Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском - RU2082012C1
Код документа: RU2082012C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском, топлива в камеру сгорания.
Известен ДВС с воспламенением от сжатия и непосредственным
впрыском топлива, содержащий цилиндр, размещенный в нем с возможностью перемещения поршень, в днище которого выполнена основная полость с горловиной, сужающейся в сторону днища, рассекатель с плоской
поверхностью, установленную в головке цилиндра по его оси топливную форсунку, снабженную иглой и распыливающим отверстием, ось которого ориентирована на плоскую поверхность рассекателя, причем на
поверхности головки цилиндра выполнена дополнительная полость, распложенная под основной полостью и охватывающая ее горловину [1]
Задача изобретения повышение термического КПД при
одновременном снижении вредных компонентов и сажи путем усовершенствования процесса сгорания.
Поставленная задача решается тем, что в ДВС с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском топлива, содержащем цилиндр, размещенный в нем с возможностью перемещения поршень, в днище которого выполнена основная полость в горловиной, сужающейся в сторону днища, рассекатель с плоской поверхностью, установленную в головке цилиндра по его оси топливную форсунку, снабженную иглой и распыливающим отверстием, ось которого ориентирована на плоскую поверхность рассекателя, причем на поверхности головки цилиндра выполнена дополнительная полость, расположенная над основной и охватывающая ее горловину, последняя снабжена равномерно расположенными по ее периметру дугообразными вырезами, игла форсунками снабжена наконечником, размещенным в распыливающем отверстии по его оси, а диаметр наконечника меньше диаметра распыливающего отверстия, при этом на боковой поверхности наконечника через равные промежутки выполнены срезы.
Рассекатель может быть выполнен с опорой на поршне, а его плоская поверхность размещена в полости поршня.
Рассекатель может быть выполнен с опорой на головке цилиндра, а его плоская поверхность расположена в полости поршня при положении последнего в верхней мертвой точке (ВМТ).
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан в разрезе двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском. Фиг. 2 вид сверху днища поршня. Фиг. 3 вид снизу на внутреннюю стенку головки цилиндра. Фиг.4 продольный разрез топливной форсунки. Фиг. 5 сечение по линии У-У на фиг. 4. Фиг. 6 график время-сечения впрыска топлива. Фиг. 7 разрез двигателя внутреннего сгорания, соответствующий моменту начала впрыска топлива. Фиг. 8 разрез двигателя внутреннего сгорания, соответствующий моменту перед завершением впрыска топлива. Фиг. 9 - вид сверху полости в поршне с примером распыла топлива. Фиг.10 разрез двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и непосредственно впрыском в другом варианте осуществления изобретения. Фиг. 11 разрез известного двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Фиг. 12 вид поршня сверху по фиг. 11.
Двигатель имеет цилиндр 1, поршень 2, возвратно-поступательно перемещающийся в цилиндре 1, головку 3 цилиндра, закрепленную на цилиндре 1, камеру 4 сгорания, образованную между поршнем 2 и головкой 3 цилиндра, пару впускных клапанов 5 и пару выпускных клапанов 6. Основная полость 7 выполнена в центре днища 2a поршня 2 и имеет горловину 8. Горловина 8 имеет поперечное сечение 9 меньше, чем поперечное сечение центра полости. По периметру горловины 8 равномерно расположены дугообразные вырезы 10.
Опорный элемент 11 расположен в центре днища полости 7, a рассекатель 12 выполнен на конце опорного элемента 11. Рассекатель 12 снабжен плоскостью 13 (плоская поверхность). С другой стороны, в центре плоской стенки 3a головки 3 цилиндра выполнена вторая полость 14 (дополнительная) таким образом, чтобы целиком охватывать горловину полости 7. Топливная форсунка 15 расположена в центре второй полости 14 над плоскостью 13.
Согласно фиг. 1 3, а также фиг. 4 и 5, топливная форсунка 15 имеет распыливающее отверстие 16 цилиндрической формы и иглу 17 для регулирования открытия и закрытия отверстия 16. Игла 17 имеет наконечник 18, который установлен соосно с отверстием 16, причем диаметр иглы несколько меньше, чем диаметр отверстия 16. На боковой поверхности наконечника 18 выполнены срезы 19, образующие четыре равносторонние плоские грани. Далее, несколько топливоподающих каналов 22 расположено симметрично вокруг оси иглы 17, они сообщены с топливной полостью 21, образованной вокруг воспринимающей давление фаски 20 иглы 17. Топливо под высоким давлением подается от топливного насоса (не показан) в топливную полость 21 через топливоподающие каналы 22. Как только давление топлива в полости 21 превосходит определенное значение, игла 17 поднимается и топливо впрыскивается через отверстие 16.
Из топливной форсунки 15 топливо впрыскивается в центр плоскости 13. Действительное время впрыска топлива показано на фиг. 6, где линия θS показывает момент начала впрыска, в то время как линия θE показывает конец впрыска, а по оси абсцисс показала нагрузка двигателя.
Как следует из графика на фиг. 6, при работе двигателя на низких нагрузочных режимах впрыск топлива начинается после верхней мертвой точки, следовательно, на этом режиме вся порция топлива впрыскивается после верхней мертвой точки. (ВМТ).
С другой стороны, по мере роста нагрузка двигателя начало впрыска (по линии θS ) сдвигается к опережению момента впрыска. Если нагрузка двигателя растет, впрыска топлива начинают незадолго до ВМТ. Даже если начало впрыска ( (θS)) производят с опережением, продолжительность впрыска после ВМТ намного дольше, чем период впрыска, протекающий до ВМТ, и следовательно значительная часть топлива сгорает после ВМТ.
Как указано на фиг. 7, когда поршень 2 приближается в ВМТ, между периферийной поверхностью днища 2a поршня 2 и периферийными стенками 3a головки 3 цилиндра образуется плоская зона 23. Поток из зоны распыляют в полости 7, как показано по стрелкам S. С другой стороны, когда поршень 02 подходит к верхней мертвой точке (фиг. 7) топливо F впрыскивается топливной форсункой 15 в центр плоскости 13 в виде непрерывной жидкостной струи.
В этот момент часть впрыснутого топлива немедленно распыляется вследствие возникновения энергии сталкивания, в то время как остальное топливо растекается во всех направлениях к периферии плоскости 13 в виде жидкостной пленки. Далее, жидкостная пленка на периферии плоскости 13 расщепляется до мелких топливных частиц, которые разлетаются во все стороны от плоскости 13. Вследствие этого в полости 7, как показано на фиг. 9, образуется топливный факел, распространяющийся от плоскости 13 к периферии полости 7. Топливо, распыленное от столкновения с плоскостью 13, не обладает проникающей энергией и вследствие этого оно концентрируется вокруг плоскости 13. В другой стороны, пока впрыск топлива происходит вблизи верхней мертвой точки, давление и температура в камере сгорания 4 во время впрыска значительно повышается. Поэтому, топливо, распыленное от столкновения с плоскостью 13, мгновенно воспламеняется и поэтому период задержки воспламенения становится значительно короче. Далее, в то время как воспламеняется в первую очередь распыленное топливо, сконцентрированное вокруг плоскости 13, начинается воспламенение топлива в центральной части полости 7. Затем факельный поджиг вокруг плоскости 13 распространяется к периферии полости 7 во все стороны, и начальную фазу сгорания осуществляют в полости 7. Как следует из пояснений на фиг. 6, в то время когда двигатель работает на режиме низкой нагрузки, начальную фазу сгорания выполняют после ВМТ, хотя при работе двигателя на режимах с высокой нагрузкой начальная фаза сгорания проводится вблизи ВМТ.
Далее, когда поршень 2 начинает движение вниз, возникает обратный поток R, как показано на фиг. 8, вытесняющий газ из полости 7 в плоскую зону 23. Затем, когда начальную фазу сгорания факела топлива G осуществляют в полости 7, газ в полости 7 расширяется и в результате этого горящие газы и воздух истекают из полости 7 через горловину. Поэтому горящие газы и воздух из полости 7 вытесняются в плоскую зону 23 под действием обратного потока R и эффекта расширения газа в полости 7. В этот момент факел топлива G, распыленный во всех направлениях, и факельный поджиг последовательно перемещаются в плоскую зону 23 под действием горящих газов и воздуха, вытесняемых наружу, к зоне 23. Факел топлива G, перенесенный в зону 23, последовательно поджимается в зоне 23.
Таким образом, согласно настоящему изобретению, после ВМТ, за начальной фазой сгорания в полости 7, следующую фазу сгорания проводят в плоской зоне 23. Как следует из пояснений на фиг. 6, даже при работе двигателя на режимах высоких нагрузок значительная часть топлива впрыскивается после ВМТ, и поэтому значительная часть топлива сгорает в плоской зоне 23 после ВМТ.
Таким образом, в этом способе, если значительно большая часть фазы сгорания проводится после ВМТ, то значительная часть энергии сгорания наиболее эффективно преобразуется в выходной крутящий момент и, следовательно, термический коэффициент полезного действия увеличивается.
Однако, согласно настоящему изобретению, сжечь значительную часть топлива, впрыснутого после ВМТ, возможно потому, что впрыснутое топливо сталкивают с плоскостью 13 для распыления топлива на мелкие частицы во всех направлениях от плоскости 13 и затем сжигают в плоской зоне 23. То есть, если мелкие частицы топлива распыливают от плоскости 13 во все стороны и возникает обратный поток R, то значительная часть последовательно впрыснутого топлива последовательно переносится в зону 23. Далее, в это время впрыснутое топливо распределяют равномерно по внутреннему пространству зоны 23. Так, даже если начальную фазу сгорания осуществляют в полости 7, имеется большое количество воздуха в полости 7, которое не участвует в сгорании и, следовательно когда газ из полости 7 перемещают в зону 23, под действием расширения в полости 7, возникающего при начальной фазе сгорания и от обратного потока R, большое количество воздуха в составе газа эффективно смешивается с факелом топлива G. В результате получается полное сгорание даже после верхней мертвой точки.
Следует отметить, что для получения полного сгорания после верхней мертвой точки по описанному выше способу необходимо заставить топливо при сталкивании с плоскостью 13 распыливаться во все стороны от плоскости 13. Следовательно, необходимо, чтобы топливо впрыскивалось из форсунки 15 в виде непрерывной жидкостной струи и чтобы впрыснутое топливо сталкивалось с плоскостью 13 сталкивания в виде жидкости, не замененной на мелкие частицы.
В этом случае, конечно, невозможно предупредить образование мелких частиц из всей массы впрыснутого форсункой топлива и потому, в действительности, получается, то часть топлива, впрыснутого форсункой 15, сталкивается с плоскостью 13 в виде жидкости, не замененной на мелкие частицы. При этом топливо иногда сталкивается с плоскостью 13 в виде непрерывной жидкой струи, а иногда раздробляется после впрыска и сталкивается с плоскостью 13 в виде массы жидкости.
Согласно настоящему изобретению впрыснутое топливо распыливается на мелкие частицы, когда его сталкивают с плоскостью 13, так что необходимо впрыснутое топливо столкнуть с плоскостью 13 при высокой скорости, и потому топливо впрыскивают из форсунки 15 в виде непрерывной жидкой струи. То есть топливо, впрыснутое виде непрерывной жидкой струи, имеет большую проникающую способность, такую, что скорость почти не снижается до столкновения с плоскостью 13. Таким образом, даже если давление впрыска топлива выбрано примерно от 100 кг/см2 до 150 кг/см2, то можно заставить топливо сталкиваться с плоскостью 13 при высокой скорости.
В результате, топливо распыляется во все стороны от плоскости 13, следовательно, значительная часть топлива может быть эффективно сожжена в плоской зоне 23 после верхней мертвой точки.
Следует отметить, что если впрыснутое топливо сталкивают с плоскостью 13 по описанному выше способу, то период задержки воспламенения становится короче, и затем начальную фазу воспламенения проводят в центральной части полости 7 вокруг плоскости 13 сталкивания.
На следующей стадии, когда газ в полости 7 расширяется и возникает обратный поток R, факел топлива G распространяется по внутреннему пространству зоны 23, одновременно распыляясь во все стороны. Другими словами, факел топлива G распыляется, рассеиваясь в воздухе. При этом пламя после распыливания факела топлива G в воздухе распространяется как "по-писанному! так, что факел топлива G в зоне 23 воспламеняется при достаточном количестве воздуха вокруг мелких частиц топлива, и поэтому может быть достигнуто полное сгорание без выделения несгоревших углеводородов и любых продуктов сажи. С другой стороны, горящий газ в составе газов из полости 7, вытесняемых в зону 23, увлекает отработанные газы в рециркуляцию для завершающей фазы сгорания в зону 23. Поэтому скорость сгорания в допустимых пределах снижается, а также ниже становится и максимальная температура сгорания, следовательно, может быть снижено и содержание окислов азота. Этот способ является основой настоящего изобретения.
Если значительная часть сгорания осуществляется после ВМТ, как разъяснялось выше, значительная часть энергии эффективно преобразуется в выходной крутящий момент, так что повышается термический коэффициент полезного действия (КПД).
В этом случае, однако, термический КПД повышается тогда, когда осуществляется полное сгорание после ВМТ. В обычных двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском, однако, если значительную часть сгорания пытаются проводить после ВМТ, то сгорание будет подавляться, а повышение термического КПД невозможно. Разъяснения будут приведены ниже со ссылкой на фиг. 11 и 12.
На фиг. 11 и 12 показан двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, в котором топливная форсунка "b" имеет четыре распыливающих отверстия и топливо F впрыскивается из отверстий на внутренние периферийные стенки полости "с" поршня "ь". В таком двигателе с воспламенением от сжатия создают вихрь, как показано стрелкой S на фиг. 12, в полости "c", с помощью которого впрыснутое топливо F распыляется в полости "c". Даже в таком двигателе, например, если момент впрыска топлива начинается вблизи ВМТ, когда топливо F впрыскивается из форсунки "а", возникает обратный поток, выходящий из полости "с" в зону "d". В этом случае, когда топливо F впрыскивается из жиклеров на стенки полости "c", проникающая способность потока впрыснутого топлива F высока, и потому крайне малая часть топлива, распыленного вихрем S, переносится в зону "d" обратным потоком, но основной поток впрыснутого топлива F проходит на периферию полости "c", не попадая в зону "d". То есть а таком двигателе внутреннего сгорания, даже если топливо впрыснуто после ВМТ, значительная часть топлива подается в полость "с" и сжигается в полости "с".
Согласно этому способу, когда значительная часть впрыснутого топлива сжигают в полости "с", воздух в полости "с" используется, однако, не в полной мере, так что полное сгорание не получается, и в результате этого образуется большое количество несгоревших углеводородов или дыма, как упоминалось вначале. Так происходит в случае использования форсунки, имеющей более четырех распыливающих отверстий. Поэтому до тех пор, пока топливо впрыскивается из отверстий на стенки полости "с", если впрыск осуществляется после ВМТ, сгорание будет подавляться и термический КПД скорее упадет, чем будет повышаться. Следовательно, в таком двигателе существует потолок термического КПД, который не может быть превзойден.
Настоящее изобретение предполагает использовать новый способ сгорания путем проведения начальной фазы сгорания в зоне 23 после ВМТ, что позволяет превысить не превзойденное ранее значение термического КПД для обычного двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и в то же время дает возможность существенно снизить количество несгоревших углеводородов, окислов азота, дыма и др. содержание которых не может быть снижено до определенных пределов в обычном двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, поэтому эффект от осуществления сгорания по новому способу, можно сказать, крайне велик.
Как следует из фиг. 6, при работе двигателя на режиме низких нагрузок впрыск топлива начинается после ВМТ, и потому начальная фаза сгорания в полости 7 и последующая стадия сгорания в зоне 23 осуществляются после ВМТ. В противоположность этому при работе двигателя на высоких нагрузочных режимах момент начала впрыска топлива θS происходит с опережением по сравнению с режимом работы двигателя на нижних нагрузках, и потому количество топлива, которое сгорает в полости 7, увеличивается. Если количество топлива, которое сгорает в полости 7, увеличивается, действие расширяющихся газов, возникающее при начальной фазе сгорания в полости 7, становится сильнее, и, следовательно, даже если период впрыска становится длиннее при работе двигателя на режиме высоких нагрузок, сильное действие расширяющегося газа в полости 7 вполне позволяет направлять воздух из полости 7 в зону 23.
Далее, если количество топлива, которое сгорает в полости 7, увеличивается, то количество горящих газов в полости 7 на начальной фазе сгорания увеличивается, и, следовательно, увеличивается количество горящих газов, переносимых в зону 23. Поэтому при работе двигателя на режиме больших нагрузок, даже если количество впрыснутого топлива увеличивается и увеличивается количество выделяемого тепла, рециркуляция горящих газов с отработанными газами усиливается и выделением окислов азота подавляется.
Следует отметить, что по этому способу, когда момент начала впрыска проводят с опережением, то количество топлива, которое можно сжечь в полости, увеличивается, и, следовательно, отношение начальной фазы сгорания к последующей фазе сгорания в зоне 23 может быть отрегулировано путем изменения момента начала впрыска по линии θS При этом момент начала впрыска топлива определяется соотношением термического КПД и количества токсичных компонентов. Иногда даже при работе двигателя на режиме большой нагрузки предпочтительно начать впрыск топлива после ВМТ. Как бы то ни было, изменений нет в той части этого технического решения, где большая часть топлива сжигается в зоне 23.
Как упоминалось выше, в настоящем изобретении воздух из полости 7 выводят в зону 23, и этот воздух используется для сжигания топлива, введенного в зону 23. При этом для того чтобы способствовать улучшению сгорания в зоне 23, предпочтительно способствовать введению воздуха. Предпочтительно выполнять вторую полость 14 в центре внутренней стенки головки цилиндра. Если такая вторая полость 14 предусмотрена, то при возникновении обратного потока R воздух из второй полости 14 вытесняется в зону 23, как показано на стрелке X на фиг. 8, и потому большое количество воздуха подается внутрь зоны. В результате получается намного больше заключительная фаза сгорания в зоне 23.
Топливо, сталкиваясь с плоскостью 13, целиком распределено по всей полости, и начальная фаза сгорания проводится в центре полости 7. Следовательно, предпочтительно использовать топливную форсунку 15 такую, как показано на фиг. 4 и 5. То есть, когда применяется игла 17 со срезами 19 такими, как показано на фиг. 4 и 5, топливо, впрыснутое из отверстия 16, разделяется на четыре главных потока и, в результате, как показано на фиг. 9, топливо при столкновении с плоскостью 13 распыляется по четырем направляющим с соответствующим рисунком распыла. В этом случае в центре распыла имеются крупнозернистые частицы топлива, обладающие высокой проникающей способностью, так что эти крупные частицы топлива пролетают вблизи внутренних периферийных стенок полости 7, благодаря этому существует возможность распределить впрыснутое топливо по углам полости 7. В противоположность этому мелкие частицы топлива, почти не обладающие проникающей способностью и сконцентрированные вокруг плоскости 13, воспламеняются первыми. Поэтому если применяется игла 17 согласно фиг. 4 и 5, топливо при столкновении с плоскостью 13 распыляется целиком по всей полости 7 и начальное воспламенение может быть проведено в центре полости 7.
Далее, в этом варианте осуществления изобретения большое число вырезов 10 выполнено по периферии горловины. Если в горловине выполнено большое количество вырезов 10, то сильная турбулизация сообщается газу, проходящему через дросселирующую часть посредством этих вырезов 10. В результате, смесь факела топлива G и воздуха в зоне 23 активируется и, следовательно, получается лучшее сгорание. Далее согласно варианту осуществления настоящего изобретения по фиг. 1, чтобы предупредить, по возможности, снижение скорости газового потока, истекающего через дросселирующую часть, внешняя поверхность периферийной стенки рассекателя 12 имеет коническую форму, расходящуюся кверху.
На фиг. 10 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Держатель 24 топливной форсунки 15 закреплен вместе с форсункой в головке 3 цилиндра. Рассекатель 12 с плоскостью 13 закреплен на держателе 24 с помощью поддерживающего элемента 25. В этом варианте по фиг. 10, когда поршень 2 подходит к ВМТ, плоскость 13 оказывается расположенной в полости 7.
В обоих вариантах настоящего изобретения и по фиг. 1, и по фиг. 10, подразумевается применение в качестве топлива бензина, а также метилового спирта, керосина, топливного масла, различных синтетических топлив, растительных масел и других жидких топлив. Далее, во всех вариантах осуществления изобретения нет необходимости создавать вихрь в камере 4 сгорания, так что разрежение при наполнении может быть небольшим, а коэффициент наполнения может быть получен высокий.
Далее, во всех вариантах осуществления изобретения, как упоминалось ранее, запаздывание воспламенения намного укорочено и степень повышения давления и максимальная температура цикла сглажены настолько, что снижен шум от сгорания. Степень использования воздуха также повышена настолько, что существенно снижены содержание дымных газов и продуктов с окислами азота. Далее, поскольку нет осадков впрыснутого топлива на стенках камеры 4 сгорания, то существенно снижено и количество несгоревших углеводородов. Далее, общий термический КПД повышается вследствие снижения содержания CO2, и еще, преимущественно заключается в том, что нет необходимости поднимать давление впрыска топлива.
Как упоминалось выше, согласно настоящему изобретению, есть возможность значительно улучшить термический КПД, одновременно существенно снижая содержание углеводородов, окислов азота и других вредных компонентов и дыма.
Реферат
Использование: изобретение может быть использовано в ДВС. Сущность изобретения: ДВС с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском топлива имеет плоскость 13 сталкивания, выполненную в полости 7, которая образована в днище поршня, и топливо впрыскивается в виде непрерывной жидкой струи из топливной форсунки 15 на плоскость 13 сталкивания. Момент начала впрыска топлива из форсунки 15 задается вблизи верхней мертвой точки, и начальная фаза сгорания проводится в полости 7. Топливо, столкнувшееся с плоскостью 13 сталкивается, вытесняется в плоскую зону 23 под действием обратного потока, создаваемого при движении поршня 2 вниз от верхней мертвой точки, и значительная часть фазы сгорания, следующая после начальной фазы сгорания, проводится в плоской зоне 23 после верхней мертвой точки. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.
