| Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle) Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1] 25305 1 Если камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня, то возникает слишком большая поверхность охлаждения. Поэтому стремятся создать компактную камеру сгорания в зоне свечи зажигания, а над днищем поршня – образовать зазор между ним и поверхностью головки цилиндра (уже упоминавшуюся ранее зону вытеснителя). Этот зазор выполняет две функции – обеспечивает компактность и малую поверхность камеры сгорания, а к концу хода сжатия способствует созданию интенсивного движения (турбулизации) заряда в ней. Г. Р. Рикардо определил важность турбулизации заряда уже на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания [2]. В настоящее время двигатели внутреннего сгорания выполняются с клапанами, расположенными в головке цилиндров, и распределительными валами, размещенными в блоке цилиндров (схема OHV) или в его головке (схема OHC). Камера сгорания при этом образована над днищем поршня. Для упрощения механизма газораспределения клапаны чаще всего располагают на продольной оси двигателя и камера сгорания под ними обычно выполнена ваннообразной. Для облегчения доступа к свече зажигания иногда она расположена сбоку камеры сгорания, а на противоположной свече стороне между поршнем головкой блока цилиндров образован вытеснитель. Так называемая клиновая камера сгорания, полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов, показана на рис. 1. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону выпускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери. Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на Решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ.
Широко применявшаяся ранее полусферическая камера сгорания также претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность.
У современных гоночных автомобилей эта камера сгорания значительно изменена. Для уменьшения сил инерции в клапанном механизме применяют четыре клапана в одном цилиндре, что приводит к образованию камеры сгорания так называемой шатровой формы. В ней можно разместить одну свечу зажигания непосредственно на оси цилиндра. Для получения в таких камерах высоких степеней сжатия днище поршня имеет выпуклую форму, и в нем делаются выемки для клапанов. В связи с этим поршень становится достаточно массивным, что при четырехклапанном варианте вызвало переход к шатровой камере сгорания с малым углом – около 20° между рядами клапанов. Использование такой камеры сгорания обеспечивает большое проходное сечение седел клапанов, малую массу деталей механизма газораспределения, пригодного для высоких частот вращения – до 12000 мин-1, малую поверхность камеры сгорания без больших выемок под клапаны и малую массу поршня. Для двигателей гоночных автомобилей важным является быстрый процесс сгорания, также обеспечиваемый сильной турбулизацией заряда. При этом ось вращения заряда должна быть параллельна оси коленчатого вала, а ось впускной трубы – максимально возможно приближена к оси впускного клапана. На рис. 3 изображена подобная камера сгорания.
Если применяется полусферическая камера сгорания в двухклапанном исполнении, то оси клапанов не должны пересекаться с осью цилиндра. Чаще всего клапаны слегка отклонены от оси цилиндра, расположены в сферической части камеры и их углубление в поршень в этом случае невелико. Под выпускным клапаном в днище поршня делается небольшая выемка и зазор между поршнем и головкой обеспечивает завихривание заряда, необходимое для мягкой работы двигателя. Для сжигания сильно обедненных смесей было разработано несколько новых видов камер сгорания. Большей частью они характеризуются стремлением достичь в объеме камеры послойного распределения заряда с образованием вблизи свечи зажигания богатой смеси. Часто эти камеры имеют форму тел вращения и располагаются в днище поршня. Пример подобной камеры приведен на рис. 4. Тангенциальное расположение впускного канала относительно цилиндра обеспечивает вращение заряда вокруг оси цилиндра, усиливающегося еще больше в ВМТ после вытеснения заряда с периферии цилиндра в камеру, диаметр которой меньше диаметра цилиндра. Свеча зажигания располагается в зоне камеры, где смесь обогащена. Головка цилиндра выполнена плоской, и выход потока из клапанной щели не тормозится ни стенкой цилиндра, ни стенкой камеры сгорания. Сразу же после открывания клапана его сечение открыто для прохода газового потока, за исключением зоны вблизи стенки цилиндра, однако это не имеет принципиального значения, так как поворот впускного канала не направлен в эту сторону.
Поршень с расположенной в днище камерой сгорания имеет большую массу и его температура выше, чем температура стенки камеры сгорания, размещенной в головке цилиндра. Последнее вызывает ухудшение теплоотдачи от газа к головке цилиндра и уменьшение потерь теплоты в систему охлаждения. Размер клапана в головке цилиндра обусловлен диаметром цилиндра. Тарелка клапана не должна выступать за окружность цилиндра, так как при этом растет площадь охлаждения и ухудшается очистка цилиндра. Большие размеры клапана, кроме того, непрактичны, так как значительная часть его периметра заслоняется стенкой камеры сгорания. Увеличения диаметра впускного клапана можно достичь за счет уменьшения диаметра выпускного клапана, который может быть на 15 % меньше, чем впускной. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре достаточно высокое, и хорошая очистка цилиндра может быть обеспечена и при уменьшенном сечении клапана. Клапаны наибольших размеров можно получить в полусферической камере сгорания, у которой диаметр впускного клапана может достичь 0,64, а выпускного – 0,54 диаметра цилиндра. При меньшем развале осей клапанов, а также при наличии седел клапанов у алюминиевых головок диаметры клапанов на 10 % меньше приведенных выше величин. Последнее обновление 18.02.2012Опубликовано 19.05.2011 Наверх Читайте такжеСноски
Комментарии | |||||||||
Кроме того, у выпускного клапана меньшего размера также меньше и деформация седла, и он быстрее охлаждается.Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания (варианты)
Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеет дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, при этом дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания, при этом объем дополнительной камеры-аккумулятора воздуха составляет 20-30% объема камеры сгорания, причем она выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например, из никелевой стали или керамических материалов. Рассмотрены варианты, когда дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в крышке цилиндра, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания к центру поршня, а также когда дополнительная камера-аккумулятор воздуха выполнена отдельно от крышки цилиндра, а ось сопла направлена поперек цилиндра и камеры сгорания. Изобретение направлено на повышение интенсивности перемешивания топлива с воздухом во время процесса горения топлива, обеспечение полноты сгорания топлива, повышение экономичности и моторесурса двигателя, снижение токсичности и дымности выхлопных газов на всех режимах работы двигателя.
3 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания, а именно к двигателям с камерой сгорания, разделенной на две части, и может найти применение в карбюраторных и дизельных двигателях внутреннего сгорания.
Получить качественную смесь топлива с воздухом существующими приборами смесеобразования практически невозможно. В камеру сгорания топливо попадает, в лучшем случае, в виде капель размером в один микрон, причем в этой капле находятся миллионы молекул углерода и водорода. Эти капли нужно испарить, термически разложить на отдельные атомы и перемешать с воздухом. Капля топлива в это время представляет из себя сферу с повышенным давлением внутри сферы, состоящей из газообразного водорода и атомарного негазообразного углерода. При этом внутри сферы создаются идеальные условия для образования сажи-графита и возможно очень мелких алмазов, которые частично приклеиваются к масляной пленке на стенке цилиндра и превращают постепенно масло в картере двигателя в темную протирочную пасту на основе графита и очень мелких алмазов.
При хорошем перемешивании и некотором избытке воздуха все это на последнем этапе горения топлива может сгореть и двигатель при этом покажет высокую экономичность. Однако топливо в объеме камеры сгорания дизеля распределяется с большой неравномерностью, поэтому для качественного процесса сгорания приходится применять высокие коэффициенты избытка воздуха, равные 4,70-2,20 (Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990 г., стр.108).
Для дизелей с диаметром поршня менее 150 мм используют полуразделенные и разделенные камеры сгорания, которые обеспечивают хорошее перемешивание топлива с воздухом при коэффициенте избытка воздуха 1,5-1,7 для полуразделенных камер сгорания и 1,25-1,35 для разделенных камер сгорания (Лебедев О.Н., Сотов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990 г., стр.114, 116, 117). Однако двигатели с этими камерами сгорания имеют повышенный расход топлива, вследствие дополнительных тепловых и аэродинамических потерь (при перетекании воздуха и газов из одной полости в другую), а также увеличенных тепловых потерь из-за большой теплоперепадающей поверхности.
Наиболее близким аналогом является камера сгорания с предкамерным смесеобразованием (Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990 г., стр.117), в которой объем сжатия разделен на основную камеру и предкамеру, которая размещена в крышке цилиндра. Камеры соединены между собой несколькими каналами. Предкамера имеет сравнительно небольшой объем 25-40% камеры сгорания. Рабочий процесс предкамерного дизеля протекает следующим образом. В процессе сжатия воздух из надпоршневого пространства через соединительные каналы поступает в предкамеру. Это перетекание происходит при значительных перепадах давления (300-600 кПа) и с высокими скоростями, вследствие чего в предкамере возникает интенсивное неупорядоченное движение воздушного заряда. Топливо впрыскивается навстречу воздушному потоку, при этом топливо хорошо перемешивается с воздухом, воспламеняется и частично сгорает. Давление в предкамере резко повышается и смесь топлива, продуктов сгорания и воздуха начинает выбрасываться в основную камеру, при этом давление в предкамере резко падает.
В основной камере в это время происходит интенсивное струйное смешение истекающей из предкамеры среды с воздухом и сгорание основной части топлива.
Недостатки двигателей с разделенными камерами сгорания сводятся к следующему:
— низкие пусковые свойства;
— повышенный расход топлива;
— усложнена конструкция крышки цилиндра, что связано с размещением в ней дополнительной камеры.
По этой причине смесеобразование в разделенных камерах сгорания нашло применение в малоразмерных высокооборотных 4-х тактных дизелях. В 2-х тактных дизелях эти способы смесеобразования не используются ввиду трудности очистки дополнительных камер от отработанных газов.
Поставлена задача повысить интенсивность перемешивания топлива с воздухом во время сгорания с тем, чтобы обеспечить полноту сгорания топлива и соответственно повысить экономичность и моторесурс двигателя, повысить среднее индикаторное давление цикла, снизить дымность выхлопа на режиме максимальной мощности.
Эта задача решена следующим образом.
В соответствии с прототипом камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршня, имеет дополнительную камеру-аккумулятор воздуха.
Согласно изобретению:
— по первому варианту — камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне двигателя и соединена с камерой сгорания соплом, причем ось сопла направлена через центр камеры сгорания, а объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, при этом камера-аккумулятор воздуха выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелированной стали или керамических материалов;
— по второму варианту — камера-аккумулятор размещена в крышке цилиндра и соединена соплом с камерой сгорания, причем ось сопла направлена через центр камеры сгорания, а объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, при этом камера-аккумулятор воздуха выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелированной стали или керамических материалов;
— по третьему варианту — камера-аккумулятор воздуха размещена отдельно от крышки цилиндра и соединена соплом с камерой сгорания, причем ось сопла направлена поперек цилиндра и камеры сгорания, а объем камеры-аккумулятора воздуха 20-30% объема камеры сгорания, при этом камера-аккумулятор воздуха выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелированной стали или керамических материалов.
Далее сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
— на Фиг.1 — камера сгорания с поршнем в верхней мертвой точке с дополнительной камерой-аккумулятором воздуха, размещенной в поршне;
— на Фиг.2 поясняется, как дополнительная камера-аккумулятор воздуха по первому варианту создает вихрь, перемешивающий топливо с воздухом во время начала рабочего хода;
— на Фиг.3 — размещение дополнительной камеры-аккумулятора воздуха в крышке цилиндра 2-х тактного двигателя с петлевой продувкой;
— на Фиг.4 — размещение дополнительной камеры-аккумулятора воздуха отдельно от крышки цилиндра 4-х тактного двигателя.
Устройство и работа камеры сгорания
В цилиндре 1 надпоршневое пространство соединено с дополнительной камерой-аккумулятором воздуха 2 соплом 3. Камера сгорания 4 размещена в крышке цилиндра 5. Дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне 6 (Фиг.1, 2).
Камера сгорания работает следующим образом:
когда поршень 6 находится в нижней мертвой точке и в цилиндре 1 заканчивается такт продувки цилиндра 1 свежим зарядом воздуха, давления воздуха в надпоршневом пространстве и в дополнительной камере-аккумуляторе воздуха равны.
В процессе сжатия воздух из надпоршневого пространства через сопло 3 перетекает в дополнительную камеру 2, где и накапливается. В конце сжатия в камеру сгорания 4 впрыскивается топливо, где оно воспламеняется и в камере сгорания 4 резко повышаются давление и температура газов, при этом в дополнительную камеру 2 будут перетекать сгоревшие продукты топлива. Под действием высокого давления газов поршень 6 пойдет вниз и начнется такт рабочего хода. Камера сгорания 4 увеличится в объеме, давление в камере сгорания уменьшится и наступит момент, когда давления газов в камере сгорания 4 и давление воздуха в дополнительной камере-аккумуляторе воздуха сравняются. Вскоре давление в дополнительной камере 2 будет выше и воздух, аккумулированной в дополнительной камере 2, через сопло 3 пойдет через центр камеры сгорания 4, упрется в центр крышки цилиндра 5, разойдется по краям камеры сгорания 4 и свободной части цилиндра 1. При этом образуется вихревой тор (Фиг.2) из газов, нагретых в камере сгорания 4, и воздуха из дополнительной камеры 2.
Перемешивание газов будет весьма интенсивным и будет способствовать полному сгоранию топлива при малом избытке воздуха. Подача воздуха из дополнительной камеры-аккумулятора воздуха 2 начнется, когда процесс горения еще не завершен, и будет продолжаться на протяжении всего рабочего хода. Однако основная часть воздуха покинет дополнительную камеру 2 до прихода поршня в среднее положение, обеспечив при этом полное сжигание топлива.
Работа камеры сгорания по Фиг.3 отличается от вышеописанной работы камеры по Фиг.1 тем, что воздух из дополнительной камеры 7, размещенной в крышке цилиндра 8, через сопло 9 пойдет к центру поршня 10, потом к стенке цилиндра 11 и в камеру сгорания 12, создав вихрь газов в виде тора с направлением вращения, указанным стрелками.
Работа камеры сгорания по Фиг.4 отличается от вышеописанных работ камер сгорания по Фиг.1 и Фиг.3 тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха 13 размещена отдельно от крышки цилиндра 14 как самостоятельная деталь. В камеру сгорания 15 входит сопло 16, которое и во время начала рабочего хода создает струю воздуха поперек цилиндра 17, образуя два вихря в камере сгорания 15.
Эти два вихря вращаются от струи воздуха: один — влево, а другой — вправо, обеспечивая перемешивание топлива и воздуха во время процесса сгорания.
Размещение дополнительной камеры в поршне вызывает повышение термического напряжения в поршне, поэтому можно предположить, что дополнительную камеру нужно изготавливать из никелевой стали, имеющей низкую теплопроводность, или из керамических материалов. Некоторые фирмы имеют опыт применения керамики в двигателях внутреннего сгорания.
Технический результат изобретения:
— повышение интенсивности перемешивания топлива с воздухом во время сгорания;
— обеспечение полноты сгорания топлива;
— повышение экономичности двигателя;
— повышение моторесурса двигателя;
— снижение токсичности и дымности выхлопных газов на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания.
1. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеющая дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, отличающаяся тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в поршне, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания, при этом объем дополнительной камеры-аккумулятора воздуха составляет 20-30% объема камеры сгорания, причем она выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например из никелевой стали или керамических материалов.
2. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеющая дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, отличающаяся тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха размещена в крышке цилиндра, а ось сопла направлена через центр камеры сгорания к центру поршня, при этом объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, причем выполнена она из материала с низкой теплопроводностью, например из никелевой стали или керамических материалов.
3. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная стенкой цилиндра, крышкой цилиндра и поршнем, имеющая дополнительную камеру-аккумулятор воздуха, соединенную соплом с камерой сгорания, отличающаяся тем, что дополнительная камера-аккумулятор воздуха выполнена отдельно от крышки цилиндра, а ось сопла направлена поперек цилиндра и камеры сгорания, при этом объем камеры-аккумулятора воздуха равен 20-30% объема камеры сгорания, причем она выполнена из высокопрочного материала с низкой теплопроводностью, например из никелевой стали или керамических материалов.
Камера сгорания двигателя
Камера сгорания двигателя
| |||||||||||||||||||||
Мы обсудим основы
двигатель внутреннего сгорания, использующий
Братья Райт 1903, показанный на рисунке в качестве примера.
Дизайн братьев очень прост по сегодняшним меркам, так что это хороший
двигатель для студентов, чтобы учиться и изучать
основы двигателей
и их
операция.
Сиденье и
края клапана тщательно обработаны, чтобы газы не могли проходить между ними, когда клапан закрыт. Во время такта впуска впускной клапан притягивается
открыт, и между клапаном и седлом имеется небольшой зазор. Топливо и воздух в впускной коллектор протекает через щель в камеру сгорания.
Клапан может двигаться только вверх и вниз, потому что клетка впускного клапана удерживает шток клапана.
На среднем рисунке показаны детали во время
сжатие и
рабочие ходы цикла.
Впускной клапан теперь закрыт, и камера образует полностью закрытый сосуд с
в
поршень и цилиндр.
Через стены камеры выступают свеча зажигания (зеленая) и
контактный переключатель.
Выключатель обычно остается открытым. Выключатель замкнут на вилку,
и быстро открывается, чтобы создать
искра для воспламенения топливно-воздушной смеси во время
процесс горения.
На рисунке справа показаны детали во время
такт выхлопа. выпускной клапан (синий), как и впускной клапан, обычно плотно прилегает к
его седло клапана с помощью пружины выпускного клапана .
Во время такта выпуска,
клапан открывается с помощью кулачкового привода
коромысло.
Как и впускной клапан, выпускной клапан удерживается на месте клапанной клеткой , которая
наматывается на шток клапана. Когда выпускной клапан открыт, горячий выхлопной газ
проталкивается через открытый клапан и выходит из двигателя. Движение всех этих частей координируется
система синхронизации и показана на этой анимации:
Страница не найдена | Национальный музей авиации и космонавтики
Страница не найдена | Национальный музей авиации и космонавтикиПерейти к основному содержанию
Пожертвовать сейчас
Один музей, две локации Посетите нас в Вашингтоне, округ Колумбия, и Шантильи, штат Вирджиния, чтобы исследовать сотни самых значительных объектов в мире в истории авиации и космоса. Посещать Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне Центр Удвар-Хази в Вирджинии Запланируйте экскурсию Запланируйте групповое посещение В музее и онлайн Откройте для себя наши выставки и участвуйте в программах лично или виртуально. Как дела События Выставки IMAX Погрузитесь глубоко в воздух и космос Просмотрите наши коллекции, истории, исследования и контент по запросу.
Исследовать
Истории
Темы
Коллекции
По требованию
Для исследователей
Для учителей и родителей
Подарите своим ученикам Музей авиации и космонавтики, где бы вы ни находились.
Учиться
Программы
Образовательные ресурсы
Запланируйте экскурсию
Профессиональное развитие педагога
Образовательная ежемесячная тема
Будь искрой
Ваша поддержка поможет финансировать выставки, образовательные программы и усилия по сохранению.
Давать
Становиться участником
Стена чести
Способы дать
Провести мероприятиеНациональный музей авиации и космонавтики
6-я улица и проспект Независимости SW
Вашингтон, округ Колумбия 20560
202-633-2214
10:00 — 17:30
Центр Стивена Ф.