Способ впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с непосредственным впрыском,самовоспламенением и принудительным зажиганием - SU1111691A3

1

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способам впрыска топлива в двигатель с преобладанием вихревого движения воздуха в камере сгорания, имеющей форму тела вращения, и пленочным смесеобразованием при впрыске через форсунку с изменяемой геометрией соплового отверстия.

Известен способ топлива в двигатель внутреннего сгорания с непосредственным впрыском, самовосплменением и принудительным зажиганием снабженный размещенной в днище порщня камерой сгорания, имеющей форму тела вращения, в которой преобладает вихревое движение воздуха вокру ее продольной оси; топливо впрыскивается через форсунку с отверстием изменяющегося поперечного сечения, которое запирается подпружиненной иглой , причем топливо в области высоки частот вращения и/или нагрузок подают преимущественно в виде пленки на стенку камеры сгорания в то время как при холостом ходе, а также в области низких частот вращения и/или нагрузок двигателя происходит преимущественно непосредственное смешивание топлива с воздухом, при этом количество впрыскиваемого топлива регулируют в зависимости от нагрузки и частоты вращения С1.

Недостаток -известного способа впрыска топлива состоит в том, что он не обеспечивает одинакового эффекта во всей области скоростных и на .грузочных режимов по уменьшению токсичности выхлопных газой и облегчению запуска двигателя вследствие

трудности согласования характеристик топливоподачй с характеристиками работы двигателя.

Цель изобретения - уменьшение токсичности выхлопных газов и облегчение запуска .двигателя.

Цель достигается тем, что согласно способу впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с непосредственным впрыском, самовоспламенением и принудительньм зажиганием, снабженный размещенной в днище поршня камерой сгорания, имеющей форму тела

вращения, с преобладанием вихревого .движения воздуха вокруг ее продольной оси, у которого топливо впрыскивается через форсунку с сопловым отверстием изменяющегося проходного

сечения, которое запирается подпружиненной иглой, причем топливо в области высоких частот вращения и/или нагрузок двигателя подают преимущественно в виде пленки на стенку

камеры сгорания,а на холостом ходе и в области низких частот вращения и/или нагрузок двигателя происходит преимущественно непосредственное смешивание топлива с воздухом, при

этом количество впрыскиваемого топлива регулируют в зависимости от нагрузки и частоты вращения, разделяют всю область рабочих режимов двигателя от холостого хода до полной нагрузки на несколько (например, четыре) областей и изменяют проходное сечение соплового отверстия путем поднятия иглы опрыскивающего распылителя в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя в отдельных

областях, причем проходно.е сечение соплового отверстия увеличивают с помощью характеристики пружинящего элемента или дополнительных средств увеличивают медленное в области жидких частот вращения и/или нагрузок. Величину максимального проходного сечения соплового отверстия в области низких нагрузок и частот вращения обеспечивают в пределах 3...15% проходного сечения в области номинальной нагрузки, а в области холостого хода в 10 раз меньще, чем в области номинальной нагрузки. Давление впрыска топлива на номинальном режиме обеспечивают в 2, . .3 раза больше давления впрыска при минимальной частоте холостого хода двигателя . Обеспечивают количество топлива, впрыскиваемого на градус поворота ко ленчатого вала и литр рабочего объема в области холостого хода 1±0,5 мм а при номинальном режиме 2±1 мм. Угол начала впрыска топлива при номинальной частоте вращений регулируют от номинальной нагрузки до холостого хода в пределах 20.,-50% от диа пазона регулирования угла начала впрыска в функции частоты вращения, причем эти пределы сохраняют неизмен ными во всей области рабочих частот вращения от номинальных до холостого хода. На постоянном скоростном режиме начало впрыска топлива в функции нагрузки начинают регулировать в преде лах 100-50% номинального количества впрыскиваемого топлива и регулируют вплоть до области холостого .хода по. зависимости, которая может иметь как линейный, так и нелинейный харак тер. На фиг. 1 представлен график области рабочих режимов двигателя с разделением на отдельные области; на фиг. 2 - зависимость эффективного проходного сечения соплового отверстия форсунки от подъема иглы} на фиг. 3 - нижняя часть форсунки, реализующей предложенный способ впрыска топлива} на фиг. 4-8 - различные варианты зависимости силы, действующей на иглу со стороны упругого элемента форсунки, от подъема иглы/ на фиг. 4сила , действующая на иглу, выполнена .в виде двух последовательных пружин , причем вторая пружина встроена без преднатяга, на фиг. 5 - то же, с преднатягом; на фиг. 6 - характеристика стальной пружины, действующей на иглу, возрастает до максимума на фиг. 7 - сила, действующая на иглу, оказываемая пружиной и гидравлическим упругим элементом, на фиг. 8 то же, при открытии и закрытии иглы форсунки, на фиг. 9 - зависимость давления впрыска топлива (Р) и подъема иглы форсунки (Н) от хода поршня (S ) двигателя вблизи верхней мертвой точки (ОТ), на фиг. 10 диаграмма регулировки начала впрыска топлива ( S) от частоты вращения двигателя (п ); на фиг. 11 - зависимость изменения начала впрыска топлива (х ) от количества впрыскиваемого топлива (а ). Способ впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. Всю область рабочих режимов двигателя (фиг. 1) от холостого хода (3) до полной нагрузки разделяют на несколько (например, четыре) областей (фиг. 1) и изменяют проходное сечение (фиг. 2, величина jtt f ) соплового отверстия путем поднятия иглы (фиг. 2, величина Н) впрыскивающего распылителя (фиг. 3) в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя в отдельных областях. Разделение на отдельные области производится таким образом, чтобы двигатель мог работать при одном, наиболее употребительном способе смесеобразования и способе смесеобразования , соответствующем данной области режимов. Изображенный в качестве примера на фиг. 1 набор областей показывает , что оптимизируемый двигатель предполагается применить для транспортных средств, осуществляющих преимущественно перемещение в городе. Для двигателя, эксплуатирующегося преимущественно в области полной нагрузки , области 1-4 разделяются линиями 5-7, смещаются влево. Если к двигателю предъявляются повышенные требования в части несгоСевших углеводородов и синего дыма, то области I и 2 выбирают щире, чем области 3 и. 4. Эффективное проходное сечение соплового отверстия форсунки в зависимости от подъема иглы (фиг. 2) изменяют так, что в областях 1 и 2 при подъеме иглы форсунки до 30% максимального хода величина jm F составляет 3...15% от ее максимальной величины (линия 8). Если зависимость IH) определяемая типом форсунки и размерами сопловых отверстий,, имеет другую, например спрямленную форму, то соответственно меняется и положение линий 5-7 на фиг. 1, разделяющих отдельные области.

Предложенный способ впрыска топлива реализуется, например, с помощью известной штифтовой форсунки (фиг.З) В корпусе 9 форсунки 10 расположена игла 11, прилегающая по уплотнительной поверхности 12 к корпусу 9 форсунки . Дросселирующий штифт 13 иглы 11 входит с перекрытием 14 в сопловое отверстие 15, образуя дроссельную щель 16. При полностью открытой игле 11 (положение, изображенное пунктиром на Фиг. 3), дроссельная щель отсутствует.

В области 1 дросселирующий штифт 13 еще остается в сопловом отверстии 15, его подъем составляет приблизительно 50% перекрытия 14. В дроссельной щели 16 при впрыске обеспечивается высокое давление, что позволяет получить хорошее распыливание топлива .

В области 2 нижний цилиндрический конец дросселирующего щтифта 13 дост гает конца перекрытия 14, но еще не выходит из соплового отверстия 15, чем обеспечивается хорошее распыливание топлива.

Область 3 охватывает путь дросселирующего штифта 13 от конца перекрытия 14 до положения максимального открытия соплового отверстия 15. Проходное сечение распылителя при этом непрерывно увеличивается, поэто му топливная струя фокусируется.

В области 4 дросселирующий штифт 13 находится в течение большей части периода впрыска в максимально открытом положении, и струя топлива в преобладающей части попадает на стенки камеры сгорания. Максимальное проходное сечение соплового отверстия форсунки выбирается в соответствии с продолжительностью и давлением впрыска, необходимыми для режима максимальной мощности двигателя.

Соответствие свойств открытого проходного сечения форсунки режиму работы двигателя, т.е. положению дросселирующего штифта 13, может достигаться с помощью пружины, удерживающей иглу 11 в закрытом положении. Постоянная

жесткость пружины является в ряде случаев уже недостаточной. Жесткость, возрастающая скачкообразно или непрерывно с увеличением подъема иглы, необходима , когда требуется точное выдерживание положения иглы при малых подъемах иглы или должно затормаживаться быстрое перемещение иглы после открытия клапана при низких частотах вращения и нагрузках. То же достигается благодаря комбинации механической пружины с гидравлическим упругим элементом , сЪздающим дополнительную, пропорциональную давлению в трубопроводе силу, действующую на иглу форсунки. Изменение поперечного сечения соплового отверстия позволяет производить впрыск от наименьшего до наибольшего количества топлива при относительно малом изменении давления в отверстии 15 форсунки по сравнению с обычным впрыском с неизменяемой геометрией соплового отверстия.

Другая возможность установки необходимого подъема иглы в зависимости от режима работы двигателя состоит в применении управляемого извне регулируемого элемента. В этом случае может производиться впрыск при одинаковом давлении во всем поле характеристик двигателя или даже устанавливаться при низких частотах вращения и нагрузках двигателя более высоким, чем при высоких частотах вращения и нагрузках.

Необходимое изменение проходного сечения соплового отверстия форсунки достигается, например, путем включения в ряд двух пружин, обеспечивающих соответствующую характеристику изменения действующей на иглу силы (фиг. 4 и 3). При этом вторая пружина используется только после подъема иглы более 50% перекрытия 14 соплового отверстия 15 (см. пунктирные линии на фиг. 4 и 5). При этом вторая пружина используется только после подъема иглы более 50% перекрытия

14 соплового отверстия 15 (см. пунктирHbie линии на фиг. 4 и 5). Различие:

характеристик 17 (фиг. 4) и 18 (фиг. 5) заключается в том, что в первом случае (фиг. 4) вторая пружина встроена без преднатяга, а во втором случае (фиг. 5) с преднатягом. Возможен вариант нелинейной характеристики пружины с прогрессивно возрастающей жесткостью по мере увеличения подъема иглы (фиг. .6). 7П Большие возможности изменения характеристики упругого элемента дает комбинированная система нагружения иглы форсунки (фиг. 7 и 8). В этом случае зависимость силы, действующей на иглу, аналогична изменению давления впрыска во время открывания иглы и также зависит от частоты вращения и количества впрыскиваемого топлива. Сила, действующая на иглу, может иметь различные характеристики при открытии и закрытии иглы форсунки (фиг. 8), причем аналогично устройству с двумя пружинами гидравлически элемент вступает в работу только после прохождения 50% перекрытия 14 (фиг. 3). Фактическое изменение давления впрыска топлива и подъема иглы форсу ки (соответственно кривые 19 и 20 на фиг. 9) в зависимости от хода пор ня двигателя (21) вблизи верхней мертвой точки происходит согласно за данной программы работы форсунки в соответствии с выбранными областями рабочих режимов двигателя 1-4. На ординате 22 диаграммы на фиг.9 показан подъем иглы форсунки Н в про центах и соотношение давление впрыска к давлению открытия форсунки в процентах. Абсцисса 21 представляет ход поршня вблизи верхней мертво точки ОТ в градусах угла поворота коленчатого вала. Кривые 19 показывают характеристику давления впрыска а кривые 20 - характеристику подъема иглы форсунки. В области 1 подъем иглы опять соответствует примерно 50% перекрытия 14, а давление впрыска сравнительно велико. В областк 2 подъем иглы форсунки продолжается вплоть до конца перекрытия 14, ив области 4 игла форсунки полностью открыта. Здесь давление впрыска (19) повышается существенно меньше. Давление впрыска достигает значений, только в 2-3 раза более высоких, чем давление открытия иглы, значения эффективного проходного сечения сопла форсунки JJL F на холостом ходу и полной нагрузке отличаются примерно на порядок (фиг. 2). Интенсивность впрыска 1iO,5 мм (градус коленчатого вала и литр рабочего объема на холостом ходу) и 2±1 мм (градус поворота коленчатого вала и литр при полной нагрузке и номинальном числе оборотов Форсунка с неизменяемой геометрией отверстия сопла, которое выбрано для холостого хода, должна иметь при полной нагрузке и высокой частоте вращения давление впрыска, которое на порядок превышает давление открытия, чтобы длительность впрыска могла оставаться доэольно короткой. Для оптимизации рабочего процесса двигателя целесообразно регулировать момент воспламенения не только в зависимости от частоты вращения, но и нагрузки. Более позднее начало впрыска топлива, обеспечиваемое форсункой с изменяемым проходным сечением соплового отверстия в соответствии с предложенным способом, позволяет уменьшить период задержки воспламенения и понизить шум в области частичных нагрузок и холостого хода, а также снизить максимальное давление сгорания , не ухудшая удельного расхода топлива и не повышая концентрации окиси углерода в выхлопных газах. Угол начала впрыска топлива при номинальной частоте вращения регулируют от номинальной нагрузки до холостого хода в пределах 20...50% от диапазона регулирования угла начала впрыска в функции частоты вращения, причем эти пределы сохраняют неизменными во всей области рабочих частот вращения от номинала до холостого хода. На фиг. 10 изображена диаграмма, показывающая регулировку начала впрыска в зависимости от частоты вращения . На оси ординат 23 отложена регулировка начала впрыска S в процентах от максЕ мально возможной регулировки и на оси абсцисс 24 - число оборотов п в процентах от номинального . Прямая 25 показывает регулировку , необходимую на кривой полной нагрузки, линии 26, 27 ограничивают область, в которой находится кривая начала впрыска при количестве впрысII ка ноль Со снижением нагрузки начало впрыска перемещается в указанном стрелкой 28 направлении. На постоянном скоростном режиме начало впрыска топлива в функции нагрузки начинают регулировать в пределах 100-50% номинального количества впрыскиваемого топлива и регулиру ют вплоть до области холостого хода по зависимости, которая может иметь ак линейный,так и нелинейный характер, На фиг. 11 изображена зависимость изменения начала впрыска топлива от его количества. 9 На ординате 29 показан угол установки ot в процентах от максимальной установки начала впрыска, регулируемой в занисимости от нагрузки при по стоянном числе оборотов. оС-10С/ полной нагрузки -jt. «.полной нагрузки где ei полной нагрузки - угол начал впрыска при полной нагрузке; oi-e угол при количестве впрыска п 0 of- угол начала впрыска топлива цт}я данного количества впрыскиваемого топлива. Углы oi полной нагрузки ог и осо берут в градусах поворота коленчатого вала двигателя. По абсциссе 30 отложены количества впрыскиваемого топлива в процентах от количества при полной нагрузке Qg полной нагрузки. Характеристика между регулировкой впрыска нуль ( полной нагрузки) и регулировкой впрыска 100% () является, как показано линией 31, линейной. В отдельных случаях выгодно 9Jto прежде всего при больших количествах впрыска делать малую регулировку или даже не делать ее, а оставлять начало вирьюка при ос полной нагрузки и производить регулировку только при меньших количествах впрыска, как-показано кривой 32. Характеристика регулировки может быть закончена уже при qe 0, до 50% с полной нагрузки , следовать, например, линии 33. Таким образом, возможные характеристики заключены между линиями ЗА и 35. Линия,--33 поясняет предельный случай, когда начало впрыска остается постоянным до тех пор, пока количество впрыскиваемого топлива не достигнет 50% от его количества при полной нагрузке. Линия 34 представляет предельный случай, когда регулировка в зависимости от нагрузки начинается сразу и заканчивается уже при количестве впрыскиваемого топлива, равном 50% от количества при полной нагрузке. Кривая 35 показывает возможную нелинейную характеристику между предельными линиями 31 и 35.

Jlf

100 4S

50

3 ,,«

V5

H

z

050JOO

(Риг. 2

(pui,

lpui.5

F.

H

max

Фи9. 7

-30ОТ 10 п.о.Т

lpui,9