Устройство для смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания. Изобретение направлено на обеспечение повышения коэффициента полезного действия, экономичности и снижения токсичности двигателя внутреннего сгорания за счет организации управляемости процессов смесеобразования путем обеспечения неоднородного во времени заряда и ступенчатого сгорания. Указанный технический результат достигается тем, что топливо распыляется в объеме воздуха камеры сгорания, при этом топливо впрыскивают в объем камеры сгорания посредством двух форсунок, установленных в крышке цилиндра с диаметрально противоположно расположенными сопловыми блоками под фиксированным углом к оси цилиндра таким образом, что этот угол раскладывается на две составляющие в продольной и поперечной плоскостях в течение первой и второй фазы, и обеспечивают завихрения рабочей смеси. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания общего и специального назначения.

Существует способ реализации смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания, заключающийся в том, что топливо впрыскивается в объем воздуха в камеру сгорания в определенной пропорции, так называемое объемное смесеобразование или топливо подается на стенку камеры сгорания и реализуется так называемое пристеночное или пленочное смесеобразование [Лянденбурский В.В., Белоковыльский A.M., Салмин В.В., Аношкин П.И. Топливные системы современных и перспективных двигателей внутреннего сгорания (Уч. пособ.) «Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов. Пензенский гос.университет арх. и строительства. - Пенза: ПГУАС, 2013. - 324 с.; http://vdvizhke.ru/sudovye-dvigateli-vnutrennego-sgoranija/smeobrazovanie-i-toplivnaja-apparatura-v-dizeljah/raspylenie-i-smeseobrazovanie-v-dizeljah.html]. Основным недостатком данного способа смесеобразования является отсутствие возможности реализации разделенного впрыска и необходимость подачи топлива в течение первой, второй и третьей фазы. Это ухудшает процесс смесеобразования, а, следовательно, снижает эффективные, экономические и экологические показатели двигателя. При этом повышается жесткость процесса, т.е., увеличивается степень нарастания давления и максимальное его значение наступает при углах поворота коленчатого вала 6-8° после прохождения поршнем верхней мертвой точки.

Существует также способ смесеобразования, разработанный специалистами фирмы MAN, который предполагает разделение впрыска топлива на два этапа. Первоначально впрыскивают пилотную (≈5%) массу топлива и организуют процесс горения в нагретом воздухе, а затем впрыскивают основную массу топлива (95%) на стенки камеры сгорания, где топливо испаряется при умеренных температурах 300-350°С достаточных для испарения топлива, но не достаточной для вспышки. Толщина пленки составляет 10-15 мкм. Интенсификация процесса горения достигается за счет кругового завихрения. Максимальное значение давления в цилиндре наступает при углах поворота коленчатого вала 16-18° после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Двигатель имеет хорошие пусковые свойства и более мягкую работу, возможность форсирования по частоте вращения и низкий выброс окиси азота [http://www.man34.ru/about/info/new_dizel, http://vsdi.ru/osobennosti_konstrukcii]. Недостатком данного способа является снижение теплового КПД, так как при этом теряется большое количество теплоты с отработавшими газами.

Также используются комбинированные системы питания, реализующие комбинацию жидкого топлива и газообразного или газообразного и твердого [Комбинированная система питания двигателя внутреннего сгорания экологически чистых транспортных средств, преимущественно автомобилей. Патент RU 2117178 С1, 10. 08. 1998 г.; и Система питания газообразным топливом силовой установки и устройство для хранения и подачи твердого топлива этой системы. Патент RU 2131521 С1, 10.06.1999 г.]. Изобретения относятся к области машиностроения и могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания общего и специального назначения. Недостатком таких систем является сложность их реализации и высокая опасность использования.

Достигаемым при использовании заявляемого изобретения техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания за счет организации управляемости процессов смесеобразования путем обеспечения неоднородного во времени заряда и ступенчатого сгорания, повышение экономичности цикла и одновременного уменьшения выброса сажи за счет интенсификацией процесса сгорания.

Оценивая процесс сгорания по характеристике тепловыделения, необходимо добиваться уменьшения первого максимума и приближения второго максимума к верхней мертвой точке. Этим достигается увеличение индикаторного коэффициента полезного действия цикла и сдвиг периода основного горения в область высоких температур, где есть условия для эффективного протекания процессов выгорания сажи. Понижения выброса окислов азота можно достигнуть несколькими путями, понизить уровни температур в цилиндре, это может быть достигнуто интенсификацией перемешивания горячих продуктов сгорания с более холодным свежим зарядом в цилиндре; или использовать микросмешение и интенсифицировать смесеобразование, сократив тем самым продолжительность процесса сгорания, с некоторым увеличением температур в цилиндре. Одним из эффективных способов решения вышеуказанных задач является завихрение и турбулизация воздушного заряда в цилиндре дизеля.

Технический результат достигается тем, что используют способ реализации смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания заключающийся в том, что топливо распыляется в объеме воздуха камеры сгорания, при этом топливо впрыскивают в объем камеры сгорания посредством двух форсунок, установленных в крышке цилиндра, с диаметрально противоположно расположенными сопловыми блоками, под фиксированным углом к оси цилиндра таким образом, что этот угол раскладывается на две составляющие в продольной и поперечной плоскостях, в течение первой и второй фазы и обеспечивают завихрения рабочей смеси.

Вместе с тем формируют пилотный впрыск топлива, то есть разделяют объем топлива на две составляющие, меньшую часть впрыскивают посредством одной форсунки в первой фазе и большую, основную часть впрыскивают посредством одной или двух форсунок во второй фазе.

А двухкомпонентное топливо впрыскивают в объем камеры сгорания посредством двух форсунок с диаметрально противоположно расположенными сопловыми блоками в течение первой и второй фазы и обеспечивают завихрения рабочей смеси. Или формируют разделенный впрыск двухкомпонентного топлива, то есть, одну компоненту впрыскивают посредством одной форсунки в первой фазе, а другую компоненту впрыскивают посредством другой форсунки во второй фазе.

При этом устройство для реализации способа смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания содержит топливный бак, топливный насос низкого давления, топливный насос высокого давления, форсунки, трубопроводы и электронной блок управления системой питания, при этом в качестве топливного бака используются топливные емкости количеством равным количеству компонентов многокомпонентного топлива, фильтры грубой и тонкой очистки топлива, в качестве топливного насоса низкого давления используются погружные роторные насосы с электроприводом по количеству компонентов многокомпонентного топлива, смеситель, секционный топливный насос высокого давления с двумя плунжерными парами на каждый цилиндр с рядным их расположением, электромагнитные управляющие клапаны по два на цилиндр, форсунки по две на каждый цилиндр, при этом форсунки установлены в крышке цилиндров, в диаметрально противоположных направлениях, по две на каждый цилиндр, под фиксированным углом к оси цилиндра таким образом, что этот угол раскладывается на две составляющие в продольной и поперечной плоскостях, и, каждая из форсунок, посредством трубопровода, через электромагнитный управляющий клапан, связана с секцией топливного насоса высокого давления.

Один из вариантов устройства для реализации способа смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания, заключается в том, что секционный топливный насос высокого давления с двумя плунжерными парами на каждый цилиндр выполнен с V-образным их расположением.

Другой вариант устройства для реализации способа смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания, реализован так, что в крышке цилиндров, в диаметрально противоположных направлениях, выполнены два посадочных колодца, со сферической донной частью и отверстием по ее центру, под две сферические вставки с посадочным отверстием в каждой под форсунку, а положение сферических вставок и форсунок фиксируется кронштейном.

Может быть также использовано устройство для реализации способа смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания содержащее топливный бак, топливный насос низкого давления, топливный насос высокого давления, аккумулятор давления топлива, форсунки, трубопроводы и электронный блок управления системой питания, при этом используются форсунки с электромагнитными управляющими клапанами, по две на каждый цилиндр, установленные в крышке цилиндров, в диаметрально противоположных направлениях, под фиксированным углом к оси цилиндра таким образом, что этот угол раскладывается на две составляющие в продольной и поперечной плоскостях, и, каждая из форсунок, через электромагнитный управляющий клапан, посредством трубопровода связана с аккумулятором давления топлива.

Или аналогичное устройство, для реализации способа смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания, реализовано таким образом, что в крышке цилиндров, в диаметрально противоположных направлениях, выполнены два посадочных колодца, со сферической донной частью и отверстием по ее центру, под две сферические вставки с посадочным отверстием в каждой под форсунку с электромагнитным управляющим клапаном, а положение сферических вставок и форсунок фиксируется кронштейном.

На фиг. 1 изображена функциональная схема системы питания, с топливным высокого давления и с аккумулятором давления, на фиг. 2 - крышка цилиндра в разрезе (вид сверху).

Функциональная схема системы питания (фиг. 1) включает в себя топливный бак 1, с расположенным в нем фильтром-заборником 2, который может быть объединен с топливным насосом 3 низкого давления, например, погружными с электроприводом, или эти насос может располагаться вне топливного бака и иметь электрический или механический привод. Топливозаборная арматура топливного бака 1, посредством трубопровода, связана со смесителем 4 и далее, через фильтр тонкой очистки на его выходе, с топливным насосом высокого давления (ТНВД) 5, нагнетательная магистраль которого подсоединена к аккумулятору давления топлива 6, выполненного в виде центральной магистрали, выполняющей роль рампы с отводными штуцерами, связанными трубопроводами с электромагнитными управляющими клапанами форсунок 7. В выходное резьбовое отверстие аккумулятора 6, ввинчен датчик-клапан 8 обратного сброса топлива, соединенный посредством трубопровода, например, со смесителем 4. При этом, управление топливным насосом 3, ТНВД 5 и электромагнитными управляющими клапанами форсунок 7 осуществляется посредством электронного блока управления системой питания (ЭБУ) из состава микропроцессорной системы управления силовым агрегатом (МСУСА), в микроконтроллер которого заложена программа управления системой питания на основе входных сигналов с датчиков управления и условий эксплуатации силового агрегата.

Схема крышки цилиндра в разрезе (фиг. 2) включает корпус крышки 9 с впускными 10 и выпускными 11 клапанами, камеру сгорания 12, выполненную в днище поршня 13, который расположен в полости цилиндра 14. Форсунки 15 установлены (для сравнения) одна в посадочном отверстии крышки, а вторая в посадочном отверстии сферической вставки 16, при этом обе форсунки закреплены кронштейном 17.

Предложенный способ смесеобразования и устройство для его реализации работает следующим образом. При включении зажигания на топливный насос 3 низкого давления подается напряжение питания от ЭБУ и насос, вступая в работу, обеспечивает требуемое давление в смесителе 4, в котором так же возможен подогрев топлива при необходимости. При достижении требуемого давления, насос 3 низкого давления выключается в автоматическом режиме и возобновляет свою работу с началом вращения коленчатого вала двигателя. В процессе запуска двигателя и дальнейшей его работы крутящий момент передается на ТНВД 5 и тем самым обеспечивается требуемое давление в аккумуляторе 6. При этом избыточное давление через датчик-клапан 8 обратного сброса топлива стравливается в смеситель 4. Управляющие сигналы от ЭБУ поступают на электромагнитные управляющие клапаны форсунок 7, и, в зависимости от программы, реализуется закон подачи топлива в камеры сгорания цилиндров.

Эффект от использования изобретения состоит в том, что увеличивается эффективность двигателя за счет улучшения смесеобразования как обычного, так и многокомпонентного топлива, турбулизации процесса горения, впрыска топлива в процессе первой и второй фаз и смещению активной фазы процесса горения ближе к верхней мертвой точке, а, следовательно, к повышению экономических и экологических показателей.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в конструкции тепловых двигателей;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета устройств;

- заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.

1. Устройство для смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания, содержащее топливный бак, топливный насос низкого давления, топливный насос высокого давления, форсунки, трубопроводы и электронный блок управления системой питания, отличающееся тем, что в качестве топливного бака используются топливные емкости количеством, равным количеству компонентов многокомпонентного топлива, фильтры грубой и тонкой очистки топлива, в качестве топливного насоса низкого давления используются погружные роторные насосы с электроприводом по количеству компонентов многокомпонентного топлива, смеситель, секционный топливный насос высокого давления с двумя плунжерными парами на каждый цилиндр с рядным их расположением, электромагнитные управляющие клапаны по два на цилиндр, форсунки по две на каждый цилиндр, при этом форсунки установлены в крышке цилиндров в диаметрально противоположных направлениях, по две на каждый цилиндр, под фиксированным углом к оси цилиндра таким образом, что этот угол раскладывается на две составляющие в продольной и поперечной плоскостях, и каждая из форсунок связана через электромагнитный управляющий клапан посредством трубопровода с секцией топливного насоса высокого давления.

2. Устройство для смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания по п. 1, отличающееся тем, что секционный топливный насос высокого давления с двумя плунжерными парами на каждый цилиндр выполнен с V-образным их расположением.

3. Устройство для смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания по п. 1, отличающееся тем, в крышке цилиндров в диаметрально противоположных направлениях выполнены два посадочных колодца со сферической донной частью и отверстием по ее центру, под две сферические вставки с посадочным отверстием в каждой под форсунку, а положение сферических вставок и форсунок фиксируется кронштейном.