Форма камеры сгорания нижнеклапанного двигателя и влияние на ее конструкцию степени сжатия

Увеличение степени сжатия двигателей позволяет несколько поднять его мощность и уменьшить расход топлива. Однако в литературе указывается предельное значение степени сжатия для нижнеклапанного двигателя 6,0 ед., выше которого подниматься не рекомендуется. Я попытался разобраться, какими процессами это определяется.

Рисунок 1. Теоретическая наибольшая мощность двигателя Форд Т от степени сжатия (без учета влияния газодинамических потерь, усиливающихся при высокой степени сжатия)

Рисунок 2. Сравнение кривых мощности и момента для двигателей Форд Т со степенями сжатия 4,0 (stock) и 6.0

Для начала о видах камер сгорания по фотографиям.
Первое известная конструкция камер сгорания образца 1914 года – плоская, равномерно растянутая над поверхностью поршня и тарелками клапанов (рис. 3) Характеризуется малой турбулентностью и большой длиной пути фронта пламени. Свеча обычно располагается над впускным клапаном (?).
Вторая конструкция – вихревая камера, или камера Рикардо (рис. 3) имеет увеличенный объем в зоне клапанов (сравнение поперечных сечений камер на рис. 4), и соединяется с цилиндром слегка зауженной щелью. Турбулизация достигается вытеснением смеси из цилиндра в камеру сгорания в конце такта сжатия через суженную щель. Рикардо отмечает, что степень турбулизации можно регулировать изменением степени сужения этой щели.
Размеры камеры сгорания уменьшены за счет приближения поверхности головки к наиболее удаленной от свечи части поршня (около ½ площади поршня). Свеча расположена примерно в центре камеры сгорания, немного ближе к выпускному клапану, так как вероятность возникновения детонации над ним наибольшая.
Турбулизация смеси в первую очередь снижает влияние перегретых участков смеси около самых горячих частей камеры сгорания, интенсивно перераспределяя отобранное тепло по всему объему.
Укорачивание пути фронта пламени снижает время воздействия на смесь высокой темепературы и давления, снижая опасность того, что детонация начнется в удаленных от свечи местах уже после начала процесса горения.

Рисунок 3. Камера образца 1914 года (stock, ст. сж. 4,0) и вихревая (Waukesha-Ricardo, ст. сж. 5,0) камеры сгорания двигателя Ford T

Рис. 4. Сравнение поперечных сечений камер сгорания обр. 1914 г. (пунктиром) и вихревой (сплошная линия)

Рис. 5. Характер движения смеси в конце такта сжатия. Турбулизация. Рекламный буклет

Рис. 6. Вихревая камера сгорания, модель 1918 – 1919 годов

Приблизительно к 1935 году антидетонационные свойства бензинов позволили поднять степень сжатия до 6,0 единиц. Требования к камере сгорания при этом изменились. Рикардо утверждает, что для сгорания смеси в новых условиях требовалась значительно меньшая турбулизация. При использовании вихревой камеры в двигателе с такой степенью сжатия скорость нарастания давления была чрезмерной, что ухудшало тепловые характеристики (и приводило к жесткой работе двигателя).
Для снижения турбулизации размеры щели, соединяющей цилиндр с камерой сгорания, увеличивали. При общем уменьшении объема камеры сгорания это привело сначала к отказу от полусферической формы, и далее к превращению камеры сгорания в канал, соединяющий клапаны с цилиндром таким образом, чтобы сопротивление прохождению смеси во всех его частях было наименьшим. Примерами таких головок являются головки двигателей Harley-Davidson KR и КМЗ К750.

Рис. 7. Разрез по оси цилиндра двигателя К750, видны очертания камеры сгорания

Рис. 8. Головки цилиндров двигателя К750

Рис. 9. Головки цилиндров Harley-Davidson KR

Таблица. Параметры различных нижнеклапанных двигателей

Рикардо формулирует следующие требования к конструкции камеры сгорания для степени сжатия, превышающей 6,0:
1. Впускной клапан достаточно большого диаметра и с достаточными зазорами вокруг его тарелки для обеспечения возможно лучшего наполнения цилиндра;
2. Наименьший путь фронта пламени (компактная камера сгорания, свеча в ее центре или немного смещена к выпускному клапану);
3. Выпускной клапан с возможно меньшим диаметром тарелки, снижение пропускной способности компенсировать увеличением его подъема;
4. Наилучшее охлаждение седла выпускного клапана и свечи зажигания;
5. Для стабильной работы на обедненной смеси расположить свечу в месте, хорошо продуваемом свежим зарядом;
6. При необходимости использовать турбулизацию смеси, как в вихревой камере (?)
Далее в книге «Быстроходные двигатели» Рикардо рассматривает только верхнеклапанные конструкции.

Рис. 10. Камеры сгорания двигателя ГАЗ-69. Свеча зажигания расположена над выпускным клапаном, нижняя граница камеры сгорания представляет из себя дугу с центром на свече зажигания (принцип наименьшего пути фронта пламени)

Рис. 11. Выступание поршня над поверхностью разъема блока цилиндров в ВМТ, модель двигателя неизвестна

Рис. 12. Вариант конструкции соединения камеры сгорания с цилиндром с минимальным сопротивлением перетеканию газов (предположительно). Двигатель Форд V8.

Рис. 13. Тюнинговый комплект цилиндра и головки Harley-Davidson model K, видны две свечи, камера сгорания растянута

Выводы. Как можно модифицировать головку блока и камеру сгорания К750.

1. Заварить заводское отверстие для свечи (там довольно большая воронка), расположенное в неоптимальном месте и плохо продуваемое, и изготовить новое примерно в середине камеры сгорания или ближе к выпускному клапану;
2. Поработать с формой вытеснителя, в частности с его кромкой, обращенной к камере сгорания. При этом стараться не уменьшить сечение щели между камерой сгорания и цилиндром, так как смесь проходит там четырежды – на впуске, сжатии, рабочем ходе и при выпуске. Любые заужения скажутся в четыре раза сильнее, чем во впускном канале, например. Пример формы перехода на рис. 12. В целом решения не очевидны, этот путь требует проведения расчетов газодинамики.
2а. Отполировать камеру сгорания.
3. Сгладить и закруглить кромку цилиндра, выступающую в камеру сгорания.
4. Возможно, полезно будет увеличить рабочий объем за счет диаметра цилиндра или хода поршня. Но для большего хода поршня потребуется увеличивать сечение щели и пропускную способность клапанов. По крайней мере, на Харлее пошли таким путем – ход там больше диаметра цилиндра в 97/70 = 1,39 раза.
5. Устанавливать две свечи вряд ли целесообразно, так как размеры камеры сгорания невелики;
6. Возможно, удалить вытеснитель на головке цилиндра и подобрать поршень, доходящий до привалочной плоскости головки или даже выступающий за нее. Такие конструкции есть (рис. 11, схема рис. 15). Это увеличит степень сжатия при неизменных проходных сечениях для впуска и выпуска газов. Будет работать или нет пока неясно, по негативным отзывам на такую схему подтверждения не нашел.

7. Учитывать влияние высокой температуры головки и цилиндра на антидетонационные свойства топливной смеси и не требовать от двигателя нормальной работы на Аи92 при степени сжатия 9-9,5 (рис. 14).

Рис. 14. Зависимость потребного ОЧ топлива от температуры охлаждающей жидкости двигателя.

Рис. 15. Увеличение степени сжатия за счет выступания поршня выше привалочной плоскости головки цилиндра. Схематично.

Дополнение. Тема про доработку головок цилиндров оппозитчика Скунса
Когда изучал материалы, мне показалось, что при такой доработке излишне заужается переход из камеры сгорания в цилиндр. Сейчас так уже не кажется )
Описание доработок нижнеклапанного оппозитного двигателя на сайте Скунса https://skuns99.blogspot.com/2016/09/750-7503-8253.html

Рис. Фотография доработанных головок К750 с сайта Скунса.

Смущает упоминание автора о том, что двигатель после доработок стал работать без глушителей заметно тише. Это косвенно может говорить о большем сопротивлении на выпуске.

Источники:
В основном материалы взяты на форуме OPPOZIT.RU, все ссылки привести не представляется возможным. Идеи все тоже с сайта, я только систематизировал их и попытался объяснить.
Статья A170478, послужившая катализатром "Двигатель К750 на 824 см. куб. Результат."

Участники, ссылками и идеями которых я пользовался (кроме автора статьи)
MAD DOCTOR
ARTEGRO
BUFFOG

Книга Г. Р. Рикардо. "Быстроходные двигатели внутренного сгорания", Москва 1960 г.

Иные источники из комментариев к первой статье:
http://mtfctulsa.com/Tech/head_design.htm
https://www.mtfca.com/discus/messages/599638/657061.html?1467781005
https://www.jalopyjournal.com/forum/threads/flathead-combustion-chamber-...