СПОСОБ ВПРЫСКА ТОПЛИВА
FUEL INJECTION METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к автомобильному двигателю и, в частности, к способу впрыска топлива.
Уровень техники
Прямой впрыск топлива (GDI) является важным средством для повышения экономии топлива и мощностных характеристик бензинового двигателя. Однако в двигателе с прямым впрыском топлива жидкое топливо непосредственно сталкивается с гильзой цилиндра, так что на гильзе цилиндра образуется пленка жидкого топлива, и эта часть пленки жидкого топлива выбрасывается в масляный поддон поршневым кольцом во время перемещения поршня. В результате повышается уровень масла, уменьшается кинематическая вязкость масла и ухудшаются эксплуатационные характеристики масла, что влияет на образование смазочной пленки на быстродвижущихся деталях двигателя, тем самым уменьшая общую эксплуатационную надежность двигателя. Повышение уровня масла в двигателе с прямым впрыском топлива в основном обусловлено по меньшей мере одной из следующих причин. Что касается первой причины, форма камеры сгорания является необоснованной причиной. Что касается второй причины, способ регулирования впрыска топлива (включая сюда один из параметров, к которым относятся давление впрыска топлива, время впрыска топлива и соотношение компонентов при впрыске топлива) является необоснованной причиной применительно к неудовлетворительному распылению струи топлива и чрезмерной глубине проникновения. Что касается третьей причины, взаимодействие поршневого кольца и цилиндра является необоснованной причиной, низкие температуры поверхности стенки цилиндра и жидкого топлива не способствуют испарению, и конструкции газо-масляного сепаратора и системы вентиляции коленчатого вала являются необоснованными причинами. Что касается двигателя с прямым впрыском топлива под давлением (в котором предусмотрено большее количество впрыскиваемого топлива), величина топливной пленки на гильзе цилиндра является более значительной, и увеличивается риск повышения уровня масла.
Исследования показывают, что в случае, когда температура окружающей среды экстремально низкая, проблема повышения уровня масла является более значимой. Поскольку скорость испарения топливной пленки на поверхности стенки тесно связана с температурой металла стенки цилиндра и температурой топлива, в общем регулирование температуры поверхности стенки камеры сгорания в приемлемом диапазоне за счет оптимизации системы терморегулирования двигателя способствует испарению топливной пленки на поверхности стенки. Однако в случае экстремально низкой температуры окружающей среды (-30°C) система терморегулирования двигателя не может регулировать температуру поверхности стенки камеры сгорания в диапазоне, благоприятном для испарения, в результате чего топливная пленка, образующаяся на гильзе цилиндра, не может быстро испаряться, и решение проблемы повышения уровня масла является сложной задачей.
Согласно предшествующему уровню техники процесс впрыска топлива регулируется во время тактов впуска и сжатия двигателя. Применительно к такому принципу впрыска топлива риск повышения уровня масла в экстремально холодных условиях является бóльшим по следующим причинам. Во-первых, температура топливного бака в экстремально холодных условиях (-30°C), по существу, соответствует температуре окружающей среды, и система подачи топлива оказывает очень незначительное влияние на нагрев топлива, так что температура струи топлива, поступающей в камеру сгорания, близка к температуре окружающей среды, капли топлива при низких температурах с трудом испаряются, разрушаются и распыляются, что ведет к увеличению глубины струи топлива и увеличению риска сталкивания струи топлива с поверхностью стенки цилиндра и образования топливной пленки. Во-вторых, холодный двигатель с трудом запускается в экстремально холодных условиях, и для быстрого запуска двигателя ECU (электронный управляющий блок) действует по принципу использования обогащенной газообразной смеси, так что увеличение количества впрыскиваемого топлива дополнительно усиливает эффект образования топливной пленки на гильзе цилиндра. Кроме того, когда двигатель эксплуатируется в экстремально холодных рабочих условиях, температура системы охлаждения медленно повышается, и температура воды в двигателе поддерживается в относительно низком диапазоне, так что температура поверхности стенки является низкой, и это не способствует испарению топливной пленки на гильзе цилиндра. Таким образом, на основании существующего уровня техники невозможно эффективно решить проблему повышения уровня масла в двигателе в экстремально холодных окружающих условиях.
Сущность изобретения
По меньшей мере некоторые варианты выполнения настоящего изобретения предлагают способ впрыска топлива так, чтобы по меньшей мере частично решить проблему существующего уровня техники, связанную с невозможностью эффективного регулирования повышения уровня масла в двигателе в экстремально холодных окружающих условиях.
В варианте выполнения настоящего изобретения предлагается способ впрыска топлива, который включает в себя следующее: когда двигатель работает при низкой нагрузке, в каждый рабочий цикл выполняется единственный впрыск так, чтобы завершить впрыск топлива перед верхней мертвой точкой выпуска; когда двигатель работает при промежуточной нагрузке, в каждый рабочий цикл выполняются два впрыска, причем первый впрыск выполняется так, чтобы завершить впрыск топлива перед верхней мертвой точкой выпуска; и когда двигатель работает при высокой нагрузке, в каждый рабочий цикл выполняются три впрыска, причем первый впрыск выполняется так, чтобы завершить впрыск топлива перед верхней мертвой точкой выпуска.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при промежуточной нагрузке, второй впрыск начинается на более позднем этапе такта сжатия.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при промежуточной нагрузке, количество топлива, впрыскиваемого во время второго впрыска, составляет не более 40% от общего количества впрыскиваемого топлива, и суммарная величина количества топлива, впрыскиваемого во время первого впрыска, и количества топлива, впрыскиваемого во время второго впрыска, составляет полное количество впрыскиваемого топлива.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при высокой нагрузке, точка начала второго впрыска соответствует углу поворота коленчатого вала на 30~50 градусов после верхней мертвой точки впуска.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при высокой нагрузке, третий впрыск начинается на более позднем этапе такта сжатия.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при высокой нагрузке, количество топлива, впрыскиваемого во время третьего впрыска, составляет не более 40% от общего количества впрыскиваемого топлива, а суммарная величина количества топлива, впрыскиваемого во время первого впрыска, количества топлива, впрыскиваемого во время второго впрыска, и количества топлива, впрыскиваемого во время третьего впрыска, составляет полное количество впрыскиваемого топлива.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при высокой нагрузке, количество впрыскиваемого топлива второго впрыска составляет 40 - 50% оставшегося количества впрыскиваемого топлива, при этом оставшееся количество получается путем вычитания количества впрыскиваемого топлива первого впрыска из общего количества впрыскиваемого топлива.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при низкой нагрузке, единственный впрыск начинается на более позднем этапе такта выпуска; когда двигатель работает при промежуточной нагрузке, первый впрыск начинается на указанном более позднем этапе такта выпуска; и когда двигатель работает при высокой нагрузке, первый впрыск начинается на указанном более позднем этапе такта выпуска.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, когда двигатель работает при низкой нагрузке, диапазон частоты вращения двигателя составляет 800 - 3000 об/мин, и диапазон нагрузки двигателя составляет 0 - 4 бар; когда двигатель работает при промежуточной нагрузке, диапазон частоты вращения двигателя составляет 800 - 3000 об/мин, и диапазон нагрузки двигателя составляет 3 - 10 бар; и когда двигатель работает при высокой нагрузке, диапазон частоты вращения двигателя составляет 800 - 3000 об/мин, и диапазон нагрузки двигателя составляет не менее 9 бар.
Согласно по меньшей мере некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, благодаря использованию преимущества, состоящего в том, что температура в цилиндре двигателя во время такта выпуска выше температуры впуска двигателя, и регулированию части процесса впрыска топлива, который должен выполняться на более позднем этапе такта выпуска, с одной стороны, температура остаточного газа в цилиндре максимально используется для ускорения испарения топлива, и глубина проникновения распыления уменьшается, тем самым, уменьшается мокрая стенка гильзы цилиндра; и, с другой стороны, благоприятные условия, состоящие в том, что температура гильзы цилиндра является высокой на более позднем этапе такта выпуска, используются для ускорения испарения топливной пленки на поверхности стенки цилиндра. Следовательно, варианты выполнения настоящего изобретения могут решить проблемы разжижения масла и повышения уровня масла в двигателях с прямым впрыском топлива в экстремально холодных окружающих условиях. Кроме того, результаты испытаний в низкотемпературной камере для климатических испытаний показывают, что (после испытаний из 7 циклов уровень масла поднимается на 1 мм) этот способ впрыска топлива оказывает значительное влияние на регулирование уровня масла, когда двигатель эксплуатируется в экстремально холодных рабочих условиях.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематическая диаграмма рабочих областей по варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематическая диаграмма способа впрыска топлива по варианту выполнения настоящего изобретения.
Подробное описание
Настоящее изобретение подробно описано ниже со ссылкой на приложенные чертежи.
Как показано на фиг. 1 и 2, в варианте выполнения настоящего изобретения предусмотрен излагаемый ниже способ впрыска топлива, который используется для уменьшения проблемы повышения уровня масла в двигателе с прямым впрыском топлива под давлением в экстремально холодных условиях.
Как показано на фиг. 1, когда рабочее состояние двигателя соответствует области A, двигатель работает при пониженной нагрузке, и температура топливного бака в экстремально холодных условиях (а именно, -30°C), по существу, такая же, как и температура окружающей среды. Система подачи топлива оказывает очень незначительное влияние на нагрев топлива, так что температура струи топлива, поступающей в камеру сгорания, близка к температуре окружающей среды, и температура топлива является пониженной, когда работа двигателя соответствует указанной области. Таким образом, когда рабочее состояние двигателя соответствует области A, в каждый рабочий цикл выполняется один впрыск топлива для завершения впрыска топлива перед верхней мертвой точкой выпуска (а именно, CA=360 градусов). Жидкое топливо, по существу, распыляется за счет максимального использования температуры рабочей среды в цилиндре после предыдущего сгорания топлива в двигателе, чтобы достичь цели максимально строгого регулирования глубины проникновения струи топлива, тем самым, обеспечивая, что распыление большей части жидкого топлива завершается перед тем, как жидкое топливо сталкивается с поверхностью стенки гильзы цилиндра, и уменьшая вероятность движения струи топлива к поверхности стенки гильзы цилиндра и образования топливной пленки на гильзе цилиндра, и температура оставшейся рабочей среды в цилиндре также может ускорять испарение топливной пленки на гильзе цилиндра.
Когда рабочее состояние двигателя соответствует области A, количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, является небольшим, угол окончания впрыска топлива регулируется перед верхней мертвой точкой выпуска, результат моделирования показателя мокрой стенки гильзы цилиндра составляет 0,04%, и показатель мокрой стенки гильзы цилиндра для принципа исходного впуска топлива составляет 2,2%. Из результатов моделирования можно определить, что температура выхлопных газов внутри цилиндра может уменьшать показатель мокрой стенки гильзы цилиндра на 98%, и результаты испытаний в низкотемпературной камере для климатических испытаний также показывают, что (после испытаний из 7 циклов уровень масла поднимается на 1 мм) это позволяет обеспечить уровень масла в указанной области на низком уровне.
Как показано на фиг.1, когда рабочее состояние двигателя соответствует области B, двигатель работает при промежуточной нагрузке, где количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, увеличивается с возрастанием нагрузки в экстремально холодных условиях (а именно, -30°C), чтобы максимально увеличить использование остаточной температуры в цилиндре для распыления топлива, причем предполагается, что все впрыски завершаются перед верхней мертвой точкой выпуска. Однако, когда рабочее состояние двигателя соответствует области B, количество топлива, впрыскиваемого в области B, больше количества топлива, впрыскиваемого в области A, и отсутствует возможность завершения всех впрысков перед верхней мертвой точкой выпуска, поэтому для каждого рабочего цикла требуются два впрыска.
Когда рабочее состояние двигателя соответствует области B, количество топлива, впрыскиваемого во время первого впрыска, можно подсчитать на основании ширины импульса впрыска топлива, который завершается перед верхней мертвой точкой выпуска. Дополнительный способ заключается в следующем: (угол начала впрыска топлива - 360 градусов) * скорость впрыска топлива. Другими словами, впрыскивание максимально возможного количества топлива, исходя из предположения, что угол окончания впрыска топлива достигается перед верхней мертвой точкой выпуска, в большей степени содействует распылению и испарению топлива и значительно уменьшает риск повышения уровня масла. Однако также необходимо просканировать угол начала впрыска топлива посредством моделирования и определить приемлемый угол начала впрыска топлива с помощью результатов моделирования показателя перелива углеводородного топлива и показателя мокрой стенки применительно к свече зажигания, так чтобы предотвратить поступление большого количества топлива в систему выпуска с выхлопным газом и возникновение риска высокой температуры трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.
Когда рабочее состояние двигателя соответствует области B, топливо второго впрыска является топливом, которое не может быть полностью впрыснуто перед верхней мертвой точкой впуска, и эта часть топлива не может распыляться и испаряться с помощью остаточной температуры в цилиндре. Как указано выше, температура топлива, поступающего в цилиндр в экстремально холодных условиях, по существу, соответствует температуре окружающей среды, и температура в цилиндре во время такта впуска также низкая, так что когда топливо впрыскивается в цилиндр во время такта впуска, топливо не может полностью распыляться, топливная пленка на поверхности стенки, образующаяся за счет соударения жидкого топлива и гильзы цилиндра, не может полностью испаряться, и существует высокий риск увеличения уровня масла. Следовательно, по усмотрению второй впрыск может начинаться на более позднем этапе такта сжатия. Как показано на фиг. 2, по сравнению с тактом впуска, температура в цилиндре на более позднем этапе такта сжатия увеличивается, и топливо может распыляться, и для обеспечения возможности полного распыления топлива на более позднем этапе такта сжатия доля впрыскиваемого топлива во время второго впрыска не должна превышать 40% общего количества впрыскиваемого топлива. Таким образом, уменьшается риск повышения уровня масла, и сумма количества впрыскиваемого топлива первого впрыска и количества впрыскиваемого топлива второго впрыска является полным количеством впрыскиваемого топлива.
Как показано на фиг. 1, когда рабочее состояние двигателя соответствует области C, двигатель работает при высокой нагрузке, и когда нагрузка дополнительно увеличивается, количество впрыскиваемого топлива также значительно увеличивается. Когда все еще используется принцип двух впрысков из области B, применительно к последнему впрыску, выполняемому на более позднем этапе такта сжатия, часть топлива поступает в систему выпуска после открывания выпускного клапана из-за чрезмерно длительного периода выпуска. Таким образом, когда двигатель работает в области C, для каждого рабочего цикла требуются три впрыска, причем количество топлива, впрыскиваемого во время первого впрыска, можно подсчитать на основании ширины импульса впрыска топлива, который завершается перед верхней мертвой точкой выпуска. Дополнительный способ заключается в следующем: (угол начала впрыска топлива - 360 градусов) * скорость впрыска топлива. Другими словами, впрыскивается максимально возможное количество топлива, исходя из предположения, что угол окончания первого впрыска достигается перед верхней мертвой точкой выпуска, третий впрыск начинается на более позднем этапе такта сжатия, и доля впрыскиваемого топлива во время третьего впрыска не должна превышать 40%, и сумма количества впрыскиваемого топлива первого впрыска, количества впрыскиваемого топлива второго впрыска и количества впрыскиваемого топлива третьего впрыска является полным количеством впрыскиваемого топлива.
Когда рабочее состояние двигателя соответствует области C, и двигатель находится в экстремально холодных условиях (а именно, -30°C), низкая температура в цилиндре во время такта впуска не позволяет топливу полностью распыляться, и большая глубина проникновения струи топлива легко формирует мокрую стенку гильзы цилиндра, что обусловливает риск повышения уровня масла, причем точка начала второго впрыска топлива должна быть задана под углом поворота коленчатого вала 30~50 градусов после верхней мертвой точки впуска. На этот момент поршень расположен в положении рядом с верхней мертвой точкой в цилиндре, так что струя топлива может быть практически заблокирована, и глубина проникновения струи топлива может быть уменьшена.
Когда рабочее состояние двигателя соответствует области C, количество топлива, впрыскиваемого во время первого впрыска, можно подсчитать на основании ширины импульса впрыска топлива, который завершается перед верхней мертвой точкой выпуска. Дополнительный способ заключается в следующем: (угол начала впрыска топлива - 360 градусов) * скорость впрыска топлива. Другими словами, впрыскивание максимально возможного количества топлива, исходя из предположения, что угол окончания первого впрыска достигается перед верхней мертвой точкой выпуска, может в большей степени содействовать распылению и испарению топлива и значительно уменьшает риск повышения уровня масла. Однако также необходимо просканировать угол начала впрыска топлива посредством моделирования и определить приемлемый угол начала впрыска топлива с помощью результатов моделирования показателя перелива углеводородного топлива и показателя мокрой стенки применительно к свече зажигания, так чтобы предотвратить поступление большого количества топлива в систему выпуска с выхлопным газом и возникновение риска высокой температуры трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. В дополнительном варианте выполнения применительно к количеству впрыскиваемого топлива второго впрыска и количеству впрыскиваемого топлива третьего впрыска после определения количества впрыскиваемого топлива первого впрыска (количество впрыскиваемого топлива первого впрыска=угол начала впрыска топлива - 360 градусов) * скорость впрыска топлива) количество впрыскиваемого топлива второго впрыска составляет 40 - 50% оставшегося количества впрыскиваемого топлива, и количество впрыскиваемого топлива третьего впрыска составляет 50 - 60% оставшегося количества впрыскиваемого топлива. Оставшееся количество впрыскиваемого топлива получают посредством вычитания количества впрыскиваемого топлива первого впрыска из общего количества впрыскиваемого топлива.
В дополнительном варианте выполнения, когда двигатель работает при пониженной нагрузке, один впрыск начинается на более позднем этапе такта выпуска. Когда двигатель работает при промежуточной нагрузке, первый впрыск начинается на более позднем этапе такта выпуска. Когда двигатель работает при высокой нагрузке, первый впрыск начинается на более позднем этапе такта выпуска. С одной стороны, температура остаточного газа в цилиндре максимально используется для ускорения испарения топлива и уменьшения глубины проникновения распыления, тем самым, уменьшая мокрую стенку гильзы цилиндра. С другой стороны, благоприятные условия, при которых температура гильзы цилиндра является высокой на более позднем этапе такта выпуска, используются для ускорения испарения топливной пленки на поверхности стенки цилиндра.
Как показано на фиг.1, в настоящем варианте выполнения, когда двигатель работает при пониженной нагрузке, частота вращения двигателя составляет 800 - 3000 об/мин, диапазон нагрузки двигателя составляет 0 - 4 бар, и двигатель работает в диапазоне области A. Когда двигатель работает при промежуточной нагрузке, частота вращения двигателя составляет 800 - 3000 об/мин, диапазон нагрузки двигателя составляет 3 - 10 бар, и двигатель работает в диапазоне области B. Когда двигатель работает при высокой нагрузке, частота вращения двигателя составляет 800 - 3000 об/мин, диапазон нагрузки двигателя составляет не менее 9 бар, и двигатель работает в диапазоне области C. В иллюстративном варианте выполнения перекрывающийся участок области A и области B может быть задан таким образом, чтобы по усмотрению выбирать принцип впрыска топлива в области B, и перекрывающийся участок области C и области B может быть задан таким образом, чтобы по усмотрению выбирать принцип впрыска топлива в области C.
Согласно по меньшей мере некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения, определенное количество циркулирующего топлива впрыскивается в цилиндр в разных соотношениях в зависимости от условий эксплуатации двигателя, так чтобы обеспечить впрыск части или всего топлива в цилиндр на более позднем этапе такта выпуска и обеспечить, чтобы эта часть процесса впрыска топлива заканчивалась перед открыванием впускного клапана. По вариантам выполнения настоящего изобретения определенное количество циркулирующего топлива надлежащим образом распределяется согласно условиям эксплуатации двигателя, и часть или все топливо впрыскивается в цилиндр на более позднем этапе хода выпуска, так что тепло остаточного выхлопного газа в цилиндре на более позднем этапе такта выпуска используется максимально, ускоряется распыление и испарение топлива, уменьшаются глубина проникновения топлива и мокрая стенка гильзы цилиндра, и прекращается образование топливной пленки на гильзе цилиндра из источника.
В нескольких вариантах выполнения, предусмотренных в настоящей заявке, следует учитывать, что описанное техническое решение может быть внедрено с помощью других способов. Вышеописанные варианты выполнения являются иллюстративными. Например, разделение элементов может быть разделением по логическим функциям, и при фактическом внедрении могут быть предусмотрены другие способы разделения. Например, множество элементов или компонентов могут быть скомбинированы или включены в состав другой системы, или некоторые признаки могут быть не приняты в расчет или не внедрены. Кроме того, показанные или описанные взаимные соединения или прямые соединения или коммуникационные соединения могут быть внедрены с помощью ряда интерфейсов. Косвенные соединения или коммуникационные соединения между элементами или компонентами могут быть внедрены в электрической или другой формах.
Элементы, описанные как отдельные части, могут или не могут быть физически разделены, и части, показанные как элементы, могут или не могут быть физическими элементами, а именно, могут быть расположены в одном месте, или могут быть распределены на множестве элементов. Часть или все элементы могут быть выбраны согласно фактическим требованиям для достижения цели настоящего варианта выполнения.
Кроме того, функциональные элементы в вариантах выполнения настоящего изобретения могут быть включены в состав одного обрабатывающего элемента или каждый из элементов может существовать физически сам по себе, или по меньшей мере два элемента могут быть включены в состав одного элемента. Объединенный элемент может быть реализован в виде аппаратного обеспечения и также может быть реализован в виде программного функционального элемента.
Когда объединенный элемент реализован в виде программного функционального элемента и продается или используется в виде самостоятельного изделия, объединенный элемент может храниться в машиночитаемом носителе информации. На основании такого понимания технические решения настоящего изобретения фактически или часть, вносящая вклад в соответствующий уровень техники, или все или часть технических решений могут быть реализованы в виде программного продукта. Компьютерный программный продукт хранится в носителе информации и включает в себя несколько команд для компьютерного устройства (которое может быть персональным компьютером, сервером, сетевым устройством или т.п.) с целью осуществления всех или части этапов способов, описанных в вариантах осуществления настоящего изобретения. Вышеупомянутый носитель информации содержит: любое средство, которое может хранить программные коды, такое как USB-флеш-накопитель, постоянное запоминающее устройство (ROM, постоянное запоминающее устройство), запоминающее устройство с произвольной выборкой (RAM, запоминающее устройство с произвольной выборкой), съемный жесткий диск, дисковое запоминающее устройство или оптический диск.
Вышеприведенное описание относится к иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что специалист в рассматриваемой области может выполнить дополнительные совершенствования и модификации без отклонения от идеи настоящего изобретения, и эти усовершенствования и модификации также относятся к объему охраны, испрашиваемой по настоящему изобретению.