УСТРОЙСТВО СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
REDUCTION DEVICE OF HAZARDOUS EMISSIONS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF TRANSPORT VEHICLE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к устройствам управления процессом сгорания смеси в двигателе внутреннего сгорания. Более конкретно, изобретение относится к устройствам, предназначенным, прежде всего, для уменьшения выбросов сажи, но также и для снижения уровней монооксида углерода и углеводородов, выбрасываемых двигателем внутреннего сгорания, в котором смесь топлива с газом в цилиндрах воспламеняется за счет тепла, выделяющегося при сжатии смеси.
Уровень техники
2
2
Частицы сажи представляют собой продукт, который может формироваться в процессе сгорания и затем окисляться с образованием диоксида углерода (СО). Количество частиц сажи, измеренное в отработавших газах, определяется как разность между образовавшейся и окисленной сажей. Процесс очень сложен. Если обогащенная смесь или плохо перемешанная смесь топлива с воздухом сгорает при высокой температуре, то образуется много сажи. Если образовавшиеся частицы сажи смешиваются с окислителями, такими как атомы кислорода (О), молекулами кислорода (O) или гидроксидами (ОН) при достаточно высокой температуре, то большая часть частиц сажи может окислиться. Для дизельного двигателя считается, что процесс окисления примерно одинакового порядка с образованием сажи, то есть чистое количество сажи представляет собой разность между количествами образовавшейся и окислившейся сажи. Поэтому на уровень выбросов сажи можно влиять, во-первых, снижением количества образующейся сажи и, во-вторых, увеличением окисления сажи. Уровни выбросов оксида углерода (СО) и углеводородов (НС) в дизельных двигателях обычно очень низки. Однако содержание сажи может повышаться, если несгоревшее топливо оказывается в сравнительно холодных зонах. Такими зонами являются, в частности, зоны с интенсивным охлаждением, находящиеся возле стенки цилиндра. К таким зонам относятся также полости между поршнем и гильзой цилиндра.
x
Оксиды азота (NO) образуются из азота, содержащегося в воздухе, в тепловом процессе, который очень сильно зависит от температуры, а также от размеров нагретого объема и продолжительности процесса.
Процесс сгорания, в котором топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр и воспламеняется в нем под действием повышенной температуры и высокого давления, обычно называется процессом Дизеля. Когда в цилиндре воспламеняется топливо, газообразные продукты сгорания, образующиеся в цилиндре, подвергаются турбулентному перемешиванию с горящим топливом, так что формируется диффузионное пламя, характеристики которого определяются смесью. При сгорании в цилиндре смеси топлива и газа выделяется тепло, под действием которого газ в цилиндре расширяется, в результате чего происходит движение поршня. В зависимости от различных параметров, таких как давление впрыскивания топлива, количество отработавших газов, возвращенных в цилиндр, время впрыскивания топлива и преобладающий характер турбулентности в цилиндре, могут быть получены различные значения КПД и уровни вредных выбросов двигателя.
x
Ниже описываются два примера известных технических решений, в которых предпринимаются попытки снизить уровни выбросов сажи и NO путем управления пламенем и ослабить обратно пропорциональную зависимость между уровнями выбросов сажи и оксидов азота, которая типична для дизельных двигателей и которую трудно изменить. Большинство способов, снижающих выбросы сажи, увеличивают выбросы оксидов азота.
x
В документе ЕР 1216347 описано устройство управления процессом горения в двигателе внутреннего сгорания путем регулирования пламени с целью снизить уровни выбросов сажи и NO. Топливо впрыскивается в камеру сгорания с достаточно высокой кинетической энергией (высокое давление впрыскивания), чтобы придать кинетическую энергию струе топлива для достижения высокой степени перемешивания топлива и газа в цилиндре в большей части внутреннего объема, в результате чего выбросы сажи поддерживаются ниже заданного уровня. Относительная часть отработавших газов, возвращаемых в цилиндр, выбирается таким образом, чтобы выбросы оксидов азота поддерживались ниже заданного уровня.
x
x
В документе US 6732703 описывается устройство минимизации уровней выбросов NO и частиц сажи. Это устройство обеспечивает такое впрыскивание топлива, при котором струя топлива ударяет в нижнюю поверхность цилиндра для охлаждения сгорающего топлива и, соответственно, снижения уровня выбросов NO. Топливо впрыскивается под высоким давлением, и поршень имеет такую форму, чтобы поддерживать импульс распыляемой струи/пламени и смеси топлива и воздуха, чтобы происходило хорошее перемешивание имеющегося кислорода и сажи на поздней стадии процесса сгорания. Большая часть импульса теряется, когда распыляемая струя ударяется во внутреннюю часть углубления в дне поршня, и когда два пламени сталкиваются при развитии периферического пламени.
В документе US 5215052 описывается устройство получения улучшенной смеси топлива с воздухом и снижения потери потока расширяющегося пламени в периферийном направлении в объеме, в котором происходит сгорание смеси.
Это осуществляется путем использования поршня с неглубокой впадиной на его днище, в которой имеются выемки, формирующие волнистую поверхность относительно направления по окружности впадины поршня и, в основном, в плоскости, перпендикулярной возвратно-поступательному движению поршня. Все же большая часть импульса будет теряться, когда пламя распространяется в направлении по окружности, которое перпендикулярно возвратно-поступательному движению поршня. Это устройство не предназначено для повышения окисления сажи на поздней стадии сгорания смеси.
В документе JP 59010733 описывается камера 8 сгорания с выступами 10 в верхней части и внутри углубления в днище поршня. Количество выступов равно количеству струй. Каждая струя топлива направляется на свой выступ для увеличения скорости потока распыляемого топлива вдоль круговой стенки углубления днища поршня, когда струя разбивается о выступ. Большая часть импульса теряется, особенно когда соседние струи пламени сталкиваются при круговом распространении пламени.
В связи с ожидаемым принятием законодательных норм, касающихся вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания, существует потребность в дальнейшем снижении уровней выбросов сажи для соблюдения ожидаемых требований законодательства.
Раскрытие изобретения
Соответственно одной из задач, лежащих в основе настоящего изобретении, является устранение недостатков существующих технических решений и создание двигателя внутреннего сгорания, содержащего камеру сгорания, выполненную для снижения уровня нежелательных выбросов частиц сажи до величины, соответствующей новым вводимым законодательным ограничениям. Таким образом, важной целью изобретения является сведение к минимуму количества выбрасываемой сажи путем стимуляции эффективной циркуляции струй пламени по замкнутому контуру и "экономии" энергии смешивания для заключительного этапа окисления сажи и несгоревшего топлива. Снижение уровня выбросов частиц сажи особенно важно для таких топлив, как дизельное топливо. При использовании изобретения также обеспечивается снижение уровней выбросов оксида углерода (СО) и углеводородов (НС). Снижение уровней выбросов СО и НС становится особенно важной задачей для таких топлив, как диметиловый эфир.
Другой целью изобретения является создание двигателя, в котором форма, расположение и размеры различных элементов камеры сгорания обеспечивают взаимодействие распыленной струи/пламени с внешней частью поверхности углубления поршня для оптимизации сохранения кинетической энергии струй пламени, направленных в основном в плоскости, перпендикулярной возвратно-поступательному движению поршня.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание дизельного двигателя, способного работать с существенным снижением уровня выбросов частиц сажи по сравнению, например, с двигателем US02, и в то же время удовлетворяющего ограничениям в отношении механической конструкции для двигателей, выпускаемых в промышленных масштабах.
x
Более конкретной целью изобретения является создание двигателя, содержащего камеру сгорания, размеры и соотношение размеры частей которой обеспечивают окисление достаточного количества сажи в процессе сгорания для минимизации содержания частиц сажи, которые выбрасываются в систему выпуска отработавших газов. Эта цель может быть достигнута без увеличения содержания NO.
В соответствии с изобретением вышеуказанные и другие более подробно изложенные цели могут быть достигнуты в предлагаемом двигателе с камерой сгорания, содержащем: корпус двигателя с цилиндром и головкой блока цилиндров, формирующей внутреннюю поверхность камеры сгорания и по меньшей мере один впускной канал; поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре двигателя между положениями нижней и верхней мертвых точек, причем поршень содержит днище поршня с верхней поверхностью, обращенной в сторону камеры сгорания, а также с углублением днища поршня, сформированным полостью, открывающейся наружу, которое содержит выступающую часть с дистальным концом и внутреннюю часть поверхности углубления, отходящую вниз под положительным углом относительно плоскости, перпендикулярной к оси возвратно-поступательного движения поршня, и углубление днища поршня дополнительно содержит расширяющуюся наружу внешнюю часть, поперечное сечение которой имеет вогнутую криволинейную форму; форсунку, установленную на корпусе двигателя рядом с выступающей частью углубления днища поршня для впрыскивания топлива в камеру сгорания под высоким давлением впрыскивания и содержащую отверстия, обеспечивающие формирование распыленных струй, которые затем становятся струями пламени, ударяющими в заданных зонах взаимодействия на внешней части углубления. Предложенное в изобретении техническое решение отличается тем, что указанные зоны взаимодействия существуют на внешней части углубления в течение по существу всего процесса впрыскивания, и тем, что примерно на половине расстояния между зонами взаимодействия на внешней части углубления и в плоскости, по существу перпендикулярной направлению указанного возвратно-поступательного движения, расположены выступы первого типа, отходящие внутрь камеры сгорания и имеющие сглаженную форму, которые предназначены для сохранения кинетической энергии струй пламени и для изменения направления их распространения по периферии, так чтобы струи пламени распространялись в основном к центральной оси поршня с минимальным взаимодействием между ними.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в указанной зоне взаимодействия расположены выступы второго типа. Эти выступы второго типа, которые предназначены для изменения направления распространения струй пламени, двигающихся к зоне взаимодействия таким образом, чтобы они распространялись по периферии в плоскости, по существу перпендикулярной направлению возвратно-поступательного движения поршня, и с минимальным взаимодействием струй пламени со стенкой поршня и с минимальной потерей кинетической энергии.
Еще в одном варианте выступы имеют форму продольных гребней, которые проходят только по внешней части углубления в плоскости, примерно параллельной возвратно-поступательному движению поршня. В другом варианте поперечное сечение верхней части гребня, перпендикулярное направлению гребня, формируется кривой линией, средний радиус которой составляет по меньшей мере 1/20 радиуса углубления днища поршня. В другом варианте осуществления изобретения выступы первого типа в большей степени входят в камеру сгорания по сравнению с выступами второго типа.
Предложенный в изобретении двигатель внутреннего сгорания может иметь первую точку взаимодействия в зоне взаимодействия в начале процесса впрыскивания и вторую точку взаимодействия в зоне взаимодействия в конце процесса впрыскивания. Указанный гребень может проходить по меньшей мере от первого положения, находящегося в первой плоскости, являющейся общей плоскостью для первой точки взаимодействия и первого положения, и до второго положения, находящегося во второй плоскости, являющейся общей плоскостью для второй точки взаимодействия и второго положения. Первая и вторая плоскости перпендикулярны направлению возвратно-поступательного движения поршня.
В другом предпочтительном варианте центральная ось проходит так, чтобы она пересекала внешнюю часть углубления в течение всего процесса впрыскивания.
Еще в одном предпочтительном варианте впускной канал формируется в головке блока цилиндров таким образом, чтобы засасываемый воздух направлялся в процессе работы в камеру сгорания с малыми завихрениями или вообще без завихрений. Еще в одном предпочтительном варианте вихревое отношение для указанных завихрений находится в диапазоне от 0 до 0,7.
Еще в одном предпочтительном варианте геометрия поверхности внутренней части углубления относительно оси струи такова, что имеется достаточное пространство и расстояние между поверхностью внутренней части и осью струи, так что предотвращается нарушающий струю контакт между частью распыленной и еще не горящей струи возле рабочей головки форсунки и внутренней частью углубления.
Еще в одном предпочтительном варианте топливо впрыскивается таким образом, чтобы в камере сгорания обеспечивалось формирование его смеси с всасываемым воздухом, и чтобы происходило самовоспламенение смеси при ее сжатии поршнем.
Еще в одном предпочтительном варианте двигатель устроен таким образом, что в нем обеспечивается добавление определенной части рециркулируемых отработавших газов к всасываемому воздуху, причем эта часть выбирается таким образом, чтобы уровень выбросов оксидов азота, образующихся при сгорании, не превышал выбранной небольшой величины.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет рассмотрено ниже более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых в качестве примеров иллюстрируются другие предпочтительные варианты осуществления изобретения и предшествующий уровень техники и на которых показано:
на фиг.1 - схематический вид сечения поршня и цилиндра двигателя внутреннего сгорания в одном из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.2 - схематический вид правой половины поршня фиг.1 с углом отражения центральной геометрической оси распыляемой струи;
на фиг.3а - схематический вид сверху поршня фиг.1 с потоками распыляемой струи и пламени по одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.3б - схематический вид другого варианта, отличающегося от варианта фиг.3а;
на фиг.4а - схематический вид сбоку потоков распыляемой струи и пламени для фиг.3а;
на фиг.4б - схематический вид сбоку потоков распыляемой струи и пламени для фиг.3б;
на фиг.5а-5и - схематические виды в перспективе поршня в соответствии с изобретением, на которых показаны девять различных последовательных состояний в процессе впрыскивания и сгорания топлива;
на фиг.6 - вид в перспективе варианта, показанного на фиг.3а и 4а.
Осуществление изобретения
Отличительные особенности физических характеристик камеры 7 сгорания в соответствии с настоящим изобретением иллюстрируются на фиг.1 и 2, на которых указаны различные физические характеристики или параметры, которые необходимы для достижения неочевидного снижения уровня вредных выбросов.
На фиг.1 приведен схематический вид двигателя 1 внутреннего сгорания, работа которого осуществляется в соответствии с процессом Дизеля. Двигатель 1 содержит цилиндр 2 и поршень 3, который осуществляет возвратно-поступательное движение в цилиндре 2 и соединен с коленчатым валом 4, так что поршень 3 перемещается в цилиндре 2 между положениями верхней и нижней мертвых точек. Как обычно, один конец полости цилиндра закрыт головкой 14 блока цилиндров двигателя. На верхней поверхности 5 поршня 3 имеется углубление 6, которое формирует камеру 7 сгорания вместе с внутренней поверхностью 21 головки 14 блока цилиндров и стенками цилиндра 2. В головке 14 блока цилиндров имеется один или несколько впускных каналов 9. Соединение между соответствующим впускным каналом 9 и цилиндром 2 может открываться и закрываться впускным клапаном 10, расположенным в каждом впускном канале 9. В головке блока цилиндров также имеется один или несколько выпускных каналов 11. Соединение между соответствующим выпускным каналом 11 и цилиндром 2 может открываться и закрываться выпускным клапаном 12, расположенным в каждом выпускном канале 11. Открытие и закрытие клапанов 10 и 11 может осуществляться механическим кулачковым приводом, гидравлической приводной системой или любой другой системой привода, обеспечивающей высокую степень точности синхронизации работы клапанов с возвратно-поступательным движением поршня 3.
В головке 14 блока цилиндров располагается по меньшей мере одна топливная форсунка 13, через которую топливо впрыскивается в цилиндр 2 в форме распыленной струи, так что топливо смешивается с газом, сжатым в цилиндре 2, для формирования смеси топлива и газа, которая воспламеняется теплом сжатия, создаваемого в цилиндре 2. Загоревшаяся часть струи формирует пламя. В процессе впрыскивания часть распыленной струи, находящаяся ближе всего к форсунке и содержащая только что впрыснутое топливо, еще не загорается. Топливо впрыскивается предпочтительно под высоким давлением. Форсунка 13 содержит множество небольших отверстий (не показаны) в нижней части узла рабочей головки, через которые топливо под высоким давлением подается из полости рабочей головки в камеру 7 сгорания под очень высоким давлением, так что обеспечивается хорошее перемешивание топлива с сжатым воздухом, имеющим высокую температуру в камере 7 сгорания. Необходимо понимать, что может использоваться форсунка 13 любого типа, способная впрыскивать топливо под высоким давлением через множество мелких отверстий в камеру 7 сгорания, как это будет описано ниже. Кроме того, форсунка 13 может содержать плунжер с механическим приводом, расположенный в корпусе форсунки для создания высокого давления в такте сжатия узла плунжера. В другом варианте высокое давление в форсунке 13 может создаваться внешним источником высокого давления, таким как, например, насосная система, содержащая один или несколько насосов высокого давления, и/или аккумулятор высокого давления, и/или распределитель-дозатор топлива. Форсунка 13 может содержать клапан управления с электронным управлением, который обеспечивает подачу топлива под высоким давлением в узел клапана рабочей головки для его открытия, или управляет спуском топлива под высоким давлением из полости клапана рабочей головки для создания разности давлений на клапане, в результате чего он открывается и закрывается, формируя цикл впрыскивания топлива. Например, клапан форсунки может представлять собой обычный подпружиненный закрытый клапан, который открывается давлением топлива. Топливная форсунка 13 предпочтительно размещается по центру цилиндра в головке блока цилиндров, так чтобы геометрическая центральная ось форсунки совпадала с центральной геометрической осью 15 цилиндра, которая является также осью возвратно-поступательного движения поршня 3, как показано на фиг.3.
Двигатель 1 внутреннего сгорания, схематически изображенный на фиг.1, работает по четырехтактной схеме. Двигатель 1 предпочтительно содержит несколько цилиндров 2, в каждом из которых находится поршень 3, соединенный с общим коленчатым валом 4 с помощью шатуна, в результате чего при вращении коленчатого вала 4 двигателя поршень может осуществлять возвратно-поступательное движение по прямолинейному пути внутри цилиндра 2.
На фиг.1 показано положение поршня 3, находящегося на угловом расстоянии примерно 45° перед верхней мертвой точкой (ВМТ). Положение ВМТ достигается, когда коленчатый вал перемещает поршень в положение, наиболее удаленное от оси вращения коленчатого вала. Обычно поршень перемещается из положения ВМТ в положение нижней мертвой точки (НМТ) в тактах впуска и расширения. Для целей настоящего описания указание "вверх" соответствует направлению от коленчатого вала двигателя, и указание "вниз" соответствует направлению в сторону коленчатого вала или положения нижней мертвой точки поршня.
В самом верхнем положении, ВМТ, поршень 3 только закончил движение вверх в такте сжатия, в котором заряд воздуха, вошедшего в камеру 7 сгорания из впускного канала 9, сжимается, в результате чего его температура повышается и превышает температуру воспламенения топлива двигателя. Это положение является положением 360°, в котором начинается такт расширения/сгорания полного четырехтактного цикла поршня 3, охватывающего 720°. Количество воздуха в заряде, вошедшем в камеру сгорания, может быть увеличено за счет увеличения давления во впускном трубопроводе двигателя. Это повышение давления может быть обеспечено, например, турбонагнетателем (не показан), приводимым турбиной, которая вращается отработавшими газами двигателя, или может иметь привод от коленчатого вала двигателя.
Предлагаемый в настоящем изобретении двигатель содержит компоненты и признаки камеры сгорания, имеющие такие размеры и формы и расположенные таким образом относительно друг друга, как это описано ниже, чтобы обеспечивалось снижение уровней содержания твердых частиц, чтобы они не превышали уровней, устанавливаемых новыми стандартами, и в то же время поддерживался приемлемый расход топлива. Изобретение направлено в первую очередь на снижение выбросов частиц сажи. Частицы сажи - это одна часть вышеуказанных твердых частиц.
Предпочтительно общие размеры, форма и/или относительное расположение компонентов и признаков камеры сгорания таковы, что импульс струи топлива и пламени газа, сгорающего в цилиндре, сохраняется как можно дольше на пути от форсунки в направлении вниз в соответствии с формой внутренней части 19 углубления и внешней части 20 углубления и дальше вверх до столкновения с внутренней поверхностью 21 головки блока цилиндров, в результате чего обеспечивается достаточное окисление сажи на более поздней стадии процесса сгорания.
Кроме того, размеры, форма и/или относительное расположение компонентов и признаков камеры сгорания таковы, что достигается заданный баланс между вертикальной (в основном вверх) и тангенциальной (направленной в плане перпендикулярно оси 15) составляющей импульса распыленной струи топлива и пламени. Достижение такого баланса важно для получения очень низких уровней выбросов сажи. Параметры, управляющие этим балансом, выбираются таким образом, чтобы струя топлива/пламени после соударения с внешней частью 20 углубления была в основном направлена вверх в сторону внутренней поверхности 21 головки блока цилиндров для минимизации потери импульса.
R
L
Предпочтительно вертикальная и тангенциальная составляющие импульса пламени формируют веерообразный рисунок (см. также фиг.5г, описанную ниже) сразу после столкновения с внешней частью 20 углубления, где примерно 1/3 импульса пламени направлена вверх, как указано Y на фиг.4, а остальная часть направлена в тангенциальном (горизонтальном) направлении, как указано Х для частей пламени, отходящих направо, и указанных Х для частей пламени, отходящих налево, как показано на фиг.3а и 3б. Настоящее изобретение направлено прежде всего на оптимизацию изменения направления горизонтальных составляющих пламени, то есть, когда пламя, двигающееся в направлении внешней части углубления, изменяет направление движения на тангенциальное, и дальнейшее изменение тангенциального движения на движение, направленное в сторону оси 15, что можно видеть на фиг.3а и 3б.
Размеры, форма и/или относительное расположение компонентов и признаков камеры сгорания, описанные ниже, обеспечивают формирование такой камеры сгорания, которая может формировать, направлять, управлять и создавать такую схему потоков впрыснутого топлива и большей части сгорающей смеси топлива с газом в цилиндре внутри камеры 7 сгорания как на начальных стадиях впрыскивания топлива, так и на стадии начала сгорания и расширения образующихся газов в такте рабочего хода поршня 3 и в конце процесса впрыскивания топлива, что обеспечивается существенное снижение уровней вредных выбросов, прежде всего сажи, но также и оксида углерода и углеводородов.
Более конкретно, речь идет, прежде всего, о верхней части поршня 3, называемой днищем 16 поршня. Днище 16 поршня содержит верхнюю поверхность 5, формирующую часть камеры 7 сгорания, и углубление 6 поршня, сформированное полостью, открытой вверх. Углубление 6 поршня содержит выступающую часть 17, которая предпочтительно располагается в центре углубления 6 или возле центра. Выступающая часть 17 содержит дистальный конец 18, который в предпочтительном варианте, показанном на фиг.1, располагается в центре углубления 6 поршня и отходит вдоль оси 15 возвратно-поступательного движения поршня 3. Выступающая часть 17 также содержит внутреннюю часть 19 поверхности углубления, отходящую от выступающей части 17 вниз под углом α к плоскости, перпендикулярной оси возвратно-поступательного движения поршня 3, как показано на фиг.1.
Углубление 6 поршня также содержит внешнюю часть 20 поверхности углубления, которая отходит раструбом вверх и имеет в целом в поперечном сечении вогнутую криволинейную форму. Внешняя часть 20 углубления эффективно формирует и направляет поток смеси топлива с воздухом или пламени внутри камеры сгорания, и особенно в направлении вверх (как лучше всего показано на фиг.4).
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
3
На фиг.2 приведен схематический вид правой половины поршня фиг.1 с углом γ отражения центральной геометрической оси 30 распыляемой струи (ниже указывается как "ось струи") и углом β оси струи (ниже указывается как "угол струи"). Внешняя часть 20 углубления имеет определенный радиус R и определенное расположение центра CR окружности. D обозначает расстояние между дистальным концом 18 и точкой С пересечения нескольких осей струй, создаваемых форсункой 13. D указывает расстояние, на котором меняется направление движения струи от точки пересечения ее оси с внешней частью 20 при движении поршня 3 вниз. Положение начала и конца D зависит от продолжительности (количество впрыскиваемого топлива) и моментов начала и окончания впрыскивания. Начало впрыскивания находится на нижнем конце расстоянии D, а конец впрыскивания находится на верхнем конце D. R обозначает радиус на кромке или краю, соединяющем внешнюю часть 20 углубления с верхней поверхностью 5 поршня 3. Центр окружности радиуса R обозначен CR. R обозначает радиус углубления поршня. Хотя общая форма камеры сгорания уже известна, она имеет некоторые особенности, и, что более важно, ниже указываются критические размеры и отношения размеров в соответствии с настоящим изобретением, которые в результате обеспечивают улучшение характеристик работы.
1
1
3
Значение угла отражения в процессе впрыскивания топлива, кроме момента и продолжительности впрыскивании, существенно зависит от выбора нескольких геометрических параметров, таких как D, R, β и радиус R углубления поршня.
В соответствии с настоящим изобретением и, как уже указывалось выше, на фиг.3а и 3б представлены два предпочтительных варианта осуществления изобретения, причем на фиг.3а показан вариант, в котором используется только первый тип выступов 40, равномерно распределенных по окружности внешней части углубления 6. Эти выступы первого типа располагаются примерно посередине между зонами 41 удара соседних струй пламени (на фиг.3а и 3б указывается двумя самыми большими стрелками).
2
2
2
В предпочтительном варианте осуществления изобретения эти выступы первого типа имеют форму гребня, который отходит в вертикальном направлении, поэтому на фиг.3а и 3б выступы видны на поперечном сечении сверху. На этом поперечном сечении может формироваться горизонтальная линия (не показана) на фиг.2, которая пересекает зону удара струи, обозначенную D на фиг.2. Таким образом, эти выступы первого типа располагаются в той же горизонтальной плоскости, что и зоны удара различных струй пламени. Предпочтительно размер гребня выступа первого типа соответствует длине зоны удара струи. Таким образом, гребень выступа первого типа проходит по меньшей мере от первого положения, находящегося в первой горизонтальной плоскости, которая является общей для первой точки удара струи (нижняя точка расстояния D) и этого первого положения, и до второго положения, находящегося во второй горизонтальной плоскости, которая является общей для второй точки удара струи (верхняя точка расстояния D) и этого второго положения. Все указанные плоскости перпендикулярны направлению возвратно-поступательного движения поршня 3 или центральной геометрической оси 15 цилиндра.
Указанные выступы, которые показаны на поперечных сечениях фиг.3а и 3б, могут иметь разные формы. В одном из вариантов верхняя часть гребня может быть более заостренной (не показана). В другом варианте конец основания гребня может быть менее острым с более плавной переходной частью между гребнем и кольцевой формой внешней части углубления (не показано). Также возможно сочетание более острой вершины гребня и более плавной переходной части между гребнем и кольцевой формой внешней части углубления (не показано). Каждая половина ширины 43 основания гребня может быть увеличена, например, примерно до 1/3 общей ширины 42 сектора струи вдоль окружности внешней части углубления.
R
L
На фиг.3б показан вариант осуществления изобретения с выступом первого типа и выступом 50 второго типа. Выступ второго типа изменяет горизонтальное движение струи пламени, направленное в сторону внешней части углубления (зона удара струи), так что струя пламени будет направлена тангенциально по направлениям X и X.
3
В одном из вариантов осуществления изобретения на сечении, перпендикулярном гребням выступов первого или второго типа, раскрывается вершина гребня, имеющая криволинейную форму со средним радиусом закругления, который составляет по меньшей мере 1/20 радиуса R углубления поршня. Форма одного такого сечения может состоять из нескольких математических кривых.
В другом варианте осуществления изобретения выступы первого типа в большей степени входят в камеру 7 сгорания по сравнению с выступами второго типа. Также возможен и обратный вариант, или же выступы первого и второго типов могут иметь одинаковые размеры.
2
2
Вершина выступа первого или второго типов является частью, которая глубже всего входит в камеру 7 сгорания. В одном из вариантов осуществления изобретения вершина выступа первого типа расположена посередине между зоной удара струи и вдоль расстояния D, если смотреть в вертикальном направлении. В другом варианте осуществления изобретения вершина выступа второго типа расположена в середине зоны удара струи и вдоль расстояния D.
Также возможен вариант, в котором используются только выступы второго типа.
Как было указано, топливо должно впрыскиваться под высоким давлением впрыскивания. Давление впрыскивания может находиться в диапазоне от 300 бар до 4000 бар, и в другом варианте осуществления изобретения оно может быть в интервале от 1500 бар до 2500 бар. Давление впрыскивания является важным параметром, определяющим большую величину импульса потока распыленного топлива и пламени при его движении вдоль внутренней части поверхности углубления, вдоль внешней части поверхности углубления, при ударе потока во внутреннюю поверхность головки блока цилиндров и особенно при движении газа в цилиндре после окончания впрыскивания.
Другим параметром камеры сгорания, обеспечивающим снижение уровней вредных выбросов, является вихревое отношение потока воздуха, выходящего из впускных каналов 9. Вихревое отношение SR представляет собой отношение тангенциальной скорости воздуха, совершающего вращательное движение в камере 7 сгорания, к скорости работы двигателя. То есть вихревое отношение является мерой тангенциального движения воздуха, когда он поступает в цилиндр двигателя из впускных каналов 9 головки 14 блока цилиндров. Более точно, термин "вихревое отношение" относится к средней угловой скорости воздуха при закрытии впускного клапана, деленной на угловую скорость поршня в цилиндре. Например, если двигатель работает на скорости 1800 об/мин с головкой блока цилиндров, формирующей движение воздуха с вихревым отношением 2, то это означает, что воздух в цилиндре в момент закрытия впускного клапана вращается со средней угловой скоростью 3600 об/мин. Чем больше вихревое отношение, тем выше эффект вихревого движения воздуха или смеси воздуха с топливом, и напротив, чем меньше вихревое отношение, тем ниже этот эффект. Завихрения в основном представляют собой тангенциальное движение, которое при сжатии поршнем 3 создает турбулентность, способствующую процессу сгорания.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения для обеспечения управления движением струи распыленного топлива и пламени в течение всего процесса горения нарушения импульса, создаваемого давлением впрыскивания, должны быть как можно меньше. Таким образом, в соответствии с изобретением предпочтительно более низкое вихревое отношение, при котором достоинства настоящего изобретения проявляются в максимальной степени, когда выступы первого и второго типов симметричны, как уже было указано и показано на чертежах. В настоящем описании величина вихревого отношения, не превышающая 1,0, считается низкой. Было найдено, что предпочтительной является величина вихревого отношения, не превышающая 0,7, и более предпочтительной является величина вихревого отношения, не превышающая 0,5, и ниже вплоть до нуля в вышеописанных вариантах.
В другом варианте осуществления изобретения могут допускаться более высокие величины вихревого отношения. В таком варианте форму выступов первого и второго типов изменяют для обеспечения работы для определенного диапазона величин вихревого отношения. Такое изменение формы может заключаться в том, что выступ (особенно его вершина) выпячивается до некоторой степени в направлении движения вихря. Таким образом, такие выступы будут несимметричными.
1
Величина R должна быть достаточно большой для формирования кривизны внешней части 20 углубления, которая практически сохраняет импульс распыленной струи и пламени. Кроме того, внешняя часть 20 углубления устроена таким образом, чтобы предотвращался избыточный импульс распыленной струи и пламени в одном или нескольких направлениях, которые могли бы вызвать слишком интенсивное распространение распыленной струи и пламени в определенном направлении по сравнению с другими направлениями, что может приводить к нежелательной стагнации распыленной струи и пламени, в результате чего будет повышаться уровень выбросов сажи. При определении размеров и формы выступов первого и/или второго типов должна также учитываться необходимость предотвращения возникновения избыточного импульса распыленной струи и пламени.
Как уже указывалось косвенно, важным аспектом является ориентирование центральной оси каждого отверстия рабочей головки форсунки под углом β распыления, измеряемым между плоскостью, перпендикулярной оси возвратно-поступательного движения поршня, и центральной осью 30 каждой распыляемой струи (фиг.2), так что ось 30 струи пересекается с внешней частью 20 углубления по меньшей мере в течение части процесса впрыскивания топлива. Геометрия поверхности внутренней части 19 углубления относительно оси 30 струи такова, что имеется достаточное пространство и достаточная длина между поверхностью внутренней части и осью 30 струи, так что предотвращается мешающий контакт между частью распыленной струи возле рабочей головки и внутренней частью углубления. Результатом является то, что ось 30 струи направляется в сторону внешней части 20 углубления с минимальным контактом с внутренней частью углубления, и, таким образом, предотвращается нарушение воспламенения распыленной струи. Таким образом, обеспечивается дополнительное сохранение импульса распыленной струи и пламени до момента соударения с внешней частью углубления.
Другим важным параметром камеры сгорания, существенно влияющим на уровень выбросов сажи, является число распылительных отверстий рабочей головки форсунки 13. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения для подачи топлива в камеру 7 сгорания используются по меньшей мере четыре распылительных отверстия. В двигателях внутреннего сгорания, предназначенных для больших грузовых автомобилей, предпочтительно может использоваться от пяти до семи таких отверстий. В двигателях с увеличенным диаметром поршней имеется больше пространства для большего количества распылительных отверстий. Число распылительных отверстий зависит от того, как близко располагаются друг от друга зоны ударов двух соседних распыляемых струй. Число N распылительных отверстий является критичным для создания уже упоминавшегося необходимого баланса между вертикальной и тангенциальной составляющими движения распыленной струи и пламени. Если используется слишком много распылительных отверстий, то расстояние между разными точками пересечения осей струй с внешней частью углубления становится слишком малым, так что плавный разворот движения струи в горизонтальной плоскости будет ограничен, и вертикальное движение вверх становится слишком интенсивным, что может приводить к формированию зон распыленных струй и пламени, в которых полностью теряется импульс движения, так что интенсивность последующего окисления сажи снижается. Другим важным параметром, который влияет на обратный поток, является интенсивность подачи топлива.
Для иллюстрации предложенного в изобретении управления распыленной струей и пламенем в горизонтальной плоскости на фиг.5а-5и показаны схематические виды в перспективе поршня 3 в цилиндре 2 в девяти различных последовательных положениях процесса впрыскивания топлива и сгорания, то есть примерно с 5° угла поворота коленчатого вала до момента поздней стадии сгорания, то есть на достаточно большом угловом расстоянии от ВМТ. Необходимо отметить, что выступы в соответствии с изобретением на фиг.5а-5и не показаны. Эти иллюстрации предназначены для визуализации процесса распространения двух соседних потоков пламени. Начала осей 30 двух соседних распыляемых струй показаны на фиг.5а-5и пунктирной линией. Для наглядности на фиг.5а-5и показаны только две струи.
На фиг.5а показан момент начала впрыскивания (НВ). Между НВ и воспламенением топлива имеется некоторая задержка.
R
L
На фиг.5б показано начало горения (НГ). Белым на чертежах показаны зоны распространяющегося пламени газа, сгорающего в цилиндре. На фиг.5в показан момент, когда пламя ударяется во внешнюю часть 20 углубления в днище поршня. Направление движения пламени слева (соответствующее пламени справа) показано стрелкой. Таким образом, зоны пламени перемещаются от форсунки 13 в направлении внешней части 20 углубления. На фиг.5г показан момент, когда зоны пламени сталкиваются. Столкновение показано двумя стрелками из четырех, которые указывают в направлении друг друга. Важный баланс между вертикальной и тангенциальной составляющими может быть достигнут, когда зоны пламени после первого соударения с внешней частью углубления (фиг.5в) начинают расширяться веерообразно, как показано на фиг.5г. Это достигается выбором параметров камеры сгорания в заданных пределах. Вертикальные стрелки на фиг.5г соответствуют Y на фиг.4а и 4б, стрелка, указывающая направо на фигуре 5 г, соответствует X на фиг.3а или 3б и, наконец, стрелка, указывающая налево на фиг.5г, соответствует Х на фиг.3а и 3б.
На фиг.5д показан момент, когда зоны пламени ударяются во внутреннюю поверхность 21 головки 14 блока цилиндров. Это показано на фиг.5д пунктирными линиями. Внутри этой зоны, выделенной пунктиром, пламя находится в контакте с внутренней поверхностью 21 головки блока 14 цилиндров. Две стрелки слева показывают основные составляющие движения пламени вдоль внутренней поверхности 21.
На фиг.5е показан важный момент циркуляции пламени по замкнутой траектории, вызываемой взаимодействием пламени с головкой блока цилиндров и с соседним потоком пламени, что является результатом прежде всего выбора параметров камеры сгорания в заданных пределах, так что достигается упомянутый баланс между вертикальной и тангенциальной составляющими движения пламени. Параметры, определяющие размеры вышеуказанных выступов в соответствии с изобретением, представляют собой несколько параметров, которые могут использоваться для управления пламенем. Определенный выбор этих параметров обеспечивает управление синхронизацией и положением циркуляции пламени по замкнутым траекториям, показанным прежде всего на фиг.5е, а также на фиг.5ж, 5з и 5и. Выступы в соответствии с изобретением дополнительно увеличивают положительные эффекты циркуляции пламени по замкнутым траекториям. В частности, симметричное взаимодействие соседних потоков пламени создает вихри циркуляции, положительно влияющие на процесс горения. Стрелки показывают направление циркуляции пламени по замкнутым траекториям, которые направлены назад в камеру 7 сгорания. Здесь нижнее завихрение косвенно является причиной более интенсивного перемешивания смеси благодаря вихрям, возникающим в результате взаимодействия симметричных потоков пламени. Поскольку остается достаточно энергии (импульса) для перемешивания смеси, то такая циркуляция потока по замкнутой траектории улучшает перемешивание и сгорание последней впрыснутой части топлива (с образованием сажи), в результате чего обеспечивается окисление сажи на поздней стадии горения смеси.
На фиг.5ж показан момент конца впрыскивания, когда импульс, создаваемый давлением впрыскивания, прекращается, и дальнейшее движение газа в цилиндре зависит большей частью от импульса, созданного ранее давлением впрыскивания. На фигуре 5з показан процесс окисления сажи и исчезновения распыленных струй после окончания впрыскивания благодаря интенсивному перемешиванию пламени и продуктов сгорания. На фиг.5 показано положение после окисления образовавшейся сажи, на повышение которого направлено настоящее изобретение, за счет улучшенного управления горизонтальными составляющими движения распыленной струи и пламени для обеспечения как можно более длительного сохранения импульса в цилиндре, в том числе и после окончания впрыскивания.
x
x
x
x
Важной полезной особенностью изобретения является то, что последующее повышенное низкотемпературное окисление сажи может происходить без существенного образования оксидов азота (NO). Различные варианты осуществления изобретения для снижения уровня выбросов частиц, включая сажу, могут использоваться вместе с различными существующими устройствами последующей очистки для снижения уровня выбросов NO (вместе с сажевыми фильтрами), для дополнительного снижения выбросов NO. Изобретение может также использоваться вместе с устройством рециркуляции отработавших газов, и в этом случае уровень выбросов NO может регулироваться почти независимо от уровней выбросов частиц, включая сажу (см., например, ЕР 1216347).
Комбинации вышеуказанных параметров камеры сгорания, выбранных в заданных пределах, обеспечивают снижение уровней выбросов частиц, включая сажу, по сравнению с традиционными конструкциями двигателя, в частности, до уровней, устанавливаемых новыми стандартами. Камера 7 сгорания в соответствии с изобретением, кроме вышеуказанных новых форм выступов, в частности, включает положительный угол γ отражения, небольшое завихрение и высокое давление впрыскивания, а также положительные эффекты изобретения могут быть дополнительно увеличены надлежащим выбором одного или нескольких вышеуказанных параметров.
Настоящее изобретение может применяться в двигателях, работающих на топливах, например на дизельном топливе, на диметиловом эфире и др.
Описанное изобретение может применяться в двигателях самых разных размеров, от двигателей легковых автомобилей до двигателей больших кораблей.
Изобретение не должно считаться ограниченным вышеописанными вариантами его осуществления, более того, в пределах объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой, могут быть реализованы и различные другие варианты.