СПОСОБ ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
METHOD OF STARTING ICE WITH IGNITION AT LOW TEMPERATURE

Изобретение относится к способу запуска двигателя внутреннего сгорания с воспламенением при низких температурах, при котором сначала во время такта сжатия двигателя внутреннего сгорания путем первого предварительного впрыска в камеру сгорания вводят первое количество топлива и образуется частично однородная предварительная смесь, а затем путем основного впрыска в камеру сгорания вводят основное количество топлива и сжигают топливовоздушную смесь посредством самовоспламенения.
Из DE 102004053748 A1 известен способ запуска двигателя внутреннего сгорания с воспламенением при низких температурах, при котором топливо вводят в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания путем трех отдельных впрысков. При предварительном впрыске вводят первое количество топлива, когда поршень находится в нижней мертвой точке хода сжатия. Основное количество топлива вводят в камеру сгорания при основном впрыске, который производится в области верхней мертвой точки поршня. Непосредственно за основным впрыском следует дополнительный впрыск, благодаря которому должно достигаться лучшее преобразование энергии. При помощи этого способа должны устраняться пропуски воспламенения во время фазы холодного запуска.
Из JP 2000192836 A известен другой способ запуска двигателя внутреннего сгорания с воспламенением при низких температурах, при котором в камеру сгорания вводят небольшое первое количество топлива с образованием предварительной смеси и с помощью соответствующей системы датчиков контролируют, воспламенилась ли эта смесь. Операции повторяют при последующих рабочих циклах, пока не будет зафиксировано самовоспламенение первого количества топлива. Затем в камеру сгорания вводят основное количество топлива, при этом смесь, образованная из основного количества топлива и воздуха, надежно воспламеняется при существующих условиях. В переходной фазе предварительный впрыск и основной впрыск в камеру сгорания можно производить в течение одного рабочего такта или в течение следующих друг за другом рабочих тактов двигателя внутреннего сгорания.
В основе изобретения лежит задача предложить улучшенный способ запуска двигателя внутреннего сгорания, который отличается надежным и быстрым запуском при низких температурах.
Согласно изобретению, начало первого предварительного впрыска выбирают таким образом, что частично однородная предварительная смесь может воспламеняться после короткой задержки воспламенения, а начало основного впрыска выбирают таким образом, что основное количество топлива вводится в камеру сгорания во время фазы сгорания или непосредственно после фазы сгорания воспламенившейся предварительной смеси. Во время такта сжатия находящийся в камере сгорания газ сжимается, вследствие чего температура в камере сгорания повышается. В этот сжатый газ путем предварительного впрыска вводят первое количество топлива. При низких температурах окружающей среды температура в камере сгорания будет слишком низкой для обычного диффузионного сгорания, так что сначала в камере сгорания образуется частично однородная предварительная смесь. Согласно изобретению, первое количество топлива вводят в камеру сгорания в момент времени, когда температура в ней вследствие сжатия достаточно высокая, чтобы образованная частично однородная предварительная смесь вступала в реакцию после короткой задержки воспламенения с типичным частично однородным сгоранием при повышенной температуре. Примерное время короткой задержки воспламенения составляет от 1 мс до 15 мс между началом первого предварительного впрыска и достижением существенно повышенной температуры в камере сгорания (например, на 100 К или выше, чем температура камеры сгорания непосредственно перед началом впрыска). В зависимости от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания указанные значения времени могут быть пересчитаны в соответствующий угол поворота коленчатого вала. Начало основного впрыска выбирают таким образом, что основное количество топлива впрыскивается в камеру сгорания во время или непосредственно после фазы сгорания предварительной смеси. К этому моменту времени температура в камере сгорания благодаря реакции предварительной смеси еще будет довольно высокой, что упрощает воспламенение топливовоздушной смеси, образованной из основного количества топлива.
В одном варианте выполнения способа предварительный впрыск производят при угле поворота коленчатого вала в диапазоне от 22° до 100°, в частности от 25° до 30°, перед верхней мертвой точкой поршня. Благодаря позднему введению на фазе сжатия в сравнительно теплый к этому моменту времени сжатый воздух или в топливовоздушную смесь, в камере сгорания обеспечивается короткая задержка воспламенения. Кроме того, имеется в распоряжении достаточный промежуток времени для частично однородного сгорания предварительной смеси при высокой температуре, так что достижимо значительное повышение температуры в камере сгорания.
В следующем варианте выполнения способа основной впрыск производят при угле поворота коленчатого вала в диапазоне от 20° перед верхней мертвой точкой до 20° после верхней мертвой точки поршня. В этом диапазоне благодаря максимальному сжатию газов в камере сгорания и благодаря продолжающемуся выделению тепла при реакции предварительной смеси в камере сгорания будут максимальные температуры и потому существует большая вероятность воспламенения и сгорания основного количества топлива.
В следующем варианте выполнения способа основной впрыск разделяют на несколько частичных впрысков, т.е. основное количество топлива вводят в камеру сгорания путем нескольких частичных впрысков. Впрыск топлива в камеру сгорания и последующее испарение неизбежно приводят к кратковременному снижению в ней температуры, вследствие чего задержка воспламенения увеличивается. Разделение основного впрыска на несколько частичных впрысков вызывает сравнительно малое снижение температуры при каждом частичном впрыске и, таким образом, более короткую задержку воспламенения, а также надежное возрастание температуры.
В следующем варианте выполнения способа в начале процесса запуска двигателя внутреннего сгорания первый частичный впрыск производят при угле поворота коленчатого вала в диапазоне от 2° перед верхней мертвой точкой до 2° после верхней мертвой точки, а второй частичный впрыск производят при угле поворота коленчатого вала в диапазоне от 2° до 5° после верхней мертвой точки. При таких условиях, в частности при низких температурах и/или частотах вращения, получаются достаточные промежутки времени для реакции количества топлива, которое вводят путем первого частичного впрыска. В этом варианте выполнения способа улучшается начало процесса запуска или первичное воспламенение топливовоздушной смеси.
В следующем варианте выполнения способа при увеличении частоты вращения начало первого частичного впрыска сдвигают в сторону более раннего времени. Таким образом можно оптимально использовать увеличение температуры в результате реакции предварительной смеси.
В следующем варианте выполнения способа при увеличении частоты вращения начало второго и/или более позднего частичного впрыска сдвигают в сторону более позднего времени, так что промежуток времени между концом предыдущего частичного впрыска и началом второго и/или последующего частичного впрыска является достаточно большим, чтобы обеспечить продолжительное повышение температуры.
В следующем варианте выполнения способа количество топлива, вводимое при втором и/или более позднем частичном впрыске, больше, чем количество топлива, вводимое при предыдущем частичном впрыске. Таким образом, количества топлива, вводимые в камеру сгорания в течение основного впрыска последовательно друг за другом, увеличиваются. Это позволяет дополнительно повысить стабильность запуска.
В следующем варианте выполнения способа производят дополнительные предварительные впрыски. Благодаря этому температура камеры сгорания может ступенчато повышаться даже на фазе предварительного впрыска и становится возможным стабильный процесс запуска.
В следующем варианте выполнения способа суммарное количество топлива, вводимое в течение одного или нескольких предварительных впрысков, составляет от 5 до 20 процентов по массе от общего количества топлива, вводимого в течение рабочего цикла. При таких количественных соотношениях камера сгорания при реакции предварительной смеси нагревается достаточно сильно, чтобы обеспечить надежное сгорание основного количества топлива.
В следующем варианте выполнения способа при увеличении частоты вращения начало предварительного впрыска сдвигают в сторону более раннего времени, т.е. предварительный впрыск производят при более "раннем" угле поворота коленчатого вала. Благодаря этому даже при возрастающей частоте вращения имеется в распоряжении достаточный промежуток времени для реакции предварительной смеси и для продолжительного повышения температуры в камере сгорания.
В следующем варианте выполнения способа впрыск производят при помощи системы впрыска с общей топливной магистралью (Common Rail). Эта система дает возможность наилучшим образом управлять моментами впрыска, продолжительностью впрыска и количеством впрыскиваемого топлива в отдельных впрысках.
В следующем варианте выполнения способа в процессе запуска давление впрыска регулируют в зависимости от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, чтобы обеспечить возможность оптимального распыления топлива и/или минимизировать смачивание стенок камеры сгорания.
В следующем варианте выполнения способа соотношение между основным количеством топлива и суммарным количеством топлива, вводимым в течение предварительных впрысков, регулируют в зависимости от частоты вращения и/или от температуры двигателя внутреннего сгорания, благодаря чему можно дополнительно улучшить качество двигателя внутреннего сгорания в отношении холодного запуска.
В дальнейшем способ описан более подробно на примере предпочтительного варианта его выполнения. При этом указанные признаки способа, которые дополнительно поясняются ниже, применимы не только в указанной комбинации признаков, но и в других комбинациях, а также индивидуально, не выходя за рамки настоящего изобретения.
На чертежах:
фиг.1 изображает график впрыска и график нагрева в камере сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала и
фиг.2 - пример задержки воспламенения и моментов впрыска в зависимости от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания.
В данном варианте выполнения двигатель внутреннего сгорания (на чертежах не показан) выполнен в виде дизельного двигателя с шестью камерами сгорания. Двигатель внутреннего сгорания включает в себя систему впрыска с общей топливной магистралью (Common Rail), которая обеспечивает возможность точного времени дозирования определенного количества топлива в отдельные камеры сгорания. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания содержит датчик углового положения для измерения угла поворота коленчатого вала и управляющее устройство, которое может управлять системой впрыска с общей топливной магистралью в зависимости от измеренного угла поворота коленчатого вала, а также, при необходимости, от других измеренных в двигателе внутреннего сгорания параметров, например от температуры, частоты вращения и нагрузки.
В процессе запуска двигателя внутреннего сгорания вначале при помощи пускового устройства приводят во вращение коленчатый вал двигателя. Коленчатый вал соединен через шатуны с поршнями в отдельных камерах сгорания и его вращение приводит к периодическому возвратно-поступательному движению поршней.
Холодный запуск в смысле настоящего изобретения имеет место тогда, когда температура, существенная для работы двигателя внутреннего сгорания, является настолько низкой, что надежный запуск затруднен. В качестве ориентировочного значения принимают температуру окружающей среды и/или температуру охлаждающего средства, равную -15°C или менее.
На фиг.1 в нижней части показан пример управляющего сигнала топливного инжектора двигателя внутреннего сгорания во время его холодного запуска. С каждой камерой сгорания двигателя соединен по меньшей мере один инжектор. Инжектор предпочтительно содержит магнитный клапан для управления форсуночной иглой в многоструйной форсунке. Показанный на фиг.1 управляющий сигнал может передаваться от управляющего устройства на магнитный клапан и регулировать ход форсуночной иглы в многоструйной форсунке. Таким путем обеспечивается возможность точного дозирования топлива в камеру сгорания. Инжекторы двигателя внутреннего сгорания, присоединенные к остальным пяти камерам сгорания, управляются аналогичным образом, в соответствии с порядком работы цилиндров шестицилиндрового дизельного двигателя с интервалами, соответствующими углам поворота коленчатого вала 0°, 120° и 240°.
По управляющему сигналу на фиг.1 видно, что общее количество топлива вводят в камеру сгорания в области верхней мертвой точки воспламенения ZOT двигателя внутреннего сгорания. В данном варианте выполнения первое количество топлива впрыскивают в камеру сгорания при предварительном впрыске Pill во время такта сжатия, при угле поворота коленчатого вала примерно -25°, т.е. перед верхней мертвой точкой воспламенения ZOT. Первое количество топлива предпочтительно составляет от одного до тридцати миллиграммов, что соответствует примерно 5-20% от общего количества топлива, впрыскиваемого в течение рабочего цикла.
Затем при основном впрыске в камеру сгорания вводят основное количество топлива. Основной впрыск разделен на первый частичный впрыск Main1 и второй частичный впрыск Main2. Первый частичный впрыск Main1 осуществляют при угле поворота коленчатого вала около 0°. Второй частичный впрыск Main2 начинается при угле поворота коленчатого вала примерно 1,5° после окончания первого частичного впрыска Main1 и продолжается до тех пор, пока угол поворота коленчатого вала не достигнет примерно 3,5° после верхней мертвой точки ZOT.
В верхней части фиг.1 показана кривая нагрева в камере сгорания в области верхней мертвой точки ZOT. Наблюдаемый перед верхней мертвой точкой ZOT отрицательный градиент кривой нагрева объясняется главным образом тепловыми потерями вследствие теплопередачи к стенкам камеры сгорания. Кривая нагрева была измерена при температуре окружающей среды -27°C.
В результате впрыска первого количества топлива Pill при угле поворота коленчатого вала примерно -25° в камере сгорания образуется частично однородная смесь. При впрыске введенное первое количество топлива испаряется, вследствие чего вначале происходит небольшое снижение температуры камеры сгорания (на фиг.1 видно по слегка уменьшающемуся градиенту кривой нагрева после предварительного впрыска Pill). В момент предварительного впрыска Pill температура в камере сгорания все же является слишком низкой для обычного диффузионного сгорания, так что предварительная смесь, образованная из первого количества топлива, вступает в реакцию при типичном частичнооднородном сгорании. Во время гомогенизации предварительная смесь нагревается благодаря теплопроводности и турбулентному потоку в камере сгорания, а также продолжающемуся сжатию. В первой фазе 1 реакции, продолжительность которой в данном варианте выполнения соответствует изменению угла поворота коленчатого вала примерно от -25° до -9° и которая называется также низкотемпературной фазой, происходят предварительные реакции, при которых в основном образуются и распадаются пероксиды и альдегиды и выделяется лишь небольшое количество тепла. На следующей второй фазе 2 реакции, продолжительность которой соответствует изменению угла поворота коленчатого вала примерно от -9° до 0° и которая называется также высокотемпературной фазой, происходит термическое воспламенение топливовоздушной смеси и выделяется много тепла в результате реакции предварительной смеси. Первая фаза 1 и вторая фаза 2 реакции образуют вместе фазу сгорания предварительной смеси.
Основное количество топлива вводят в камеру сгорания при основном впрыске Main1, Main2 в момент времени, когда часть предварительной смеси сгорела на второй фазе 2 реакции, так что к этому моменту температура в камере сгорания уже существенно повысилась. Из фиг.1 видно, что топливовоздушная смесь, образованная при первом частичном впрыске Main1, вступает в химическую реакцию и сгорает на третьей фазе 3 реакции. При этом задержка воспламенения между началом первого частичного впрыска Main1 и возникновением термического воспламенения существенно меньше, чем задержка воспламенения при реакции предварительной смеси. Благодаря более высокой температуре в камере сгорания топливовоздушная смесь, образованная после первого частичного впрыска Main1, испаряется быстрее и воспламеняется уже при угле поворота коленчатого вала, равном 1° после верхней мертвой точки ZOT, в результате чего температура в камере сгорания продолжает возрастать. При втором частичном впрыске Main2 в нагретую камеру сгорания вводят сравнительно большое количество топлива, которое благодаря высокой температуре воспламеняется на четвертой фазе 4 реакции почти непосредственно после начала впрыска.
Количество топлива, введенное при втором частичном впрыске Main2, предпочтительно больше, чем количество топлива, введенного при первом частичном впрыске Main1, вследствие чего испарение оказывает меньшее влияние на температуру камеры сгорания и тем самым на задержку воспламенения. Количество топлива, впрыскиваемого при первом частичном впрыске, относительно мало, так что после испарения в камере сгорания устанавливается лишь незначительно сниженная температура. Благодаря энергии, выделяемой при сгорании топливовоздушной смеси, снижение температуры, вызванное испарением, компенсируется и температура камеры сгорания повышается. Более высокая температура вызывает менее длительную задержку воспламенения количества топлива, вводимого затем при втором частичном впрыске.
В модифицированном варианте выполнения основной впрыск разделен на частичные впрыски, в каждом из которых в камеру сгорания вводят предпочтительно большее количество топлива, чем в предыдущем частичном впрыске. Таким путем достигается надежное сгорание в общей сложности сравнительно большого количества топлива при низких температурах.
В следующем модифицированном варианте выполнения предусмотрены дополнительные предварительные впрыски, после каждого из которых благодаря небольшому вводимому количеству топлива температура снижается меньше и задержки воспламенения становятся короче, так что повышение температуры и реакция предварительной смеси происходят быстрее.
Предварительный впрыск и основной впрыск могут производиться при холодном запуске в течение нескольких тактов, сжатия. При этом следует учесть, что первичное воспламенение при известных условиях осуществляется лишь после нескольких оборотов коленчатого вала.
На фиг.2 показаны примеры изменения начала и окончания первого частичного впрыска BOI_Main1, EOI_Main1, начала второго частичного впрыска BOI_Main2 и измеренные задержки воспламенения в зависимости от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания. Начало и окончание частичных впрысков и предварительного впрыска предпочтительно регулируют в зависимости от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, а также от температуры окружающей среды и/или от температуры двигателя. При этом следует учесть, что первый частичный впрыск Main1 должен осуществляться не раньше, чем когда предварительная смесь вступит в реакцию во время высокотемпературной фазы, так как в противном случае возникает опасность гашения горения предварительной смеси вследствие первого частичного впрыска Main1. Благодаря более высокой температуре в камере сгорания при более высоких частотах вращения предварительная смесь реагирует быстрее, и можно сместить начало первого частичного впрыска BOI_Main1 при увеличении частоты вращения в сторону более раннего времени, т.е. в сторону большего угла поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой ZOT. Начало второго частичного впрыска BOI_Main2 при увеличении частоты вращения смещается в сторону более позднего времени, т.е. в сторону большего угла поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки ZOT, чтобы оставался достаточный промежуток времени для реакции смеси, образованной в результате первого частичного впрыска.
В способе согласно изобретению при одном или нескольких предварительных впрысках, а также при первом частичном впрыске основного впрыска, в камеру сгорания вводят лишь небольшие количества топлива. Благодаря этому снижение температуры при отдельных впрысках, вызванное начинающимся испарением, будет небольшим, и топливовоздушные смеси, образованные впрыскиваемыми количествами топлива, воспламеняются после сравнительно короткой задержки воспламенения. Образующееся при сгорании тепло не только компенсирует снижение температуры, но и вызывает повышение температуры в камере сгорания. В связи с этим топливо, впрыскиваемое позже, реагирует быстрее и сгорает после более короткой задержки воспламенения, чем топливо, впрыскиваемое раньше. В результате в камеру сгорания можно ввести большее количество топлива таким образом, что температура камеры сгорания будет ступенчато повышаться, пока наконец не станет возможным надежное воспламенение большего количества топлива при низких температурах окружающей среды.