклона кривой галтели к оси клапана 70° в точке соединения галтели с тарелкой клапана (точка 2 на фигуре 5). Соотношение длины галтели вдоль оси клапана к диаметру тарелки составляет 0,5 для Модели-1 и примерно 1 для Модели-2.
Как видно из Таблицы 1, Модели 1 и 2 демонстрируют увеличение расхода рабочей среды относительно стандартного клапана.
На фиг. 7 показаны графики пограничных кривых, рассчитанных с использованием приведенных формул для R1=3 мм, R2=18 мм. Кроме того, показано расположение двух линий галтели между этими пограничными кривыми, при этом все точки изображенных линий галтели определены в соответствии со следующими таблицами значений:
1-я линия (сплошная с квадратными метками)
2-я линия (пунктирная с треугольными метками)
Из фиг. 7 следует, что обе линии лежат между пограничными кривыми, заданными в заявляемом изобретении. Оба варианта линии галтели обеспечивают повышенное газонаполнение по сравнению со стандартным клапаном. Конкретный вариант исполнения клапана можно выбирать, исходя из дополнительных ограничений: масса клапана, тепловые нагрузки, прочность и т.п.
Предлагаемый впускной клапан функционирует также как стандартный клапан: Клапан приводится в движение газораспределительным механизмом (ГРМ), обеспечивая поступление рабочей среды из подводящего впускного канала в цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Клапан может быть использован совместно с турбонаддувом, в этом случае отношение давления во впускном канале к давлению в цилиндре будет больше, что даст еще больший выигрыш в газонаполнении по сравнению со стандартным клапаном.
Пример конкретного выполнения.
Изготовлен впускной клапан в соответствии с заявленной формулой изобретения.
Диаметр тарелки равен 33 мм, диаметр тарелки клапана 37 мм, высота клапана равна 90.1 мм. Высота конической фаски равна 2 мм, угол наклона ее к оси клапана равен 45 градусов. Угол наклона поверхности галтели к оси клапана в верхней точке конической фаски составляет 80 градусов.
Для облегчения клапана в тарелке выполнена коническая выемка.
Профиль галтели определяется Таблицей 2 точек, при этом R и X представляют собой координаты точки измерения по осям абсцисс и ординат, соответственно. Линия галтели, полученная набором указанных точек расположена между пограничными положениями и соответствует заявленному изобретению.