ПОРШЕНЬ С НЕГЛУБОКОЙ ЧАШЕЙ И ФОРСУНКА ДЛЯ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРЯМЫМ ВПРЫСКОМ (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящее изобретение относится к устройству чаши днища поршня и форсунки впрыска топлива для двигателей внутреннего сгорания с прямым впрыском и искровым зажиганием.
Уровень техники
Прямой впрыск топлива в камеру сгорания бензинового двигателя внутреннего сгорания с прямым впрыском (GDI) потенциально экономит топливо, уменьшает выхлопы и увеличивает вращающий момент/мощность по сравнению с традиционными двигателями с системой точечного впрыска (PFI). Такие системы сгорания описаны в большом количестве источников, в частности, в патентах США №7,418,940, №7,571,708, №6,460,509, №6,269,789, №5,941,207, №5,209,200, №5,115,774, №4,522,173.
В системах GDI топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, где оно испаряется, смешивается с воздухом и позже воспламеняется с помощью свечи зажигания. Основной механизм сохранения топлива систем GDI с гомогенным зарядом -это охлаждение заряда после испарения топлива, что позволяет достичь большей степени сжатия для более эффективной работы двигателя. Охлаждение заряда также влияет на увеличение потенциала вращающего момента в двигателях GDI посредством более высокой объемной эффективности при полной нагрузке. Воздух, всасываемый в двигатель, является более плотным за счет охлаждения заряда, что способствует поступлению большего количества воздуха и большей выработке энергии. Снижение выбросов из двигателей GDI по сравнению с двигателями PFI является возможным за счет послойного сгорания заряда с использованием распределенного впрыска во время холодного запуска - рабочего состояния, вносящего большой вклад в объем выбросов. При распределенном впрыске происходит меньше выбросов во время холодного запуска, поскольку уменьшается масса поданного топлива и снижение смачивания поверхности жидким топливом. Распределенный впрыск также способствует более быстрому погашению катализатора за счет задержки момента зажигания, вызванного высокотемпературным потоком.
Для двигателей GDI, однако, потенциально характерно худшее топливно-воздушное смешивание по сравнению с двигателями PFI. Смешивание в двигателях GDI контролируется взаимодействием струи топлива с турбулентным потоком воздуха в цилиндре. Таким образом, смешивание зависит от времени, пространственного распределения струи топлива и характеристик движения заряда внутри цилиндра. Чтобы равномерно распределить топливо по камере сгорания, оптимизируют взаимодействие между пространственным направлением распылителя(ей) топлива и движением воздуха. Кроме того, во время хода всасывания максимально увеличивают время смешивания. Если во время хода всасывания топливо впрыскивается слишком поздно и/или топливо недостаточно диспергируется направлением системы струйного впрыска топлива, то для испарения и полного смешивания будет недостаточно времени. Это приведет к возникновению бедных и богатых участков. Сгорание богатых зон ведет к неполному сгоранию, что характеризуется повышенным количеством выбросов СО и неполным использованием кислорода в смеси заряда, и, таким образом, приводит к низкой эффективности сгорания, что вызывает более высокое потребление топлива. С другой стороны, если впрыск топлива происходит слишком рано, топливо ударяется о поршень, тем самым создавая жидкую пленку, которая может сохраняться после процесса смешивания и образовать выбросы сажи. В сущности, это является побочным эффектом двигателей GDI, когда нежелательные выбросы сажи происходят во время раннего начала впрыска (SOI), а эффективность топлива ниже оптимальной во время позднего SOI.
Обычно часть топлива впрыскивают во время завершения хода сжатия, чтобы создать богатую зону вблизи свечи зажигания для облегчения холодного старта. Система впрыскивания и система сгорания, оптимизированные для смешивания при частичной нагрузке, необязательно создают желаемое богатое топливное облако вблизи свечи в момент зажигания для обеспечения стабильного сгорания в условиях холодного запуска.
В патенте США №7,571,708 представлена система сгорания, содержащая головку цилиндра, впускные и выпускные клапаны и поршень, который может иметь углубление. При этом поток топлива направляется непосредственно на верхнюю часть поршня.
В документе 6,460,509 и 6,269,789, 5,115,774 и 4,522,173 раскрыта система сгорания с прямым впрыском, содержащая поршень с полостью на верхней поверхности, и инжекционный клапан для впрыска топлива в полость.
В патенте №5,941,207 описан двигатель внутреннего сгорания с прямым впрыском, имеющим поршень с плоской верхней поверхностью.
В патенте №5,209,200 представлен двигатель внутреннего сгорания, содержащий головку цилиндра и поршень. В головке цилиндра выполнено углубление, в котором расположен наконечник форсунки.
В качестве ближайшего аналога может быть выбран патент США №7,418,940, в котором раскрыта система сгорания, содержащая головку цилиндра, топливную форсунку с несколькими распылителями, отверстие цилиндра и поршень, имеющий углубление в виде чаши. Однако взаимное расположение впускных клапанов и чаши поршня в известном устройстве таково, что площадь поверхности камеры сгорания является большой. Кроме того, в известном устройстве системы сгорания наблюдаются значительные выбросы сажи.
Задача изобретения заключается в том, чтобы создать такую форму системы форсунок /камеры сгорания, которая дает хорошее смешивание, чтобы уменьшить выбросы сажи и обеспечить достаточную тепловую эффективность при частичной нагрузке, и в то же время приводит к формированию слоистой смеси при холодном запуске с богатой зоной рядом со свечой зажигания. В некоторых системах сгорания в днище поршня выполняют глубокую выемку сложной геометрической формы, чтобы частично задерживать богатое топливо на участке рядом со свечой зажигания для обеспечения богатой зоны для надежности холодного старта. Раскрытие полезной модели
Система сгорания содержит головку блока цилиндров, имеющую два впускных клапана и по меньшей мере один выпускной клапан, причем отверстие цилиндра соединено с головкой цилиндра, свеча зажигания установлена по существу в центре головки цилиндра, топливная форсунка установлена на периферии головки цилиндра снаружи (за пределами) двух впускных клапанов и симметрично по отношению к ним и поршню в отверстии цилиндра. На днище поршня находится сферический купол с образованным в нем сферическим чашеобразным углублением (чашей). Чаша, как правило, расположена большей частью под впускными клапанами на стороне поршня, ближайшей к впускным клапанам. Диаметр чаши лежит главным образом в поперечной (диаметральной) плоскости, заданной верхушкой свечи зажигания, наконечником форсунки и центральной осью поршня.
Чаша может быть выполнена с помощью шарового режущего инструмента с диаметром от 0.75 до 1.0 диаметра поршня. Система сгорания также может содержать выпускной клапан, расположенный в головке цилиндра в месте более удаленном от топливной форсунки, чем впускные клапаны. Диаметр чаши (диаметр круга, образующего контур чаши, и представляющего собой границу чаши и купола) меньше, чем половина диаметра поршня, а чаша расположена таким образом, что никакая ее часть не находится под выпускным клапаном. Наиболее удаленная от топливной форсунки точка чаши расположена приблизительно под свечой зажигания. Или, альтернативно, свеча зажигания имеет продольную ось, пересекающую кромку чаши поршня, и наиболее удаленная от топливной форсунки точка чаши расположена в пределах 5 мм от продольной оси и приблизительно под наиболее удаленной от топливной форсунки точкой поверхности свечи зажигания.
Продольная ось топливной форсунки формирует угол по меньшей мере в 60 градусов с центральной осью отверстия цилиндра. В другом варианте, угол, образованный между центральной осью отверстия цилиндра и осью топливной форсунки, больше, чем угол, образованный между осью топливной форсунки и горизонтальной плоскостью, перпендикулярной центральной оси отверстия цилиндра. Топливная форсунка имеет по меньшей мере пять сопел (в одном из вариантов - шесть сопел), два из которых направлены в сторону чаши поршня и расположены с обеих сторон вышеуказанной диаметральной плоскости (с обеих сторон от диаметра чаши, расположенного на одной прямой с топливной форсункой). Топливная форсунка между двумя соплами, направленными в сторону чаши поршня, является сплошной и герметична, то есть между двумя соплами, смещенными по отношению к диаметральной плоскости, других сопел нет.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана часть днища поршня с куполом, неглубокой чашей и другими элементами, расположенными на верху купола;
На Фиг.2 показано поперечное сечение камеры сгорания с поршнем, показанным на Фиг.1;
Фиг.3 представляет собой вид в изометрии системы сгорания, показывающий распределение шести топливных инжекторных струй, поступающих из топливной форсунки; и
Фиг.4 представляет собой диаграмму целевых точек топливных инжекторных струй на расстоянии 50 мм от наконечника форсунки.
Осуществление полезной модели
Как понятно специалистам в данной области, проиллюстрированные и описанные со ссылкой на любую из фигур различные признаки вариантов воплощения изобретения, могут быть объединены с признаками, проиллюстрированными на одной и более других фигур, с целью создания альтернативных вариантов, которые могли быть изображены или описаны не детально. Комбинации проиллюстрированных признаков представляют собой репрезентативные варианты воплощения для типичного использования. Однако, для конкретного, использования или воплощения могут быть необходимы различные комбинации и модификации признаков в сочетании с положениями настоящего описания. Репрезентативные варианты, использованные в иллюстрациях, относятся, в основном, к четырехтактному, многоцилиндровому двигателю внутреннего сгорания с прямым впрыском и искровым зажиганием, имеющим рядную конфигурацию. Специалисты в данной области могут распространить данное использование или воплощение на другие технологии и конфигурации двигателя/транспортного средства, включая, но не ограничиваясь, например, рядными конфигурациями.
Фиг.1 представляет собой чертеж в изометрии части поршня, а именно днища поршня 10, в соответствии с вариантом изобретения. Поршень 10 механически обработан или отлит так, что он имеет купол 12, который геометрически описан как часть сферы, отсеченная плоскостью. Купол симметрично расположен на днище поршня так, что центр купола примерно совпадает с продольной осью поршня 10. Выполнение купола симметричным упрощает процесс высечения по сравнению со смещенной конфигурацией.
Внутри купола 12 вырезаны следующие элементы: неглубокая чаша 14, углубления 15 для размещения впускных клапанов, углубления 16 для размещения выпускных клапанов, зона 17 завихрения вблизи впускных клапанов, зона 18 завихрения вблизи выпускных клапанов, и углубление 19 для размещения электродов свечи зажигания. Углубления 15 и 16 выполнены таким образом, чтобы впускные и выпускные клапаны имели минимальный заданный зазор с куполом поршня в их граничной фазе с положением коленвала двигателя. Например, у впускных клапанов есть зазор во время фазировки с полным опережением в рамках возможностей клапанного механизма, и фазировка проходит таким образом, что открытие клапана совершается до мертвой точки положения днища поршня (TDC). Подобным же образом, выпускные клапаны будут иметь зазор во время фазировки с полным запаздыванием в пределах возможностей клапанного механизма, когда закрытие выпускного клапана происходит после мертвой точки положения днища поршня (TDC). Все другие фазы, помимо впускного опережения и выпускного запаздывания, уменьшат этот зазор. Также могут быть включены ряд параметров клапанного механизма и система углублений поршня, которые обычно называются муфтой свободного хода. Таким образом, поршень 10 двигается возвратно-поступательно в гильзе цилиндра. Впускные и выпускные клапаны также двигаются возвратно-поступательно с фазами закрытия и открытия, связанными с движением поршня с помощью зубчатого ремня или цепи ГРМ. При правильном распределении фаз, клапаны и поршень не сталкиваются. Однако если зубчатый ремень соскальзывает или повреждается, клапаны и поршень, теоретически, могут удариться друг о друга, что может привести к поломке двигателя. Чтобы избежать такой ситуации, на днище поршня 10 выполнены углубления, обычно называемые «брови». Таким образом, задается небольшой зазор между поршнем в положении верхней мертвой точки и клапанами, зафиксированными в открытом положении.
Головка цилиндра не показана на Фиг.1. Однако известно, что головка цилиндра имеет небольшой промежуток с зонами завихрения 17 и 18, когда поршень 10 находится в положении верхней мертвой точки. Газы, находящиеся вблизи зон завихрения, направляются в главную камеру сгорания, когда поршень поднимается к верхней мертвой точке, тем самым вызывая турбулентность в камере сгорания. Также на Фиг.1 не отражена взаимосвязь между верхушкой свечи зажигания и поршнем 10. Углубление 19 выполнено для того, чтобы разместить верхушку свечи зажигания так, что она достигает камеры сгорания. Это может быть полезным для электродов свечи зажигания, т.к. место, где образуется ядро факела, должно быть расположено вдали от головки цилиндра, на участке, где движение жидкости более интенсивно. Однако чтобы способствовать высокой степени сжатия, поршень двигается очень близко к головке цилиндра в верхней мертвой точке. Углубление 19 создает пространство для электродов свечи зажигания, чтобы избежать столкновения с поршнем 10.
В куполе 12 при помощи шарового режущего инструмента выполнена чаша 14. Полученное в результате углубление имеет куполообразную форму, т.е. вогнутая куполообразная чаша вынута из выпуклого купола 12. Поверхность между чашей 14 и куполом 12 является по существу круговой. В одном варианте поршень имеет диаметр примерно 90 мм, диаметр шарового режущего инструмента составляет около 80 мм, а размер чаши, определенный пересечением чаши и сферических размеров купола, составляет около 40 мм. Основываясь на этих размерах, полученная в результате глубина чаши, по отношению к круговой граничной поверхности, составляет около 5 мм, что значительно меньше, чем чаши обычных двигателей с прямым впрыском. Преимуществами такой неглубокой чаши являются: минимальное влияние на коэффициент сжатия, минимальный вклад в увеличение участка поверхности днища поршня, и необходимость только одной операции высечения для создания такой чаши. Примеры размеров здесь и далее не являются ограничивающими. Кроме того, для холодного поршня типично небольшое отклонение от круглой формы, поскольку, когда поршень увеличивается в размере в результате нагревания, он становится относительно круглым. Таким образом, у поршня нет единого значения диаметра, т.е. диаметр - это средний диаметр поршня. Чтобы выполнить неглубокую чашу, диаметр режущего инструмента должен составлять, как минимум, 0,75 от величины диаметра поршня. В одном из вариантов диаметр режущего инструмента находится в пределах от 0,75 до 1,0 от величины диаметра поршня.
На Фиг.2 изображено поперечное сечение примера цилиндра или камеры сгорания многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с прямым впрыском, иллюстрирующее действие одной из модификаций системы или способ работы двигателя с прямым впрыском в соответствии с настоящим изобретением. Двигатель 20 содержит блок 22 двигателя, имеющий совокупность отверстий 24 цилиндров. Камера сгорания 30 определена головкой 28 цилиндра, отверстием 24 цилиндра и поршнем 10, причем последний двигается возвратно-поступательно внутри отверстия 24 цилиндра. Головка 28 цилиндра включает в себя различные впускные каналы 46 и выпускные 48 каналы. Специалистам в данной области понятно, что, несмотря на то, что в одну модификацию входят два впускных канала и два выпускных канала на каждый цилиндр (только по одному из которых показано на Фиг.2), настоящее изобретение также применимо к конфигурациям двигателя, имеющим два и более впускных канала и один и более выпускных каналов.
В каждую камеру 30 сгорания входят впускной клапан 50 для каждого впускного канала и выпускной клапан 52 для каждого выпускного канала. Впускной клапан 50 селективно соединяет камеру 30 сгорания с соответствующим впускным коллектором (не показан). Таким же образом, выпускной клапан 52 селективно соединяет камеру 30 сгорания с соответствующим выпускным коллектором (не показан). Конечно, в зависимости от конкретного варианта выполнения, впускной и/или выпускной коллектор могут быть установлены полностью внутри головки 28 цилиндра или могут представлять собой отдельные компоненты. Впускной клапан 50 и выпускной клапан 52 могут быть приведены в действие любым из известных способов, включая традиционную конфигурацию распределительного вала, различное фазирование распределительного вала и/или различные конфигурации подъема или с использованием, например, электромагнитных приводов клапана.
В каждую камеру 30 сгорания входит соответствующая установленная сбоку в головке цилиндра 28 топливная форсунка 60, проходящая сквозь боковую часть камеры 30 сгорания. Продольная ось 72 топливной форсунки 60 расположена под углом по отношению к продольной оси 42 цилиндра, зависящим от конкретного варианта использования и воплощения. Во время работы в ответ на один или более соответствующих сигналов о впрыске топлива, производимых контроллером двигателя, топливная форсунка 60 распыляет топливо через несколько сопел и практически одновременно выпу екает струи напрямую в камеру 30 сгорания, чтобы создать желаемую форму факела топлива.
Также, как показано на Фиг.2, каждая камера 30 сгорания включает в себя источник воспламенения, такой как свеча зажигания 62, которая расположена в крышке цилиндра. Поршень 10 расположен с возможностью возвратно-поступательного движения внутри каждого отверстия 24 цилиндра и соединен традиционным способом с коленчатым валом с помощью шатуна (не показан). Как описано выше, поршень 10 содержит куполообразное днище, имеющее чашу сгорания 14, способствующую формированию необходимого облака воздушно-топливной смеси, особенно во время воспламенения послойного заряда топлива, такого как, например, при холодном запуске.
Настоящее изобретение также представляет устройство форсунки с несколькими соплами для двигателей внутреннего сгорания с прямым впрыском топлива (GDI), которая оптимизирована, чтобы уменьшить выбросы горения и увеличить топливную эффективность двигателей GDI.
На Фиг.3 показано распылительное устройство шестисопловой форсунки, которое было оптимизировано так, чтобы уменьшить выбросы продуктов горения и увеличить топливную эффективность двигателя GDI. Показана часть цилиндра с проекциями 51 впускных клапанов, проекциями 53 выпускных клапанов и проекцией 63 свечи зажигания в полуразрезе. Наконечник 61 топливной форсунки изображен с шестью распылителями 1-6, направленными из стенки между впускными клапанами в камеру сгорания. Струя 1 выделена немного больше, чем остальные, поэтому в изометрическом изображении на Фиг.3 она кажется короче, чем другие струи. Струи 5 и 6 направлены в чашу и на Фиг.3 кажутся длиннее. Однако топливо впрыскивается одновременно из всех сопел форсунки и кончики топливных струй относительно одинаково отдалены от сопел форсунки, за исключением случаев воздействия на элементы камеры сгорания или в случае, когда на них влияет поток жидкости в камере сгорания.
На Фиг.4 и в Таблице 1 показаны индивидуальные размеры целевых позиций впрыска на плоскости, перпендикулярной оси форсунки, и на расстоянии 50 мм от наконечника форсунки, для инжекторных впрысков, показанных на Фиг.3. Можно отметить, что на Фиг.4 показана схема впрыска ниже наконечника форсунки с видом в перспективе в направлении наконечника форсунки, аналогичным виду в перспективе, показанном на Фиг.3. Угол альфа характеризует положение каждой струи по отношению к отрицательной оси ординат, тогда как положительная ось расположена по часовой стрелке. Угол отклонения - это объемный угол между струей и осью форсунки. Углы форсунки определены как установочные угол в 27,5°, измеряемый от горизонтальной плоскости, или в 62,5° по отношению к оси, параллельной отверстию цилиндра. Следовательно, нацеливание форсунки, описанное в Таблице 1, зафиксированное углом установки форсунки в 27,5°, указывает на действительное нацеливание впрыска внутри цилиндра. Такой угол установки форсунки приведен в качестве примера, однако, подобное нацеливание внутри цилиндра может быть получено и для других углов установки путем регулировки расположения распылителей форсунки. Углы распылителей, приведенные в Таблице 1, должны рассматриваться как допустимые диапазоны, основанные на значении, приведенном в Таблице, плюс-минус 5°. Координаты х, у и z могут быть соответственно изменены по сравнению со значениями, указанными в Таблице 1, в рамках указанного диапазона для каждого отдельного распылителя.
Таблица 1.
Нацеливание струи впрыска
Номер распылителя
Альфа,°
Угол отклонения от оси, °
х, мм
у, мм
Z, мм
1
180
15,0
0
13,90
-50
2
75,0
21,4
-19,41
-5,20
-50
3
0,0
5,0
0,00
-4,87
-50
4
-75,0
21,4
19,41
-5,20
-50
5
38,5
27,0
-16,17
-20,33
-50
6
-38,5
27,0
16,17
-20,33
-50
Форсунки инжектора выполнены таким образом, чтобы избежать смачивания клапанов и минимизировать смачивание гильзы цилиндра и поршня. Кроме того, распылители должны взаимодействовать с неглубокой чашей поршня для обеспечения слоистого смешивания вокруг свечи зажигания, для обеспечения стабильности при холодном запуске и уменьшение количества выхлопов. Распылители 1-4 обеспечивают хорошее смешивание и создание однородной смеси. Струи распылителей 1 и 3 нацелены между впускными клапанами и достигают стороны выпуска настолько далеко, насколько это возможно, с минимальным смачиванием гильзы цилиндра. Распылители 2 и 4 направлены так, чтобы минимизировать смачивание клапанов, поскольку смачивание клапанов является основным источником сажи. Распылители 3, 5, 6 обеспечивают хорошую стабильность сгорания для послойного заряда топлива при холодном запуске, что гарантируется тем, что распылители по существу заключены в пределах неглубокой чаши поршня.
Было обнаружено, что нацеливание большего количества распылителей на чашу поршня способствует производству стабильной и богатой смеси вокруг свечи зажигания, что улучшает стабильность сгорания при холодном запуске. Однако негативным побочным эффектом является большее количество дымовых выбросов. В одной из известных систем, описанной в документе US 7,418,940 В1, который полностью включен в настоящее описание в качестве ссылки, три распылителя направлены на чашу поршня. То есть, система, описанная в US 7,418,940, имеет дополнительный распылитель, расположенный между распылителями 5 и 6, показанными на Фиг.3. Было установлено, что такой дополнительный распылитель, направленный прямо в центр чаши поршня, несоразмерно увеличивает выбросы сажи. Распылители 5 и 6 не так сильно влияют на выработку сажи, возможно, благодаря тому, что они направлены на чашу под углом.
В Таблице 2 показана площадь поверхности камеры сгорания для чаши поршня, схожей по своему принципу с чашей поршня, описанной в US 7,418,940, в сравнении с чашей поршня, раскрытой в данном документе.
Таблица 2.
Сравнение площади поверхности двух камер.
Поршень
Коэффициент сжатия
Площадь камеры сгорания (мм<sup>2</sup>)
% коррекции
US 7,418,940 В1
12,03
19517
Исходный уровень
По настоящему изобретению
11,99
18867
-3,3
Известно, что при уменьшении площади поверхности на 3,3% экономия топлива составляет 1%, то есть примерно столько, сколько было установлено экспериментально в одноцилиндровом динамометрическом двигателе без ухудшения стабильности сгорания при холодном запуске. Данные также свидетельствуют о том, что оптимизированный инжектор способствует более раннему началу впрыска без увеличения дымовых выхлопов, что значительно улучшает смешивание по сравнению с форсунками, в которых три из шести распылителей направлены на чашу поршня.
Несмотря на то, что был детально описан наилучший метод для конкретных вариантов воплощения изобретения, специалистам в данной области понятно, что имеются различные альтернативные модели и модификации в рамках представленной патентной формулы. Несмотря на то, что могло бы быть описано множество различных модификаций, преимущественных или предпочтительных в отношении одной или более желаемых характеристик, специалисты в данной области понимают, что можно опустить одну или более характеристику, чтоб получить желаемые свойства системы, которые зависят от конкретного использования и воплощения. Эти свойства включают в себя, но без ограничения перечисленным, стоимость, мощность, срок службы, расходы за срок службы, ликвидность, внешний вид, упаковку, размер, удобство технического обслуживания, вес, технологичность, легкость сборки и пр. Модификации, описанные в данном документе как менее желательные, или известные устройства по отношению к одной или более характеристик, входят в объем настоящего изобретения и могут использоваться для его конкретных воплощений.