ГОЛОВКА ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ПОВОРОТНЫЙ КЛАПАН ВО ВПУСКНОМ КАНАЛЕ (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится полезная модель
Представленное устройство относится к системе регулировки вихревого потока воздуха в цилиндре двигателя транспортного средства, например, двигателя с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива, с использованием поворотного клапана во впускном воздуховоде.
Уровень техники
В транспортных средствах, оборудованных двигателями с непосредственным впрыском топлива, используют различные технологии смешивания топлива с воздухом в цилиндре двигателя. При эффективном смешивании увеличивается эффективность сгорания топлива, что обеспечивает устойчивость горения и бесперебойную работу. В двигателях с искровым зажиганием вихревой поток можно использовать для достижения турбулентности, что подразумевает вихревое движение в плоскости, по существу перпендикулярной оси цилиндра, для улучшения смешивания топлива с воздухом. В зависимости от условий эксплуатации, может быть преимущественным поток с большими или меньшими завихрениями.
В патенте США №5,718,198 описан пример способа регулировки вихревого потока с использованием подвижной пластины в середине каждой из совокупности трубок впускного коллектора (данный документ может быть выбран в качестве ближайшего аналога данной полезной модели). На подвижной пластине имеется множество отверстий, по размеру и форме соответствующих поперечным сечениям каждой трубки впускного коллектора. Подвижная пластина движется вверх и вниз и осуществляет одновременную регулировку объема/скорости воздушного потока через все трубки впускного коллектора, частично перекрывая поступление потока воздуха или пропуская полный поток. Например, при повышенной нагрузке и/или скорости вращения двигателя, подвижная пластина располагается по отношению к трубкам впускного коллектора таким образом, чтобы полностью открывать воздушные каналы и, соответственно, пропускать полный поток воздуха. В другом примере, при работе на холостом ходу или при малом числе оборотов, подвижную пластину передвигают в такое положение относительно трубок впускного коллектора, чтобы они были открыты только частично, вдоль верхней части. В результате в верхней части каждого воздуховода создается отверстие со смещенным центром, что заставляет воздух, поступающий через отверстия, двигаться по вихревой траектории.
Авторы отмечают потенциальные ограничения данного способа формирования вихревого воздушного потока. Например, когда подвижная пластина частично закрыта, воздух, проходящий через трубку впускного коллектора, может повредить преграждающую стенку подвижной пластины, так как воздушный поток изменяет направление для того, чтобы пройти сквозь отверстие. Следовательно, создается значительное сопротивление потоку воздуха и резкое падение скорости воздушного потока при движении от впускной стороны подвижной пластины к стороне, направленной к цилиндру. Другой проблемой может быть то, что, для вертикального движения пластины в двигателе должно быть достаточно места, как над трубками впускного коллектора, так и под ними. В компактных моделях двигателей свободное пространство данных областей крайне ограничено.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом данной полезной модели является повышение компактности и надежности устройства регулирования воздушного потока во впускном коллекторе двигателя при любых условиях работы двигателя.
Некоторые из вышеуказанных ограничений могут, по крайней мере, частично быть устранены использованием головки цилиндров двигателя, соединенной с цилиндром, содержащей впускной канал со стенкой и поворотный клапан, при этом поперечное сечение клапана имеет первую поверхность с большей кривизной, чем вторая поверхность. В первом положении поворотного клапана вторая поверхность совпадает с кривизной стенки, во втором положении первая поверхность и вторая поверхность выдаются в канал, формируя ступень на стенке. В одном примере, первое положение позволяет воздушному потоку проходить через впускной канал с меньшими препятствиями, поскольку вторая поверхность совпадает с кривизной стенки впускного канала. Такое первое положение клапана можно использовать при высокой нагрузке/скорости вращения двигателя для повышения эффективности воздушного потока, увеличивая тем самым максимальное значение крутящего момента двигателя. Во втором положении поворотного клапана первая поверхность и вторая поверхность могут создавать ступень по ходу движения воздушного потока по каналу, выступая внутрь впускного канала, что может увеличивать завихрения потоков во входящей струе воздуха и в цилиндре. Во втором положении на первую поверхность действует поток выше по течению (поток между отверстием впуска воздуха и поворотным клапаном), а на вторую поверхность действует поток ниже по течению (между поворотным клапаном и цилиндром). Во втором положении первый угол между первой поверхностью и стенкой имеет первую величину, а второй угол между второй поверхностью и стенкой имеет вторую величину, причем значение первой величины больше, чем значение второй величины.
Таким образом, второе положение можно использовать при низкой нагрузке/скорости двигателя для увеличения завихрения потока. Кроме того, поскольку клапан может поворачиваться между данными положениями, а также принимать другие промежуточные и последующие положения, достигается компактность конструкции головки цилиндра.
В третьем положении поворотного клапана первая поверхность и вторая поверхность частично выдаются в канал и формируют на стенке искривленную ступень, причем третье положение является промежуточным между первым положением и вторым положением. В таком положении третий угол между первой поверхностью и стенкой имеет третью величину, а четвертый угол между второй поверхностью и стенкой имеет четвертую величину, причем значение третьей величины больше, чем значение четвертой величины.
В одном конкретном примере, поворотный клапан расположен на искривленном участке впускного канала, вблизи соединения впускного канала с головкой цилиндра. Кроме того, поворотный клапан выполнен с возможностью вращения вокруг оси, находящейся вне впускного канала, например, установленной на компоненте транспортного средства, который находится вне впускного канала. Поворотная ось также может быть расположена между первой криволинейной поверхностью и второй криволинейной поверхностью. Таким образом, поворотный клапан расположен в месте, где на поток воздуха негативно влияет низкая нагрузка/скорость двигателя.
Следует понимать, что приведенное выше краткое описание имеет целью представить в упрощенном виде выбор концепций, далее описываемые более подробно. Краткое описание не определяет основные или существенные отличительные признаки заявленного устройства, равно как не может рассматриваться как ограничивающая объем заявленной полезной модели. Кроме того, представленное устройство не ограничивается вариантами осуществления, устраняющими любые или все недостатки, отмеченные в любой части настоящего описания.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 представляет собой поперечное сечение примера топливного цилиндра с искровым зажиганием и непосредственным впрыском.
ФИГ.2 представляет собой детальное изображение впускного канала и поворотного клапана в первом положении.
ФИГ.3 представляет собой детальное изображение впускного канала и поворотного клапана во втором положении.
ФИГ.4 представляет собой детальное изображение впускного канала и поворотного клапана в третьем положении - промежуточном между первым и вторым положениями.
ФИГ.5А и 5В представляют собой изображение примера распределения воздушного потока при низком вихревом коэффициенте и пример распределения воздушного потока при высоком вихревом коэффициенте, соответственно.
ФИГ.6 представляет собой график, показывающий зависимость положения поворотного клапана от вихревого коэффициента.
ФИГ.2-4 отображены в приблизительном масштабе.
Осуществление полезной модели
Следующее описание относится к головке цилиндра двигателя транспортного средства, такого как бензиновый двигатель с искровым зажиганием и непосредственным впрыском, которая содержит впускной канал с поворотным клапаном. Двигатели с искровым зажиганием могут использовать вихревое движение потока для создания турбулентности в топливных цилиндрах, что подразумевает вращательное движение в плоскости, по существу перпендикулярной оси цилиндра, где угловая скорость пропорциональна скорости двигателя. Вихревой коэффициент определяется как угловая скорость, нормализованная скоростью вращения двигателя. Таким образом, вихревой коэффициент можно использовать для представления силы движения воздушного потока внутри цилиндра. При низком вихревом коэффициенте вихревое движение воздушного потока может быть недостаточным для создания турбулентности для эффективного смешивания воздуха и топлива, что приводит к снижению показателей работы двигателя. Для обеспечения эффективного смешивания воздуха и газа в цилиндре двигателя, как при высокой, так и при низкой нагрузке/скорости, поворотный клапан во впускном канале можно переводить между первым положением (при низкой нагрузке/скорости) и вторым положением (при высокой нагрузке/скорости).
Поворотный клапан имеет первую криволинейную поверхность и вторую криволинейную поверхность. Радиус кривизны первой криволинейной поверхности больше, чем у второй криволинейной поверхности. Вторая криволинейная поверхность расположена во впускном канале и в первом положении совпадает с формой стенки впускного канала.
В первом положении воздушный поток не встречает препятствий на своем пути, через область клапана проходит больше воздуха, благодаря относительно равномерному распределению потока между областями верхнего и нижнего отверстий. Более высокая скорость воздушного потока увеличивает крутящий момент и мощность двигателя при работе в режиме полной нагрузки. Во втором положении воздушный поток встречает на своем пути больше препятствий, чем в первом положении, и поворотный механизм выдается (еще больше) в канал воздушного потока. В данном случае, боле внезапное изменение направления потока приводит к разделению потока, при котором поток будет двигаться по траектории первой криволинейной поверхности, более смещаясь к верхней части отверстия. Как только поток достигает цилиндра, образуется усиленный вихревой поток (циркуляция). Данный ускоренный поток повышает однородность смешивания топлива и воздуха. Кроме того, он может характеризоваться повышенной интенсивностью турбулентности, что повышает интенсивность сгорания топлива в двигателе. Повышенная однородность смешивания и интенсивность сгорания обеспечивают улучшение показателей работы двигателя с неполной нагрузкой, таким образом, повышается эффективность использования топлива и сокращается его расход. На ФИГ.1 показан пример топливного цилиндра с непосредственным впрыском и искровым зажиганием. Топливный цилиндр с непосредственным впрыском и искровым зажиганием состоит, в том числе, из камеры сгорания, впускного канала с поворотным клапаном, свечи зажигания, топливной форсунки и выхлопного канала. На ФИГ.2 детально показан впускной канал с ФИГ.1, включая поворотный клапан в первом положении. В первом положении первая криволинейная поверхность совпадает со стенкой впускного канала, и вихревой коэффициент не увеличивается из-за поворотного клапана. Как показано на ФИГ.3, во втором положении первая и вторая криволинейные поверхности каждая частично располагается во впускном канале, таким образом, что поворотный клапан существенно выдается в канал воздушного потока и увеличивает вихревой коэффициент за счет прерывистого ступенчатого движения воздушного потока. Кроме того, поворотный клапан может быть повернут в несколько промежуточных положений, в зависимости от нагрузки/скорости двигателя. Пример промежуточного положения поворотного клапана показан на ФИГ.4. На ФИГ.5А показан пример воздушного потока при низком вихревом коэффициенте на примере топливного цилиндра, изображенного на ФИГ.1. На ФИГ.5В показан пример воздушного потока при высоком вихревом коэффициенте на примере топливного цилиндра, изображенного на ФИГ.1. ФИГ.6 представляет собой график зависимости положения поворотного клапана от вихревого коэффициента.
На ФИГ.1 показан пример топливного цилиндра 100 с непосредственным впрыском и искровым зажиганием, который содержит головку 102 цилиндра, соединенную с корпусом 104 цилиндра. Камера сгорания 108 расположена между головкой 102 цилиндра, корпусом 104 цилиндра, и поршнем 122. Головка 102 цилиндра содержит топливную форсунку 106, которая распыляет топливо в камеру сгорания 108. Кроме того, головка 102 цилиндра содержит свечу зажигания 110, воспламеняющую топливо и воздух в камере сгорания 108. Воздух и топливо, сжигаемые в камере сгорания 108, могут обеспечивать мощность для приведения в движение и/или управления транспортным средством. В данном варианте свеча зажигания 110 расположена непосредственно над камерой сгорания 108. Топливная форсунка 106 крепится к боковой части головки 102 цилиндра таким образом, чтобы распылять топливо под углом. В альтернативных вариантах свеча зажигания и топливная форсунка могут иметь иное расположение на головке цилиндра. Например, и свеча зажигания, и топливная форсунка могут располагаться непосредственно над камерой сгорания.
Головка 102 цилиндра также содержит впускной канал 112 и выхлопной канал 114. Открывание и закрывание впускного канала 112 и выхлопного канала 114 регулируется впускным клапаном 116 и выпускным клапаном 118, соответственно. Впускной канал 112 направляет воздух в камеру сгорания 108. Впускной канал 112 может быть соединен с впускной системой (не показана). Например, впускной канал может быть соединен с впускной системой, сообщающейся с атмосферой. Выхлопной канал 114 направляет выхлоп из камеры сгорания 108 и может быть соединен с устройством очистки выхлопных газов, а далее с выхлопной трубой. В альтернативной конфигурации транспортное средство может и не иметь устройства очистки выхлопных газов.
Как выхлопной канал 114, так и впускной канал 112 имеют изгибы (124 и 126, соответственно), находящиеся вблизи соединения каналов с головкой цилиндра 102. Как показано на ФИГ.1-4, поперечное сечение изгиба 126 впускного канала 112 показывает, что изгиб имеет первую сторону 202, степень искривления (радиус кривизны) которой меньше, чем у второй стороны 204. Поворотный клапан 120 расположен на второй стороне 204. Поворотный клапан имеет криволинейную первую поверхность 206, которая соответствует радиусу кривизны второй стороны 204. На ФИГ.1 поворотный клапан 120 показан в первом положении, в котором первая криволинейная поверхность 206 совпадает со второй стороной 204. Напротив первой криволинейной поверхности 206 поворотный клапан 120 имеет вторую криволинейную поверхность 208. Вторая криволинейная поверхность 208 имеет больший радиус кривизны, чем первая криволинейная поверхность 206. Пересечение первой криволинейной поверхности 206 и второй криволинейной поверхности 208 образует изогнутые ступени 302 и 304 на каждой стороне поворотного клапана 120.
Кроме того, поворотный клапан 120 содержит поворотную ось 240. Поворотный клапан 120 может вращаться вокруг поворотной оси 240 от первого положения 200, как показано на ФИГ.1 и 2, ко второму положению 300, как показано на ФИГ.3. В первом положении 200 поворотный клапан 120 имеет минимальный угол поворота (Θ=Θmin). Во втором положении 300 поворотный клапан 120 имеет максимальный угол поворота (Θ=Θmax). Поворотный клапан 120 может также находиться в промежуточном положении, в котором угол поворота больше минимального, но меньше максимального (Θmax>Θ>Θmin). Пример промежуточного положения 400 показан на ФИГ.4.
В качестве примера, транспортное средство может работать как при высокой, так и при низкой нагрузке/скорости двигателя. Также двигатель может работать при условиях промежуточной нагрузки/скорости. При высокой нагрузке/скорости двигателя транспортного средства распределение вихревого потока, достаточное (высокий вихревой коэффициент) для эффективного смешивания топлива и воздуха в камере сгорания, может обеспечиваться только работой двигателя. Пример распределения воздушного потока с высоким вихревым коэффициентом показан на ФИГ.5А. Как показано на ФИГ.5А, распределение вихревого потока, обеспечивающее достаточное смешивание воздуха и топлива, обычно равномерно распространяется по стенкам камеры сгорания.
При низкой и/или промежуточной нагрузке/скорости двигателя только работа двигателя может обеспечивать недостаточное распределение вихревого потока (низкий вихревой коэффициент) для эффективного смешивания воздуха и топлива в камере сгорания. Пример распределения воздушного потока с низким вихревым коэффициентом показан на ФИГ.5В. Как показано на ФИГ.5В, вихревой воздушный поток, не обеспечивающий достаточного смешивания воздуха и топлива, распределяется по стенкам камеры сгорания менее равномерно и более вариабельно.
Как правило, при низкой нагрузке/скорости двигателя, при приближении значения угла поворота клапана к максимальному вихревой коэффициент повышается, а при приближении значения угла поворота клапана к минимальному вихревой коэффициент понижается. Следовательно, при низкой нагрузке/скорости двигателя автомобиля, регулируя угол поворота клапана, можно регулировать вихревой коэффициент и распределение вихревого воздушного потока.
Вновь обращаясь к ФИГ.2-4, поворотный клапан 120 установлен для того, чтобы регулировать распределение воздушного потока при движении воздуха со стороны впуска 220 между впускным отверстием (не показано) и поворотным клапаном 120, к стороне выпуска 230 между поворотным клапаном 120 и камерой сгорания 108. Как показано на ФИГ.2-4, направление воздушного потока указано стрелками. Поворотный клапан может быть повернут так, чтобы частично выдаваться в путь воздушного потока, создавая турбулентность в воздушном потоке и обеспечивая высокий вихревой коэффициент. Альтернативно, поворотный клапан может быть повернут таким образом, чтобы совпадать с поверхностью впускного канала и не вызывать дополнительной турбулентности в воздушном потоке. Таким образом, при высокой нагрузке/скорости двигателя поворотный клапан может быть повернут таким образом, чтобы совпадать со стенкой впускного канала и не препятствовать прохождению воздушного потока, а при низкой нагрузке/скорости двигателя клапан может быть повернут таким образом, чтобы выдаваться во впускной канал, создавая препятствие воздушному потоку. Следовательно, используя такой поворотный клапан, можно обеспечить достаточное завихрение воздуха в камере сгорания даже при низкой нагрузке/скорости двигателя автомобиля. Кроме того, поворотный клапан может быть установлен в промежуточные положения, обеспечивая оптимальную интенсивность вихревого потока воздуха при промежуточных нагрузках/скоростях двигателя.
В примере первого положения 200, детально показанного на ФИГ.2, первая криволинейная поверхность 206 совпадает/сливается со стенкой (вторая сторона 204) впускного канала 112 и не выступает во впускной канал 112. Вторая криволинейная поверхность 208 расположена на внешней поверхности впускного канала. Таким образом, в данном примере на воздушный поток через впускной канал поворотный клапан не влияет, воздушный поток без препятствий проходит через поворотный клапан, и вихревой коэффициент не повышается.
Во втором положении, показанном в качестве примера на ФИГ.3, поворотный клапан повернут дальше против часовой стрелки до уровня, равного максимальному углу поворота. В данном положении искривленная ступень 302 выступает во впускной канал 112 на расстояние А. Обычно расстояние А приблизительно равно 5 мм +/-1 мм. В промежуточном положении вторая криволинейная поверхность 208 подвержена действию входного воздушного потока 220, а первая криволинейная поверхность 206 подвержена действию воздушного потока 230 ниже по течению. Вторая криволинейная поверхность 208 пересекает вторую сторону 204 под углом величиной а. Первая криволинейная поверхность 206 пересекает вторую сторону 204 под углом величиной b. В примере, показанном на ФИГ.3, значение величины а больше, чем значение величины b. Таким образом, поворотный клапан 120 представляет собой более резко выступающее препятствие на пути воздушного потока со стороны выхода 230, чем со стороны 220 ниже по потоку искривленной ступени 302. Во втором положении поворотный клапан может обеспечить большую степень завихрения потока воздуха, и вихревой коэффициент может возрасти до максимального значения.
В промежуточном положении, показанном на ФИГ.4, поворотный клапан повернут против часовой стрелки под углом, значение которого меньше максимального значения угла поворота, но больше минимального значения угла поворота. В данном положении искривленная ступень 302 выступает во впускной канал 112 на расстояние В, при этом расстояние В меньше, чем расстояние А. Обычно расстояние В приблизительно равно 3 мм +/-1 мм. Вторая криволинейная поверхность 208 подвержена действию входного 220 воздушного потока, первая криволинейная поверхность 206 подвержена действию воздушного потока 230 ниже по течению. Вторая криволинейная поверхность 208 пересекает вторую сторону 204 под углом величиной с. Первая криволинейная поверхность 206 пересекает вторую сторону 204 под углом величиной d. В примере, показанном на ФИГ.4, величина с меньше величины d.
Таким образом, поворотный клапан 120 создает более резко выступающее препятствие со стороны входного 220 воздушного потока, чем со стороны 230 ниже по течению ступени 302. В примере промежуточного положения воздушный поток выше по течению имеет более ровную траекторию на первой криволинейной поверхности, при этом скорость и направление воздушного потока подвергаются минимальному воздействию. Далее, ниже по течению, воздушный поток встречает на своем пути резко выступающую ступень на второй криволинейной поверхности, что вызывает увеличение интенсивности вихревого потока. Поворотный клапан может обеспечивать умеренный уровень турбулентности для создания вихревого потока и увеличения вихревого коэффициента.
На ФИГ.6 графически показана зависимость вихревого коэффициента от угла поворота поворотного клапана 120 (положения поворотного вала клапана) при низкой нагрузке/скорости двигателя. Линия 600 представляет положение поворотного клапана и соответствующий вихревой коэффициент. При увеличении угла поворота от минимального к максимальному вихревой коэффициент возрастает. При уменьшении угла поворота от максимального к минимальному вихревой коэффициент понижается. При превышении максимального значения угла вращения поворотного клапана вихревой коэффициент снова снижается.
Таким образом, представлены система и технология регулировки дополнительной турбулентности воздушного потока, идущего к камере сгорания через впускной канал. Во впускном канале установлен поворотный клапан, первая криволинейная поверхность которого имеет больший радиус кривизны, чем вторая криволинейная поверхность. Пересечение первой криволинейной поверхности со второй криволинейной поверхностью создает искривленную ступень. Поворотный клапан может вращаться до положения, в котором искривленная ступень поворотного клапана частично выступает во впускной канал и, создавая препятствие движению воздушного потока, разделяет его, формируя более интенсивный вихревой поток и более высокий уровень турбулентности в воздушном потоке. Дополнительная турбулентность служит для того, чтобы обеспечить достаточное смешивание воздуха и топлива с помощью вихревого движения воздушного потока (с высоким вихревым коэффициентом) при низкой или промежуточной нагрузке/скорости двигателя автомобиля; однако, поскольку ступень имеет искривление, она уменьшает скорость и меняет направление воздушного потока. При надлежащем смешивании воздуха и топлива возрастает скорость сгорания, обеспечивая стабильную работу и подавление детонации. Кроме того, при высокой нагрузке/скорости двигателя, поворотный клапан может быть установлен в другую позицию, когда он совпадает со стенкой впускного канала. В таком положении поворотный клапан не влияет на воздушный поток, а достаточная интенсивность вихревого потока (с высоким вихревым коэффициентом) может обеспечиваться работой двигателя.
Следует понимать, что конфигурации, раскрытые в данном документе, даны в качестве примера и, следовательно, представленное решение не ограничивается указанными вариантами воплощения, а предполагает множество возможных вариантов исполнения. Например, технология, описанная выше, может применяться в различных типах транспортных средств, таких как легковые автомобили или грузовики. Другим примером является возможность использования как в автомобилях с гибридным двигателем, так и в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания. Кроме того, данную технологию можно применять в стационарных двигателях. Данная полезная модель включает в себя все новые и неочевидные комбинации и составные элементы комбинаций различных систем и конструкций, а также другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в данном документе.
В частности, приведенные далее пункты формулы полезной модели показывают определенные комбинации и подкомбинации, являющиеся новыми и неочевидными. Пункты формулы полезной модели могут относиться к «определенному» элементу или «первому» элементу или его эквиваленту. Следует понимать, что такие пункты формулы полезной модели включают в себя объединение одного или более подобных элементов, без требования наличия или отсутствия двух или более подобных элементов. Другие комбинации и подкомбинации описанных характеристик, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены в качестве изменений формулы или представлением новых пунктов формулы в этой или родственной заявке.
Пункты формулы, которые шире, точнее, совпадают или отличаются по охвату от первоначальной формулы, также рассматриваются в составе настоящей полезной модели.