Двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания - дизелям большой цилиндровой мощности на мобильных энергоустановках, транспорте, на тракторах в сельском хозяйстве, для строительно-дорожных машин и технологий, реализуемых с их помощью. К современным дизелям указанного назначения предъявляются жесткие, зачастую противоречивые требования, заключающиеся в повышении удельной мощности, топливной экономичности и эксплуатационных свойств, при одновременном снижении эмиссии вредных веществ с отработавшими газами. В двигателях такого рода используются системы непосредственного впрыска топлива с организацией кругового воздушного потока. При непосредственном впрыске особое значение имеют положение и количество впрыскиваемых струй в камере сгорания. Основная проблема - за очень короткий промежуток времени распределить холодное жидкое топливо в горячем воздухе и смешать их таким образом, чтобы получить относительно «тихое» сгорание с небольшими выбросами вредных веществ, предотвращение образования сажи и детонационного сгорания. Весь процесс сгорания, а также выбросы вредных веществ и уровень шума определяются процессами во время запаздывания воспламенения. У современных дизельных двигателей инженеры пытаются оптимизировать процессы, происходящие во время запаздывания воспламенения во всех диапазонах нагрузки и оборотов. Интервал запаздывания воспламенения и процессы во время запаздывания воспламенения определяются большим количеством порой противоположных факторов. Слишком короткое запаздывание воспламенения приводит к повышенному выбросу сажи, но более мягкому и тихому сгоранию. Слишком длинное запаздывание воспламенения дает сгорание с меньшим выбросом сажи, но более шумное, с повышенными выбросами NOx и более высокой нагрузкой на детали. Одним из перспективных способов решения проблемы является совершенствование рабочего цикла дизеля путем повышения степени управляемости процессом смесеобразования и сгорания, применением управляемого впрыскивания топлива. Для обеспечения высоких экономических и экологических показателей топливоподающие системы современных дизельных двигателей должны осуществлять распределенные по времени впрыски с высоким рабочим давлением (Марченко А.П., Мешков Д.В., Рыкова И.В. Тенденции развития форсунок аккумуляторных топливных систем типа Common Rail // Двигатели внутреннего сгорания. 2005. №1. С. 68~74).
Известен двигатель внутреннего сгорания, преимущественно дизель с непосредственным впрыском топлива, оснащенный аккумуляторной системой подачи топлива, включающей источник высокого давления в виде топливного насоса высокого давления, гидравлический аккумулятор высокого давления, электроуправляемые форсунки, расположенные в цилиндрах двигателя, соединенные гидравлически, электронный блок управления, осуществляющий управление моментом начала и продолжительностью впрыска топлива каждого из двух уровней отверстий распылителя форсунки в соответствующий цилиндр двигателя (Bartsch С. Common Rail oder ? Dieseleinspritzung auf neuen Wegen // MTZ: Motortechnische Zeitschrift. - 2005. - 66. - №4. - S. 254-258. RU 2383772, F02M 61/08, F02M 51/06, F02M 47/02 10.03.2010).
Недостатками такого двигателя являются:
- сложность изготовления такого типа форсунок, особенно их распылителей и их удорожание за счет увеличения количества исполнительных механизмов (электромагнитных или пьезоэлектрических);
- невозможность распределить очаги впрыскивания топлива по объему камеры сгорания, что актуально при больших размерах камеры сгорания.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение повышенной удельной мощности, топливной экономичности и эксплуатационных свойств двигателя внутреннего сгорания - дизеля большой цилиндровой мощности на мобильных энергоустановках, транспорте, на тракторах в сельском хозяйстве, для строительно-дорожных машин и технологий, реализуемых с их помощью, при одновременном снижении эмиссии вредных веществ с отработавшими газами путем организации впрыска топлива в цилиндры двигателя внутреннего сгорания с распределением очагов впрыскивания топлива по объему камеры сгорания и с осуществлением управления начала и продолжительностью впрыска топлива.
Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата в двигателе внутреннего сгорания, преимущественно дизеле с непосредственным впрыском топлива, оснащенном аккумуляторной системой подачи топлива, включающей источник высокого давления в виде топливного насоса высокого давления, гидравлический аккумулятор высокого давления, электроуправляемые форсунки, расположенные в цилиндрах двигателя, соединенные гидравлически, электронный блок управления, осуществляющий управление моментом начала и продолжительностью впрыска топлива каждой форсункой в соответствующий цилиндр двигателя, в каждом цилиндре двигателя расположено, по меньшей мере, две форсунки.
Сущность предлагаемых технических решений поясняется графически.
На фиг. 1 схематично показана камера сгорания одного цилиндра предлагаемого двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 2 показана система топливоподачи двигателя внутреннего сгорания.
В качестве доказательства промышленной осуществимости заявленного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата ниже приводится описание конкретной, но не единственно возможной конструкции двигателя внутреннего сгорания.
Каждый цилиндр 1 предлагаемого двигателя внутреннего сгорания 2 оснащен впускными газовыми каналами (не показаны), создающими завихрение воздуха на впуске в цилиндр 1, впускными клапанами 3, а также выпускными газовыми каналами (не показаны) с выпускными клапанами 4; электроуправляемыми взаимозаменяемыми топливными форсунками 5, через которые впрыскивается топливо в цилиндр 1, создавая струи распыленного топлива 6, направление воздушного вихря 7 в камере сгорания показано условно. Топливный насос высокого давления 8 соединен с топливным баком 9, а выход топливного насоса высокого давления 8 соединен трубопроводом с гидроаккумулятором топлива 10. Гидроаккумулятор топлива 10 соединен с электроуправляемыми форсунками 5 для подачи топлива в цилиндры 1. Электронный блок управления впрыском 11 электрически соединен с датчиком положения 12 рычага подачи топлива 13, с органами управления электроуправляемых (электромагнитных или пьезоэлектрических) форсунок 5 для подачи топлива (по меньшей мере, по две на каждый цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания 2). К электронному блоку управления впрыском 11 электрически присоединены датчик положения верхней мертвой точки поршня первого цилиндра, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик давления топлива в гидроаккумуляторе топлива 10 и другие датчики, осуществляющие контроль режима работы двигателя внутреннего сгорания 2 (эти датчики на схеме фиг. 2 не показаны).
Для расширения возможностей совершенствования процессов смесеобразования и сгорания в конкретных конструкциях двигателей внутреннего сгорания взаимозаменяемые электроуправляемые форсунки могут оснащаться распылителями, отличающимися количеством, расположением и ориентацией распыливающих отверстий.
Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания 2 работает следующим образом. На такте впуска при открытии впускных клапанов 3 происходит заполнение цилиндра свежим воздухом через впускные газовые каналы (не показаны), создающие завихрение воздуха на впуске в цилиндр 1. На такте сжатия при закрытых впускных 3 и выпускных 4 клапанах происходит сжатие воздушного заряда с повышением его давления и температуры. При этом увеличивается скорость завихрения воздуха, созданная при впуске. При положении поршня вблизи верхней мертвой точки электронный блок управления впрыском 11 подает сигнал органам управления электроуправляемых форсунок 5 для подачи топлива. Момент начала впрыска, степень нарастания подачи топлива и продолжительность впрыска определяются моментом начала сигнала, характером изменения его интенсивности и продолжительностью. Эти характеристики сигнала формируются в электронном блоке управления впрыском 11 в соответствии с заложенной в него программой в зависимости от требуемого скоростного и нагрузочного режима работы двигателя внутреннего сгорания 2 и информации датчиков, соединенных с электронным блоком управления впрыском 11. При этом формируемые таким образом характеристики впрыска позволяют за короткое время при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки при наличии, по меньшей мере, двух электроуправляемых форсунок впрыснуть большее количество топлива через большее количество отверстий при равномерном распыливании топлива с высоким импульсом и при большом постоянном давлении. Это способствует интенсивному равномерному сгоранию топлива. При ходе поршня к нижней мертвой точке происходит расширение продуктов сгорания топлива и совершается полезная работа. После открытия выпускных клапанов 4 при ходе поршня к верхней мертвой точке осуществляется такт выпуска и завершается один цикл работы двигателя внутреннего сгорания 2.
Расположение электроуправляемых форсунок и их количество в каждом цилиндре конкретного двигателя внутреннего сгорания может быть выбрано отдельно для наилучшего достижения вышеуказанного технического результата. Момент начала, окончания и закон подачи топлива каждой форсункой в цилиндре могут быть индивидуальны.
Реализация цикла работы предложенного двигателя внутреннего сгорания 2 позволяет организовать впрыск топлива и его сгорание с максимальным приближением к циклу с подводом теплоты при постоянном давлении и максимальном индикаторном кпд и минимальных вредных выбросах.
Наличие в каждом цилиндре, по меньшей мере, двух электроуправляемых форсунок позволяет
- осуществлять управляемый во времени впрыск топлива при улучшенном качестве впрыска за счет наличия большего суммарного количества отверстий для впрыска и увеличения за счет этого времени на управление впрыском во время цикла;
- выполнить требования равномерности распыливания топлива в камере сгорания путем распыливания мелких капель с высоким импульсом при большом давлении и через большое количество отверстий распылителей, распределенных по объему цилиндра;
- за счет лучшего распределения распыленного топлива по объему цилиндра представляется возможность снизить интенсивность вихреобразования при впуске и, как следствие, снизить энергозатраты на газообмен;
- за счет уменьшения времени на смесеобразование и сгорание повысить частоту вращения коленчатого вала предложенного двигателя внутреннего сгорания.
Наличие в каждом цилиндре, по меньшей мере, двух электроуправляемых форсунок с возможностью осуществлять варьирование закона подачи топлива позволяет оптимизировать характеристики распыливания топлива не только по времени цикла, но и в объеме цилиндра за счет выбора расположения форсунок для конкретной конструкции двигателя внутреннего сгорания с учетом особенностей вихреобразования в цилиндре. Это расширяет возможности совершенствования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания с целью достижения вышеуказанного технического результата.