ДВИГАТЕЛЬ С ПИЛОТНЫМ ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОГО ЗАРЯДА И ОППОЗИТНЫМИ ПОРШНЯМИ
ENGINE WITH PILOT IGNITION OF HOMOGENEOUS CHARGE AND OPPOSITE PISTONS

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Объект изобретения американской патентной заявки №10/865707, поданной 10 июня 2004 года и принадлежащей заявителю настоящей заявки, соотносится с объектом изобретения, изложенным в данном документе.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное описание относится в основном к двигателю с оппозитными поршнями и воспламенением от сжатия, с устройством для впрыска основного заряда жидкого топлива в цилиндр в начале такта сжатия двигателя, предназначенным для того, чтобы за время остальной части такта сжатия основной заряд мог превратиться в пар и образовать совместно с воздухом обедненную гомогенную смесь. К тому времени, когда сжатая воздушно-топливная смесь достигнет температурного диапазона самовоспламенения, в ней недостаточно стехиометрических компонентов, необходимых для самовоспламенения. Поэтому создано дополнительное устройство, предназначенное для последующего впрыска пилотного заряда топлива в сжатую воздушно-топливную смесь во время такта сжатия. Пилотный заряд топлива восполняет стехиометрический компонент в мелкодисперсном тумане, состоящем из небольших капелек жидкого топлива, которое самовоспламеняется, инициируя тем самым воспламенение основного заряда.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В обычном двигателе с воспламенением от сжатия (ВОС) в цилиндре расположен один поршень, установленный с возможностью плавного перемещения. Поршень перемещается в цилиндре между верхней мертвой точкой (ВМТ), в которой головка поршня находится ближе всего к закрытому концу цилиндра, и нижней мертвой точкой (НМТ), в которой головка находится дальше всего от закрытого конца цилиндра. Воздух, поданный в цилиндр, сжимается поршнем по мере того, как поршень перемещается по направлению к ВМТ во время такта сжатия. Сжатие воздуха повышает температуру. Перед самым завершением такта сжатия поршня в образовавшийся горячий воздух впрыскивается жидкое топливо. Повышенная температура сжатого воздуха вызывает самовоспламенение топлива, в результате чего топливо самовоспламеняется и возгорается, высвобождая энергию и толкая поршень по направлению к НМТ в рабочем такте.
В двухтактном двигателе с оппозитными поршнями и воспламенением от сжатия головка к головке установлены два поршня с возможностью плавного перемещения в центральном отверстии цилиндра, имеющего впускное и выпускное отверстия, расположенные около НМТ каждого поршня, при этом поршни по отношению к отверстиям служат в качестве клапанов. Поршни в цилиндре перемещаются коаксиально, навстречу друг другу и друг от друга, между ВМТ и НМТ, соответствующими каждому из них. Воздух, поданный в цилиндр, сжимается поршнями по мере того, как во время такта сжатия поршни перемещаются навстречу друг другу по направлению к соответствующей ВМТ. Обычно в ВОС двигателе с оппозитными поршнями имеется инжектор жидкого топлива, установленный в цилиндре в месте, которое находится около ВМТ, соответствующей головкам поршней, как правило, на осевом центре цилиндра или в непосредственной близости к нему. Впрыснутое топливо смешивается со сжатым воздухом, и воздушно-топливная смесь самовоспламеняется, толкая поршни в рабочем такте друг от друга по направлению к их НМТ. Такой двигатель с оппозитными поршнями описан в упомянутой '707 заявке на изобретение.
X
X
Двигатели с воспламенением от сжатия характеризуются рядом нежелательных особенностей. Один недостаток состоит в том, что топливный инжектор расположен таким образом, что впрыск происходит в ВМТ поршней или вблизи их, так что остается мало времени для того, чтобы впрыснутое топливо превратилось в пар и смешалось со сжатым воздухом до того, как возникнет самовоспламенение. Гетерогенная смесь воздуха и топлива горит неравномерно. Кроме того, часть впрыснутого топлива собирается на поверхности центрального отверстия цилиндра и остается в отверстиях инжектора, где ему не удается сгореть совсем. В результате образуются NO (оксиды азота) и твердые частицы (дым). Более того, место впрыска топлива на цилиндре вблизи ВМТ поршня подвергает топливный инжектор воздействию максимальных давлений и температур, которые возникают в цилиндре. Предельные температуры горения могут привести к тому, что топливо, попавшее в отверстия инжектора, закипает во время рабочего такта, что приводит к образованию таких загрязняющих веществ, как окись углерода (СО), несгоревшие углеводороды и сажа. Со временем чрезмерное тепло может вызвать накопление углерода в отверстиях инжектора, мешая, тем самым, впрыску топлива и создавая неровное горение, которое приводит к увеличению выбросов NO, углеводорода и твердых частиц во время рабочего такта.
X
В результате усилий по преодолению проблем, возникающих вследствие гетерогенности воздушно-топливной смеси в ВОС двигателях, были разработаны двигатели с воспламенением от сжатия гомогенного заряда (НССI двигатели). Как правило, разработки касаются однопоршневых конструкций. В этой связи НССI процесс представляет собой процесс, в котором гомогенная смесь воздуха и жидкого топлива воспламеняется за счет сжатия смеси. В НССI двигателях топливо впрыскивается в цилиндр в самом начале такта сжатия, задолго до того, как температура воздуха достигнет такой степени, при которой могло бы инициироваться самовоспламенение. Ранний впрыск способствует превращению топлива в пар и распространению в воздухе по всему объему цилиндра с целью образования по существу однородной воздушно-топливной смеси (гомогенного заряда), которая дополнительно сжимается, пока не возникнет самовоспламенение. Количество впрыснутого топлива регулируется с целью образования обедненной воздушно-топливной смеси и для управления процессом горения для того, чтобы добиться существенного снижения выбросов NO и твердых частиц по сравнению с обычными ВОС двигателями.
НССI горение было введено в 1979 году как альтернатива искровому зажиганию (ИЗ) для двухтактных двигателей внутреннего сгорания. Когда в начале 90-х годов были введены федеральные нормы Управления по охране окружающей среды, требующие резкого снижения вредных выбросов от двигателей внутреннего сгорания, исследования и разработки в области HССl технологий испытали резкий подъем. «На протяжении последних семи лет были представлены многочисленные разработки для изучения потенциальных возможностей указанной технологии, а автомобильными компаниями, промышленными предприятиями по изготовлению дизельных двигателей, поставщиками комплектующих изделий и научно-исследовательскими институтами были предложены и разработаны многочисленные инновационные стратегии приготовления смеси, управления процессом горения, по наращиванию нагрузки и снижению выбросов.» [«Двигатели с воспламенением от сжатия однородной смеси (НССI)», выпуски Важнейших Исследований и Разработок Общества автомобильных инженеров, № РТ-94, 2003 г.]
X
Несмотря на то что НССI создает потенциальные преимущества, такие как эффективность сгорания топлива, сниженные выбросы NO и твердых частиц, стадия горения тоже имеет проблемы, которые в целом еще не решены промышленностью и научно-исследовательскими разработками. К недостаткам НССI двигателя относятся высокие выбросы углеводорода и СО во время некоторых режимов работы двигателя, трудность управления длительностью горения и невозможность работы в более широком диапазоне нагрузок, в частности при уровнях мощности свыше 30% от максимальной мощности.
Во время работы НССI двигателя при низкой нагрузке впрыснутое топливо сгорает не полностью, что создает существенно более высокие уровни выбросов углеводорода и СО, чем в двигателе с искровым зажиганием (ИЗ). Во время работы НССI двигателя при высокой нагрузке чрезвычайно трудно управлять самовоспламенением вследствие отсутствия контроля стехиометрии воздушно-топливных компонентов, ответственных за воспламенение; в результате происходит преждевременное горение, которое приводит к сильному реву двигателя и возможной его поломке. По этим и другим причинам был предложен многорежимный НССI двигатель. В середине диапазона рабочих нагрузок многорежимный двигатель работает, как НССI двигатель, а при небольшой или высокой нагрузке, как обычный ВОС или ИЗ двигатель. Конструкция многорежимного двигателя нуждается в сложной топливной системе или требует двух разных видов топлива; оба решения являются трудоемкими и повышают производственные затраты и расходы по эксплуатации.
X
Таким образом, создание однорежимного двигателя с воспламенением от сжатия однородной смеси, способного работать в более широком диапазоне нагрузок, при этом образующего низкие уровни вредных выбросов, включая NO, CO, углеводороды и твердые частицы, является крайне востребованной задачей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Впрыск обедненного основного заряда жидкого топлива в начале такта сжатия двигателя с оппозитными поршнями позволяет практически полное испарение топлива к моменту, когда такт почти завершен. Образовавшаяся в результате обедненная однородная воздушно-топливная смесь содержит стехиометрические воздушно-топливные компоненты, которые не отвечают требованиям обеспечения самовоспламенения при достижении температурного диапазона самовоспламенения. Впрыск пилотного заряда, состоящего из небольшого количества жидкого топлива в виде мелкодисперсного тумана, образованного из мельчайших капелек, в сжатый гомогенный основной заряд вблизи ВМТ поршней привносит стехиометрический элемент, который самовоспламеняется и инициирует воспламенение основного заряда. Гомогенное перемешивание обедненного основного заряда обеспечивает снижение нежелательных побочных продуктов горения. Управление впрыском пилотного заряда позволяет добиться точного момента воспламенения обедненного гомогенного основного заряда.
В двухтактном двигателе внутреннего сгорания с оппозитными поршнями преодолены трудности, связанные с НССI двигателями, при помощи устройства, предназначенного для впрыска и полного превращения в пар обедненного основного заряда жидкого топлива. В этой связи выражение «полное превращение в пар» означает, что для обеспечения самовоспламенения недостаточно оставшихся жидких компонентов основного заряда. Воспламенение основного заряда управляется впрыском пилотного заряда, состоящего из небольшого количества жидкого топлива в виде мелкодисперсного тумана, образованного из мельчайших капелек. НС двигатель с оппозитными поршнями, описанный в данном документе, имеет цилиндр с отстоящими друг от друга впускным и выпускным отверстиями, степень открытия которых регулируется оппозитными поршнями, расположенными в центральном отверстии цилиндра, и по меньшей мере один инжектор основного топлива, установленный для впрыска в цилиндр части или всего основного заряда топлива, когда поршни находятся вблизи НМТ, тогда как в ВМТ оппозитных поршней или вблизи ВМТ расположен инжектор пилотного топлива, предназначенный для впрыска пилотного заряда.
Например, два инжектора основного топлива, распределяющие основной заряд топлива, могут сообщаться с участками впрыска основного топлива на стенке цилиндра, при этом один участок впрыска расположен вблизи впускного отверстия (слегка смещенный по направлению к ВМТ), а другой участок впрыска расположен вблизи выпускного окна (слегка смещенный по направлению к ВМТ). В данной конфигурации каждый участок впрыска основного топлива расположен в той части цилиндра, которая является сравнительно холодной во время работы двигателя и которая перекрыта поршнем во время большей части его движения, минимизируя, таким образом, нежелательные влияния, возникшие за счет воздействия высокой температуры и давления не незащищенные инжекторы. За счет того что основной заряд впрыскивается вблизи впускного и выпускного отверстий, расположенных сразу за НМТ, давления и температуры внутри цилиндра сравнительно низкие, способствующие тому, что впрыскивание происходит в полном объеме, и имеется много времени для превращения топлива в пар, пока поршни перемещаются в такте сжатия по направлению к ВМТ. К моменту, когда поршни находятся в ВМТ, основной заряд полностью превращается в пар и смешивается за счет завихрения; таким образом, основной воздушно-топливный заряд по существу является однородным. Однако к моменту, когда сжатая топливно-воздушная смесь достигнет температурного диапазона самовоспламенения, превращенной в пар смеси не достает стехиометрических компонентов для обеспечения самовоспламенения. Для того чтобы основной заряд воспламенился, по меньшей мере один инжектор пилотного топлива сообщается с участком впрыска пилотного заряда, расположенным на цилиндре, на его продольной линии центров или около нее либо по меньшей мере вблизи ВМТ для оппозитных поршней. Инжектор пилотного топлива осуществляет впрыск пилотного заряда, представляющего собой небольшое количество жидкого топлива в виде мелкодисперсного тумана, состоящего из мельчайших капелек, в сжатый гомогенный основной заряд около ВМТ поршней. Стехиометрический элемент вызывает самовоспламенение пилотного заряда, инициируя, тем самым, воспламенение основного заряда.
X
Благодаря системе впрыска основного топлива, установленной для распределения основного заряда в начале такта сжатия, когда поршни находятся вблизи НМТ, и системе впрыска пилотного топлива, расположенной вблизи ВМТ оппозитных поршней для управления воспламенением, двигатель с воспламенением от сжатия и оппозитными поршнями, описанный в данном документе, представляет собой двигатель с пилотным воспламенением гомогенного заряда (НСРI), в котором устранены известные на сегодняшний день недостатки НССI двигателей, за счет использования жидкого топлива и работы в более широком диапазоне нагрузок двигателя, включая режим холостого хода, режим холодного пуска и режим средних и высоких нагрузок по существу, при снижении выхлопных загрязнений NO, углеводорода и твердых частиц.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Рассматриваемые далее чертежи предназначены для иллюстрации принципов работы и примеров, описанных в приведенном ниже описании. Указанные чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
Фиг.1 представляет собой схематический частичный боковой разрез двигателя с оппозитными поршнями, расположенными в нижней мертвой точке (НМТ) или около нее, в котором могут быть воплощены принципы воспламенения гомогенного пилотного заряда согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 представляет собой принципиальную схему систем для впрыска основного и пилотного топлива для использования в двигателе, представленном на Фиг.1;
Фиг.3 представляет собой блок-схему системы управления двигателем, применяемую в двигателе, представленном на Фиг.1;
Фиг.4 представляет собой принципиальную схему альтернативных систем для впрыска основного и пилотного топлива для использования в двигателе, представленном на Фиг.1;
Фиг.5А-Фиг.5D представляют собой схематические виды сбоку цилиндра, установленного в двигателе, представленном на Фиг.1; и
Фиг.6А-Фиг.6С представляют собой схематические частичные виды сбоку цилиндра, установленного в двигателе, представленном на Фиг.1, изображающие участки впрыска топлива и электрическую стимуляцию пилотного воспламенения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В двухтактном двигателе внутреннего сгорания с оппозитными поршнями устранены трудности, связанные с известными на сегодняшний день НССI двигателями, благодаря созданию предварительного впрыска основного заряда жидкого топлива в такте сжатия, когда поршни находятся вблизи НМТ, полного превращения в пар обедненного основного заряда в то время, пока поршень перемещается к ВМТ; управления воспламенением основного заряда за счет впрыска пилотного заряда жидкого топлива со стехиометрическим элементом, достаточным для обеспечения самовоспламенения вблизи ВМТ обоих поршней.
Под используемым в данном описании выражением «основной заряд» подразумевается обедненный заряд жидкого топлива, впрыснутый в НСРI двигатель для смешивания с воздухом и сжатия в цилиндре между поршнями. Перемещение поршней навстречу друг к другу и завихрение, образованное впускным коллектором, приводят к смешиванию воздуха и основного заряда. Воздух и обедненная топливная смесь сжимаются поршнями по мере их перемешивания, но, поскольку топливо полностью испаряется к моменту достижения температурного диапазона самовоспламенения, сжатая воздушно-топливная смесь не может самовоспламениться.
Под используемым в данном описании выражением «пилотный заряд» подразумевается заряд жидкого топлива, впрыснутый в сжатую воздушно-топливную смесь, находящуюся в цилиндре, с целью воспламенения основного заряда. Пилотный заряд впрыскивается в виде мелкодисперсного тумана, содержащего множество очень мелких капелек (например, порядка 50000 капелек с начальным средним диаметром около 20 мкм), который превращается в пар и характеризуется градиентом концентрации топлива, включающим диапазон, в котором воздушно-топливная смесь имеет стехиометрический коэффициент, необходимый для самовоспламенения. В результате пилотный заряд самовоспламеняется и активирует воспламенение в цилиндре сжатой обедненной воздушно-топливной смеси.
Основной и пилотный заряды могут содержать как одинаковое топливо, так и разные виды топлива. Основной и пилотный заряды предпочтительно содержат дизельное топливо.
Задачей инжектора основного топлива является подача всего или некоторой части основного заряда с целью полного превращения в пар и смешивания с воздухом в цилиндре двигателя. Задачей инжектора пилотного топлива является подача пилотного заряда жидкого топлива в сжатый основной заряд для того, чтобы активировать зажигание основного заряда.
В двигателе с оппозитными поршнями, описанном в данном документе, по меньшей мере один инжектор основного топлива впрыскивает по существу весь основной заряд через по меньшей мере один участок основного впрыска, расположенный в стенке цилиндра, когда поршни находятся вблизи НМТ, причем как выпускное, так и впускное отверстия цилиндра закрыты. Например, по меньшей мере один участок основного впрыска может быть расположен вблизи НМТ одного из оппозитных поршней. В альтернативном варианте, по меньшей мере один участок основного впрыска может быть расположен вблизи ВМТ поршней, при этом впрыскиваемое жидкое топливо распределяется по направлению к впускному и выпускному отверстиям.
В одном иллюстративном варианте выполнения два инжектора основного топлива распределяют основной заряд топлива для каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания с оппозитными поршнями, впрыскивая порции основного заряда через участки впрыска, расположенные в стенке цилиндра, при этом один из них находится вблизи впускного отверстия (ближе к ВМТ), а другой - вблизи выпускного отверстия (ближе к ВМТ). Это место впрыска основного топлива находится в самых холодных частях цилиндра, так что во время работы двигателя сопла основного инжектора могут долгое время быть закрыты поршнями, смягчая нежелательный эффект влияния высокой температуры, присущий обычным НССI двигателям.
3
Инжектор основного топлива содержит сопло с отверстиями для топливной струи, имеющими размер, необходимый для подачи всего или части основного заряда, подаваемого при работе двигателя на полную мощность. Сопло инжектора основного топлива может быть ориентировано перпендикулярно участку основного впрыска, так чтобы направлять топливо к диаметральному центру цилиндра. В качестве примера в НСРI двигателе с оппозитными поршнями, имеющем цилиндр объемом 1 л и работающем в режиме 100 л.с., инжектор основного топлива имеет сопло, способное выпускать весь максимальный основной заряд, составляющий примерно 90 мм, или его часть, чтобы смешать его и сжать примерно с двумя литрами воздуха. Сопло, расположенное вблизи впускного или выпускного отверстия, может иметь такую конструкцию, которая направляет топливо в сторону ВМТ для того, чтобы препятствовать попаданию основного топливного заряда на внутренний диаметр цилиндра и головку поршней, а также конденсации на этих частях. За счет впрыска основного заряда вблизи впускного и выпускного отверстий в момент нахождения поршней вблизи НМТ давление внутри цилиндра сравнительно невелико, и капельки жидкого топлива имеют сравнительно много времени для превращения в пар при повышенной температуре, пока поршни перемещаются по направлению к ВМТ. Более того, когда сопла основного инжектора закрыты, оппозитные поршни, перемещающиеся в направлении ВМТ, закрывают сопла так, что всякое топливо, оставшееся в отверстиях и на кончиках сопел, не может попасть в камеру цилиндра, препятствуя, тем самым, образованию СО или углеводородов во время рабочего такта. К тому моменту, когда поршни находятся вблизи ВМТ, основной заряд полностью превращается в пар и сжимается. Однако даже при повышенной температуре, возникающей вследствие сжатия основного заряда, ей недостает стехиометрических элементов для самовоспламенения.
В качестве другого примера сопло инжектора основного топлива расположено между впускным и выпускным отверстиями, вблизи осевого центра цилиндра, и может иметь такую конструкцию, чтобы выбрасывать топливо в двух направлениях; причем первое направление ориентировано к выпускному отверстию, а противоположное направление ориентировано к впускному отверстию для того, чтобы не допустить попадания основного заряда топлива на внутренний диаметр цилиндра и головку поршней, а также конденсации на этих частях. Работа инжектора основного топлива происходит так, чтобы впрыск выполнялся тогда, когда поршни находятся вблизи НМТ, и чтобы в начале такта сжатия оба отверстия были закрыты. За счет впрыска основного заряда по направлению к впускному и выпускному отверстиям в начале такта сжатия давление внутри цилиндра сравнительно невелико, и, пока поршни перемещаются по направлению к ВМТ, капельки жидкого топлива имеют сравнительно много времени для превращения в пар при повышенной температуре. К тому моменту, когда поршни находятся вблизи ВМТ, основная смесь полностью превращается в пар, и воздушно-топливная смесь сильно сжимается. Однако даже при повышенной температуре, возникающей вследствие сжатия основного заряда, для возникновения самовоспламенения в топливно-воздушной смеси недостает стехиометрических элементов.
3
В НСРI двигателе с оппозитными поршнями создан по меньшей мере один пилотный инжектор, предназначенный для впрыска пилотного заряда через участок, расположенный в цилиндре вблизи ВМТ. Предпочтительно, хотя и необязательно, масса пилотного заряда может составлять 0,2% или менее от общей массы максимального основного заряда. Сопло пилотного инжектора может иметь одно или несколько отверстий очень маленького диаметра, позволяющих выпускать мелкодисперсный туман жидкого топлива, в котором находится большое количество очень мелких капелек жидкого топлива. В вышеприведенном примере сопло пилотного инжектора может иметь отверстия диаметром порядка 10-20 мкм, которые соответствовали бы выпуску мелкодисперсного тумана, содержащего примерно от 10000 до 100000 очень мелких капель топлива, что составляет примерно 0,2 мм или менее. Небольшой размер и большое количество капелек позволяют пилотному заряду обеспечить стехиометрический состав горючей смеси или элемент, который самовоспламеняется в горячей, сильно сжатой воздушно-топливной смеси и, тем самым, инициирует воспламенение основного заряда. При соответствующем управлении пилотным впрыском при помощи системы для впрыска пилотного топлива можно инициировать воспламенение основного заряда в оптимальное время в соответствии с режимами работы двигателя. Таким образом, инжектор пилотного топлива является элементом двигателя, запускающим горение.
Таким образом, согласно вышесказанному HCPI двигатель с оппозитными поршнями может обеспечивать непрерывную работу в одном режиме. Инжектор пилотного топлива обеспечивает согласованное воспламенение в условиях холодного пуска.
Инжектор пилотного топлива может являться единственным элементом двигателя, инициирующим горение, либо может быть дополнен элементом, инициирующим зажигание при помощи электричества, таким как свеча зажигания или другие средства обеспечения энергии (например, лазер), предназначенные для улучшения горения.
X
HCPI двигатель с оппозитными поршнями, описанный в данном документе, справляется с большей частью проблем любого известного на сегодняшний день HССl двигателя за счет работы в широком диапазоне нагрузок, включая холостой режим, холодные пуски, а также средние и большие нагрузки, и при этом существенно снижая вредные выбросы, включая NO, углеводороды, СО и твердые частицы.
НСРI двигатель внутреннего сгорания с оппозитными поршнями может быть реализован в контексте двухтактного двигателя с воспламенением от сжатия с оппозитными поршнями, описанного в американской патентной заявке №10/865707, поданной 10 июня 2004 года, автор James U. Lemke и др., и переуступленной правопреемнику настоящей заявки; патентная заявка '707 включена в данный документ посредством ссылки. Указанный контекст предназначен исключительно для иллюстрации и не накладывает ограничения на принципы, излагаемые в данном документе всего лишь для конкретного двигателя, описанного в '707 заявке.
Теперь обратимся к Фиг.1, на которой представлен двигатель 8 внутреннего сгорания. Двигатель 8 является дизельным двигателем с оппозитными поршнями, имеющим один или несколько цилиндров; на чертеже изображен один такой цилиндр. В центральном отверстии 15 цилиндра 10 расположена пара поршней 12 и 14, выполненных с возможностью скольжения. Поршни 12 и 14 перемещаются коаксиально в цилиндре 10 в противоположных направлениях, а именно навстречу друг к другу и в направлении друг от друга. На Фиг.1 поршни 12 и 14 показаны вблизи нижней мертвой точки, в которой они находятся в конце их такта выпуска/рабочего такта. Поршень 12 имеет головку 12а, которая обращена к головке 14а поршня 14. Каждый из поршней 12, 14 присоединен к двум установленным сбоку коленчатым валам 30, 32 тягами, которые выходят из поршня к каждому из коленчатых валов 30, 32 вдоль цилиндра 10 под острыми углами к его сторонам. Конструкция этих соединений подробно описана в совместной '707 патентной заявке. Проходы коллекторов 42 и 44, закрепленных на соответствующих концах цилиндра 10, формируют выпускное и впускное отверстия 45 и 46. Впускное отверстие 46 и выпускное отверстие 45 могут иметь спиральную поверхность для того, чтобы вызвать закручивание сжатого воздуха, поступающего в центральное отверстие 15 цилиндра через впускное отверстие 46. Когда поршни 12 и 14 перемещаются между их НМТ и ВМТ, они регулируют раскрытие отверстий 45 и 46. Продукты горения выпускаются из каждого цилиндра 10 через выпускной коллектор 47; воздух подается в каждый цилиндр 10 через впускной коллектор 48.
Двигатель 8 содержит по меньшей мере один инжектор 55 основного топлива, имеющийся в каждом цилиндре 10. В примере, изображенном на Фиг.1, для каждого цилиндра 10 предусмотрено два инжектора 55 основного топлива. Каждый инжектор 55 основного топлива имеет сопло, обеспечивающее подачу всего основного заряда жидкого топлива или его части через участок 57 основного впрыска, который открывается через боковую стенку цилиндра. Каждый участок 57 основного впрыска находится вблизи отверстия, расположенного внутри прохода коллектора, смещенного в направлении ВМТ поршня, регулирующего раскрытие отверстия.
Двигатель 8 содержит по меньшей мере один инжектор 59 пилотного топлива, имеющийся в каждом цилиндре 10. В примере, изображенном на Фиг.1, для каждого цилиндра 10 предусмотрен один инжектор 59 пилотного топлива. Каждый инжектор 59 пилотного топлива имеет сопло, обеспечивающее подачу всего пилотного заряда жидкого топлива или его части через участок 61 пилотного впрыска, который открывается через боковую стенку цилиндра 10. Каждый участок 61 пилотного впрыска расположен между положениями ВМТ головок 12а и 14а поршней, в осевом центре цилиндра 10 или вблизи него.
В одном аспекте HCPI двигателя с оппозитными поршнями и основной и пилотный заряд состоят из жидкого топлива. Для основного и пилотного заряда может подаваться одинаковое жидкое топливо. Например, жидкое топливо может содержать дизельное топливо. В альтернативном варианте виды жидкого топлива могут быть разными.
Обратимся к Фиг.1 и Фиг.2, на которых представлена типовая система для впрыска топлива, в которой использована общая топливная магистраль и электронный запуск, причем жидкое топливо подается из топливного бака 80 в инжекторы 55 основного топлива и инжекторы 59 пилотного топлива. На этих чертежах система для впрыска основного топлива запускает инжекторы основного топлива в ответ на изменение рабочих режимов двигателя, синхронизируя, тем самым, впрыск заряда основного топлива и изменяющиеся режимы работы двигателя. Система для впрыска пилотного топлива запускает инжектор пилотного топлива в ответ на изменение рабочих режимов двигателя, синхронизируя, тем самым, впрыск заряда пилотного топлива с изменяющимися режимами работы двигателя. Предполагается, что двигатель 8 имеет три цилиндра. Для облегчения объяснения конструкции системы топливного впрыска на данных чертежах поршни опущены.
На Фиг.2 выход топливного бака 80 соединен через вспомогательный насос 86, фильтр 88, рядный топливный насос 90 и узел 87 с системами 81 и 91 для впрыска основного и пилотного топлива. Система 81 для впрыска основного топлива содержит общую топливную магистраль 82, отключаемую узлом 87 и подсоединяющую каждый инжектор 55 основного топлива для приема жидкого топлива из топливного бака 80, а также обратную магистраль 84, осуществляющую обратную связь каждого инжектора 55 основного топлива с топливным баком 80. Система 91 для впрыска пилотного топлива содержит общую топливную магистраль 92, отключаемую узлом 87 и соединяющую каждый инжектор 59 пилотного топлива для приема жидкого топлива из топливного бака 80, а также обратную магистраль 94, осуществляющую обратную связь каждого инжектора 59 пилотного топлива с топливным баком 80. Жидкое топливо является предпочтительно дизельным топливом.
Инжектор 55 основного топлива, используемый в двигателе 8, может представлять собой топливный инжектор с электрическим управлением и механическим приводом, имеющий сопло с рядом отверстий, предназначенных для впрыскивания всего основного заряда или его части в центральное отверстие цилиндра 10 через участок 57 основного впрыска. Например, если бы в цилиндре 10 было предусмотрено два инжектора 55 основного топлива, каждый из них распылял бы половину основного заряда в центральное отверстие цилиндра 10. В системе 81 для впрыска основного топлива, представленной на Фиг.2, каждый инжектор 55 основного топлива, включающий механизм нагнетательного клапана и сопло, обычно может быть установлен в цилиндре на участке основного впрыска вместе с соплом, расположенным в месте впрыска. В альтернативном варианте инжектор основного топлива может иметь механизм нагнетательного клапана, установленный отдельно от сопла, при этом механизм соединен с соплом посредством трубопровода высокого давления. В двигателе 8 с оппозитными поршнями отверстия каждого сопла инжектора основного топлива расположены в такой последовательности, которая приводит к тому, что топливо, впрыскиваемое в облако или туман, состоящий из капелек, направлено по существу вдоль продольной линии центров цилиндра, в направлении к ВМТ, в сторону от отверстия, вблизи которого расположен инжектор основного топлива.
Инжектор 59 пилотного топлива, используемый в двигателе 8, может представлять собой топливный инжектор типа накопителя повышенного давления с электрическим управлением и механическим приводом, при этом инжектор имеет сопло с рядом отверстий, предназначенных для впрыскивания всего основного заряда или его части через участок 61 пилотного впрыска в центральное отверстие цилиндра 10. Обычно в цилиндре на участке пилотного впрыска установлен предпочтительно один инжектор пилотного топлива, хотя механизм нагнетательного клапана и сопло могут быть установлены по отдельности и соединены трубопроводом высокого давления. В двигателе с оппозитными поршнями отверстия сопла каждого инжектора пилотного топлива расположены в такой последовательности, которая приводит к тому, что топливо, впрыскиваемое в облако или туман, состоящий из очень мелких капелек, направлено по существу перпендикулярно продольной линии центров цилиндра.
Двигатель 8 содержит электронное устройство 121 управления (ЭУУ), представленное на Фиг.3. ЭУУ 121 предпочтительно используется в двигателе 8 для отслеживания параметров двигателя и для контроля и регулировки особенностей режима работы двигателя. Если системы впрыска основного и пилотного топлива имеют электронное управление, как показано на Фиг.2, то ЭУУ 121 тоже может участвовать в управлении работой этих систем. ЭУУ 121 может выполнять эти задачи путем отслеживания за параметрами работы двигателя, путем управления режимами работы рядного топливного насоса 90, предназначенного для подачи жидкого топлива под давлением в общие топливные магистрали 82 и 92, и путем управления режимами работ инжекторов 55 и 59 основного и пилотного топлива при впрыскивании жидкого топлива в двигатель. Отслеживаемые параметры включают давление топлива в общих топливных магистралях 82 и 92, обороты двигателя, углы поворота коленчатого вала, температуру воздуха во впускных отверстиях, температуру выхлопных газов в выпускных отверстиях, давление в выпускном и впускном коллекторах 47 и 48 и степень детонации двигателя, но не ограничены только указанным списком. ЭУУ 121 формирует сигналы управления для рядного топливного насоса 90, предназначенного для поддержания или изменения давления в общих топливных магистралях 82 и 92, а также сигналы для управления и синхронизации работы инжекторов 55 и 59 основного и пилотного топлива. В ЭУУ 121 заложены другие параметры двигателя (не рассмотрены), предусмотренные для управления другими функциями двигателя (не рассмотрены).
ЭУУ 121 имеет запоминающее устройство, обрабатывающее функциональные возможности и составляющее программу для приема и преобразования значений параметров двигателя, выполнения математических вычислений и логических операций с преобразованными значениями, и формирует сигналы управления насосом и инжектором в виде выходных сигналов, синхронизованных с работой двигателя. Для каждого инжектора основного и пилотного топлива ЭУУ 121 вычисляет количество топлива, которое должно быть впрыснуто инжектором, заданное давление в общей топливной магистрали и продолжительность работы инжектора. Инжектор производит впрыскивание в определенный момент в соответствии с углом поворота коленчатого вала.
Системы для впрыска основного и пилотного топлива управляются устройством ЭУУ (или другим устройством), чтобы поддерживать контроль за подачей топлива, вне зависимости от изменения режимов двигателя. В этой связи следует отметить, что по мере изменения рабочей нагрузки двигателя количество жидкого топлива, составляющего основной заряд, распределенного в двигателе через систему для впрыска основного топлива, может быть изменено для обеспечения меняющихся потребностей двигателя. Например, как правило, масса основного заряда будет меняться между количеством, необходимым для поддержания холостых оборотов двигателя, и количеством, необходимым для поддержания максимальных оборотов двигателя. Однако рекомендуемые нормы могут требовать того, чтобы масса жидкого топлива, составляющего пилотный заряд, оставалась постоянной, меньшей, чем масса основного заряда, необходимого для поддержания работы двигателя на холостом ходу.
Кроме того, в двигателе 8, представленном в данном описании, могут использоваться инжекторы основного и пилотного топлива с механическим управлением и механическим приводом; в этой связи см. Фиг.1. На Фиг.4 система для впрыска основного топлива запускает инжекторы основного топлива в ответ на изменение рабочих режимов двигателя, синхронизируя, тем самым, впрыск заряда основного топлива и изменяющиеся режимы работы двигателя. Система для впрыска пилотного топлива, изображенная на Фиг.4, запускает инжектор пилотного топлива в ответ на изменение рабочих режимов двигателя, синхронизируя, тем самым, впрыск заряда пилотного топлива и изменяющиеся режимы работы двигателя. Предполагается, что двигатель 8 имеет три цилиндра. Для облегчения объяснения конструкции системы топливного впрыска на данных чертежах поршни опущены.
Обратимся к Фиг.1 и Фиг.4, на которых представлена иллюстративная система для впрыска топлива, в которой используется рядный топливный насос и механический запуск, причем жидкое топливо подается из топливного бака 80 в инжекторы основного и пилотного топлива по топливопроводу 129 при помощи вспомогательного насоса 106 и фильтра 108. Топливопровод 129 подает топливо в системы 101 и 102 для впрыска основного и пилотного топлива. На Фиг.4 система 101 для впрыска основного топлива содержит рядный топливный насос 130 для получения жидкого топлива от топливопровода 129, а также обратную топливную магистраль 131, соединяющую насос 130 с топливным баком 80. Насос 130 имеет три механизма нагнетательного клапана, а именно 130а, 130b и 130с. Каждый механизм нагнетательного клапана доставляет заряд основного топлива через соответствующий топливопровод (135а, 135b, 135с) к паре сопел 55n, расположенных на участках 57, предназначенных для впрыска основного топлива. На Фиг.4 система 102 для впрыска пилотного топлива имеет рядный топливный насос 132 для получения жидкого топлива от топливопровода 129, а также обратную топливную магистраль 133, соединяющую насос 132 с топливным баком 80. Насос 132 имеет три механизма нагнетательного клапана, а именно 132а, 132b и 132с. Каждый механизм нагнетательного клапана доставляет заряд пилотного топлива через соответствующий топливопровод (137а, 175b, 137с) к соплам 59n, впрыскивающим пилотное топливо на участке 61 впрыска топлива.
Каждое сопло 55n инжектора основного топлива имеет отверстия, расположенные так, чтобы впрыскивать весь основной заряд или его часть через участок основного впрыска 57 в центральное отверстие цилиндра 10. В двигателе 8 с оппозитными поршнями отверстия каждого сопла инжектора основного топлива расположены в такой последовательности, которая приводит к тому, что топливо, впрыскиваемое в облако или туман, состоящий из капелек, направлено по существу вдоль продольной линии центров цилиндра, в направлении к ВМТ, в сторону от отверстия, вблизи которого расположен инжектор основного топлива.
Каждое сопло 59 инжектора пилотного топлива, используемого в двигателе 8, который может запускаться механизмом нагнетательного клапана топливного инжектора, относящегося к механизмам типа накопителя повышенного давления, может иметь ряд отверстий, предназначенных для распыления всего пилотного заряда или его части через участок 61 пилотного впрыска в центральное отверстие цилиндра. Как правило, в цилиндре на каждом участке пилотного впрыска установлено предпочтительно одно сопло инжектора пилотного топлива. В двигателе 8 с оппозитными поршнями отверстия сопла каждого инжектора пилотного топлива расположены в такой последовательности, которая приводит к тому, что топливо, впрыскиваемое в облако или туман, состоящий из очень мелких капелек, направлено по существу перпендикулярно продольной линии центров цилиндра.
В рядных топливных системах, представленных на Фиг.4, насосы 130 и 132 обычно запускаются кулачковыми устройствами, соединенными известными способами (не показаны) по меньшей мере с одним из коленчатых валов 30, 32, изображенных на Фиг.1. Для любого или для обоих насосов 130 и 132 может быть предусмотрен регулятор 134 (показанный на Фиг.3), предназначенный для сохранения контроля подачи топлива вне зависимости от изменения режимов двигателя, как описано выше в связи с топливными системами, изображенными на Фиг.2.
Могут быть использованы другие топливные механизмы и топливные системы, отличные от тех, которые представлены на предыдущих чертежах. Например, для каждого участка впрыска в каждом цилиндре или около него может быть отдельно установлен составной узел инжектора или насосный агрегат.
На Фиг.5А-Фиг.5D представлен процесс воспламенения гомогенного пилотного заряда в двигателе 8. HCPI процесс, представленный на указанных чертежах, основан на конфигурации системы топливного впрыска, представленной на Фиг.2, в которой цилиндр 10 имеет два основных инжектора 55, каждый из которых установлен в двигателе 8, обеспечивая впрыск по существу половины основного заряда через участок 57 впрыска. Более того, представлен только один пилотный инжектор 59. Это не ограничивает объем идеи изобретения, поскольку в месте расположения любого из двух основных инжекторов, изображенных на указанных чертежах, можно использовать один основной инжектор 55 или более двух основных инжекторов 55. Кроме того, можно использовать несколько пилотных инжекторов 59.
Фиг.5А-Фиг.5D схематически изображают цилиндр 10 и поршни 12 и 14, представленные на Фиг.1, отображая последовательность этапов работы HCPI двигателя, в частности такт впуска/такт сжатия двигателя 8. Данная последовательность принята исключительно с пояснительной целью; не исключены другие допустимые последовательности. Как видно из Фиг.5А, цилиндр 10 имеет продольную линию центров 139, совпадающую с осью цилиндра и осевым центром 140, расположенным на линии центров. Выражение «нижняя мертвая точка» относится к положению поршня, при котором отверстие, раскрытие которого регулирует данный поршень, полностью или максимально открыто. Как видно из Фиг.5А и Фиг.5D, выражение «верхняя мертвая точка» имеет отношение к положению поршней, в котором пространство между головками 12а и 14а поршней 12 и 14 имеет минимальный объем, а основной заряд по существу является гомогенным и имеет максимальную степень сжатия в центральном отверстии цилиндра.
Как будет понятно из приведенных ниже описания и иллюстраций, соотношение между длиной поршня, длиной цилиндра и длиной трубопроводов цилиндра, которая добавляется к длине центрального отверстия цилиндра, связанной с разностью фаз между поршнями, когда они проходят положения своих нижних мертвых точек, меняет режимы работы отверстий и чередует их в соответствии с тактами поршней. В этой связи выпускное и впускное отверстия 45 и 46 смещены в осевом направлении от осевого центра цилиндра 10 к его концам. Поршни 12 и 14 могут иметь одинаковую длину. Каждый поршень 12 и 14 держит взаимосвязанное с ним отверстие 45 или 46 цилиндра 10 закрытым до тех пор, пока он не приблизится к положению соответствующей ему нижней мертвой точки. Сдвиг фаз между положениями нижних мертвых точек создает порядок следования, при котором выпускное отверстие 45 раскрывается поршнем 12 и, таким образом, открывается, когда поршень 12 перемещается к положению соответствующей ему нижней мертвой точки; затем впускное отверстие 46 раскрывается поршнем 14 и, таким образом, открывается, когда поршень 14 перемещается к положению соответствующей ему нижней мертвой точки, после чего выпускное отверстие 45 перекрывается поршнем 12 и, таким образом, закрывается, после этого поршень 12 выходит из положения соответствующей ему нижней мертвой точки, а затем впускное отверстие 46 перекрывается поршнем 14 и, таким образом, закрывается, и, наконец, поршень 14 выходит из положения соответствующей ему нижней мертвой точки.
В данном примере, когда поршни 12 и 14 находятся вблизи соответствующих им НМТ, головки 12а и 14а расположены снаружи выпускного и впускного отверстий 45 и 46. Поршень 12 прошел через НМТ и начал продвигаться к ВМТ. Поршень 14 все еще двигается по направлению к НМТ. Как отверстие 45, так и отверстие 46 раскрываются и открываются, а продукты горения вытесняются из цилиндра через выпускное отверстие 45 в выпускной трубопровод 47 путем продувки находящегося под давлением воздуха, поступающего в цилиндр через впускной трубопровод 48. Если отверстия 45 и 46 закручены, в цилиндре 10 создаются завихрения 145 продувочного воздуха. Ни инжекторы 55 основного топлива, ни инжектор 59 вспомогательного топлива не активированы.
На Фиг.5В поршень 12 достаточно далеко продвинут по направлению к ВМТ, перекрывая и закрывая выпускное отверстие 45. Поршень 14 прошел через НМТ и начал продвигаться по направлению к ВМТ. Впускное отверстие 46 все еще открыто, и воздух, необходимый для поддержания горения, проходит в цилиндр 10. И как уже было отмечено, если отверстия закручены, создаются завихрения 145 воздуха в цилиндре 10. Ни инжекторы 55 основного топлива, ни инжектор 59 пилотного топлива не активированы.
На Фиг.5С поршень 14 достаточно далеко продвинут по направлению к ВМТ, перекрывая и закрывая впускное отверстие 46 и создавая замкнутый объем воздуха для горения. Поршень 12 продолжает продвигаться к ВМТ. Выпускное отверстие 45 остается закрытым. Оба инжектора 55 основного топлива приводятся в действие ЭУУ 121, каждый впрыскивает примерно половину основного заряда 200 в замкнутый объем. Количество основного заряда создает обедненную воздушно-топливную смесь, в которой коэффициент λ (отношение количества воздуха к стехиометрическому количеству воздуха, необходимого для поддержания горения) равен 2 или больше этой величины. Отверстия в соплах инжекторов основного топлива расположены в такой последовательности, чтобы выпускать соответствующие порции основного заряда в виде капелек топлива вдоль продольной линии центров 139 и по направлению к осевому центру 140, от головок 12а и 14а и центрального отверстия цилиндра 10. Это уменьшает количество топлива, которое конденсируется на поверхностях указанных элементов и увлажняет их, а также уменьшает образование углеводородов, несгоревших при работе двигателя 8. При впрыске основного заряда поршни 12 и 14 все еще находятся вблизи НМТ. Таким образом, пока поршни продвигаются к ВМТ, впрыснутый основной заряд имеет сравнительно большой промежуток времени для смешивания с воздухом, нагретым за счет сжатия. В результате практически все впрыснутое топливо будет превращено в пар к тому моменту, когда поршни 12 и 14 окажутся вблизи ВМТ. Следовательно, воздушно-топливная смесь будет практически гомогенной, когда поршни 12 и 14 находятся вблизи ВМТ. Однако, поскольку топливо практически полностью превращается в пар, возникающая в результате воздушно-топливная смесь не соответствует диапазону значений стехиометрического коэффициента смешения, и самовоспламенение не может возникнуть.
Теперь обратимся к Фиг.5D. Едва поршни 12 и 14 достигнут ВМТ, ЭУУ 121 запускает инжектор 59 пилотного топлива в ответ на зарегистрированный угол поворота коленчатого вала, и пилотный заряд 210 в виде мелкодисперсного тумана жидкого топлива, содержащего мельчайшие капельки (например, капельки, имеющие начальный средний диаметр около 10 мкм), впрыскивается в сильно сжатую и, таким образом, очень горячую воздушно-топливную смесь. Пилотный заряд 210 быстро превращается в пар и представляет изменение топливной концентрации, соответствующее диапазону значений стехиометрического коэффициента, необходимого для самовоспламенения воздушно-топливной смеси. В результате пилотный заряд 210 самовоспламеняется и инициирует впрыск обедненной сжатой воздушно-топливной смеси в цилиндр, между головками поршней.
X
Поскольку основной заряд 200 является обедненным и почти, если не полностью, превращен в пар в точке впрыска, будет иметь место полное сгорание топлива, существенно уменьшающее выхлопные загрязнения, включая NO, углеводород и твердые частицы.
Поскольку основной заряд 200 впрыскивается в начале такта сжатия, то даже при очень высоких нагрузках имеется достаточно времени для того, чтобы топливо полностью превратилось в пар и смешалось с воздухом. Во время работы при очень низкой нагрузке, например на холостом ходу, инжектор 59 пилотного топлива может обеспечить достаточное количество топлива для поддержания работы без запуска инжекторов 55 основного топлива.
Другие преимущества, возникающие при использовании НСРI двигателя 8, можно понять из ссылки на Фиг.5А-Фиг.5D. К этим преимуществам относится защита инжекторов 55 основного топлива от высоких давлений и высоких температур, являющихся следствием сжатия и горения, которые возникают в цилиндре при воспламенении воздушно-топливной смеси. На Фиг.5С-Фиг.5D лучше всего видно, что участки 57 впрыска перекрыты цилиндрами 12 и 14, когда цилиндры перемещаются к ВМТ и от нее, тем самым, защищая сопла указанных инжекторов от воздействия высокого давления и температуры сжатой воздушно-топливной смеси и от теплоты и турбулентности горения.
Все предыдущие примеры были основаны на наличии двух инжекторов основного топлива и использовании инжектора пилотного топлива в качестве единственного элемента воспламенения. На Фиг.6А-Фиг.6С представлены альтернативные варианты конструкций. В конструкции, представленной на Фиг.6А, имеется только один участок 57 впрыска основного топлива, обслуживаемый одним инжектором 55 основного топлива. Участок 57 впрыска основного топлива находится в цилиндре 10, около одного из отверстий 45 или 46, слегка смещенного по направлению к ВМТ поршня, регулирующего раскрытие отверстия; на Фиг.6А участок 57 впрыска основного топлива находится вблизи выпускного отверстия 45. В данной конфигурации отверстия сопла топливного инжектора расположены таким образом, чтобы впрыскивать основной заряд в направлении противоположного отверстия. На Фиг.6В по меньшей мере один участок 57 впрыска основного топлива расположен на цилиндре 10, на диаметре, проходящем через центр 140 или вблизи него. В данной конфигурации отверстия сопла топливного инжектора расположены таким образом, чтобы впрыскивать весь основной заряд в направлении отверстий 45 и 46, в сторону от центра 140. В конфигурации, представленной на Фиг.6А и Фиг.6В, системы для впрыска основного топлива (не показаны) впрыскивают основной заряд в начале такта воспламенения сжатием, при этом поршни (не показаны) находятся вблизи положений, соответствующих их НМТ, но окна 45 и 46 закрыты. На Фиг.6С функцию воспламенения пилотного инжектора 59 усиливает элемент воспламенения 160, приводимый в действие электрическим способом, например свеча зажигания. Элемент 160 расположен поблизости от центра 140 и может быть смещен вбок или по дуге от участка 61 пилотного впрыска; для информации, в цилиндре 10 показаны один или несколько возможных участков 57 для инжекторов 55 основного топлива.
Следует отметить, что принципы изобретения, сформулированные в данном документе, не ограничены вариантами выполнения, которые прилагаются только в качестве иллюстрации. Например, для того чтобы обеспечить поэтапный впрыск основного заряда, в продольном направлении вдоль стенки цилиндра по направлению к ВМТ можно было бы установить дополнительные инжекторы 55 основного топлива. Более того, принципы, описанные в данном документе, можно применить к двухтактным или четырехтактным двигателям с двумя или одним поршнем. Во всем остальном указанные принципы ограничены исключительно приведенной ниже формулой изобретения.