Двигатель внутреннего сгорания с впрыскиванием топлива в цилиндр

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам подачи топлива бензиновых двигателей. Изобретение позволяет снизить время пребывания топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя и тепловую нагрузку топливной форсунки. Двигатель внутреннего сгорания с впрыскиванием топлива в цилиндр содержит блок цилиндров с гильзами цилиндров, поршни, головку цилиндров с впускными и выпускными каналами и клапанами, камеры сгорания, свечи зажигания, топливоподающие форсунки и контроллер с датчиками. Топливоподающие форсунки установлены в стенках гильз цилиндров в пространстве, ограниченном нижними компрессионными кольцами поршней при их положении в верхней мертвой точке и днищами поршней при их положении в нижней мертвой точке. 5 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к системам подачи топлива бензиновых двигателей. Известно, что эффективность бензиновых двигателей пропорциональна их степени сжатия. Главной причиной, ограничивающей степень сжатия бензиновых двигателей, является детонационная стойкость применяемых бензинов, в значительной степени определяющаяся скоростью образования и накопления в рабочей смеси активных перекисей (кислородсодержащих веществ), которые разлагаются в последней фазе горения, выделяют избыточную энергию и вызывают взрывное сгорание топлива. Скорость образования гидроперекисей находится в прямой зависимости от времени пребывания топливовоздушной смеси в цилиндре и ее нагрева в процессах впуска, сжатия и сгорания. Таким образом, для обеспечения высокой эффективности бензиновых двигателей необходимо снижать время пребывания топлива в цилиндре.

Высокий КПД двигателей внутреннего сгорания определяется также, помимо детонационной стойкости применяемых бензинов, качеством процесса образования топливовоздушной смеси. Определяющую роль в процессе смесеобразования играет топливоподающая форсунка, стабильность ее эксплуатационных характеристик. При расположении топливоподающей форсунки в камере сгорания двигателя под действием высоких термических нагрузок и в сочетании с физико-химическими свойствами топлива происходит значительное нагаро-смолообразование в сопловых отверстиях, топливных каналах и на поверхности форсунки. Эти процессы приводят к ухудшению распыливания топлива и, соответственно, процесса смесеобразования. Для осуществления качественного процесса смесеобразования необходимо минимизировать нагаро-смолообразование топливоподающих форсунок.

Известно техническое решение фирмы "Mitsubishi Heavy Industries Ltd" ("Авторевю", №6 (239), 2001), в котором топливоподающая форсунка установлена непосредственно в камере сгорания (двигатель типа GDI). При работе двигателя на бедных смесях и малых нагрузках топливо подается в цилиндр в конце такта сжатия. Стехиометрический состав смеси у свечи зажигания обеспечивается специально спрофилированным поршнем. При работе двигателя на смеси стехиометрического состава впрыск топлива осуществляется при движении поршня вниз - на такте впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляясь по всему цилиндру. Работа двигателя на обогащенных смесях обеспечивается двухстадийным впрыском топлива: первая часть топлива впрыскивается на такте впуска, а вторая часть - на такте сжатия. Недостатком указанной конструкции является расположение топливоподающей форсунки в объеме камеры сгорания, а также продолжительное время пребывания топлива при его впрыскивании в цилиндр двигателя на такте впуска.

Известно техническое решение расположения топливоподающей форсунки в двигателе внутреннего сгорания (патент US 6,386,175 В2; МПК 7 F 02 B 3/00, опубл. 14.05.2002). В двигателе внутреннего сгорания имеется блок цилиндров с гильзами цилиндров и поршни, плотно установленные в гильзы цилиндров. Головка цилиндра с впускными и выпускными каналами и клапанами прикреплена к блоку и образует камеру сгорания. Двигатель содержит свечу зажигания и топливные форсунки, расположенные непосредственно в камере сгорания или во впускных каналах головки блока цилиндров. Топливо подается в цилиндры двигателя на такте сжатия. Недостатком данного технического решения является расположение топливной форсунки непосредственно в камере сгорания двигателя, что приводит к ее интенсивному осмолению.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение времени пребывания топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя, а также снижение тепловой нагруженности топливоподающей форсунки.

Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с впрыскиванием топлива в цилиндр, содержащем блок цилиндров с гильзами цилиндров, поршнями, головкой цилиндров с впускными и выпускными каналами и клапанами, топливоподающие форсунки согласно изобретению установлены в стенках гильз цилиндров в пространстве, ограниченном нижними компрессионными кольцами поршней при их положении в верхней мертвой точке и днищами поршней при их положении в нижней мертвой точке.

Установка топливоподающей форсунки в стенке гильзы цилиндра позволяет осуществлять впрыскивание топлива в цилиндр при закрытых впускных и выпускных клапанах - на такте сжатия и, таким образом, сокращать время пребывания топливовоздушной смеси. Топливоподающая форсунка установлена ниже компрессионных колец поршня при его положении в верхней мертвой точке, т.е. вне объема камеры сгорания, таким образом, чтобы воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси происходило без прямого контакта с топливоподающей форсункой.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1-5 показана схема двигателя внутреннего сгорания при осуществлении им рабочего цикла.

Двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1 с гильзами цилиндров 2 и поршнями 3 с поршневыми кольцами 4. Сверху, над блоком цилиндров 1, закреплена головка блока цилиндров 5 с впускными 6 и выпускными 7 каналами, снабженная впускными 8 и выпускными 9 клапанами. Головка блока цилиндров 5, блок цилиндров 1, впускные 6 и выпускные 7 клапаны образуют камеру сгорания цилиндра 10. Двигатель внутреннего сгорания содержит свечу зажигания 11, сообщающуюся с камерой сгорания 10 для зажигания топливовоздушной смеси. Двигатель также содержит топливоподающую форсунку 12 для подачи топлива в цилиндр 2, установленную в стенках гильз цилиндров. Требуемый момент и продолжительность впрыскивания топлива форсункой 12 определяет контроллер 13 на основании показаний датчиков 14.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Воздух по впускному каналу 6 при открытом впускном клапане 8, благодаря разрежению от движения поршня 3 вниз, попадает в надпоршневое пространство цилиндра 2 (фиг.1). В конце такта впуска, при начале движения поршня 3 вверх, происходит прекращение подачи воздуха в цилиндр, вследствие его наполнения, и впускной клапан 8 закрывается. На такте сжатия, при движении поршня 3 вверх и закрытых впускном 8 и выпускном 9 клапанах (фиг.2), происходит впрыскивание топлива топливоподающей форсункой 12 в цилиндр 2 в виде туманообразного конического факела. Момент и продолжительность впрыскивания топлива определяются контроллером 13 на основании сигналов датчиков 14. При дальнейшем движении поршня 3 вверх на такте сжатия происходят процессы смесеобразования - приготовления топливовоздушной смеси. До достижения верхней мертвой точки поршень 3 в своем движении вверх перекрывает канал топливоподающей форсунки 12, отделяя ее от камеры сгорания 10 (фиг.3). Процессы воспламенения топливовоздушной смеси и ее сгорания происходят без прямого контакта горящей топливовоздушной смеси с топливоподающей форсункой 12. В дальнейшем при движении поршня 3 вниз в конце такта расширения (фиг.4) рабочие газы соприкасаются с поверхностью топливоподающей форсунки 12, однако их температура уже значительно ниже максимальной, и поэтому термическая нагруженность топливоподающей форсунки 12 будет минимальной. По окончании процесса расширения начинается процесс выпуска отработавших газов (фиг.5), а затем процесс впуска новой порции воздуха, и рабочий цикл повторяется.

Таким образом, благодаря впрыскиванию топлива топливоподающей форсункой 12 значительно сокращено время пребывания топлива в цилиндре двигателя, а значит, и вероятность детонации. Установка топливоподающей форсунки 12 в стенке цилиндра 2, вне камеры сгорания 10 позволила снизить термическую нагруженность топливоподающей форсунки и повысить ее надежность и стабильность показателей.

На одноцилиндровой моторной установке с воспламенением от сжатия проведено экспериментальное исследование по оценке влияния времени пребывания топливовоздушной смеси на детонационную стойкость применяемого топлива (бензин А-76). Исследование показало, что при переходе с обычного впрыскивания топлива в конце такта сжатия на ВИГОМ-процесс (впрыскивание части цикловой подачи топлива на такте впуска и основной части цикловой подачи в конце такта сжатия) происходило снижение периода задержки воспламенения топлива. Таким образом, бензин А-76 при ВИГОМ-процессе вел себя как топливо с большим цетановым числом. Поскольку существует обратная зависимость между цетановым и октановым числами топлив, то впрыскивание части топлива на такте впуска (повышение продолжительности пребывания топлива) приводит к снижению детонационной стойкости применяемого топлива.

Двигатель внутреннего сгорания с впрыскиванием топлива в цилиндр, содержащий блок цилиндров с гильзами цилиндров, поршни, головку цилиндров с впускными и выпускными каналами и клапанами, камеры сгорания, свечи зажигания, топливоподающие форсунки и контроллер с датчиками, отличающийся тем, что топливоподающие форсунки установлены в стенках гильз цилиндров в пространстве, ограниченном нижними компрессионными кольцами поршней при их положении в верхней мертвой точке и днищами поршней при их положении в нижней мертвой точке.