дизельный двигатель внутреннего сгорания, конвертированный из бензинового двигателя с искровым зажиганием

Формула изобретения

1. Многоцилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания, конвертированный из бензинового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, имеющий головку цилиндров с шатровыми камерами сгорания, впускные и выпускные клапаны, расположенные У-образно относительно друг друга, впрыскивающие форсунки с многодырчатым распылителем, расположенные в камерах сгорания вертикально вблизи продольной оси каждого цилиндра, отличающийся тем, что на каждый цилиндр приходится два впускных клапана с одной стороны камеры и два выпускных клапана с другой стороны камеры, каждая камера сгорания выполнена в виде поверхности вращения, например сферы с цилиндрическими углублениями под седла и тарелки клапанов, и имеет между впускными клапанами пусковую накальную свечу, распылитель каждой форсунки имеет пять распыливающих отверстий, ось одного из которых лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси двигателя на стороне пусковой накальной свечи, угол между двумя любыми соседними осями распыливающих отверстий форсунки составляет в плане 72^o, так что продолжения осей четырех других распыливающих отверстий направлены в сторону четырех клапанов цилиндра, но смещены в плане относительно центров цилиндрических углублений под тарелки клапанов, оси распыливающих отверстий лежат на поверхности конуса, угол которого подобран так, что продолжения этих осей проходят примерно через середину высоты цилиндрических поверхностей углублений под тарелки клапанов в сферической поверхности головки цилиндров, ниже седел клапанов, сферическая поверхность камеры сгорания в головке цилиндров имеет углубления вблизи от распылителя форсунки над продолжениями осей четырех отверстий этого распылителя, направленных в стороны впускных и выпускных клапанов двигателя, поршни имеют плоскосферическую форму днища, а зазор между сферическими поверхностями поршня и головки цилиндров при нахождении поршня в верхней мертвой точке составляет 1 2% от диаметра цилиндра двигателя.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что плоскость среза сферической поверхности днища поршня перпендикулярна оси цилиндра двигателя.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что плоскость среза сферической поверхности днища поршня наклонена к оси цилиндра двигателя.

4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что днище поршня имеет впадины под пусковую накальную свечу и тарелки впускных и выпускных клапанов или некоторые из этих впадин.

5. Двигатель по пп.1 и 3, отличающийся тем, что днище поршня имеет впадины под пусковую накальную свечу и тарелки впускных и выпускных клапанов или некоторые из этих впадин.

6. Многоцилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания, конвертированный из бензинового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, имеющий головку цилиндров с шатровыми камерами сгорания, впускные и выпускные клапаны, расположенные У-образно относительно друг друга, впрыскивающие форсунки с многодырчатым распылителем, расположенные в камерах сгорания вертикально вблизи продольной оси каждого цилиндра, отличающийся тем, что на каждый цилиндр приходится два впускных клапана с одной стороны камеры и два выпускных клапана с другой стороны камеры, каждая камера сгорания выполнена в виде поверхности вращения, например сферы с цилиндрическими углублениями под седла и тарелки клапанов, и имеет между впускными клапанами пусковую накальную свечу, распылитель каждой форсунки имеет пять распыливающих отверстий, ось одного из которых лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси двигателя на стороне пусковой накальной свечи, угол между двумя любыми соседними осями распыливающих отверстий форсунки составляет в плане 72^o, так что продолжения осей четырех других распыливающих отверстий распылителя направлены в стороны четырех клапанов цилиндра, но смещены в плане относительно центров цилиндрических углублений под тарелки клапанов, оси распыливающих отверстий лежат на поверхности конуса, угол которого подобран так, что продолжения этих осей проходят примерно через середину высоты цилиндрических поверхностей углублений под тарелки клапанов в сферической поверхности головки цилиндров, ниже седел клапанов, сферическая поверхность камеры сгорания в головке цилиндров имеет углубления вблизи от распылителя форсунки над продолжениями осей четырех отверстий этого распылителя, направленных в стороны впускных и выпускных клапанов двигателя, поршни имеют сферическую форму днища, а зазор между сферическими поверхностями поршня и головки цилиндров при нахождении поршня в верхней мертвой точке составляет 1 - 2% от диаметра цилиндра двигателя.

7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что днище поршня имеет впадины под пусковую накальную свечу и тарелки впускных и выпускных клапанов или некоторые из этих впадин.

8. Многоцилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания, конвертированный из бензинового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, имеющий головку цилиндров с шатровыми камерами сгорания, впускные и выпускные клапаны, расположенные У-образно относительно друг друга, впрыскивающие форсунки с многодырчатым распылителем, расположенные в камерах сгорания вертикально вблизи продольной оси каждого цилиндра, отличающийся тем, что на каждый цилиндр приходится два впускных клапана с одной стороны камеры и два выпускных клапана с другой стороны камеры, каждая камера сгорания выполнена в виде поверхности вращения, например, сферы с цилиндрическими углублениями под седла и тарелки клапанов, и имеет между впускными клапанами пусковую накальную свечу, распылитель каждой форсунки имеет пять распыливающих отверстий, ось одного из которых лежит в плоскости, перпендикулярно продольной оси двигателя, на стороне пусковой накальной свечи, угол между двумя любыми соседними осями распыливающих отверстий форсунки составляет в плане 72^o, так что продолжения осей четырех других распыливающих отверстий распылителя направлены в стороны четырех клапанов цилиндра, но смещены в плане относительно центров цилиндрических углублений под тарелки клапанов, оси распыливающих отверстий лежат на поверхности конуса, угол которого подобран так, что продолжения этих осей проходят примерно через середину высоты цилиндрических поверхности головки цилиндров, ниже седел клапанов, сферическая поверхность камеры сгорания в головке цилиндров имеет углубления вблизи от распылителя форсунки над продолжениями осей четырех отверстий этого распылителя, направленных в стороны впускных и выпускных клапанов двигателя, поршни имеют сферическую выпукло-вогнутую форму днища, а зазор между выпуклой сферической поверхностью днища поршня и сферической поверхностью головки цилиндров при нахождении поршня в верхней мертвой точке составляет 1 2% от диаметра цилиндра двигателя.

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что днище поршня имеет впадины под пусковую накальную свечу и тарелки впускных и выпускных клапанов или некоторые из этих впадин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конвертированию бензиновых двигателей с искровым зажиганием в дизельные двигатели.

Потребность в подобном конвертировании обусловлена стремлением организовать производство дизельного двигателя на базе производства бензинового двигателя с искровым зажиганием с минимальными затратами, т.е. с максимальным использованием технологического оборудования, занятого в производстве бензинового двигателя.

Известны дизельные двигатели внутреннего сгорания с полуразделенными камерами сгорания, выполненными в поршне, например, двигатели "Татра" с торообразной камерой сгорания, двигатели "ЦНИДИ" с конической, а двигатели "Дейтц" с несимметричной камерами сгорания соответственно [1]

В ходе дальнейшего развития на указанных моделях двигателей стали применять пленочное смесеобразование, так называемый М-процесс, в котором 90% впрыскиваемого топлива подается на стенки сгорания в поршне под небольшим углом к ее поверхности для образования пленки на стенках камеры сгорания с организацией движения заряда в камере сгорания таким образом, чтобы обеспечить интенсивный отвод паров топлива от пленки без ее нарушения. Однако практика показала, что чисто пленочное смесеобразование имеет недостатки: сложность доводки рабочего процесса, плохие пусковые качества, повышенная токсичность отработавших газов и дымление при работе с малыми нагрузками. В последних моделях двигателей этих фирм применяется объемно-пленочное смесеобразование, при котором на стенки камеры сгорания, размещенной в поршне, подается 40-60% впрыскиваемого топлива, используются вихри вытеснения и тангенциальные составляющие вращательного движения заряда. Остальное топливо подается в объеме заряда камеры. Такая подача топлива осуществляется за счет многодырчатого распылителя форсунки, который некоторые струи топлива направляет на стенки камеры сгорания, а другие в объем воздушного заряда камеры сгорания.

Недостатками размещения камеры сгорания в поршне являются усложнение конструкции поршня и перегрев краев камеры сгорания, которые становятся слабым местом в поршне. Кроме того, стенка камеры сгорания с пленкой топлива движется вместе с поршнем, что усложняет оптимизацию взаимодействия впрыснутого топлива со стенкой камеры сгорания, так как при движении поршня меняются точка встречи струи со стенкой и угол падения топлива на криволинейную стенку камеры сгорания.

Другим недостатком расположения камеры сгорания в поршне является то, что качество рабочего процесса сильно зависит от взаимного расположения по вертикали отверстий распылителя и кромки камеры сгорания на верхней плоскости поршня, которое может сильно колебаться, так как зависит от допустимых отклонений длинной размерной цепочки, размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и блока цилиндров. Но самым главным недостатком этой конструкции является то, что она требует значительных изменений в конструкции головки цилиндров и поршня в процессе конвертации бензинового двигателя с искровым зажиганием в дизель, что приводит к невозможности использования прежнего технологического оборудования и потере смысла самого конвертирования.

Наиболее близким техническим решением является дизель фирмы Татра, конвертированный из бензинового двигателя с искровым зажиганием Татра 87 [2] Он имеет как и бензиновый двигатель шатровую камеру сгорания в головке цилиндров, непосредственный впрыск топлива форсункой с многодырчатым распылителем и поршень с сильно выпуклым днищем.

Недостатком этого двигателя является то, что он имеет неразделенную камеру сгорания с объемным смесеобразованием, при котором топливо впрыскивается в воздушный заряд. Распределение топлива в воздушном заряде при этом очень неравномерно, что приводит к увеличенным расходам топлива и токсичности отработавших газов. Кроме того, этот двигатель имеет по одному впускному и одному выпускному клапану на цилиндр, что снижает наполнение двигателя.

Технической задачей изобретения является конвертирование бензинового двигателя с искровым зажиганием в дизель, имеющий современное объемно-пленочное смесеобразование и соответственно высокие мощностные, экономические и экологические показатели, с обеспечнием возможности использования технологического оборудования для механической обработки как деталей бензинового 4-клапанного двигателя с искровым зажиганием, так и деталей дизеля. Последнее возможно только при сохранении камеры сгорания в головке цилиндров, прежнем местоположении клапанов и размещении впрыскивающей форсунки на месте прежней свечи зажигания.

Поставленная задача решается за счет того, что в многоцилиндровом дизельном двигателе внутреннего сгорания, конвертированном из бензинового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и имеющем головку цилиндров с шатровыми камерами сгорания, впускные и выпускные клапаны, расположенные У-образно относительно друг друга, впрыскивающие форсунки с многодырчатым распылителем, расположенные в камерах сгорания вертикально вблизи продольной оси каждого цилиндра, согласно изобретению на каждый цилиндр приходится два впускных клапана, расположенных с одной стороны камеры, и два впускных клапана с другой стороны камеры; каждая камера сгорания выполнена в виде поверхности вращения, например, сферы с цилиндрическими углублениями под седла и головки клапанов и имеет между впускными клапанами пусковую накальную свечу; распылитель каждой форсунки имеет пять распыливающих отверстий, ось одного из которых лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси двигателя на стороне пусковой накальной свечи; угол между соседними осями отверстий распылителя форсунки составляет в плане 72^o, так что продолжения осей четырех других отверстий распылителя направлены в стороны четырех клапанов цилиндра, но смещены в плане относительно центров цилиндрических углублений под тарелки клапанов: оси распыливающих отверстий лежат на поверхности конуса, угол которого подобран так, что продолжение этих осей проходят примерно через середину высоты цилиндрических поверхностей углублений под тарелки клапанов в сферической поверхности головки цилиндров, ниже седел клапанов; сферическая поверхность камеры сгорания имеет углубления вблизи от распылителя форсунки над продолжением осей четырех отверстий этого распылителя, направленных в сторону впускных и выпускных клапанов двигателя, поршни имеют плоскосферическую форму днища с плоскостью среза сферы днища, перпендикулярной или наклонной к оси цилиндра и впадинами на днище поршня под тарелки впускных и выпускных клапанов и пусковую накальную свечу или без всех или отдельных из этих впадин в зависимости от расположения и наклона плоскости среза сферы днища поршня и фаз газораспределения двигателя, а зазор между сферическими поверхностями головки цилиндров и поршня при нахождении последнего в верхней мертвой точке составляет 1-2% диаметра цилиндра двигателя. В вариантном исполнении днище поршня может иметь в зависимости от выбранного варианта смесеобразования и необходимой степени сжатия выпуклую сферическую или выпукло-вогнутую сферическую форму.

Расположение камеры сгорания в головке цилиндров, сохранение расположения клапанов как в конвертируемом бензиновом двигателе и размещение впрыскивающей форсунки на месте прежней свечи зажигания позволяет использовать для производства головки цилиндров дизеля то же технологическое оборудование, что и для производства бензинового двигателя. Использование двух впускных и двух выпускных клапанов на цилиндр улучшает наполнение двигателя, его мощностные и экономические показатели, что обуславливает перенос этого технического решения из базового бензинового двигателя в дизель при конвертации.

Выполнение шатровой камеры сгорания в головке цилиндров в виде тела вращения позволяет обрабатывать ее поверхность вращающимся режущим инструментом. Радиус и глубина камеры сгорания, а также цилиндрические углубления в сфере камеры сгорания соосно клапанам на глубину установки седел клапанов обеспечивают надежность заделки седел клапанов. Расположение впрыскивающей форсунки в центре камеры сгорания вблизи продольной оси цилиндра обеспечивает подачу топлива во все необходимые зоны камеры, а углубления в сфере головки цилиндров на осях /их продолжениями/ четырех распыливающих отверстий гарантируют свободное развитие топливного факела при впрыске.

Наличие и расположение пусковой накальной свечи обеспечивают более надежное и своевременное воспламенение топлива при пуске, на холостом ходу и малых нагрузках двигателя.

Форсунка с пятидырчатым распылителем дает 5 струй впрыскиваемого топлива, каждая из которых образует конус распыла топлива, ось которого является продолжением оси распыливающего отверстия. Одна из этих струй, ось которой лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси двигателя, направлена на пусковую накальную свечу, две другие струи направлены в стороны впускных клапанов, а две оставшиеся в стороны выпускных клапанов.

Угол между осями распыливающих отверстий и осями струй впрыскиваемого топлива, т.е. конусов распыления, составляет 72^o, т.е. отверстия в распылителе и струи топлива расположены равномерно по окружности, что оказывает положительное влияние на работу форсунки. Угол конуса, на котором расположены оси отверстий и их продолжения оси конусов распыла топлива обеспечивает встречу струй топлива с боковыми цилиндрическими поверхностями углублений под тарелки клапанов в сферической поверхности камеры сгорания в головке цилиндров примерно в середине высоты этих поверхностей, а смещение в плане осей конусов распыла топлива относительно центров этих углублений обеспечивает встречу струй топлива с цилиндрическими поверхностями углублений под некоторым углом, способствующим образованию на этих поверхностях топливной пленки. Давление впрыска топлива и диаметр отверстий распылителя выбираются такими, чтобы на номинальном режиме на стенках цилиндрических углублений камеры сгорания оседало 40 60% топлива, остальное распределяется в объеме воздуха камеры сгорания в процессе движения струй топлива по камере. Распределение топлива в воздушном заряде достаточно равномерное благодаря равномерному распределению отверстий в распылителе и струй топлива по окружности камеры сгорания. Таким образом организуется объемно-пленочное смесеобразование. Сферическая часть днища поршня образует вытеснитель, который по мере движения поршня вверх вытесняет воздух в центр камеры сгорания и в цилиндрические подклапанные полости, на стенки и в объем которых впрыскивается топливо. При приближении поршня к верхней мертвой точке, когда расстояние между сферическими поверхностями поршня и головки цилиндров быстро сокращается и приближается к 1-2% диаметра цилиндра двигателя, это вытеснение воздуха еще больше интенсифицируется и усиливает вихреобразование в подклапанных полостях, что улучшает сгорание топлива.

Расстояние между сферическими поверхностями головки цилиндров и поршня при положении последнего в верхней мертвой точке равно 1-2% диаметра цилиндра двигателя для всех вариантов днища поршня. Боковые поверхности конусов впрыснутого топлива касаются "горячих" выпускных клапанов, "теплых" впускных клапанов и "прохладной" охлаждаемой поверхности камеры сгорания в зоне пусковой накальной свечи, поэтому подогрев топлива и воздуха в разных частях камеры сгорания неодинаков, что ведет к неодновременному воспламенению топлива в заряде и уменьшению жесткости работы двигателя.

Впадины в днище поршня обеспечивают необходимый зазор между тарелками клапанов, накальной пусковой свечой и днищем поршня при нахождении поршня в верхней мертвой точке. Наличие и величина этих впадин зависят прежде всего от фаз газораспределения двигателя, а также от расположения и наклона плоскости среза сферы поршня, а в варианте с выпукло-вогнутым сферическим днищем поршня от величины и расположения вогнутой поверхности днища поршня.

Центральное расположение форсунки и надлежащее давление впрыска топлива обеспечивают на номинальном режиме достижение струями топлива стенок цилиндрических углублений в камере сгорания за время, меньшее, чем период задержки самовоспламенения топлива для организации объемно-пленочного смесеобразования. На частичных нагрузочных режимах и частичных цикловых подачах топлива, когда впрыскиваются меньшие дозы топлива, дальнобойность струй топлива уменьшается и они не достигают стенок цилиндрических углублений в камере сгорания, поэтому двигатель переходит на более экономичное объемное смесеобразование. При расположении камеры сгорания в головке цилиндров расстояния от отверстий распылителя до кромок камеры сгорания, от которых зависит качество рабочего процесса /см. МТZ N 5 за 1992 г. с. 216, фиг.3/, более стабильны по сравнению с этими же расстояниями для двигателя с камерой сгорания в поршне, так как на них влияют допуски только двух размеров: глубины гнезда под форсунку в головке цилиндров и длины распылителя, поэтому в предложенном двигателе в процессе его доводки и производства обеспечивается более стабильный рабочий процесс с меньшими требованиями к точности деталей, образующих камеру сгорания.

На фиг. 1 показан двигатель, разрез /фрагмент/; на фиг. 2 вид в плане на слепок внутреннего объема камеры сгорания; на фиг. 3 разрез А-А слепка камеры сгорания по вертикальным плоскостям, проходящим через оси факелов впрыска топлива в стороны впускного и выпускного клапанов.

Камера сгорания 1 дизельного двигателя расположена в головке 2 цилиндров 3 двигателя, имеет форму шатра, выполненного в виде сферы 4, и имеет в сфере 4 цилиндрические углубления 5 соосно седлам клапанов 6. Два впускных клапана 7 расположены с одной стороны сферы 4 камеры сгорания 1. Два выпускных клапана 8 с другой стороны сферы 4 камеры сгорания 1. Оси впускных 7 и выпускных 8 клапанов расположены У-образно. Впрыскивающая форсунка 9 расположена вертикально, вблизи продольной оси 10 цилиндра 3. Камера сгорания 1 имеет на стороне впускных клапанов 7, а именно между ними, пусковую накальную свечу 11. Распылитель 12 форсунки 9 имеет пять распыливающих отверстий с осями 13, расположенными равномерно через 72^o по окружности. Одно из этих отверстий подает струю топлива, образующую конус распыла 14 на пусковую накальную свечу 11. Струи топлива, образующие конусы распыла 15, направлены в сторону впусковых клапанов 7, а струи топлива, образующие конусы распыла 16, в сторону выпускных клапанов 8. Оси 13 конусов распыла 15 и 16 смещены в плане относительно центров 17 цилиндрических углублений 5 под тарелки клапанов 7 и 8. Оси 13 распыливающих отверстий и конусов 14, 15, 16 распыла топлива лежат на поверхности конуса, угол которого выбран так, что эти оси проходят примерно через середину высоты боковой цилиндрической поверхности углублений 5, расположенных под седлами 6 клапанов 7 и 8. Сферическая поверхность 4 камеры сгорания 1 имеет вблизи распылителя 12 форсунки 9 углубления 18 над осями 13 факелов 15 и 16 распыла топлива в стороны впускных 7 и выпускных 8 клапанов. Поршень 19 имеет плоско-сферическое днище, а сфера 20 днища поршня 19) - плоский срез 21. На фиг.1 плоскость среза 21 перпендикулярна оси 10 цилиндра 3, но в альтернативе она может быть расположена наклонно к оси 10 цилиндра 3. Высота среза 21 сферы 20 днища поршня 19 определяется необходимой степенью сжатия, наклон среза 21 поршня 19 влияет на сосредоточение рабочего тела в той или иной камере сгорания 1, на движение заряда, протекание рабочего процесса в камере сгорания и может быть выбран экспериментально в процессе доводки рабочего процесса. Днище поршня 19 может иметь впадину 22 под пусковую накальную свечу 11 и впадины 23 /на фиг. 1 показана одна такая впадина/ под впускные 7 и выпускные 8 клапаны. Впадина 22 обеспечивает зазор между пусковой накальной свечей 11 и днищем поршня 19 при нахождении последнего в верхней мертвой точке. Впадины 23 обеспечивают зазор между тарелками клапанов 7 и 8 и днищем поршня 19 при нахождении последнего в верхней мертвой точке. На наличие и размер впадин 22 и 23 влияют величина перекрытия фаз газораспределителя, высота среза сферы 20 поршня 19, а также угол и направление наклона плоскости среза 21 поршня 19. Сферическая часть 20 поршня 19 образует вытеснитель 24, который при движении поршня 19 вверх вытесняет воздух в центр камеры сгорания 1 и в цилиндрические подклапанные полости 5. При приближении поршня 19 к верхней мертвой точке расстояние между сферической поверхностью 20 и поршня 19 и сферической поверхностью 4 головки цилиндров 2 быстро сокращается, вытеснение воздуха интенсифицируется и приводит к вихреобразованию в подклапанных полостях 5, что улучшает сгорание топлива и уменьшает токсичность отработавших газов. При работе двигателя форсунка 9 обеспечивает впрыск топлива в зону пусковой накальной свечи 11 и в зоны каждого клапана 7 и 8. Впрыскиваемое топливо попадает на цилиндрические поверхности углублений 5 для тарелок клапанов 7 и 8 под углом к этим цилиндрическим поверхностям и образует на них топливные пленки 25, показанные на фиг.2 и 3. Углубления 18 в сферической поверхности 4 головки цилиндров 1 над осями 13 конусов 15 и 16 распыла топлива обеспечивают свободное развитие топливного факела при впрыске. На номинальном режиме работы двигателя на топливные пленки 25 приходится 40-60% топлива, остальное топливо распределяется в объеме воздуха в камере сгорания 1 достаточно равномерно благодаря наличию пяти струй топлива и их равномерному расположению в камере сгорания 1. Боковые поверхности конусов 15 и 16 распыла топлива касаются "горячих" выпускных клапанов 8, "теплых" впускных клапанов 7 и днища поршня 19 и "прохладной" поверхности 4 камеры сгорания 1 в зоне пусковой накальной свечи 11, что приводит к температурной неоднородности воздушного заряда в различных зонах камеры сгорания 1, разным периодам задержки воспламенения и, следовательно, уменьшению жесткости работы двигателя.

Кроме запуска свечи 11 обеспечивается более надежное воспламенение топлива на холостом ходу и малых нагрузках двигателя. Для получения различных степеней сжатия применяют поршни 19 с плоскосферическим днищем, но с различной высотой среза 21 сферы 20 поршня 19.

В вариантном исполнении могут быть различные камеры сгорания 1 за счет поршня 19 с наклонной плоскостью 21 среза, поршня 19 со сферическим или выпукло-вогнутым сферическим днищем, при неизменной части камеры сгорания сферической формы 4, расположенной в головке цилиндров 2.

Изобретение позволяет с наименьшими затратами конвертировать современный четырехклапанный бензиновый двигатель в современный дизельный двигатель с эффективным смесеобразованием и высокими техническими, экономическими и экологическими показателями.