БЫСТРОХОДНЫЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК F02B27/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателестроении при разработке рабочего процесса дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива.

В существующих дизельных двигателях с неразделенными камерами сгорания для эффективного сжигания впрыскиваемого через топливную форсунку топлива применяют закрутку воздушного потока на впуске. Это обеспечивает создание устойчивого вихря в цилиндре двигателя, который сохраняется до окончания сжатия свежего воздушного заряда и обеспечивает хорошее перемешивание топлива с окислителем (воздухом) при умеренной скорости выгорания топлива. Чрезмерно быстрое сгорание приводит к ударным нагрузкам на детали двигателя, что увеличивает шум, уменьшает ресурс дизельного двигателя и увеличивает вредные выбросы окислов азота, а медленное горение приводит к ухудшению КПД, перегреву двигателя и увеличению доли несгоревшего топлива (углеводородов).

При разработке двигателя всегда определяется приемлемый компромисс по скорости завихрения воздушного потока на впуске в цилиндр для получения хороших показателей по мощности, расходу топлива и обязательному выполнению законодательных норм на вредное воздействие на окружающую среду (шум, токсичность). Однако поиск такого компромисса для быстроходного автомобильного дизельного двигателя дело очень трудоемкое и по многим параметрам противоречивое. Для двигателей, работающих в стационарных, или близких к этому, режимах найти такое решение относительно несложно. Другое дело, когда это касается автомобильного двигателя с широким диапазоном изменения нагрузки от холостого хода до максимальной мощности и оборотов от 700...800 до 4500... 5000 об/мин. Требуемое быстрое изменение оборотов в таком широком диапазоне приводит к необходимости значительного усложнения конструкции двигателя, в частности впускной системы и газовых каналов в головке цилиндров. Для низких оборотов двигателя требуется увеличенный вихрь на впуске. Это связано и с уменьшением давления впрыскивания топлива традиционным топливным насосом высокого давления, а следовательно, худшим распылением топливной струи, вытекающей из форсунки, и увеличением времени протекания рабочего такта (цикла), т. е. времени теплопотерь в систему охлаждения. Эти составляющие ухудшают КПД двигателя и разработчики быстроходных двигателей стремятся увеличить давление впрыскивания топлива (эта проблема особо хорошо решается при применении топливной аппаратуры аккумуляторного типа, не имеющей прямой зависимости давления топлива от оборотов двигателя) и увеличить скорость горения для сокращения потерь в окружающую среду. Этого можно достигнуть увеличением завихрения воздуха на впуске. Однако при увеличении оборотов двигателя происходит перезавихрение воздушного потока в цилиндре, т.к. впускной тракт (газовые каналы) переходит в режим больших расходов воздуха и его формообразующая поверхность чрезмерно интенсифицирует вихревую составляющую воздушного потока. В идеальном случае для каждого режима оборотов и нагрузки двигателя требуется своя форма газовых каналов. Поскольку реальная возможность осуществления этого пока отсутствует, то газовые каналы проектируются на какое-то среднее значение оборотов, обычно это режим максимального крутящего момента, поэтому на режимах низких оборотов возникает недозавихрение, а на высоких - перезавихрение. Для расширения диапазона оборотов с оптимизированным вихрем применяют устройства регулирования вихря на впуске. Известен способ настройки впускного газового канала на низкий диапазон оборотов (см. патент США N 4834035 от 30.05.89 г., МКИ F 02 В 31/00). На высоких оборотах через дополнительный канал подают воздух, который уменьшает вихреобразующую способность главного канала (т.е. дополнительный поток воздуха противодействует основному). Для управления этим процессом в дополнительном канале установлена заслонка, которая управляется по взаимосвязи с оборотами и нагрузкой двигателя.

В связи с тем, что в современных быстроходных автомобильных двигателях все чаще стали применять конструкцию с четырьмя клапанами на цилиндр (два впускных и два выпускных), то один из впускных каналов оборудуют воздушной заслонкой, которая в зависимости от режима работы двигателя обеспечивает впуск воздуха в цилиндр через один или два впускных канала. При закрытой заслонке воздух в цилиндр поступает через один канал, скорость движения воздуха в нем возрастает, что позволяет интенсифицировать вихрь на впуске. При открытой заслонке воздух поступает через два канала, поэтому в канале, который постоянно открыт, уменьшается скорость воздуха, а следовательно, и вихрь на впуске. Такое техническое решение применено на дизельных двигателях фирмы Опель серии "Экотек" (см. журнал MTZ N 9-97) и на дизельном двигателе фирмы Мерседес Бенц серии ОМ 611 (см. журнал MTZ N 10-97). Указанные выше решения требуют специальных дополнительных устройств регулирования (исполнительные устройства: заслонки в специальных проставках, пневмокамеры закрывания, клапаны управления пневмокамерами) и управления (отдельные или встроенные в общий электронный блок модули, анализирующие режим работы двигателя). Это повышает стоимость двигателя и снижает его надежность.

Сущностью изобретения является создание конструкции быстроходного автомобильного дизельного двигателя, обеспечивающего организацию оптимального вихря внутри цилиндра перед сжатием без дополнительных устройств на впуске.

Указанный технический результат достигается тем, что для обеспечения хорошего наполнения цилиндров свежим воздушным зарядом и хорошей очисткой от отработавших газов, фазы газораспределения для двигателя выбирают с учетом инерционных и волновых явлений, происходящих во впускном и выпускном трактах. Это приводит к тому, что у фаз газораспределения, в частности четырехтактного двигателя, происходит так называемое перекрытие фаз, т.е. фаза выпуска отработавших газов из цилиндра еще окончательно не завершена, а уже начинается фаза впуска. У четырехтактных двигателей с клапанным механизмом газораспределения это приводит к тому, что в районе нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) при еще не закрытых выпускных клапанах открываются впускные клапаны. Подавляющее большинство современных автомобильных дизельных двигателей с неразделенной камерой сгорания имеют плоскую нижнюю часть головки цилиндров и поршень с плоским днищем с размещенной в нем камерой. Такая конструкция обеспечивает максимально эффективное использование поступившего в цилиндр воздуха для сжигания (окисления) топлива, т.к. между двумя плоскими поверхностями удается создать самый минимальный паразитный объем воздуха, не поступившего непосредственно в камеру сгорания (наилучшее значение, так называемого, "к" - фактора), однако плоская поверхность поршня резко сужает границы возможного перекрытия фаз из-за вероятности столкновения поршня и клапанов, тем не менее, перекрытие фаз существует на всех двигателях. Для расширения перекрытия часто в поршне или в головке цилиндров выполняют цековки для обеспечения необходимого зазора между тарелками клапанов и днищем поршня, тем самым, ухудшая "к" - фактор. Существуют и другие способы размещения однополостных камер сгорания в дизельных двигателях, тем не менее реализация перекрытия фаз газораспределения решается практически аналогичным образом.

Рассмотрим процессы газообмена, происходящие в районе нахождения поршня в ВМТ при завершении выпуска и начале впуска. Завершение выпуска из цилиндра сопровождается выталкиванием отработавших газов поршнем, движущимся к ВМТ. Для исключения образования повышенного давления в цилиндре за счет сжатия отработавших газов выпускные клапаны (клапан) стараются держать открытыми до полной очистки цилиндра. Так как закон движения клапанов при закрытии жестко ограничен физическими возможностями материалов клапана и седла клапана по предельной скорости посадки клапана для обеспечения необходимого ресурса этого сопряжения, то посадка происходит относительно плавно, также плавно уменьшается и кольцевой зазор между седлом и клапаном. На высоких оборотах двигателя (более 2500 об/мин) для исключения поджатия отработавших газов в цилиндре из-за ограниченного времени на процесс окончания выпуска, фазу выпуска, с учетом отмеченной выше особенности в плавной работе клапанного механизма, требуется завершать значительно позднее положения поршня в ВМТ. С целью же высокого наполнения цилиндров свежим зарядом фазу впуска требуется начинать значительно раньше достижения поршнем ВМТ. В этом случае наблюдается положение клапанов, когда и впускные (впускной) и выпускные (выпускной) клапаны открыты. На высоких оборотах за счет малого значения времени такого состояния и значительной инерционности газовых потоков перетекание газов между впуском и выпуском практически отсутствует. Однако то, что допустимо для высоких оборотов (времени для протекания процессов относительно мало) для низких оборотов приводит к значительному перетеканию газов между впуском и выпуском (время для протекания этих процессов увеличивается кратно уменьшению оборотов двигателя). Эти процессы значительно ухудшают показатели двигателя на низких оборотах двигателя. Поэтому фазы газораспределения это практически компромисс между требованиями организации работы на высоких и низких оборотах двигателя. Во многих случаях для решения этой проблемы резко ограничивают диапазон изменения оборотов от минимума до максимума. Однако для высокооборотных дизельных двигателей, которые должны работать в диапазоне от 700...800 до 4500...5000 об/мин, перетекание газов в нижнем диапазоне оборотов значительно ухудшают их показатели. Особое значение это имеет для двигателей с турбонаддувом, где фазы газораспределения играют главенствующую роль и в эффективной работе турбонагнетателя.

В многоцилиндровых двигателях на процессы протекания газов в период перекрытия фаз газораспределения воздействуют и соседние цилиндры, поскольку обычно впускные и выпускные трубопроводы имеют общие (сообщающиеся) для двигателя подводящие и отводящие объемы (трубопроводы), через них и происходит взаимодействие между цилиндрами. Для двигателей с газотурбинным наддувом обычно турбонагнетатель размещается на выпускном коллекторе, объединяющем от 2 до 6 и более цилиндров. В этом случае часто происходит следующее явление. В цилиндр, в котором завершается процесс выпуска, из выпускного коллектора от одного из цилиндров, в котором только начинается процесс выпуска, поступает импульс давления, и часть отработавших газов возвращается обратно в цилиндр. Это так называемый заброс отработавших газов из системы выпуска в цилиндры, в которых еще не закрылись выпускные клапаны. Обычно выпускные газовые каналы выполняются так, чтобы очистка цилиндра могла быть выполнена наиболее полной, т. е. газовые каналы должны иметь малые аэродинамические потери, особенно в начальный период выпуска, когда давление в цилиндре еще высокое и в открывающейся щели между клапаном и седлом клапана истечение отработавших газов идет с огромной скоростью, на отдельных режимах превышающей скорость звука. Стремление уменьшить потери на выпуске в начальной фазе приводит к тому, что в период окончания выпуска под воздействием импульса давления от начального процесса выпуска из соседнего цилиндра, происходит заброс отработавших газов в цилиндр, где завершается выпуск. Особенно большие забросы отработавших газов происходят на низких оборотах двигателя, когда для этого процесса появляется достаточный временной отрезок. Поскольку поршень в этот период находится вблизи ВМТ, то свободный (оставшийся) объем цилиндра и камеры сгорания дополнительно заполняется отработавшими газами, причем часть отработавших газов за счет перекрытия фаз попадает и во впускные каналы. Для создания, в дальнейшем, необходимого вихря воздушного заряда в процессе впуска в цилиндр потребуются дополнительные затраты энергии для организации вращения заброшенных в цилиндр отработавших газов. Также произойдет потеря части вихря на такте сжатия при перетекании свежего заряда в камеру сгорания, уже заполненную заброшенными отработавшими газами, и эту часть потерь вихря необходимо компенсировать большим уровнем вихря на впуске.

Суммируя рассмотренные явления и требования к работе впускных газовых каналов, перекрытию фаз газораспределения и наличие заброса отработавших газов в цилиндр можно отметить, что для низких оборотов требуются специальные меры по обеспечению интенсивного вихря на впуске, т.е. применения впускных газовых каналов, создающих более интенсивный вихрь. В двигателе это одновременно приведет к неоправданным потерям на высоких оборотах, в связи с повышенным аэродинамическим сопротивлением таких газовых каналов.

Для разрешения создавшегося противоречия настоящим изобретением предлагается сформировать выпускные (выпускной) газовые каналы (канал) таким образом, чтобы заброс отработавших газов в цилиндр приводил к образованию вихря в цилиндре с направлением, соответствующим направлению вихря, создаваемого впускными (впускным) газовыми каналами. Реализовать такой процесс можно выполнив выпускные каналы следующим способом: выпускные газовые каналы должны быть направлены по ходу завихрения потока отработавших газов; один из выпускных газовых каналов выполняется ниже другого выпускного газового канала на величину, определяемую требуемой степенью завихрения, в каждом конкретном случае выбираемую экспериментально. Это позволит на низких оборотах двигателя значительно интенсифицировать вихрь газов в цилиндре и в камере сгорания, тем самым в начальный период впуска улучшить протекание этого процесса. На высоких оборотах, вследствие меньшего во времени влияния перекрытия фаз на обратный заброс, это не будет приводить к перезавихрению воздушного заряда в цилиндре и в камере сгорания. Поскольку величина обратного заряда отработавших газов в цилиндре напрямую связана с нагрузкой (т.е. цикловой подачей топлива и получившегося в результате сгорания объема газов), то это обеспечит автоматическое увеличение завихрения и по нагрузке двигателя. Впускные газовые каналы с относительно умеренным вихреобразованием, которые можно применить в этом случае, позволят улучшить их аэродинамические характеристики, т.е. увеличить коэффициент наполнения на высоких оборотах и, как следствие, повысить мощность двигателя и уменьшить расход топлива.

На фиг. 1 изображено устройство быстроходного дизельного двигателя с предлагаемым решением по организации рабочего процесса и завихрением газов в цилиндре, вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид сверху. Устройство быстроходного дизельного двигателя, изображенное на чертеже, состоит из следующих элементов:
- головка цилиндров 1 с впускными газовыми каналами 2, создающими завихрение воздуха на впуске в цилиндр 3, впускными клапанами 4, а также выпускными газовыми каналами 5 и 6 с выпускными клапанами 7;
- поршень 8 с камерой сгорания 9 в днище поршня 10;
- топливная форсунка 11, через которую впрыскивается топливо в камеру сгорания 9;
- выпускной коллектор 12, объединяющий выпускные каналы цилиндров многоцилиндрового двигателя.

Двигатель работает следующим образом. При подходе поршня 8 к положению ВМТ на такте выпуска заканчивается очистка цилиндра 3 от отработавших газов через выпускные каналы 5 и 6 с клапанами 7. Клапаны 7 находятся в процессе движения к закрытию, но окончательно еще не закрыты. Это делается для обеспечения хорошей очистки цилиндра 3 при высоких оборотах двигателя. Впускные клапаны 4 в это время уже открыты. Это делается для хорошего наполнения цилиндра 3 свежим зарядом воздуха при высоких оборотах двигателя. Задержка закрытия выпускных клапанов 7 и опережение открытия впускных клапанов 4 необходимы для согласования инерционных и волновых процессов впуска и выпуска и работы клапанного механизма с малыми износами. В многоцилиндровом двигателе система выпуска обычно объединяет несколько (по группам цилиндров) или все цилиндры в общую магистраль (систему) для подвода отработавших газов к глушителю шума системы выпуска, а в турбонаддувном двигателе - к турбине. В связи с этим в выпускном коллекторе 12 протекают пульсирующие потоки отработавших газов, создавая волны давления от каждого цилиндра. При равномерном порядке работы цилиндров, к которой стремятся все разработчики ДВС, для плавности и низкой шумности работы двигателя, обычно получается, что завершение процесса выпуска в одном из цилиндров совпадает с началом процесса выпуска в другом цилиндре. Это приводит к тому, что в завершающую фазу выпуска для цилиндра 3 из коллектора 12 через выпускные каналы 5 и 6 происходит заброс части отработавших газов вновь в цилиндр 3 и камеру сгорания 9. Процесс выпуска сопровождается высокой турбулентностью потоков газов. Особенно это проявляется в момент заброса отработавших газов в цилиндр 3, т.к. в этом случае потоки газов меняются на противоположное направление. Для того, чтобы в цилиндре 3 и в камере сгорания 9 в это время не создавались условия для противодействия вихрю от впускных газовых каналов 2, форма выпускных каналов 5 и 6 выполняется таким образом, чтобы они в этот период создавали вихрь в цилиндре и в камере сгорания в том же направлении, что и впускные газовые каналы 2. Для этого выпускные газовые каналы 5 и 6 должны быть направлены по ходу завихрения потока отработавших газов (см. фиг. 2); выпускной газовый канал 6 выполняется ниже выпускного канала 5 на величину, определяемую требуемой степенью завихрения, в каждом конкретном случае подбираемую экспериментально (см. фиг. 1). В период заброса впускные клапаны 4 уже приоткрыты, и часть отработавших газов устремляется и в них. Так как движение газов совпадает с направлением вихря, которое формируют эти каналы, то в горловине впускных каналов 2 направление закрутки потоков газов не изменяется, тем самым, создавая благоприятные условия для формирования интенсивного вихря в процессе впуска. К тому же этот вихрь на выпуске накладывается на уже сформированный вихрь в цилиндре 3 и камере сгорания 9, тем самым его усиливая. Чем больше интенсивность заброса отработавших газов в цилиндр 3 и в камеру сгорания 9 (пропорционально нагрузке на двигатель), тем интенсивнее получается суммарный вихрь в процессе впуска. Аналогичное усиление вихря происходит и при увеличении времени заброса отработавших газов, что характерно для низких оборотов двигателя. При высоких оборотах двигателя рассмотренные процессы течения газов изменяются в сторону сокращения интенсивности заброса отработавших газов из-за уменьшения отрезка времени на эти процессы и существенном увеличении инерционности газовых потоков.

Таким образом, за счет забросов отработавших газов происходит автоматическое регулирование изменения интенсивности вихря свежего заряда в обратной зависимости от оборотов двигателя и прямой зависимости от нагрузки, т. е. цикловой подачи топлива через форсунку 11 и соответственно от расходов отработавших газов из цилиндров двигателя.

Рассмотренные процессы происходят только в период забросов отработавших газов, т.е. при малых открытиях клапанов, особенно это относится к выпускным клапанам. Поэтому форма выпускных газовых каналов выполняется с учетом того, что в процессе очистки цилиндра от отработавших газов, каналы имели бы малое сопротивление для течения газов из цилиндра в выпускной коллектор, а при забросе отработавших газов, т.е. при течении газов из выпускного коллектора в цилиндр направленное течение газов в цилиндре и камере сгорания с организацией вихря совпадало с направлением вихря во впускных газовых каналах. Изложенное выше относится и для исполнения двигателя с одним впускным и одним выпускным каналами и клапанами.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к организации рабочего процесса дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива. Быстроходный дизельный двигатель с непосредственным впрыском топлива через форсунку 11 в камеру сгорания 9 поршня 8 имеет клапанный механизм газораспределения, состоящий из головки цилиндров 1 с впускными газовыми каналами 2, создающими завихрение воздуха на впуске в цилиндр 3 и впускными клапанами 4, а также выпускными газовыми каналами 5 и 6 с клапанами 7, объединенными в выпускной коллектор 12. При этом выпускные газовые каналы 5 и 6 выполняются такими, чтобы заброс отработавших газов в цилиндр 3 приводил к образованию вихря в цилиндре 3 с направлением, соответствующим направлению вихря, создаваемого впускными газовыми каналами 2, обеспечивая автоматическое изменение интенсивности вихря в обратной зависимости от оборотов двигателя и в прямой зависимости от нагрузки двигателя, что позволяет повысить мощность двигателя и уменьшить расход топлива. Изобретение обеспечивает организацию оптимального вихря внутри цилиндра перед сжатием без дополнительных устройств на впуске. 2 ил.

Быстроходный дизельный двигатель с непосредственным впрыском топлива в однополостную камеру сгорания, имеющий клапанный механизм газораспределения с перекрытием фаз клапанов и с впускными газовыми каналами, создающими направленный вихрь свежему газовому заряду в цилиндре двигателя, отличающийся тем, что выпускные газовые каналы выполняются такими, что при забросе отработавших газов из выпускного коллектора в цилиндр двигателя направленное движение газов создавало вихрь в том же направлении, что и во впускных каналах, обеспечивая тем самым автоматическое изменение интенсивности вихря на впуске в обратной зависимости от оборотов двигателя и в прямой зависимости от нагрузки двигателя.