Несимметричная камера сгорания для теплового двигателя
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к дизельному двигателю, который содержит корпус, ограниченный в поперечном направлении юбкой, способной взаимодействовать со стенками цилиндра с осью С вращения, в котором поршень (3) может скользить вдоль данной оси С, указанный поршень (3) содержит переднюю грань, которая содержит центральный выступ (321), расположенное по периметру головки поршня кольцо (322) и камеру (323) с осью вращения В, которая проходит от центрального выступа (321) к расположенному по периметру головки поршня кольцу (322), с которым она соединяется у выступа (3220) толщины Ер, указанная камера (323) включает по существу расположенный вокруг выступа (3220) тор (3230), предпочтительно имеющий форму полукупола с максимальным радиусом Rt, обеспечивающим направление впрыскиваемого топлива под выступ (3220) в обратном направлении R в сторону центрального выступа (321), отличающийся тем, что центральный выступ (321) имеет отдельный верхний уклон А1 и нижний уклон А2, причем верхний уклон А1 является более пологим, чем нижний уклон А2. Изобретение обеспечивает снижение уровня содержания в выхлопных газах азота и твердых частиц. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструкции двигателей сгорания и, в частности, к двигателям внутреннего сгорания с зажиганием за счет сжатия.
Уровень техники
Стандарты на выхлоп, которым должны следовать производители автомобилей, становятся все более строгими, причем каждое изменение в стандарте приводит к существенным техническим усовершенствованиям и применению дополнительных и/или более сложных устройств контроля выхлопа, что является дорогостоящим.
Будущие стандарты стимулируют производителей в особенности снижать уровень содержания в выхлопе оксидов азота и твердых частиц, для того чтобы не вызывать слишком быстрого засорения фильтров твердых частиц, но в то же время производители желают повысить или, по меньшей мере, сохранить уровни характеристик двигателя и дорожные качества автомобиля.
Решения, обычно принимаемые для улучшения контроля выхлопа двигателей, заключаются, например, в использовании сложных устройств доочистки, таких как фильтры твердых частиц или в изменении характеристик рециркуляции выхлопных газов, хотя это оказывает отрицательное влияние на мощность двигателя.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка усовершенствованной камеры сгорания, которая способна существенно снижать уровень содержания в выхлопе оксидов азота и твердых частиц.
Одним объектом изобретения является поршень двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя, содержащий корпус, ограниченный в поперечном направлении юбкой, способной взаимодействовать со стенками цилиндра с осью С вращения, в котором поршень может скользить вдоль данной оси С, указанный поршень содержит поперечную грань, которая содержит центральный выступ, расположенное по периметру кольцо головки поршня и камеру с осью В вращения, которая проходит от центрального выступа к расположенному по периметру головки поршня кольцу, с которым она соединяется у выступа толщины Ер, указанная камера содержит по существу соосный в вертикальном направлении с выступом торообразный профиль, предпочтительно имеющий форму полукупола максимального радиуса Rt, способный направлять топливо, впрыскиваемое под выступ в зону повторного входа по направлению к центральному выступу, отличающийся тем, что центральный выступ имеет верхний уклон под углом А1 и нижний уклон под другим углом А2, верхний уклон под углом А1 является более плавным, чем нижний уклон под углом А2.
Применение поршня по изобретению, в частности, дает возможность получения следующих преимуществ:
- отсутствие необходимости применения более сложных и более дорогих систем доочистки;
- снижение выбросов оксидов азота для обеспечения требований стандартов на содержание вредных веществ в выхлопе.
Согласно некоторым вариантам осуществления поршень имеет один или большее число следующих признаков:
- угол А1 нижнего уклона, замеренный от оси В вращения камеры в геометрическом направлении находится между 69° и 84° и предпочтительно по существу равен 72°;
- угол А2 верхнего уклона, замеренный от оси В вращения камеры в геометрическом направлении, находится между 47° и 62° и предпочтительно по существу равен 59°;
- камера имеет смещение, ось В вращения камеры является отдельной и расположена на некотором расстоянии от оси С вращения цилиндра;
- толщина Ер выступа находится между 3 мм и 5 мм и предпочтительно по существу равна 4,5 мм;
- выступ расположен на расстоянии De/2 от оси В вращения камеры, расстояние De составляет от 45 мм до 48 мм, а предпочтительно по существу равно 47 мм;
- тор расположен на расстоянии Db/2 от оси В вращения камеры, расстояние Db составляет от 48 мм до 51 мм, а предпочтительно по существу равно 49 мм;
- разница расстояний от оси вращения камеры до края верхнего кольца De/2 и до края тора Db/2 по существу равна 1 мм;
- максимальная глубина Р камеры составляет от 13 до 14,5 мм, а предпочтительно по существу равна 13,5 мм;
- верхняя часть выступа, расположенная на оси В вращения камеры, поднимается на такую высоту, что она находится на расстоянии Dt, составляющем от 4,6 до 6,1 мм, а предпочтительно по существу равном 5,1 мм, под расположенным по периметру кольцом головки поршня.
Еще одним объектом изобретения является двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого обеспечивает соблюдение строгих стандартов на состав выхлопа в части выбросов оксидов азота и твердых частиц, и, более конкретно, двигатель внутреннего сгорания дизельного типа, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один поршень по изобретению.
Данный двигатель внутреннего сгорания дизельного типа имеет цилиндр с осью С вращения, верхний торец которого закрыт головкой цилиндров, снабженной нижней стороной, которая участвует в образовании камеры сгорания совместно поперечной гранью поршня, центр камеры которого находится на оси вращения В, указанный двигатель содержит выходящий на внутреннюю сторону головки цилиндров, по меньшей мере, один впускной канал, который может перекрываться впускным клапаном, и, по меньшей мере, один выпускной канал, который может перекрываться выпускным клапаном, подогревательную свечу и топливную форсунку, отверстие наконечника которой выходит в камеру сгорания и находится на оси I форсунки, параллельной оси С вращения цилиндра и находящейся на расстоянии от нее, форсунка образует угол Ai с осью форсунки, составляющий от 15° до 15,5°, отличительным признаком является то, что ось С цилиндра, ось В камеры и ось I форсунки параллельны одна относительно другой, расстояние, отделяющее ось С цилиндра от оси В камеры, по существу равно 1,25, а расстояние, отделяющее ось С цилиндра от оси I форсунки, по существу равно 4 мм.
Краткое описание чертежей
Прочие признаки и преимущества изобретения понятны из его описания, приводимого далее в качестве не ограничивающего примера со ссылками на следующие фигуры:
фиг.1 - схема местного поперечного разреза двигателя внутреннего сгорания по изобретению;
фиг.2 - местный разрез в плоскости, содержащей ось вращения камеры поршня, на котором показаны детали верхней части поршня по изобретению, с впускной стороны.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 показан двигатель 100 внутреннего сгорания, а именно дизельный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр 1 с осью С вращения, головку 2 цилиндров и поршень 3.
В остальной части описания дана ось С вращения, направленная вверх в сторону головки 2 цилиндров.
Поршень 3 установлен в цилиндре 1 таким образом, что он может скользить вдоль оси С вращения цилиндра, а конструкция корпуса поршня обеспечивает прием пальца, прикрепляющего поршень к меньшему краю ведущего шатуна, указанный корпус в поперечном направлении ограничен юбкой 31, идущей параллельно оси С вращения цилиндра и взаимодействующей с внутренней стенкой цилиндра 1. Поршень также содержит поперечную грань 32, которая совместно с нижней стороной 20 головки 2 цилиндров ограничивает камеру сгорания цилиндра 1.
Свежий воздух или смесь свежего воздуха и рециркулирующих выхлопных газов впускается в камеру сгорания, по меньшей мере, через один впускной канал 5, образованный в головке 2 цилиндров, который может перекрываться, по меньшей мере, одним впускным клапаном 50.
Вещества, оставшиеся после сгорания введенной топливно-воздушной смеси, выводятся, по меньшей мере, через один выпускной канал 6, образованный в головке 2 цилиндров, который может перекрываться, по меньшей мере, одним выпускным клапаном 60.
Подогревательная свеча 4 установлена в головке 2 цилиндров, ее край выходит в камеру сгорания таким образом, что она может нагревать воздушно-топливную смесь при холодном запуске двигателя.
Топливная форсунка 7 установлена в головке 2 цилиндров и выходит в камеру сгорания. Согласно показанному варианту осуществления изобретения форсунка 7 установлена со смещением относительно оси С цилиндра. Отверстие наконечника форсунки 7 выходит вдоль оси I форсунки, известной под названием "оси форсунки", параллельной оси С симметрии цилиндра.
Согласно показанному варианту осуществления изобретения форсунка 7 наклонена под углом Ai, находящимся в диапазоне 15°-15,5°, отсчитываемом от оси I форсунки в направлении, противоположном геометрическому.
Как показано на фигуре 2, подробно изображающей верхнюю часть поршня 3 по изобретению в местном разрезе проходящей через ось плоскостью, поперечная грань 32 содержит центральный выступ 321, расположенное по периметру кольцо 322 головки поршня и кольцевую полость или камеру 323 с осью вращения В, параллельной оси С вращения цилиндра и расположенной на некотором расстоянии от нее таким образом, что она компенсирует смещение форсунки 7, указанная камера 323 проходит от центрального выступа 321 к расположенному по периметру кольцу 322 головки поршня, с которым она соединяется.
В предпочтительном варианте ось С цилиндра, ось В камеры и ось I форсунки расположены в общей плоскости, расстояние, отделяющее ось С цилиндра от оси В камеры, по существу равно 1,25 мм, а расстояние, отделяющее ось С цилиндра от оси I форсунки, по существу равно 4 мм.
Расположенное по периметру кольцо 322 головки поршня отходит в поперечном направлении от юбки 31 поршня 3 в сторону оси В вращения камеры 323 до края, который образует выступ 3220, под которым камера 323 имеет форму тора 3230, профиль которого выполнен в виде полукупола с максимальным радиусом Rt кривизны, составляющим от 4,2 мм до 5,8 мм, а предпочтительно по существу равным 4,5 мм.
Выступ 3220 расположен на расстоянии De/2 от оси В вращения камеры 323, причем расстояние De находится между 45 мм и 48 мм, а предпочтительно по существу равно 47 мм.
Тор 3230 расположен на расстоянии Db/2 от оси В вращения камеры 323, причем расстояние Db находится между 48 мм и 51 мм, а предпочтительно по существу равно 49 мм.
Форсунка 7 обеспечивает выборочный впрыск топлива в виде струи, направленной в верхнюю часть тора 3220, примыкающую к нижней кромке выступа 3220, также известной под названием обратной кромки R, позволяющий улучшить способ направления топлива от данной обратной кромки R за счет закручивания вдоль стенок тора 3230 в направлении дна камеры, где находится кислород во время выполнения поршнем 3 хода вверх, за счет чего снижается дымообразование, что позволяет осуществить рециркуляцию газов в направлении центрального выступа 321.
В предпочтительном варианте толщина Ер выступа 3220, соответствующая расстоянию обратной кромки R от расположенного по периметру кольца 322 головки поршня, составляет от 3 мм до 5 мм, а предпочтительно по существу равно 4,5 мм.
Максимальная глубина Р камеры 323 составляет от 13 мм до 14,5 мм, а предпочтительно по существу равна 13,5 мм. Такая глубина Р дает преимущество, заключающееся в задержании существенного объема воздуха на дне камеры 323, который может перемешиваться с топливом.
Сочетание такой конструкции обратной кромки R, тора 3230 и максимальной глубины Р камеры 323 обеспечивает более качественное направление струи топлива по направлению к объему задержанного воздуха, находящемуся на дне камеры 323.
Верхняя часть центрального выступа 32, расположенная на оси В вращения камеры 320, поднимается на такую высоту, что она находится ниже расположенного по периметру головки поршня кольца 320 на величину Dt, данное расстояние Dt составляет от 4,6 мм до 6,1 мм, а предпочтительно по существу равно 5,1 мм. Это расстояние Dt обеспечивает ограничение взаимодействия между струями топлива, распыляемого в направлении дна камеры 320, с центральным выступом 321, и в особенности с его верхней частью, за счет чего обеспечивается снижение выброса дыма и несгоревшего топлива.
Центральный выступ 321 имеет верхний уклон с углом А1 и нижний уклон с другим углом А2, верхний уклон с углом А1 является более пологим, чем нижний уклон с углом А2.
Угол А1 нижнего уклона, замеренный от оси В вращения камеры в геометрическом направлении, находится между 69° и 84° и предпочтительно по существу равен 72°.
Угол А2 верхнего уклона, замеренный от оси В вращения камеры в геометрическом направлении, находится между 47° и 62° и предпочтительно по существу равен 59°.
Применение крутого нижнего уклона с углом А2 обеспечивает задержание большего количества воздуха на дне камеры 320, чем в случае использования центрального выступа 321 с одним уклоном.
Испытания двигателя 100 внутреннего сгорания, снабженного поршнем 3, сочетающим данные признаки, показали, что он особыми преимуществами по сравнению с двигателем внутреннего сгорания, снабженным поршнем, выполненным в соответствии с текущими стандартами на содержание вредных веществ в выхлопе типа Евро 4. Эти испытания проводились с использованием двигателя 100, который имел следующие дополнительные признаки: диаметр цилиндра 76 мм, степень сжатия около 15 и уровень Nd/N завихрения в нижнем неподвижном центре около 2.
Было обнаружено, что при работе под частичной нагрузкой данный двигатель 100 выбрасывал примерно на 10% меньше оксидов азота и твердых частиц. При тех же условиях нагрузки также наблюдалось примерно 20% снижение содержания несгоревших углеводородов НС.
При полной нагрузке и высоких скоростях порядка 4000 об/мин отмечено увеличение максимальной мощности порядка 3%, соответствующее границе дымности, что соответствует постоянному уровню дымности порядка 3 fsn, что в три раза превышает индекс дымности. Другими словами, при постоянной максимальной мощности это приводит к уменьшению выделения дыма, причем индекс дымности снижается на величину, находящуюся между 0,5 и 1 fsn.
1. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания, а именно дизельного двигателя, содержащий корпус, ограниченный в поперечном направлении юбкой (31), способной взаимодействовать со стенками цилиндра (1) с осью С вращения, в котором поршень (3) может скользить вдоль данной оси С, указанный поршень (3) содержит поперечную грань (32), которая содержит центральный выступ (321), расположенное по периметру головки поршня кольцо (322) и камеру (323) с осью вращения В, которая проходит от центрального выступа (321) к расположенному по периметру головки поршня кольцу (322), с которым она соединяется у выступа (3220) толщины Ер, указанная камера (323) содержит, по существу, соосный в вертикальном направлении с выступом (3220) торообразный профиль (3230), предпочтительно имеющий форму полукупола с максимальным радиусом Rt, обеспечивающий направление впрыскиваемого топлива под выступ (3220) в обратную зону R в направлении центрального выступа (321), отличающийся тем, что центральный выступ (321) имеет верхний уклон под углом А1 и нижний уклон по другим углом А2, причем верхний уклон под углом А1 является более пологим, чем нижний уклон под углом А2.
2. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что угол А1 нижнего уклона, замеренный от оси вращения В камеры (323) в геометрическом направлении, находится между 69° и 84° и предпочтительно, по существу, равен 72°.
3. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что угол А2 верхнего уклона, замеренный от оси вращения В камеры (323) в геометрическом направлении, находится между 47° и 62° и предпочтительно, по существу, равен 59°.
4. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что камера (323) выполнена со смещением, ось В вращения камеры (323) является отдельной и расположена на некотором расстоянии от оси С вращения цилиндра (1).
5. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что толщина Ер выступа (3220) находится между 3 мм и 5 мм, а предпочтительно, по существу, равна 4,5 мм.
6. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что максимальный радиус Rt кривизны тора (3230) находится между 4,2 мм и 5,8 мм, а предпочтительно, по существу, равен 4,5 мм.
7. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что выступ (3220) расположен на расстоянии De/2 от оси вращения камеры (323), расстояние De составляет от 45 мм до 48 мм, а предпочтительно, по существу, равно 47 мм.
8. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что тор (3220) расположен на расстоянии Db/2 от оси В вращения камеры (323), расстояние Db составляет от 48 мм до 51 мм, а предпочтительно, по существу, равно 49 мм.
9. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что разница расстояний De/2 и Db/2 до оси В вращения камеры (323) от края кольца головки поршня и от края тора, по существу, составляет 1 мм.
10. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что максимальная глубина Р камеры (323) составляет от 13 мм до 14,5 мм, а предпочтительно, по существу, равна 13,5 мм.
11. Поршень (3) двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что верхняя часть выступа, расположенная на оси В вращения камеры (323), поднимается на высоту, расположенную на расстоянии Dt, составляющем от 4,6 мм до 6,1 мм, а предпочтительно, по существу, равном 5,1, ниже высоты расположенного по периметру головки поршня кольца (320).
12. Двигатель (100) внутреннего сгорания дизельного типа, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один поршень (3) по любому из пп.1-11.
