СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФАЗАМИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
CONTROL METHOD OF GAS DISTRIBUTION PHASES OF DIESEL ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления фазами газораспределения дизельного двигателя, оснащенного общей топливной магистралью, и, более конкретно, к способу управления фазами газораспределения, подходящему для использования в дизельных двигателях с общей топливной магистралью, снабженных инжектором, имеющей множество пересечений между осью инжектора и осями отверстий для впрыска, просверленных в корпусе форсунки инжектора, или группу отверстий для впрыска.
Уровень техники
Обычно дизельные двигатели оснащаются хорошо известным устройством впрыска топлива, имеющим общую топливную магистраль. Кроме того, хорошо известны конкретные конфигурации инжектора, впрыскивающего топливо, подаваемого по общей топливной магистрали.
Кроме того, известен инжектор, имеющий множество пересечений между осью инжектора и осями отверстий для впрыска топлива, просверленных в корпусе форсунки инжектора, которая имеет группу отверстий для впрыска.
Инжектор, имеющий группу отверстий для впрыска, может иметь отверстия меньшего размера, чем инжектор, впрыскивающий то же количество топлива, но не имеющий группы отверстий для впрыска. Было замечено, что инжектор, имеющий группу отверстий для впрыска, позволяет распылять и диффундировать топливо в более широком диапазоне по сравнению с инжектором, не имеющим группы отверстий для впрыска, тем самым улучшая характеристики воспламенения и поддерживая низкий уровень шума при горении и хорошее горение, даже когда двигатель не прогрет и при использовании топлива с низким цетановым числом.
Известно также, что инжектор, имеющий группу отверстий для впрыска, также способствует очистке выхлопных газов, поскольку он позволяет снизить содержание общего количества углеводородов и твердых частиц в выхлопных газах. Например, такая технология описана в JP 2006-70802.
Однако эксперименты доказали, что содержание оксидов азота (NOx) или дымов в выхлопных газах увеличивается из-за повышения температуры всасываемого воздуха и температуры топлива или из-за увеличения цетанового числа топлива.
Следовательно, при выполнении так называемого корректирующего регулирования температуры всасываемого воздуха с увеличением температуры всасываемого топлива следует уменьшать количество впрыскиваемого топлива, что приводит к снижению крутящего момента и эксплуатационных характеристик двигателя.
Хотя снижение температуры всасываемого воздуха для предотвращения образования NOx и дыма является эффективным решением, в воздушной системе имеются ограничения на охлаждающую способность, которая зависит от производительности промежуточного охладителя, даже в системе с водяным охлаждением. Учитывая, что к чистоте выхлопных газов в будущем будут предъявляться все более жесткие требования, следует принять меры к повышению производительности промежуточного охладителя, но такие меры не являются единственными, которые можно принять для снижения NOx и дыма, поскольку условия для обслуживания таких промежуточных охладителей останутся ограниченными из-за ограниченности места для его размещения и из соображений стоимости.
Другими словами, в известном уровне техники трудно ввести в практическое использование двигатель, снабженный инжектором, который отвечает требованиям экологических стандартов и имеет группу отверстий для впрыска.
Хорошо известны технологии уменьшения содержания NOx посредством задержки пика сгорания так, чтобы понизить температуру горения посредством задержки момента впрыска, но такие технологии приводят к увеличению потребления топлива из-за ухудшения эффективности сгорания, поэтому проблемы/ограничения, такие как ограничение на задержку и т.п., остаются.
Известна технология, являющаяся эффективным средством снижения температуры всасываемого воздуха, при которой управляют фазами газораспределения двигателя и задерживают момент закрытия впускного воздушного клапана, чтобы двигатель работал по циклу с высокой степенью расширения (так называемый цикл Миллера), при котором степень расширения выше, чем степень сжатия.
Известно, что когда двигатель работает по циклу Миллера, температуру всасываемого воздуха и температуру горения можно понизить, используя эффект адиабатического расширения всасываемого воздуха. Такая технология описана, например, в JP 2004-360459.
Раскрытие изобретения
Соответственно, для решения указанных выше проблем целью настоящего изобретения является создание дизельного двигателя, очищающего выхлопные газы и реализующего более эффективное горение, для сохранения эффективности инжектора, имеющего группу отверстий для впрыска и решающего проблемы, возникающие в инжекторе с группой отверстий для впрыска посредством управления фазами газораспределения.
Выше описана проблема, решаемая настоящим изобретением. Далее следует описание средств решения этой проблемы.
Согласно настоящему изобретению способ управления фазами газораспределения дизельного двигателя с общей топливной магистралью, снабженного устройством впрыска топлива, содержащим инжектор с множеством отверстий для впрыска, имеющих разные направления их осей к оси инжектора, включающий этап, на котором управляют впускным воздушным клапаном так, чтобы он закрывался до того момента, как поршень в цилиндре, в который осуществляется впрыск топлива, подойдет к нижней мертвой точке, в соответствии с числом оборотов двигателя или нагрузкой, управляющим средством, которое управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана на основании условий работы двигателя.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моменты открытия и закрытия впускного воздушного клапана можно изменять исполнительным механизмом, соединенным с управляющим средством для управления моментом закрытия впускного воздушного клапана.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют на основании объема рециркуляции выхлопного газа управляющим средством, соединенным с устройством рециркуляции выхлопного газа.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют на основании объема всасываемого воздуха, определяемого средством измерения объема всасываемого воздуха, или объема вытесняемого воздуха, определяемого средством измерения объема вытесняемого воздуха, управляющим средством, соединенным со средством измерения объема всасываемого воздуха, измеряющим объем всасываемого воздуха введенного в цилиндр, или со средством измерения объема вытесняемого воздуха, измеряющим объем вытесняемого воздуха из двигателя, и которое предварительно запоминает многомерную регулировочную характеристику двигателя, соответствующую объему всасываемого воздуха или объему вытесняемого воздуха.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению каждым из множества впускных воздушных клапанов на одном цилиндре управляют управляющим средством так, чтобы моменты их закрытия не совпадали.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению, когда ускоряют момент закрытия впускного воздушного клапана управляющим средством, соединенным со средством изменения вихревого отношения, средство изменения вихревого отношения увеличивает вихревое отношение.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с давлением наддува управляющим средством, соединенным со средством измерения давления наддува.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с температурой всасываемого воздуха управляющим средством, соединенным со средством измерения температуры всасываемого воздуха.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с температурой топлива управляющим средством, соединенным со средством измерения температуры топлива.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с цетановым числом топлива управляющим средством, соединенным со средством ввода цетанового числа топлива или со средством измерения цетанового числа топлива.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению в соответствии с измеренными величинами вводят в управляющее средство любую из следующих измеренных величин: величину давления наддува от средства измерения давления наддува, величину температуры всасываемого воздуха, измеренную средством измерения температуры всасываемого воздуха, или величину температуры топлива, измеренную средством измерения температуры топлива, или в качестве альтернативы любые две из комбинации величин давления наддува, температуры всасываемого воздуха и температуры топлива или три измеренные величины, при этом отменяют управление фазами газораспределения, когда температура всасываемого воздуха является низкой, а температура горения находится в переохлажденном состоянии в соответствии с измеренными величинами, и возвращают момент закрытия клапана к нормальному режиму газораспределения или задерживают до момента после того, как поршень в цилиндре, в который осуществляется впрыск топлива, подойдет к нижней мертвой точке.
Настоящее изобретение дает следующие преимущества.
По настоящему изобретению способ управления фазами газораспределения дизельного двигателя с общей топливной магистралью, снабженного устройством впрыска топлива, содержащим инжектор с множеством отверстий для впрыска, имеющих разные направления их осей к оси инжектора, включает этап, на котором управляют впускным воздушным клапаном так, чтобы он закрывался до того момента, как поршень в цилиндре, в который осуществляется впрыск топлива, подойдет к нижней мертвой точке, в соответствии с числом оборотов двигателя или нагрузкой, управляющим средством, которое управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана на основании условий работы двигателя, тем самым снижая температуру в цилиндре и понижая температуру горения благодаря эффекту адиабатического расширения всасываемого воздуха.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моменты открытия и закрытия впускного воздушного клапана можно изменять исполнительным механизмом, который соединен с управляющим средством, управляющим моментом закрытия впускного воздушного клапана, тем самым осуществляя точное и детальное управление фазами газораспределения в соответствии с эксплуатационными условиями двигателя.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют на основании объема рециркуляции выхлопного газа управляющим средством, соединенным с устройством рециркуляции выхлопного газа, которое создает обратную связь по температуре надуваемого воздуха на управляющее средство, чтобы осуществлять адекватное управления фазами газораспределения.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению управление моментом закрытия впускного воздушного клапана осуществляют на основании объема засасываемого воздуха или объема вытесняемого воздуха управляющим средством, соединенным со средством измерения объема всасываемого воздуха или со средством измерения объема вытесняемого воздуха, и которое предварительно запоминает многомерную регулировочную характеристику двигателя, соответствующую объему всасываемого воздуха или объему вытесняемого воздуха, создавая обратную связь для управляющего средства по объему всасываемого воздуха для осуществления адекватного управления фазами газораспределения.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению каждым из множества впускных воздушных клапанов на одном цилиндре управляют так, чтобы управляющее средство закрывало их в разные моменты времени, когда достигается эффект адиабатического расширения всасываемого воздуха, и осуществляют детальное управление фазами газораспределения.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению когда закрытие впускного воздушного клапана ускорено управляющим средством, соединенным со средством изменения вихревого отношения, средство изменения увеличивает вихревое отношение с увеличением степени адиабатического расширения всасываемого воздуха для дополнительного повышения эффективности сгорания.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с давлением наддува управляющим средством, соединенным со средством измерения давления наддува, тем самым соотнося степень адиабатического расширения всасываемого воздуха с давлением наддува, чтобы осуществлять адекватное управление фазами газораспределения.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с температурой всасываемого воздуха управляющим средством, соединенным со средством измерения температуры всасываемого воздуха, тем самым соотнося степень адиабатического расширения всасываемого воздуха с температурой всасываемого воздуха, чтобы осуществлять адекватное управление фазами газораспределения.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с температурой топлива управляющим средством, соединенным со средством измерения температуры топлива, тем самым соотнося степень адиабатического расширения всасываемого воздуха с температурой топлива, чтобы осуществлять адекватное управление фазами газораспределения.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению моментом закрытия впускного воздушного клапана управляют в соответствии с цетановым числом топлива управляющим средством, соединенным со средством измерения температуры топлива, тем самым соотнося степень адиабатического расширения всасываемого воздуха с цетановым числом топлива, чтобы осуществлять адекватное управление фазами газораспределения.
В способе управления фазами газораспределения дизельного двигателя по настоящему изобретению в соответствии с измеренными величинами вводят в управляющее средство любую из следующих измеренных величин: величину давления наддува от средства измерения давления наддува, величину температуры всасываемого воздуха, измеренную средством измерения температуры всасываемого воздуха, или величину температуры топлива, измеренную средством измерения температуры топлива, или в качестве альтернативы любые две из комбинации величин давления наддува, температуры всасываемого воздуха и температуры топлива или три измеренные величины, при этом отменяют управление фазами газораспределения, когда температура всасываемого воздуха является низкой, а температура горения находится в переохлажденном состоянии в соответствии с измеренными величинами, и возвращают момент закрытия клапана к нормальному режиму газораспределения или задерживают до момента после того, как поршень в цилиндре, в который осуществляется впрыск топлива, подойдет к нижней мертвой точке, тем самым отменяя управление фазами газораспределения и автоматически переключаясь на нормальное управление в эксплуатационных условиях, которые не позволяют осуществлять управление фазами газораспределения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид сбоку полной конструкции инжектора по варианту настоящего изобретения.
Фиг.2 - вид сбоку подробной конструкции группы отверстий для впрыска по варианту настоящего изобретения.
Фиг.3 - схематичную диаграмму конструкции механизма управления фазами газораспределения по варианту настоящего изобретения.
Фиг.4 - схему, иллюстрирующую соотношение между углом коленчатого вала и моментом закрытия впускного воздушного клапана при единственном впускном воздушном клапане.
Фиг.5 - схему, иллюстрирующую соотношение между углом коленчатого вала и моментом закрытия впускного воздушного клапана при двух впускных воздушных клапанах.
Фиг.6 - схему конструкции управляющего устройства по варианту настоящего изобретения;
Фиг.7 - схему, иллюстрирующую соотношение между температурой всасываемого воздуха и соответствующей концентрацией дыма, моноксида углерода и оксида азота.
1 - инжектор
10a - отверстие для впрыска
25 - впускной воздушный клапан
50 - электронный блок управления (ЭБУ)
Подробное описание изобретения
Далее следует описание вариантов настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1, инжектор 1 содержит корпус 2, электромагнитный клапан 3 корпус 5 поршня и корпус 7 форсунки. Электромагнитный клапан 3, установленный в верхней части корпуса 2 инжектора, управляет противодавлением поршня 4 так, чтобы управлять впрыском топлива. В корпусе 5 поршня, расположенном в нижней части корпуса 2 инжектора, установлен с возможностью скольжения поршень 4. В корпусе 7 форсунки, расположенном в нижней части корпуса 5 поршня, установлен с возможностью скольжения игольчатый клапан 6. Благодаря вышеописанной конструкции инжектор 1 имеет возможность впрыскивания топлива под высоким давлением, которое поступает из общей магистрали (не показана) через соединительный патрубок 8, через отверстия 10а, 10а, выполненные на концевом участке корпуса 7 форсунки.
Как показано на фиг.1, в электромагнитном клапане 3 в корпус 2 инжектора с помощью удерживающего элемента 11 клапана и колпачка 15 интегрированы калибровочная шайба 12 и клапанная пластина 13, при этом в колпачке 15, закрепленном на корпусе 2 инжектора, в удерживающем элементе 11 клапана расположен сердечник 14 электромагнита. Осевой клапанный диск 21 установлен вертикально с возможностью скольжения в клапанной пластине 13. Клапанный диск 21 постоянно поджат вниз упругой силой пружины 16, расположенной внутри пружинной камеры 14s сердечника 14 электромагнита, и поверхность 21а диска клапана соединена с поверхностью 13а клапанной пластины 13 так, чтобы предотвратить вытекание топлива из канала 13b высокого давления в камеру 18 низкого давления, тем самым сохраняя противодавление поршня 4 на всей длине управляющего канала. 9. Соответственно, противодавление смещает поршень 4 вниз и отжимает вниз игольчатый клапан 6, тем самым ограничивая впрыск топлива.
Якорь 22 прикреплен к верхней стороне диска 21 клапана.
Якорь 22 вертикально подвижно расположен в топливной камере 18 низкого давления, образованной между сердечником электромагнита и клапанной пластиной 13.
Когда на обмотку 17 электромагнита подается напряжение, якорь 22 смещается вверх в диске 21 клапана, поверхность 21а диска клапана отсоединяется от поверхности 13а клапанной пластины 13, и топливо, находящееся в канале 13b высокого давления, вытекает в камеру 18 низкого давления. Соответственно, находящееся под высоким давлением топливо в управляющем канале 9 вытекает в камеру 18 низкого давления и противодавление поршня 4 уменьшается. Затем игольчатый клапан 6 поднимается находящимся под высоким давлением топливом, поданным в топливную камеру 6а форсунки, и происходит впрыск топлива.
Как описано выше, якорь 22 перемещается в топливную камеру 18 низкого давления между сердечником 14 электромагнита и клапанной пластиной 13, тем самым ограничивая поток топлива для впрыска клапанным диском 21, выполненным заодно целое с якорем 22 для управления впрыском топлива.
Как указано выше, была описана вся конструкция инжектора, являющаяся основной частью настоящего изобретения.
Далее со ссылками на фиг.2 следует описание конструкции группы отверстий для впрыска по варианту настоящего изобретения.
Как показано на фиг.2, инжектор 1 по варианту настоящего изобретения содержит так называемую группу 10 отверстий для впрыска.
Группа 10 отверстий для впрыска выполнена так, чтобы образовать множество отверстий 10а, 10а для впрыска, имеющих соответствующие разные направления их осей к оси инжектора в плоскости, включающей ось корпуса 7 форсунки (т.е. ось инжектора 1).
Другими словами, отверстия 10а, 10а для впрыска расположены так, что в направлении оси корпуса 7 форсунки имеется множество пересечений (пересечения Х и Y) между осью корпуса форсунки (ось LA) и осями отверстий 10а, 10а для впрыска (оси LB и LC).
В настоящем варианте, например, показаны две точки пересечения оси корпуса 7 форсунки с осями отверстий 10а, 10а для впрыска, однако настоящее изобретение не ограничивается этим количеством и таких точек пересечения может быть три или более.
На фиг.2 в сечении показана одна группа 10 отверстий для впрыска, однако на окружности корпуса 7 форсунки с равными интервалами радиально разнесено множество групп отверстий для впрыска, входящих в конструкцию корпуса 7 форсунки.
В показанном варианте отверстия 10а для впрыска сообщаются с карманом 43, но настоящее изобретение не ограничивается такой конструкцией.
Выше была описана конструкция группы отверстий для впрыска по варианту настоящего изобретения.
Далее со ссылками на фиг.3 следует описание механизма управления фазами газораспределения.
Как показано на фиг.3, механизм 45 управления фазами газораспределения содержит звездочку 30, кулачковый вал 31 и контроллер 32 фаз газораспределения и т.д. Звездочка 30, соединенная с выходным валом двигателя (не показан), приводится во вращение выходным валом. Кулачковый вал 31 приводится во вращение звездочкой 30. Контроллер 32 фаз газораспределения, расположенный между звездочкой 30 и кулачковым валом 31, может изменять относительную фазу между звездочкой 30 и кулачковым валом за счет гидравлического давления.
Контроллер 32 фаз газораспределения является своего рода гидравлическим приводным механизмом, который содержит главным образом корпус 32а контроллера и приводную пластину 32b.
Кулачковый вал 31 входит в центральное отверстие корпуса 32а контроллера 32 фаз газораспределения, и корпус 32а контроллера установлен на кулачковом валу 31 с возможностью вращения. Звездочка 30 снаружи прикреплена к корпусу 32а контроллера фаз газораспределения так, чтобы образовать интегральный узел звездочки 30 и корпуса 32а. Приводная пластина 32b установлена внутри корпуса 32а контроллера и установлена на кулачковом валу 31 без возможности вращения и входит в центральное отверстие под вал корпуса 32а контроллера фаз газораспределения. Пространство, которое образовано поверхностью внутреннего периметра корпуса 32а контроллера и поверхностью внешнего периметра приводной пластины 32b, определено как первая камера 33 и вторая камера 34, и корпус 32а контроллера совершает возвратно-поступательные перемещения при изменении гидравлического баланса гидравлического масла, подаваемого в первую камеру 33 и вторую камеру 34.
Относительная фаза между звездочкой 30 и кулачковым валом 31 изменяется посредством изменения степени открытия клапана подачи масла (OCV) 35 в ответ на управляющий сигнал от ЭБУ 50 и посредством регулирования гидравлического баланса масла, подаваемого в первую камеру 33 и во вторую камеру 34.
Соответственно, изменяется момент, когда кулачок 31а на кулачковом валу 31 и головка 25с впускного воздушного клапана входят в контакт друг с другом, и, следовательно, изменяется момент закрытия впускного воздушного клапана 25.
В настоящем варианте моменты открытия и закрытия выпускного клапана 26 не изменяются, однако механизм управления фазами газораспределения также можно использовать и на выпускном клапане 26.
Другими словами, механизм 45 управления фазами газораспределения выполнен с возможностью изменять моменты открытия и закрытия впускного воздушного клапана (фазы газораспределения) с помощью гидравлического исполнительного механизма и т.п., содержащего гидравлический исполнительный механизм и ЭБУ 50, соединенные друг с другом.
В настоящем примере описан пример, в котором применяется механизм управления фазами газораспределения, в котором используется контроллер фаз газораспределения, но этот механизм может содержать коромысло клапана для открытия и закрытия клапана, множество кулачков, соответствующих нагрузке, выполненных на каждом впускном воздушном клапане, гидравлический исполнительный механизм, переключающий кулачки, приводящие в действие коромысло в соответствии с нагрузкой, и т.п. В таком механизме профиль кулачка может быть пространственным, и исполнительный механизм может переключаться электрически, но механизм управления фазами газораспределения, используемый в настоящем изобретении, не ограничен вышеописанной конструкцией.
Выше была описана конструкция механизма управления фазами газораспределения.
Далее со ссылками на фиг.4 и 5 следует описание момента закрытия впускного воздушного клапана по варианту настоящего изобретения.
Как показано на фиг.4(а), такт клапана в обычном двигателе внутреннего сгорания управляет фазами газораспределения на основании фазы коленчатого вала и фазами газораспределения обычно управляют так, чтобы впускной воздушный клапан 25 открывался до верхней мертвой точки (т.е. точки В) (например, в момент А1) и закрывался после нижней мертвой точки (т.е. точки С) (например, в момент Dl). В этом случае разность фаз между открытием и закрытием впускного воздушного клапана 25 поддерживается на постоянной величине угла α, показанного на фиг.4(а) и 4(b).
В то же время, как показано на фиг.4(b), такт клапана по варианту настоящего изобретения управляет фазами газораспределения так, что момент открытия впускного воздушного клапана 25 соответствует, например, точке А2 и момент закрытия впускного воздушного клапана 25 предшествует нижней мертвой точке (т.е соответствует точке D2), за счет смещения в более раннюю сторону моментов открытия и закрытия клапана, при условии, что фазовый угол α между открытием и закрытием впускного воздушного клапана 25 сохраняется.
Таким образом, когда момент закрытия впускного воздушного клапана 25 предшествует нижней мертвой точке (например, соответствует точке D2), такт всасывания продолжается, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки, даже после закрытия клапана, и воздух, всосанный в цилиндр, расширяется (адиабатическое расширение) благодаря герметичности полости цилиндра, и температура всосанного воздуха в цилиндре снижается.
Кроме того, из-за понижения температуры всасываемого воздуха в цилиндре температура сгорания в цилиндре во время горения понижается, что приводит к снижению NOx и дыма.
Как показано на фиг.5(а), когда настоящее изобретение применяется в двигателе, имеющем два впускных воздушных клапана, оба впускных воздушных клапана (т.е. первый впускной клапан 25а и второй впускной клапан 25b) открываются до верхней мертвой точки (т.е. до момента В) (например, в моменты, соответствующие точкам Е1 и F1), то первый впускной воздушный клапан 25а закрывается после нижней мертвой точки (т.е. после точки С) (например, в момент, соответствующий точке H1), а второй впускной клапан 25b закрывается до нижней мертвой точки (например, в момент, соответствующий точке G1). В этом случае разность фаз между открытием и закрытием первого впускного клапана 25а определена как угол β на фиг.5(а), а разность фаз между открытием и закрытием второго впускного воздушного клапана 25b определена как фазовый угол γ на фиг.5(а).
Как показано на фиг.5(b), когда настоящее изобретение применяется на двигателе, имеющем два впускных клапана, один из моментов закрытия первого впускного воздушного клапана 25а и второго впускного воздушного клапана 25b не обязательно должен предшествовать нижней мертвой точке, а второй - следовать за ней, и моменты закрытия обоих клапанов (т.е. первого впускного воздушного клапана 25а и второго впускного воздушного клапана 25b) могут предшествовать нижней мертвой точке (например, соответствовать точкам G2 и Н2). В данном случае разность фаз между моментом открытия (например, соответствующим точке F2) и закрытия (например, соответствующим точке Н2) первого впускного воздушного клапана 25а поддерживается равной фазовому углу β на фиг.5(а). Разность фаз между моментом открытия (например, соответствующим точке Е2) и закрытия (например, соответствующим точке G2) второго впускного воздушного клапана 25b поддерживается равной фазовому углу γ на фиг.5(а).
Моментами закрытия первого впускного воздушного клапана 25а и второго впускного воздушного клапана 25b можно управлять независимо от того, находятся они до или после нижней мертвой точки, тем самым расширяя диапазон регулирования величины адиабатического расширения и точно настраивая эту величину адиабатического расширения.
В настоящем варианте описан пример с одним или двумя впускными воздушными клапанами, но количество впускных воздушных клапанов не ограничено этим числом. Когда используется три или более впускных воздушных клапана, диапазон регулирования величины адиабатического расширения можно расширить еще больше и величину адиабатического расширения можно настраивать еще точнее.
Соответственно, такие проблемы, как переохлаждение всасываемого воздуха и недостаток объема всасываемого воздуха можно устранить и температуру всасываемого воздуха можно адекватно регулировать, тем самым устраняя проблемы, возникающие при использовании инжектора с группой отверстий для впрыска.
Более конкретно, сохраняется эффективность инжектора, имеющего группу отверстий для впрыска, для которой можно улучшить характеристики воспламенения, снизить шумы, возникающие при горении, и поддерживать хорошее состояние горения, даже если двигатель не прогрет или при использовании топлива с низким цетановым числом, и устраняются проблемы инжектора с группой отверстий для впрыска, связанные с увеличением содержания оксида азота (NOx) и дыма в выхлопных газах из-за повышения температуры всасываемого воздуха.
Выше были описаны моменты закрытия впускного воздушного клапана по варианту настоящего изобретения.
Далее, со ссылками на фиг.6 следует описание управления фазами газораспределения для впускного воздушного клапана по варианту настоящего изобретения.
Как показано на фиг.6, в качестве управляющего средства используется ЭБУ 50, который управляет фазами газораспределения на впускном воздушном клапане по варианту настоящего изобретения.
ЭБУ 50 содержит центральный процессор, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и т.п. и выполняет функцию арифметических вычислений, которая рассчитывает оптимальные условия работы, функцию запоминающего устройства, в котором хранятся заранее определенные сервисные условия (информация о характеристиках и пр.).
ЭБУ 50 соединен с различными датчиками для измерения условий работы двигателя, например с датчиком 51 массового расхода воздуха, датчиком 52 числа оборотов нагнетателя, датчиком 53 давления наддува, датчиком 54 температуры всасываемого воздуха, датчиком 55 температуры топлива и пр., а также с частью 56 ввода цетанового числа топлива. Различные сигналы, указывающие на условия работы двигателя (число оборотов или нагрузку) и сервисные условия, вводятся в ЭБУ 50, и ЭБУ 50 выполняет арифметические расчеты на основании этих сигналов. Цетановое число можно определить, измеряя угловую скорость коленчатого вала и рассчитывая амплитуду угловой скорости, цетановое число, рассчитанное по угловой скорости или полученное от других датчиков, можно использовать для описываемого ниже управления фазами газораспределения. ЭБУ 50 соединено с устройствами, такими как механизм 45 управления фазами газораспределения, клапаном 46 рециркуляции выхлопных газов, клапаном 47 переменного завихрения и т.п.
На основании результатов таких арифметических расчетов ЭБУ 50 выдает управляющие сигналы на эти устройства, такие как механизм 45 управления фазами газораспределения, клапан 46 рециркуляции выхлопных газов, клапан 47 переменного завихрения и т.п., которые, таким образом, находятся под электронным управлением для поддержания оптимальных условий работы двигателя.
Система рециркуляции отработанных газов является устройством, которое уменьшает содержание NOx в выхлопных газах посредством рециркуляции части выхлопных газов в камеру сгорания и сжигания топлива в среде топливовоздушной смеси с выхлопными газами, в которой понижено содержание кислорода, что позволяет замедлить горение и снизить температуру горения.
Поскольку при увеличении количества повторно сжигаемых выхлопных газов (т.е. объема рециркуляции выхлопных газов) температура всасываемого воздуха растет, существует корреляция между количеством повторно сжигаемых выхлопных газов и моментом закрытия впускного воздушного клапана.
Следовательно, в настоящем изобретении температуру всасываемого воздуха можно изменять, создав обратную связь по количеству повторно сжигаемых выхлопных газов между клапаном 46 рециркуляции выхлопных газов и ЭБУ 50 и управляя механизмом 45 управления фазами газораспределения в соответствии с изменением количества повторно сжигаемых выхлопных газов, чтобы регулировать степень адиабатического расширения.
Различные системы рециркуляции выхлопных газов известны, и в настоящем изобретении можно использовать любую систему, независимо от ее формальной конструкции.
Известен клапан переменного завихрения, например клапан 47 переменного завихрения, который содержит, например, створчатый дисковый клапан, установленный на впускном отверстии, приводные элементы, например исполнительный механизм, установленный снаружи от впускного отверстия и т.п., в котором ось, на которой установлен диск клапана, проходит изнутри впускного отверстия наружу, и ось соединена с исполнительным механизмом системой тяг и т.п., так что диск клапана открывается и закрывается во впускном отверстии в соответствии с рабочим состоянием приводных элементов.
Клапан переменного завихрения настроен на изменение вихревого отношения всосанного окружающего воздуха в камере сгорания посредством открытия и закрытия диска клапана для изменения площади проходного сечения впускного отверстия.
Результаты экспериментов показали, что при низкой температуре всосанного воздуха и низкой температуре горения состояние горения улучшается при увеличении вихревого отношения всосанного окружающего воздуха.
Следовательно, в настоящем изобретении при увеличении величины адиабатического расширения всасываемого воздуха, т.е. в ответ на увеличение мощности управляющего сигнала от ЭБУ 50 на механизм 45 управления фазами газораспределения, выводится управляющий сигнал от ЭБУ 50 на клапан 47 переменного завихрения для увеличения вихревого отношения и, следовательно, осуществляется управление клапаном 47 переменного завихрения.
Соответственно, можно дополнительно повысить эффективность инжектора, имеющего группу отверстий для впрыска, и улучшить состояние горения.
Датчик 51 массового расхода воздуха - это датчик, который измеряет объем воздуха, всасываемого в цилиндр. ЭБУ 50 предварительно запоминает момент закрытия впускного воздушного клапана, соответствующий всосанному объему, как информацию многомерной регулировочной характеристики двигателя, и ЭБУ 50 выдает управляющий сигнал на основании этой многомерной регулировочной характеристики двигателя на механизм 45 управления фазами газораспределения с обратной связью по объему всасываемого воздуха, и тем самым ЭБУ 50 регулирует момент закрытия впускного воздушного клапана.
В качестве альтернативы ЭБУ 50 запоминает момент закрытия впускного воздушного клапана, соответствующий объему вытесняемого воздуха, как информацию многомерной регулировочной характеристики двигателя, измеряя объем вытесняемого воздуха двигателя, используя датчик 52 частоты вращения нагнетателя, а не датчик 51 массового расхода воздуха, тем самым управляя механизмом 45 управления фазами газораспределения.
Датчик 53 давления наддува - это датчик, который измеряет давление нагнетателя. По существу, следует отметить, что существует корреляция между давлением наддува и моментом закрытия впускного воздушного клапана с ростом температуры всасываемого воздуха из-за увеличения давления наддува.
Поэтому в настоящем изобретении сигнал давления наддува, измеренного датчиком 53, подается на ЭБУ 50, и механизм 45 управления фазами газораспределения управляется в соответствии с изменением давления наддува, тем самым регулируя величину адиабатического расширения для изменения температуры всасываемого воздуха.
В то же время, когда давление наддува низкое и температура горения находится в переохлажденном состоянии за счет управления фазами газораспределения, что приводит к ухудшению горения, управление фазами газораспределения отменяется с изменением давления наддува на основании расчетов, проводимых ЭБУ 50, и осуществляется возврат к нормальному режиму газораспределения или к задержке закрытия впускного воздушного клапана относительно нижней мертвой точки.
Когда состояние горения ухудшается, ЭБУ 50 за счет всесторонней оценки не только давления наддува, но и комбинации температуры всасываемого воздуха, температуры горения и давления наддува отменяет управление фазами газораспределения и осуществляется возврат к нормальному режиму газораспределения или к задержке закрытия впускного воздушного клапана относительно нижней мертвой точки.
Датчик 45 температуры всасываемого воздуха - это датчик, который измеряет температуру всасываемого окружающего воздуха, подаваемого в цилиндр. Поскольку температура окружающего воздуха непосредственно коррелирует с температурой всасываемого воздуха, сигнал температуры окружающего воздуха, измеренной датчиком 54 температуры, подается на ЭБУ 50, который осуществляет пропорциональное регулирование механизма 45 управления фазами газораспределения, пропорционально изменению температуры окружающего воздуха, тем самым регулируя степень адиабатического расширения для изменения температуры всасываемого воздуха.
В то же время, когда температура всасываемого воздуха низка и температура горения слишком низка из-за управления фазами газораспределения, что ведет к ухудшению горения, управление фазами газораспределения отменяется в соответствии с изменением температуры всасываемого воздуха на основании расчетов ЭБУ 50 и осуществляется возврат к нормальному режиму газораспределения или к задержке закрытия впускного воздушного клапана относительно нижней мертвой точки.
Датчик 55 температуры топлива - это датчик, который измеряет температуру топлива, впрыскиваемого в цилиндр.
Поскольку температура топлива коррелирует с температурой горения, сигнал температуры топлива, измеренной датчиком 55, подается на ЭБУ 50 и механизм 45 управления фазами газораспределения управляется в соответствии с изменением температуры топлива, тем самым регулируется величина адиабатического расширения так, чтобы изменить температуру всасываемого воздуха.
В то же время, когда температура топлива низкая и температура горения слишком низкая из-за управления фазами газораспределения, что ведет к ухудшению горения, управление фазами газораспределения отменяется в соответствии с изменением температуры топлива на основании расчетов ЭБУ 50 и осуществляется возврат к нормальному режиму газораспределения или к задержке закрытия впускного воздушного клапана относительно нижней мертвой точки.
Часть 56 ввода цетанового числа топлива - это средство для ввода цетанового числа топлива, используемого ЭБУ 50 и запоминающего его как сервисное условие, и содержит дисплей, клавиатуру и пр. Цетановые числа топлива, используемого во всем мире, широко известны, но цетановое число топлива коррелирует с температурой горения.
Поэтому в настоящем изобретении цетановое число топлива, используемого на практике, вводится в ЭБУ 50 как сервисное условие или в качестве альтернативы в ЭБУ 50 вводится найденное цетановое число, которое запоминается, и управление механизмом 45 управления фазами газораспределения осуществляется в соответствии с цетановым числом топлива для регулирования величины адиабатического расширения и изменения температуры всасываемого воздуха.
Выше было описано управление фазами газораспределения на впускном воздушном клапане по варианту настоящего изобретения.
Далее со ссылками на фиг.7 следует описание преимуществ настоящего изобретения.
На фиг.7 схематично показаны полученные экспериментальным путем данные об изменениях, соответственно, концентрации дыма, СО (моноксида углерода) и NOx (оксида азота) в выхлопе, вызванных изменением температуры всасываемого воздуха в соответствующих условиях, в случае применения настоящего изобретения и в случае, когда настоящее изобретение не применялось.
Инжектор, имеющий группу отверстии для впрыска, имеет проблему, связанную с увеличением дымности с увеличением температуры всасываемого воздуха, но после применения настоящего изобретения подтвердилось, что увеличения дымности не происходит, даже когда температура всасываемого воздуха повышается от около 10°С до около 25°С. Другими словами, когда температура всасываемого воздуха с помощью настоящего изобретения поддерживается на практическом уровне, проблема увеличения дымности выхлопных газов, вызванного изменением температуры всасываемого воздуха, может быть решена.
Хотя инжектор, имеющий группу отверстий для впрыска, создает проблему увеличения содержания NOx, было подтверждено, что количество образующихся NOx уменьшается приблизительно на две трети по сравнению со случаем, когда настоящее изобретение не применялось. Другими словами, когда температура всасываемого воздуха с помощью настоящего изобретения поддерживается на практическом уровне, проблема увеличения NOx, связанная с применением инжектора с группой отверстий для впрыска, может быть решена.
Как показано на фиг.7, подтверждено, что количество образующегося моноксида углерода при использовании настоящего изобретения не меняется по сравнению со случаем, когда настоящее изобретение не используется.
Выше были описаны преимущества применения настоящего изобретения.
Согласно вышеприведенному описанию в дизельном двигателе, оснащенном инжектором 1, имеющим множество пересечений между осью инжектора и осями отверстий 10а для впрыска, просверленных в инжекторе 1, впускным воздушным клапаном 25 с помощью ЭБУ 50 управляют так, чтобы закрыть его в момент до нижней мертвой точки (момент, когда поршень подойдет к нижней мертвой точке), при этом ЭБУ 50 управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 на основании условий работы двигателя.
Соответственно, температуру всасываемого в цилиндр воздуха и температуру горения можно понизить за счет эффекта адиабатического расширения всасываемого воздуха. Также можно уменьшить образование дыма и общее содержание углеводородов.
ЭБУ 50 осуществляет электронное управление закрыванием впускного воздушного клапана 25.
Соответственно, в соответствии с условиями работы можно осуществлять точное и детальное управление фазами газораспределения.
Моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 управляют на основании количества отработанных выхлопных газов, направляемого на повторное сжигание, величина которого подается от клапана 46 рециркуляции выхлопных газов на ЭБУ 50.
Соответственно, подавая данные об изменении температуры всасываемого воздуха от клапана 46 рециркуляции выхлопных газов на ЭБУ 50, можно осуществлять адекватное управление фазами газораспределения.
ЭБУ 50 предварительно запоминает информацию многомерной регулировочной характеристики двигателя, соответствующую объему всасываемого воздуха или объему вытесняемого воздуха, и управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 на основании объема всасываемого воздуха или объема вытесняемого воздуха, измеренного датчиком 51 массового расхода воздуха или датчиком 52 числа оборотов нагнетателя.
Соответственно, подавая данные об объеме засасываемого воздуха на ЭБУ 50, можно осуществлять адекватное управление фазами газораспределения.
На цилиндре выполнено множество впускных воздушных клапанов 25, и ЭБУ 50 управляет соответствующими клапанами впускными воздушными 25а, 25b так, чтобы они закрывались в разные моменты времени.
Соответственно, когда достигается эффект адиабатического расширения всасываемого воздуха, можно детально управлять фазами газораспределения.
Когда момент закрытия впускного воздушного клапана 25 ускоряют, ЭБУ 50 управляет клапаном 47 переменного завихрения для увеличения вихревого отношения.
Таким образом, можно дополнительно повысить эффективность сгорания, повышая вихревое отношение с увеличением величины адиабатического расширения всасываемого воздуха.
ЭБУ 50 управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 в ответ на давление наддува, определенное датчиком 53 давления наддува.
Таким образом, соотнося величину адиабатического расширения всасываемого воздуха с давлением наддува, можно адекватно управлять фазами газораспределения.
ЭБУ 50 управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 в ответ на температуру всасываемого воздуха, измеренную датчиком 54 температуры всасываемого воздуха.
Таким образом, соотнося величину адиабатического расширения всасываемого воздуха с температурой всасываемого воздуха, можно адекватно управлять фазами газораспределения.
ЭБУ 50 управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 в ответ на температуру топлива, измеренную датчиком 55 температуры топлива.
Таким образом, соотнося величину адиабатического расширения всасываемого воздуха с температурой топлива, можно адекватно управлять фазами газораспределения.
ЭБУ 50 управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 в ответ на цетановое число топлива, введенное через часть ввода цетанового числа.
Таким образом, соотнося величину адиабатического расширения всасываемого воздуха с цетановым числом топлива, можно адекватно управлять фазами газораспределения.
ЭБУ 50 управляет моментом закрытия впускного воздушного клапана 25 так, что он закрывается после нижней мертвой точки (момент, когда поршень подойдет к нижней мертвой точке), на основании любой из следующих измеренных величин: величины давления наддува, определенной датчиком давления наддува 53, величины температуры всасываемого воздуха, определенной датчиком 54 температуры всасываемого воздуха, величины температуры топлива, определенной датчиком 55 температуры топлива, или в качестве альтернативы на основании комбинации соответствующих определенных величин давления наддува, температуры всасываемого воздуха и температуры топлива.
Соответственно, при возникновении рабочих условий, не подходящих для управления фазами газораспределения, это управление фазами газораспределения можно отменить и автоматически переключиться на нормальное управление.
Промышленная применимость
Технологии по настоящему изобретению можно широко применять в дизельном двигателе с общей топливной магистралью для различных применений, например на судах, в автомобилях и пр.