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. Технический результат - высокая экономичность рабочего процесса при обеспечении требуемой мощности и выполнении заданного уровня эмиссии отработавших газов. Для этого в камере сгорания двигателя при выполнении условия (Н-Н В)(2А)=1±0,10 размеры основных геометрических элементов соответствуют пропорциям:

Н ГB:Н =1:1,5±0,15 :3,0±0,30;

R B:RГ:RБ =1:2,0 ±0,40:4,0±0,50;

D B:DГ:(DП-2 A) =1:3,0±0,15:6,0 ±0,30,

кроме того, размеры геометрических элементов вытеснителя соответствуют пропорциям: НВ /RC=1±0,10 и RO/RБ =1 ±0,10, кроме того, цилиндрическая горловина сопряжена радиусом 0,2НГ<RKГ с поверхностью обратного усеченного конуса высотой НК<0,03 Н и диаметром 0,8DП < DК < DП основания, размещенного на поверхности головки поршня, где: Н - глубина полости вращения, Н В - высота конического вытеснителя, А - ширина плоского кольцевого днища, Нг -высота цилиндрической горловины, R B - радиус сопряжения конической поверхности и горообразного основания вытеснителя, RБ - радиус боковой горообразной поверхности камеры сгорания, RГ - радиус сопряжения цилиндрической горловины с боковой поверхностью камеры сгорания, DB - диаметр вытеснителя, DГ - диаметр цилиндрической горловины, DП - диаметр поршня, RС - радиус вершины вытеснителя, RО - радиус торообразного основания вытеснителя.

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.

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 4: 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.

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 Nл>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

HONDA 2.2L I-CTDI DIESEL ENGINE // 16th International AVL Conference "Engine & Environment", September 9th & 10th , 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,

особенностью является то, что при выполнении условия (Н-Н^/^А)^^'10 размеры основных геометрических элементов соответствуют пропорциям:

Н ГB:Н =1:1,5±0,15 :3,0±0,30;

R B:RГ:RБ =1:2,0 ±0,40:4,0±0,50;

D B:DГ:(DП-2 A) =1:3,0±0,15:6,0 ±0,30,

кроме того, размеры геометрических элементов вытеснителя соответствуют пропорциям: НВ /RC=1±0,10 и RO/RБ =1 ±0,10, кроме того, цилиндрическая горловина сопряжена радиусом 0,2НГ<RKГ с поверхностью обратного усеченного конуса высотой НК<0,03 Н и диаметром 0,8DП < DК < DП основания, размещенного на поверхности головки поршня, где:

Н - глубина полости вращения;

НВ - высота конического вытеснителя;

А - ширина плоского кольцевого днища;

Н Г - высота цилиндрической горловины;

R B - радиус сопряжения конической поверхности и горообразного основания вытеснителя;

RБ - радиус боковой горообразной поверхности камеры сгорания;

R Г - радиус сопряжения цилиндрической горловины с боковой поверхностью камеры сгорания;

DB - диаметр вытеснителя;

DГ - диаметр цилиндрической горловины;

DП - диаметр поршня;

RС - радиус вершины вытеснителя;

RО - 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.

Камера сгорания дизельного двигателя с непосредственным впрыском топлива, выполненная в поршне 1 диаметром DП в виде полости вращения 2 глубиной Н, концентрично размещенной относительно оси 3 поршня 1, содержит конический вытеснитель 4 высотой НВ, вершина 5 которого выполнена в виде сферы радиусом Re, а коническая поверхность сопряжена радиусом RB по диаметру D B с горообразным радиусом Ro основанием 6 вытеснителя, плоское кольцевое днище 7 шириной А, боковую горообразную поверхность 8 радиусом RБ и цилиндрическую горловину 9 высотой НГ и диаметром D Г, сопряженную радиусом RГ с боковой поверхностью 8 камеры сгорания. При выполнении условия (H-H B)/(2A)=1±0,10 размеры основных геометрических элементов соответствуют пропорциям:

Н ГB:Н =1:1,5±0,15 :3,0±0,30;

R B:RГ:RБ =1:2,0 ±0,40:4,0±0,50;

D B:DГ:(DП-2 A) =1:3,0±0,15:6,0 ±0,30,

Размеры геометрических элементов вытеснителя соответствуют пропорциям: НВ/R C=1±0,10 и R O/RБ =1±0,10 . Цилиндрическая горловина 9 сопряжена радиусом 0,2Н Г<RKГ с поверхностью обратного усеченного конуса 10 высотой Н K<0,03 Н и диаметром 0,8DП < DК < DП основания, размещенного на поверхности головки 11 поршня 1.

Камера сгорания работает следующим образом.

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 Г. При движении поршня 1 к верхней мертвой точке на такте сжатия воздух из надпоршневого пространства 12 поступает через горловину 9 в полость 2

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 Г 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.

1. Камера сгорания дизельного двигателя с непосредственным впрыском топлива, 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 торообразным основанием вытеснителя, плоское кольцевое днище, боковую торообразную поверхность и цилиндрическую горловину, сопряженную с боковой поверхностью камеры сгорания и поверхностью головки поршня, отличающаяся тем, что при выполнении условия (H-HB)/(2A)= 1± 0,10 размеры основных геометрических элементов соответствуют пропорциям:

НГB :Н = 1:1,5±0,15:3,0±0,30;

RB :RГ:RБ = 1:2,0±0,40:4,0±0,50;

DB:DГ:(D П -2A) = 1:3,0±0,15:6,0±0,30,

где Н - глубина полости вращения;

НВ - высота конического вытеснителя;

А - ширина плоского кольцевого днища;

НГ - высота цилиндрической горловины;

RB - радиус сопряжения конической поверхности и торообразного основания вытеснителя;

RБ - радиус боковой торообразной поверхности камеры сгорания;

RГ - радиус сопряжения цилиндрической горловины с боковой поверхностью камеры сгорания;

DB - диаметр вытеснителя;

D Г - диаметр цилиндрической горловины;

D П - диаметр поршня.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что размеры геометрических элементов вытеснителя соответствуют пропорциям:

НВ/RC =1±0,10 и RO/RБ =1±0,10,

где RС - радиус вершины вытеснителя;

RО - радиус торообразного основания вытеснителя.

3. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрическая горловина сопряжена радиусом 0,2Н Г<RKГ с поверхностью обратного усеченного конуса высотой Н К<0,03 Н и диаметром 0,8DП < DК < DП основания, размещенного на поверхности головки поршня.



 

Наверх