Конструкция головки цилиндров автомобильных двигателей во многом определяется конструкцией камеры сгорания, так как форма камеры сгорания определяет расположение клапанов, свечей зажигания или форсунок, каналов подвода свежего заряда и отвода отработавших газов, каналов циркуляции охлаждающей жидкости и т.д.

От формы камеры сгорания зависит характер развития процесса сгорания и теплоотдача в стенки. Основные требования к конструкции камер сгорания заключаются в обеспечении качественного наполнения цилиндра, эффективности протекания процесса сгорания.

Камеры сгорания оценивают по следующим основным параметрам:

·         возможности качественного газообмена в двигателе, которая зависит от размещения и проходного сечения клапанов;

·         отношению поверхности камеры сгорания к ее объему. При увеличении этого отношения возрастают тепловые потери в стенки, связанные с замедлением горения в узких зазорах различных зон камеры, при этом увеличивается токсичность отработавших газов в результате неполноты сгорания смеси;

·         степени турбулизации (завихрения) заряда непосредственно в камере сгорания при пуске и сжатии;

·         возможности повышения степени сжатия и уменьшения склонности к детонационному сгоранию (для бензиновых двигателей).

В бензиновых двигателях нашли наибольшее распространение:

1.       Смещенная (Г-образная) (рис.1);

2.       Полусферическая (рис.2);

3.       Полуклиновая (рис.3) камеры сгорания.

Смещенная камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня и над поверхностью клапанов, что приводит к значительным тепловым потерям и, следовательно, снижению экономичности, увеличению токсичности отработавших газов, так как вследствие удаленности свечи зажигания от дальней точки камеры процесс сгорания затянут по времени. Необходимо также отметить ухудшение газообмена вследствие увеличения сопротивления на впуске и выпуске.

Рисунок 1

В полусферической камере сгорания лучше происходит турбулизация заряда, она компактна, дает возможность увеличить степень сжатия, однако расположение клапанов поперек двигателя под углом к оси цилиндра усложняет привод клапанов и делает невозможным применение такой камеры сгорания для двигателей с нижним расположением распределительного вала. Поэтому такая камера сгорания применяется на двигателях спортивных автомобилей, а также на двигателях с верхним расположением распределительного вала.

Рисунок 2

Полуклиновая камера получила большее распространение. Она позволяет повысить степень сжатия до 7,2 (при наличии винтовых впускных каналов), обеспечивает хорошую экономичность и токсичность отработавших газов в регламентируемых пределах, позволяет расположить клапаны вдоль оси коленчатого вала двигателя, что облегчает их привод от нижнего распределительного вала.

Рисунок 3

В дизелях форма и размещение камеры сгорания определяют способ смесеобразования.

Применяют два вида камер сгорания: неразделенные и разделенные.

Неразделенные камеры сгорания (рис.4) образованы в поршне и представляют собой пространство, заключенное между днищем поршня и нижней плоскостью головки блока (однообъемные камеры). Поршень имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра, что уменьшает тепловые потери и повышает экономичность работы двигателя. Топливо в такую камеру впрыскивается несколькими струями через отверстия в форсунке. Такой способ смесеобразования носит название непосредственного впрыска.

Рисунок 4- Типы неразделенных камер сгорания

а – полусферическая (дизель ВТЗ); б – ЯМЗ и АМЗ; в – ЦНИДИ; г – «МАН»;

д – «Дойц»; е – «Гессельман»; ж – «Даймлер – Бенц»; δ_Н.З. – надпоршневой зазор

У дизеля с разделенной камерой сгорания (рис.5) воздух во время такта сжатия подается во вспомогательную камеру через соединительный канал и получает необходимую интенсивность и направление движения. Вспомогательная камера может быть предкамерой (рис.5, б) или вихревой камерой (рис.5, а).

Рисунок 5 – Типы разделенных камер сгорания

а – вихревая камера; б – предкамера

Топливо впрыскивается во вспомогательную камеру малого объема, содержащую лишь часть воздуха, поступившего в цилиндр. При воспламенении топлива в этой камере давление повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в объем основной камеры сгорания над поршнем, где сгорание завершается. Площадь поверхности основной и вспомогательной камер довольно велика, что приводит к повышенной теплоотдаче, тепловым потерям и, следовательно, к снижению топливной экономичности двигателя. Однако данный способ по сравнению с непосредственным впрыскиванием обеспечивает более плавное нарастание нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.