Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение предназначено для использования в двигателестроении. Головка цилиндров имеет камеру сгорания, связанную с впускным и выпускным каналами, которые выведены на одну сторону головки. Впускной канал состоит из входного участка и выполненного в форме неправильного винта выходного участка. На выходном участке впускной канал имеет поворот на 90^o в вертикальной плоскости и поворот на 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси впускного клапана. Выпускной канал состоит из выходного участка и выполненного в форме неправильного винта входного участка. Входной участок выпускного канала имеет поворот на 90^o в вертикальной плоскости и поворот на 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси выпускного клапана. Выходной участок впускного канала и входной участок выпускного канала плавно вписаны в надкамерные полости, каждая из которых выполнена в форме цилиндра, ограниченного сверху полусферой. Каналы имеют по всей длине постоянный гидравлический диаметр. Поперечные сечения каналов имеют форму "Кассини-овалов". Изобретение позволяет улучшить мощностные и экономические показатели двигателя. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах газообмена двигателей внутреннего сгорания.

Известна головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания по авторскому свидетельству СССР N 509728 от 21.04.72 г. F 02 F 1/42, содержащая впускные и выпускные каналы с седлами клапанов, гидравлические диаметры которых выполнены равными гидравлическому диаметру седла соответствующего клапана, а отношения высоты к ширине поперечных сечений каждого канала на расстояниях от седла, равных 0; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1,0 длины канала, составляют соответственно 1,0; 0,78-0,82; 0,95-1,05; 1,1-1,25; 1,4-1,6; 1,6-1,7.

Недостатком указанной формы каналов является отсутствие винтового движения газов в каналах, что снижает наполнение цилиндра, его очистку от выхлопных газов и соответственно мощностные и экономические показатели двигателя.

Кроме того, предложенная форма каналов не обеспечивает эффективного смесеобразования, что ухудшает детонационные показания двигателя.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является головка цилиндров по авторскому свидетельству СССР N 503033 от 12.06.74 г. F 02 F 1/42, содержащая камеру сгорания и впускной канал, связанный с камерой сгорания выходным участком, выполненным по спирали, в котором отношение площадей проходных сечений выходного участка, удаленных от начала спирального участка на углы 75-85^o, 150-170^o, 300-340^o, к площади сечения впускного канала перед выходным участком составляет соответственно 0,7-0,8; 0,45-0,55; 0,05-0,10.

Согласно графическим материалам впускной канал имеет также входной участок, сечение которого на входе круглое, а с начала спирального участка, выполненного в виде поворота на 90^o в вертикальной плоскости и на сопряженном с ним выходном участке поворота вокруг оси клапана в горизонтальной плоскости при одновременном движении канала по вертикали к седлу клапана площадь его сечения уменьшается за счет постепенного уменьшения его ширины в горизонтальной плоскости.

Недостатком указанной головки цилиндров является неодинаковые гидравлические диаметры сечений впускного канала по его длине, что уменьшает наполнение цилиндра и соответственно мощностные и экономические показатели двигателя.

Техническим результатом изобретения является улучшение смесеобразования, увеличение наполнения цилиндров и улучшение мощностных и экономических показателей двигателя.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в головке цилиндров ДВС, имеющей для каждого цилиндра впускной и выпускной клапаны, втулки и седла клапанов, камеру сгорания, связанную с выпускным каналом и с выведенным на ту же сторону головки впускным каналом, состоящим из входного участка и выполненного в форме неправильного винта выходного участка поворота канала на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси впускного клапана, согласно изобретению выпускной канал состоит из выходного участка и выполненного в форме неправильного винта входного участка поворота канала на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси выпускного клапана, выходной участок впускного канала и входной участок выпускного канала плавно вписаны в надкамерные полости, каждая из которых выполнена в виде цилиндра, соосного седлу соответствующего клапана, диаметром, равным внутреннему диаметру соответствующего седла, и ограниченного сверху полусферой того же диаметра. Каналы имеют по всей длине постоянный гидравлический диаметр, равный гидравлическому диаметру соответствующего седла клапана, а поперечные сечения каналов имеют форму "Кассини-овалов".

Эксцентриситет "Кассини-овалов" изменяется по длине каналов, и максимальное значение его для впускного канала равно 0,20-0,35 диаметра образующей окружности, для выпускного канала 0,45-0,65 диаметра образующей окружности, ширина "Кассини-овалов" в зоне сопряжения образующих окружностей изменяется по длине каналов от 0,75 до 1,0 диаметра образующей окружности.

Большая ось "Кассини-овалов" поворачивается по длине каналов вокруг оси, при этом max эксцентриситет "Кассини-овалов" в вертикальной плоскости лежит в зоне входа (выхода) в головку цилиндров, min - в начале участка поворота каналов, а в горизонтальной плоскости max эксцентриситет "Кассини-овалов" лежит в начале участка поворота канала, min - в зоне входа (выхода) в головку цилиндров.

Центры образующих окружностей нижней части впускного канала лежат на расположенной в вертикальной плоскости кривой, проекция которой в горизонтальной плоскости прямая, соединяющая центр входного окна головки с точкой пересечения указанной кривой с верхней плоскостью седла клапана, лежащей на поперечной оси седла клапана до продольной оси седел клапанов, а центры образующих окружностей "Кассини-овалов" верхней части впускного канала лежат на объемной кривой, проекция которой на горизонтальную плоскость соединяет центр впускного окна в головку цилиндров с точкой пересечения указанной объемной кривой с верхней плоскостью седла клапана, лежащей на поперечной оси седла клапана за продольной осью седел клапанов, при этом указанные прямая и кривая центров "Кассини-овалов" впускного канала обеспечивают каналу форму неправильного винта на участке его поворота и постоянные гидравлические диаметры поперечных сечений канала.

Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" выпускного канала лежат на объемных кривых, которые и в горизонтальной проекции соединяют центр выпускного окна головки цилиндров с точкой пересечения этих кривых с верхней плоскостью седла клапана, лежащей на поперечной оси седла за продольной осью седел клапанов: при этом указанные объемные кривые центров "Кассини-овалов" выпускного канала обеспечивают каналу форму неправильного винта на участке поворота и постоянные гидравлические диаметры поперечных сечений канала.

Равные гидравлические диаметры поперечных сечений каналов по их длине, начиная от седла клапана до входа (выхода) в головку цилиндров, означает, что в любом поперечном сечении величина 4S/P=const, где S - площадь поперечного сечения канала, P - смачиваемый периметр сечения, что достигается формой и расположением кривых центров образующих окружностей "Кассини-овалов", а также величиной эксцентриситета "Кассини-овалов", изменяющейся по длине каналов.

Величина гидравлического диаметра впускного канала больше, чем величина гидравлического диаметра выпускного канала.

Равные гидравлические диаметры сечений каналов обеспечивают min сопротивление потоку газов, увеличивая наполнение цилиндров. Кроме того, кривые центров "Кассини-овалов" на участках поворота каналов обеспечивают одновременный поворот потока газа в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что способствует улучшению смесеобразования, наполнения цилиндров и образованию направленного движения потоков газа в камере сгорания и цилиндре двигателя. Равные гидравлические диаметры выпускных каналов и винтовое движение отработавших газов на выпуске из камеры сгорания обеспечивают минимальное сопротивление выпуску отработавших газов, улучшая очистку камеры сгорания, что также положительно влияет на наполнение цилиндра. Выполнение надкамерной полости в виде цилиндра с диаметром, равным внутреннему диаметру седла, и сопряжение впускных и выпускных каналов с надкамерной полостью позволяет удачно обойти бобышку под втулку, втулку и стержень клапана в головке цилиндров и позволяет использовать весь объем над клапаном, что способствует выравниванию давления впуска и выпуска по всей плоскости впускного (выпускного) отверстия, т.е. щели между клапаном и седлом.

Выполнение поперечных сечений каналов в виде "Кассини-овалов", сжатых по бокам, способствует образованию в канале двух потоков смеси, которые скручиваются между собой, благодаря повороту большой оси "Кассини-овалов" вокруг продольной оси каналов. Скрученные потоки смеси с меньшим гидравлическим сопротивлением входит в поворот на 90^o и увлекаются в винтовое движение с увеличенной скоростью, что увеличивает наполнение цилиндров, а в выпускных каналах увеличивается скорость движения выхлопных газов, и в результате улучшается очистка камеры сгорания от них. Выполнение участков поворота каналов в виде винта удлиняет путь смеси, создавая эффект инерционного резонансного наддува.

На фиг. 1 изображен разрез головки цилиндров вертикальной плоскостью по впускному каналу; на фиг. 2 - проекция впускного канала на горизонтальную плоскость; на фиг. 3 - разрез головки цилиндров вертикальной плоскостью по выпускному каналу; на фиг. 4 - проекция выпускного канала на горизонтальную плоскость; на фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 6 - сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 7 - поперечное сечение каналов на входе (выходе) из головки.

Головка цилиндров 1 имеет впускные клапаны 2 и выпускные клапаны 3, седла клапанов 4, 5, а также камеру сгорания 6, связанную с впускным каналом 7 и выпускным каналом 8. Впускной канал имеет входной участок 7 и выходной участок 9 плавного поворота на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси 10 впускного клапана 2, сопряженный с надкамерной полостью 11, выполненной в виде цилиндра, соосного седлу 4 впускного клапана 2. Диаметр D цилиндра надкамерной полости 11 равен внутреннему диаметру седла 4 впускного клапана 2. Сверху надкамерная полость 11 выполнена полусферой 12 радиусом R, равным D/2. Стенка впускного канала 7 плавно сопрягается со стенкой надкамерной полости 11, так что канал 7 вписывается в надкамерную полость 11.

Максимальный эксцентриситет в "Кассини-овалов", образующих впускной канал 7, равен 0,20-0,35 диаметра D2 образующих окружностей "Кассини-овалов". Образующие окружности "Кассини-овалов" сопряжены в зонах пересечения дугами так, что ширина C "Кассини-овалов" в зоне их пересечения равна 0,75-1,0 диаметра D2.

На входе в головку цилиндров 1 ширина C "Кассини-овалов" впускного канала 7 равна D2 и постепенно на длине канала в 10 мм она уменьшается до min значений. На участке 9 поворота канала 7 в вертикальной и горизонтальной плоскостях ширина C "Кассини-овалов" равна D2.

Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" верхней половины впускного канала 7 составляют объемную кривую 13, которая в горизонтальной проекции соединяет центр 14 впускного окна в головку цилиндров с точкой 15 пересечения указанной объемной кривой с верхней плоскостью седла 4 клапана 2, лежащей на поперечной оси 16 седла 4 впускного клапана 2 за продольной осью 17 седел клапанов.

Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" нижней половины впускного канала 7 составляют лежащую в вертикальной плоскости кривую 18, которая в горизонтальной проекции прямая, соединяющая центр 14 впускного окна в головку цилиндров 1 с точкой 19 пересечения кривой 18 с верхней плоскостью седла 4 впускного клапана 2, лежащей на поперечной оси 16 седла 4 впускного клапана 2 до продольной оси 17 седел клапанов.

Большая ось 20 "Кассини-овалов", образующих впускной канал 7 поворачивается вокруг оси канала 7 по его длине так, что в вертикальной плоскости максимальный эксцентриситет B "Кассини-валов" находится в зоне входа в головку цилиндров 1, минимальный эксцентриситет F - в начале участка 9 поворота канала, а в горизонтальной плоскости наоборот; максимальный эксцентриситет B лежит в начале участка 9 поворота канала, а минимальный F1, равный нулю, в зоне входа в головку цилиндра 1.

Выпускной канал 8 имеет выходной участок 8 и входной участок 21 плавного поворота на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси 22 выпускного клапана 3, сопряженный с надкамерной полостью 23, выполненной в виде цилиндра, соосного с седлом 5 выпускного клапана 3. Диаметр D3 цилиндра надкамерной полости 23 равен внутреннему диаметру седла 5 выпускного клапана 3. Сверху надкамерная полость 23 выполнена полусферой 24 радиусом R1, равным D 3/2. На участке 21 поворота выпускного канала 8 стенка его сопрягается со стенкой цилиндра надкамерной полости 23 так, что канал 8 плавно вписывается в надкамерную полость 23. Максимальный эксцентриситет B1 "Кассини-овалов", образующих выпускной канал 8, равен 0,45-0,65 диаметра D4 образующих окружностей "Кассини-овалов". Образующие окружности "Кассини-валов" сопрягаются дугами в зонах их пересечения так, что ширина C1 "Кассини-овалов" в зоне пересечения равна 0,75-1,0 диаметра D4 образующих окружностей. На выходе из головки цилиндров 1 ширина C1 "Кассини-овалов" выпускного канала равна D4 и постепенно на длине канала 10 мм уменьшается до минимальных значений. На участке 21 поворота выпускного канала 8 в вертикальной и горизонтальной плоскостях ширина C1 "Кассини-овалов" равна D4. Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" выпускного канала лежат на объемных кривых 25 и 26, которые в горизонтальной проекции соединяют центр 27 выпускного окна головки 1 с точкой 28 пересечения этих кривых с верхней плоскостью седла 5 выпускного клапана 3, которая лежит на поперечной оси 29 седла 5 выпускного клапана 3 за продольной осью 17 седел клапанов.

Большая ось 30 "Кассини-овалов" выпускного канала поворачивается вокруг оси канала 8 по его длине так, что в вертикальной плоскости максимальный эксцентриситет B1 "Кассини-овалов" находится в зоне выхода из головки 1, минимальный эксцентриситет G, равный нулю - в начале участка 21 поворота канала 8, а в горизонтальной плоскости наоборот; максимальный эксцентриситет B1 лежит на участке 21 поворота канала 8, а минимальный, равный нулю, - в зоне выхода из головки цилиндров 1.

Таким образом тело впускного канала 7 получается при движении сферы диаметром D2 по кривой 13 и кривой 18, которые построены с учетом сохранения общего направления канала, его поворота на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси 10 впускного клапана 2 и обеспечения равных гидравлических диаметров поперечных сечений канала 7. Проектирование канала произведено на компьютере по специальной программе.

Тело выпускного канала 8 получается при движении сферы диаметром D4 по кривым 25 и 26, которые построены с учетом общего направления канала, его поворота на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси 22 выпускного клапана 3 и обеспечения равных гидравлических диаметров поперечных сечений канала 8. Проектирование канала произведено на компьютере по специальной программе. Выполнение надкамерных полостей 11 и 23 в виде цилиндров с диаметрами D и D3, равными внутренним диаметрам соответствующих седел клапанов, в сочетании с винтовым выполнением участка 9 впускного канала и участка 21 выпускного канала и плавным сопряжением этих участков со стенками надкамерных полостей 11 и 23 соответственно позволяет обойти бобышки 31 и 32 втулок клапанов, втулки 33 и 34 клапанов и стержни клапанов 2 и 3 и использовать полноценно зоны 35 и 36 надклапанных полостей 11 и 23, находящиеся за бобышками 31 и 32 и втулками 33 и 34 клапанов, в процессе наполнения цилиндра свежей смесью или в процессе очистки цилиндра от отработавших газов по всему диаметру щелей 37 и 38 между клапанами 2 и 3 и их седлами 4, 5, благодаря выравниванию давления во всех зонах надклапанных полостей 11 и 23.

На такте впуска при открытом впускном клапане 2 топливовоздушная смесь движется с большой скоростью по входному участку 7 впускного канала, образуя благодаря сечению "Кассини-овалов", пережатому в середине, два параллельных потока, которые скручиваются вследствие поворота большой оси 20 "Кассини-овалов". Разделение смеси на два потока увеличивает скорость движения смеси за счет того, что каждый поток имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем сечение канала в целом. Скручивание потоков удлиняет их путь и облегчает вход потоков в вертикальный поворот на 90^o на участке 9 канала 7.

Винтовое движение смеси на участке 9 поворота канала 7 создает закручивание смеси вокруг оси 10 впускного клапана 2, причем поворот канала 7 одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях дает потоку газов момент винтового движения вглубь камеры сгорания 6 и далее внутрь цилиндра, эффективно турбулизируя смесь и увеличивая наполнение двигателя, при этом путь потоков газов удлиняется, что дает в целом эффект инерционного наддува. Аэродинамическая форма канала 7 обеспечивает движение газов по всему периметру щелей 37, что также увеличивает наполнение цилиндров.

Форма канала 7 способствует улучшению смесеобразования и антидетонационных качеств двигателя. Равные гидравлические диаметры поперечных сечений канала 7 в сочетании с плавным сопряжением стенок канала 7 со стенками надклапанной полости 11 создают минимальное сопротивление потоку газов, что также увеличивает наполнение двигателя.

На такте выпуска при открытом выпускном клапане 3 отработавшие газы по всему периметру щели 38 между выпускным клапаном 3 и его седлом 5 попадают в надклапанную полость 23, а затем в выпускной канал 8 с минимальным сопротивлением благодаря плавному сопряжению стенок канала 8 со стенками накладной камеры 23 и плавному сопряжению стенок надклапанной камеры 23 со стенками седла 5 клапана.

На участке 21 поворота выпускного канала 8 поток отработавших газов закручивается по винтовой линии, что облегчает поворот на 90^o в вертикальной плоскости и переход в выходной участок 8 выпускного канала, где скорость движения выхлопных газов еще увеличивается благодаря выполнению сечений канала 8 в виде "Кассини-овалов", пережатых в середине, и скручивания двух частей потока за счет поворота большой оси 30 "Кассини-овалов" вокруг оси канала 8, что в целом улучшает очистку цилиндра и камеры сгорания от выхлопных газов.

Улучшение очистки камеры сгорания от выхлопных газов также увеличивает наполнение двигателя.

Испытания показали, что головка цилиндров с предложенной формой впускных и выпускных каналов дает увеличение наполнения двигателя на 15-18% за счет впускных каналов и на 3-4% за счет выпускных каналов.

Соответственно увеличивается мощность нетто на 15-18% за счет формы впускных каналов и на 3-4% за счет формы выпускных каналов.

Формула изобретения

1. Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания, имеющая для каждого цилиндра впускной и выпускной клапаны, втулки и седла клапанов, камеру сгорания, связанную с выпускным каналом и с выведенным на ту же сторону головки впускным каналом, состоящим из входного участка и выполненного в форме неправильного винта выходного участка поворота канала на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси впускного клапана, отличающаяся тем, что выпускной канал состоит из выходного участка и выполненного в форме неправильного винта входного участка поворота канала на 90^o в вертикальной плоскости и 180^o в горизонтальной плоскости вокруг оси выпускного канала, выходной участок впускного канала и входной участок выпускного канала плавно вписаны в надкамерные полости, каждая из которых выполнена в виде цилиндра, соосного седлу соответствующего клапана, диаметром, равным внутреннему диаметру соответствующего седла, и ограниченного сверху полусферой того же диаметра, каналы имеют по всей длине постоянный гидравлический диаметр, равный гидравлическому диаметру соответствующего седла клапана, а поперечные сечения каналов имеют форму "Кассини-овалов".

2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что эксцентриситет "Кассини-овалов" изменяется по длине каналов и максимальное значение его для впускного канала равно 0,20 - 0,35 диаметра образующей окружности, для выпускного канала - 0,45 - 0,65 диаметра образующей окружности, а ширина "Кассини-овалов" в зоне сопряжения образующих окружностей изменяется по длине каналов от 0,75 до 1,0 диаметра образующей окружности.

3. Головка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что большая ось "Кассини-овалов" выполнена поворачивающейся по длине вокруг оси канала, при этом максимальный эксцентриситет "Кассини-овалов" в вертикальной плоскости лежит в зоне входа (выхода) в головку цилиндров, минимальный - в начале участка поворота канала, а в горизонтальной плоскости максимальный эксцентриситет "Кассини-овалов" лежит в начале участка поворота канала, минимальный - в зоне входа (выхода) в головку цилиндров.

4. Головка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что центры образующих окружностей нижней части впускного канала лежат на расположенной в вертикальной плоскости кривой, проекция которой в горизонтальной плоскости прямая, соединяющая центр входного окна головки цилиндров с точкой пересечения указанной кривой с верхней плоскостью седла впускного клапана, лежащей на поперечной оси седла клапана до продольной оси седел клапанов, а центры образующих окружностей "Кассини-овалов" верхней части впускного канала лежат на объемной кривой, проекция которой на горизонтальную плоскость соединяет центр впускного окна в головку цилиндров с точкой пересечения указанной кривой с верхней плоскостью седла впускного клапана, лежащей на поперечной оси седла канала за продольной осью седел клапанов.

5. Головка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что центры образующих окружностей "Кассини-овалов" выпускного канала лежат на объемных кривых, которые в горизонтальной проекции соединяют центр выпускного окна головки с точкой пересечения этих кривых с верхней плоскостью седла выпускного клапана, лежащей на поперечной оси седла клапана за продольной осью седел клапанов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7