Способ и система для топливной форсунки - RU2700813C2
Код документа: RU2700813C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее раскрытие в целом относится к способам и системам для топливной форсунки, содержащей средства вовлечения воздуха.
Уровень техники и раскрытие изобретения
Втягивание воздуха в камеру сгорания в дизельных двигателях происходит во время такта впуска за счет открытия одного или более впускных клапанов. Во время последующего такта сжатия происходит закрытие впускных клапанов и сжатие совершающим возвратно-поступательные движения поршнем камеры сгорания тех газов, что были впущены во время такта впуска, что повышает температуру газов в камере сгорания. Затем впрыскивают топливо в горячую сжатую газовую смесь в камере сгорания, результатом чего является сгорание топлива. Таким образом, в дизельном двигателе сгорание топлива с воздухом в камере сгорания может происходить под действием высокой температуры воздуха и без воспламенения посредством свечи зажигания, как в бензиновом двигателе. Сгорающая топливовоздушная смесь толкает поршень и приводит его в движение, далее преобразуемое в энергию вращения коленчатого вала.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки таких дизельных двигателей. Например, может не происходить равномерное смешивание дизельного топлива с воздухом в камере сгорания, результатом чего является образование плотных пузырьков топлива в камере сгорания. Данные плотные области топлива могут стать источником образования сажи при сгорании топлива. Известные дизельные двигатели содержат фильтры твердых частиц для уменьшения количества сажи и других твердых частиц в их выбросах. При этом такие фильтры твердых частиц являются причиной удорожания и увеличения потребления топлива.
Современные технологии борьбы с образованием сажи предусматривают средства для вовлечения воздуха в топливо перед впрыском. В их число могут входить каналы, расположенные в корпусе форсунки, выполненные в виде вставки в поверхность плиты головки блока цилиндров двигателя, или в головке блока цилиндров двигателя. Происходит смешивание воздуха окружающей среды с топливом, что снижает температуру впрыскиваемого топлива до подачи смеси в сжатый воздух в цилиндре. Вовлечение охлажденного воздуха в топливо перед впрыском позволяет увеличить длину отрыва и замедлить начало сгорания. Это позволяет ограничить образование сажи в ряде рабочих состояний двигателя, что уменьшает потребность в фильтре твердых частиц.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки таких форсунок. Например, вышеописанные топливные форсунки могут не быть способны в достаточной мере уменьшать образование сажи до желаемого уровня с учетом все более жестких нормативов выбросов. В связи с этим, в выпускном канале можно устанавливать фильтры твердых частиц, что ведет к росту себестоимости и ограничениям в части компоновки транспортного средства.
В одном примере вышеуказанные недостатки позволяет преодолеть система, содержащая: топливную форсунку, содержащую наконечник сопла, погруженный в камеру сгорания ниже головки блока цилиндров, при этом наконечник сопла содержит одно или более отверстий впрыска топлива, выполненных с возможностью впрыска под некоторым углом к центральной оси топливной форсунки, и один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива или газов камеры сгорания, причем один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, расположены под косым углом к центральной оси и соосно отверстиям впрыска топлива, причем в число одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема газов камеры сгорания, входит канал, перпендикулярный и параллельный указанной центральной оси, причем один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, выполнены с возможностью приема газов камеры сгорания из одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема газов камеры сгорания, через канал Вентури и/или жалюзи. Это позволяет ограничить или предотвратить образование сажи при выявлении предкамерного горения в канале.
Например, смесительные каналы встроены в тракт и/или наконечник сопла топливной форсунки. Первый и второй из смесительных каналов выполнены с возможностью приема газов камеры сгорания во время такта сжатия в цилиндре. В третий смесительный канал поступает порция впрыскиваемого топлива, при этом он выполнен с возможностью приема газов камеры сгорания из первого и второго смесительных каналов через канал Вентури и/или жалюзи. Смешивание топлива и воздуха до выдачи топлива в камеру сгорания позволяет избежать образования плотных пузырьков топлива, речь о которых шла выше. Светочувствительный датчик в третьем смесительном канале позволяет определить, произошло ли сгорание смеси до ее вытекания из канала в двигатель. Если это произошло, регулируют один или более параметров работы двигателя для снижения температуры в камере сгорания. Благодаря этому, компактный и простой в изготовлении тракт и/или наконечник сопла позволяет уменьшить и/или предотвратить образование сажи в широком диапазоне рабочих состояний двигателя.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое раскрытие изобретения служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это раскрытие не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного объекта изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 представлена принципиальная схема примера системы двигателя, содержащей камеру смешивания топлива с воздухом.
ФИГ. 2А изображает вид сбоку в поперечном разрезе форсунки и тракта камеры смешивания топлива с воздухом.
ФИГ. 2В изображает первый вариант осуществления тракта.
ФИГ. 2С изображает второй вариант осуществления тракта.
ФИГ. 3 изображает вариант осуществления форсунки, содержащей наконечник форсунки со смесительными каналами, встроенными в него.
ФИГ. 2А-3 представлены приблизительно в масштабе.
На ФИГ. 4 раскрыт способ для регулирования рабочих условий внутри цилиндра в зависимости от образования выбросов.
ФИГ. 5 изображает рабочую последовательность на примере системы двигателя на ФИГ. 1, в которой реализуют способ, проиллюстрированный на ФИГ. 4.
Осуществление изобретения
Нижеследующее раскрытие относится к системам и способам для впрыска топлива в цилиндр двигателя. В частности, нижеследующее раскрытие относится к системам и способам для впрыска дизельного топлива. Система двигателя, например, система двигателя на ФИГ. 1, может содержать один или более цилиндров двигателя, при этом каждый из них содержит по меньшей мере одну топливную форсунку. Топливные форсунки могут представлять собой форсунки непосредственного впрыска с возможностью впрыска топлива непосредственно в цилиндры двигателя. Однако при непосредственном впрыске в цилиндры может не происходить равномерное смешивание дизельного топлива с воздухом в цилиндрах, что ведет к образованию в цилиндрах более плотных и/или менее насыщенных кислородом пузырьков топлива, в которых возможно образование сажи во время цикла сгорания.
Для уменьшения количества сажи, создаваемой двигателем, он может содержать воздушные каналы. А именно, воздушные каналы могут быть расположены в части сопла топливной форсунки, связанной по текучей среде с внутренним объемом камеры сгорания и расположенной в нем. Таким образом, газы из камеры сгорания могут течь по воздушным каналам, где может происходить смешивание указанных газов с порцией впрыскиваемого топлива до сгорания. Это позволяет улучшить смешивание воздуха с топливом и снизить вероятность образования пузырьков топлива.
Для дополнительного уменьшения количества создаваемой двигателем сажи, с каждой топливной форсункой двигателя могут быть связаны один или более трактов. Тракты могут содержать одно или более средств вовлечения воздуха, выполненных с возможностью смешивания внутрицилиндрового воздуха с порцией впрыскиваемого топлива до впрыска. В одном примере указанные средства вовлечения воздуха соответствуют выходам каналов охлажденного воздуха. Это позволяет предотвратить преждевременное воспламенение порции впрыскиваемого топлива с одновременным увеличением длины отрыва и замедлением начала воспламенения. По существу, это повышает гомогенность топливовоздушной смеси, тем самым уменьшая образование пузырьков топлива в цилиндре.
В некоторых примерах, таких как на ФИГ. 2А-2С, воздушные каналы могут входить в состав тракта, соединенного с топливной форсункой и выступающего в объем цилиндра ниже головки блока цилиндров. Тракт выполнен с возможностью улучшения смешивания воздуха с топливом за счет расположенных на его поверхности средств.
В других примерах, таких как на ФИГ. 3, воздушные каналы могут быть выточены в части топливной форсунки, выступающей в объем цилиндра ниже головки блока цилиндров. Воздушные каналы позволяют улучшить смешивание воздуха с топливом за счет сопряжения между воздушными каналами и топливными каналами.
В некоторых примерах указанные способы и системы предусматривают регулирование параметров работы двигателя в зависимости от условий внутри цилиндра, и/или сопла, и/или тракта. Например, посредством фотодиода можно отслеживать световое излучение в тракте и/или сопле, указывающее на сгорание в тракте и/или сопле. Способ для регулирования параметров работы двигателя в зависимости от испускаемого светового излучения раскрыт на ФИГ. 4. Пример хронологической последовательности регулирования параметров работы двигателя по способу на ФИГ. 4 раскрыт на ФИГ. 5.
На ФИГ. 1-3 показаны примеры конфигурации с относительным расположением различных компонентов. Если показано, что элементы непосредственно контактируют друг с другом или непосредственно соединены, то такие элементы могут называться непосредственно контактирующими или непосредственно соединенными, соответственно, по меньшей мере в одном примере. Аналогично, элементы, показанные соседними или смежными друг другу могут быть соседними или смежными друг другу соответственно, по меньшей мере в одном примере. Например, компоненты, находящиеся в поверхностном контакте друг с другом, могут называться находящимися в поверхностном контакте. Согласно другому примеру, элементы, расположенные отдельно друг от друга с некоторым промежутком между ними без других компонентов, могут так и называться, по меньшей мере в одном примере. Согласно иному примеру, элементы, показанные выше/ниже друг относительно друга, с противоположных сторон друг относительно друга или слева/справа друг относительно друга, могут так и быть обозначены, друг относительно друга. Кроме того, как показано на фигурах, самый высокий элемент или точка элемента может называться «верхом» компонента, а самый нижний элемент или точка элемента может называться «низом» компонента, по меньшей мере в одном примере. В контексте настоящей заявки, верх/низ, более высокий/более низкий выше/ниже, могут обозначать положения относительно вертикальной оси фигур и использоваться для описания расположения элементов на фигурах друг относительно друга. По существу, элементы, показанные выше других элементов, расположены вертикально выше других элементов, в одном примере. В ином примере, формы элементов, показанные на фигурах, могут называться имеющими такие формы (в частности, такие как круглые, прямые, плоские, изогнутые, сферические, скошенные, угловые или т.п.). Далее, элементы, показанные пересекающими друг друга, могут называться пересекающимися элементами или пересекающими друг друга, по меньшей мере в одном примере. Кроме того, элемент, показанный внутри другого элемента или показанный вне другого элемента, может так и называться, согласно одному примеру. Следует понимать, что один или более компонентов, именуемых «по существу аналогичными и/или идентичными» отличны друг от друга в пределах технологических допусков (например, отклонение составляет 1-5%).
Воздух в камерах сгорания может проходить по воздушным каналам с возможностью обеспечения более тщательного и равномерного смешивания топлива с воздухом до сгорания. В частности, это позволяет увеличить то, что специалисты в данной области техники обычно обозначают термином «длина отрыва», т.е. расстояние между местом распыления топлива и пламенем сгорания. По существу, можно увеличить вовлечение воздуха в топливо до сгорания. Так можно замедлить сгорание и увеличить вовлечение воздуха в топливо, следствием чего является более полное сгорание без сажи.
На ФИГ. 1 изображена система 100 двигателя для транспортного средства. Транспортное средство может представлять собой автотранспортное средство с ведущими колесами, соприкасающимися с поверхностью дороги. Система 100 двигателя содержит двигатель 10, содержащий множество цилиндров. На ФИГ. 1 подробно изображен один такой цилиндр или камера сгорания. Разнообразными компонентами двигателя 10 может управлять электронный контроллер 12 двигателя.
Двигатель 10 содержит блок 14 цилиндров, включающий в себя по меньшей мере одно отверстие 20 цилиндра, и головку 16 блока цилиндров с впускными клапанами 152 и выпускными клапанами 154. В других примерах головка 16 блока цилиндров может содержать один или более впускных каналов и/или выпускных каналов в примерах, где двигатель 10 выполнен двухтактным. Блок 14 цилиндров содержит стенки 32 цилиндра с поршнем 36, расположенным между ними и соединенным с коленчатым валом 40. Отверстие 20 цилиндра можно определить как объем, ограниченный стенками 32 цилиндра. Головка 16 блока цилиндров может быть соединена с блоком 14 цилиндров для закрытия отверстия 20 цилиндра. Таким образом, будучи соединены друг с другом, головка 16 блока цилиндров и блок 14 цилиндров могут образовать одну или более камер сгорания. В частности, камера 30 сгорания может представлять собой объем между верхней поверхностью 17 поршня 36 и плитой 19 головки 16 блока цилиндров. По существу, регулирование объема камеры 30 сгорания происходит в зависимости от колебания поршня 36. В настоящем документе камера 30 сгорания также может именоваться «цилиндр» 30. Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 144 и выпускным коллектором 148 через впускные клапаны 152 и выпускные клапаны 154 соответственно. Впускным и выпускным клапанами можно управлять посредством соответственно впускного кулачка 51 и выпускного кулачка 53. Или же один или более из впускных и выпускных клапанов может быть выполнен с возможностью приведения в действие посредством электромеханического клапана, содержащего катушку и якорь в сборе. Положение впускного кулачка 51 может определять датчик 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 может определять датчик 57 выпускного кулачка. Когда клапаны 152 и 154 закрыты, камера 30 сгорания и отверстие 20 цилиндра могут быть изолированы по текучей среды так, что газы могут не поступать в камеру 30 сгорания и не покидать ее.
Камера 30 сгорания может быть образована стенками 32 цилиндра блока 14 цилиндров, поршнем 36 и головкой 16 блока цилиндров. Блок 14 цилиндров может включать в себя стенки 32 цилиндра, поршень 36, коленчатый вал 40 и т.п. Головка 16 блока цилиндров может включать в себя одну или более топливных форсунок, например, топливную форсунку 66, один или более впускных клапанов 152 и один или более выпускных клапанов, например, выпускные клапаны 154. Головка 16 блока цилиндров может быть соединена с блоком 14 цилиндров посредством крепежных элементов, например, болтов и/или винтов. В частности, будучи соединенными, блок 14 цилиндров и головка 16 блока цилиндров могут находиться в плотном контакте друг с другом через прокладку, при этом блок 14 цилиндров и головка 16 блока цилиндров могут изолировать камеру 30 сгорания так, что газы могут втекать и/или вытекать из камеры 30 сгорания соответственно только через впускной коллектор 144, когда впускные клапаны 152 открыты, и/или через выпускной коллектор 148, когда выпускные клапаны 154 открыты. В некоторых примерах каждая камера 30 сгорания может содержать только один впускной клапан и один выпускной клапан. При этом в других примерах камера 30 сгорания двигателя 10 может содержать более одного впускного клапана и/или более одного выпускного клапана.
Тракт 18 расположен ниже головки 16 блока цилиндров в камере 30 сгорания. А именно, тракт 18 расположен целиком в пределах объема камеры 30 сгорания. Или же тракт 18 расположен частично внутри камеры 30 сгорания и частично внутри головки 16 блока цилиндров. Часть тракта 18, расположенная в камере 30 сгорания, может быть выполнена с одним или более воздушными каналами для смешивания топлива из топливной форсунки 66 с газами камеры сгорания, как будет раскрыто ниже на ФИГ. 2А, 2В и 2С. В некоторых примерах, дополнительно или альтернативно, тракт 18 может отсутствовать, а форсунка 66 может проходить через головку 16 блока цилиндров в камеру 30 сгорания. В части форсунки 66, расположенной в камере 30 сгорания ниже головки 16 блока цилиндров, могут быть выточены воздушные каналы для смешивания топлива из топливной форсунки 66 с газами камеры сгорания, как будет раскрыто ниже на ФИГ. 3.
Таким образом, стенки 32 цилиндра, поршень 36 и головка 16 блока цилиндров могут образовывать камеру 30 сгорания, причем верхняя поверхность 17 поршня 36 служит нижней стенкой камеры 30 сгорания, а противоположная поверхность или плита 19 головки 16 блока цилиндров образует верхнюю стенку камеры 30 сгорания. Таким образом, камера 30 сгорания может представлять собой объем, заключенный между верхней поверхностью 17 поршня 36, стенками 32 цилиндра и плитой 19 головки 16 блока цилиндров.
Топливная форсунка 66 может быть расположена с возможностью впрыска топлива непосредственно в камеру 30 сгорания, что известно специалистам в данной области техники как «непосредственный впрыск». А именно, топливная форсунка 66 расположена с возможностью впрыска топлива непосредственно в часть тракта 18, расположенную в камере 30 сгорания. Таким образом, топливо может течь из форсунки 66 по тракту 18, и далее в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка 66 подает жидкое топливо пропорционально длительности импульса сигнала ДИВТ от контроллера 12. Топливо подают в топливную форсунку 66 посредством топливной системы (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу. Топливная форсунка 66 получает ток срабатывания от формирователя 68, действующего по сигналам контроллера 12. В некоторых примерах двигатель 10 может представлять собой дизельный двигатель, при этом топливный бак может содержать дизельное топливо с возможностью его впрыска форсункой 66 в камеру 30 сгорания. При этом в других примерах двигатель 10 может представлять собой бензиновый двигатель, а топливный бак может содержать бензиновое топливо с возможностью его впрыска форсункой 66 в камеру сгорания. Кроме того, в примерах, где двигатель 10 выполнен как бензиновый двигатель, он может содержать свечу зажигания для воспламенения в камере 30 сгорания.
В некоторых примерах тракт 18 может быть введен для снижения температуры воздуха, вовлекаемого в топливо, впрыскиваемое из форсунки 66. А именно, когда топливо выходит из форсунки 66 во время впрыска топлива, оно может пройти некоторое расстояния с одновременным смешиванием с воздухом в тракте 18 перед сгоранием. В настоящем раскрытии расстояние, проходимое распыленной струей топлива перед сгоранием, может именоваться «длина отрыва». В частности, «длина отрыва» может означать расстояние, проходимое впрыснутым топливом до начала процесса сгорания. Таким образом, длина отрыва может представлять собой расстояние от отверстия форсунки 66, из которого топливо покидает форсунку 66, до точки в камере 30 сгорания, где происходит сгорание этого топлива.
Тракт 18 позволяет снизить температуру газов, смешивающихся с топливом до сгорания в камере 30 сгорания. Это позволяет увеличить длину отрыва распыленной струи топлива и/или количества воздуха, вовлеченного в распыленную струю топлива. Тракт 18 может быть расположен внутри камеры 30 сгорания и быть связан с ней по текучей среде с возможностью поступления газов камеры 30 сгорания в смесительные каналы тракта 18 и их рециркуляции обратно в камеру 30 сгорания. Например, может происходить вытеснение всасываемого воздуха, поступившего в камеру 30 сгорания во время такта всасывания, в тракт 18 в течение всего такта сжатия или его части. В дополнительных примерах тракт 18 может быть расположен частично за пределами камеры 30 сгорания так, что по меньшей мере часть смесительного канала 18 может находиться в камере 30 сгорания, а остальная часть - за пределами камеры 30 сгорания в головке 16 блока цилиндров.
В некоторых примерах, как на ФИГ. 1, тракт 18 может быть расположен по вертикали ниже головки 16 блока цилиндров относительно поверхности земли, если он установлен в дорожном транспортном средстве. В некоторых примерах по существу весь тракт 18 может быть расположен за пределами головки 16 блока цилиндров так, что никакая часть тракта 18 не проходит в головку 16 блока цилиндров. При этом в других примерах часть тракта 18 может проходить в головку 16 блока цилиндров.
В некоторых примерах, как на ФИГ. 1, тракт 18 может быть расположен между одним или более выходами топливной форсунки 66 и камерой 30 сгорания. То есть топливо, впрыскиваемое форсункой 66, может проходить по тракту 18 перед поступлением в камеру 30 сгорания. В частности, форсунка 66 может быть соединена с верхом тракта 18, где смесительные каналы тракта 18 открыты в камеру 30 сгорания. Например, как раскрыто ниже на примере ФИГ. 2А и 2С, верх и/или верхняя часть тракта 18 может быть прижата к плите 19 головки 16 блока цилиндров и/или быть встроена в плиту 19. По существу, может происходить впрыск топлива из форсунки 66 и его выход из форсунки 66 из положения по вертикали над камерой 30 сгорания и блоком 14 цилиндров, и по вертикали над плитой 19 головки 16 блока цилиндров.
Может быть дополнительно введена свеча накаливания для нагрева топлива, впрыскиваемого топливной форсункой 66, для усиления горения, например, при пуске двигателя или холодном пуске двигателя. В некоторых примерах, где тракт 18 расположен между топливной форсункой 66 и камерой 30 сгорания, свеча накаливания может быть соединена с трактом 18 и может проходить в тракт 18. В других примерах свеча накаливания может быть соединена с камерой 30 сгорания и может проходить в камеру 30 сгорания.
Впускной коллектор 144 показан сообщающимся с необязательным электронным дросселем 62, регулирующим положение дроссельной заслонки 64 для регулирования потока воздуха в цилиндр 30 двигателя. Это может включать в себя регулирование потока сжатого воздуха из камеры 146 всасываемого наддувочного воздуха. В некоторых вариантах осуществления дроссель 62 может отсутствовать, а поток воздуха в двигатель можно регулировать посредством единственного дросселя 82 системы впуска воздуха (дросселя СВВ), соединенного с воздухозаборным каналом 42 и расположенным выше по потоку от камеры 146 всасываемого наддувочного воздуха. В дополнительных примерах дроссель 82 может отсутствовать, и поток воздуха в двигатель можно регулировать посредством дросселя 62.
В некоторых вариантах осуществления двигатель 10 выполнен с возможностью рециркуляции отработавших газов или РОГ. При ее наличии, РОГ можно осуществлять в форме РОГ высокого давления и/или РОГ низкого давления. В примерах, где двигатель 10 содержит систему РОГ низкого давления, РОГ низкого давления можно осуществлять через канал 135 РОГ и клапан 138 РОГ в систему впуска воздуха в двигатель в месте ниже по потоку от дросселя 82 системы впуска воздуха (СВВ) и выше по потоку от компрессора 162 из области выпускной системы ниже по потоку от турбины 164. Газы РОГ можно отбирать из выпускной системы в систему впуска воздуха при наличии перепада давления для возбуждения потока. Перепад давления можно создать путем частичного закрытия дросселя 82 СВВ. Дроссельная заслонка 84 регулирует давление на входе в компрессор 162. СВВ может быть выполнен электроприводным с возможностью регулирования его положения в зависимости от сигнала необязательного датчика 88 положения.
Втягивание воздуха окружающей среды в камеру 30 сгорания происходит по заборному каналу 42, содержащему воздушный фильтр 156. Таким образом, воздух сначала поступает в заборный канал 42 через воздушный фильтр 156. Далее компрессор 162 втягивает воздух из воздухозаборного канала 42 для подачи в камеру 146 наддувочного воздуха сжатого воздуха через выпускной патрубок (не показан на ФИГ. 1) компрессора. В некоторых примерах воздухозаборный канал 42 может содержать воздушный резервуар (не показан) с фильтром. В одном примере компрессор 162 может представлять собой турбонагнетатель, в котором источником энергии для компрессора 162 является поток отработавших газов через турбину 164. А именно, отработавшие газы могут вращать турбину 164, соединенную с компрессором 162 посредством вала 161. Перепускная заслонка 72 пропускает отработавшие газы в обход турбины 164 с возможностью регулирования давления наддува при изменении параметров работы. Перепускную заслонку 72 можно закрывать (или уменьшать проход перепускной заслонки) при росте потребности в наддуве, например, при нажатии оператором педали акселератора. Закрытие перепускной заслонки позволяет повысить давление отработавших газов выше по потоку от турбины и, тем самым, увеличить число оборотов турбины и пиковую мощность на выходе. Это позволяет повысить давление наддува. Кроме того, перепускную заслонку можно перемещать в сторону закрытого положения для поддержания желаемого давления наддува, когда рециркуляционный клапан компрессора частично открыт.В другом примере перепускную заслонку 72 можно открыть (или увеличить проход перепускной заслонки) в связи с падением потребности в наддуве, например, при отпускании оператором педали акселератора. Открытие перепускной заслонки позволяет снизить давление отработавших газов и, тем самым, уменьшить число оборотов турбины и мощность турбины. Это позволяет снизить давление наддува.
При этом в других вариантах осуществления компрессор 162 может представлять собой механический нагнетатель, в котором компрессор 162 приводят в действие за счет энергии от коленчатого вала 40. То есть компрессор 162 может быть соединен с коленчатым валом 40 механическим связующим устройством, например, ремнем. Часть энергии вращения, создаваемой коленчатым валом 40, может быть передана компрессору 162 для питания компрессора 162.
Рециркуляционный клапан 158 компрессора (РКК) может быть установлен в рециркуляционном контуре 159 компрессора вокруг компрессор 162 с возможностью перемещения воздуха из выхода компрессора во вход компрессора для снижения перепада давления, могущего возникнуть на компрессоре 162. Охладитель 157 заряда воздуха может быть расположен в камере 146 наддувочного воздуха ниже по потоку от компрессора 162 для охлаждения сжатого заряда воздуха, подаваемого на впуск двигателя. При этом в других примерах, как на ФИГ. 1, охладитель 157 заряда воздуха может быть расположен ниже по потоку от электронного дросселя 62 во впускном коллекторе 144. В некоторых примерах охладитель 157 заряда воздуха может представлять собой охладитель воздуха воздухом. При этом в других примерах охладитель 157 заряда воздуха может представлять собой жидкостно-воздушный охладитель.
В изображенном примере рециркуляционный контур 159 компрессора выполнен с возможностью рециркуляции охлажденного сжатого воздуха из области ниже по потоку от охладителя 157 заряда воздуха во вход компрессора. В других примерах рециркуляционный контур 159 компрессора может быть выполнен с возможностью рециркуляции сжатого воздуха из области ниже по потоку от компрессора и выше по потоку от охладителя 157 заряда воздуха во вход компрессора. РКК 158 выполнен с возможностью открытия и закрытия посредством электрического сигнала от контроллера 12. РКК 158 может быть выполнен как трехпозиционный клапан с полуоткрытым положением по умолчанию, с возможностью перемещения из него в полностью открытое или полностью закрытое положение.
Универсальный датчик 126 кислорода в отработавших газах (УДКОГ) показан соединенным с выпускным коллектором 148 выше по потоку от устройства 70 снижения токсичности выбросов. Устройство снижения токсичности выбросов может представлять собой каталитический нейтрализатор, в связи с чем в настоящем раскрытии оно может именоваться «каталитический нейтрализатор 70». Или же вместо УДКОГ 126 можно использовать двухрежимный датчик кислорода в отработавших газах. В одном примере нейтрализатор 70 может содержать несколько каталитических блоков. В другом примере возможно применение нескольких устройств снижения токсичности выбросов с несколькими блоками каждое. Нейтрализатор 70 может представлять собой каталитический нейтрализатор трехкомпонентного типа в одном примере. Несмотря на то, что в изображенном примере УДКОГ 126 показан выше по потоку от турбины 164, следует понимать, что в других вариантах осуществления УДКОГ может быть расположен в выпускном коллекторе ниже по потоку от турбины 164 и выше по потоку от нейтрализатора 70.
В некоторых примерах ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выбросов может быть установлен фильтр 74 твердых частиц дизельного двигателя (ФТЧДД) для улавливания сажи. ФТЧДД 74 может быть изготовлен из множества материалов, в том числе - кордиерита, карбида кремния и иных керамических материалов на основе жаростойких оксидов. ФТЧДД 74 можно периодически регенерировать для уменьшения отложений сажи в фильтре, устойчивых к потоку отработавших газов. Регенерацию фильтра можно осуществлять путем нагрева фильтра до температуры, при которой выжигание частиц сажи будет происходить быстрее, чем отложение новых частиц сажи, например, до 400-600°С.
При этом в других примерах, из-за введения тракта 18 и/или смесительных каналов в сопле топливной форсунки 66, двигатель 10 может не содержать ФТЧДД 74. Таким образом, введение тракта 18 позволяет увеличить количество воздуха, вовлекаемого в топливо в тракте 18 до сгорания в камере 30 сгорания. По существу, это позволяет уменьшить образование сажи во время цикла сгорания. В некоторых примерах уровни сажи можно уменьшить приблизительно до нуля за счет увеличения смешивания топлива с воздухом до сгорания/воспламенения смеси в камере 30 сгорания. В некоторых примерах образование сажи в двигателе 10 во время цикла сгорания может по существу не происходить (например, количество сажи может быть нулевым). В других примерах введение тракта 18 позволяет уменьшить образование сажи, в связи с чем ФТЧДД 74 можно регенерировать менее часто, что снижает потребление топлива.
Во время цикла сгорания, каждый цилиндр в двигателе 10 может проходить четырехтактный цикл, включающий в себя: такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. Во время такта впуска и такта расширения происходит перемещение поршня 36 от головки 16 блока цилиндров к днищу цилиндра и увеличение объема между верхом поршня 36 и плитой 19. Специалисты в данной области техники обычно называют положение, в котором поршень 36 находится вблизи днища цилиндра и в конце своих тактов впуска и/или расширения (например, когда объем камеры 30 сгорания является наибольшим), нижней мертвой точкой (НМТ). И наоборот, во время тактов сжатия и выпуска происходит перемещение поршня 36 от НМТ к верху цилиндра (например, плите 19) и связанное с этим уменьшение объема между верхом поршня 36 и плитой 19. Специалисты в данной области техники обычно называют положение, в котором поршень 36 находится вблизи верха цилиндра и в конце своих тактов сжатия и/или выпуска (например, когда объем камеры 30 сгорания является наименьшим), верхней мертвой точкой (ВМТ). То есть во время тактов впуска и расширения поршень 36 движется от ВМТ к НМТ, а во время тактов сжатия и выпуска поршень 36 движется от НМТ к ВМТ.
Кроме того, во время такта впуска, как правило, происходит закрытие выпускных клапанов 154 и открытие впускных клапанов 152 для впуска всасываемого воздуха в камеру 30 сгорания. Во время такта сжатия клапаны 152 и 154 могут оставаться закрытыми при сжатии поршнем 36 газовой смеси, впущенной во время такта впуска. Во время такта сжатия возможно вытеснение газов в камере 30 сгорания в тракт 18 под действием положительного давления, создаваемого поршнем 36 при его движении в сторону тракта 18. Газы из камеры 30 сгорания могут рассеивать тепло через головку 16 блока цилиндров и/или воздух окружающей среды путем кондуктивного и/или конвективного теплообмена. Поэтому температура газов в тракте 18 может быть ниже температуры газов в камере 30 сгорания.
При нахождении поршня 36 вблизи ВМТ или в ней во время тактов сжатия и/или расширения, в камеру 30 сгорания впрыскивают топливо форсункой 66. Во время последующего такта расширения, клапаны 152 и 154 оставляют закрытыми, в то время как расширяющаяся и сгорающая топливовоздушная смесь вытесняет поршень 36 в сторону НМТ. В некоторых примерах топливо можно впрыскивать до того, как поршень 36 достигнет ВМТ, во время такта сжатия. При этом в других примерах топливо можно впрыскивать, когда поршень 36 достигнет ВМТ. В дополнительных примерах топливо можно впрыскивать после того, как поршень 36 достигнет ВМТ и начнет движение обратно в сторону НМТ во время такта расширения. В дополнительных примерах топливо можно впрыскивать и во время такта сжатия, и во время такта расширения.
Топливо можно впрыскивать в течение некоторого периода. Количество впрыскиваемого топлива и/или период, в течение которого его впрыскивают, можно изменять путем модулирования длительности импульса (МДИ) согласно одному или более линейным или нелинейным уравнениям. Форсунка 66 также может содержать множество отверстий впрыска с возможностью изменения количества топлива, впрыскиваемого из каждого отверстия, по мере необходимости.
Впрыснутое топливо проходит через объем тракта 18 перед поступлением в камеру 30 сгорания. Иначе говоря, тракт 18 содержит воздушные каналы и топливные каналы для вовлечения воздуха и топлива, причем указанные каналы расположены внутри камеры 30 сгорания. При этом каналы ограничены поверхностями тракта 18, и топливо и воздух текут по указанным каналам с последующим выходом из тракта 18 в камеру 30 сгорания для смешивания с несмешанными газами камеры сгорания. Поток воздуха и топлива по тракту 18 будет подробнее раскрыт ниже. Следует понимать, что это же явление может иметь место, если указанный тракт отсутствует, а каналы встроены в сопло топливной форсунки 66.
Во время такта выпуска может происходить открытие выпускных клапанов 154 для сброса сгоревшей топливовоздушной смеси в выпускной коллектор 148 и возврат поршня 36 в ВМТ. Отработавшие газы могут продолжить течь из выпускного коллектора 148 в турбину 164 по выпускному каналу 180.
И выпускные клапаны 154, и впускные клапаны 152 можно попеременно устанавливать в соответствующие закрытые первые положения и открытые вторые положения. Клапаны 154 и 152 также выполнены с возможностью установки в любое положение между соответствующими первыми и вторыми положениями. При закрытом первом положении впускных клапанов 152, воздух и/или топливовоздушная смесь не течет между впускным коллектором 144 и камерой 30 сгорания. При открытом втором положении впускных клапанов 152, воздух и/или топливовоздушная смесь течет между впускным коллектором 144 и камерой 30 сгорания. При закрытом втором положении выпускных клапанов 154, воздух и/или топливовоздушная смесь не течет между камерой 30 сгорания и выпускным коллектором 148. При этом, при открытом втором положении выпускных клапанов 154, воздух и/или топливовоздушная смесь может течь между камерой 30 сгорания и выпускным коллектором 148.
Следует отметить, что вышеуказанный режим открытия и закрытия клапанов является не более чем примером, и что можно изменять моменты открытия и/или закрытия впускных и выпускных клапанов, например, для создания положительного или отрицательного перекрытия клапанов, позднего закрытия впускных клапанов или различных других примеров.
Контроллер 12 на ФИГ. 1 показан в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102, порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство 110 и известную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим разнообразные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, в дополнение к сигналам, речь о которых шла выше, в том числе: температуры охлаждающей жидкости двигателя (ТОЖД) от датчика 112 температуры, соединенного с рубашкой 114 охлаждения; датчика 134 положения, соединенного с устройством 130 ввода для определения положения педали (ПП) устройства ввода, регулируемого оператором 132 транспортного средства; датчика детонации для определения воспламенения отработавших газов (не показан); измеренного значения давления в коллекторе (ДВК) двигателя от датчика 121 давления, соединенного с впускным коллектором 144; измеренного значения давления наддува от датчика 122 давления, соединенного с камерой 146 наддувочного воздуха; положения двигателя от датчика 118 на эффекте Холла, определяющего положение коленчатого вала 40; измеренного значения массы воздуха, поступающего в двигатель, от датчика 120 (например, термоанемометра); и показания положения дросселя от датчика 58. Также можно определять барометрическое давление (датчик не показан) для обработки контроллером 12. Преждевременное сгорание может определять фотодиод 92, измеряющий световой поток в люменах в тракте 18 для обработки контроллером 12. В предпочтительном варианте раскрываемого изобретения датчик 118 на эффекте Холла генерирует заданное число импульсов через равные интервалы при каждом обороте коленчатого вала, по которому можно определять частоту вращения двигателя (ЧВД). Устройство 130 ввода может содержать педаль акселератора и/или тормозную педаль. По выходному сигналу от датчика 134 положения можно определять положение педали акселератора и/или тормозной педали устройства 130 ввода, а по ним определять желаемый крутящий момент двигателя. То есть желаемый крутящий момент двигателя, запрашиваемый оператором 132 транспортного средства, можно оценивать по положению педали устройства 130 ввода.
Контроллер 12 принимает сигналы от разнообразных датчиков на ФИГ. 1 и задействует разнообразные исполнительные устройства на ФИГ. 1 для регулирования работы двигателя в зависимости от принятых сигналов и инструкций, сохраненных в памяти контроллера. Например, регулирование температур в цилиндрах в связи с тем, что измеренное датчиком световое излучение превышает пороговое световое излучение, может включать в себя регулирование количества газов РОГ, текущих в двигатель 10. Например, клапан 138 РОГ можно переместить в положение, более близкое к полностью открытому. В одном примере в основе порогового светового излучения лежит величина светового излучения, соответствующая преждевременному воспламенению в тракте 18. По существу, топливовоздушная смесь в тракте 18 является слишком горячей и способной к воспламенению до поступления в камеру сгорания. Поэтому образование сажи может превышать желаемую величину. Регулирование количества подаваемых газов РОГ может включать в себя увеличение количества газов РОГ для снижения температуры в камерах сгорания, что позволяет заглушить преждевременное воспламенение в тракте 18.
Таким образом, система содержит: топливную форсунку, содержащую наконечник сопла, погруженный в камеру сгорания ниже головки блока цилиндров, при этом наконечник сопла содержит одно или более отверстий впрыска топлива, выполненных с возможностью впрыска под некоторым углом к центральной оси топливной форсунки, и один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива или газов камеры сгорания, причем один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, расположены под косым углом к центральной оси и соосно отверстиям впрыска топлива, причем в число одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема газов камеры сгорания, входит канал, перпендикулярный и параллельный указанной центральной оси, причем один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема впрыскиваемого топлива, выполнены с возможностью приема газов камеры сгорания из одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема газов камеры сгорания, через канал Вентури и/или жалюзи.
В число одного или более смесительных каналов, встроенных в наконечник сопла и выполненных с возможностью приема газов камеры сгорания, входят верхние каналы, расположенные перпендикулярно указанной центральной оси, и нижние каналы, расположенные параллельно указанной центральной оси, причем нижние каналы более удалены от головки блока цилиндров, чем верхние каналы. Каждый из указанных одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, расположен между верхними и нижними каналами, причем диаметр одного или более каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, возрастает в месте пересечения, где верхние и нижние каналы соединены по текучей среде с одним или более каналами, выполненными с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива.
Дополнительно или альтернативно, в число одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема газов камеры сгорания, входит первый смесительный канал, расположенный вблизи головки блока цилиндров, и второй смесительный канал, расположенный на удалении от головки блока цилиндров, причем первый смесительный канал перпендикулярен указанной центральной оси, а второй канал параллелен указанной центральной оси, причем в число одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, входит третий смесительный канал, расположенный под углом к указанной центральной оси и между первым и вторым смесительными каналами. Первый, второй и третий смесительные каналы встроены в цилиндрический тракт, причем часть тракта соединена с топливной форсункой в головке блока цилиндров, причем остальная часть тракта, содержащая смесительные каналы, расположена ниже головки блока цилиндров.
ФИГ. 2А-2С содержат систему 290 координат, которая может использоваться для описания относительного расположения компонентов системы двигателя. Система 290 координат может содержать вертикальную ось 292, поперечную ось 294 и продольную ось 296. Оси 292, 294 и 296 могут быть взаимно перпендикулярны и образовывать трехмерную систему координат. В контексте настоящего раскрытия, выражения «верх/низ», «верхний/нижний» и «над/под» могут означать положение относительно вертикальной оси 292 и могут служить для раскрытия взаимного расположения элементов фигур по вертикальной оси 292. То есть, если указано, что первый компонент расположен «по вертикали над» вторым компонентом, то первый компонент может быть расположен по вертикали над вторым компонентом по вертикальной оси 292 (например, в положительном направлении по оси 292 относительно второго компонента). Аналогичным образом, выражения «слева/справа от» и «сбоку от» могут служить для раскрытия взаимного расположения элементов фигур по поперечной оси 294.
ФИГ. 2А изображает вид 200 сбоку в поперечном разрезе форсунки 66, которая может входить в состав двигателя 10, раскрытого выше на примере ФИГ. 1.
На ФИГ. 2А показано, что тракт 18 физически соединен с соплом 212, проходящим от корпуса 210 топливной форсунки 66. Часть тракта 18 над головкой 16 блока цилиндров соединена с головкой посредством втулки, посадки с натягом, винтов, фиксаторов, сплавления и/или сварных швов. По существу, тракт 18 герметично соединен с головкой 16 блока цилиндров так, что содержимое, находящееся в цилиндре под давлением, не течет через соединение между трактом 18 и головкой 16 блока цилиндров. Таким образом, в части тракта 18, расположенные за пределами камеры 30 сгорания и в головке 16 блока цилиндров, не поступают газы камеры сгорания.
Дополнительно или альтернативно, тракт 18 может быть расположен полностью ниже головки 16 блока цилиндров. По существу, верх тракта 18 расположен заподлицо с плитой 19 головки 16 блока цилиндров. Следует понимать, что тракт 18 может быть соединен с плитой 19 посредством любых соединительных элементов, указанных выше. Кроме того, тракт 18 прижат к плите 19 с образованием герметичного уплотнения, препятствующего проходу газов и жидкостей.
Тракт 18 выполнен по форме цилиндра в одном примере. По существу, диаметр тракта 18 является постоянным по всей его высоте. Следует понимать, что тракт 18 может иметь и другие формы без отступления от объема настоящего раскрытия. Например, тракт 18 может быть выполнен по форме усеченного конуса, куба, треугольной пирамиды и т.п.
Плита 19 представляет собой самую нижнюю часть головки 16 блока цилиндров по вертикальной оси 292. То есть плита 19 - это поверхность головки 16 блока цилиндров, обращенная к камере 30 сгорания. Кроме того, газы камеры сгорания могут входить в соприкосновение с плитой 19. Как раскрыто выше, объем камеры 30 сгорания ограничен головкой 16 блока цилиндров, поршнем (например, поршнем 36 на ФИГ. 1) и боковыми стенками цилиндра (например, боковыми стенками цилиндра 32 на ФИГ. 1). Объем камеры 30 сгорания включает в себя по меньшей мере часть тракта 18 или даже весь тракт 18. При этом, несмотря на то, что объем камеры 30 сгорания можно регулировать посредством поршня, объем тракта 18 является фиксированным и не подвержен изменениям. По существу, при нахождении поршня в ВМТ, он расположен наиболее близко к тракту 18, и объем камеры 30 сгорания является наименьшим. Когда поршень находится в НМТ, он расположен наиболее далеко от тракта 18, и объем камеры 30 сгорания является наибольшим. То есть тракт 18 расположен по вертикали над поршнем (например, поршнем 36 на ФИГ. 1) в течение всего цикла сгорания так, что тракт 18 расположен по вертикали над поршнем в ВМТ и в НМТ, и в любом положении между ними. По существу, тракт 18 расположен по вертикали над поршнем и не входит в соприкосновение с поршнем в ВМТ, НМТ или каком-либо ином положении между ними.
Тракт 18 и форсунка 66 расположены соосно по центральной оси 298, параллельной вертикальной оси 292 и направлению движения поршня. Таким образом, центральная ось 298 может проходить через геометрические центры поршня, топливной форсунки 66 и тракта 18. Следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления топливная форсунка 66 и тракт 18 могут не быть соосны центру поршня. По существу, форсунка 66 и тракт 18 могут быть расположены в разных местах по радиусу головки 16 блока цилиндров. Или же форсунка 66 и тракт 18 могут быть расположены под косым углом в головке 16 блока цилиндров и камере 30 сгорания.
Тракт 18 содержит смесительные каналы 230, расположенные ниже головки 16 блока цилиндров. Таким образом, газы камеры сгорания могут течь в смесительные каналы 230 и из них без вытекания из камеры 30 сгорания. В число смесительных каналов 230 входят первые смесительные каналы 232, вторые смесительные каналы 234 и третьи смесительные каналы 236. Как показано, множество первых смесительных каналов 232 расположено по окружности тракта 18 вблизи головки 16 блока цилиндров. Единственный второй смесительный канал 234 расположен в тракте 18 по центральной оси 298.
Первый 232 и второй 234 смесительные каналы несоосны отверстиям впрыска топлива сопла 212. Таким образом, первый 232 и второй 234 смесительные каналы выполнены с возможностью приема только газов камеры сгорания, но не приема порций 250 впрыскиваемого топлива. Показано, что выдача порций 250 впрыскиваемого топлива происходит из отверстий впрыска топлива, расположенных на части сопла 212, проходящей в камеру 30 сгорания ниже головки 16 блока цилиндров. Третьи смесительные каналы 236 соосны отверстиям впрыска топлива сопла 212, и в них поступают порции 250 впрыскиваемого топлива.
Ниже головки 202 блока цилиндров тракт 18 содержит смесительные каналы 230. А именно, в число смесительных каналов 230 входит множество первых смесительных каналов 232 и второй смесительный канал 234. Первые смесительные каналы 232 расположены с радиальными промежутками вокруг тракта 18. Первый смесительный канал 232 образует угол величиной от 60 до 90 градусов к центральной оси 298. В одном примере первые смесительные каналы 232 строго перпендикулярны центральной оси 298. Второй смесительный канал 234 образует угол величиной от 0 до 30 градусов к центральной оси 298. В одном примере второй смесительный канал 234 является единственным каналом, параллельным центральной оси 298. Таким образом, первые смесительные каналы 232 направлены в сторону стенок цилиндра, а второй смесительный канал 234 направлен в сторону поршня. Множество третьих смесительных каналов 236 расположено между первым 232 и вторым 234 смесительными каналами. В одном примере число третьих смесительных каналов 236 по существу равняется числу первых смесительных каналов 232. В третьи смесительные каналы 236 поступают порции 250 впрыскиваемого топлива из сопла 212, а газы камеры сгорания текут по первому 232 и второму 234 смесительным каналам. Может происходить смешивание газов камеры сгорания с порциями 250 впрыскиваемого топлива в третьих смесительных каналах 236 перед тем, как порции 250 впрыскиваемого топлива покинут третьи смесительные каналы 236 и потекут в камеру 30 сгорания. Таким образом, происходит смешивание порций 250 впрыскиваемого топлива с газами камеры сгорания в третьих смесительных каналах 236 с последующим объединением с несмешанными газами камеры сгорания в камере 30 сгорания.
Несмотря на то, что на виде 200 в поперечном разрезе тракт 18 показан в виде сегментированной части, тракт 18 выполнен по форме цилиндра с множеством первых смесительных каналов 232, расположенным по окружности тракта 18 вблизи головки 202 блока цилиндров, и вторым смесительным каналом 234, расположенным под первыми смесительными каналами 232 по центру тракта 18 параллельно вертикальной оси 290. Таким образом, первые смесительные каналы 232 ортогональны второму смесительному каналу 234.
Закрашенными стрелками с белым острием показан пример потока газов камеры сгорания в тракте 18. Показано, что газы камеры сгорания текут по первому 232 и второму 234 смесительным каналам и поступают в третий смесительный канал 236 в месте вблизи сопла 212. Дополнительно или альтернативно, смесительные каналы 230 могут содержать одно или более смесительных средств для большего вовлечения газа камеры сгорания в порции 250 впрыскиваемого топлива до вытекания топлива из тракта 18 в камеру 30 сгорания.
Как раскрыто выше, смесительные каналы 230 тракта 18 расположены в пределах объема камеры 30 сгорания. Смесительные каналы 230 и камеру 30 сгорания можно охарактеризовать как два отдельных объема пространств, соединенных друг с другом по текучей среде, в которых топливо, смешанное с газами камеры сгорания, течет из третьего смесительного канала 236 в камеру 30 сгорания, причем газы камеры сгорания содержат относительно большое количество остаточного топлива.
На ФИГ. 2В раскрыт вариант 215 осуществления третьего смесительного канала 236 тракта 18. Показано, что третий смесительный канал 236 соосен отверстию 271 впрыска сопла 212. Зазор 274 расположен между третьим смесительным каналом 236 и отверстием 271 впрыска. Благодаря высокой скорости и давлению порции 250 впрыскиваемого топлива, по существу вся порция впрыскиваемого топлива поступает в третий смесительный канал 236 без утечки через зазор 274 в остальную часть тракта 18. При этом зазор 274 соединяет по текучей среде третий смесительный канал 236 с первым 232 и вторым 234 смесительными каналами. Порция 250 впрыскиваемого топлива может создавать разрежение в зазоре 274, когда она поступает в третий смесительный канал 236, причем происходит втягивание газов камеры сгорания из первого 232 и второго 234 смесительных каналов в зазор 274 и их направление в третий смесительный канал 236 для вовлечения в порцию 250 впрыскиваемого топлива.
Третий смесительный канал 236 также содержит средство 251 Вентури. Средство 251 Вентури содержит вход 252 Вентури, выход 254 Вентури и сопло 256 Вентури. Сопло 256 Вентури содержит отверстия 258 для соединения по текучей среде третьего смесительного канала 236 с первым 232 и/или вторым 234 смесительными каналами. При протекании порции 250 впрыскиваемого топлива через сопло 256 Вентури, происходит подача разрежения через отверстия 258 в первый 232 или второй 234 смесительные каналы. Происходит втягивание газов камеры сгорания через отверстия 258 в сопло 256 Вентури. Таким образом, в третий смесительный канал 236 может поступать воздух (например, газы камеры сгорания) вблизи головки 16 блока цилиндров через зазор 274 и вдали от головки 16 блока цилиндров через отверстия 258. В одном примере число отверстий по существу равно двум, при этом первое отверстие соединяет по текучей среде третий смесительный канал 236 с первым смесительным каналом 232, а второе отверстие соединяет по текучей среде третий смесительный канал 236 со вторым смесительным каналом 234.
Кроме того, поверхность 237 третьего смесительного канала 236 содержит первые поверхностные средства 260. Первые поверхностные средства 260 могут проходить внутрь в сторону центра третьего смесительного канала 236. Поэтому поверхностные средства 260 могут возмущать ламинарный поток в третьем смесительном канале 236 и увеличивать завихрение порции 250 впрыскиваемого топлива и/или газов камеры сгорания.
В качестве другого примера, одно или более вторых поверхностных средств 262 могут быть расположены вдоль внутренней стороны поверхности 237 третьего смесительного канала 236. В число вторых поверхностных средств 262 могут входить одна или более борозд 263, могущих увеличивать шероховатость поверхности 237 третьего смесительного канала 236. Таким образом, силы вязкостного сопротивления, создаваемые поверхностью 237 и воздействующие на порцию 250 впрыскиваемого топлива и/или газы камеры сгорания, поступающие через зазор 274, можно увеличить за счет введения борозд 263, тем самым увеличив толщину турбулентного пограничного слоя и улучшив смешивание топлива с воздухом перед подачей в камеру 30 сгорания.
На ФИГ. 2С раскрыт второй вариант 217 осуществления третьего смесительного канала 236, по существу идентичный первому варианту 215 осуществления, за исключением того, что второй вариант 217 осуществления содержит жалюзи 270 вместо средства 251 Вентури. Жалюзи 270 содержат вход 272 жалюзи, сужающийся в сторону сужения 276 жалюзи, аналогично входу 252 Вентури. Вход 272 жалюзи содержит два наклонных выступа, уменьшающих диаметр третьего смесительного канала 236. При протекании текучей среды (например, порции 250 впрыскиваемого топлива или газов камеры сгорания) через вход 272 к выходу 276 жалюзи, возникает разрежение в сужении 276 жалюзи. Как показано, выход 276 жалюзи имеет постоянный диаметр, по существу равный наибольшему диаметру третьего смесительного канала 236, причем диаметр выхода 254 Вентури возрастает в направлении вниз по потоку порции впрыскиваемого топлива. По существу, отверстия 278 втягивают газы камеры сгорания из первого 232 и/или второго 234 смесительных каналов и направляют газы в сужение 276 жалюзи. По существу, второй вариант 217 осуществления третьего смесительного канала 236 может функционировать аналогично первому варианту 215 осуществления третьего смесительного канала 236.
Таким образом, может происходить смешивание порции 250 впрыскиваемого топлива с газами камеры сгорания выше по потоку от входа 252 Вентури и сопла 256 Вентури. Элементы Вентури и/или жалюзи обеспечивают возможность смешивания топлива с воздухом до выхода из тракта 18. Образование сажи можно по существу уменьшить и/или предотвратить за счет смешивания топлива с газами камеры сгорания в третьем смесительном канале 236. В некоторых рабочих состояниях двигателя, когда температура смеси порции 250 впрыскиваемого топлива и газов камеры сгорания превышает пороговую температуру и происходит преждевременное сгорание, величина образования сажи может быть выше желаемой. Преждевременное сгорание можно охарактеризовать, как сгорание, происходящее в тракте 18. По существу, может происходить испускание светового излучения в тракте 18, где светочувствительный датчик (например, светочувствительный датчик 92 на ФИГ. 1) может выявлять преждевременное сгорание с возможностью регулирования одного или более параметров работы двигателя, как будет раскрыто ниже в способе на ФИГ. 4.
Раскрытый выше тракт можно эксплуатировать с применением способа на ФИГ. 4, в котором: направляют газы камеры сгорания в первый и второй каналы, расположенные ниже головки блока цилиндров, впрыскивают топливо из топливной форсунки в третий канал, расположенный ниже головки блока цилиндров в камере сгорания, при этом третий канал соединен по текучей среде с первым и вторым каналами, осуществляют смешивание топлива с газами камеры сгорания перед направлением топлива из указанного канала в камеру сгорания и регулируют расход потока РОГ, давление и температуру во впускном коллекторе, и/или впрыск воды в цилиндре, если измеренная датчиком величина светового излучения, возникающего в указанном канале, превышает пороговое световое излучение. Первый, второй и третий каналы встроены в тракт, выполненный с возможностью соединения с топливной форсункой. Первый, второй и третий каналы встроены в наконечник сопла топливной форсунки. Третий канал также содержит канал Вентури, соединяющий по текучей среде третий канал с первым каналом и вторым каналом. Первый, второй и третий каналы расположены полностью ниже головки блока цилиндров так, что газы камеры сгорания не текут в головку блока цилиндров.
На ФИГ. 3 раскрыт вариант 300 осуществления наконечника 310 сопла, выполненного с возможностью вовлечения газов камеры сгорания. В одном примере наконечник 310 сопла может быть встроен в сопло (например, сопло 212 топливной форсунки 66 на ФИГ. 2А) и функционировать аналогично тракту 18. По существу, сопло с наконечником 310 сопла не образуют тракт 18. По существу, смесительные каналы 330 встроены в наконечник 310 сопла. В одном примере смесительные каналы 330 могут функционировать аналогично смесительным каналам 230 на ФИГ. 2А.
В число смесительных каналов 330 входит первый канал 332, соединенный по текучей среде со вторыми каналами 334 и третьим каналом 336. Первый канал 332 выполнен с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива из отверстия впрыска топлива наконечника 310 сопла. По существу, первый канал 332 соосен отверстию впрыска топлива по его центральной оси 390. Первый канал 332 занимает некоторое пространство между отверстием впрыска топлива и линией 392, перпендикулярной центральной оси 390.
Под линией 392 смесительные каналы 330 расходятся на три ветви, а именно: два вторых канала 334, расположенных под косым углом к центральной оси 390 и линии 392, и третий канал 336, параллельный центральной оси 390 и перпендикулярный линии 392. Третий канал 336 выполнен с возможностью беспрепятственного приема порции впрыскиваемого топлива из первого канала 336. При этом показано, что третий канал 336 шире, чем первый канал 332. В одном примере радиус третьего канала 336 превышает радиус первого канала 332 на расстояние 342. Это позволяет порции впрыскиваемого топлива течь по первому каналу 332 в третий канал 336 без поступления во вторые каналы 334. Как показано, третий канал 336 проходит от линии 392 в камеру 30 сгорания, за счет чего происходит удаление порции впрыскиваемого топлива, поступившей из первого канала 332, в камеру 30 сгорания.
Вторые каналы 334 проходят от камеры 30 сгорания в месте, удаленном от центральной оси 390, до места пересечения 350 третьего канала 336 и линии 392, причем указанное место пересечения расположено вблизи центральной оси 390. По существу, вторые каналы 334 расположены под наклоном и/или под углом. В одном примере вторые каналы 334 расположены под углом 45° к центральной оси 390 и линии 392. Дополнительно или альтернативно, вторые каналы 334 могут быть расположены под меньшим углом (например, меньше 45°) к центральной оси 390. Каждый из вторых каналов 334 содержит первый проход 352 с высотой 344 в месте пересечения 350. Кроме того, каждый из вторых каналов 334 содержит второй проход 354 в самой низкой части наконечника 310 сопла вблизи камеры 30 сгорания.
Число первых каналов 332 по существу равно числу отверстий впрыска топлива. Аналогичным образом, число третьих каналов 336 по существу равно числу первых каналов 332. В одном примере предусмотрено по два вторых канала 334 на каждый третий канал 336. Следует понимать, что число вторых каналов 334 на каждый третий канал 336 может быть больше или меньше двух без отступления от объема настоящего раскрытия.
Газы камеры сгорания текут в каждый из вторых каналов 334 через второй проход 354, на что указывают стрелки с белыми остриями. В рабочих состояниях двигателя, когда впрыск топлива не происходит, газы камеры сгорания могут поступать в первый канал 332 и третий канал 336 через выход 338. При этом, как только порция впрыскиваемого топлива потечет по первому каналу 332 и третьему каналу 336, происходит вытеснение газов камеры сгорания из первого 332 и третьего 336 каналов под действием более высокого давления порции впрыскиваемого топлива. Общее направление потока порции впрыскиваемого топлива обозначено стрелками с черным острием. Порция впрыскиваемого топлива течет в направлении, по существу параллельном центральной оси 390. Газы камеры сгорания текут из каждого из вторых каналов 334, через первый проход 352 и в третий канал 336 при протекании порции впрыскиваемого топлива за первые проходы. Кроме того, угол второго канала 334 обуславливает то, что поток газа камеры сгорания в третий канал 336 направлен под косым углом и/или перпендикулярно направлению потока впрыскиваемого топлива. По существу, возрастает завихрение в третьем канале 336. В одном примере поток газов камеры сгорания во втором 334 и третьем 336 каналах по существу V-образен, а поток порции впрыскиваемого топлива в первом 332 и третьем 336 каналах по существу линеен. Таким образом, происходит смешивание порции впрыскиваемого топлива с газами камеры сгорания до ее вытекания через выход 338 в камеру 30 сгорания.
Таким образом, наконечник 310 сопла соединен по текучей среде с камерой 30 сгорания через множество проходов. Вторые проходы 354 функционируют как входы, пропускающие газы камеры сгорания во второй канал 334. Выход 338 выпускает смесь порции впрыскиваемого топлива и газов камеры сгорания в камеру 30 сгорания. Вторые проходы 354 и выход 338 могут быть разнообразными по размерам и/или форме без отступления от объема настоящего раскрытия. Например, проходы могут быть продолговатыми, круглыми, прямоугольными, треугольными и т.п. Совместное направление газов камеры сгорания и порции впрыскиваемого топлива из третьего канала 336 позволяет уменьшить и/или предотвратить образование сажи.
В некоторых вариантах осуществления, дополнительно или альтернативно, центральная ось 390 расположена под косым углом к центральной оси топливной форсунки (например, топливной форсунки 66 на ФИГ. 1). По существу, вторые каналы 334 не расположены одинаково относительно центральной оси топливной форсунки. В одном примере второй канал на левой стороне фигуры перпендикулярен центральной оси топливной форсунки, а второй канал на правой стороне фигуры параллелен центральной оси топливной форсунки. Таким образом, левый второй канал может представлять собой верхний второй канал вблизи головки блока цилиндров, а правый второй канал может представлять собой нижний второй канал на удалении от головки блока цилиндров. Таким образом, верхний и нижний вторые каналы могут быть по существу аналогичны первому 232 и второму 234 каналам на ФИГ. 2А. При этом различие указанных каналов состоит в том, что смесительные каналы 330 встроены в наконечник 310 сопла, как раскрыто в варианте осуществления на ФИГ. 3, а смесительные каналы 230 выполнены встроены в тракт, выполненный с возможностью соединения с соплом, как раскрыто в варианте осуществления на ФИГ. 2А. Следует понимать, что поверхностные средства, раскрытые выше на примере ФИГ. 2В и 2С, можно применять в смесительных каналах на ФИГ. 3.
В одном примере наконечник 310 сопла содержит три фотодиода, а именно: первый фотодиод 372, второй фотодиод 374 и третий фотодиод 376. Фотодиоды можно применять аналогично фотодиоду 92 на ФИГ. 1. Первый фотодиод 372 расположен вблизи первого прохода 352. Второй фотодиод 374 расположен вблизи выхода 338. Третий фотодиод 376 расположен на обращенной к цилиндру поверхности наконечника 310 сопла. По существу, первый фотодиод 372 измеряет величину светового излучения вблизи места, где происходит начальное смешивание газов камеры сгорания и топлива. Второй фотодиод 374 измеряет величину светового излучения вблизи части наконечника 310 сопла, где смесь топлива и газов камеры сгорания покидает наконечник 310 сопла. И наконец, третий фотодиод 376 измеряет величину светового излучения в самой верхней части камеры сгорания вблизи наконечника 310 сопла.
Следует понимать, что величины порогового светового излучения для первого 372, второго 374 и третьего 376 фотодиодов могут быть разными. Например, первому фотодиоду 372 соответствует первое пороговое световое излучение, второму фотодиоду 374 - второе пороговое световое излучение, а третьему фотодиоду 376 - третье пороговое световое излучение. В одном примере третье пороговое световое излучение превышает второе пороговое световое излучение, причем второе пороговое световое излучение превышает первое пороговое световое излучение. То есть величина светового излучения, превышающая первое пороговое световое излучение, может не превышать второй и третий пороги. По существу, параметры впрыска в наконечнике 310 сопла можно соответствующим образом отрегулировать в ответ на то, что величина светового излучения превышает первое пороговое световое излучение. В одном примере регулировки в случае превышения величиной светового излучения только одного из порогов могут быть менее значительными, чем регулировки в случае превышения величиной светового излучения всех пороговых световых излучений. Это будет подробнее раскрыто ниже на примере ФИГ. 4.
В одном примере введение более одного фотодиода позволяет диагностировать нарастание сажи в наконечнике сопла. А именно, можно определять количество и местоположение сажи в наконечнике сопла на основании того, что величина светового излучения, измеренная посредством какого-либо из фотодиодов, превышает соответствующее пороговое световое излучение. По существу, параметры работы можно регулировать с целью выжигания скопившейся сажи. Например, можно уменьшить величину порции впрыскиваемого топлива, если будет выявлено скопление сажи, причем увеличение присутствия кислорода может способствовать выжиганию скопившейся сажи.
В дополнительных или альтернативных примерах наконечник сопла и/или тракт (например, тракт 18) могут не содержать фотодиоды. В тракте и/или в наконечнике сопла может быть расположен оптоволоконный провод и/или светопроводящий элемент с возможностью передачи светового излучения фотодиоду, расположенному в другом месте (например, на стенке цилиндра).
Таким образом, на ФИГ. 1-3 раскрыта система, содержащая: топливную форсунку, расположенную в головке блока цилиндров, канал, расположенный ниже головки блока цилиндров в камере сгорания, при этом указанный канал расположен соосно отверстию впрыска топлива сопла топливной форсунки, и контроллер с машиночитаемыми инструкциями, при выполнении которых предусмотрена возможность осуществления контроллером следующего: уменьшения температуры в цилиндре в ответ на то, что величина светового излучения, измеренная светочувствительным датчиком в указанном канале, превышает пороговую величину светового излучения.
В одном примере канал расположен в тракте, соединенном с головкой блока цилиндров по центральной оси топливной форсунки. Канал представляет собой один канал из множества смесительных каналов, расположенных в тракте, причем смесительные каналы соединены друг с другом по текучей среде, причем первый и второй из смесительных каналов несоосны с отверстием впрыска топлива и расположены под углом к направлению впрыска топлива, причем третьи каналы соосны с каждым из отверстий впрыска топлива сопла. Первые каналы проходят в направлении радиально наружу, перпендикулярном центральной оси топливной форсунки, второй канал проходит в вертикальном направлении по центральной оси топливной форсунки, и третьи каналы проходят в направлении под косым углом к центральной оси топливной форсунки. Третьи каналы расположены между первым и вторыми каналами.
В другом примере указанный канал встроен в наконечник сопла. Указанный канал представляет собой один или множество каналов, включающее в себя первый канал и третий канал, расположенные соосно вдоль центральной оси топливной форсунки, причем множество вторых каналов соединено по текучей среде с третьим каналом. Первый и третий каналы выполнены с возможностью направления порции впрыскиваемого топлива в сторону камеры сгорания, причем вторые каналы выполнены с возможностью направления газов камеры сгорания в третий канал. Контроллер выполнен с возможностью снижения температуры в цилиндре за счет увеличения расхода потока РОГ, и/или снижения давления и температуры во впускном коллекторе, и/или увеличения впрыска воды в цилиндр. В способе на ФИГ. 4 также раскрыты действия, реализуемые контроллером, если величина измеренного датчиком светового излучения превышает пороговое световое излучение.
В любом варианте, в тракте, наконечнике сопла и/или головке блока цилиндров выточены каналы для размещения одного или более фотодиодов. Кроме того, электрические соединения встроены в тракт, наконечник сопла и/или головку блока цилиндров для создания каналов связи между фотодиодом (фотодиодами) и контроллером (например, контроллером 12 на ФИГ. 1). Следует понимать, что фотодиоды могут быть расположены не внутри каналов смешивания газов камеры сгорания и топлива, а могут быть расположены в поверхностях тракта, наконечника сопла и/или головки блока цилиндров. По существу, вырез обеспечивает возможность фотодиоду обнаруживать световое излучение, испускаемое в смесительных каналах, без создания препятствий на пути потока в смесительных каналах.
На ФИГ. 4 раскрыт способ 400 для регулирования параметров работы двигателя в зависимости от образования сажи в двигателе. Инструкции для осуществления способа 400 может исполнять контроллер в соответствии с инструкциями, сохраненными в памяти контроллера, и во взаимосвязи с сигналами, принятыми от датчиков системы двигателя, например, датчиков, раскрытых выше на примере ФИГ. 1. Контроллер может задействовать исполнительные устройства системы двигателя для регулирования работы двигателя согласно раскрытым ниже способам.
На шаге 402 способа 400 определяют, оценивают и/или измеряют текущие параметры работы двигателя. В качестве неограничивающих примеров, в число текущих параметров работы двигателя могут входить один или более из следующих: давление в коллекторе, температура в коллекторе, положение дросселя, частота вращения двигателя, температура двигателя, температура охлаждающей жидкости, скорость транспортного средства, расход потока РОГ и воздушно-топливное отношение.
На шаге 404 способа 400 измеряют световое излучение, испускаемое из смесительного канала, причем смесительный канал представляет собой либо канал тракта (например, третий канал 236 тракта 18 на ФИГ. 2А) или канал, выполненный встроен в наконечник сопла (например, третий канал 336 на ФИГ. 3). Как раскрыто выше, указанный канал может быть выполнен с фотодиодом с возможностью измерения величины светового излучения, проходящего из тракта. Измеренная величина светового излучения может быть показателем степени преждевременного воспламенения. То есть чем больше величина светового излучения, тем выше степень преждевременного воспламенения, результатом чего может стать величина смешивания газа с топливом меньше желаемой. Это может привести к тому, что образование сажи будет больше, чем при отсутствии преждевременного воспламенения.
На шаге 406 способа 400 определяют, превышает ли световое излучение, измеренное фотодиодом, пороговую величину светового излучения. В одном примере пороговое световое излучение равно величине светового излучения, испускаемого из тракта, соответствующей образованию сажи в двигателе, превышающему пороговое. В одном примере пороговое образование сажи равно нормативу выбросов. В другом примере пороговое образование сажи равно нулю. Если измеренное датчиком световое излучение меньше порогового, то образование сажи в двигателе меньше порогового, и способ 400 следует на шаг 408 для оставления без изменений текущих параметров работы двигателя. Таким образом, образование сажи в двигателе относительно низкое и/или нулевое, и параметры работы двигателя не регулируют для уменьшения образования сажи в двигателе.
Если световое излучение превышает пороговое, то имеет место слишком большая величина преждевременного воспламенения, и образование сажи в двигателе превышает пороговое. Способ 400 следует на шаг 410 для регулирования параметров работы двигателя.
В некоторых дополнительных или альтернативных вариантах осуществления степень преждевременного воспламенения вычисляют по сигналу обратной связи от преобразователя давления и/или тензодатчика в тракте. Дополнительно или альтернативно, вычисление может также включать в себя данные обратной связи от датчика отработавших газов, расположенного в выпускной системе. Если будет выявлено чрезмерное давление (например, давление выше порогового), чрезмерная механическая деформация (например, механическая деформация больше пороговой), и/или чрезмерное образование сажи (например, образование сажи больше порогового), то имеет место слишком большая величина преждевременного воспламенения, и способ следует на шаг 410. И пороговое давление, и пороговая механическая деформация соответствуют той же степени преждевременного воспламенения, что и пороговое световое излучение.
На шаге 410 способ 400 предусматривает увеличение РОГ на шаге 412, и/или снижение давления в коллекторе на шаге 414, и/или снижение температуры всасываемых газов на шаге 416, и/или увеличение охлаждения в зоне тракта на шаге 418, и/или увеличение впрыска воды на шаге 420. Увеличение РОГ на шаге 412 может включать в себя установку клапана РОГ в более открытое положение для пропуска большего количества газов РОГ в заборный канал. Снижение давления в коллекторе может включать в себя перемещение дроссельной заслонки в менее открытое положение. Кроме того, поток РОГ во впускной коллектор можно уменьшить для дополнительного снижения давления во впускном коллекторе. Дополнительно или альтернативно, всасываемые газы направляют через охладитель заряда воздуха (например, ОЗВ 157 на ФИГ. 1) для дополнительного снижения давления в коллекторе. Таким образом, увеличение РОГ на шаге 412 все же возможно, но газы РОГ направляют через охладитель РОГ перед направлением их во впускной коллектор. Снижение температуры всасываемых газов может включать в себя впрыск воды в заборный канал и/или коллектор выше по потоку от камеры сгорания. Увеличение охлаждения в зоне тракта включает в себя направление охлаждающей жидкости в части рубашки охлаждения цилиндра, близкие к тракту и/или наконечнику сопла. Увеличение впрыска воды может включать в себя направление сигнала приводу топливной форсунки, расположенной в цилиндре, для впрыска большего объема. Дополнительно или альтернативно, повышают давление впрыска, если измеренное световое излучение больше порогового. Таким образом, порция впрыскиваемого топлива может течь в камеру сгорания быстрее, чем при более низких давлениях впрыска, что снижает вероятность предкамерного горения.
В одном примере способа на шаге 410 можно применить одну или более регулировок в зависимости от разности испускаемого из тракта светового излучения и порогового светового излучения. Например, если разность относительно большая, можно задействовать одну или более из регулировок. Дополнительно или альтернативно, увеличивают величину регулировок, если указанная разность относительно большая. Например, увеличивают количество впрыскиваемой воды. Или же, если разность относительно небольшая (например, меньше указанной относительно большой разности), применяемые регулировки могут быть меньше.
Дополнительно или альтернативно, величину регулировок увеличивают немного или не увеличивают совсем. Например, количество впрыскиваемой воды представляет собой базовое (например, наименьшее) количество. Таким образом, газы камеры сгорания могут включать в себя воздух, и/или воду, и/или газы РОГ.
Таким образом, в способе 400 регулируют параметры работы двигателя, если испускаемое световое излучение больше порогового. Параметры работы двигателя регулируют для уменьшения преждевременного воспламенения в тракте, что уменьшает испускаемое в тракте световое излучение. Это позволяет уменьшить количество твердых частиц, выходящих через выпускной клапан в выпускной коллектор из цилиндра, или свести его к нулю.
Дополнительно или альтернативно, как раскрыто выше на ФИГ.3, тракт и/или наконечник сопла могут содержать множество фотодиодов. По существу, указанные регулировки можно применять в зависимости от того, какое количество пороговых световых излучений превышено, и величины превышения каждого из пороговых световых излучений. Например, если измеренная величина светового излучения превышает первое пороговое световое излучение и второе пороговое световое излучение, но не превышает третье пороговое световое излучение, способ 400 может осуществить впрыск воды или уменьшить поток РОГ. При этом, если величина светового излучения превышает и первое, и второе, и третье пороговые светового излучения, в одном примере способ 400 может осуществить впрыск воды, уменьшить поток РОГ и повысить давление впрыска.
На шаге 422 способа 400 направляют внутрицилиндровый газ в смесительные каналы, расположенные в тракте. До впрыска, внутрицилиндровые газы могут течь по любому из смесительных каналов, расположенных в тракте. При этом, из-за особенностей впрысков топлива, внутрицилиндровые газы могут течь только по первому и второму смесительным каналам (например, первым смесительным каналам 232 и второму смесительному каналу 234 соответственно на ФИГ. 2А) тракта с последующим объединением с порцией впрыскиваемого топлива и протеканием через выходной канал (например, выходной канал 236 на ФИГ. 2А). После регулировок на шаге 410, речь о которых шла выше, температура внутрицилиндрового газа ниже по сравнению с температурами внутрицилиндрового газа до преждевременного воспламенения. Таким образом, преждевременное воспламенение в тракте маловероятно.
На шаге 424 способа 400 осуществляют впрыск и смешивание топлива с внутрицилиндровым газом в тракте. Как раскрыто выше, порция впрыскиваемого топлива течет по топливному контуру топливной форсунки с последующим вытеканием из одного или более отверстий впрыска, соосных одному или более выходным каналам. Внутрицилиндровые газы из первого и второго смесительных каналов текут в один или более выходных каналов и смешиваются с порцией впрыскиваемого топлива прежде, чем выйти из выходных каналов. Данное смешивание позволяет ограничить или предотвратить утечку твердых частиц из цилиндра. В частности, количество подлежащего впрыску топлива можно определять в зависимости от запрашиваемого водителем крутящего момента, и/или желаемого воздушно-топливного отношения, и/или массового расхода воздуха и т.п. Кроме того, можно отрегулировать момент впрыска в зависимости от параметров работы двигателя. В частности, топливо можно впрыскивать в сторону камеры сгорания. В некоторых примерах топливо можно впрыскивать по существу параллельно пути распыленной струи топлива по смесительному каналу и/или на одной линии с ним. Таким образом, способ 400 включает в себя смешивание впрыскиваемого топлива с газами камеры сгорания в смесительных каналах внутри камеры сгорания.
На шаге 426 способа 400 направляют смесь, включающую в себя порцию впрыскиваемого топлива и внутрицилиндровый газ, для смешивания с несмешанным внутрицилиндровым газом. Несмешанный внутрицилиндровый газ можно охарактеризовать как внутрицилиндровый газ, не смешанный с топливом. Топливовоздушная смесь может течь в камеру сгорания во время такта сжатия и/или такта расширения.
На шаге 428 способ 400 предусматривает воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания. В некоторых примерах возможно самопроизвольное сгорание топливовоздушной смеси под действием температур и давления в камере сгорания. В других примерах воспламенение топливовоздушной смеси можно осуществлять посредством свечи накаливания.
На шаге 430 способа 400 осуществляют выпуск газов, находящихся в камере сгорания, во время такта выпуска. В частности, способ 400 может предусматривать открытие одного или более выпускных клапанов (например, выпускных клапанов 154, раскрытых выше на ФИГ. 1) и выпуск газов камеры сгорания в выпускной коллектор (например, выпускной коллектор 148, раскрытый выше на ФИГ. 1). Способ 400 может предусматривать выпуск газов, содержащихся в камере сгорания, в выпускной коллектор только во время совершения поршнем такта выпуска.
На ФИГ. 5 раскрыта рабочая последовательность 500, иллюстрирующая примеры результатов для двигателя с контроллером (например, двигателя 10 и контроллера 12 на ФИГ. 1) от осуществления способа 400 на ФИГ. 4. Линия 510 представляет температуру внутрицилиндрового газа, линия 520 - температуру образования ТЧ, а линия 522 -пороговое образование ТЧ, линия 530 представляет длину отрыва впрыскиваемого топлива, а линия 532 - пороговую длину отрыва впрыскиваемого топлива, линия 540 представляет измеренную величину светового излучения, а линия 542 - пороговую измеренную величину светового излучения, линия 550 представляет расход потока РОГ, а линия 560 представляет то, происходит ли впрыск воды в камере сгорания. Горизонтальные оси каждого графика представляют время, значения которого растут с левой к правой стороне фигуры.
До t1 температура внутрицилиндрового газа и/или температура газа камеры сгорания относительно низкие, на что указывает линия 510. При этом температура внутрицилиндрового газа растет в сторону высокой температуры. В одном примере это обусловлено ростом нагрузки двигателя. По существу, отрыв впрыскиваемого топлива начинает падать с относительно большой длины в сторону пороговой длины отрыва, на что указывают линии 530 и 532 соответственно. Уменьшение длины отрыва обусловлено ростом температур газа камеры сгорания, в результате чего сгорание может происходить раньше, чем желательно. По существу, образование ТЧ также начинает расти с относительно малой величины в сторону порогового образования ТЧ, на что указывают линии 520 и 522 соответственно. По мере уменьшения длины отрыва, величина светового излучения, измеренная светочувствительным датчиком в тракте и/или смесительном канале, растет в сторону пороговой измеренной величины светового излучения, на что указывают линии 540 и 542 соответственно. В одном примере светочувствительный датчик 92 на ФИГ. 1 расположен во втором смесительном канале 236 на ФИГ. 2А, 2В и 2С. В другом примере светочувствительный датчик 92 на ФИГ. 1 расположен в третьем смесительном канале 336 на ФИГ. 3. Пороговая измеренная величина светового излучения по существу аналогична пороговому световому излучению, речь о котором шла на шаге 406 способа 400 на ФИГ. 4. Таким образом, если измеренное световое излучение превышает пороговую величину светового излучения, сгорание может происходить в тракте или смесительных каналах до того, как смесь топлива и газов камеры сгорания, потечет в камеру сгорания. Расход потока РОГ относительно низкий, на что указывает линия 550. Впрыск воды выключен, на что указывает линия 560.
В t1 температура внутрицилиндрового газа достигает относительно высокой температуры. В результате, образование ТЧ возрастает и превышает пороговое образование ТЧ. Кроме того, происходит уменьшение отрыва впрыскиваемого топлива до длины отрыва меньше пороговой. Световое излучение, измеренное светочувствительным датчиком, превышает пороговую величину светового излучения. То есть слишком высокая температура в камерах сгорания приводит к преждевременному сгоранию (например, горению) топлива либо в тракте (например, тракте 18 на ФИГ. 2А, 2В и 2С), либо в смесительных каналах, встроенных в наконечник сопла (например, смесительных каналах 330 наконечника 310 сопла на ФИГ. 3). Для уменьшения образования ТЧ и увеличения длины отрыва впрыскиваемого топлива увеличивают расход потока РОГ и включают впрыск воды.
После t1 и до t2 продолжают впрыск воды и продолжают увеличивать расход потока РОГ в сторону относительно высокого расхода потока РОГ для содействия в снижении температур внутрицилиндровых газов. Благодаря этому, температура внутрицилиндрового газа падает и, в результате, отрыв впрыскиваемого топлива возрастает обратно в сторону порогового отрыва, образование ТЧ падает в сторону порогового образования ТЧ, а измеренное световое излучение падает в сторону пороговой измеренной величины светового излучения.
В t2 температура внутрицилиндрового газа упала достаточно для уменьшения образования ТЧ до уровня ниже порогового образования ТЧ, возрастания отрыва впрыскиваемого топлива до длины отрыва впрыскиваемого топлива больше порогового отрыва впрыскиваемого топлива и уменьшения измеренного светового излучения до величины светового излучения меньше пороговой измеренной величины светового излучения. Поэтому впрыск воды прекращают и уменьшают расход потока РОГ. Впрыск воды можно осуществлять посредством форсунки, расположенной с возможностью впрыска воды в камеру сгорания в зоне за пределами тракта или наконечника сопла и/или на удалении от них. В некоторых дополнительных или альтернативных примерах впрыск воды и/или расход потока РОГ оставляют без изменений для поддержания относительно низкой температуры внутрицилиндрового газа. Это может зависеть от устойчивости горения, потребности в РОГ и/или количества располагаемой воды в водяном баке, соединенном по текучей среде с форсункой, выполненной с возможностью впрыска в цилиндр.
После t2 температура внутрицилиндрового газа падает до относительно низкой температуры. Образование ТЧ меньше порогового образования ТЧ. Отрыв впрыскиваемого топлива больше порогового отрыва впрыскиваемого топлива. Измеренное световое излучение меньше порогового измеренного светового излучения. Расход потока РОГ продолжает падать, а впрыск воды оставляют выключенным.
Таким образом, ФИГ. 5 графически иллюстрирует способ, в котором: снижают температуру в камере сгорания в зависимости от величины светового излучения, измеренного в канале, соединяющем по текучей среде топливную форсунку и камеру сгорания. Величину светового излучения сравнивают с пороговым световым излучением, при этом пороговое световое излучение основано на световом излучении, испускаемом в указанном канале, когда образование сажи превышает желаемую величину. Снижение температуры в камере сгорания включает в себя направление газов РОГ в камеру сгорания, снижение давления в коллекторе, снижение температуры во впускном коллекторе и впрыск воды в камеру сгорания. Измерение величины светового излучения осуществляют посредством фотодиода, расположенного в указанном канале. Способ также содержит шаг, на котором осуществляют смешивание топлива с газами камеры сгорания в указанном канале перед направлением топлива в камеру сгорания. Указанный канал расположен ниже головки блока цилиндров, при этом указанный канал выполнен с возможностью направления порции впрыскиваемого топлива в камеру сгорания.
Таким образом, топливная форсунка может быть снабжена смесительными каналами, выполненными встроенными либо в тракт, либо в наконечник сопла для вовлечения воздуха в порцию впрыскиваемого топлива. Одна часть каналов соосна отверстиям впрыска топлива и выполнена с возможностью направления порции впрыскиваемого топлива в камеру сгорания. Остальная часть каналов принимает газы камеры сгорания из камеры сгорания и направляет газы камеры сгорания в каналы, в которые поступает порция впрыскиваемого топлива. Технический эффект, достигаемый смешиванием газов камеры сгорания с порцией впрыскиваемого топлива внутри канала перед направлением порции впрыскиваемого топлива в камеру сгорания, состоит в уменьшении образования твердых частиц. Благодаря предварительному смешиванию топлива с газами камеры сгорания, может не происходить образование пузырька несгоревшего топлива в камере сгорания, что позволяет не только повысить экономию топлива, но и предотвратить образование твердых частиц.
В другом варианте осуществления способа: направляют газы камеры сгорания в первый и второй каналы, расположенные ниже головки блока цилиндров, впрыскивают топливо из топливной форсунки в третий канал, расположенный ниже головки блока цилиндров в камере сгорания, при этом третий канал соединен по текучей среде с первым и вторым каналами, осуществляют смешивание топлива с газами камеры сгорания перед направлением топлива из указанного канала в камеру сгорания, и регулируют расход потока РОГ, давление и температуру во впускном коллекторе, и/или впрыск воды в цилиндр, если измеренная датчиком величина светового излучения, возникающего в указанном канале, превышает пороговое световое излучение.
Первый, второй и третий каналы встроены в тракт, выполненный с возможностью соединения с топливной форсункой. Первый, второй и третий каналы встроены в наконечник сопла топливной форсунки. Третий канал также содержит канал Вентури, соединяющий по текучей среде третий канал с первым каналом и вторым каналом. Первый, второй и третий каналы расположены полностью ниже головки блока цилиндров так, что газы камеры сгорания не текут в головку блока цилиндров.
В одном варианте осуществления система содержит: топливную форсунку, содержащую наконечник сопла, погруженный в камеру сгорания ниже торцевой стенки головки блока цилиндров, при этом наконечник сопла содержит одно или более отверстий впрыска топлива, выполненных с возможностью впрыска под некоторым углом к центральной оси топливной форсунки, и один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива или газов камеры сгорания, причем один или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, расположены под косым углом к центральной оси и соосно отверстиям впрыска топлива, причем один или более смесительных каналов выполнены с возможностью приема газов камеры сгорания. Первый пример системы отличается тем, что один или более смесительных каналов встроены в наконечник сопла и выполнены с возможностью приема газов камеры сгорания, при этом в их число входят верхние каналы и нижние каналы, расположенные под углом к центральной оси, причем верхние каналы образуют угол величиной 60-90 градусов к центральной оси, а нижние каналы образуют угол величиной 0-30 градусов к центральной оси, причем нижние каналы более удалены от головки блока цилиндров, чем верхние каналы.
Второй пример системы, необязательно включающий в себя первый пример, отличается тем, что каждый из указанных одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, расположен между верхними и нижними каналами, причем диаметр одного или более каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, возрастает в месте пересечения, где верхние и нижние каналы соединены по текучей среде с одним или более каналами, выполненными с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, причем один или более из смесительных каналов содержит канал Вентури и/или жалюзи. Третий пример системы, необязательно включающий в себя первый и/или второй примеры, отличается тем, что в число одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема газов камеры сгорания, входит первый смесительный канал, расположенный вблизи головки блока цилиндров, и второй смесительный канал, расположенный на удалении от головки блока цилиндров, причем первый смесительный канал образует угол к центральной оси величиной от 60 до 90 градусов, а второй канал образует угол к центральной оси величиной от 0 до 30 градусов, причем в число одного или более смесительных каналов, выполненных с возможностью приема порции впрыскиваемого топлива, входит третий смесительный канал, расположенный под углом к указанной центральной оси и между первым и вторым смесительными каналами. Четвертый пример системы, необязательно включающий в себя примеры с первого по третий, отличается тем, что первый, второй и третий смесительные каналы встроены в цилиндрический тракт, причем часть тракта соединена с топливной форсункой в головке блока цилиндров, причем остальная часть тракта, содержащая смесительные каналы, расположена ниже головки блока цилиндров.
В одном из вариантов осуществления способа: снижают температуру в камере сгорания в зависимости от величины светового излучения, измеренного в канале, соединяющем по текучей среде топливную форсунку и камеру сгорания. Первый пример способа отличается тем, что величину светового излучения сравнивают с пороговым световым излучением, при этом пороговое световое излучение основано на световом излучении, испускаемом в указанном канале, когда образование сажи превышает желаемую величину. Второй пример способа, необязательно включающий в себя первый пример, отличается тем, что снижение температуры в камере сгорания включает в себя направление газов РОГ в камеру сгорания, снижение давления в коллекторе, снижение температуры во впускном коллекторе и впрыск воды в камеру сгорания. Третий пример способа, необязательно включающий в себя первый и/или второй примеры, отличается тем, что измерение величины светового излучения осуществляют посредством фотодиода, расположенного в указанном канале. Четвертый пример способа, необязательно включающий в себя один или более примеров с первого по третий, отличается тем, что в указанном канале осуществляют смешивание топлива с газами камеры сгорания. Пятый пример способа, необязательно включающий в себя один или более примеров с первого по четвертый, отличается тем, что указанный канал расположен ниже головки блока цилиндров, при этом указанный канал выполнен с возможностью направления порции впрыскиваемого топлива в камеру сгорания.
Один из вариантов осуществления системы содержит: топливную форсунку, расположенную в головке блока цилиндров, канал, расположенный ниже головки блока цилиндров в камере сгорания, при этом указанный канал расположен соосно отверстию впрыска топлива сопла топливной форсунки, и контроллер с машиночитаемыми инструкциями, при выполнении которых предусмотрена возможность осуществления контроллером следующего: уменьшения температуры в цилиндре в ответ на то, что величина светового излучения, измеренная светочувствительным датчиком в указанном канале, превышает пороговую величину светового излучения. Первый пример системы отличается тем, что канал расположен в тракте, соединенном с головкой блока цилиндров по центральной оси топливной форсунки. Второй пример системы, необязательно включающий в себя первый пример, отличается тем, что указанный канал представляет собой один канал из множества смесительных каналов, расположенных в тракте, причем смесительные каналы соединены друг с другом по текучей среде, причем первый и второй из смесительных каналов несоосны с отверстием впрыска топлива и расположены под углом к направлению впрыска топлива, причем третьи каналы соосны с каждым из отверстий впрыска топлива сопла. Третий пример системы, необязательно включающий в себя первый и/или второй примеры, отличается тем, что первые каналы проходят в направлении радиально наружу, перпендикулярном центральной оси топливной форсунки, второй канал проходит в вертикальном направлении по центральной оси топливной форсунки, и третьи каналы проходят в направлении под косым углом к центральной оси топливной форсунки. Четвертый пример системы, необязательно включающий в себя один или более примеров с первого по третий, отличается тем, что третьи каналы расположены между первым и вторыми каналами. Пятый пример системы, необязательно включающий в себя один или более примеров с первого по четвертый, отличается тем, что указанный канал встроен в наконечник сопла. Шестой пример системы, необязательно включающий в себя один или более примеров с первого по пятый, отличается тем, что указанный канал представляет собой один или множество каналов, включающее в себя первый канал и третий канал, расположенные соосно вдоль центральной оси топливной форсунки, причем множество вторых каналов соединено по текучей среде с третьим каналом. Седьмой пример системы, необязательно включающий в себя один или более примеров с первого по шестой, отличается тем, что первый и третий каналы выполнены с возможностью направления порции впрыскиваемого топлива в сторону камеры сгорания, причем вторые каналы выполнены с возможностью направления газов камеры сгорания в третий канал. Восьмой пример системы, необязательно включающий в себя один или более примеров с первого по седьмой, отличается тем, что контроллер выполнен с возможностью снижения температуры в цилиндре за счет увеличения расхода потока РОГ, и/или снижения давления и температуры во впускном коллекторе, и/или увеличения впрыска воды в цилиндр.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и могут осуществляться системой управления, содержащей контроллер, в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами и другим аппаратным обеспечением двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки необязательно требуется для достижения отличительных признаков и преимуществ раскрытых в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или более из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически представлять код, запрограммированный в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, при этом раскрытые действия выполняют путем исполнения инструкций в системе, содержащей разнообразные аппаратные компоненты двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящей заявке конфигурации и алгоритмы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Объект настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая наличие двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в объект настоящего изобретения.
Реферат
Изобретение относится к способам и системам для топливной форсунки, содержащей средства вовлечения воздуха. Предложены способы и системы для топливной форсунки, соединенной со смесительными каналами для вовлечения газов камеры сгорания в порцию впрыскиваемого топлива для уменьшения образования сажи во всем диапазоне параметров работы двигателя. В одном примере способ предусматривает снижение температуры в камере сгорания в зависимости от величины измеренного светового излучения. Технический результат – уменьшение образования сажи при сгорании топлива. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.
