Способ работы дизельного двигателя

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для организации рабочего процесса с двустадийным смесеобразованием в дизельных двигателях внутреннего сгорания. Задачей изобретения является улучшение экономических и экологических показателей двигателя, в частности снижение дымности отработавших газов за счет увеличения полноты сгорания предпочтительно на стабильно высоких нагрузках для малоразмерных дизельных двигателей со стесненной камерой сгорания. Способ работы включает подачу воздуха в цилиндр, сжатие его, подачу одной части топлива в камеру сгорания и другой части в зону впускного клапана со стороны впускного трубопровода с двустадийным смесеобразованием на рабочих режимах с повышенной нагрузкой, воспламенения топливовоздушной смеси от сжатия и последующего сгорания в цилиндре, расширение и выпуск отработавших продуктов сгорания, регулирование подачи топлива по управляющему сигналу органа, связанного с двигателем. Двустадийное смесеобразование дополнительно проводят на пусковых режимах, а на рабочих режимах с повышенной нагрузкой его начинают с момента достижения двигателем 70-75% от его полной нагрузки и заканчивают моментом достижения 100%-ной полной нагрузки, причем осуществляют его при постоянной величине количества топлива, подаваемого в камеру сгорания, с одновременным изменением подачи топлива во впускной трубопровод, определяемой по предлагаемой зависимости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для организации рабочего процесса с двустадийным смесеобразованием в дизельном двигателе внутреннего сгорания.

Уже известен способ работы двигателя внутреннего сгорания с двустадийным смесеобразованием, осуществляемым путем подачи топлива одним насосом через разветвленный трубопровод, причем одну часть цикловой дозы топлива впрыскивают в цилиндр в конце такта сжатия, а затем другую подают на поверхность впускного клапана со стороны впускного трубопровода. Двустадийное смесеобразование применяют при увеличенных подачах насоса и увеличенной частоте вращения вала двигателя. На режимах с пониженной нагрузкой, пониженными подачами топлива и пониженными частотами вращения вала двигателя осуществляют одностадийное смесеобразование непосредственно в цилиндр. Количество топлива, поданного через впускной трубопровод, оптимизируют в пределах 15-25% от общей цикловой дозы при номинальной нагрузке. Необходимое распределение цикловой дозы топлива между форсунками достигается подбором количества, размеров сопловых отверстий и давлением начала впрыска. /А.С.СССР N 1232836, F 02 B 1/30, 1984 г./ Под действием высоких температур в топливе, поданном на горячую поверхность впускного клапана, начинаются подготовительные химические реакции, которые продолжаются в присутствии кислорода во время процессов впуска и сжатия. При таких условиях топливо воспламеняется с меньшей задержкой и двигатель работает сравнительно мягко. Указанные условия процесса смесеобразования и сгорания позволяют понизить нагрузки на детали кривошипного механизма и повысить экономичность двигателя при малых цикловых подачах насоса и низких частотах вращения вала двигателя. Однако при стабильно высоких нагрузках и высоких оборотах коленчатого вала двигателя возрастает шумность рабочего процесса, дымность отработавших газов, падает экономичность двигателя.

Задачей изобретения является улучшение экономических и экологических показателей двигателя, в частности снижение дымности отработавших газов за счет увеличения полноты сгорания.

Особенно эффективен предлагаемый способ на стабильно высоких нагрузках для малоразмерных дизелей со стесненной камерой сгорания.

Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе работы дизельного двигателя внутреннего сгорания путем подачи воздуха в цилиндр, сжатия его, подачи топливным насосом топлива в камеру сгорания на рабочих режимах с пониженной нагрузкой и подачи одной части топлива в камеру сгорания и другой части в зону впускного клапана со стороны впускного трубопровода с двустадийным смесеобразованием на рабочих режимах с повышенной нагрузкой, воспламенения топливовоздушной смеси от сжатия и последующего сгорания в цилиндре, расширения и выпуска отработавших продуктов сгорания, преобразования энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала двигателя и регулирования подачи топлива по управляющему сигналу органа, связанного с двигателем, согласно изобретению двустадийное смесеобразование дополнительно проводят на пусковых режимах, а на рабочих режимах с повышенной нагрузкой его начинают с момента достижения двигателем 70-75% его полной нагрузки и заканчивают моментом достижения 100% его полной нагрузки, причем осуществляют его при постоянной величине количества топлива, подаваемого в камеру сгорания, с одновременным изменением подачи топлива во впускной трубопровод, определяемой по следующей зависимости: где V_вп. - количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод; V_max. - суммарное количество топлива, подаваемого в камеру сгорания и во впускной трубопровод, обеспечивающее получение максимального крутящего момента двигателя; M_кр. - крутящий момент, развиваемый двигателем на рабочем режиме; M_кр.max. - максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, а количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод на пусковых режимах, ограничивают в пределах 25-50% от суммарного количества топлива, подаваемого в камеру сгорания и во впускной трубопровод за цикл при полной нагрузке.

Управляющий сигнал может быть сформирован путем измерения температуры отработавших продуктов сгорания или содержания кислорода в них.

В случае подачи воздуха в цилиндр двигателя под избыточным давлением от турбокомпрессора количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод, может быть отрегулировано в зависимости от величины этого избыточного давления.

Анализ известной патентной и научно-технической литературы не выявил наличия технических решений с заявляемой совокупностью существенных признаков.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для осуществления заявляемого способа работы дизельного двигателя.

На фиг. 2 показана зависимость количества топлива, поданного в двигатель, от его нагрузки.

На фиг. 3 показана зависимость удельного расхода топлива и дымности двигателей: заявляемого - обозначен I и взятого в качестве прототипа - обозначен II.

Система топливоподачи заявляемого дизеля содержит топливный насос 1 высокого давления, связанный с регулирующим подачу устройством 2 и подключенный трубопроводом 3 высокого давления к топливной форсунке 4, распылитель 5 которой размещен в камере 6 сгорания дизеля и через регулируемый запорный орган 7, например, выполненный в виде золотника, сблокированного с органом 8, задающим подачу топлива в связи с показателями двигателя. Через регулируемый запорный орган топливный насос 1 по трубопроводу 9 сообщен и с форсункой 10, закрепленной во впускном трубопроводе 11 /коллекторе/, причем сопловые отверстия последней ориентированы в зону впускного клапана 12, предпочтительно на внутреннюю поверхность тарелки 13 впускного клапана 18 со стороны впускного трубопровода 11.

Заявляемый способ работы дизельного двигателя внутреннего сгорания реализуется следующим образом.

Топливо поступает от насоса 1 по трубопроводу 3 через регулирующее подачу устройство 2 к форсунке 4, распылитель 5 которой размещен в камере 6 сгорания и его сопловые отверстия ориентированы на боковую поверхность - образующую этой камеры для организации рабочего процесса с непосредственным впрыском топлива. Кроме того, предусмотрено поступление топлива через регулируемый запорный орган 7 по трубопроводу 9 в форсунку 10, сопловые отверстия которой ориентированы на горячую внутреннюю поверхность тарелки 13 впускного клапана 12. Топливо, поданное форсункой 10 на клапан 12 в количестве 25-30% от общей цикловой дозы при номинальной нагрузке, попадая на горячую поверхность его тарелки 13 испаряется и в следующем цикле во время процесса впуска увлекается поступающим в цилиндр воздухом. Под действием высокой температуры в топливе начинаются подготовительные химические реакции, которые продолжаются в присутствии кислорода и особенно ускоряются в процессе сжатия. При этом впрыснутое форсункой 4 топливо воспламеняется с меньшей задержкой, и двигатель работает мягче. На малых цикловых подачах топливного насоса 1 и низких частотах вращения коленчатого вала двигателя работает только форсунка 4, впрыскивая топливо в камеру 6 сгорания для обеспечения одностадийного смесеобразования.

При увеличении подачи насоса 1 на высоких нагрузках двигателя и возросшей частоте вращения двигателя вступает в действие форсунка 10, обеспечивая двустадийное смесеобразование при одновременной подаче топлива во впускной трубопровод 11.

Улучшение экономичности и экологических показателей дизельного двигателя с непосредственным впрыском согласно заявляемому способу достигается благодаря применению измененного рабочего процесса как на рабочих, так и на пусковых режимах, улучшению смесеобразования, позволяющего получить более полное сгорание, снизить в 2-3 раза дымность в процессе роста нагрузки, на 15-20% снизить выбросы оксидов азота, снизить шумность рабочего процесса на высоких нагрузках, а также увеличить мощность высокооборотных дизелей со стесненной камерой сгорания.

В частности, этот технический результат достигается оптимизацией момента проведения двустадийного смесеобразования и оптимизацией количества подаваемого топлива. Так, на рабочих режимах он выбран в интервале достижения двигателем от 70-75% до 100% его полной нагрузки, причем величина подачи топлива в цилиндр двигателя при этом стабилизируется - не изменяется в зависимости от нагрузки, а величина подачи топлива во впускной трубопровод определяется по предлагаемой зависимости и составляет около 25-30% от общей цикловой дозы при полной нагрузке в отличие от способа-прототипа, согласно которому эта величина составляет только 15-25%.

Применение в заявляемом способе двустадийного смесеобразования и на пусковых режимах улучшает пусковые качества двигателя, причем количество топлива, впрыскиваемого форсункой 10, ориентированной на впускной клапан, оптимизировано в пределах 25-50% от общей цикловой дозы при полной нагрузке, а количество подаваемого топлива зависит от температуры двигателя и может быть определено по следующей зависимости: где V_вп - количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод;
V_max - суммарное количество топлива в дизеле, обеспечивающее получение максимального крутящего момента M_кр.max;
t_д - температура двигателя во время пуска, ^oC.

В результате на режимах пуска количество топлива, перемешанного с воздухом в цилиндре двигателя к концу такта сжатия, составляет не менее 40% от общего количества топлива, поступившего в цилиндр двигателя, в отличие от одностадийного смесеобразования в способе-прототипе, при котором на стенках камеры сгорания и цилиндра остается около 80% впрыснутого топлива, а только около 20% от общего количества, поступившего в цилиндр, испаряется и перемешивается с воздухом.

Для реализации предлагаемого способа работы на дизель для подачи топлива в цилиндр устанавливается топливная аппаратура, имеющая регулировки по подаче в цилиндр такого количества топлива, которое на данном двигателе позволяет развить нагрузку 70-75% от максимальной, а также устанавливается система подачи топлива на рабочих режимах 25-30% от общей цикловой дозы при полной нагрузке.

Для увеличения нагрузки на двигатель с режима холостого хода увеличивается подача топлива в цилиндр по зависимости

V_ц ≅ (0,7-0,75)V_max,
где M_кр - крутящий момент, развиваемый двигателем на рабочем режиме,
M_кр.max - максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем,
V_ц - количество топлива, подаваемого в цилиндр двигателя,
V_мах - суммарное количество топлива в дизеле, обеспечивающее получение максимального крутящего момента.

При достижении нагрузки 70-75% увеличение подачи топлива больше происходить не может, потому что таким образом отрегулирована топливная аппаратура и для дальнейшего увеличения нагрузки через специальную систему начинает подаваться топливо во впускной трубопровод.

Количество топлива, додаваемого во впускной трубопровод, как указано выше, ограничивают в пределах от 25 до 30% от величины общей подачи топлива на рабочих режимах и до 50% - на режиме пуска. Количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод V_вп, на рабочих режимах определяется по следующей зависимости:

Таким образом, увеличение нагрузки дизеля до 100% происходит за счет подачи топлива в цилиндр/ обеспечивается 70-75% нагрузки/ и подачи топлива во впускной трубопровод/ обеспечивается 25-30% нагрузки/.

Уменьшение нагрузки происходит в обратной последовательности. Для снижения нагрузки на двигатель от полной до 70-75% уменьшается количество подаваемого топлива во впускной трубопровод до полного его прекращения. Дальнейшее снижение нагрузки /менее 70-75%/ происходит за счет снижения количества топлива, подаваемого в цилиндр двигателя.

Для систем с электронным управлением топливоподающей аппаратуры оценка величины нагрузки дизеля, крутящего момента для задания необходимой подачи топлива может быть определена в результате измерения концентрации кислорода в отработавших газах дизеля или их температуры.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим изобретательский уровень, и промышленно применимо в автотракторной технике.

Реализация предлагаемого способа работы дизельного двигателя внутреннего сгорания позволит существенно улучшить экономические и экологические показатели двигателей, улучшив смесеобразование и увеличив полноту сгорания, а следовательно, снизив дымность и токсичность отработавших газов. Особенно ощутима эффективность предлагаемого способа на стабильно высоких нагрузках для малоразмерных дизельных двигателей со стесненной камерой сгорания. Для улучшения пусковых свойств дизельного двигателя предлагается оптимизировать подачу топлива, именно в пределах 25-50% от общей цикловой дозы при номинальной нагрузке, поскольку дальнейшее увеличение величины этой подачи уже не будет приводить к улучшению пусковых свойств и экономичности из-за ухудшенного смесеобразования по причине низкой температуры в цилиндре и низкого давления распыливания топлива и приведет к выбросу лишнего топлива на выхлоп. Снижение подачи ниже 25% не решит поставленную задачу, так как ухудшатся пусковые свойства, увеличится время пуска и количество его попыток, а следовательно, и расход топлива.

Формула изобретения

1. Способ работы дизельного двигателя путем подачи воздуха в цилиндр, сжатия его, подачи топливным насосом топлива в камеру сгорания на рабочих режимах с пониженной нагрузкой и подачи одной части топлива в камеру сгорания и другой части в зону впускного клапана со стороны впускного трубопровода с двустадийным смесеобразованием на рабочих режимах с повышенной нагрузкой, воспламенения топливовоздушной смеси от сжатия и последующего сгорания в цилиндре, расширения и выпуска отработавших продуктов сгорания, преобразования энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала двигателя и регулирования подачи топлива по управляющему сигналу органа, связанного с двигателем, отличающийся тем, что двустадийное смесеобразование дополнительно проводят на пусковых режимах, а на рабочих режимах с повышенной нагрузкой начинают с момента достижения двигателем 70-75% от его полной нагрузки и заканчивают моментом достижения 100%-ной полной нагрузки, причем осуществляют его при постоянной величине количества топлива, подаваемого в камеру сгорания, с одновременным изменением подачи топлива во впускной трубопровод, определяемой по следующей зависимости:

где V_вп - количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод;
V_mах - суммарное количество топлива, подаваемого в камеру сгорания и во впускной трубопровод, обеспечивающее получение максимального крутящего момента двигателя;
M_кр - крутящий момент, развиваемый двигателем на рабочем режиме;
M_кр.mах - максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем,
а количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод на пусковых режимах, ограничивают в пределах 25-50% от суммарного количества топлива, подаваемого в камеру сгорания и во впускной трубопровод за цикл при полной нагрузке.

2. Способ работы дизельного двигателя по п.1, отличающийся тем, что управляющий сигнал формируют путем измерения температуры отработавших продуктов сгорания или содержания кислорода в них.

3. Способ работы дизельного двигателя по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воздух в цилиндр подают под избыточным давлением от трубокомпрессора и количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод, регулируют в зависимости от величины этого давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3