ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АВТОМОБИЛЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВПУСКОМ ВОЗДУХА И РЕЦИРКУЛИРОВАННЫХ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF AUTOMOBILE AND CONTROL METHOD OF AIR INJECTION AND RECIRCULATED EXHAUST GASES

Настоящее изобретение относится к процессу горения в двигателях внутреннего сгорания, в частности в двигателях с воспламенением от сжатия типа дизеля для автомобилей.
Как правило, в двигателях внутреннего сгорания указанного типа для впуска в камеру сгорания используют смесь воздуха и рециркулированных выхлопных газов, то есть газов с низким содержанием кислорода. Такая смесь позволяет снизить загрязняющие выбросы в атмосферу или, в зависимости от случая, контролировать процесс горения. Эти рециркулированные выхлопные газы называют «внешними рециркулированными выхлопными газами», или EGR (Exhaust Gas Recirculation), когда они поступают из камеры сгорания и подаются обратно на впуск через контур, внешний по отношению к камере сгорания. Газы называют «внутренними», или BGR (Burned Gas Recirculation), когда речь идет об остаточных газообразных продуктах сгорания, которые остаются в камере сгорания.
Настоящее изобретение в основном относится к использованию внешних рециркулированных выхлопных газов и к способу подачи этих газов в камеру сгорания для получения требуемого эффекта и, в частности, стратификации впускных газов в камере сгорания.
В патентной заявке GB-A-2328716 (FORD) описана стратификация внешних рециркулированных выхлопных газов в камере сгорания вокруг оси цилиндра путем введения этих газов при помощи специального трубопровода, который направляет указанные газы в место, где находится впускной клапан. Трубопровод впуска свежего воздуха содержит поворотную заслонку, которая позволяет регулировать расход свежих газов во впускном трубопроводе. Технической задачей, которая ставится в этом известном документе, в основном является удержание рециркулированных выхлопных газов в центре камеры сгорания.
В патенте US-A-5918577 описана система радиальной стратификации газообразных продуктов сгорания в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания путем повторного всасывания через выпускные клапаны газов, ранее удаленных во время фазы выпуска. Таким образом, рассматриваемые газы являются остаточными газами, то есть так называемыми «внутренними» рециркулированными выхлопными газами. Стратификацию этих отработавших газов вокруг оси цилиндра осуществляют за счет управления расходом выпуска газов в некоторых зонах камеры сгорания.
В патенте US-A-6318348 (VISTEON) упоминается также радиальная стратификация газов, входящих в камеру сгорания, при этом все впускные газы приводятся во вращение вокруг оси цилиндра и остаточные газообразные продукты сгорания предпочтительно удерживаются по окружности цилиндра. Здесь тоже речь идет о стратификации так называемых «внутренних» рециркулированных выхлопных газов, которые предпочтительно удерживаются по окружности цилиндра.
В документе GB-A-2298896 (FORD) описано использование двух впускных трубопроводов, один из которых разделен на две части при помощи перегородки таким образом, чтобы иметь возможность вводить через соответствующий впускной клапан смесь воздуха и внешних рециркулированных выхлопных газов. Радиальную или вертикальную стратификацию получают путем управления расходом впускаемых внешних рециркулированных выхлопных газов.
В некоторой степени аналогичное решение описано во французской патентной заявке FR-A-2860555 (RENAULT), в которой впускной трубопровод разделен на две части подвижной стенкой, позволяющей изменять проходное сечение для внешних рециркулированных выхлопных газов и для подаваемой воздушно-топливной смеси.
Во французской заявке FR-A-2859765 (RENAULT) описано использование двух впускных трубопроводов, в которые заходит смесь воздуха и внешних рециркулированных выхлопных газов, при этом каждый из трубопроводов может дополнительно питаться воздухом или внешними рециркулированными выхлопными газами.
В британской патентной заявке GB-A-2328980 (IFP) описано подсоединение ответвленного трубопровода для отвода внешних рециркулированных выхлопных газов в трубопровод впуска воздуха в цилиндр и также описано добавление устройства, позволяющего направлять впускные газы, прижимая их к стенкам камеры сгорания, чтобы получить радиальную стратификацию.
Во всех этих известных устройствах, если предусмотрено введение внешних рециркулированных выхлопных газов, его осуществляют однородно смешивая указанные газы с впускным воздухом за счет использования подсоединения к выпускному трубопроводу, который повторно направляет указанные газы на впуск.
Кроме того, следует отметить, что остаточные газы, то есть внутренние выхлопные газы, являются более горячими, чем внешние рециркулированные выхлопные газы, поэтому проблемы, возникающие при стратификации этих газов, различаются в зависимости от того, идет ли речь об остаточных газах или о внешних газах.
В отличие от того, что указано в некоторых известных источниках, задачей настоящего изобретения является простое и эффективное осуществление стратификации внешних рециркулированных выхлопных газов вокруг оси цилиндра в камере сгорания.
В варианте выполнения настоящего изобретения двигатель внутреннего сгорания автомобиля является двигателем, содержащим несколько цилиндров, каждый из которых оборудован, по меньшей мере, одним впускным трубопроводом и, по меньшей мере, одним выпускным трубопроводом, при этом ответвленный трубопровод с клапаном регулирования расхода рециркулированных выхлопных газов соединяет выпускной трубопровод с впускным трубопроводом в одной точке соединения. Впускной трубопровод содержит клапан регулирования расхода воздуха, установленный во впускном трубопроводе перед точкой соединения, причем средства управления выполнены с возможностью воздействия на клапан регулирования расхода рециркулированных выхлопных газов и на клапан регулирования расхода воздуха для поочередного пропускания через впускной трубопровод либо воздуха, либо рециркулированных выхлопных газов.
Поочередный впуск воздуха и рециркулированных выхлопных газов позволяет циклично питать камеру сгорания, находящуюся в цилиндре, и получать, таким образом, стратификацию рециркулированных выхлопных газов в камере сгорания вокруг оси цилиндра. Действительно, скорость впускных газов зависит от различных факторов, связанных с работой двигателя и, в частности, от скорости и положения поршня, который перемещается в цилиндре. Различные газы, циклично направляемые в камеру сгорания, будут иметь разную скорость, что приводит к стратификации этих газов в камере сгорания.
Предпочтительно предусмотрены средства для регулирования скорости газов, подаваемых в цилиндр.
Эти средства могут содержать, например, поворотную заслонку, установленную во впускном трубопроводе за точкой соединения. Управление положением такой заслонки может быть осуществлено сигналами, генерируемыми электронным блоком управления.
В другом предпочтительном варианте выполнения средства регулирования скорости газов, подаваемых в цилиндр, могут содержать средства управления движениями открывания впускных клапанов. Эти средства управления могут, например, содержать датчики скорости и/или положения поршня. Сигналы от этих датчиков могут передаваться на электронный блок управления, генерирующий сигналы управления для впускных клапанов.
В других предпочтительных вариантах выполнения средства регулирования скорости газов, подаваемых в цилиндры, могут содержать различные подвижные органы, используемые также для управления аэродинамикой газов в камере сгорания, например вихревую заслонку, выполненную с возможностью создания вращательного движения газов в камере сгорания вокруг оси цилиндра, и это движение называют «вихревым».
Изобретение можно также применять для двигателей, содержащих несколько впускных трубопроводов для каждого цилиндра. В этом случае каждый впускной трубопровод содержит клапан регулирования расхода воздуха, установленный во впускном трубопроводе перед точкой соединения.
Другим объектом настоящего изобретения является способ управления впуском воздуха и рециркулированных выхлопных газов в цилиндр двигателя внутреннего сгорания автомобиля, содержащего несколько цилиндров, каждый из которых оборудован, по меньшей мере, одним впускным трубопроводом и, по меньшей мере, одним выпускным трубопроводом, при этом ответвленный трубопровод с клапаном регулирования расхода рециркулированных выхлопных газов соединяет выпускной трубопровод с впускным трубопроводом в точке соединения. В цилиндр через впускной трубопровод поочередными циклами подают с разной скоростью либо воздух, либо рециркулированные выхлопные газы.
Согласно изобретению поочередными циклами управляют в зависимости от положения или скорости поршня в цилиндре.
Можно также управлять скоростью газов, подаваемых в цилиндр.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания частного варианта выполнения, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором схематично показан вид сверху цилиндра двигателя внутреннего сгорания и различные впускные и выпускные трубопроводы.
На чертеже схематично показана верхняя часть цилиндра 1 двигателя внутреннего сгорания, в частности двигателя с воспламенением от сжатия типа дизеля. Двигатель содержит несколько идентичных цилиндров. На соединении между головкой блока цилиндров (не показана) и цилиндром 1 выполнены различные впускные и выпускные отверстия. Первый впускной трубопровод 3 сообщается с первым впускным отверстием 4 и обеспечивает цикличный впуск либо потока свежего воздуха, схематично показанного стрелкой 5, направляемого через трубопровод 3а, либо потока внешних рециркулированных выхлопных газов, схематично показанного стрелкой 6, направляемого через трубопровод 3b.
Второй впускной трубопровод 7 сообщается со вторым впускным отверстием 8 и обеспечивает впуск либо потока свежего воздуха, схематично показанного стрелкой 5, направляемого через трубопровод 7а, либо потока внешних рециркулированных выхлопных газов, схематично показанного стрелкой 6, направляемого через трубопровод 7b.
Цилиндр содержит также два выпускных трубопровода 9 и 10, которые сообщаются, каждый, с выпускным отверстием 11, 12 и обеспечивают выпуск газообразных продуктов сгорания в виде потока, показанного стрелкой 6, через выпускной трубопровод 13, в который сходятся два трубопровода 9 и 10. По существу на оси цилиндра установлена топливная форсунка 14, выполненная с возможностью впрыска топливного облака в камеру сгорания в соответствующий момент.
Четыре отверстия 4, 8, 11 и 12 в показанном примере выполнены по существу через равномерные промежутки по контуру цилиндра 1. Отверстия имеют круглое сечение и могут поочередно открываться и закрываться клапанами (не показаны). Впускные отверстия 4 и 8 расположены с одной стороны цилиндра, тогда как выпускные отверстия 11 и 12 расположены с другой стороны.
Внешний ответвленный контур, выполненный в виде трубопровода 15 и подсоединенный к выпускному трубопроводу 13, обеспечивает рециркуляцию части выхлопных газов, схематично показанных стрелкой 6, в направлении впуска. Управляемый клапан 16, называемый «клапаном внешних рециркулированных выхлопных газов», позволяет регулировать расход рециркулированных выхлопных газов EGR в зависимости от работы двигателя внутреннего сгорания.
В каждом из ответвленных трубопроводов 3а, 3b и 7а, 7b установлен управляемый клапан регулирования. Так, в ответвленном трубопроводе 3а установлен клапан 17а, а в ответвленном трубопроводе 3b - клапан 17b. Точно так же в ответвленном трубопроводе 7а установлен клапан 18а, а в ответвленном трубопроводе 7b - клапан 18b. Управление этими различными клапанами регулирования позволяет открывать или перекрывать соответствующие ответвленные трубопроводы. Таким образом, во впускное отверстие 4 через впускной трубопровод 3 можно поочередно подавать либо свежий воздух, обозначенный стрелкой 5, через ответвленный трубопровод 3а, когда открыт клапан регулирования 17а, либо поток рециркулированных выхлопных газов, обозначенный стрелкой 6, через ответвленный трубопровод 3b, когда открыт клапан регулирования 17b. Когда клапан регулирования 17а открыт, клапан регулирования 17b закрыт, и наоборот. Таким образом, газы, впускаемые через впускной трубопровод 3, циклично представляют собой свежий воздух, затем рециркулированные выхлопные газы или наоборот.
Этот же принцип работы сохраняется для впускного трубопровода 7, который может поочередно подавать поток свежего воздуха, показанный стрелкой 5, через ответвленный трубопровод 7а, когда открыт клапан регулирования 18а, и, соответственно, поток внешних рециркулированных выхлопных газов через ответвленный трубопровод 7b, когда открыт клапан регулирования 18b. Так же, как и в случае клапанов регулирования 17а и 17b, клапаны регулирования 18а и 18b циклично то открываются, то закрываются и, когда один из них открыт, другой в это время закрыт, за счет чего впускной трубопровод 7 циклично подает либо поток свежего воздуха, либо поток внешних рециркулированных выхлопных газов.
Скорость газов, проходящих через впускные трубопроводы 3 и 7, зависит от скорости поршня, который перемещается внутри цилиндра 1. Поскольку в камеру сгорания циклично подаются разные типы газов, каждый цикл будет характеризоваться разной скоростью во время впуска в камеру сгорания. Это различие в скоростях между каждым типом газов, согласно изобретению, приводит к стратификации газов в камере сгорания.
Таким образом, благодаря изобретению, можно использовать изменение аэродинамики внутри камеры сгорания во время процесса впуска в цилиндр для получения требуемой стратификации впускных газов.
В примере, показанном на чертеже в качестве альтернативного варианта, в двух впускных трубопроводах 3 и 7 предусмотрена также поворотная заслонка 19, 20, выполненная с возможностью изменения скорости газов, поступающих через впускные трубопроводы 3 и 7.
Необходимо отметить, что клапаны регулирования 17а, 17b и 18а, 18b установлены в соответствующих ответвленных трубопроводах 3а, 3b и 7а, 7b перед точкой соединения 21 или 22, где соответствующие ответвленные трубопроводы 3а, 3b и 7а, 7b соединяются, образуя единый впускной трубопровод 3 или 7. Таким образом, закрывание одного из клапанов регулирования позволяет полностью перекрыть соответствующий поток газов в ответвленном трубопроводе, внутри которого установлен данный клапан регулирования. Таким образом, поток впускных газов, подаваемый во время цикла, соответствующего закрытому положению одного из клапанов регулирования и открытому положению другого клапана регулирования, является газом, представляющим собой либо только свежий воздух, либо только рециркулированные выхлопные газы.
Что касается поворотных заслонок 19, 20, если они предусмотрены, то они установлены во впускных трубопроводах 3, 7 за точками соединения 21, 22 таким образом, чтобы воздействовать на скорость потока впускных газов, независимо от их типа.
Управление различными клапанами регулирования 17а, 17b и 18а, 18b, как и клапаном 16, и заслонками 19, 20, если они присутствуют, осуществляют посредством электронного блока 23 управления, обозначенного на чертеже аббревиатурой ECU. Этот электронный блок регулирования получает через различные соединения, обозначенные стрелкой 24, различные рабочие параметры двигателя и может генерировать различные сигналы управления, которые передаются через соединение 25 на клапан 16, через соединения 26 и 27 на клапаны регулирования 17а и 17b и через соединения 30 и 31 на клапаны регулирования 18а и 18b.
В этом случае команды циклов впуска газов в камеру сгорания генерируются в зависимости от стратегии управления клапанами регулирования 17а, 17b и 18а, 18b, определяемой, например, программой управления, находящейся в запоминающем устройстве электронного блока 23 управления. Точно так же скорость впускных газов может управляться положением заслонок 19 и 20.
Благодаря использованию таких различных газовых циклов в камере сгорания с разными скоростями, эти газы стремятся оказаться на разном радиусе вокруг оси цилиндра, обеспечивая, таким образом, стратификацию в камере сгорания.
Можно также учитывать сигналы, поступающие от датчиков положения или скорости перемещения поршня (не показаны) в цилиндре 1. Эти сигналы, выдаваемые такими датчиками, могут учитываться электронным блоком 23 управления, чтобы влиять на стратегию управления различными клапанами регулирования.
В другом предпочтительном варианте регулирования (не показан) можно также предусмотреть использование устройства переменной дозировки за счет соответствующего управления сигналами, поступающими из электронного блока управления, движениями открывания и закрывания впускных и выпускных клапанов.
В представленном примере цилиндр 1 содержит два впускных трубопровода, однако следует учесть, что изобретение можно применять для других конструкций, содержащих, например, только один впускной трубопровод.