регулируемый спиральный впускной канал в головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. РЕГУЛИРУЕМЫЙ СПИРАЛЬНЫЙ ВПУСКНОЙ КАНАЛ В ГОЛОВКЕ ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, преимущественно дизельного, содержащий входной участок, сопряженный с надклапанной камерой закручивания, выходная горловина которой является впускным отверстием в цилиндр двигателя, установленный в направляющей клапан и регулирующий орган, связанный с приводом и размещенный в камере закручивания, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и упрощения конструкции, регулирующий орган выполнен в виде части боковой стенки камеры закручивания, установленной с возможностью перемещения в сторону клапана и перекрытия камеры.

2. Канал по п.1, отличающийся тем, что регулируемый орган выступает во входной участок.

3. Канал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что регулирующий орган выполнен в виде изогнутой лопатки, закрепленной однм концом на оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к ДВС с регулируемым впускным каналом в головке цилиндра, и может быть использовано при стендовой доводке и в производстве ДВС, преимущественно высокооборотных дизельных транспортного назначения.

Известен регулируемый спиральный канал в головке цилиндра ДВС, содержащий входной участок, сопряженный с надклапанной камерой закручивания, выходная горловина которой является впускным отверстием в цилиндр двигателя, установленный в направляющей клапан и регулирующий орган, связанный с приводом и размещенный в камере закручивания. Регулирующий орган выполнен в виде ширмы, закрепленной на подвижной вдоль оси направляющей клапана. При перемещении (с помощью исполнительного устройства привода) направляющей в сторону тарелки клапана ширма уменьшает высоту поперечного сечения на отдельном участке камеры закручивания и этим пережимает в ней кольцевую струю вплоть до разрушения.

Недостатком известного канала служит возможность перемещения регулирующего органа только вдоль клапана. При этом независимо от места расположения этого органа (ширмы) в камере закручивания, включая участок, примыкающий к срезу боковой поверхности, его перемещения к тарелке клапана, обеспечивающие снижение интенсивности закрутки заряда в цилиндре, не могут сопровождаться возрастанием входного сечения камеры и потому существенным снижением сопротивления канала. Другой не менее существенный недостаток известного устройства, связанный с осевыми перемещениями регулирующего органа, заключен в повышенной конструктивно-технологической сложности реализации и пониженной надежности работы двигателя. Так в исходном состоянии канала для достижения максимально возможной интенсивности, создаваемой им закрутки, ширма должна быть выведена из камеры закручивания в специально выполненную в теле головки цилиндра прорезь, усложняющую и разупрочняющую головку. Подвижность направляющей впускного клапана связана с дополнительными радиальными зазорами, опасностью биения и неплотности клапана, повышенными протечками масла и др. И, наконец, в существующих конструкциях головок цилиндра направляющая клапана снаружи изолирована клапанными пружинами, поэтому осуществление ее осевых перемещений, равно как и размещение исполнительных устройств привода, весьма проблематично.

Цель изобретения - повышение эффективности регулирования закрутки заряда в цилиндре двигателя и упрощении конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в регулируемом спиральном впускном канале в головке цилиндра ДВС, содержащем входной участок, сопряженный с надклапанной камерой закручивания, выходная горловина которой является впускным отверстием в цилиндр двигателя, установленный в направляющей клапан и регулирующий орган, связанный с приводом и размещенный в камере закручивания, регулирующий орган выполнен в виде части боковой стенки камеры закручивания, установленной с возможностью перемещения в сторону клапана и перекрытия камеры.

Регулирующий орган выступает во входной участок канала.

Регулирующий орган выполнен в виде изогнутой лопатки, закрепленной одним концом на оси.

На фиг.1 представлен вариант исполнения канала, характеризуемого неизменным коэффициентом сопротивления; на фиг.2 - другой вариант канала, характеризуемого "идеальной" зависимостью; на фиг.3 - вариант выполнения саморегулируемого канала.

Дизельный двигатель имеет в головке цилиндра спиральный впускной канал, содержащий входной участок 1, сопряженную с ним надклапанную камеру 2 закручивания со спиралевидной боковой стенкой 3. Канал снабжен клапаном 4 с неподвижной направляющей 5 и горловиной 6, являющейся выходным сечением камеры 2 закручивания. Напротив входного участка 1 в камере 2 установлен регулирующий орган, выполненный в виде перемещаемой части 7 боковой стенки 3 камеры закручивания. Часть 7 имеет форму прямоугольной тонкостенной и изогнутой по профилю боковой стенки 3 лопатки, закрепленной одним концом на оси 8, параллельной оси клапана 4, и с помощью тяги 9 выведенной наружу из головки цилиндра для связи с приводом.

Вариант канала, представленного на фиг.2, отличается местом расположения регулирующего органа, который выполнен в виде подвижной части 10 боковой стенки 3, примыкающей к ее срезу 12. В этом варианте часть 10 также изогнута, например, по радиусу горловины 6 и выполнена тонкостенной, одним концом закреплена на оси 11, а другим свободным, являющимся срезом 12 боковой стенки 3, выступает во входной участок 13. Свободный конец 12 части 10 в исходном ее положении (на фиг.2 показано основными линиями) расположен в плоскости оси клапана 4, параллельной линиям тока (не показаны во входном участке 13). Этим обусловлена возможность расширения входного участка на величину (фиг.2) вплоть до пунктирной линии. Часть 10 с помощью тяги выведена из головки цилиндра наружу, например, через входной участок 13 для связи с приводом. Штрих-пунктирной линией на фиг.2 изображен вариант камеры закручивания с заглубленными по отношению к горловине 6 боковой стенкой и ее подвижным элементом.

Вариант канала по фиг.3 отличается от варианта на фиг.2 только тем, что вместо выходящей наружу тяги часть 10 связана с шарнирно закрепленным во входном участке 13 поршневым демпфером 14, содержащем корпус 15, шток 16 с легким поршеньком 17, пружину 18 и шариковый клапан 19 в коническом отверстии 20, а также калиброванное отверстие 21.

При работе дизельного двигателя на режимах максимального крутящего момента на пониженных частотах вращения коленчатого вала или вначале стендовых доводочных испытаний на контрольном режиме подвижная часть 7 (10) находится в исходном положении, образуя плавную линию боковой поверхности 3 камеры 2. При этом на тактах впуска воздух в камере 2 совершает замкнутое кольцевое вращение и, получая таким образом значительную тангенциальную компоновку скорости в горловине 6, истекает в цилиндр с наибольшим моментом количества движения, что обусловливает к концу такта сжатия наивысшую интенсивность вращения заряда в камере сгорания (фиг.1 и 2).

При повышении частоты вращения коленчатого вала и (или) снижении нагрузки, или при поиске оптимальной настройки канала в ходе стендовых испытаний двигателя подвижную часть 7(10) боковой стенки 3 поворотом вокруг оси 8(10) с помощью тяги (9) перемещают к центру камеру 2, вплоть до соприкосновения с направляющей 5 клапана 4. При этом происходит пережатие кольцевого вихря в камере 2 закручивания и трансформация течений в горловине 6 от закрученного к спрямленному (фиг.1) или частично закрученному (фиг.2).

Во втором случае к слабо закрученной винтообразной струе добавляется отраженная от наружной стенки подвижной части 10 плоская струя, заполняющая переднюю часть горловины 6. В известном устройстве с газодинамическим пережимом аналогичную функцию выполняет крутой наклон сверху расположенного дополнительного входного участка канала. В этом же (фиг.2) варианте исполнения изобретения перемещение части 10 к центру камеры 2 сопровождается раскрытием входного сечения камеры закручивания, что в совокупности с полным использованием сечения клапанной щели обеспечивает значительное снижение сопротивления канала.

В варианте на фиг.3, предназначенном преимущественно для наиболее высокооборотных дизелей (имеющих повышенные скорости течений во впускном канале и не требующих коррекции закрутки по нагрузке), работа осуществляется также как и по варианту фиг.2 с той разницей, что перемещения части 10 осуществляются под действием перестановочного усилия, возникающего от разности сил давления набегающего потока и сжатия пружины 18.

Сила давления потока (максимальная за период впуска) пропорциональна квадрату частоты вращения коленчатого вала, поэтому саморегулирование СВК обладает высокой чувствительностью.

Колебательный процесс части 10 от переменных в цикле сил давления набегающего потока гасится демпфирующим устройством 14, обеспечивающим почти безынерционные перемещения части 10 к центру камеры 2 за счет открытия клапаном 19 большого отверстия 20, на заторможенные обратные перемещения под действием пружины 15 за счет закрытия клапаном 19 отверстия 20 и вытеснения воздуха поршеньком 17 через малое калиброванное отверстие 21.

Таким образом, изобретение позволяет в обычном однозаходном спиральном впускном канале с помощью просто устанавливаемого и перемещаемого регулирующего органа, например, изогнутой лопатки, получить наиболее широкий диапазон варьирования интенсивности закрутки заряда в цилиндре, при либо стабилизированном коэффициенте расхода (сопротивления), либо "идеально" переменном его характере. Изобретение устраняет существенные недостатки известных спиральных впускных каналов с воздействием на кольцевую струю в камере закручивания, но объединяет и усиливает их функциональные достоинства.

Выполнение регулирующего органа в виде пристеночной лопатки в случае ее расположения по варианту фиг.2 создает ряд дополнительных преимуществ.

Во-первых, позволяет в готовом канале откорректировать максимальную интенсивность закрутки как в сторону уменьшения - подрезкой торца 12 лопатки 10 или перемещением его к центру с последующей фиксацией, так и в сторону увеличения - удлинением тела лопатки 10. Если последней процедуры оказывается недостаточно, то следует дообработкой заглубить камеру закручивания, как это показано штрих-пунктирной линией на фиг.2. Во-вторых, может служить уникальным средством оптимизации формы однорежимного спирального впускного канала непосредственно в ходе доводочных испытаний ДВС, так как после фиксации оптимального положения лопатки остается сохранить полученную форму каналу, а в соответствующем стержне для литья достаточно сделать незначительные сглаживания перегибов. И наконец, позволяет ввести по меньшей мере в дизелях повышенной оборотности саморегулирование канала (фиг.3) и отказаться от применения весьма сложных удорожающих двигатель приводов регулирующего органа, включающих датчики управляющих сигналов, блок управления с элементами памяти и исполнительными механизмами электро-гидро- или пневмомеханического типов.

Фактический диапазон регулирования интенсивности закрутки заряда в цилиндре двигателя обусловливается возможным радиальным перемещением и относительными размерами подвижного элемента боковой поверхности К.3, которые, в свою очередь, зависят от отступления формы К.3 от цилиндрической с плоскопараллельными торцами.

Чем ярче проявляется спиралевидность и винтообразность камеры закручивания, тем меньше в ней размеры кольцевого вихря и тем меньше располагаемый диапазон регулирования закрутки. На моделях различных СВК авторами получены 1,5-7-кратные диапазоны изменения параметра закрутки.

Подвижная часть боковой поверхности камеры закручивания в спиральном впускном канале, кроме поворотной лопатки, может быть выполнена в виде вращаемого эксцентрика, в виде возвратно-поступательного плоского или Г-образного (для "парусности") шибера и т.п.

Саморегулируемый канал может содержать, например, вместо жесткой лопатки 10 с осью 11 и пружины 18 плоскую пружину, прикрепленную к боковой стенке 3, а также другие типа демпферов.

Результатов применения предложенного устройства на дизельном двигателе, не требующего в отличие от известных решений каких-либо принципиальных изменений в конструкции головки цилиндра, является сокращение времени и удешевление опытно-конструкторских работ и существенное повышение технико-экономических показателей при эксплуатации в транспортных условиях.

В области низкочастотных режимов работы дизеля предложенный спиральный впускной канал в отличие от однорежимного спирального впускного канала позволяет за счет усиления закрутки заряда существенно повысить крутящий момент, снижая дымность и удельный расход топлива. В высокочастотной области режимов работы, включая номинальный, предложенный канал в отличие от однорежимного позволяет за счет ослабления закрутки и понижения коэффициента сопротивления повысить мощность с сохранением максимальных давлений цикла при одновременном снижении удельного расхода топлива и эмиссии. Причем эти улучшения значительнее, чем в случае применения известного канала с ширмой на подвижной направляющей за счет меньшего сопротивления и большего коэффициента наполнения и чем в случае применения спирального впускного канала с дополнительным входным участком за счет пониженной интенсивности закрутки и также большего коэффициента наполнения.