УСТРОЙСТВО ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ УСТРОЙСТВА ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ БЕНЗИНА И НА ОСНОВЕ СЖАТОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
FUEL INJECTION DEVICE, INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF CONTROLLING FUEL INJECTION DEVICE BASED ON GASOLINE AND BASED ON COMPRESSED NATURAL GAS

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к устройству впрыскивания топлива согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.
Подобные устройства впрыскивания топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) общеизвестны. Так, например, из DE 102008043930 A1 известна система впрыскивания топлива для ДВС, которая рассчитана на применение топлив двух или более разных видов и которая имеет топливные форсунки, по выбору соединяемые с различными емкостями, содержащими разные топлива. В такой системе впрыскивания топлива прежде всего предусмотрено использование одних и тех же топливных форсунок и для впрыскивания бензина, и для подачи газа, такого как сжатый природный газ и сжиженный (углеводородный) газ. Недостаток подобной системы впрыскивания топлива состоит в том, что при впрыскивании топлив на основе бензина их требуется подавать с иным расходом, чем при подаче топлив на основе газа. Однако пределы, в которых можно варьировать дозируемое любой топливной форсункой количество топлива, т.е. те пределы, в которых впрыскивание топлива топливной форсункой возможно с определенной точностью его дозирования, ограничены.
Краткое изложение сущности изобретения
Преимущество предлагаемого в изобретении устройства впрыскивания топлива, предлагаемого в изобретении двигателя внутреннего сгорания и предлагаемого в изобретении способа управления работой устройства впрыскивания топлива, заявленных в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения, перед известными из уровня техники решениями состоит, с одной стороны, в сокращении выбросов отработавших газов (ОГ), а с другой стороны, в повышении мощности, развиваемой двигателем внутреннего сгорания. Достигается это благодаря тому, что топливо первого состава, основным компонентом которого является преимущественно природный газ, впрыскивается исключительно первым блоком впрыскивания, тогда как топливо второго состава, основным компонентом которого является преимущественно бензин, впрыскивается исключительно вторым блоком впрыскивания с двумя раздельными топливными форсунками. При создании изобретения было установлено, что работа ДВС с малым выбросом ОГ достигается в том случае, когда ДВС в период пуска и прогрева и в диапазоне низких нагрузок работает на топливе второго состава, а в диапазоне повышенной, соответственно полной нагрузки - на топливе первого состава. При работе ДВС на топливе на основе природного газа оно должно подаваться соответствующей топливной форсункой в существенно большем количестве, чем при работе ДВС на топливе на основе бензина, и поэтому к имеющемуся в распоряжении диапазону регулирования расхода топлива через устройство его впрыскивания предъявляются сравнительно высокие требования. Разделение топливных форсунок на те, которые используются для впрыскивания только топлива на основе природного газа, и на те, которые используются для впрыскивания только топлива на основе бензина, позволяет простым путем обеспечить соблюдение высоких требований, предъявляемых к имеющемуся в распоряжении диапазону регулирования расхода топлива через соответствующую топливную форсунку. Впрыскивание топлива на основе бензина требуется прежде всего в период пуска и прогрева ДВС, поскольку впрыскивание топлива на основе природного газа оказывается сравнительно неэффективным для пуска ДВС. Поэтому второй блок впрыскивания используется именно в период пуска и прогрева ДВС, а при его работе в режиме полной нагрузки преимущественно дросселируется или вовсе отключается. Применение двух отдельных - второй и третьей - топливных форсунок способствует однородному и стабильному сгоранию топлива именно в период пуска и прогрева ДВС, поскольку каждой топливной форсункой требуется впрыскивать топливо второго состава лишь с меньшим его расходом, благодаря чему достигается меньшая плотность расположения капелек в струе распыляемого топлива, т.е. эффективно уменьшается характеристический размер капелек распыляемого топлива, прежде всего их диаметр Заутера, вследствие чего сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания происходит быстрее и стабильнее. Еще одно преимущество состоит в наличии у устройства впрыскивания топлива двух расположенных отдельно друг от друга мест впрыскивания топлива, достигаемая благодаря чему степень свободы обеспечивает возможность оптимального впрыскивания топлива с минимальной его конденсацией на стенках. В результате этого предотвращаются изъяны в процессе сгорания, пропуски зажигания или неполное сгорание топливовоздушной смеси и сокращается образование первичных ОГ. Данный фактор прежде всего в период пуска и прогрева ДВС, т.е. при холодном, еще не обеспечивающем (полное) превращение вредных веществ в безвредные каталитическом нейтрализаторе, приводит к уменьшению выброса вредных веществ с ОГ на выходе каталитического нейтрализатора. Помимо этого лучшее сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания приводит к изменению угла опережения зажигания в сторону более позднего при той же неплавности работы двигателя, что приводит далее к повышению температуры в камере сгорания, а тем самым и к образованию более горячих первичных ОГ. Благодаря этому в период пуска и прогрева ДВС каталитический нейтрализатор быстрее нагревается и быстрее достигает своей начальной рабочей температуры, начиная с которой каталитический нейтрализатор работает эффективно. Тем самым благодаря применению двух отдельных топливных форсунок в целом образуется явно меньшее количество первичных ОГ в период пуска и прогрева ДВС. Преимущество, связанное с сокращением количества образующихся первичных ОГ, состоит в возможности уменьшить размеры каталитического нейтрализатора и сэкономить необходимые для него благородные металлы. Лучшее сгорание топливовоздушной смеси и достигаемое благодаря этому повышение плавности работы ДВС позволяют, кроме того, снизить частоту вращения вала ДВС на холостом ходу, что, в свою очередь, также приводит с сокращению выбросов ОГ при работе ДВС на топливе второго состава. В режиме высокой нагрузки второй блок впрыскивания дросселируется и/или отключается, и в ДВС подается топливо на основе природного газа, благодаря чему достигается сравнительно высокая мощность при низких выбросах ОГ и низком расходе топлива. Благодаря меньшему содержанию примесей в природном газе его сгорание в целом происходит полнее по сравнению с бензином и тем самым сопровождается образованием меньшего количества ОГ. В результате при работе ДВС в режиме нагрузки и полной нагрузки достигается значительное сокращение количества ОГ. Предлагаемый в изобретении ДВС в предпочтительном варианте представляет собой ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси и с распределенным впрыскиванием топлива во впускные каналы (или впрыскиванием топлива во впускной коллектор) для безрельсового транспортного средства, преимущественно для автомобиля. Такой ДВС в предпочтительном варианте имеет более одного цилиндра.
Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения, а также рассмотрены в последующем описании со ссылкой на прилагаемые к нему чертежи.
В одном из таких предпочтительных вариантов вторая и третья топливные форсунки расположены в ведущей к камере сгорания впускной трубе, предпочтительно на обращенном к камере сгорания нижнем участке стенки этой впускной трубы. Преимущество, связанное с подобным размещением второй и третьей топливных форсунок, состоит в том, что такое их расположение с точки зрения аэрогидродинамики благоприятнее в отношении обратного потока выходящих из камеры сгорания ОГ, благодаря чему уменьшается риск закупоривания второй и третьей топливных форсунок.
В еще одном предпочтительном варианте первая топливная форсунка расположена во впускной трубе, предпочтительно на обращенном от камеры сгорания верхнем участке стенки этой впускной трубы. Преимущество, связанное с подобным размещением первой топливной форсунки, состоит тем самым в возможности выполнения устройства впрыскивания топлива особо компактным с точки зрения занимаемого им монтажного пространства, поскольку первая топливная форсунка расположена на той стенке впускной трубы, которая противоположна второй и третьей топливным форсункам.
В еще одном предпочтительном варианте впускная труба разделена на участке между вторым блоком впрыскивания и камерой сгорания внутренней перегородкой на ведущий в первое впускное отверстие первый впускной канал и на ведущий во второе впускное отверстие второй впускной канал, при этом вторая топливная форсунка расположена в зоне первого впускного канала, а третья топливная форсунка - в зоне второго впускного канала. В предпочтительном варианте вторая и третья топливные форсунки расположены далее отдельно друг от друга и прежде всего выполнены также с возможностью управления ими отдельно одна от другой. Возможен также вариант, в котором управление осуществляется соответственно только одной из обеих этих топливных форсунок.
В еще одном предпочтительном варианте расстояние между второй топливной форсункой и первым впускным отверстием и расстояние между третьей топливной форсункой и вторым впускным отверстием меньше расстояния между первой топливной форсункой и первым или вторым впускным отверстием. Расстояние между вторым блоком впрыскивания и камерой сгорания предпочтительно выбирать малым с целью сократить время, затрачиваемое распыленным топливом второго состава на прохождение пути до впускного отверстия. В соответствии с этим испарение топлива на основе бензина происходит в камере сгорания, которая благодаря этому охлаждается. В результате повышается детонационная стойкость, благодаря чему ДВС прежде всего при его работе в режиме полной нагрузки становится способен развивать большую мощность. Поэтому данный вариант пригоден для создания особо мощного ДВС.
В альтернативном предпочтительном варианте расстояние между второй топливной форсункой и первым впускным отверстием и расстояние между третьей топливной форсункой и вторым впускным отверстием больше расстояния между первой топливной форсункой и первым или вторым впускным отверстием. В соответствии с этим расстояние между вторым блоком впрыскивания и камерой сгорания является сравнительно большим, и поэтому время, затрачиваемое распыленным топливом второго состава на прохождение пути до впускного отверстия, увеличивается. Связанное с этим преимущество состоит в том, что эффективное испарение капелек топлива начинается уже во впускной трубе и что благодаря этому достигается сравнительно стабильное и высокотемпературное сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания. В результате этого прежде всего в период пуска и прогрева ДВС улучшается воспламеняемость топливовоздушной смеси, а также ускоряется нагрев каталитического нейтрализатора. При этом уменьшаются выбросы ОГ. Поэтому данный вариант пригоден для создания особо малотоксичного ДВС.
В еще одном предпочтительном варианте вторая и третья топливные форсунки имеют только по одному распылительному отверстию для впрыскивания топлива второго состава и/или по своим конструктивным параметрам рассчитаны на впрыскивание топлива с меньшим его расходом, чем по меньшей мере одна первая топливная форсунка. Связанное с этим преимущество состоит, таким образом, в возможности оптимизировать пределы, в которых можно варьировать дозируемое количество топлива каждого из обоих разных составов. Первая топливная форсунка имеет альтернативно либо единственное первое распылительное отверстие, либо по меньшей мере два отдельных первых распылительных отверстия для впрыскивания топлива на основе природного газа в направлении первого и второго впускных отверстий. Очевидно, что альтернативно этому возможен также вариант с выполнением первого блока впрыскивания с двумя или более первыми топливными форсунками, каждая из которых прежде всего имеет только по одному первому распылительному отверстию и которые расположены во впускной трубе или в первом и втором впускных каналах.
В еще одном предпочтительном варианте вторая и третья топливные форсунки выполнены с разными конструктивными параметрами, и каждая из них рассчитана тем самым на впрыскивание топлива второго состава в количестве, отличном от количества топлива, впрыскиваемого другой из них. Такой подход позволяет существенно расширить пределы, в которых можно варьировать дозируемое количество топлива, например, путем управления только той топливной форсункой, которая по своим конструктивным параметрам рассчитана на меньший расход топлива.
Еще одним объектом настоящего изобретения является двигатель внутреннего сгорания с предлагаемым в изобретении устройством впрыскивания топлива.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ управления работой предлагаемого в изобретении устройства впрыскивания топлива, заключающийся в том, что первой топливной форсункой топливо первого состава на основе природного газа впрыскивают одновременно в направлении первого впускного отверстия и в направлении второго впускного отверстия, второй топливной форсункой топливо второго состава на основе бензина впрыскивают в основном только в направлении первого впускного отверстия, а третьей топливной форсункой топливо второго состава впрыскивают в основном только в направлении второго впускного отверстия. В соответствии с этим достигаются указанные выше преимущества касательно сокращения выбросов ОГ, а также повышения мощности. Таким путем удается до максимально больших расширить пределы, в которых можно варьировать дозируемое количество топлива с целью обеспечить его впрыскивание в точных, фактически потребных количествах.
В одном из предпочтительных вариантов по меньшей мере одной первой топливной форсункой впрыскивают исключительно топливо первого состава, а каждой из числа второй и третьей топливных форсунок впрыскивают исключительно топливо второго состава.
В еще одном предпочтительном варианте в период пуска и прогрева двигателя внутреннего сгорания впрыскивают преимущественно топливо второго состава второй и третьей топливными форсунками, а в период работы двигателя внутреннего сгорания в режиме нагрузки впрыскивают преимущественно топливо первого состава первой топливной форсункой. Таким путем обеспечивается максимально эффективное использование топлив различающегося между собой состава в соответствии с конкретными требованиями.
Ниже настоящее изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично в виде плана показан ДВС с устройством впрыскивания топлива согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 схематично в разрезе показан ДВС с устройством впрыскивания топлива согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 схематично в виде плана показано устройство впрыскивания топлива согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления изобретения
На различных чертежах одинаковые детали и элементы всегда снабжены одними и теми же позициями и поэтому также в каждом случае обычно указаны, соответственно упомянуты лишь однократно.
На фиг. 1 схематично в виде плана показан ДВС 1 с устройством 1′ впрыскивания топлива согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, при этом такой ДВС имеет цилиндр с камерой 2 сгорания и перемещающимся в нем поршнем 2′. Стенка камеры 2 сгорания имеет первое и второе впускные отверстия 10, 20, через каждое из которых в камеру 2 сгорания поступает топливовоздушная (рабочая) смесь, и первое и второе выпускные отверстия 30, 31, через каждое из которых из камеры 2 сгорания в первый и второй выпускные каналы 32, 33 соответственно вытесняются первичные ОГ, исходно образующиеся в результате сгорания топливовоздушной смеси. ДВС 1 имеет первый впускной клапан 10′, предназначенный для перекрытия первого впускного отверстия 10 и расположенный между первым впускным каналом 11 и камерой 2 сгорания. ДВС 1 имеет далее второй впускной клапан 20′, предназначенный для перекрытия второго впускного отверстия 20 и расположенный между вторым впускным каналом 21 и камерой 2 сгорания. Первый и второй впускные каналы 11, 21 с обращенной от камеры 2 сгорания стороны отходят от общей впускной трубы 9, по которой через расположенную в ней дроссельную заслонку (не показана) в направлении камеры 2 сгорания в дозируемом количестве поступает свежий воздух. Первый и второй впускные каналы 11, 21 в основном отделены друг от друга расположенной во впускной трубе 9 перегородкой 42. Устройство 1′ впрыскивания топлива имеет первый и второй блоки 3, 5 впрыскивания, предназначенные для впрыскивания топлива 4, 6 в направлении первого и второго впускных отверстий 10, 20, соответственно в первый и второй впускные каналы 11, 21. Первый блок 3 впрыскивания имеет первую топливную форсунку 7 с по меньшей мере одним распылительным отверстием 8, через которое топливо 4 первого состава одновременно впрыскивается в направлении первого, а также в направлении второго впускных отверстий 10, 20. Топливо первого состава состоит преимущественно из природного газа, который при работе ДВС 1 в режиме (полной) нагрузки обеспечивает сравнительно полное сгорание рабочей смеси, т.е. ее сгорание с низкими выбросами ОГ и с отдачей высокой мощности. Поскольку использование топлива на основе природного газа в период пуска и прогрева ДВС является сравнительно неэффективным, устройство Г впрыскивания топлива имеет также второй блок 5 впрыскивания, предназначенный для впрыскивания топлива 6 второго состава. Топливо второго состава состоит прежде всего из обычного бензина. Второй блок 5 впрыскивания имеет вторую и отдельную от нее третью топливные форсунки 12, 22. Вторая топливная форсунка 12 имеет единственное распылительное отверстие 14, через которое топливо 6 второго состава впрыскивается в основном только в направлении первого впускного отверстия 10. Аналогично этому третья топливная форсунка 22 имеет единственное третье распылительное отверстие 24, через которое топливо 6 второго состава впрыскивается в основном только в направлении второго впускного отверстия 20. Первая, вторая и третья топливные форсунки 7, 12, 22 выполнены управляемыми отдельно одна от другой. В данном варианте расстояние между второй топливной форсункой 12 и первым впускным отверстием 10, а также расстояние между третьей топливной форсункой 22 и вторым впускным отверстием 20 меньше расстояния между первой топливной форсункой 7 и первым или вторым впускным отверстием 10, 20. Вторая и третья топливные форсунки 12, 22 по своим конструктивным параметрам рассчитаны на впрыскивание топлива с меньшим его расходом, чем по меньшей мере одна первая топливная форсунка 7, поскольку топливо 4 на основе природного газа требуется впрыскивать в больших количествах по сравнению с впрыскиванием топлива 6 на основе бензина. Поэтому первая топливная форсунка 7 служит исключительно для впрыскивания топлива 4 первого состава, тогда как каждой из числа второй и третьей топливных форсунок 12, 22 впрыскивается исключительно топливо 6 второго состава. Впрыскивание топлива 6 второго состава происходит преимущественно в период пуска и прогрева ДВС 1.
Впрыскивание же топлива 4 первого состава происходит преимущественно в период работы ДВС в режиме нагрузки и полной нагрузки. Управление первой, второй и третьей топливными форсунками 7, 12, 22 в предпочтительном варианте осуществляется пригодной для этого системой управления в зависимости от соответствующих рабочих параметров, благодаря чему соотношение между впрыскиваемым количеством топлива 4 первого состава и впрыскиваемым количеством топлива 6 второго состава регулируется в зависимости от фактических потребностей и прежде всего в непрерывном режиме с целью до минимально возможного снизить выбросы ОГ при развитии достаточной мощности. ДВС 1 в предпочтительном варианте имеет несколько подобных цилиндров. Помимо этого ДВС 1 в предпочтительном варианте представляет собой ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси для автомобиля.
На фиг. 2 схематично в разрезе показан ДВС 1 с устройством 1′ впрыскивания топлива согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Второй вариант в основном аналогичен первому варианту, изображенному на фиг. 1, при этом вторая и третья топливные форсунки 12, 22 расположены в зоне обращенного к камере 2 сгорания нижнего участка 40 стенки впускной трубы 9. Первая же топливная форсунка 7 расположена в зоне обращенного от камеры 2 сгорания верхнего участка 41 стенки впускной трубы 9.
На фиг. 3 схематично в виде плана показано изображенное на фиг. 2 устройство 1′ впрыскивания топлива согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.