Газовый двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, конвертированный из дизеля - RU2176737C2
Код документа: RU2176737C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к конвертированию дизельных двигателей в газовые двигатели с искровым зажиганием.
Известен конвертированный из дизеля газовый двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, который для повышения эффективности рабочего процесса в нем оснащен запальным устройством с форкамерой (авт.свид. СССР N 767380, МПК A 02 B 69/04, 1980 г.). Недостатками известного двигателя являются существенное усложнение его конструкции и удорожание производства.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по его технической сущности является газовый двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, конвертированный из дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, в котором выполнена выемка под камеру сгорания, и головку цилиндра, в котором выполнены впускной и выпускной каналы с установленными в них впускным и выпускным клапанами и канал для установки в нем свечи зажигания. Выемка в поршне под камеру сгорания представляет собой часть сферы, диаметр которой составляет более 85% от диаметра поршня. Электроды свечи, утопленные в свечном канале, расположены вблизи от оси цилиндра. В головке цилиндра выполнена полость, сообщенная соединительным каналом с камерой сгорания в поршне (заявка Германии N 3842430, МКИ F 02 B 69/00, опубл. 1990 г.).
Известный газовый двигатель с искровым зажиганием конвертирован из дизеля путем доработки камеры сгорания в поршне для уменьшения степени сжатия (дизель имел тороидальную камеру сгорания с зауженной горловиной), замены дизельной топливоподающей аппаратуры на газовую систему питания и установки системы искрового зажигания. Предусмотрена возможность использования для газового двигателя головки цилиндра от дизеля, при этом для установки свечи зажигания используется канал, в котором была установлена форсунка дизеля, а в гнездо свечи накаливания дизеля, которая была установлена в упомянутой выше полости, выполненной в головке цилиндра, ввернута резьбовая заглушка.
Конвертирование дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием позволило в определенной степени реализовать положительные качества газового топлива, однако известный двигатель имеет ряд недостатков. Выполнение камеры сгорания в сферической выемке в поршне обуславливает повышенную тепловую напряженность поршня и головки из-за повышенной плотности теплового потока при горении топливовоздушной смеси в ее объеме. Относительно неблагоприятное отношение величины поверхности сферической камеры в поршне к ее объему является причиной повышенных тепловых потерь и токсичности отработавших газов. При диаметре сферы, составляющей более 85% от диаметра поршня, ничтожной оказывается величина поверхности вытеснителя и, как следствие, практически отсутствует турбулизация заряда на такте сжатия и ухудшается процесс сгорания топливовоздушной смеси. Принятая форма выемки под камеру сгорания увеличивает трудоемкость технологической доработки и доводки ее объема при оптимизации величины степени сжатия газового двигателя в процессе его конвертации из дизеля, а наличие дополнительной полости в головке цилиндра, в которой была установлена свеча накаливания дизеля, усложняет технологию изготовления головки, а также уменьшает эффективность процесса сгорания в нем и повышает токсичность отработавших газов, поскольку горение попадающей туда газовоздушной смеси протекает с низкой эффективностью. Расположение электродов свечи зажигания близко к центру выемки в поршне повышает теплонапряженность межклапанной перемычки при одновременном расположении клапанов по разные стороны от оси цилиндра, а доработка форсуночного клапана для установки свечи до большего, чем распылитель, диаметра, ослабляет перемычку, что может привести к ее растрескиванию.
Отмеченные недостатки известного газового двигателя являются причиной того, что у него существенно снижены мощностные и экономические показатели по сравнению с исходным дизелем, отмечаются большие выбросы токсичных веществ с отработавшими газами и пониженный ресурс работы, а также повышается трудоемкость конвертации и изготовления.
Задачей заявляемого изобретения является конвертирование дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием, имеющий мощностные и экономические показатели, близкие к показателям дизеля, низкие выбросы токсичных веществ с отработавшими газами и большой ресурс работы при пониженной трудоемкости конвертирования и изготовления с использованием технологического оборудования для механической обработки деталей дизеля. Последнее возможно при сохранении камеры сгорания в поршне, прежнем местоположении свечи зажигания на месте впрыскивающей форсунки.
Поставленная задача решается тем, что в газовом двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля и содержащем по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, в котором выполнена выемка под камеру сгорания, и головку цилиндра, в которой выполнены впускной и выпускной клапаны с установленными в них впускным и выпускным клапанами и канал для установки свечи, выемка в поршне под камеру сгорания образована сопряженными между собой сферической поверхностью и поверхностью усеченного конуса и/или цилиндра, обращенного своим основанием, диаметр которого превышает диаметр сферы, к выполненному профилированным для создания направленного движения газовоздушной смеси вокруг оси цилиндра впускному каналу.
Упомянутая сферическая поверхность в виде полусферы плавно сопряжена с поверхностью усеченного конуса и/или цилиндра.
Диаметр полусферы и высота усеченного конуса составляют соответственно 0,45 - 0,5 и 0,165 - 0,215 от диаметра поршня, а угол наклона образующей усеченного конуса к оси цилиндра составляет 30 - 40 град. При вариантном исполнении двигателя диаметр полусферы и диаметр и высота цилиндрического участка выемки составляют соответственно 0, 45 - 0,5, 0,65 - 0,85 и 0,22 - 0,25 от диаметра поршня.
Свеча зажигания установлена в наклонном к оси цилиндра свечном канале таким образом, что под свечой в этом канале образована конусообразная полость, при этом вершина конуса расположена в зоне нижней части свечи, а основание - в плоскости газового стыка головки цилиндра полностью над выемкой в поршне.
Кратчайшее расстояние от точки пересечения оси свечного канала с основанием образующего выемку тела вращения, обращенным к впускному каналу, до оси цилиндра составляет 0,18 - 0,23 от диаметра поршня. Благодаря тому, что в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля, выемка в поршне под камеру сгорания образована сопряженными между собой поверхностями тел вращения, например, сферической поверхностью и поверхностью усеченного конуса и/или цилиндра, обращенного своим основанием, диаметр которого превышает диаметр сферы, к выполненному профилированным для создания направленного движения газовоздушной смеси вокруг оси цилиндра впускному каналу, обеспечиваются мощностные и экономические показатели газового двигателя, близкие к показателям дизеля, низкие выбросы токсичных веществ с отработавшими газами и большой ресурс работы при пониженной трудоемкости конвертирования и изготовления, поскольку при совместном использовании упомянутых выше существенных признаков обеспечиваются благоприятные условия для воспламенения и сгорания газовоздушной смеси в цилиндре двигателя, снижение механических и тепловых потерь, тепловых и механических напряжений в головке цилиндра, а также облегчаются технологическая доработка и доводка объема камеры сгорания при оптимизации величины степени сжатия газового двигателя в процессе его конвертации из дизеля. Плавное сопряжение упомянутых поверхностей тел вращения, образующих выемку под камеру сгорания, оптимизация геометрических соотношений ее элементов и расположения свечи зажигания обеспечивают дополнительное улучшение мощностных экономических и экологических показателей двигателя и повышают ресурс его работы.
Расположение камеры сгорания в поршне, сохранение расположения клапанов как в конвертируемом дизеле и размещение свечи зажигания на месте прежней впрыскивающей форсунки позволяют использовать для производства головки цилиндров газового двигателя то же технологическое оборудование, что и для производства дизеля.
На фиг. 1 показан двигатель, поперечный разрез /фрагмент/; на фиг. 2 - вид на головку цилиндра со стороны ее огневого днища; на фиг. 3 показана геометрия камеры сгорания; на фиг. 4 - 9 представлены ее возможные варианты.
Газовый двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, конвертированный из дизеля, содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2 и головку 3 цилиндра, в которой выполнены впускной 4 и выпускной 5 каналы с установленными в них впускным 6 и выпускным 7 клапанами и наклонный к оси цилиндра канал 8 для установки в нем свечи зажигания 9. В поршне 2 выполнена осесимметричная выемка 10 под камеру сгорания. В описываемом примере выполнения выемка 10 образована сопряженными между собой поверхностями полусферы 11 и расположенного над ней усеченного конуса 12. Его меньшее основание 13 имеет диаметр, равный диаметру полусферы, а большее основание 14 обращено к впускному каналу, который выполнен профилированным, например, винтовым для создания направленного движения газовоздушной смеси вокруг оси цилиндра. Полусфера 11 и усеченный конус 12 плавно сопряжены по радиусу. Диаметр 15 полусферы 11 и высота 16 усеченного конуса 12 составляют соответственно 0,45 - 0,5 и 0,165 - 0,215 от диаметра 17 поршня 2, а угол наклона 18 образующей усеченного конуса к оси цилиндра двигателя составляет 30-40 град. При этом степень сжатия двигателя находится в пределах 11-13. Свеча зажигания 9 в свечном канале 8 установлена таким образом, что под свечой в этом канале образована конусообразная полость 19, вершина 20 конуса расположена в зоне нижней части свечи, а основание 21 в плоскости 22 газового стыка головки 3 цилиндра - полностью над большим основанием 14 усеченного конуса 12. Кратчайшее расстояние 23 от точки 24 пересечения оси свечного канала 8 с обращенным к впускному каналу 4 большим основанием 14 усеченного конуса 12 до оси цилиндра 1 составляет 0,18-0,23 от диаметра поршня. При положении поршня вблизи от в.м.т. между торцевыми плоскостями 25 его днища и 26 головки цилиндра образован защемленный объем 27. Боковой электрод 28 свечи зажигания 9 расположен по существу в зоне плоскости 22 газового стыка.
Газовый двигатель при конвертации его из дизеля снабжается газовоздушным смесителем с регулирующим органом количества подаваемой в двигатель газовоздушной смеси, газоподающей аппаратурой вместо дизельной топливной аппаратуры и системой искрового зажигания (не показаны).
При работе газового двигателя газовоздушная смесь, поступающая через винтовой впускной канал 4 и впускной клапан 6, получает вращение вокруг продольной оси цилиндра 1, а при такте сжатия вытесняется из защемленного объема 27 с периферии цилиндра в выемку поршня. При выполнении выемки в виде сопряженных между собой полусферы 11 и усеченного конуса 12, обращенного своим большим основанием 14 к впускному каналу 4, обеспечивается необходимая для эффективного сгорания гомогенного газовоздушного заряда интенсивность его турбулизации при небольших аэродинамических потерях. Кроме того, обеспечиваются благоприятные с точки зрения достижения высокого КПД и минимизации вредных выбросов в отработавших газах величины отношения поверхности камеры сгорания к ее объему и защемленного объема 27, а также снижается плотность теплового потока, передаваемого в головку при горении газовоздушной смеси в объеме камеры сгорания. Следствием отмеченного являются высокие мощностные и экономические показатели газового двигателя, низкая токсичность отработавших газов и повышенный ресурс работы.
Плавное радиусное сопряжение полусферы 11 и усеченного конуса 12 дополнительно уменьшает аэродинамические потери при движении заряда в камере сгорания, а при оптимизации основных конструктивных соотношений ее элементов, кроме того, дополнительно уменьшаются тепловые потери, а также обеспечиваются оптимальные значения степени сжатия (11-13) и отношения поверхности камеры к ее объему (0,78-0,8) и создаются условия для благоприятного расположения электродов свечи зажигания. Все это обеспечивает дополнительное улучшение условий для воспламенения и более полного и эффективного сгорания газовоздушной смеси.
При отклонении значений упомянутых параметров в сторону увеличения или уменьшения относительно указанного диапазона интенсивность турбулизации заряда в конце сжатия оказывается либо недостаточной для эффективного сгорания газовоздушной смеси и имеет место ее недогорание и повышенный выброс окиси углерода и углеводородов, либо оказывается излишней, чем это требуется в газовом двигателе (в отличие от дизеля с камерой сгорания в поршне), но при этом возникают большие аэродинамические потери. Кроме того, при отклонении значений упомянутых параметров от указанного диапазона имеют место повышенные тепловые потери, концентрация тепловых и механических напряжений в элементах головки цилиндра и поршня и другие нежелательные явления.
Доработка свечного канала 8 в головке цилиндра с образованием под свечой конусообразной полости 19 обеспечивает улучшение продувки объема в зоне электродов свечи свежим зарядом и условий для формирования начального очага воспламенения. Оптимальное размещение электродов свечи относительно оси цилиндра двигателя, кроме благоприятного воздействия на протекание процесса сгорания, способствует уменьшению теплонапряженности и улучшению условий работы межклапанной перемычки в головке.
При этом камера сгорания заявляемого газового двигателя чрезвычайно проста в изготовлении. Упрощению изготовления двигателя способствует и отсутствие в головке цилиндра, в отличие от прототипа, дополнительной полости. При выбранном профиле выемки под камеру сгорания упрощается доводка ее объема при оптимизации степени сжатия двигателя. Доработка камеры сгорания в процессе конвертации газового двигателя из дизеля осуществляется на токарном станке.
Особенностью камеры сгорания на фиг. 4 является плавное сопряжение усеченного конуса 12 и полусферы 11 по касательной и некоторое уменьшение поверхности вытеснителя (или защемленного объема), а камеры сгорания на фиг. 5 - наличие в выемке цилиндрического участка 29 малой высоты, сопряженного с усеченным конусом 12 со стороны его большего основания 14. При этом варианте несколько увеличивается глубина камеры сгорания под электродами свечи зажигания. При обоих вариантах упрощаются доводка объема камеры сгорания и оптимизации степени сжатия.
В конструкции, приведенной на фиг. 6, выемка под камеру сгорания, как и в конструкции, приведенной на фиг. 3, осесимметричная, но в отличие от нее полусфера 11 сопряжена не с усеченным конусом, а с цилиндром 30. В этом варианте диаметр полусферы, диаметр и высота цилиндрического участка составляют соответственно 0,45 - 0,5; 0,65 - 0,85 и 0,22 - 0,25 от диаметра поршня. Эта конструкция позволяет легко получить при доводке необходимую степень сжатия, увеличивая объем камеры в поршне 6 при тех же размерах максимального диаметра камеры и ее глубины, что и в базовом варианте (фиг. 3). Наличие острой входной кромки у цилиндра 30 способствует увеличению интенсивности турбулизации заряда при его перетекании в камеру сгорания на такте сжатия при той же площади вытеснителя, что и в базовом варианте (фиг. 3).
Камера сгорания, показанная на фиг. 7, отличается от предыдущего варианта тем, что полусфера 11 по одну сторону от оси цилиндра сопряжена с соосным ей цилиндром 31, а по другую сторону от оси с цилиндром 32, ось которого не совпадает с осью сферы. Эта конструкция камеры сгорания позволяет оптимизировать расположение электродов свечи зажигания при смещенном относительно центра цилиндра ее положении.
На фиг. 8 и 9 показаны камеры сгорания, образованные осесимметричными конической и сферической поверхностями, в которых со стороны большего основания конуса выполнены дополнительные цилиндрические проточки, центры которых смещены относительно центра камеры сгорания в сторону свечи зажигания. Дополнительные цилиндрические проточки позволяют улучшить расположение электродов свечи зажигания в камере при положении поршня вблизи в.м.т.
В камере сгорания, показанной на фиг. 8, центр цилиндрической проточки 33 лежит в диаметральной плоскости камеры сгорания, перпендикулярной плоскости, проходящей по оси поршневого пальца. Цилиндрическая проточка вписывается в окружность большего основания конической поверхности камеры. В камере сгорания, показанной на фиг. 9, центр цилиндрической проточки 34 лежит в вертикальной плоскости, проходящей по оси свечи зажигания, которая не совпадает с вертикальной диаметральной плоскостью камеры, перпендикулярной плоскости, проходящей по оси поршневого пальца. Цилиндрическая проточка выходит за габариты, описываемые окружностью большего основания конуса. Эти конструкции камер сгорания, как и конструкция, приведенная на фиг. 7, позволяют оптимизировать расположение электродов свечи зажигания в процессе конвертации газового двигателя из дизеля.
Работа двигателя с различными вариантами камер сгорания, приведенными на фиг. 4 - 9, по существу не отличается от работы двигателя с камерой сгорания, показанной на фиг. 1 - 3 и описанной выше.
Таким образом, заявляемый газовый двигатель, конвертированный из дизеля, имеет мощностные и экономические показатели, близкие к показателям дизеля, и низкие выбросы токсичных веществ с отработавшими газами. Максимальный эффективный КПД газового двигателя, конвертированного согласно изобретению из автобусного дизеля Раба Ман и устанавливаемом на автобусах "Икарус" составляет η emax = 0,36, а содержание несгоревших углеводородов и окиси углерода в отработавших газах на этом режиме не превышает соответственно 97 ррт и 0,69% без применения нейтрализатора. При использовании 3-компонентного каталитического нейтрализатора обеспечиваются нормативы по токсичности отработавших газов на уровне Евро-2. Наряду с этим обеспечен повышенный ресурс работы двигателя при пониженной трудоемкости конвертирования и изготовления с обеспечением возможности использования технологического оборудования для механической обработки как деталей дизеля, так и газового двигателя.
Реферат
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конвертированным газовым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является улучшение параметров конвертированного двигателя при уменьшении трудоемкости конвертирования. Сущность изобретения заключается в том, что в газовом двигателе выемка в поршне под камеру сгорания образована сопряженными между собой сферической поверхностью и поверхностью усеченного конуса и/или цилиндра, обращенного своим основанием к впускному каналу, который выполнен профилированным для создания направленного движения газовоздушной смеси вокруг оси цилиндра. При этом диаметр основания превышает диаметр сферы, а сферическая поверхность в виде полусферы может быть плавно сопряжена с поверхностью усеченного конуса и/или цилиндра. Свеча зажигания может быть установлена в свечном канале под наклоном к оси цилиндра таким образом, что под свечой в этом канале образована конусообразная полость, при этом вершина конуса расположена в зоне нижней части свечи, а основание - в плоскости газового стыка головки цилиндра полностью над выемкой в поршне. 5 з.п.ф-лы, 9 ил.
