Способ воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания и форсунка впрыска поджигающего заряда
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способам воспламенения рабочей смеси и форсункам. Изобретение позволяет повысить экономичность и экологичность двигателя внутреннего сгорания и улучшить условия пуска при низких температурах. В способе воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания воздух поступает в камеру сгорания двигателя на такте всасывания с подачей рабочего заряда топлива во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр с последующим сжатием рабочей смеси на такте сжатия и воспламенением в конце такта сжатия. Воспламенение происходит от впрыска непосредственно в камеру сгорания некоторого количества разогретого непосредственно в форсунке впрыска поджигающего заряда до температуры самовоспламенения при попадании в кислородосодержащую среду топлива. Воспламенение поджигающего заряда в камере сгорания обеспечивает надежное воспламенение рабочих смесей и полное сжигание основного топливного заряда в условиях замкнутого пространства камеры сгорания и избытка кислорода. Давление впрыска поджигающего заряда создается насосом высокого давления, устанавливаемого непосредственно перед форсунками впрыска поджигающего заряда. Во впускном тракте отсутствует система дросселирования воздуха, что обеспечивает наиболее полное наполнение цилиндра двигателя газовым зарядом. Осуществляется регулирование количества подаваемого в камеру сгорания топлива независимо от количества всасываемого воздуха. По сигналу датчика кислорода, установленного в выпускном коллекторе, ограничивается только максимальное количество подаваемого в камеру сгорания топлива. Форсунка впрыска поджигающего заряда содержит электроуправляемый клапан подачи топлива в камеру сгорания. В зоне запорной иглы клапана расположен нагревательный элемент для разогрева поджигающего заряда топлива до температуры самовоспламенения при попадании в кислородосодержащую среду. В зоне нагревательного элемента установлен датчик температуры для обеспечения оптимального режима нагрева. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено в системах воспламенения двигателей внутреннего сгорания.
В современных двигателях внутреннего сгорания широкое применение получили, по сути, только два способа воспламенения рабочего заряда - воспламенение от искрового разряда и воспламенение от сжатия. Эти способы воспламенения описаны, например, в книге «Двигатели внутреннего сгорания», авторы Луканин В.Н., Шатров М.Г, издательство «Высшая школа», Москва, 2005.
Недостатками искрового способа зажигания можно считать то, что искровой разряд способен воспламенить рабочий заряд только при соблюдении условия стехиометрического отношения количеств воздуха и топлива в топливной смеси в зоне электрического разряда, а также необходимость иметь высоковольтную систему для создания такого разряда. Условие поддержания стехиометрического отношения требует ограничивать наполняемость камеры сгорания газовым зарядом на малых и средних нагрузках, что ведет к снижению динамических характеристик двигателя. Наличие высоковольтной системы предъявляет дополнительные требования к борьбе с электрическими утечками, которые снижают надежность системы.
Недостатком воспламенения от сжатия можно считать то, что этот способ требует применения высокой степени сжатия, более 20, что в свою очередь ведет к необходимости повышать давление впрыска топлива для обеспечения нужной степени распыла и смесеобразования. В современных дизелях это давление уже достигает 1600 бар, например двигатели CDI автомобилей Mercedes-Benz.
Известны способы и устройства воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, способствующие улучшению воспламенения от искрового разряда. См., например, патент РФ №2161728, МПК 7 F02Р 23/04, опубликованный 10.01.2001. Способ инициирования горения газовой или газово-топливной смеси. Способ заключается в энергетическом воздействии на смесь ультрафиолетовым излучением скользящего поверхностного разряда, получаемого при подаче напряжения на электроды, расположенные на поверхности диэлектрика и размещенные в объеме смеси в камере сгорания. Недостатком метода является необходимость установки в объеме камеры сгорания дополнительных устройств для создания скользящего поверхностного разряда.
Также известен способ воспламенения рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, см. патент РФ №2256817, МПК 7 F02Р 23/00, F02М 27/04, F02В 51/04, опубликованный 20.07.2005. Сущность изобретения заключается в том, что рабочую смесь в камере сгорания двигателя активируют импульсом СВЧ энергии, имеющим частоту сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания. Данное изобретение применимо как к двигателям с искровым зажиганием, так и к двигателям с воспламенением от сжатия. Недостатком способа является то, что импульс СВЧ в силу его физических свойств будет в первую очередь взаимодействовать с металлическими деталями камеры сгорания, что приведет к необходимости повышения энергии импульса.
Прототипом описываемого изобретения является патент РФ №2121585, МПК 6 F02В 43/04, F02В 3/02, F02М 57/04, F02Р 13/00, опубликованный 10.11.1998. Двигатель внутреннего сгорания, способ его работы, автомобиль и стационарная генераторная установка с использованием этого двигателя. Сущность изобретения основана на ряде преимуществ, исходящих из предварительного сжатия природного газа, применяемого в качестве топлива, перед подачей его в камеру сгорания. Первое из них - в том, что газообразное топливо подается непосредственно в камеру сгорания по шлангу высокого давления через впускной клапан/воспламенитель. Второе - устройство сконструировано таким образом, что оно может легко устанавливаться как в гнездо свечи зажигания обычного бензинового, так и в гнездо форсунки дизельного двигателя. Третье - сочетание в одном устройстве функций впуска и зажигания топливной смеси. Недостатком способа является то, что непосредственный впрыск газообразного топлива в камеру сгорания требует повышенного давления впрыска для обеспечения качественного смесеобразования; кроме того, описанный клапан/воспламенитель имеет в своей конструкции, по сути, обычную искровую свечу зажигания, что предъявляет высокие требования к электроизоляционным материалам данного устройства.
Предлагаемый способ предполагает возможность использования в качестве топлива как газа, так и жидкого топлива. Разница заключается в применяемой аппаратуре впрыска основного заряда и в аппаратуре хранения топлива, которые не являются предметом данного изобретения.
Технический результат заключается в возможности повышения экономичности и экологичности двигателя внутреннего сгорания и в улучшении условий пуска при низких температурах.
Технический результат достигается в способе воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания, при котором воздух поступает в камеру сгорания двигателя на такте всасывания с подачей рабочего заряда топлива во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр с последующим сжатием рабочей смеси на такте сжатия и воспламенением в конце такта сжатия. Воспламенение происходит от впрыска непосредственно в камеру сгорания некоторого количества разогретого непосредственно в форсунке впрыска поджигающего заряда до температуры самовоспламенения при попадании в кислородосодержащую среду топлива. Воспламенение поджигающего заряда в камере сгорания обеспечивает надежное воспламенение рабочих смесей и полное сжигание основного топливного заряда в условиях замкнутого пространства камеры сгорания и избытка кислорода. Давление впрыска поджигающего заряда создается насосом высокого давления, устанавливаемого непосредственно перед форсунками впрыска поджигающего заряда. Во впускном тракте отсутствует система дросселирования воздуха, что обеспечивает наиболее полное наполнение цилиндра двигателя газовым зарядом. Осуществляется регулирование количества подаваемого в камеру сгорания топлива независимо от количества всасываемого воздуха. По сигналу датчика кислорода, установленного в выпускном коллекторе, ограничивается только максимальное количество подаваемого в камеру сгорания топлива. Форсунка впрыска поджигающего заряда содержит электроуправляемый клапан подачи топлива в камеру сгорания. Согласно изобретению в зоне запорной иглы клапана расположен нагревательный элемент для разогрева поджигающего заряда топлива до температуры самовоспламенения при попадании в кислородосодержащую среду. В зоне нагревательного элемента установлен датчик температуры для обеспечения оптимального режима нагрева.
Иллюстрация работы двигателя по предлагаемому способу показана на чертеже. Топливо, хранящееся в топливном баке 9, через редуктор (для газового топлива) или подкачивающий насос (для жидкого топлива) 8 поступает по трубопроводу низкого давления к аппаратуре впрыска основного заряда 6. Впрыск основного заряда осуществляется на такте всасывания и может быть произведен как во впускной трубопровод, так и непосредственно в камеру сгорания двигателя. При этом заряд воздуха свободно поступает в цилиндр двигателя через открытый впускной клапан, чем обеспечивается максимальное наполнение цилиндра газовой смесью. Минимальное количество впрыскиваемого топлива ограничивается блоком управления двигателем 10 по сигналу датчика частоты вращения двигателя 19. Максимальное количество впрыскиваемого топлива ограничивается блоком управления двигателем 10 по сигналу от датчика кислорода 11, расположенного в выпускном коллекторе двигателя. Часть топлива, отбираемая из трубопровода низкого давления, сжимается насосом высокого давления 7 до величины, незначительно превосходящей компрессию в цилиндрах двигателя, и направляется в общую рампу форсунок впрыска поджигающего заряда. Из общей рампы по индивидуальным трубопроводам высокого давления топливо подается к запорному клапану форсунок впрыска поджигающего заряда, где оно подогревается с помощью электронагревателя 5 до температуры самовоспламенения топлива при попадании в кислородсодержащую среду. Поджигающий заряд топлива впрыскивается в камеру сгорания по сигналу от блока управления двигателем 10 через зазор, образуемый запорной иглой 3 и корпусом форсунки 1, при активации соленоида управления клапаном 2. Поджигающий заряд топлива, попадая в камеру сгорания, самовоспламеняется и, поднимая общую температуру в камере, поджигает основной заряд.
Форсунка поджигающего заряда имеет следующие основные элементы: 1 - корпус форсунки; 2 - соленоид управления клапаном; 3 - запорная игла клапана; 4 - пружина клапана; 5 - электронагреватель с термодатчиком.
Для обеспечения надежности холодного пуска двигателя блок управления двигателем 10 блокирует прокрутку двигателя стартером до получения сигнала от термодатчиков форсунок впрыска поджигающего заряда о должном разогреве электронагревателей 5. Опираясь на эти же сигналы, блок управления 10 периодически снимает питающее напряжение с электронагревателей во время работы двигателя для поддержания необходимого температурного режима форсунок.
1. Способ воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания, при котором воздух поступает в камеру сгорания двигателя на такте всасывания с подачей рабочего заряда топлива во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр с последующим сжатием рабочей смеси на такте сжатия и воспламенением в конце такта сжатия, отличающийся тем, что воспламенение происходит от впрыска непосредственно в камеру сгорания некоторого количества разогретого непосредственно в форсунке впрыска поджигающего заряда до температуры самовоспламенения при попадании в кислородосодержащую среду топлива.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воспламенение поджигающего заряда в камере сгорания обеспечивает надежное воспламенение рабочих смесей и полное сжигание основного топливного заряда в условиях замкнутого пространства камеры сгорания и избытка кислорода.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление впрыска поджигающего заряда создается насосом высокого давления, устанавливаемого непосредственно перед форсунками впрыска поджигающего заряда.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что во впускном тракте отсутствует система дросселирования воздуха, что обеспечивает наиболее полное наполнение цилиндра двигателя газовым зарядом.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляется регулирование количества подаваемого в камеру сгорания топлива независимо от количества всасываемого воздуха.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что по сигналу датчика кислорода, установленного в выпускном коллекторе, ограничивается только максимальное количество подаваемого в камеру сгорания топлива.
7. Форсунка впрыска поджигающего заряда, содержащая электроуправляемый клапан подачи топлива в камеру сгорания, отличающаяся тем, что в зоне запорной иглы клапана расположен нагревательный элемент для разогрева поджигающего заряда топлива до температуры самовоспламенения при попадании в кислородосодержащую среду.
8. Форсунка по п.7, отличающаяся тем, что в зоне нагревательного элемента установлен датчик температуры для обеспечения оптимального режима нагрева.
