RU2111367C1

RU2111367C1 - Combustion chamber of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2111367C1
Application number: RU95114194A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Чернопятов
Original assignee: Владимир Сергеевич Чернопятов
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1998-05-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: combustion chamber is formed by crown of piston 1, head 2 of cylinder 3, these parts being lined with ceramic heat insulating layer 4 to which layer 5 of heat accumulating and heat transfer metal is applied, this metal features high heat capacity. Working surface of metal layer is corrugated and coated with layer 6 of high temperature conducting metal. Other surface of layer 5 has heat reflector 7. EFFECT: increased fuel economy, possibility of use of nontraditional types of fuel, such as water, high ecological safety. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к камерам сгорания с теплоизоляцией. The invention relates to the field of engine engineering, in particular to combustion chambers with thermal insulation.

Известна камера сгорания, у которой поверхность и дно поршня снабжены теплоизолирующим керамическим покрытием с нанесенным на ее поверхность слоем металла, обладающим высокой теплоемкостью [1]. A known combustion chamber, in which the surface and the bottom of the piston is equipped with a heat-insulating ceramic coating with a metal layer deposited on its surface with high heat capacity [1].

Такое техническое решение несколько снижает количество тепловой энергии, получаемой деталями двигателя: цилиндром, головкой цилиндра, поршнем, а тепловая передача, запасенная слоем металла с высокой теплоемкостью, передается порцией свежего заряда, несколько повышая топливную экономичность, однако сколько-нибудь значительной топливной экономичности такое решение не позволяет обеспечить, т.к. интенсивность возврата тепловой энергии определяется уровнем температуры стенок, температуропроводностью материала стенок, интенсивностью теплообмена на границе рабочие газы - стенка, а материалы, обладающие высокими значениями теплоемкости, имеют низкие значения температуропроводности, следовательно, и низкой отдачи тепла свежему заряду. Such a technical solution slightly reduces the amount of thermal energy received by engine parts: a cylinder, cylinder head, piston, and the heat transfer, stored with a layer of metal with a high heat capacity, is transferred by a portion of the fresh charge, slightly increasing fuel efficiency, but such a solution has any significant fuel efficiency does not allow to provide, because the rate of return of thermal energy is determined by the level of wall temperature, thermal diffusivity of the wall material, the rate of heat transfer at the interface between the working gases and the wall, and materials with high heat capacity have low thermal diffusivity, and therefore, low heat transfer to the fresh charge.

Наиболее близким техническим решением является камера сгорания [2], ограниченная дном поршня, цилиндром, его головкой и снабженная теплоизолирующим керамическим покрытием, на которое нанесен наружный контактирующий с рабочими газами теплопередающий слой из высокотемпературопроводного металла. The closest technical solution is a combustion chamber [2], limited by the bottom of the piston, the cylinder, its head and equipped with a heat-insulating ceramic coating, on which an external heat-transfer layer made of high-temperature-conducting metal is in contact with the working gases.

Такое техническое решение не позволяет существенным образом повысить температуру камеры сгорания и максимальным значением отдать тепло свежему заряду, ведь интенсивность возврата тепловой энергии определяется уровнем температуры стенок, температуропроводностью материалов стенки, интенсивностью теплообмена на границе поверхность стенок - газ. В техническом решении, принятом за прототип, рабочие газы контактируют со слоем металла, обладающего высокой температуропроводностью, нагрев камеры сгорания осуществляется за счет теплового излучения горящих газов и поверхностью контактирования рабочих газов со стенками камеры сгорания. Покрытая высокотемпературопроводным материалом камеры быстро нагревается, но также быстро отдает тепло газам на такте выхлопа и не позволяет аккумулировать тепло для увеличения температуры, а поверхность такой камеры не способствует увеличению съема тепла и его отдачи свежему заряду. В целом такая камера хоть и повышает температуру, но недостаточна для существенного улучшения тепловой экономичности и не создает температурных условий для перехода на нетрадиционные виды топлива. Such a technical solution does not allow a significant increase in the temperature of the combustion chamber and the maximum value to give heat to the fresh charge, because the intensity of return of thermal energy is determined by the level of wall temperature, thermal diffusivity of the wall materials, the heat transfer rate at the wall-gas interface. In the technical solution adopted for the prototype, the working gases are in contact with a metal layer having high thermal diffusivity, the combustion chamber is heated by the thermal radiation of the burning gases and the contact surface of the working gases with the walls of the combustion chamber. Covered with high-temperature-conducting material, the chamber heats up quickly, but also quickly gives off heat to the gases at the exhaust stroke and does not allow heat to accumulate to increase the temperature, and the surface of such a chamber does not contribute to an increase in heat removal and its transfer to a fresh charge. In general, such a chamber, although it raises the temperature, is not sufficient to significantly improve thermal efficiency and does not create temperature conditions for switching to non-traditional fuels.

Новым техническим результатом является максимальное увеличение температуры стенок камеры сгорания, эффективный съем тепла свежим зарядом и возможностью использования нетрадиционных видов топлива, например воды. A new technical result is the maximum increase in the temperature of the walls of the combustion chamber, the effective removal of heat with a fresh charge and the possibility of using non-traditional types of fuel, such as water.

Результат достигается тем, что камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, ограниченная дном поршня, головкой цилиндра и снабженная теплоизолирующим керамическим слоем, на который нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой, выполненный из высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, одна поверхность которого, контактирующая с рабочими газами, выполнена с глубоким рифлением и покрыта слоем высокотемпературопроводным металлом, другая, контактирующая с теплоизолирующим керамическим слоем, снабжена теплоотражателем. The result is achieved in that the combustion chamber of the internal combustion engine, limited by the bottom of the piston, by the cylinder head and provided with a heat-insulating ceramic layer, on which a heat-accumulating and heat transfer layer is made, made of a high-temperature metal with a high heat capacity, one surface of which is in contact with the working gases, made with deep corrugation and coated with a layer of high-temperature-conducting metal, the other, in contact with a heat-insulating ceramic layer, is provided with heat-reflecting Lemma.

Такое выполнение позволяет значительно улучшить топливную экономичность за счет аккумулирования тепловой энергии. Эффект объясняется тем, что, по-первых, при горении топливной смеси осуществляется максимальный отбор тепловой энергии за счет интенсивного нагрева поверхностного слоя с высокой теплопроводностью и увеличенной рифленой поверхностью; во-вторых, теплоотражатель не только ограничивает теплоблок в стенки двигателя, но и аккумулирует тепловую энергию в высокотемпературном с высокой теплоемкостью слое металла, а за счет рифленой поверхности камера сгорания вследствие более интенсивного теплообмена на границе поверхность стенок - газ отдача тепловой энергии свежему заряду значительно возрастает; в-третьих, значительное повышение температуры стенок камеры сгорания позволяет перейти на нетрадиционные виды топлива; в-четвертых, слабый теплосток в стенке двигателя снижает его температуру. This embodiment can significantly improve fuel efficiency due to the accumulation of thermal energy. The effect is explained by the fact that, firstly, when the fuel mixture is burned, the maximum heat energy is extracted due to intensive heating of the surface layer with high thermal conductivity and an increased corrugated surface; secondly, the heat reflector not only limits the heat block to the walls of the engine, but also accumulates thermal energy in a high-temperature layer with a high heat capacity of the metal, and due to the corrugated surface, the combustion chamber due to more intense heat transfer at the wall surface-gas boundary, the heat transfer to the fresh charge increases significantly ; thirdly, a significant increase in the temperature of the walls of the combustion chamber allows you to switch to non-traditional fuels; fourthly, weak heat in the wall of the engine reduces its temperature.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом камеры сгорания в продольном разрезе. The essence of the invention is illustrated by a drawing of a combustion chamber in longitudinal section.

Камера сгорания ДВС образована дном поршня 1, головкой 2 цилиндра 3 и содержит на этих деталях теплоизолирующий керамический слой 4, на который нанесен теплоаккумулирующий и теплопередающий слой 5 высокотемпературного с высокой теплоемкостью металла, имеющего рифленую рабочую поверхность, покрытую слоем 6 из высокотемпературопроводного металла, другая поверхность слоя 5 снабжена теплоотражателем 7. The combustion chamber of the internal combustion engine is formed by the bottom of the piston 1, by the head 2 of the cylinder 3 and contains on these parts a heat-insulating ceramic layer 4, on which a heat-accumulating and heat transfer layer 5 of a high-temperature with high heat capacity metal is deposited, having a corrugated working surface coated with a layer of 6 high-temperature metal, another surface layer 5 is equipped with a heat reflector 7.

При работе двигателя с предлагаемой камерой сгорания при нахождении поршня 1 вблизи мертвой точки на конечной стадии сжатия свежего заряда, его воспламенения и начального максимального тепловыделения высокотемпературопроводный слой 6, имея глубокорифленую поверхность, будет интенсивно нагреваться, следуя за температурой рабочего газа, и интенсивно передавать тепло в слой 5, высокотемпературный и с высокой теплоемкостью, а теплоотражатель 7 возвращает тепловую энергию в слой 5, существенным образом уменьшая тепловой сток в стенки двигателя. Тепловая энергия, таким образом, накапливается камерой сгорания за каждый цикл работы двигателя. When the engine is operating with the proposed combustion chamber when the piston 1 is near the dead point at the final stage of compression of the fresh charge, its ignition and initial maximum heat release, the high temperature conductive layer 6, having a deeply corrugated surface, will heat up intensively, following the temperature of the working gas, and transfer heat intensively to layer 5, high temperature and with high heat capacity, and heat reflector 7 returns thermal energy to layer 5, significantly reducing the heat sink into the walls of the motor ator. Thermal energy is thus accumulated by the combustion chamber for each cycle of the engine.

Естественно, что с каждым циклом будет повышаться температура камеры сгорания. Свежий заряд, попадая в камеру сгорания, интенсивно нагревается как за счет увеличенной (минимум в 1,5-2 раза) рифленой поверхности слоя 6, так и за счет высокого уровня температуры этого же слоя с высокой температуропроводностью. Naturally, with each cycle, the temperature of the combustion chamber will increase. A fresh charge, entering the combustion chamber, is intensively heated due to the increased (at least 1.5-2 times) corrugated surface of layer 6, and due to the high temperature level of the same layer with high thermal diffusivity.

При достижении камерой сгорания наивысшей температуры (порядка 950^oC) может осуществляться впрыск воды. При высокой температуре вода разлагается на кислород и водород, и этим обеспечивается наивысшая топливная экономичность и экологичность двигателя.When the combustion chamber reaches the highest temperature (of the order of 950 ^° C.), water can be injected. At high temperatures, water decomposes into oxygen and hydrogen, and this ensures the highest fuel efficiency and environmental friendliness of the engine.

Наконец, в работе двигателя наступает тепловой баланс, при котором уравнивается теплоотдача горящих газов и отвод тепла стенками двигателя, ротор тепла свежим зарядом и отвод тепла газами на выхлопе. Finally, a thermal balance occurs in the operation of the engine, at which the heat transfer of burning gases and the heat removal by the engine walls, the heat rotor with a fresh charge and the heat removal by gases in the exhaust are equalized.

Форма рифленой поверхности может быть пирамидальной, как наиболее технологичной в изготовлении, а камера сгорания может иметь датчик температуры (термопару) для управления и регулирования режима работы двигателя. The shape of the corrugated surface may be pyramidal, as the most technologically advanced in manufacture, and the combustion chamber may have a temperature sensor (thermocouple) for controlling and regulating the engine operation mode.

Использование предлагаемой камеры сгорания ДВС обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: максимальное увеличение температуры камеры сгорания за счет аккумулирования тепловой энергии и уменьшения теплостока в стенки двигателя, интенсивный объем тепловой энергии в момент тепловыделения и возврат стенками камеры сгорания предельно возможной тепловой энергии свежему заряду, переход на нетрадиционные виды топлива, например воду, снижение тепловых динамических нагрузок на двигатель. Using the proposed combustion chamber of the internal combustion engine provides the following advantages in comparison with the existing ones: maximum increase in the temperature of the combustion chamber due to the accumulation of thermal energy and reduction of heat flow into the engine walls, the intense amount of thermal energy at the time of heat release and the return of the maximum possible thermal energy to the fresh charge by the walls of the combustion chamber, transition on non-traditional fuels, such as water, reducing thermal dynamic loads on the engine.

Отмеченные преимущества позволяют в значительной степени экономить топливо, снизить и исключить выброс в атмосферу вредных газов. The noted advantages can significantly save fuel, reduce and eliminate the emission of harmful gases into the atmosphere.

К недостаткам можно отнести то, что некоторые существующие сегодня двигатели с расположенными клапанами в головке занимают в ней достаточную площадь, снижая эффективность применения предложенной камеры. The disadvantages include the fact that some existing engines with valves located in the head occupy a sufficient area in it, reducing the effectiveness of the proposed camera.

Claims

The combustion chamber of the internal combustion engine, limited by the piston bottom, cylinder head and provided with a heat-insulating ceramic layer, characterized in that the ceramic coating is coated with a heat-accumulating and heat transfer layer made of a high-temperature metal with a high heat capacity, one surface of which is in contact with the working gases, made with deep corrugation and covered with a layer of high-temperature-conducting metal, the other, in contact with a heat-insulating ceramic layer, is provided with heat azhatelem.